苏南丘陵马尾松天然林与人工林生长规律比较

刘 坤，曹 林，周春国

（南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037）

苏南丘陵马尾松天然林与人工林生长规律比较

刘 坤，曹 林，周春国

（南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037）

以苏南丘陵地区的马尾松天然次生林和人工林为研究对象，进行了树干解析及各测树因子（即胸径、树高和材积）的生长模型拟合，并依据该区域森林资源历史调查数据中的森林起源信息对马尾松天然林与人工林生长状况进行了对比分析。结果表明：马尾松人工林的胸径和树高连年生长量最大值出现在10年左右，平均生长量最大值出现在15年左右；马尾松天然林的胸径和树高连年生长量最大值出现在18年左右，平均生长量的最大值同样出现在15年左右；马尾人工林数量成熟龄为47年，天然林数量成熟龄为50年；选用Richards生长模型对区域内马尾松各测树因子进行拟合的效果最好。

马尾松；天然次生林；人工林；生长规律；树干解析；苏南丘陵地区

马尾松Pinus massoniana是我国松属树种地理分布最广的一种[1]。因其耐瘠薄、适应性强、易于栽培等特点，成为我国南部丘陵地区重要的荒山造林树种。研究和比较其天然林与人工林的林木生长规律，有利于进一步认识马尾松林的生态功能多样性，为全面评价和可持续利用马尾松资源提供理论依据。马尾松作为用材林不仅具有极高的经济价值，同时也可在涵养水源、保持水土，改善局部小气候等方面也发挥着巨大作用[4-5]。以往对马尾松生长规律的研究主要集中于马尾松混交模式及与其生长与立地条件的关系，以及对马尾松的经济效益评估等方面[6-8]，对于不同森林起源的研究也集中于其他松科植物，鲜有对比生态效益为主的马尾松天然林与经济效益为主的人工林生长规律的研究[9-10]。本研究以江苏省常熟市的国营虞山林场（属于北亚热带森林）内的马尾松为研究对象进行树干解析并对各测树因子生长模型进行拟合，再依据该区域森林资源调查数据中的森林起源信息对马尾松天然林与人工林进行对比分析，探索以生态效益为主的马尾松林的生长规律。

1 试验地概况和研究方法

1.1 概况

国营虞山林场位于江苏省南部，地理位置为120°40′30″E，31°36′45″N，最高峰海拔 263 m。属于北亚热带湿润气候区，年平均气温15.4 ℃，无霜期240天左右，大于10℃的年积温为4 250～4 750 ℃。全年降雨量1 047.7 mm，降水集中于4～9月，年平均湿度约80%。土壤类型为黄棕壤，呈酸性，pH 为5～6。虞山森林面积1 500 hm2，从80年代开始，因禁止采伐封山育林和控制人工造林，天然植被迅速恢复和发展，森林覆盖率96%以上，森林群落主要为常绿落叶阔叶混交林[19]。马尾松样地概况见表1。

表1 马尾松样地概况Table 1 General situations of P. massoniana sample plots

1.2 研究方法

根据2012年的虞山森林资源三类调查数据，结合实地踏查，按照典型性和区域代表性原则，分别选择马尾松天然林和人工林相对集中的地区作为研究区域；根据马尾松林的生长状况、群落结构、立地条件和生境差异分别设置具有代表性的标准地7块，4块天然林，3块人工林，样地大小20 m×20 m。在标准地内进行每木检尺，选择2～3株标准木进行树干解析，总共16株。

本研究的树木生长过程测定分为外业树干解析和内业计算2个步骤。第一步采用单株树木材积测定的方法对标准木进行树干解析[11]，在伐倒前确定根颈位置和实测胸径，并标明胸高位置和南北方向；在截取圆盘时，以2 m为区分段采用中央断面区分求积法在每个区分段中点位置截取圆盘，截取位置分别为：0 m、1.3 m、3.6 m、5.6 m等，所余不足一个区分段长度的，在梢头底直径处截取圆盘，圆盘厚度2～5 cm。第二步是树干解析的内业工作，本研究采用了winDENDRO（2004c）树木年轮测量及分析系统对年轮宽度进行自动识别[12-13]。

