间伐密度管理模式对杉木大径材生长的影响

许冠军, 郑 宏, 林开敏, 林 强, 邹显花, 曹光球, 马祥庆

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002；3.福建省洋口国有林场，福建 南平 353000)

密度是影响林木生长的重要因素，通过间伐可对林分密度进行有效调控，改善林分温湿度、土壤养分、光照条件[1]，为保留木生长提供良好的环境.目前，国内外已将密度管理作为森林目标经营的关键技术[2]，开展了大量的研究[3-5]，发现林分密度通过影响林分的生长进而影响到林分径级的分布和材种结构[6].因此，加强林分密度管理是调节林分结构、提高人工林生产力的重要途径.

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook]是我国南方最重要的速生用材树种，已有近千年的栽培历史.杉木林分密度控制技术是培育杉木大径材的关键技术之一，通过间伐可对林分密度进行合理调控，促进保留木胸径的生长[7-8]，从而提高杉木大径材的产量.但长期以来杉木人工林经营过程中始终存在定向培育目标不明确的问题[9-11]，目前杉木人工林间伐密度试验大多数集中在仅一次性间伐密度试验的生长效果[12-14]，研究内容也主要偏向林分生长量、蓄积量和生产力等指标[15-17].而有关林分经营全周期内林分间伐的密度管理模式对杉木人工林材种结构形成和大径材产量影响的研究则很少.童书振等[18]认为造林密度林分在同一地位指数，间伐前后林分优势大，平均高差异均不明显.惠刚盈等[19]认为杉木中大径材的培育地位指数需达到16及以上，保留密度1 050～1 350株·hm-2，林龄在20～22 a为宜.张炜银等[20]认为运用动态规划方法对林分密度进行调控，在理论上是可行的，并在此基础上建立了18～20地位指数段大径材林分密度控制最优模型.虽然近些年来国内一些专家开始重视杉木大径材培育的密度控制技术研究[21-22]，但仍未形成一套完整的与大径培育目标相匹配的密度管理体系[23].本文通过对两种不同间伐密度管理模式的大径材林分生长进行研究，为构建杉木大径材高效培育的密度管理体系提供依据.

1 试验地自然概况

试验林位于福建省洋口国有林场，属于武夷山支脉低山丘陵区，地处东经117°55′，北纬26°52′，海拔300～400 m，属亚热带季风气候.夏季高温多雨，冬季温和湿润，坡度25°～41°.年平均气温18.5 ℃，年平均降水量1 880 mm，无霜期达280 d.土壤多以山地红壤为主，厚度均在1 m以上，表层土较为松散，呈暗红色，A+AB层土壤厚度15～30 cm，独特的自然地理环境为杉木提供了良好的生长条件.

2种不同密度管理模式林分皆于1984年1月造林，初植密度为2 500株·hm-2，苗木成活率95%.对第1种间伐密度管理模式(简称模式1)的林分间密留匀，留优去劣，分别于造林后第13年(1998年9月)与第28年(2013年7月)各间伐1次，间伐强度分别为50%、45%，最终保留密度为650株·hm-2；2013年后，每2 a进行一次林下植被清理.2013年林下套种楠木(450株·hm-2)，套种后每年5月对闽楠幼苗进行扩穴、施肥抚育.对第2种间伐密度管理模式(简称模式2)林分仅在造林后第13年(1998年9月)间伐一次，间伐强度为50%，保留密度1 187株·hm-2；之后采取近自然经营模式，通过减少人为干预，保留林下植被，逐步形成现有的杉木大径材林分.

2 方法

2.1 样地设置与调查

于2017年9月进行林分数据调查.在坡形、坡向、坡度等因子基本一致的基础上于2个不同间伐密度管理模式林地的上、中、下坡位，分别设置3个面积为20 m×20 m的标准试验样地，共6块，并对样方内立木作每木检尺、挂牌标记，并做好记录.在样地的4个角落和中心区域各选取1株长势较好的杉木作为优势木，计算优势木树高平均值，根据地位指数公式[24]推算林地地位指数.试验区林分概况如表1所示.

表1 林分基本概况Table 1 General information on the plantation

2.2 林分因子计算

2.2.1 径阶平均胸径 以2 cm为1个径级，对测量的杉木胸径值进行划分，并分别计算各径阶杉木的平均胸径，计算公式为[25]：

(1)

式中，N为第i径阶总株数，di为第i径阶实际测量值.

2.2.2 径阶平均树高 采用Excel数据统计分析软件将野外实际测量的树高与胸径值进行回归方程拟合，选取R2值最大的回归方程作为最优拟合方程，将各径阶平均胸径带入方程即得出各径阶的平均树高，树高以2 m为一个分段.

2.2.3 林分平均胸径 采用断面积加权法计算，计算公式[25]为：

(2)

式中，N表示样地内径阶总株数，n表示第i径阶总株数.

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2.2.4 林分平均树高 将林分平均胸径带入回归方程即得出平均树高.

