广西大青山杉木人工林断面积生长的长期密度与立地效应1)

2021-06-25郭光智李晓燕姜丽段爱国张建国

东北林业大学学报 2021年6期

郭光智李晓燕姜丽段爱国张建国

(中国林业科学研究院林业研究所，北京，100091)

林分断面积与林木数量、直径结构、林龄、立地质量等密切相关，林分断面积不仅反映林木群体营养空间利用程度，还可以作为表征林分生长与收获的指标，是林分生长、收获的核心因子和重要基础[1]。盛炜彤[2]提出的人工林育林技术体系中，密度、立地控制起着基础且重要的作用。林分密度是影响林分生长和人工林群落结构的重要因素之一，对人工林生态系统的稳定性及生物生产力具有重要影响[3]。密度控制是人工林经营中可人为调控的主要技术措施，通过密度控制达到适宜的初植密度或保留密度，可有效掌控林分空间竞争格局，调整林木竞争态势，调控林分生长[2]。以往关于林分密度控制的研究常侧重于不同密度对林分蓄积、生物量、林下植被的影响等方面[4-9]。立地控制是使造林做到适地适树适品种(立地与树种、品种相匹配)的根本性措施，相关研究主要反映在立地定性、数量化评价及优势木平均高生长曲线簇[1，10]。

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb). Hook.)是我国南方亚热带地区重要的乡土速生针叶用材树种[6]。杉木人工林密度效应研究开展较早，重点集中在密度、立地控制下林分的自然稀疏；树高、胸径、冠幅、材积生长的密度；立地作用规律、生长模拟等方面的研究[7-16]。刘景芳等[17]对杉木中带、南带、北带林分生长的密度、立地早期作用规律进行了系统分析，发现造林密度、间伐保留密度、立地指数均显著作用于杉木林生长过程。而南亚热带为杉木生长的南缘地带，也是杉木的重要产区，关于该区域杉木林分断面积生长的长期密度、立地效应研究尚属空白。本研究根据广西大青山36年生杉木密度试验林定位观测数据，分析完整轮伐期内林分断面积生长动态，以期揭示南亚热带大青山杉木林分断面积生长的长期密度与立地效应规律，为杉木人工林的高效定向培育提供参考。

1 研究区概况

试验区位于广西凭祥市境内中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波林场(106°43′E，22°6′N)，属北热带季风气候区，湿润半湿润气候，光热条件极好，降水充沛，但夏湿冬干，10—3月为干季，4—9月为湿季。年平均气温19.9 ℃，年降水量1 400 mm，年蒸发量1 200 mm。海拔500 m，地貌主要为低山，坡度25°～30°。土壤以发育在花岗岩等母质上的红壤为主，土层厚度大于1 m。林下植被主要有大沙叶(PavettaarenosaLour.)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa(Ait.) Hassk.)、金毛狗脊(Cibotiumbarometz)、铁线蕨(Adiantumcapillus-venerisL.)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

杉木密度试验林由中国林业科学研究院林业研究所于“六五”国家科技攻关初期建造。1982年春，采用广西当地杉木种源1年生裸根苗进行种植，设置5种初植密度，分别为1 667、3 333、5 000、6 667、10 000株·hm-2(株行距分别为2.0 m×3.0 m、2.0 m×1.5 m、2.0 m×1.0 m、1.0 m×1.5 m、1.0 m×1.5 m，分别记为A、B、C、D、E)。采用随机区组设计，每种密度重复3次(A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3，D1、D2、D3，E1、E2、E3)，共15块样地，每块样地面积为600 m2。每块样地周围各栽植2行相同初植密度的杉木作为保护带。

2.2 测树因子调查

在杉木固定样地内，对每株杉木进行挂牌记号，每年停止生长后进行调查。林分1982—1991年10 a间逐年调查，1991年(12年生)后分别于1993、1994、1995、1997、1999、2003、2005、2007、2009、2015年进行调查。3～4年生时，每年测定每木树高；5～6年生时，每年测定每木树高、冠径及树高达1.3 m以上的胸径；7年生开始，每年测量每木树高、胸径、冠径及枝下高；林分达10年生，除检尺每木胸径外，每个小区随机测量50株树高、冠径、枝下高。在每个小区的上、中、下坡位各选2株优势木，将这6株优势木的平均高作为林分优势高，如果上1个观测年度选定的优树枯死或因其它原因缺失，则在原选定优势木附近补选1株优势木。截至2015年，连续定位测定至林分36年生，期间未进行间伐。