2 结果与分析

2.1 不同森林起源下马尾松生长差异

2.1.1 树高生长过程

马尾松树高生长过程见图1和表2。在马尾松天然林整个生长过程中，连年生长量的最大值出现在15年左右，为0.35 m，然后波动下降，在45年以后趋于平缓。平均生长量最大值出现在18～20年之间，为0.34 m，平均生长量与连年生长量曲线相交于18年，此后连年生长量均小于平均生长量。在马尾松人工林整个生长过程中，连年生长量最大值出现在10年，为0.38 m，早于且大于马尾松天然林，然后波动下降。马尾松人工林平均生长量最大值出现在10年，为0.37 m，平均生长量高峰出现的时间比天然林早，且高峰值比天然林大，然后逐渐减小，平均生长量曲线与连年生长量曲线相交于13年左右；树高生长率随年龄的增加而逐渐减小；马尾松人工林平均生长量均高于天然林平均生长量；马尾松人工林连年生长量与天然林生长量曲线有多次相交，20年以后马尾松天然林连年生长量低于人工林连年生长量。

图1 马尾松天然林与人工林树高总生长量和年生长量曲线Fig.1 Total increment and annual increment of natural and artif i cial P. massoniana tree height

表2 马尾松天然林与人工林标准木生长过程Table 2 Growth process of standard trees in natural and artificial P. massoniana forests

2.1.2 胸径生长过程

马尾松胸径生长过程见图2和表2。55年前林分胸径的总生长量随龄阶的增大而增大，在林分整个生长过程中胸径生长率随龄阶的增加而减小；在马尾松天然林整个生长过程中，胸径连年生长量最大值出现在15年左右，为0.5 cm，然后逐渐波动下降；胸径平均生长量在15年时达到最大值：为0.49 cm，胸径平均生长量与连年生长量曲线相交于18年，此后连年生长量均小于平均生长量；马尾松人工林胸径连年生长量在13年时达到最大值，然后在20～40年波动下降，40年以后趋于稳定，连年生长量保持在0.1 cm；马尾松人工林胸径连年生长量在35年前均大于天然林胸径连年生长量，35年以后天然林连年生长量高于人工林，人工林胸径平均生长量均大于天然林胸径平均生长量。

图2 马尾松天然林与人工林胸径总生长量和年生长量曲线Fig.2 Total increment and annual increment of natural and artif i cial P. massoniana diameter at breast height (DBH)

2.1.3 材积生长过程

马尾松材积生长过程见图3和表2。在马尾松天然林整个生长过程中，材积连年生长量在46年左右时达到最大值：为0.003 7 m3，10～40年是材积生长的速生期，在45年以后天然林材积连年生长量急剧下降，50年以后连年生长量低于0.001 5 m3；马尾松天然林材积平均生长量在45年时达到最大值，之后缓慢下降，材积平均生长量与连年生长量曲线相交于50年，说明此时马尾松天然林达到数量成熟龄；在马尾松人工林生长过程中，材积的连年生长量最大值出现的要比天然林早，在30年时候达到最大值且比天然林的值要大为0.003 8 m3，从35年以后人工林连年生长量低于天然林的连年生长量，50年以后连年生长量低于0.001 m3；人工林材积平均生长量在40年之前均大于天然林材积平均生长量，材积平均生长量与连年生长量曲线在45年初处相交，此时人工林达到数量成熟龄，要比天然林早5年。

图3 马尾松天然林与人工林单株材积的总生长量和年生长量曲线Fig.3 Total increment and annual increment of natural and artif i cial P. massoniana individual tree volume

2.2 不同森林起源马尾松生长模型拟合

生长模型是进行森林经营管理的重要手段，它能够定量研究林木各因子的生长状况，它既可对现实林分的生长状况做出客观地评价，并且还可以对林分各个测树因子将来的变化做出合理的预测。一个理想的生长模型应该符合通用性强，准确度高的要求，同时模型参数应具有生物学意义，符合植物种群的生长规律。本文以胸径、树高、材积分别为因变量，以对应的年龄为自变量，结合马尾松生长规律以及前人的研究成果[16]应用SPSS19.0数据处理软件用以下4个生长模型对马尾松进行拟合。

