造林密度对峦大杉生长形质及林分分化的影响1)

2018-01-15欧建德

东北林业大学学报 2018年1期

欧建德

(明溪县林业局，三明,365200)

造林密度是人工林培育中一个十分重要的技术环节，与林木生长过程密切相关，影响着林分的生长发育及林地的生产力水平[1]，决定着林分后期密度大小，是影响人工林生长的重要因素之一[2]。造林密度改变个体生长空间与林分结构，影响林木早期生长形质、个体竞争与分化[1]。林木早期生长形质与分化情况关系着后期健康生长与培育目标的实现，综合其生长形质与个体分化表现，依照培育目标确定合理造林密度显得十分必要。峦大杉(CunninghamiakonishiiHayata)又名香杉[3]，其生长迅速，树干通直圆满，材质结构细，是我国优良用材树种，适宜培育大中径材，并已在福建等我国南方地区大面积发展[4]。许多地区出现因造林密度过大导致峦大杉个体分化严重、单株生长衰弱、林分稳定性差的现象，确定其合理造林密度显得十分迫切。当前对峦大杉[5-7]和其他树种造林密度的研究[2,8-10]大多围绕生长表现进行，有关形质与个体分化效应方面研究少[1]，迄今未见峦大杉形质、林分分化方面的研究报道。为此，本研究以福建武平的8年生峦大杉造林密度试验林为对象，分析造林密度与峦大杉早期生长形质的关系及对个体分化影响，并采用主成分分析法综合生长形质与个体分化表现进行不同造林密度的综合评价，为确定合理峦大杉人工林造林密度提供参考和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究对象

研究地为福建省武平县南坊国有林场黄金寨工区(25°7′～25°8′N、115°57′～115°58′E)的峦大杉人工林，属武夷山脉南端，海拔580 m，地形开阔，土壤为花岗岩发育成的黄红壤，土壤肥沃，pH值5.2。试验地属亚热带季风气候，温和湿润，雨量充沛，日照充足，水热条件好。试验地年平均气温18.2 ℃，极端最高气温38 ℃，极端最低气温-6.3 ℃，大于等于10 ℃的年积温6 263 ℃，平均霜期97 d，年降水量1 704 mm，年均相对湿度80%。

研究材料采用1年生裸根苗，挖明穴造林的8年生人工峦大杉林；造林密度分别为2 700、3 000、3 300、3 600株·hm-2。连续抚育3 a，每年4—5月份、8—9月份全面除草，造林后次年4—5月份进行扩穴培土。

1.2 调查方法

2016年12月份在不同造林密度的峦大杉人工林林分，随机布设3个面积20 m×20 m临时标准地，作为3个重复。采用每木调查方法，分别测定树高、枝下高、地径、胸径、2 m处树干直径、冠幅、通直度。

生长及形质性状指标计算：峦大杉单株材积按鲍晓红等[11]研制的V=0.000 081 8d1.729 8h1.044 6公式计算。冠长率=树冠长度/树高[12]；树干通直度分为5级:通直(5分)、较通直(4分)、一般(3分)、弯曲(2分)、严重弯曲(1分)，分数越高越通直[13]；树干圆满度用2 m处树干直径与胸径的比值表示[1]；高径比=树高/胸径[13]；尖削度=地径/树高[14]；胸高形数(f1.3)=V/(g1.3×H)(式中:f1.3为胸高形数；V为材积；g1.3为胸高断面积；H为树高[12,15]。

个体的相对胸径(单木竞争指标)以及等级林划分标准：按公式d=r/R(式中：r为每株样木胸径；R为样地林分平均胸径；d为单木相对胸径)，求得每株样木的d值(单木竞争指标)[1]。在各样地按分级木(Ⅰ～Ⅴ级木)归类，分级标准为Ⅰ级木，d≥1.336；Ⅱ级木，1.026≤d<1.336；Ⅲ级木，0.712≤d<1.026；Ⅳ级木，0.383≤d<0.712；V级木，d<0.383[1，16]；并以样地为统计单元，分别计算相对胸径变异系数、Ⅱ级木以下和Ⅲ级木以下的株数比例；变异系数=(标准差/平均值)×100%[17]。

1.3 造林密度综合评价与优化

主成分分析可以较好地进行多性状的综合评价[1,18-19]。选择有着显著造林密度效应的生长形质与林分分化系列性状进行主成分分析，在主成分累计方差贡献率达85%以上的条件下，选取相应主成分构建性状指标体系，并建立主成分得分值评价数学模型[1,18-19]。根据综合得分为各个主成分得分值的累计原理，计算综合得分[1]。