(3)

2.2.6 材种出材量[9]根据径阶材种的区分标准(6径级以下为100%薪材，6径级为30%薪材、70%小条木，8径级为100%小条木，10径级为60%小条木、40%小径材，12径级为10%小条木、90%小径材，14、16径级为100%小径材，18径级为40%小径材、60%中径材，20、22径级为100%中径材，24径级为65%中径材、35%大径材，24径级以上为100%大径材)，计算规格材原条出材量，计算公式为：

V原条=3.602 437 58×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69

(4)

2.3 数据处理

采用Excel和SPSS 20.0对数据进行计算、作图与分析.运用单因素方差分析比较不同处理间的差异显著性.

3 结果与分析

3.1 间伐密度管理模式对林分生长的影响

图1 不同密度管理模式下林分的平均树高Fig.1 Mean tree height under different thinning management modes

3.1.1 间伐密度管理模式对树高生长的影响 从图1可知，2种间伐密度管理模式下，模式1林分平均树高大于模式2林分.

不同间伐密度管理模式下林分树高的方差分析结果表明，2个模式之间的林分树高存在显著差异(P<0.05)，区组内林分树高未达到显著差异性水平(P>0.05).表明2种间伐密度管理模式对林分树高有较大影响.

不同间伐密度管理模式下林分树高的分布情况(图2)显示，随着树高的增加，株数总体呈先增加后减少的趋势.但不同间伐密度管理模式下树高株数分布规律存在如下差异：第2种模式林分树高分布曲线比第1种模式更平缓，表明模式2林分的树高在各个值段的株数分布也更为均匀.其树高株数峰值出现在24 m区分段内，而模式1树高株数的占比峰值出现在28 m区分段内，且明显高于模式2，但树高分布范围要小于模式2的林分，表明模式1林分树高分布更为集中.

3.1.2 间伐密度管理模式对胸径生长的影响 从图3可知，不同间伐密度管理模式下，模式1林分平均胸径大于模式2林分.方差分析结果表明，不同间伐密度管理模式之间的林分胸径存在显著差异(P<0.05)，区组内林分胸径未达到显著差异水平(P>0.05).表明2种林分密度管理模式对林分胸径生长有较大影响.从图4可看出，与模式1林分相比，模式2林分株数的径阶分布范围更大，但径阶株数占比的最大峰值明显小于模式1林分，径阶株数分布曲线也更为平缓.模式1林分内径阶株数分布主要集中在24～38径阶段，低径阶段活立木株数比重小于模式2林分；而高径阶段活立木株数所占比重总体上大于模式2林分.

图2 不同密度管理模式下杉木人工林树高的分布曲线Fig.2 Height distribution curves of Chinese fir plantation under different thinning management modes

图3 不同密度管理模式下林分的平均胸径Fig.3 Average DBH under different thinning management modes

3.1.3 间伐密度管理模式对杉木林分蓄积量和出材量的影响 从表2可知，2种模式林分中，模式1林分平均单株材积大于模式2林分，但林分蓄积量和规格材出材量则表现为模式2林分大于模式1林分.

方差检验结果表明，不同间伐密度管理模式下林分单株材积存在显著差异，区组内不存在显著差异，表明间伐密度管理模式对林分平均单株材积影响较大；林分蓄积量在2种模式林分间也存在显著差异(P<0.05)，区组内不存在显著差异(P>0.05)，表明间伐密度管理模式对林分蓄积量也有较大影响；2种模式林分规格材出材量不存在显著差异(P>0.05)，表明间伐密度管理模式对规格材出材量的影响较小.

图4 不同密度管理模式下杉木人工林各径阶株数的分布Fig.4 Quantitative distribution of Chinese fir by diameters class under different thinning management modes

处理林分单株材积/m3林分蓄积量/(m3·hm-2)规格材出材量/(m3·hm-2)模式11.05±0.14a631.19±47.26a516.17±39.44a模式20.66±0.04b720.16±90.16b586.47±73.91a

1)表中数据为平均值±标准误(n=3).不同字母表示2种模式林分间有显著差异(P<0.05).

3.2 间伐密度管理模式对杉木材种结构的影响

从表3可知，模式1林分小径材出材量和出材率均为0，模式2林分小径材出材量和出材率也较低；模式2林分中径材出材量和出材率均远大于模式1林分，大径材出材量和出材率也大于模式1林分.

表3 不同间伐密度管理模式下的材种结构情况1)Table 3 Timber structure under different density management modes

>1)表中数据为平均值±标准误(n=3).不同字母表示2种模式林分间有显著差异(P<0.05).

方差检验结果显示，2种模式林分小径材出材量和出材率均不存在显著差异(P>0.05)；中径材出材量和出材率均存在极显著差异(P<0.01)；大径材出材量不存在显著差异(P>0.05)，大径材出材率存在极显著差异(P<0.01).总体来看，不同间伐密度管理模式对林分材种结构有较大影响.

