張士韜，歐陽(yáng)林男，陳少雄，楊嘉麒

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 速生樹(shù)木研究所，廣東湛江 524022；2.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江蘇南京 210037）

人工林在全球森林資源中占據(jù)重要地位，其在維持生態(tài)平衡和促進(jìn)林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。我國(guó)人工林發(fā)展迅速，卻因長(zhǎng)期缺乏理論指導(dǎo)和相應(yīng)技術(shù)支持，質(zhì)量普遍較低。間伐和修枝作為有規(guī)劃、有目標(biāo)的林木和枝干去除手段，對(duì)人工林的培育至關(guān)重要。有效的撫育計(jì)劃、標(biāo)記、剩余林木的保護(hù)、林地清理以及對(duì)剩余林木生長(zhǎng)狀態(tài)和效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，是優(yōu)化間伐和修枝措施的具體步驟。研究表明，間伐對(duì)日本柳杉（Cryptomeriajaponica）的木材密度有改善作用[1]，但對(duì)北美短葉松（Pinusbanksiana）的木材密度可能帶來(lái)負(fù)面影響[2]；這一差異來(lái)源于日本柳杉間伐后，由于風(fēng)力作用產(chǎn)生木材壓縮效應(yīng)，北美短葉松的木材密度更受遺傳控制的影響。間伐和修枝效果的差異還受環(huán)境、樹(shù)種和撫育措施等多方面的影響，然而，鮮有研究系統(tǒng)總結(jié)這些差異及其根本原因。本綜述以人工林為研究對(duì)象，系統(tǒng)梳理間伐和修枝對(duì)木材質(zhì)量的影響，重點(diǎn)討論不同間伐和修枝措施及林分差異對(duì)木材物理力學(xué)性質(zhì)、外觀質(zhì)量和其他木材質(zhì)量因素的影響；此外，簡(jiǎn)要闡述間伐和修枝對(duì)木材微纖絲角、纖維形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)的影響，為運(yùn)用間伐和修枝改良人工林木材質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 木材質(zhì)量概念的發(fā)展歷程

木材質(zhì)量的研究歷史悠久。20世紀(jì)50年代，印度率先開(kāi)展側(cè)重于木材材性，以改善木材質(zhì)量為重點(diǎn)的相關(guān)研究[3]。1984年，美國(guó)學(xué)者B.Zobel等提出通過(guò)強(qiáng)化森林經(jīng)營(yíng)和林木育種措施來(lái)改良木材品質(zhì)[4]。20世紀(jì)80年代，中國(guó)的木材質(zhì)量主要由伐木工人把關(guān)，不規(guī)范的伐木作業(yè)給國(guó)家林業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大的損失[5]。1997年，Zhang 將木材質(zhì)量的概念擴(kuò)大到從樹(shù)木到終端木材產(chǎn)品的范圍[6]。木材材性是木材質(zhì)量的重要組成部分；木材質(zhì)量還包括立木外觀質(zhì)量、缺陷評(píng)估等級(jí)以及解剖特征等多個(gè)方面。

過(guò)去伐木工人自主決定木材質(zhì)量的方式逐漸被更新，形成了更為全面的木材質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，其中包括了“良材”等概念[7-8]。針對(duì)不同用途的木材，出現(xiàn)了不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于建筑木材，評(píng)價(jià)木材質(zhì)量的重點(diǎn)通常放在木材的尺寸、剛度、彈性模量和斷裂模量及三維穩(wěn)定性上；對(duì)于家具和工具用木材，主要關(guān)注其防腐性能[7]。

無(wú)論哪種用途，木材節(jié)子和木材密度都是被研究和應(yīng)用最廣泛的木材質(zhì)量指標(biāo)之一。木材節(jié)子的大小和數(shù)量會(huì)影響木材的外觀質(zhì)量，節(jié)子周圍局部紋理的紊亂會(huì)降低木材的剛度和強(qiáng)度[6]。此外，木材節(jié)子需要額外的加工工藝處理，會(huì)影響實(shí)木價(jià)值。木材密度與小型無(wú)缺陷木材的硬度和強(qiáng)度呈正相關(guān)[9]。管胞長(zhǎng)度和微纖絲角對(duì)木材的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性有顯著影響；短管胞與過(guò)大的微纖絲角會(huì)導(dǎo)致木材在縱向上強(qiáng)烈收縮，引起干燥變形[6]。

