米老排人工林生长规律及生长模型拟合研究

2017-11-09林能庆洪永辉李蔚倩熊玉桢王如均

林业勘察设计 2017年3期

关键词：速生生长率材积

林能庆，洪永辉，李蔚倩，熊玉桢，王如均

(1.福建省龙岩市林业种苗站，福建龙岩 364000；2.福建省上杭白砂国有林场，福建上杭 364200；3.福建农林大学林学院，福建福州 350001；4.福建省林业调查规划院，福建福州 350003)

学术研究

米老排人工林生长规律及生长模型拟合研究

林能庆1*，洪永辉2，李蔚倩3，熊玉桢2，王如均4

通过对米老排人工林平均木进行树干解析，选择7种林木生长经验模型对米老排生长过程进行回归分析，并对其结果进行综合比较，确定米老排的最佳生长模型。最后，根据最佳生长模型对米老排生长过程进行精度验证，结果表明：米老排经过科学经营后能产生巨大的生态、社会和经济效益，可列为福建珍贵速生阔叶树种进行培育推广。

米老排；人工林；树干解析；生长过程；生长模型

龙岩市是福建三大林区之一。全市有林地面积157.7 万hm2，其中杉木林面积占14.7%，马尾松林占40.4%。由于树种单一，杉木、松木等针叶树种多代连栽，造成地力衰退，林分质量下降。近年来龙岩市大面积引种桉树，但2015年冰雪天气造成了大面积冻害，表明桉树生长具有一定局限性。如何选择优良速生阔叶树，且材积及其它指标不亚于杉木和桉树等其他速生树种，为市场提供优质材种，成为龙岩当前造林急待解决的问题。20世纪60年代后米老排(Mytilarialaosensis)[2]在全省各地引种结果表明该树种很适合在福建生长。90年代米老排在龙岩引种成功。通过多年遗传改良，龙岩市在米老排优树选择标准、母树林营建、苗木生长规律、嫁接等方面取得突破[3-7]。米老排属金缕梅科常绿乔木树种，被列入我国木材战略储备树种、福建省第一批主要栽培珍贵树种。米老排木材气干密度0.524～0.564 g/cm3，木材纤维平均长达1 884 μm，总纤维素含量达80%左右，是建筑、家具、优良的制浆造纸和人造板原料[1]。米老排兼具改善土壤理化性质、保持水土等优点，是集用材、防火、饲料等多功效于一体的速生阔叶树，可用作营造速生阔叶树纯林，也可以在马尾松林下套种培育大径材。目前，米老排已成为高效生态型混交示范模式树种。国内有关米老排的研究主要集中在优树选择、育苗、水源涵养、土壤改良、材性等，而生长规律研究较少[2-8]。笔者以福建上杭白砂26年生米老排为研究对象，开展生长规律相关研究，为米老排科学经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况

米老排人工林位于福建省上杭白砂国有林场，处东经116°35′～116°39′，北纬25°7′～25°08′，年均气温19.2 ℃，极端最低温-6 ℃，年均降水量1 732 mm，无霜期295 d。林地地处武夷山脉南段东坡玳帽山延伸的低山丘陵地带，海拔450～500 m，林下植被以芒萁为主，立地质量等级Ⅱ级，高丘，中坡，红壤，坡度16°～25°，土层厚度1 m以上。林分在第7、14、16年曾进行间伐，林分郁闭度0.8。

1.2研究方法

在米老排人工林中按上坡、中坡、下坡布设3块大小为20 m×10 m的临时标准地。标准地内进行每木调查，在各标准地中选1株平均木进行树干解析。以2 m为一区分段进行树干解析，各龄级去皮直径取东西、南北向平均值，去皮材积利用区分段法求算。根据断面高度与到达该断面的年数绘制树高生长过程曲线，得出各龄阶树高，并用平均断面求积计算林木材积。各龄级米老排林分胸径、树高和材积等因子平均值，依据标准地米老排各径级的株数分布及解析木的树高推算得出。

1.3数据处理

2 结果与分析

2.1林分生长分析

标准地调查可知，26年生的米老排胸径10.2～31.3 cm，平均胸径17.8 cm；树高11.0～23.5 m，平均树高15.9 m。与原产地广西凭祥的26年生米老排胸径13.5～21.5 cm，树高18.5～21.5 m[9]对比可知，本次调查的树高、胸径最大值均优于原产地，但个别米老排树高、胸径低于广西凭祥，其变异系数较大。通过踏查，林分初植时为杉木或马尾松与米老排混交造林，造林后第7年曾均匀卫生伐，第14、16年间伐杉木、马尾松为主，由于米老排萌芽更新能力强，现生长较慢的植株为二代萌芽更新树木，因此，从广西引种的米老排较适宜在闽西、闽南地区生长[2]。

