油松建筑材密度管理图的编制及其应用1)

贾茜 贾忠奎 孙启越 张晓文 赵连清 谭红岩 迟明峰

(国家林业和草原局油松工程技术研究中心(北京林业大学)，北京，100083) (河北省林业调查规划设计院) (平泉市国有黄土梁子林场)

随着我国城市化进程加快，人们对木制品需求量日益增加，然而国内森林资源有限，现阶段研究成果一定程度上解决了部分用材问题；但在建筑材方面，我国仍需大量进口。据2018年数据显示，我国原木进口数量位居世界第六[1]，故建筑材林培育成为了众多学者研究的热点之一。建筑材，直观体现在尺寸稳定性、木材密度、抗压和弯曲性能等，品质优劣在于林木培育[2]。学者们从品种选育、造林技术及抚育养护等多方面集约经营，使森林资源利用价值最大化[3]，主要集中在马尾松(Pinusmassoniana)、火炬松(Pinustaeda)、湿地松(Pinuselliottii)及杉木(Cunninghamialanceolata)等树种[4-7]，油松(Pinustabulaeformis)尚未见报道。前人指出培育建筑材宜在高指数立地上进行，提高经营水平时可在中指数立地上[8]；无缺陷树干部分、胸径或将收获的胸径达要求值以上[9]；减少达到建筑材目标生长所需的时间，最大限度提高木材的产量和质量[10-11]。

不同生长发育阶段的密度调控在林木培育中不可或缺，密度管理图指导营林措施调整和林分生长预测[12]。文献[13]报道20世纪60年代日本学者首次提出密度管理图的概念，接着对日本落叶松(Larixkaempferi)等树种编制了密度管理图，继而国内学者对落叶松(Larixgmelinii)[14]、油松[15]及杉木[16]相继编制。然而编制的密度管理图存在欠缺，如山西太岳林区编制的油松密度管理图大多数是中幼龄林，近成熟林较少[17]；受选取标准地数据的限制，等树高线和等直径线编制范围有待拓宽，以便推广到树高更高、胸径更宽的油松林[18]。近些年向不同立地多功能角度改变，使密度管理图应用范围更广泛[19]。

油松，结构细密、材质硬、耐久用，科学地培育、经营和利用油松人工林，对我国北方木材供应有重要意义[20]。因此本研究首次编制油松人工建筑材林密度管理图，将等树高线和等直径线编制范围拓宽，为制定适宜的经营措施和森林可持续发展提供理论依据和现实指导。

1 研究区概况

平泉市国有黄土梁子林场(41°13′N，118°41′E)，坐落于河北省东北部，位于燕山山脉的末端，辽河的上游。该地区平均海拔660 m，年平均气温7.4 ℃，属温带大陆性干旱季风山地气候。全年日照时间2 000～2 900 h，年平均降水540 mm，主要集中在每年的7—9月份，土壤以棕壤土为主，生产力水平中等。

2 研究方法

2.1 样地设置与样芯获取

调查阳坡中土、阴坡中土和阴坡厚土3种主要立地类型、不同生长发育阶段、不同密度的油松人工林林分。沿同一等高线，选取海拔750～800 m，坡度15°～20°，没有明显倒木及遭受病虫害的样地。每个林龄设置3个重复的固定样地，每块样地20 m×20 m，共108块样地。每块样地四周留有一定间距的保护行，保证试验设计的边缘效应。按5 cm起测径阶每木检尺。在下、中、上坡位分别取2、1、2株优势木，以均值作为该样地的优势木值。以2 cm为一个径级，每个径级选取1～2株，用生长锥(CO系列双螺旋钻头，400 mm/5.15，瑞典haglof)分别在胸径和地径处钻取样芯，尽量避开树节。用Win DENDROT生长轮分析仪测量轮宽，精确到0.01 mm。河北油松人工林龄级划分：幼龄林0～20 a、中龄林21～30 a、近熟龄31～40 a、成熟龄41～60 a、过熟龄>60 a。

采用上限排外法，每2 cm为一个径阶整化，依据各径级林分密度及径级分组情况，利用传统的标准地调查和油松二元立木材积表估测林分立木材积[22]，求和得到样地乔木层蓄积量。

V=0.000 066 492 455×D1.865 561 70×H0.937 688 79。

(1)

式中：V为林木单株材积(m3)；D为林木胸径(cm)；H为林木树高(m)。

标准地各项因子的变动情况见表1。

2.2 建筑材规格制定

统计出河北平泉油松人工林胸径径级范围2～24 cm，对比用作建筑材的针叶树种，根据给定的胸径径级范围和建筑材规格按比例缩小，制定出河北油松建筑材不同胸径径级材种规格：大径材胸径D≥22 cm、中径材16 cm≤D<22 cm、小径材8 cm≤D<16 cm、小条木6 cm≤D<8 cm、等外材D<6 cm，梢头部分用作薪炭材。