2 間伐與修枝對(duì)人工林木材質(zhì)量的影響

2.1 間伐對(duì)木材質(zhì)量的影響

2.1.1 對(duì)木材晚材率、干縮特性和心材占比的影響

晚材即秋材，是在生長(zhǎng)季末期形成層活動(dòng)減弱后形成的次生木質(zhì)部，通常在秋天氣候干冷時(shí)形成[7]。晚材率是指晚材在木材年輪中所占的比率，是決定木材強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一[7]。晚材率越高，木材的結(jié)構(gòu)越致密堅(jiān)實(shí)，強(qiáng)度越高，質(zhì)量越好（紙漿材除外）[7]。間伐從兩個(gè)方面直接或間接影響木材晚材率（表1）[1，10-18]。一方面間伐可以擴(kuò)大林木生長(zhǎng)空間，改善生態(tài)環(huán)境，提高立地質(zhì)量；通過(guò)間伐，林地風(fēng)荷載增加，林木樹(shù)干外圍彎曲應(yīng)力增強(qiáng)，促進(jìn)木材壓縮[1]。另一方面，間伐能促進(jìn)大多數(shù)樹(shù)種的樹(shù)高生長(zhǎng)；為了適應(yīng)林木的快速生長(zhǎng)，木質(zhì)部細(xì)胞壁厚度降低，管胞直徑增加以擴(kuò)大內(nèi)腔，使管胞更有效地運(yùn)輸水分，這是為了彌補(bǔ)因蒸騰作用加速而導(dǎo)致的水分消耗[19-20]；這一過(guò)程導(dǎo)致晚材率降低。

表1 間伐對(duì)不同樹(shù)種晚材率的影響Tab.1 Effects of thinning on late wood rates of different tree species

木材干縮是指在干燥過(guò)程中，木材尺寸和體積發(fā)生縮小的現(xiàn)象，與木材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定密切相關(guān)[7]。干縮程度在縱向、徑向和弦向上存在差異，這種差異受到樹(shù)種和環(huán)境因素的影響。間伐對(duì)于火炬松（Pinustaeda）木材干縮率有顯著影響[14]。徐有明等[21]發(fā)現(xiàn)間伐增加濕地松（Pinuselliottii）木材縱向干縮率和差異干縮，降低徑向、弦向和體積干縮率；羅真付等[22]的研究結(jié)果表明，間伐對(duì)濕地松木材干縮性狀無(wú)顯著影響；蔡堅(jiān)等[23]研究發(fā)現(xiàn)，間伐對(duì)濕地松木材干縮產(chǎn)生負(fù)面作用。

木材質(zhì)量評(píng)定中，心材與邊材在木質(zhì)部中的占比是一個(gè)重要因素。心材占比越高，木材防腐性越好，材質(zhì)也更加穩(wěn)定。Vallejos 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，云南石梓（Gmelinaarborea）心材直徑隨間伐強(qiáng)度增加而增大，與Taylor 等[25]和Bravo 等[26]的研究結(jié)果一致。可能是因?yàn)橐环矫?，間伐降低林內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，使剩余的林木能增加更多葉生物量，促進(jìn)其生長(zhǎng)[27]，使其心材直徑增加；另一方面，間伐提高光利用率[28]，使樹(shù)冠下部葉片的光合作用飽和點(diǎn)和電導(dǎo)率上升[29]，提高林木吸收養(yǎng)分和水分能力，使其心材直徑增加。