2.3 数据处理

用EXCEL、SPSS 19等软件进行数据处理，SigmaPlot 10.0等软件制作图形。胸径以2 cm为1个径阶，以林分单株胸径的均方值为林分平均胸径。试验小区立地指数级：根据1999年(20年生)计算的优势高确定试验小区的立地指数，以2 m为1个树高级距，整化为立地指数级。A1、A2、A3立地指数级分别为14、18、16；B1、B2、B3立地指数级分别为16、14、16；C1、C2、C3立地指数级分别为16、10、16；D1、D2、D3立地指数级分别为18、16、14；E1、E2、E3立地指数级分别为16、10、18。对于初植密度相同的试验小区，若立地指数级相同，则根据需要对有关测树因子进行平均化处理。如，立地指数级同为16的样地B1、B3，则取这2个样地测树因子的平均值代表该指数级B密度样地，用B1-3表示。

林分断面积生长率计算采用普雷斯勒生长率公式：

式中：Zt为生长率；bt-n为初期断面积；bt为末期断面积；n为间隔年数。

3 结果与分析

3.1 相同初植密度不同立地指数级林分断面积的生长动态

图1至图5为相同初植密度不同立地指数级林分断面积及其连年生长量、年平均生长量的动态变化。从图中可以看出，在林龄、初植密度相同时，林分断面积及其连年生长量、年平均生长量随立地指数级增大而增大，其峰值也随立地指数级增大而增大。初植密度相同时，立地指数级越高，林分断面积生长率越大。但A密度林分在幼龄期后出现相反情况，立地指数级越低，林分断面积生长率越高。立地指数级为16的A3、E110年生时，林分断面积生长率A3的大于E1的，分别为20.73%、14.96%；18年生时，林分断面积生长率A3的小于E1的，分别为3.90%、6.81%。立地指数级为18的A2、E310年生时，林分断面积生长率A2的大于E3的，分别为18.50%、17.67%；18年生时，林分断面积生长率A2的小于E3的，分别为4.21%、9.33%。28～30年生期间，多数林分断面积处于滞长期(年增长量低于0.5 m2·hm-2·a-1)，D、E等高密度林分在幼龄期后更早地进入滞长期，且立地指数级越高，如D1、E3，进入滞长期越早。36年生时，A2的林分断面积约为A1的1.6倍，C1-3约为C2的1.8倍，E3约为E2的1.6倍，但后二者的立地指数级差距更大，说明立地对较低初植密度林分断面积的影响更大。

SI为立地指数级；CAI为连年生长量；MAI为年平均生长量。

3.2 相同立地指数级不同初植密度林分断面积的生长动态

图6至图9为相同立地指数级不同初植密度林分断面积及其连年生长量、年平均生长量的动态变化。从图中可以看出，林分断面积随林龄增长而增加，达到高峰后除A密度林分，其余密度林分均呈下降趋势。林分断面积在11～16年生期间增长迅速，从20年生起增长速度减慢。C、D、E等中高密度林分因自然稀疏强度较大，其成熟期时林分断面积下降明显。

CAI为连年生长量；MAI为年平均生长量。

图9 立地指数级为16的不同初植密度林分断面积、相对生长、连年生长量、年平均生长量的动态变化

在林龄、立地指数级均相同时，初植密度越大，林分断面积及其连年生长量、年平均生长量越大。立地指数级相同时，林分断面积及其连年生长量、年平均生长量的峰值随初植密度增加而增大，但不同密度的林分断面积及其连年生长量、年平均生长量差异随林龄增长呈下降趋势。其中林分断面积的年平均生长量峰值，C2、E2的分别为1.872 3、2.696 6 m2·hm-2·a-1；A1、B2、D3的分别为1.645 0、2.166 7、2.898 0 m2·hm-2·a-1；A3、B1-3、C1-3、D2、E1的分别为1.736 1、2.579 9、2.871 1、3.519 1、3.662 4 m2·hm-2·a-1；A2、D1、E3的分别为2.241 7、3.717 8、4.393 9 m2·hm-2·a-1。相同立地条件时，初植密度越大，林分断面积的连年生长量、年平均生长量达到峰值的时间越早。如立地指数级为14的A、B、D密度林分，林分断面积的年平均生长量达到峰值的时间分别为12、11、10年生时；立地指数级为18的A、D、E密度林分，林分断面积的年平均生长量达到峰值的时间分别为12、10、8年生时。但林分断面积达到峰值的时间特点有所不同，立地指数级为16以上的林分，初植密度越高，达到峰值的时间越早，如A3、B1-3、C1-3、D2、E1分别为36、24、24、18、20年生时，A2、D1、E3分别为36、28、18年生时；立地指数级为14以下的林分，初植密度越高，达到峰值的时间越晚，如C2、E2分别为18、20年生时，A1、B2、D3分别为24、24、36年生时。