Logistic生长模型：

Gompertz生长模型：

Johnson Schumacher生长模型：

Richards生长模型：

各测树因子拟合结果如见表3、图1和图3。图表中： 决定系数（R2）、残差(Q残)可以反映模型的拟合效果。由表3可以看出，4个生长模型的决定系数都大于0.90，相关性高；残差都小于2，精度都较高，但是其中无论是人工林还是天然林，Richards生长模型对马尾松的胸径、树高及材积的拟合决定系数最大且残差最小，因此选择此模型：Y=a(1-ebt)c（式中a为生长极限即环境容纳量，b为生长速率，c为形状参数）作为马尾松天然林与人工林测树因子生长曲线的拟合。

3 讨论与结论

该林分树干解析木的生长规律表明：马尾松人工林的胸径和树高平均生长量最大值均出现在15年左右，连年生长量出现在10年左右；马尾松天然林的胸径和树高的平均生长量最大值出现在18年左右，连年生长量的最大值出现在15年左右，此结果与张连金对马尾松人工林首次间伐年龄的研究结果相吻合[14]。从生长曲线来看，整个生长过程与实际生产经营管理情况相吻合；马尾松人工林0～15年为幼林期，在此期间胸径生长缓慢，树高和材积生长较快；15～40年为速生期，在此时期树高、胸径、材积都生长迅速；40年以后为成熟期，此阶段树高、胸径、材积增长缓慢，增长量接近为0；此结果与林剑榕、郭晓斌等人对马尾松胸径、树高的平均生长量和连年生长量出现最大值时的林龄、林分间伐期的研究结果基本一致[7-8,17-18]。马尾松天然林进入这几个阶段都要比人工林晚若干年：0～18年为幼林期，18～45年为速生期，5年以后进入成熟期，马尾人工林数量成熟龄为45年，天然林数量成熟龄为50年。

表3 马尾松拟合模型相关系数Table 3 Relationship coefficients of fitted models of P. massoniana

在本研究条件下可以看出马尾天然林与人工林生长过程存在一定差异，马尾松人工林胸径树高速生期和生长高峰期出现时间比天然林要早，但是持续时间比天然林短。此结论与卢琦等人对马尾松人工林与天然林生成过程研究得到的结论一致[7]。理论上由于天然林复杂的树种组成和树种丰富的基因型混交对环境具有很好的缓冲能力，天然林的生产力要比人工林高[4,15]。通过图1、图2和图3可以看出马尾松天然林与人工林的树高、胸径和材积的差异却不是很显著。主要原因在于虞山林场马尾松林的经营目的偏重于生态效益，主要用途在于调节城市小气候以及构建城市景观。遵循“自然恢复为主，人工建设为辅”的生态保护新理念，对马尾松天然林采取封山育林，对与马尾松人工林采取近自然林经营方法[5]：尽量利用和促进森林的天然更新。通过选定目的树并在经营过程中以不压抑人工林个体树木的生长并能形成优良木材为准则进行抚育，在自然选择的基础上加上人工选择，保证经营对象始终是遗传品质最好的立木；其他个体的存在有利于改善林分结构，提高森林的稳定性，保持水土，维护地力。

本文从起源方面结合经营措施讨论马尾松天然林与人工林的生长过程及生产力。由于起源不同，马尾松天然林与人工林速生期时间、生长速度有很大差异，但采取合理的经营措施后，弥补了人工林生产力不足的缺陷，缩小了二者之间的差异。从群落结构以及自然演替的角度来看，本地区马尾松属于优势树种，但是却属于衰退种群，乡土树种麻栎属于稳定种群或者增长种群，在未来以马尾松为优势种的天然林, 终将被以麻栎与马尾松混交林或以常绿阔叶林所替代。因此群落的演替是否会影响马尾松的生长过程及生产力还要进一步去研究。

[1] 秦国峰.马尾松地理起源及进化繁衍规律的探讨[J].林业科学研究,2002,15(4):406-412.