2.1.2 對(duì)木材密度和力學(xué)性質(zhì)的影響

木材密度作為木材物理性質(zhì)的一部分，通常是決定木材質(zhì)量的重要特性[30-32]。其對(duì)間伐的響應(yīng)受林木生長(zhǎng)、晚材率[33-35]等多種因素控制。低強(qiáng)度間伐能通過(guò)加速林木生長(zhǎng)間接影響晚材形成[16]，增加木材密度，產(chǎn)生密度更均勻的木材[15]，提高間伐后林分的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；間伐強(qiáng)度大于30%時(shí)，早材和晚材生長(zhǎng)量均會(huì)增加，其中早材生長(zhǎng)增量略高于晚材，木材密度下降不顯著[36]。Vincent 等[37]發(fā)現(xiàn)黑云杉（Piceamariana）在間伐后，木材密度受到樹(shù)高的影響遠(yuǎn)比間伐強(qiáng)度更顯著。木材密度的變化受到間伐措施強(qiáng)度和方式等多方面因素影響（表2）。

表2 間伐對(duì)不同樹(shù)種木材密度的影響Tab.2 Effects of thinning on wood densities of different tree species

木材力學(xué)性質(zhì)是科學(xué)選材和用材的主要特性之一。均勻間伐有助于拓寬人工林木材的生長(zhǎng)空間；不均勻間伐會(huì)使林冠生長(zhǎng)發(fā)育不良，部分枝條過(guò)度生長(zhǎng)，重力不平衡引發(fā)樹(shù)干內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)壓木，從而增加了部分木材的順紋抗壓強(qiáng)度，但降低抗彎彈性模量。研究表明，間伐對(duì)不同樹(shù)種木材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性和硬度等力學(xué)性質(zhì)影響差異較大（表3）。

表3 間伐對(duì)不同樹(shù)種木材力學(xué)性質(zhì)的影響Tab.3 Effects of thinning on mechanical properties of woods of different tree species

對(duì)于相同林齡的樹(shù)木，合理均勻間伐能提升林分光照強(qiáng)度[49]，改善土壤水分狀況，維持或略微增加木材密度。更高強(qiáng)度的間伐并不代表對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)更為有利[47-48]。緩慢生長(zhǎng)的木材通常表現(xiàn)出更高的硬度，有助于抵抗風(fēng)力等應(yīng)力作用[50]。高強(qiáng)度間伐會(huì)促使林木冠幅增大，加速木材徑向生長(zhǎng)；降低林分密度，間接增加保留木對(duì)肥料養(yǎng)分的利用，生成更多的薄壁細(xì)胞[51]，使木材硬度和基本密度降低。間伐后，林木生長(zhǎng)與木材質(zhì)量間維持著動(dòng)態(tài)平衡。Zobel 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，間伐對(duì)木材密度的影響并不顯著，對(duì)木材質(zhì)量下降的影響相對(duì)較小，遠(yuǎn)低于其對(duì)蓄積量和胸徑的提升作用[15]；間伐能減少因異常氣候?qū)δ静拿芏仍斐傻牟▌?dòng)，獲得更為均勻的木材[17]。因此，適當(dāng)?shù)拈g伐可有效降低木材伐取和加工成本，對(duì)森林經(jīng)營(yíng)利大于弊。

2.2 修枝對(duì)木材質(zhì)量的影響

修枝是一種通過(guò)去除多余樹(shù)枝來(lái)提高木材質(zhì)量的方法[52]。該技術(shù)最早可追溯到18世紀(jì)；由于修枝強(qiáng)度不足、修枝時(shí)間太晚和樹(shù)種選擇錯(cuò)誤等原因，當(dāng)時(shí)人們低估修枝的價(jià)值。Nylinder[53]研究表明，修枝是一項(xiàng)效果較好的撫育措施。修枝的關(guān)鍵在于修剪樹(shù)木主干的一級(jí)分枝，至少去除自樹(shù)干基部向上3 m 內(nèi)的所有枝條，并在樹(shù)木胸徑達(dá)到15 cm前完成[54]。

