两种杨树矮林地上生物量及树皮比例早期测算1)

戴丽莉 贾黎明 高媛 戴腾飞

(北京林业大学，北京，100083) (省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)) (北京林业大学)

责任编辑:王广建。

短轮伐期矮林的概念起源于20 世纪60年代，即高密度种植速生树种，集约经营，轮伐周期短于15年的栽植模式［1－2］。杨树因为速生、适生性强、萌蘖能力强以及广泛的种间杂交亲和性，是短轮伐期矮林林分中最常使用的树种之一［3－6］。杨树应用范围广，可作为木材、纸浆以及可再生能源原料［7］。杨木既可作为直接燃料，又可作为生产颗粒燃料的原料，同时，也可作为生产第二代先进生物燃料(纤维素乙醇)的原料。短轮伐期矮林地上生物量的估算对指导培育技术优化、实现原料林产量最大化具有重要作用［8］。运用模型M=aDb(其中M 为单枝干质量，D 为茎干直径，a 和b 为缩放系数)估算矮林林分地上部分的生物量［9］。R.Ceulemans 等［10］首次在试验中采用茎干离地22 cm 高的直径(D22)为变量，估算杨树短轮伐期矮林林分地上生物量;J.Pontailler 等［11］用茎干不同高度的直径估算林分地上生物量，结果表明:用D22作为变量，估算矮林林分地上生物量精度较高;N.A.Afas 等［12］、I.Laureysens 等［13－17］也认为用D22作为变量估算杨树短轮伐期矮林林分地上生物量比较适宜。由于树皮中纤维素质量分数和半纤维素质量分数低于去皮茎干［18］，且其水分和灰分质量分数高［19－21］，因此，无论作为纤维素乙醇生产原料还是颗粒燃料生产的原料，树皮比例均在很大程度上反映收获物的质量。树皮比例是指树皮干(鲜)质量在茎干总干(鲜)质量中所占的比例［22－23］。直径分布是短轮伐期矮林的重要特征之一，在收获之前通过建立茎干直径与地上生物量及树皮(或去皮茎干)比例的简单回归方程，既能估算林分地上生物量，又可以预测收获物的质量［24］。

通过建立D22与林分地上生物量和树皮比例的关系，验证林分地上生物量和收获物质量估算方法的可行性，并对三倍体毛白杨B301 和欧美杨107 在3 种栽植密度下林分地上生物量及收获物质量进行预测，为合理经营杨树短轮伐期矮林提供指导。

1 试验地概况

试验地位于山东省高唐县梁村镇(36°58'N，116°14'E)，平均海拔27 m，地势平坦。该地区为暖温带半干旱季风区域大陆性气候，大陆度为65.7%，具有显著的季节变化和季风气候特性，光照充足，热量丰富，降水量较少，春旱多风，夏热多雨，秋爽易旱，冬寒少雪。平均降水量544.7 mm，降水主要集中在7—8月份，年均蒸发量1 880 mm，年均气温13.2℃，极端最高气温41.2 ℃，极端最低气温－20.8 ℃，全年日照总时间为2 651.9 h，无霜期204 d。试验地土壤为潮土，其物理化学性质见参考文献［25］、［26］。

2 研究方法

2.1 试验设计

2013年春季造林，造林树种为三倍体毛白杨B301(triploid Populus tomentosa B301)和欧美杨107(Populus×euramericana cv.‘74/76’)，分别以3 种栽植密度(5 000、10 000、20 000 株/hm2)种植，株行距分别为1.0 m×2.0 m、1.0 m×1.0 m 和1.0 m×0.5 m，重复3 次，每个小区的面积为300 m2(10 m×30 m)。造林前，土壤施有机肥，深翻20 cm。三倍体毛白杨B301 采用1年生根萌苗，穴植造林;欧美杨107 采用长约15 cm 的插穗扦插造林(覆地膜)。1年生长两种杨树不同栽植密度的D22平均值见表1。