[2] 曾伟生,肖前辉.中国南方马尾松立木生物量模型研建[J].中南林业科技大学学报,2010,30(5):50-56.

[3] 曾伟生,张会儒,唐守正.立木生物量建模方法[M].北京：中国林业出版社,2011.

[4] 何东进,吴景贤.中国天然林保护与可持续经营问题与对策[J].福建林学院学报,2007, 27(2):186-192.

[5] 邵青还.对近自然林业理论的诠释和对我国林业建设的几项建议[J].世界林业研究,2003,16(6):1-5.

[6] 吴 鹏,丁访军.黔南马尾松人工林生长规律研究[J].中南林业科技大学学报.2011,31(8):52-55.

[7] 林剑榕.马尾松人工林生长规律及混交模式研究[J].防护林科技,2007(5):5-8.

[8] 郭晓斌.闽西山地马尾松人工林生长规律研究[J].林业科技开发, 2001, 15(S1):40-41.

[9] 卢 琦,赵体顺.黄山松天然林与人工林物种多样性和林分生长规律的比较研究[J].林业科学研究.1996,9(3):273-277.

[10] 蔡年辉,李跟前,云南松人工林与天然林群落结构的比较研究[J].西北林学院学报, 2007, 22(2):1-4.

[11] 孟宪宇.测树学[M].北京:中国林业出版社,2006.

[12] 刘琪璟.树干解析中圆盘直径及树皮断面积准确测定的方法[J].生态学杂志,2009,28(6): 1194-1200.

[13] 胡晓荣.树木年轮自动识别与提取[D].南京林业大学,2007,(6).

[14] 张连金,惠刚盈.马尾松人工林首次间伐年龄的研究[J].中南林业科技大学学报,2011,31(6):22-27.

[15] 李 丹,陈宏伟.我国天然林与人工林的比较研究[J].林业调查规划.2011,36(6):59-63.

[16] 付小勇.云南松林分生长模型研究[D].中南林业科技大学学报,2006(6)

[17] 王 晶,莫 菲,段文标.六盘山南坡不同密度华北落叶松水源林生长过程比较[J].应用生态学报,2009, 20(3): 50-56.

[18] 郭文福,蔡道雄,贾宏炎.米老排人工林生长规律研究[J].林业科学研究,2006,19(5):585-589.

[19] 潘百红,张正明,曹铁如.江苏虞山国家森林公园的天然植被[J].中南林业科技大学学报,2007, 27(4):123-128.

Comparisons of growth law of Pinus massoniana natural forest and plantation in hilly region of southern Jiangsu province

LIU Kun, CAO Lin, ZHOU Chun-guo
(School of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

By taking Pinus massoniana natural forest and plantation in the hilly districts in Southern Jiangsu as the tested objects, the stem analyses of two kinds of forests were conducted, the growth models of tree-measurement factors (diameter at breast height, tree height, and volume) were fi tted, and according to forest resources origin information of historical survey data for the region, the growth status of the two kinds of forests were compared and analyzed. The results show that the maximum value of current annual DBH and height growth of P. massoniana plantation was detected in about 10th year, and the maximum average growth of that appeared in about 15th year; The maximum value of current annual DBH and height growth of P. massoniana natural forests appeared in about 18th year,and the maximum average growth of that also appeared in about 18 year; P. massoniana plantations reached their quantitative mature age at 47-year-old and P. massoniana natural forests’ was 50-year-old; and the best P. massoniana fi tting model for the three forest measurement factors is Richards model in this forest area.

Pinus massoniana; growth rhythm; stem analysis; hilly districts in Southern Jiangsu

S791.248

A

1673-923X(2015)02-0044-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.009

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-07-18

江苏省高校自然科学研究项目资助（14KJB220002）

刘 坤，硕士研究生 通讯作者：周春国，副教授；E-mail：zhouchunguo@njfu.edu.cn

刘 坤，曹 林，周春国，等. 油茶湘林11号无性系嫁接苗的抗旱性研究[J].中南林业科技大学学报, 2015,35(2):44-48,71.

[本文编校：吴 彬]