2.2.1 對(duì)木材外觀質(zhì)量的影響

修枝通過(guò)減少分枝直徑，加快主干生長(zhǎng)速度，縮短分枝閉合時(shí)間[55]，減少木材上的節(jié)疤，提高木材單板質(zhì)量。任世奇等[56]對(duì)1年生尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）進(jìn)行持續(xù)2年修枝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)重度修枝（去除活枝冠層1/2 下層枝條）顯著提高單板質(zhì)量等級(jí)，增加活節(jié)，減少死節(jié)；楊中寧等[57]研究表明在同一樹(shù)種試驗(yàn)中，一級(jí)板和二級(jí)板的比例隨修枝強(qiáng)度增加而增大；Braz 等[58]對(duì)鄧恩桉（Eucalyptusdunnii）、巨桉（Eucalyptusgrandis）和柳桉（Eucalyptussaligna）進(jìn)行修枝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)修枝降低多節(jié)芯材數(shù)量，減少活節(jié)和死節(jié)數(shù)量，對(duì)鄧恩桉的效果最佳；劉球[59]對(duì)3 和9年生托里桉（Eucalyptustorelliana）進(jìn)行1年修枝，發(fā)現(xiàn)修枝改善了9年生托里桉單板綜合外觀等級(jí)，但對(duì)3年生托里桉的影響不明顯。剪刀修枝相比于鋸子修枝，木材變色程度較低[60]。合理的修枝略微加深木板變色程度，顯著降低節(jié)子數(shù)量[61]。Stener 等[62]對(duì)白樺（Betulaplatyphylla）的研究發(fā)現(xiàn)，修枝主要提高木節(jié)外部無(wú)缺陷的木材產(chǎn)量，對(duì)木節(jié)內(nèi)部的變色、節(jié)疤和腐爛等大多數(shù)木材缺陷沒(méi)有顯著影響。

修枝對(duì)傷口愈合時(shí)間和病腐率也有顯著影響。相較于自然折斷，人工修枝使得傷口愈合時(shí)間更短，傷口病腐率更低[63-64]。修枝能增加剩余枝條的直徑，促進(jìn)主干和剩余分枝生長(zhǎng)，縮短樹(shù)冠閉合時(shí)間[55]。

2.2.2 對(duì)木材密度和力學(xué)性質(zhì)的影響

修枝對(duì)部分樹(shù)種木材物理力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。修枝能促進(jìn)晚材和管胞長(zhǎng)度增加，提前終止幼齡木形成[40，44]。在任世奇等[65]試驗(yàn)中，修枝降低大花序桉（Eucalyptuscloeziana）木材基本密度，顯著降低心材密度，但對(duì)邊材密度無(wú)影響。對(duì)于其他人工林而言，杉木（Cunninghamialanceolata）在高林分密度下（1 800 株/hm2）修剪以及福建柏（Fokieniahodginsii）通過(guò)高強(qiáng)度的修剪（枝下高占樹(shù)高50%以上）后，木材物理力學(xué)性能均會(huì)減弱[66-67]；修枝使華北落葉松（Larixprincipis-rupprechtii）的木材密度降低，對(duì)楊樹(shù)（PopulusL.）的木材密度無(wú)顯著影響[68-69]。Antonov 等[70]采用兩種修枝方法（a：保留5～6 個(gè)上部活枝簇修剪50%～60%，b：修枝高度7 m）對(duì)歐洲云杉（Piceaabies）進(jìn)行修剪，發(fā)現(xiàn)a 方法增加木材密度，b 方法提高木材抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性，兩種方法修枝的木材在修剪60年后依然具有良好的物理力學(xué)性能和聲學(xué)特性。木材物理力學(xué)性能也隨修枝強(qiáng)度變化而變化。Wang 等[40]對(duì)臺(tái)灣杉（Taiwania cryptomerioides）的修枝試驗(yàn)表明，中度修枝（修剪根部向上至樹(shù)高3.6 m）能提高木材彈性模量和平均氣干密度，重度修枝（修剪根部向上至樹(shù)高4.5 m）的結(jié)果相反。