2.3 密度管理图编制

利用优势木平均高、平均胸径、林分密度和蓄积基础资料，在双对数坐标纸上绘制以林分密度为自变量，蓄积为因变量的密度管理图，包括等树高线、等直径线、等疏密度线和最大密度线、自然稀疏线，得出各树高级、各疏密度、各初植密度及各径阶不同林分密度对应的单位面积蓄积量[21]。采用SPSS23.0软件对108块样地数据(平均树高、平均胸径、蓄积量)用非线性迭代法求密度管理图参数值，相关系数大于0.8，LSD对密度管理图林分蓄积量估计值进行多重差异显著检验，可靠性95%的相对误差和精度，精度大于80%则具有统计学意义。用Origin9.0软件做密度管理图，并对等树高线和等直径线进行精度检验，得出0.05显著性水平上的相对误差、精度和F值。

(2)

等直径线M=a21Db21Na22;

(3)

等疏密度线M=KdN1-km;

(4)

最大密度线M=aN-b;

(5)

(6)

式中：M为蓄积(m3·hm-2)；Hs为优势木平均高(m)；D为林分平均直径(cm)，N为林分密度(株·hm-2)；N0为初始密度。a11、a12、a21、a22、b11、b12、b21、a、b、kd、km和kp均为参数。

3 结果与分析

3.1 密度管理图的绘制与检验

非线性二乘法迭代求解参数a11、a12、a21、a22、b11、b12、b21、a、b、kd、km和kp结果分别1.161 5×10-5、2.167×10-10、6.874×10-6、1.236、3.612、6.583、2.898、2.023×10-12、2.898、787.400、1.216、1 783.696。在双对数坐标系用光滑曲线连接对应点，构成图1。表2中，林分蓄积量估计值在95%可靠性前提下相对误差为5%以下，精度93%以上，有统计学意义，F值均小于临界值F0.05，所以该密度管理图适用于河北平泉油松人工林。

表2 密度管理图精度检验结果

3.2 密度管理图的应用

3.2.1 抚育间伐起始期与木材规格的关系

根据表1中3种立地类型蓄积和平均材积，结合样地林分干形整体情况，确定阳坡中土重在培育小径材，阴坡中土和阴坡厚土重在培育中、大径材。将胸径和断面积年生长量明显下降的突变点所对应林龄的下一年，作为初始间伐期，查轮宽获取胸径年变化量，得出阳坡中土林分首次间伐为10年生，阴坡中土和阴坡厚土分别为9年生和7年生。可见，抚育间伐起始期因立地类型而异，培育小、中和大径材的抚育间伐起始期依次减小。

图1 河北平泉油松人工建筑材林密度管理图

3.2.2 初植密度与经营措施

根据建筑材材种规格，结合不同立地条件上林分平均胸径和密度，一次间伐疏密度降低不超过0.2，间伐后疏密度不低于0.5[17]，求出间伐次数和强度。配合地位指数曲线(图2)，求出间伐年龄、间隔期，反推出初植密度等，建立油松人工建筑材林经营表(表3)。可知不同立地、不同经营目的的油松建筑材林培育经营模式。可以看出，培育不同规格建筑材的立地中，林分间伐年龄集中在幼、中龄，间隔期5～10 a。

培育小径材，阳坡中土的初植密度大于培育中、大径材的其他两种立地，10年生时开始间伐，首次间伐强度较弱，第二次和第三次间伐强度等同，共间伐3次，保留密度为1 650株/hm2，保留林木的平均材积为0.069 7m3/株。

培育中径材，阴坡厚土初植密度较阴坡中土小，间伐次数均为2次，初始间伐年龄较阴坡中土早，初始间伐强度小，间隔期短。保留密度为1 200株/hm2，比阴坡中土培育中径材的林分保留密度1 500株/hm2小，保留木的平均材积0.137 5 m3/株，大于阴坡中土的0.092 0 m3/株，是阳坡中土培育小径材的2倍左右。

培育大径材，阴坡厚土初植密度比阴坡中土小，间伐次数均为3次。初始间伐年龄较阴坡中土早，间伐强度小，间隔期短。保留密度为530株/hm2，比阴坡中土培育大径材的林分保留密度1 000株/hm2小，保留木平均单株材积0.224 5 m3/株大于阴坡中土0.145 0 m3/株，是阳坡中土培育小径材的3倍多。

表3 油松建筑材林经营模式

3.2.3 资源清查和生长预测

根据已知林分密度、胸径、优势木高和林龄，在图1查得蓄积量，结合地位指数图表预测各年龄的胸径、优势木高、蓄积量等。以阴坡厚土上林木平均直径15 cm、立木密度1 150株/hm2的油松为例，设计出定量间伐量。表4中能定量预估出伐前和伐后的直径、密度、蓄积及间伐强度等，对林分生长至主伐期间的密度调控有定量的把握。

表4 油松建筑材林定量间伐模式

4 结论与讨论

河北森林主要分布在冀北中山落叶阔叶林区和燕北山地温性针叶落叶林区，其中油松人工林主要集中在冀北中山落叶阔叶林区。本研究选在该区平泉国有林场，油松人工林面积大，具有代表性，且经营环节技术要求高，前人在此做过大量研究。编制河北平泉油松建筑材林密度管理图，体现的造林密度、间伐强度、间伐间隔期及次数等指标，对现有林抚育和生长预测具有重要意义，有助于扩展到河北其他油松森林经营区，对森林经营决策的制定具有参考价值。

