油松建筑材林最适主伐龄研究

2020-08-31王清春贾忠奎于青军迟明峰张龙玉吴丹妮马履一

中南林业科技大学学报 2020年8期

贾茜，王清春，贾忠奎，于青军，迟明峰，张龙玉，吴丹妮，马履一

（1. 北京林业大学 a. 林学院；b. 国家林业和草原局油松工程技术研究中心；c. 生态与自然保护学院，北京 100083；2. 河北省平泉市国有黄土梁子林场，河北平泉 067506）

主伐龄是指人工林达到成熟时进行主伐的年龄[1]，主伐龄受很多因素的制约，如培育目标、立地条件、经营方法及经济条件等[2]。主伐年龄的确定，既保证了林地资源的合理利用，也确保了经营者经济收益的最大获得。关于人工林主伐龄的研究，前人按照经济成熟龄和数量成熟龄，或者工艺成熟龄和数量成熟龄来确定，考虑到树种培育目的不同，目前研究趋向主要是依据林分成熟龄即工艺、经济和数量成熟龄三者共同来确定，一般以工艺成熟龄为基础，重点考虑经济成熟，兼顾数量成熟[3-4]。工艺成熟龄是达到材种需求最低标准时对应的林龄，经济成熟龄是在投资收益最大化时对应的林龄[5]，数量成熟龄的确定形式多样，何龙等[6]以林木材积平均生长量达到最大值时的年龄作为巨尾桉Eucalyptus grandis×E.urophylla的数量成熟龄，李子敬[7]以全林分蓄积平均生长量最大值作为日本落叶松Larix kaempferi(Lamb.) Carr 的数量成熟龄，多数[8-10]是以材积平均生长量和连年生长量的交点对应的林龄作为数量成熟龄。此外，也有人从蓄积量、出材量等角度来探究用材林的最适主伐年龄[11]。在较好的立地条件下，如果成熟林林分仍能保证较大的蓄积量，可以考虑在生产上适当延长经营期限，这样利于大径材的培育，同时也可以平衡经济支出[12]。

如今用木材建造现代高楼、制作家具，以及用作内装修等，这些事实表明，人们更多的挖掘出不局限于房屋建造的多用途产品。应用于建筑工程的林木树种，锯材和工程产品如胶合板、胶合木、工字梁等均可做良好的建筑材料，合适的锯材等级来满足所需的结构性能尤为重要[13]。建筑木材，基本特性包括木材重而坚实、晚材率所占比例大、抗压和抗弯强度大、抗弯弹性模量大和耐腐朽等，相比于纸浆材、板材等有自身的特性，如强重比大、防腐、耐火及抗震性能佳[9]。纤维密度作为建筑材指标，决定了收缩性能，避免低于或高于阈值使得材料强度太低无法承重导致造成事故等，只要强度达到或超过最低线，且没有影响强度的缺陷，如太大的树枝结疤等，就可以用来做建筑木材[14]。建筑材材性研究，可得出某一建筑材树种的工艺成熟龄，有助于最适主伐年龄的确定。有人对火炬松Pinus taeda、湿地松Pinus elliottii、长白落叶松Larix olgensis及福建柏Fokienia hodginsii等建筑材树种做过相关的材性研究[15-18]。研究指出，当外部环境条件一定时，林龄和密度作为林学因子，会影响到木材的生长和材性。同一树种间，其物理、力学性质变化随着林龄变化趋势不尽相同，个体性明显[19]。叶忠华[20]指出福建柏木材密度与初植密度呈正相关关系。赵荣军等[21]对油松Pinus tabulaeformis木材解剖构造与物理力学进行分析，认为幼龄材优树具备结构用材的优良性质，成熟材尺寸的稳定性好，不易变形。建筑材除了尺寸稳定好外，木材的抗弯特性和顺纹抗压强度是最重要的力学性质。徐有明等[22]对杉木建筑材的研究表明，林龄与抗弯特性和顺纹抗压强度均存在显著性差异。因此可确定，工艺成熟龄因树种本身及外部经营措施而异。