从表4可知，在26径阶段以下及[26,30)径阶区间内，模式1林分大径材出材量小于模式2林分；[30,40)和[40,50)径阶区间内模式1林分大径材出材量均大于模式2林分.可见模式1林分高径阶段大径材出材量整体上大于模式2林分.

表4 不同间伐密度管理模式下林分各径阶大径材的材积1) Table 4 Volume of large diameter timber under different thinning management modes m3·hm-2

1)表中数据为平均值±标准误(n=3).不同字母表示2种模式林分间有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)差异.

方差分析结果表明，2种不同间伐密度管理模式林分大径材出材量在26径阶以下存在显著差异性(P<0.05)，在[26,30)、[30,40)、[40,50)区间段内大径材出材量均存在极显著差异性.总体来看，不同间伐密度管理模式对大径材径阶分布有很大的影响.

3.3 不同间伐密度管理模式对干材质量的影响

从表5可知，模式1林分高径比和枝下高均小于模式2林分；冠长和冠幅则相反，模式1林分大于模式2林分.

表5 不同间伐密度管理模式下林分高径比、枝下高、冠长、冠幅的比较1)Table 5 Comparison on height to diameter ratio, undershoot height, crown length and crown width under different thinning management modes

1)表中数据为平均值±标准误(n=3).不同字母表示2种模式林分间有显著差异(P<0.05).

方差分析结果显示，2种模式林分高径比与枝下高的差异均未达到显著水平(P>0.05)，表明两种密度管理模式虽然对林分高径比与枝下高产生一定的影响，但影响较小；林分冠长和冠幅在2种模式下差异均达到显著水平(P<0.05)，区组内不存在显著差异(P>0.05)，表明两种密度管理模式对林分冠长和冠幅影响较大.

4 小结与讨论

通过对不同间伐密度管理模式下的杉木林分结构的研究发现，与仅经1次强度间伐的林分相比，2次强度间伐林分的林木树高分布范围更窄，林分整体树高更大.表明2次强度间伐对林分整体树高有明显的促进作用，这与张水松等[27]研究结果存在差异.可能是由于2次间伐均采取留优去劣的原则，林分内长势较差的林木均被除去，使模式1林分的平均树高增加；模式1林分间伐时间较早，间伐后林分保留密度仍较大，竞争导致林木出现分化，平均树高也较小.此外，模式2林分树高整体上大于模式1林分还可能与模式1林分立地条件较好、林木生长养分供给充分有关[9].随着观测年限的增加，模式2林分也可能因为较高的密度使林木枝叶等器官生长受到抑制，养分不断往树梢部分输送，促使林木不断往上生长[28]，导致两种密度管理模式下树高差异性减小，甚至趋于一致.此外，对比分析发现，模式1与模式2的林分胸径也呈现出显著差异性，具体表现为模式1林分胸径大于模式2林分，径阶分布也更为集中，说明不同间伐密度管理模式对胸径生长有着较大的影响.林分密度越小，胸径因更为充足的光照和养分条件其生长量更大[29]，这与叶功富等[30]的研究结果相同.

林分密度会影响林分的材种结构，因此加强对林分密度的管理是培育杉木大径材的关键措施[31].本研究发现，不同间伐密度管理模式中，间伐强度越大，大径材出材量和出材率越高.中径材出材量随间伐强度的增大而减小，小径材仅在模式2林分内出现，且出材量和出材率均较低，这与相聪伟等[32]的研究结果存在差异.可能是因为在经过2次高强度间伐后，一方面，林分内长势较差的林木均被除去，仅留下长势较好、胸径较大的林木；另一方面，随着林分密度的减小，养分空间增大，林木获取的养分更为充足，生长速度更快，原有的中、小径材材种向大径材方向转化，造成中、小径材出材量降低.本研究发现间伐密度管理模式对林分规格材的出材量影响不显著，但模式1林分的超大径材(D≥40)出材量明显大于模式2林分.其原因主要是因为经过2次间伐的林分整体胸径更大，单株材积量更大，超大径材出材量也随之增大.但由于其林分保留密度小于仅经过一次间伐的模式2林分，在活立木株数上的劣势一定程度上抵消了林分胸径偏大造成的平均单株材积较高的优势[33]，致使2种模式之间林分规格材和大径材出材量的差异性不显著，但模式2林分因株数上的优势其林分蓄积量大于模式1林分.

间伐密度管理模式对林分干形也存在一定影响，表现为经过2次强度间伐的林分的高径比与枝下高均小于经过1次间伐的林分；冠长和冠幅则相反，均大于仅经过1次间伐的林分.这是由于经两次强度间伐的林分拥有更为充足的营养空间，林木间竞争较小，整枝高度也较低，枝下高相对也低，而冠长也相应增大.因此林冠层在生长过程中能获得更为充足的养分，高径比越小，尖削度越大.这与余碧云等[34]研究结果一致.

因为间伐对林分生长的影响还受立地条件、间伐方式、轮伐期等多种因素的综合影响[35].因此，对不同间伐密度管理模式下杉木林分结构的研究还有待作进一步探讨.