表1 1年生杨树林分不同栽植密度的D22平均值

2.2 茎干各径阶树皮比例测算

12月中旬在平茬前进行取样。各小区分别从中间行取不同株5～6 个枝。从各样枝的下部、中部和上部分别取5 cm 长的小段。用游标卡尺以木段1/2 处的直径为依据，将木段分级。对于椭圆形木段，测垂直两个方向的直径，以平均值代替木段的直径。按10 mm 一级分组，三倍体毛白杨B301 分为:＞0～10、＞10～20、＞20～30 mm;欧美杨107 分为:＞0～10、＞10～20、＞20～30、＞30～40 mm。将各径阶样品混合，并称鲜质量，再将各木段剥皮，测得树皮鲜质量及去皮茎干鲜质量，在75 ℃下烘干至恒质量，分别测其干质量。计算得出各径阶的干(鲜)质量的树皮比例及含水率。

2.3 建立D22与单枝地上生物量和树皮比例的关系

各小区从中间行取15～16 个枝，分别测得每枝的D22。随后从底部到顶部，依次测定每枝干部和小枝的直径，按径阶分割，将属于同一径阶的混合，称质量。根据以上步骤得到的各径阶的含水率及干(鲜)质量树皮比例，计算各径阶的干质量及整枝的树皮干(鲜)质量，分别建立不同栽植密度的D22与单枝地上生物量、干(鲜)质量树皮比例的关系。

2.4 各栽植密度单枝生物量、林分地上生物量、林分树皮地上生物量估算

根据实测的各栽植密度中间行每枝的D22(栽植密度分别为5 000、10 000 和20 000 株/hm2，样本量分别为90、240 和480)，建立的D22与单枝地上生物量和干(鲜)质量树皮比例的关系，分别估算各栽植密度单枝生物量、林分地上生物量、林分树皮地上生物量。

2.5 数据分析

数据采用Excel 2010 和SPSS 20 软件进行处理和分析。各指标之间的差异显著性采用多重极差检验法在0.05 水平和0.01 水平上进行检验。

3 结果与分析

3.1 茎干各径阶干(鲜)质量树皮比例

由表2可知，两种杨树干(鲜)质量树皮比例均随着直径的增大而减小。欧美杨107:＞0～10 mm 径阶的干(鲜)质量树皮比例显著高于其它径阶;＞10～20 mm 径阶的干质量树皮比例显著高于＞20～30、＞30～40 mm 径阶;＞0～10 mm 径阶鲜质量树皮比例(47.02%)比＞10～20 mm 径阶鲜质量树皮比例(34.20%)高37.48%;＞0～10 mm 径阶干质量树皮比例(49.18%)比＞10～20 mm 径阶(33.96%)高44.82%，＞10～20 mm 径阶干质量树皮比例比＞20～30 mm 径阶(25.86%)高出31.32%。三倍体毛白杨B301:＞0～10 mm 径阶(34.21%)和＞10～20 mm 径阶(32.37%)鲜质量树皮比例显著高于＞20～30 mm径阶(27.86%);各径阶间干质量树皮比例的差异均达到极显著水平，＞0～10 mm 径阶干质量树皮比例(34.68%)比＞10～20 mm 径阶(30.26%)高出14.61%，＞10～20 mm 径阶干质量树皮比例比＞20～30 mm 径阶(26.55%)高出13.97%。欧美杨107 各径阶之间干(鲜)质量树皮比例的变化幅度大于三倍体毛白杨B301。