木材密度作為衡量木材質(zhì)量的綜合指標(biāo)，與木材物理力學(xué)性能密切相關(guān)。將適宜強(qiáng)度的活枝修剪與降低林分密度的合理間伐相結(jié)合，能培育出具有高物理力學(xué)性能的木材。已有研究證明，針葉樹(shù)木材密度的降低主要受分枝增加的影響[71]。目前，缺乏修枝對(duì)不同桉屬（Eucalyptus）樹(shù)種木材密度和力學(xué)性能影響規(guī)律的研究。提升桉屬木材物理力學(xué)性能對(duì)于拓展木材應(yīng)用范圍和降低加工成本有推動(dòng)作用。在后續(xù)研究中，可重點(diǎn)總結(jié)相關(guān)內(nèi)容，為修枝作業(yè)提供更系統(tǒng)的參考。

2.3 間伐和修枝對(duì)木材質(zhì)量其他特性的影響

2.3.1 間伐對(duì)木材微纖絲角和纖維形態(tài)的影響

微纖絲角是木材細(xì)胞次生壁中層微纖絲布列方向與細(xì)胞主軸所形成的夾角，是影響木材力學(xué)性能的主要因素之一[71]。微纖絲角較小時(shí)，木材表現(xiàn)出較高的抗拉強(qiáng)度；微纖絲角較大時(shí)，木材表現(xiàn)出更強(qiáng)的伸縮性[71]。根據(jù)木材形成的激素控制學(xué)說(shuō)[72]，間伐和修枝可通過(guò)影響樹(shù)冠率，改變樹(shù)木實(shí)際光合面積，影響激素的合成與運(yùn)輸，影響細(xì)胞分裂和加厚程度，引起微纖絲角的變化，導(dǎo)致木材彈性模量發(fā)生變化。Kantavichai 等[73]研究發(fā)現(xiàn)，間伐后，木材的彈性模量增加10%，可能是由于林分密度降低和微纖絲角增大。Herman 等[74]研究發(fā)現(xiàn)，木材生長(zhǎng)速率顯著影響歐洲云杉生長(zhǎng)輪內(nèi)和輪間微纖絲角。因此，均勻間伐與不間伐對(duì)照林分的木材生長(zhǎng)速率差異可能導(dǎo)致木材彈性模量產(chǎn)生差異。Vincent 等[37]的黑云杉試驗(yàn)中，雖然木材彈性模量受間伐的影響不顯著，但不間伐的黑云杉林木材彈性模量變異程度大于間伐林。林分間伐通過(guò)降低林分密度、促進(jìn)林分木材生長(zhǎng)速率、增大微纖絲角等方式，使木材彈性模量增強(qiáng)，保持林分木材總體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

纖維形態(tài)與木材物理力學(xué)性能和加工利用密切相關(guān)，對(duì)木材干縮性狀也有影響。纖維形態(tài)特征與紙漿材質(zhì)量呈顯著相關(guān)。隨林木冠幅發(fā)育，早期對(duì)桉樹(shù)林的間伐可能使幼齡木比例增加，使纖維長(zhǎng)度降低；延緩第一次間伐的時(shí)間，有助于平衡林木生長(zhǎng)和木材材質(zhì)間的關(guān)系[75]。Trevisan 等[76]對(duì)18年生巨桉進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)間伐影響木材纖維長(zhǎng)度；隨間伐強(qiáng)度增加，纖維長(zhǎng)度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。Malan 等[77]對(duì)巨桉研究表明，纖維長(zhǎng)度不受間伐影響。張華林等[78]測(cè)量和分析2 種桉樹(shù)無(wú)性系在不同林分密度下的纖維形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)林分密度顯著影響纖維寬度和長(zhǎng)寬比；郭明輝[79]對(duì)水曲柳（Fraxinus mandshurica）木材纖維形態(tài)研究表明，纖維長(zhǎng)度隨間伐強(qiáng)度增加而增加；間伐降低了大青楊（Populus ussuriensis）[12]和濕地松[80]的纖維直徑和長(zhǎng)度。