油松，作为华北地区主要用材树种之一，主干通直，强重比大，主要用作房屋建筑的构件等，适宜的生长抚育措施有助于后期经营收益的获取。很多学者对建筑材林的主伐年龄做过相关研究，但用作建筑用途的油松尚未见报道。鉴于此，本研究基于建筑材林培育目标，以河北平泉油松人工林为例，测定建筑材物理和力学指标，探究不同林龄和不同密度对油松建筑材材性指标的影响，结合出材量及出材率，得出建筑材的工艺成熟龄；分析经济效益得出建筑材的经济成熟龄；测定材积连年生长量和平均生长量，得出数量成熟龄，三者综合确定出最适主伐龄，以期提高油松人工林的集约经营管理和综合效益，为林场经营决策提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于平泉市国有黄土梁子林场内（118°41′E，41°13′N），区域地处河北省东北部，冀、辽、蒙三省交界处，位于燕山山脉末端、辽河上游。该地区平均海拔660 m，年平均气温7.4 ℃，属于温带大陆性干旱季风山地气候，年日照时数2 000 ～2 900 h，年平均降水540 mm，主要集中在每年7—9 月，土壤以棕壤土为主，生产力水平中等。现有森林类型主要包括油松林、落叶松林Larix gmelinii(Rupr.) Kuzen.、刺槐林Robinia pseudoacacia、樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica和槭树属Acer、榆树属Ulmus、椴树属Tilia等为主的混交林。主要林下灌木有多花胡枝子Lespedeza floribunda、土庄绣线菊Spiraea pubescens、木香薷Elsholtzia stauntoni、小檗Berberis thunbergii及鼠李Rhamnus davurica等，主要草本有披针叶苔草Carex lanceolata、委陵菜Potentilla chinensis、多叶隐子草Cleistogenes polyphylla、地榆Sanguisorba officinalis、裂叶堇菜Viola dissecta、黄花蒿Artemisia annua及龙牙草Agrimonia pilosa等。

河北平泉油松覆盖全林龄，林场对其进行统一规划栽植和管理。林区现有的幼龄林多为天然更新或人工促进天然更新起来的幼苗或幼树；中龄林相对较少，保留密度为1 500 ～2 500 株/hm2；近、成熟林占较大比例，保留密度450 ～1 900株/hm2；过熟龄阶段，生产上采取皆伐或者保留75 ～120 株/hm2品质优良的母树，落种以促进天然更新。

1.2 数据来源

选取林场内海拔800 m 左右、坡度15 ～20°、阴坡厚土的油松人工林，采用时空互代法，调查30、40、50、60 a 共4 个林龄，且在50 年生成熟林中选取另外两种不同密度的油松建筑材林林分。6 种不同类型的林分中每个类型设置3 个重复的永久样地，样地规格为20 m×20 m，共18 块样地。在2018 年5—8 月对样地内油松进行每木检尺，按照国家标准GB/T1927—2009《木材物理力学性质试材采集方法》选取标准木，共伐取18株标准木带回实验室，供解析和测样。样地林分基本情况如表1 所示。

表1 油松人工林林分基本情况Table 1 Basic situation of Pinus tabulaeformis plantation

2 研究方法

2.1 建筑材材种规格的制定

对比用作建筑材的针叶树种，按照规格比例制定出河北油松建筑材不同胸径径级的材种规格：大径材≥22 cm、中径材16 ～22 cm、小径材8 ～16 cm、小条木6 ～8 cm、等外材＜6 cm，梢头部分用作薪炭材。

2.2 最适主伐龄的确定

2.2.1 工艺成熟龄的确定

先按照国家商品材测定的基本方法，室内测定与建筑材材性相关的木材物理指标（基本密度、体积干缩率）以及力学强度指标（硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度）共6 项指标，对比其他用作建筑材的针叶树种，判定油松作为建筑材林培育的可适性和优势；当林分物理、力学性能等材性指标达到最大值同时林分内材性差异不大，此时的林龄作为建材林最优采伐林龄。其次根据前人编制的河北油松立木商品材出材量通用表[15]，结合样地基本调查数据，计算油松人工林林分不同建筑材径级大小的出材量和出材率，两者综合确定出工艺成熟龄。