造林密度直接影响幼林郁闭时间、林分生长量、间伐次数和间伐材利用等。油松喜光，但幼树耐荫，故造林密度适当偏大，要同时控制侧枝发育，促进初期高生长，降低树干尖削度。相聪伟等[22]对杉木人工林材种结构的立地和密度效应研究指出，高初植密度的林分，林分发展后期平均胸径小，林分大径材出材量小。研究发现培育大、中、小径材油松林分造林密度依次增大，原因是造林密度较大，林木间相互挤压争夺，小径阶林木有充足的生长空间，径阶范围拓宽，幼龄林阶段林分蓄积量较高，故主要集中生产小径材，反之，生产中大径材。结合林场实际，本研究认为培育大径材的阴坡厚土建议适当减少林苗种植密度，而阳坡中土和阴坡中土、培育中径材的阴坡厚土反之。

间伐强度直接影响保留木数量和林内环境的改善程度，对林内直径、树高、材积和材质等均产生不同程度的影响[23]。3种立地类型下林分间伐强度均逐渐增大，阳坡中土林分的整体间伐强度小于阴坡中土和阴坡厚土，初始间伐年龄从小到大为阴坡厚土、阴坡中土、阳坡中土。间伐强度依次增大，这与邵志新等[5]对火炬松建筑材、尹拥君[6]对杉木建筑材的研究结果一致，与童方平[7]对湿地松建筑材的研究结果不一致。原因可能是树种生长特性各异，油松幼龄林耐荫，为保证林木发育最佳，初次间伐强度小，后期随着林木年龄增大，耐荫转变为喜光，故林木间伐强度依次增大。培育中、大径材林分，侧面反映了立地质量较好，但前期杂草生长也旺盛，故初始间伐强度大。培育中、大径材的阴坡厚土比阴坡中土造林密度小，因而间伐强度小于阴坡中土。培育大径材的阴坡中土、厚土林分，密度小，林木生长快，充分郁闭前，林内就形成了明显的分化，处于林冠中下层的被压木，生长衰弱或几乎停滞，但也消耗着营养物质，有必要尽早下层间伐，保留上、中层生长势较强的林木，提高立木蓄积。

间伐间隔期和次数取决于林分立地条件和首次间伐强度。从结果看，林分间伐期集中在5～10 a，间伐2～3次。吴江等[24]关于日本落叶松人工林抚育间伐间隔期的研究指出，间伐间隔期过长，期间林分密度多，生长过程中植株间竞争激烈，加快林木自然稀疏，从而降低林分质量；间伐间隔期过短，林木间竞争尚未激烈，郁闭度未完成，至少要等到林分恢复再开始间伐，确定间隔期为6～10 a，与本研究相当。尹拥君[6]对杉木建筑材林研究指出，立地指数14～20的林分培育中小、中大材的间伐次数为2次，而本研究中培育小、大径材的间伐次数均为3次。考虑原因是3种立地类型中，阳坡中土的立地指数小于其他两种立地类型，培育小径材的阳坡中土林分初植密度大，林分经过多次间伐，确保林分内合理郁闭度的形成。培育大径材的阴坡林分，3次间伐使林木获得完满立木度，提高林分整体质量。

可见，在较好立地条件下，造林密度小，首次间伐强度大，间伐2～3次，间隔期略长。间伐保留密度越小，对林木的胸径、树高及蓄积的生长促进作用越明显。间伐后低林木密度使林木出材率呈现小径材减小、大径材增加的趋势，有利于中、大径材的培育。

人工建筑材林品质取决于树种遗传特性、环境状况和培育手段，只有这3个条件配合好，做到适种、适地、适法，才能获得满足要求的高质量建筑材。本研究针对河北平泉开展的定点研究表明，培育油松建筑材林，阳坡中土利于培育干形好的小径材，而阴坡中土和阴坡厚土重在培育饱满优质木材。培育建筑材林，适种适地后，适法是林业工作者重点关注的内容，是后期林木有效产出的保障。以新西兰主要建筑材树种——辐射松为例，重在关注疏伐和修枝，把防止树节滞留作为合理经营的目标[25]。此外，他人对落叶松和樟子松研究，也证实了树节会造成木材产量降低[26-27]。本研究培育中、大径材林分密度较低，幼林龄林木生长快，伴随枝条生长也快，此时林木自然整枝慢，枝条宿存时间久，待脱落后易形成直径较大的树节，因此保证饱满优质的同时，有必要考虑有效木材利用长度的大小及材质好坏。本研究涉及的干形指标只反映了林分的整体状况，密度管理图虽然较全面地反映和预测了林分经营手段和生长状况，但无法得出修枝处理及木材质量；另外，欠缺其他适生区的研究和对比，是本研究的不足之处，待进一步挖掘，结合建筑材材质，更加全面地得出适应于区域性油松建筑材林的动态调控措施。