表2 两种杨树各径阶干(鲜)质量树皮比例

除＞0～10 mm 径阶，两种杨树各径阶干质量树皮比例均小于鲜质量树皮比例，这主要是因为树皮的含水率大于木质的含水率，但只有欧美杨107 的＞30～40 mm 径阶干鲜质量树皮比例之间差异极显著，鲜质量树皮比例(26.61%)比干质量树皮比例(23.25%)高14.45%。两种杨树之间，除＞20～30 mm 径阶的干质量树皮比例，欧美杨107 的干(鲜)质量树皮比例均大于三倍体毛白杨B301，但只有＞0～10 mm 径阶的干(鲜)质量树皮比例差异显著;欧美杨107 的＞0～10 mm 径阶干质量树皮比例比三倍体毛白杨B301 高出41.81%，鲜质量树皮比例高出37.45%。此外，两种杨树各径阶干(鲜)质量树皮比例的标准误有随着直径的增大而减小的趋势，这是因为直径小的木材木质不够均匀。

3.2 D22与单枝地上生物量之间的关系

根据各栽植密度每样枝各径阶的鲜质量及含水率，计算出各径阶的干质量和，即单枝地上生物量。根据各品种的栽植密度，分别建立D22与单枝地上生物量之间的关系式(见图1、图2)。

图1 欧美杨107 各栽植密度的D22与单枝地上生物量的关系

图2 三倍体毛白杨B301 各栽植密度的D22与单枝地上生物量的关系

这个模型取决于大量样本［27］，试验中每种杨树 各栽植密度的样枝约50 个(各小区随机取样，取样数不等，总样品数约为50 个)。由见图1、图2可知，单枝地上生物量随着直径的增加而增加，R2均达到0.9 以上，异速生长模型能准确描述小枝和树干地上生物量的积累［28］。

3.3 各栽植密度单枝和林分地上生物量的比较

将两种杨树各栽植密度的单枝地上生物量数据混合，分别建立D22与单枝地上生物量之间的通用模型(见图3)。将实测的各栽植密度中间行植株的D22代入关系式，得到平均单株地上生物量，进而估算出林分地上生物量。由表1可知，三倍体毛白杨B301 各栽植密度间D22差异不显著(均值为18.44 mm)，但显著大于欧美杨107 栽植密度为20 000株/hm2的D22(16.55 mm)。

图3 三倍体毛白杨B301 和欧美杨107 的D22与单枝地上生物量之间的关系

由表3可知，两种杨树单株地上生物量均随着栽植密度的增加而减小。欧美杨107 栽植密度为5 000 株/hm2的单株地上生物量(199.79 g)显著大于20 000 株/hm2(154.42 g)，高出8.61%;三倍体毛白杨B301 各栽植密度间单株地上生物量的差异均不显著，均值为161.91 g，三倍体毛白杨B301 除栽植密度为20 000 株/hm2的单株地上生物量(158.16 g)略大于欧美杨107 外，其单株地上生物量均显著小于欧美杨107 栽植密度为5 000 株/hm2的值。三倍体毛白杨B301 为植苗造林，每株只有一干，而欧美杨107 为扦插造林，每株一干和两干的值各占约一半，少有每株三干甚至四干(数据未显示)，所以即使三倍体毛白杨B301 比欧美杨107 单枝长得粗壮，而单株地上生物量却没有优势。

两种杨树林分地上生物量均随着栽植密度的增加而增加，且各栽植密度间的差异达到了极显著水平。欧美杨107 栽植密度为20 000 株/hm2时，林分地上生物量为3.09 t/hm2，比栽植密度为5 000 株/hm2的林分地上生物量(1.00 t/hm2)高出209%，比栽植密度为10 000 株/hm2的林分地上生物量(1.84 t/hm2)高出68%;三倍体毛白杨B301 的栽植密度为20 000 株/hm2时，林分地上生物量最大(3.16 t/hm2)，比栽植密度为5 000 株/hm2的林分地上生物量(0.83 t/hm2)高出281%，比栽植密度为10 000株/hm2的林分地上生物量(1.62 t/hm2)高出95%，但都远低于国际平均水平的10 t/hm2。欧美杨107的林分地上生物量除栽植密度为20 000 株/hm2的值略小于三倍体毛白杨B301 外，其它两种栽植密度下，均大于三倍体毛白杨B301，但差异均不显著。鉴于欧美杨107 为扦插造林，而三倍体毛白杨B301为植苗造林，故而欧美杨107 的生长优势明显较大。