立地指数级为16的不同初植密度林分断面积总生长及其相对生长、林分断面积的连年生长量、平均生长量动态变化(图9)可以看出，立地指数级为16的不同初植密度林分，在14年生前，其林分断面积均随林龄增长而快速增加，其中A3的林分断面积随林龄持续增长，B1-3、C1-3、D2、E1林分断面积分别在24、24、18、20年生时达到峰值，随后轻微下降。随林龄增长，C1-3、D2、E1林分断面积的差距逐步缩小、渐趋一致，D2在9年生时超越E1，C1-3在20年生时超越D2。对于每公顷林分断面积，20年生时，A3、B1-3、E1、D2、C1-3的分别为30.504 0、39.148 8、41.188 3、44.491 0、44.755 9 m2·hm-2；20年生后，以A3增长趋势最好，E1下降幅度最大；36年生时，E1、D2、A3、B1-3、C1-3的分别为30.593 0、34.403 7、39.786 0、40.584 7、43.032 9 m2·hm-2。以A3林分断面积为参照，可明显看到不同初植密度林分断面积与其相比，随林龄增长，差距逐渐减小。不同初植密度林分，其断面积连年生长量随林龄增长逐步下降，密度越大下降速度越快，差距逐渐缩小；其断面积平均生长量随林龄增长先快速增加，密度越大增长速度越快，在林龄10～15年生期间达到峰值后逐步下降，差距逐渐缩小。

4 结论与讨论

通过对广西凭祥36年生杉木密度试验林的长期定位观测，对4个立地指数级、5种初植密度的杉木人工林林分断面积生长的长期密度、立地作用规律进行研究，结果表明，幼龄林阶段，杉木林分断面积及其连年生长量、年平均生长量与林龄、密度、立地指数呈正相关。成熟期时，中等初植密度C林分断面积最大。林分断面积随林龄增长而增加，除A密度林分外，其余密度的林分断面积达到峰值后均呈下降趋势。初植密度相同时，林分断面积及其生长量峰值均随立地指数级的增大而增大。总体上，立地指数级相同时，密度越大，林分断面积及其生长量达到峰值越早且峰值越大。不同初植密度林分断面积随林龄增长，差距缩小并趋于一致。林分断面积生长受密度和立地的叠加影响，但立地对较低初植密度林分断面积的影响更大。

林分断面积取决于林分平均单株断面积、株数密度[18]。36年生时，C密度林分断面积最大，因为C密度林分虽发生自然稀疏的频度并不低于D、E等高密度林分，但自然稀疏强度明显低于D、E等高密度林分。由于这种自然稀疏起到了类似轻度间伐的效果，使得C密度林分的平均单株断面积与保留活立木株数组合后得到的林分断面积明显高于其它林分。对比立地指数级为16的南带杉木林分生长过程表[17]，30年生时，C密度试验林分断面积(43.36 m2·hm-2)略高于标准林分总断面积(42.36 m2·hm-2)，表明南亚热带大青山C密度杉木林分有较高的生产潜力。低密度林分断面积生长率前期大于高密度林分，后期则相反，主要因为低密度林分随林龄增长，生长空间对径生长的抑制作用不断加强；高密度林分在生长后期由于自然稀疏释放了部分生长空间，林分断面积生长率明显提高，这与杜纪山等[19]、孙洪刚[20]的研究结论一致。

林分断面积与林龄密切相关[21-22]。立地指数级、初植密度相同情况时，林分断面积的平均生长量比胸径平均生长量到达峰值晚2～5 a，与已有研究结论一致[23]。林分生长后期出现较低初植密度、立地指数级的林分断面积连年生长量大于较高初植密度、立地指数级的情况，这与陈绘画等[23]、唐守正[24]的研究结论一致。林分断面积及其平均生长量达到高峰(数量成熟)的年龄随初植密度增大而提前，与已有研究结论一致[24]。林分断面积速生期随立地指数增加而缩短，这与胡晓龙[25]的研究结果一致。

36年生时，相同立地指数级不同初植密度，多数林分断面积趋于一致，如立地指数级为10的C2、E2林分断面积分别为23.391 6、23.246 4 m2·hm-2；立地指数级为16的A3、B1、C1、D2、E1林分断面积分别为39.786 0、36.007 8、33.001 6、34.403 6、30.593 0 m2·hm-2；立地指数级为18的A2、D1林分断面积分别为42.374 5、42.102 0 m2·hm-2，这一现象可通过“最终产量恒定”法则[26]解释，与Pienaar et al.[27-28]提出“一定造林密度范围内、立地条件相似、成熟期未间伐林分，单位面积上的断面积趋于1个共同渐近线”的结论一致，也与孙洪刚等[22]提出的“只要人工林立地条件相同，经足够长时间，林分断面积最终趋于一致”的研究结论一致。