2.2.2 经济成熟龄的确定

营林和木材生产总成本上，调查林场的苗木、肥料、整地、定植、追肥、抚育、采伐费、运输费、加工费和其他如林地清理费用等，同时参考其他针叶树种经济费用[10,16]。销售收入参考落叶松、樟子松和辐射松等针叶建筑材区间价格，设定油松建筑木材价格为980 元/m3（中国木材网，2018年），结合出材量，得到单位面积上油松建筑材的销售收入。当投资收益率最大时，对应的林龄即为经济成熟龄。

2.2.3 数量成熟龄的确定

通过已知平均胸径、树高，单株材积，求出材积平均生长量、材积连年生长量。绘制材积平均和连年生长量曲线，两者相交对应的林龄即为数量成熟龄[6]。

2.3 数据处理

所有数据用SPSS18.0 软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 林分工艺成熟龄

3.1.1 不同林龄对油松建筑材基本指标的影响

表2 汇总了不同林龄、不同密度等级油松建筑材林基本指标状况。物理性质方面：随着林龄的增大，油松建筑材基本密度逐渐增大，到50 年生时最大，60 年生时显著降低；体积干缩率显著降低，到50 年生时最小，60 年生时显著升高。力学强度方面：随着林龄的增大，油松建筑材硬度显著增大，到50 年生时达到最大，60 年生时显著降低；抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均随着林龄增大逐渐增大，尤其是抗弯弹性模量和竖纹抗压强度在60 年生时显著增大。

30 年生中龄林试样心材多，多节，建议适当间伐部分幼树和进行下层修枝，保证林木健康生长和品质优良。50 年生油松林分建筑材各项指标总体上适宜，60 年生过熟龄林分体积干缩率显著高于50 年生林分，易出现干裂等不良现状，因而建议油松建筑材林主伐林龄为50 a 左右，低于60 a。

表2 油松建筑材基本指标†Table 2 Basic indicators of Pinus tabulaeformis building timber

3.1.2 不同密度对油松建筑材基本指标的影响

从表2 可以看出，针对50 年生油松建筑材林，林分密度为1 500 株/hm2的木材体积干缩率显著高于其他两种密度，试样开裂大，因而保留密度为1 500 株/hm2的林分不适合用作培育油松建筑材林。950 株/hm2和450 株/hm2的油松林分，在体积干缩率、硬度和顺纹抗压强度这3 个指标没有明显差异，在基本密度、抗弯强度和抗弯弹性模量指标上，保留450 株/hm2林分的指标均值大于保留950 株/hm2林分，且均大于油松建筑材均值。故油松作为建筑材培育时应尽量选择保留450 株/hm2左右，这样既能保证符合建筑材要求的较小的尺寸变形和良好的力学性能，又能满足林业生产的出材率和产量标准。

表3 对比了几种针叶建筑材的主要指标值。如表3 所示，油松成熟龄建筑材的基本密度大于其他针叶建筑材树种均值，体积干缩率较小，只有11%，说明木材尺寸稳定性相对较好，不易产生开裂翘曲变形等缺陷，符合建筑用材要求，有利于加工利用。硬度低于长白落叶松建筑材林，抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均大于其他针叶建筑材林均值。总体上说，油松是一种极具建筑潜力的树种。

3.1.3 油松建筑材林不同径级出材量

从表4 可以看出，成熟龄期间油松中、大径级建筑材的出材量较大，木材利用价值高。径阶16 cm 左右即45 年开始产出中径材，径阶20 ～22 cm 中径材所占比例上升，对比16 cm 径阶，出材率上升7.5%，且开始产出大径材。故培育中径材适宜选径阶20 cm 左右林分，即47 年生林分。径阶22 cm 时开始产出大径材，24 cm 径阶时大径材出材量仍在增长，可见油松人工林后期发展潜力较大，故大径材的工艺成熟龄为50 a，培育大径材适宜选50 年生后的成熟林。

表3 几种针叶建筑材的主要指标值对比†Table 3 Comparison of main index values among coniferous building lumber

表4 油松建筑材林材种出材量Table 4 The assortment outturn of Pinus tabulaeformis building timber plantation