1.4 数据分析

采用Excel 2003和SPSS21.0软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(a=0.05)。主成分分析采用SPSS21.0软件进行。造林保存率、Ⅱ级木以下和Ⅲ级木以下的株数比例均按x=asin(x)转化后方差分析。表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同造林密度对峦大杉生长的影响

从表1可以看出，除造林保存率外，不同造林密度间的8年生峦大杉树高、胸径、冠幅、冠高比、单株材积与林分蓄积均存在着显著性差异，表明造林密度显著影响着峦大杉树高、胸径、冠幅、单株材积与林分蓄积的生长，但对造林成活率无显著性影响。随造林密度的提高，峦大杉的树高、胸径、冠幅与单株材积均呈逐渐下降的变化趋势；造林密度增加至3 300株·hm-2起，显著降低了峦大杉的树高、胸径与单株材积，3 600株·hm-2造林密度的峦大杉树高、胸径与单株材积表现最差，2 700～3 300株·hm-2造林密度的峦大杉树高、胸径与单株材积表现良好且无显著性差异；造林密度增加至3 000株·hm-2起，显著降低了峦大杉的冠幅，2 700株·hm-2造林密度的冠幅与冠长率最大，3 600株·hm-2造林密度的冠幅与冠长率最小；随造林密度的提高，峦大杉的林分蓄积呈逐渐增加的变化趋势，3 000株·hm-2造林密度起，显著增加了林分蓄积，造林密度为2 700株·hm-2的林分蓄积最小。不同造林密度的峦大杉造林保存率为88.33%～93.33%，保存率较高且之间无显著性差异，这与峦大杉属阳性树种，适应迹地更新的全光照生境，且试验地的光照、水热等生境条件良好、一致有关。

2.2 不同造林密度对峦大杉形质的影响

胸高形数是重要干形指标[12,15]，树干通直度与圆满度衡量干材通直圆满程度，尖削度与高径比与干材直径变化相关，冠长率与枝下高直接关系无节良材比例与长短[12]，均是衡量干材形质重要性状指标。结果显示(表2)，除树干通直度、尖削度外，不同造林密度的峦大杉圆满度、冠长率、高径比、枝下高、冠长率和胸高形数等形质性状存在着显著性差异，表明造林密度显著影响着峦大杉的圆满度、冠长率、高径比、枝下高、冠高比和胸高形数等6个干材形质。随造林密度的增加，峦大杉的圆满度、高径比、枝下高和胸高形数等形质性状逐渐增加。造林密度增加至3 000株·hm-2起，峦大杉枝下高显著增加；3 600株·hm-2造林密度的枝下高最高，2 700株·hm-2造林密度的枝下高最低；峦大杉造林密度增加至3 300株·hm-2起，显著增加了圆满度，2 700、3 000株·hm-2造林密度的圆满度较小、树干欠圆满，3 300、3 600株·hm-2造林密度的圆满度表明良好、树干圆满；峦大杉造林密度增加至3 600株·hm-2时，显著增加了高径比与胸高形数，2 700、3 000株·hm-2造林密度的高径比与胸高形数较小，3 600株·hm-2造林密度的高径比与胸高形数表明良好；随造林密度的增加，峦大杉的冠长率等形质性状逐渐降低，造林密度增加至3 000株·hm-2起，峦大冠长率显著降低，2 700株·hm-2造林密度的冠长率最大，3 600株·hm-2造林密度的冠长率最小。造林密度对峦大杉的树干通直度、尖削度无显著性影响。

表1 峦大杉生长性状

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(p<0.05)。

表2 峦大杉形质性状

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(p<0.05)。

2.3 不同造林密度对峦大杉林木分化的影响

相对胸径作为与距离无关的单木竞争指标，具有测量精确与操作方便的特点，且是等级木划分的依据。相对胸径变异系数作为衡量群体内个体间离散程度与分化水平重要指标，等级木的组成比例，尤其是Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例是林分分化程度的直观性状。为此本研究选择相对胸径的变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例作为林木分化评价指标。结果显示(表3)，不同造林密度峦大杉相对胸径(单木竞争指标)的变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例间分别存在显著性差异，表明造林密度显著影响着峦大杉的相对胸径的变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例，说明造林密度影响着峦大杉单木间竞争与林分分化。随造林密度增加，峦大杉的相对胸径的变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例呈现增加趋势。造林密度增加至3 000株·hm-2起，显著增加相对胸径的变异系数，2 700株·hm-2造林密度的相对胸径的变异系数最小、单木竞争地位分化水平低，3 600株·hm-2造林密度的相对胸径的变异系数最大、单木竞争地位分化水平高；造林密度增加至3 000株·hm-2起，显著增加Ⅱ级木以下和Ⅳ级木以下株数比例，2 700株·hm-2造林密度的Ⅱ级木以下与Ⅲ级木以下的株数比例最小，3 300、3 600株·hm-2造林密度的Ⅱ级木以下株数比例较大，分别为64.50%、65.87%；3 600株·hm-2造林密度的Ⅲ级木以下株数比例最大，为11.27%。以上结果表明，造林密度显著改变单木间竞争地位以及林分分化，随着造林密度增加，林木个化间竞争分化加剧，以3 600株·hm-2造林密度林木个体竞争与林分分化最强烈。