表3 三倍体毛白杨B301 和欧美杨107 各栽植密度单枝和林分地上生物量(标准误)

3.4 D22与干(鲜)质量树皮比例的关系、各栽植密度单枝和林分树皮地上生物量比较

根据各栽植密度每样枝各径阶干(鲜)质量及各径阶干(鲜)质量树皮比例，计算出每样枝各径阶树皮干(鲜)质量和，进而得出各样枝的干(鲜)质量树皮比例，分栽植密度建立D22与干(鲜)质量树皮比例的关系，再将两种杨树各栽植密度的干(鲜)质量树皮比例数据分别混合，建立D22与干(鲜)质量树皮比例之间的通用模型(见图4～7)。欧美杨107和三倍体毛白杨B301 的干(鲜)质量树皮比例均随着D22的增加而减小，这主要是因为较粗的枝有更多的木材，而树皮较少。将实测的各栽植密度中间行植株的D22代入两种杨树D22与干质量树皮比例关系式，得到平均单株树皮地上生物量，进而估算出林分树皮地上生物量(见表4)。

图4 三倍体毛白杨B301 各栽植密度D22与鲜质量树皮比例的关系

图5 三倍体毛白杨B301 各栽植密度D22与干质量树皮比例的关系

表4 三倍体毛白杨B301 和欧美杨107 各栽植密度单枝和林分树皮地上生物量

2 种杨树单株树皮地上生物量均随着栽植密度的增大而减小，与单株地上生物量类似。欧美杨107 在20 000 株/hm2的栽植密度下单株树皮地上生物量(53.36 g)极显著小于5 000 株/hm2(67.75 g)，而三倍体毛白杨B301 各栽植密度下的单株树皮地上生物量均小于欧美杨107 各栽植密度下的最小单株树皮地上生物量，且各栽植密度间的值没有显著差异，均值仅为49.96 g。同样，2 种杨树的林分树皮地上生物量均随着栽植密度的增加而增加，且各栽植密度间差异极显著。当栽植密度为20 000株/hm2时，欧美杨107 林分树皮地上生物量分别是栽植密度为10 000、5 000 株/hm2的72.58%和276.92%;当栽植密度为20 000 株/hm2时，三倍体毛白杨B301 的林分树皮地上生物量分别是栽植密度为10 000、5 000 株/hm2的96%、214.71%。

欧美杨107 各栽植密度下的单株和林分树皮地上生物量均大于三倍体毛白杨B301，但只有在5 000 株/hm2的栽植密度下，差异达到了极显著水平，欧美杨107 较三倍体毛白杨B301 单株树皮地上生物量超出32.84%，林分树皮地上生物量超出30.77%。

图6 欧美杨107 各栽植密度D22与鲜质量树皮比例的关系

图7 欧美杨107 各栽植密度D22与干质量树皮比例的关系

4 结论与讨论

本研究建立了一种在收获之前估计短轮伐期矮林地上生物量质量的简单而实用的方法。实测林分中植株离地22 cm 高处直径，便可估算地上生物量，亦可预测跟树皮相关的产量。

研究结果表明，欧美杨107 的D22在40 mm 以内，三倍体毛白杨B301 在30 mm 内，各径阶树皮干(鲜)质量比例均随着直径的增大而减小，且各径阶之间树皮干(鲜)质量比例大都差异显著，这一结果与其他研究一致。W.Guidi 等［24］将直径分为9 组，9 个径阶树皮干(鲜)质量比例均随着直径的增大而减小，干(鲜)质量树皮比例的显著差异出现在直径较小的组间，随着直径的增加各组之间的差异减小。本研究的缺陷在于因为是1年生杨树林，径阶有限，下步将拓展研究。