間伐和修枝等撫育措施可能會(huì)影響微纖絲角、纖維形態(tài)等木材特性。撫育間伐和修枝對(duì)桉樹(shù)人工林木材微纖絲角和纖維形態(tài)的影響仍需要進(jìn)一步研究。

2.3.2 間伐和修枝對(duì)木材化學(xué)性質(zhì)的影響

木材的化學(xué)組分主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素構(gòu)成。木材的化學(xué)性質(zhì)基本取決于微觀上不同成分的結(jié)構(gòu)和含量變化，是不同化學(xué)成分的整體呈現(xiàn)。木材的易燃性、吸水性等化學(xué)特性與木材細(xì)胞和胞間物質(zhì)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[81]。Zanuncio 等[82]對(duì)尾巨桉進(jìn)行2年多的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)50%間伐強(qiáng)度顯著提升木質(zhì)素和抽提物含量，20%和50%間伐強(qiáng)度下木材碳水化合物含量低于35%間伐強(qiáng)度和對(duì)照。赫玲等[83]對(duì)濕地松進(jìn)行間伐，發(fā)現(xiàn)隨間伐強(qiáng)度增加，綜合纖維素含量顯著降低，但間伐對(duì)苯醇抽提物和質(zhì)量濃度1%NAOH 抽提物含量沒(méi)有顯著影響。趙輝[68]在華北落葉松修枝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，節(jié)子中纖維素和多項(xiàng)抽提物含量均顯著大于心材和邊材，說(shuō)明化學(xué)物質(zhì)在節(jié)子中富集，導(dǎo)致其分布不均勻，可能對(duì)木材加工利用造成不利影響。通過(guò)減少節(jié)子數(shù)量，修枝能有效改善木材內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的分布，提高木材質(zhì)量。

3 結(jié)論與展望

間伐加大樹(shù)木間距，林木易受風(fēng)力刺激形成應(yīng)壓木，林木高速生長(zhǎng)需要大量薄壁細(xì)胞運(yùn)輸水分和養(yǎng)分，兩種作用連同其他因素共同影響晚材率。木材干縮是決定木制品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一，受木材微纖絲角、纖維形態(tài)和木質(zhì)素含量等影響。通過(guò)改變林木冠幅和生長(zhǎng)率影響微纖絲角、纖維長(zhǎng)度和木材干縮濕脹及其影響要素對(duì)修枝的響應(yīng)尚待深入探究。木材密度與內(nèi)部木材質(zhì)量因子和外部環(huán)境因子密切相關(guān)，是木材物理力學(xué)性質(zhì)中最重要、最綜合的指標(biāo)。間伐與修枝降低林內(nèi)養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)，提高光利用率，改變心材占比和晚材率，影響木材物理力學(xué)性質(zhì)?？茖W(xué)間伐和修枝能顯著改善木材物理力學(xué)性能，降低林分經(jīng)營(yíng)加工成本，增大木材商品利潤(rùn)，適當(dāng)修枝還能顯著改善木材外觀質(zhì)量，降低質(zhì)量缺陷。目前，間伐和修枝對(duì)木材質(zhì)量的影響機(jī)制仍需進(jìn)行深入研究，包括間伐和修枝引起的風(fēng)荷載、內(nèi)源激素和微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及這些變化對(duì)木材的力學(xué)性質(zhì)、干縮特性和外觀質(zhì)量的影響。深入了解撫育間伐和修枝對(duì)人工林木材質(zhì)量的影響，對(duì)當(dāng)下人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和利用有重要意義。

利益沖突：所有作者聲明無(wú)利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：張士韜負(fù)責(zé)文獻(xiàn)檢索與論文撰寫(xiě)；陳少雄、歐陽(yáng)林男和楊嘉麒負(fù)責(zé)論文指導(dǎo)與修改。