表3 峦大杉林木分化

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(p<0.05)。

2.4 不同造林密度的生长形质及林分分化的综合评价

由于峦大杉人工林的树高、胸径、冠幅、单株材积、林分蓄积、冠长率、胸高形数、枝下高、高径比、圆满度、相对胸径变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例等13个生长形质及林分分化性状有着显著的造林密度效应。本研究对以上13个性状指标进行主成分分析。经主成分分析，第一主成分的方差特征值为10.333，贡献率达79.483%，其中冠长率、树高、枝下高、胸高形数等性状影响较大；第二主成分的方差特征值为1.456，贡献率达11.200%，其中林分蓄积影响最大；第一与第二主成分涵盖了峦大杉性状90.682%的综合信息。

第一主成分表达式为

z1=-0.092X1-0.089X2-0.090X3-0.082X4+0.061X5-0.094X6+0.089X7+0.092X8+0.092X9+0.089X10+0.075X11+0.085X12+0.086X13；

第二主成分表达式为

z2=0.195X1+0.239X2-0.142X3+0.336X4+0.511X5+0.036X6+0.073X7+0.054X8-0.191X9-0.167X10+0.237X11+0.099X12+0.240X13；

综合得分值Q=(z1×79.483%+z2×11.200%)/90.682%。

式中：z1为第一主成分；z2为第二主成分；Q为综合得分值；X1为树高；X2为胸径；X3为冠幅；X4为单株材积；X5为林分蓄积；X6为冠长率；X7为圆满度；X8为枝下高；X9为胸高形数；X10为高径比；X11为Ⅱ级木以下株数比；X12为Ⅲ级木以下株数比；X13为相对胸径变异系数。

经计算，2 700、3 000、3 300、3 600株·hm-2造林密度峦大杉样地综合得分值分别为36.29、39.80、41.88、42.83(表1)。方差分析结果显示，不同造林密度对峦大杉幼林的综合得分值有着显著性影响，表明造林密度显著影响着峦大杉的综合表现；当造林密度增加至3 000株·hm-2起，峦大杉综合表现差异显著。综合不同造林密度的生长形质与林分分化性状表现，2 700株·hm-2造林密度有利于峦大杉大中径材培育。

3 结论与讨论

林木的生长与形质形成除受到自身遗传因素控制外，还受到外部环境的共同作用[14]。造林密度改变着个体生长环境与竞争状况，必然导致林木生长形质与个体分化的差异。科学合理的造林密度对于人工林培育十分重要。

本研究发现，造林密度影响着峦大杉的树高、胸径、冠幅、冠长率、单株材积、林分蓄积、胸高形数、枝下高、高径比、圆满度以及相对胸径变异系数、Ⅲ级木以下与Ⅳ级木以下的株数比例等生长形质与林分分化性状，表明峦大杉生长形质与分化存在造林密度效应。综合评价峦大杉生长形质与林分分化表现，结果表明，2 700株·hm-2造林密度的峦大杉总体生长表现最好，有利于大中径材的培育。此研究结果验证了造林密度不仅影响林木生长发育[2,5-10]，还影响林木干形与个体分化的研究结论[1]。