表1 林分现状与解析木状况

2.2米老排生长过程分析

林木生长过程研究主要采用树干解析法。在米老排人工林标准地内取平均木进行树干解析，计算各株样木胸径、树高和单株材积的年均生长量和连年生长量，取解析木的平均值代表林分总体情况得出米老排人工林生长过程表(表2)。由表2可知，26年生米老排解析木树高、胸径生长与林龄呈正相关关系。通过对比，试验地的数据与广西凭祥及漳洲长泰的生长数据相近[2-8]。因此，米老排具有明显的速生特性，可作为福建省培育大径材的首选优良珍贵阔叶树种之一。

2.3米老排生长规律

2.3.1 米老排树高生长规律

26年生米老排树高生长总量呈不断增加趋势，其树高总生长量17.98 m，平均生长量0.69 m，连年生长量0.20～1.52 m。树高平均生长量峰值出现在第2年，为1.52 m/a，在第3～10年稳定在1.02～1.26 m；第11～26年逐年减少，到第26年时树高平均生长量为0.69 m/a。树高连年生长量呈折线形波动曲线，其连年生长量每增加2～3 年后，其生长速度减缓；树高生长高峰期出现在第5～8年，其连年生长量分别为1.13和1.14 m/a，其它年份保持在0.5～0.8 m/a，但在第15、16、24年连年生长量低至0.25 m左右。米老排树高平均生长量曲线与连年生长量曲线在第5和第8年相交，此后米老排平均生长量和连年生长量逐年降低，但平均生长量降幅相对平稳，而连年生长量升降波动较大。在第15年连年生长量仅为0.2 m/a(表2)。由此可看出，试验地米老排的平均与连年生长量与广西凭祥和漳州长泰的生长量十分相似[2-8]，但出现高或低生长量的年度不同。

表2 米老排人工林树高、胸径、材积生长过程

2.3.2 米老排胸径生长规律

米老排去皮胸径总生长量随着林龄增加逐渐增大，第26年总生长量达17.57 cm。分析可知：米老排前期生长速度较快，3～8 a为胸径连年生长量速生期，峰值出现在第4年；在第9～18年胸径连年生长量缓慢下降，保持在0.52～0.75 cm/a；第19年之后降至0.5 cm以下，与广西的生长规律相近[8]。平均生长峰期出现在5～10 a，之后缓慢下降。连年生长量与平均生长量曲线在第6～8 年相交(表2)，说明米老排胸径生长具有早期速生和持久的特点[2-8]。研究表明米老排在全林分利用下在第7年可以盈利，第8年收益率就高于行业基准收益率5.56%，净现值也呈上升趋势，到11 a起达顶峰[13]。强化早期抚育管理有利于林木生长，可缩短工业原料林建设周期，达到与桉树培育相当的效果。

2.3.3 米老排单株材积生长规律

米老排单株材积连年生长量从第14年起处于快速增加阶段，其连年生长量均高于0.01 m3，至第25年连年生长量达到最高值0.012 8 m3/a(表2)。年平均生长量从第14年起一直表现平稳增长趋势，为0.005 5～0.008 2 m3/a，到第26年时，其材积连年生长量与年平均生长量仍未相交，即材积平均生长量未达到最大值，表明此时米老排材积生长处在旺盛阶段，其数量成熟年龄尚未达到，材积的生长潜力巨大。

2.3.4 米老排形数生长规律

形数是反映林木生长过程的重要因子，是表示树木干形的饱满程度的指标。形数越大说明树干越通直圆满。米老排的形数随着年龄的增加而降低，总体呈现波浪型曲线变化，但形数变化幅度较小。在造林后20 a内，其胸高形数均保持在0.55以上，20 a后虽然有下降但仍保持在0.51以上，说明米老排干形好，出材率较高，培育米老排人工林可获得较高出材量。

2.3.5 米老排林木生长率

反映林木生长相对速率快慢的指标是林木生长率。利用普雷斯特生长率公式计算树木的树高、胸径及材积等因子的生长率，并绘制树高、胸径、材积生长率曲线图(图1)。

图1 米老排树高、胸径、材积生长率曲线

米老排去皮胸径和单株材积连年生长率随着树龄增加而递减，呈现先急后缓的趋势。单株材积生长分为2个阶段，4～9 a下降较快，第10年开始维持平缓下降水平，与去皮胸径基本平行下降。树高连年生长率波动性较大，仅在第15年与材积生长相交。分析认为树高生长可能与该林分部分为杉木、马尾松混交林有关。林分密度大的针阔混交林林冠重叠，造成树高生长起伏较大，在第7、14、16年间伐后其高生长继续生长。树高生长率(k)为树高与胸径生长率的比值，是反映树高生长能力指数。根据计算，26 年生米老排k值始终大于1，说明米老排树高一直处于旺盛生长状态。