欧美杨107 和三倍体毛白杨B301 整枝的干(鲜)质量树皮比例均随着D22的增加而减小，这是因为树木各部分并不是协同生长的，木质部细胞的积累速度大于韧皮部细胞［23］。P.Tharakan 等［20］在杨树短轮伐期矮林林分中发现，直径小的植株，树皮比例高。同样，C.Morhart 等［29］在德国的3年生杨树林分中发现树皮比例随着直径的增加而减小。另外，W.Guidi 等［24］对2年生杨树短轮伐期矮林进行研究，建立了胸径与树皮比例的关系，发现树皮比例随着胸径的增加快速减小，当胸径达到4 cm 时，树皮比例的下降速度减缓，最后稳定在一个值。A.Adler 等［30］对瑞典的5年生柳树林分中建立D55和干质量树皮比例的回归方程，当D55小于20 mm，树皮比例快速减小;而当其大于20 mm 后，树皮比例便基本保持在20%。鉴于此项研究，应通过控制栽植密度和选择合适的轮伐周期等方式，在杨树胸径达到4 cm，柳树D55为2 cm 时收获，从而最优化收获物产量和质量。本试验中杨树短轮伐期矮林的高效生物质积累规律尚待进一步探索。

2 种杨树单枝地上生物量随着直径的增加而增加，与其他类似研究的结论相同。N.Al Afas 等［12］对比利时17 个杨树品种的短轮伐周期矮林生长对比试验中，建立的D22与单枝地上生物量的模型中a=0.18，b=2.40，R2=0.91，由于树种、树龄和立地条件(受放牧、霜害和病害影响)［28，31］的影响，当估算不同树种的地上生物量时，往往分树种建立模型［32－33］;I.Laureysens 等［14］对比利时的17 个杨树品种的同一林分进一步研究，在第一个轮伐周期末，分品种建立了D22与单枝地上生物量的关系。虽然本研究中各栽植密度之间的模型有差异，但探究是否可以用统一模型代替也很有必要。本研究中分栽植密度计算的单枝和树皮地上生物量与用各栽植密度数据混合模型计算的地上生物量，结果差异不显著，所以可以用统一模型估算单枝和树皮地上生物量。三倍体毛白杨B301 各栽植密度间单枝地上生物量均无显著差异，而林分地上生物量差异极显著，这是因为其林分为植苗造林，1 a 林分尚未郁闭，栽植密度对植株生长还未产生影响，而扦插造林的欧美杨107 因单株分枝，密度为20 000 株/hm2的林分已经郁闭，密度间单枝地上生物量的差异便显现出来。

三倍体毛白杨B301 各栽植密度间单枝树皮干质量差异均不显著，而林分树皮地上生物量差异达到了极显著水平，这主要是各栽植密度间地上生物量的极显著差异引起的。不同栽植密度之间树皮比例差异的存在，预示着通过优化经营管理提高目标产量的可能性。欧美杨107 在20 000 株/hm2的栽植密度下，单枝树皮地上生物量显著小于5 000 株/hm2，且其林分地上生物量相比于其它栽植密度还有优势。因此，就1年生欧美杨107 短轮伐期矮林，应选择20 000 株/hm2进行种植。本试验结果可作为林分和树皮地上生物量进一步拓展研究的基础数据，但对于生产实践、收获年份更具有指导意义。虽然本研究结果显示三倍体毛白杨B301 各栽植密度的单枝树皮干质量差异不显著，这主要是因为第一年各栽植密度单枝地上生物量还没有显著差异，且林分第一个生长季通常不能代表其未来的表现。造林阶段，多种跟土壤条件相关的因素(如温度、含石率、湿度)影响极大，可以造成根系生长的显著差异，进而导致树木生长量的不同，而随着树木不断长大，这些因素的影响会越来越小［12］，所以，这2 种杨树的树皮比例都有必要拓展研究。

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