综上，确定培育中、大径级油松建筑材的林分工艺成熟龄分别为47、50 a。

3.2 林分经济成熟龄

由表5 知，成熟林总成本的差异主要体现在抚育、采伐运输、加工和其他支出上，47 年生林分投资收益率最大，因此确定经济成熟龄为47 a。

3.3 林分数量成熟龄

如图1 所示，材积连年生长量峰值比材积平均生长量峰值出现得早。连年生长量在15 ～25 a达到最大值，之后逐年下降，与平均生长量在35 a左右相交。由此，可以推断出阴坡厚土油松人工林数量成熟龄为35 a。

4 讨论

1）幼、中龄在树种全生命周期培育是极其重要的时期，适当的初植密度和合理的抚育措施有利于建筑材品质的塑造，从而缩短主伐年龄。研究中，油松建筑材幼龄林密度比林场实际经营密度略小。不同于纸浆材等材种，培育建筑材的林分初植密度不宜过大，这与丁贵杰[2]针对马尾松建筑材培育初植密度上的结论一致。陈太安等[23]对其他针叶树种的研究也指出，若初植密度不合理，产生的幼龄材多，会致使木材的干燥变形严重，无法达到建筑材的要求。中龄林试样心材多，径弦向不明显，多节。王金满等[24]对东北红松建筑材的研究指出，修枝有利于提高建筑材材质，对木材晚材率、抗弯强度和抗拉强度影响显著。因此建议适当间伐部分幼树和进行下层修枝，保证林木健康生长和品质优良。

表5 油松建筑材林收支情况Table 5 Income and expenditure of Pinus tabulaeformis building timber plantation

2）抚育间伐保证林分密度的合理性，不仅会干扰林分生长状况，而且影响森林的最佳主伐年龄[10]。研究表明，保留密度为1 500 株/hm2的油松林分不适合用作培育建筑材，究其原因是高林分密度下可能发生机械作用，一定程度上影响了油松的正常生长，造成林木个体发育不完全[25]。450 株/hm2的油松林分在物理、力学性能上总体较保留950 株/hm2的林分好，且均大于油松建筑材均值。可见，林分密度适宜时，油松个体之间存在有益的生存竞争，有利于林木个体的生长，并对油松材质的提升产生推动作用。

3）森林成熟龄受立地条件、林分密度和经营手段多方面的影响，霍常富等[26]建议在生产上分立地条件和林分密度，确定不同的主伐年龄，提高木材的产量和品质。目前人们对森林成熟的研究趋势为从单一研究法发展到各类研究法的综合考虑，采取适宜的森林培育法，在保证特定材种最低标准的前提下，缩短工艺成熟龄，同时预测市场材种价格趋势，以提高森林主伐年龄的准确度，为林农带来最大收益。学者们对人工林数量成熟已形成了一套较完善的研究理论技术和方法，实践中应用广泛。工艺成熟龄鉴于不同材种有各自的判断标准，重在考虑材种质量，对材种规格有明确要求[27]。需要指出的是，本研究只分析了油松建筑材部分的物理和力学指标，但年轮宽度、抗压强度、冲击韧性及解剖性质如纤维长度、纤维宽度、微纤丝角等多种因素同样在一定程度上影响油松作为建筑材的加工和利用，有待进一步试验探讨。经济成熟龄依据材种性质而定，目前未见特定的油松建筑材价格，本研究参考了中国木材网中油松坑木的价格，落叶松、樟子松和辐射松等针叶建筑材近五年价格，建筑材料（2017-03-18：1 200 ～2 000 元/m3）价格，考虑到市场上尚未正式销售油松建筑材，但作为建筑材，其品质略高于坑木等用途，故设定980 元/m3为油松建筑材的价格，具有合理性。然而经济成熟龄会随着营林成本、市面上建筑材价格波动而变化[28]。建筑材油松长达60 a 左右的长生命周期，其经济收益会发生一定程度的变动，可能会影响油松中径级建筑材的最适主伐龄，有待后续追踪，且挖掘油松林的生产潜力，以便实现综合效益最大化。