2.4米老排生长模型拟合及检验

2.4.1 米老排树高生长数学模型

对26年生米老排树高进行7种生长模型回归分析(表3)。理查德、苏玛克、韦布尔3种数学模型拟合相关性R2为6种模型中最高，均为0.998，残差平方和≤1.211，说明这3种生长模型对米老排树高生长均有较好的拟合效果。苏玛克模型的残差平方和最小，可选为26年生米老排树高生长模型，其公式为H=29.598e-(15.737)/(T+4.725))。

2.4.2 米老排胸径生长数学模型

对米老排去皮胸径生长模型的回归分析中(表4)，4种生长数学模型拟合优度均达到0.99以上，其中拟合优度最高是理查德、韦布尔这2种数学模型，拟合相关性达0.999，残差平方和≤0.548，说明这2种生长模型对米老排胸径有较好的拟合效果。二者中，理查德模型残差平方和为0.325，拟合效果最佳。因此，选取理查德方程作为去皮胸径生长数学模型，公式为：D=25.391×(1-1.064e-0.04T)0.835。

表3 米老排去皮树高生长数学模型回归分析

表4 米老排去皮胸径生长数学模型回归分析

2.4.3 米老排材积生长数学模型

7个经验生长模型对26年生米老排的拟合结果表明(表5)，理查德、苏玛克、韦布尔、坎派兹、高斯模型均能较好地对米老排材积进行拟合，拟合优度R2均达到0.999，但理查德(Richards)模型残差平方和最小，为0.000 010。因此，选取理查德方程，其公式为V=0.612/(1-1.077e-0.037T)2.034，作为单株材积生长数学模型。

表5 米老排去皮单株材积生长数学模型回归分析

2.4.4 入选的米老排各生长数学模型验证

使用入选的米老排树高、胸径和材积生长模型估测各龄级的树高、胸径和材积(表6)，并与实测值进行对比，结果显示估测值与实测值总体上相近，相对总误差较小，树高、胸径、材积的平均相对误差及相对总误差均低于1.401%(表7)。13年生树高估测值偏低0.46 m，8年生胸径估测值偏低0.21 cm，但总体估测值效果较好，因此，实践中上述模型可直接用于各阶段林木生长预测。

表6 米老排人工林树高、胸径和材积生长模型残差比较

表7 米老排生长模型误差检验

3 结果与讨论

3.1研究结果

通过对米老排生长规律的研究可知，其树高、胸径年生长具有一定相似性，而连年生长量表现为折线型曲线升降趋势。树高平均生长量最大值出现在第2年，胸径平均生长量最大值出现在第8年，树高、胸径在10 a前其平均生长量基本保持波动性稳定，之后树高、胸径均缓慢下降，因此，加强对幼龄期的抚育管理和施肥，可确保林木快速稳定生长。米老排材积连年生长量呈现折线型波状增长，与胸径、树高生长变化有一定关系，平均生长量在第26年仍保持增长趋势，连年生长量与平均生长量曲线尚未相交，说明26年生米老排尚未达到数量成熟，该树种的数量成熟龄有待进一步研究。米老排胸高形数随着林龄增加保持较稳定状态，26 a的胸高形数为0.51，其干形可与松、杉等针叶树种通直程度相比拟。米老排胸径和材积连年生长率随着树龄增加而递减，呈现先急后缓的趋势。材积生长分为2个阶段，4～9 a下降较快，第10年开始维持平缓下降水平，与胸径基本平行下降。树高连年生长率波动性较大，仅在第15年与材积生长相交，说明米老排生长旺盛，具有培育珍优阔叶大径材的潜质。引种至福建上杭的生米老排表现出明显速生特性，是该地区培育大径材的珍贵优良阔叶树种之一。

3.2讨论

通过分析比较，从7个生长经验模型中选取苏玛克和理查德数学模型建立米老排树高、胸径、单株材积与树龄的生长模型方程。模型精度检验表明树高、胸径与材积的估测值基本接近实测值，在实践中具有较强的可靠性。因此，根据米老排各龄级材积估测值结合林地立地条件、造林密度来确定培育短周期或中、大径材的目标更有意义。

对26年生米老排人工林不同林龄生长规律进行分析，可以为米老排进行科学抚育管理提供理论依据。首先，综合米老排测树因子、生长量及生长率的研究表明，其具有明显的早期速生特性，树高和胸径连年生长在第3、4、7、9年相交，并分别在第2年、第4年达到最高峰值，与桉树早期速生特性接近，其速生性和材性均与桉树一样可列为短周期工业原料林进行经营[8]。其次，米老排经济效益分析表明，在全林分利用下在第7年可以盈利，第8年收益率就高于行业基准收益率5.56%，净现值也呈上升趋势，到第11起达到顶峰[13]；同时，米老排萌芽能力强，枯枝落叶多，若作为经营短周期中小径级材和针阔混交树种可连续多代经营，也具有较好经济收益。因此，本研究认为可将米老排列为福建珍贵速生阔叶树种进行培育推广，能够产生巨大的生态、社会和经济效益。

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