不同造林密度的峦大杉生长效应表明，8年生峦大杉林分平均树高、胸径、冠幅与单株材积均随造林密度增大呈现逐渐下降变化规律；这与前人在杉木(Cunninghamialanceolata)[8]、南方红豆杉(Taxuswallichinavar.mairei)[1]与峦大杉[5-7]的研究结论一致。究其原因，随造林密度的增加，一方面光照、养分的供给难以保证个体生长需求，另一方面个体间竞争加剧，加快个体自然整枝，树冠整体上移，冠幅与冠长变小，植物光合能力下降。造林密度分别达到3 600、3 600、3 000、3 000株·hm-2时，显著降低树高、胸径、冠幅与单株材积，表明随年龄增长，峦大杉生长所需的地下、地上空间不断增加，合理调控密度十分必要。峦大杉树高、胸径、冠幅、冠长率与单株材积以2 700株·hm-2造林密度表现最好。8年生峦大杉林分蓄积随造林密度增大呈现逐渐增加变化规律，造林密度达到3 000株·hm-2起，显著提高林分蓄积，这与前人在杉木的研究结论[9]相一致，表明高密度林分能够更加有效地利用林地空间、整体光合作用能力增强，利于林分蓄积生长。2 700株·hm-2造林密度的峦大杉林分蓄积表现最低。8年生峦大杉单株材积与林分蓄积有着不同造林密度效应，造林密度与单株材积呈负相关、与林分蓄积呈正相关，表明相较于单株材积，造林密度是幼龄期峦大杉林分蓄积主导因子，林分的蓄积量更大程度地受株数的作用,密度越大,蓄积量越大，与前人在杉木[9]、细叶桉[10]的研究结论一致。

造林密度显著影响着峦大杉的圆满度、冠长率、高径比、枝下高、胸高形数等干形形质性状，验证了前人密度影响干形结论[1]。其原因可能是造林密度改变植株个体营养空间与林分郁闭时间，影响并改变同化物质在林木生长过程中的分配模式[20]。8年生峦大杉的圆满度、高径比、枝下高、胸高形数均随造林密度增加而增大，冠长率随造林密度增加而变小，表明高密度林分利于干材圆满、无节干材更长的干材培育，究其原因是高密度林分提前郁闭，促进自然整枝、减少了侧枝同化物质分配，进而增加主干的同化物质分配，与前人在南方红豆杉树种研究结论[15,19]一致；造林密度分别达到3 000、3 600、3 000、3 600株·hm-2时，峦大杉圆满度、高径比、枝下高、胸高形数显著增加，造林密度达到3 000株·hm-2时冠长率显著降低。峦大杉的树干通直度随造林密度增加有所增加，但造林密度对峦大杉的树干通直度无显著性影响；4种造林密度间通直度得分值为4.70～4.80分，表明峦大杉树干通直度高，干形通直、变幅小，受因造林密度不同导致差异生境影响较小，主要受遗传物质控制。造林密度对树干尖削度无显著性影响，表明峦大杉树干尖削度稳定性强，主要受遗传物质控制。研究结论认为，峦大杉干形性状表现是遗传物质控制和生境条件双重因素共同作用的结果，验证了前人的研究结论[1，14，17-18]。研究结论认为，峦大杉的树干形质除受到遗传物质控制以外，还受到不同造林密度形成差异生境的影响，其中圆满度、高径比、枝下高、胸高形数受影响作用较大。

造林密度显著影响峦大杉相对胸径(单木竞争指标)的变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例。相对胸径的变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例均随造林密度增大而逐渐提高，表明造林密度影响着峦大杉个体分化程度，验证了前人林分结构存在着密度间差异的结论[1]。造林密度分别增大至3 000、3 300、3 000株·hm-2起，分别显著增大了相对胸径的变异系数、Ⅱ级木与Ⅲ级木以下株数比例。造林密度为2 700株·hm-2时，峦大杉林分结构相对稳定。造林密度为3 000～3 600株·hm-2时的峦大杉均出现Ⅳ、Ⅴ级木，林木间竞争与分化严重；Ⅲ～Ⅴ级木株数比例增加，说明小口径木材增加，必将降低出材率，损害经济价值。

研究结果表明，造林密度显著影响着峦大杉生长形质与个体分化的综合表现(综合得分值)。比较4种造林密度的峦大杉生长形质表现与林分分化情况发现，2 700株·hm-2造林密度的峦大杉个体生长表现最优，林分结构稳定、分化较迟，有利于大中径材培育；虽然2 700株·hm-2造林密度的圆满度、高径比、枝下高、胸高形数等较其他3种造林密度表现差，但其圆满度为0.940，高径比是75.90、枝下高3.23 m、胸高形数为0.566，均保持在较高水平、形质良好；其他3种造林密度的林分蓄积虽然均高于2 700株·hm-2造林密度的，但相应的Ⅲ级木以下株数比例亦明显增加，将降低出材率；本研究认为培育峦大杉大中径材的适宜密度为2 700株·hm-2，与前人的研究结论大致相同[5-7]。

鉴于2 700株·hm-2造林密度的8年生峦大杉Ⅲ级木以下株数比例达58.36%、枝下高达3.23 m、冠长率仅为0.698，建议及时抚育间伐，促进生长。

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