杉木材种结构及大径材生长保留密度与立地效应

王有良，宋重升，何宗明，郑鸣鸣，范少辉，林开敏

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.国家林业和草原局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002； 3.贵州黔南布依族苗族自治州林业局，贵州 黔南 558000；4.国际竹藤网络中心，北京 100102)

作为密度控制的一个重要经营措施，抚育间伐对改善林分结构和提高林分质量具有至关重要的影响[1-2].目前，有关间伐对林分生长影响的研究较多.虽然不同树种、立地条件、林分年龄、间伐强度、间伐间隔期等对间伐生长效应的影响规律有所差异，但普遍认为间伐能有效促进林木胸径增加[3-5].目前，关于不同抚育间伐保留密度对杉木人工林林分生长的影响已有较多研究，大多集中在间伐措施对林分胸径、树高、胸高断面积、单株材积及蓄积量等方面的影响[6-8]，而不同间伐保留密度对杉木人工林生长的影响研究结论并不一致，主要集中在速生丰产方面[9].杉木大径材定向培育技术及成果推广是杉木乃至我国人工用材林提质增效的迫切需求及有效途径[10]，而有关杉木大径材培育的研究较为薄弱.因此，加强间伐密度与林分材种结构的关系研究，优化人工林定向培育技术尤为重要.

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook]是重要的速生用材树种，具有速生、丰产、材质优良等特性[11]，在我国南方广泛种植.第九次森林资源清查数据显示，目前我国杉木人工林面积已达到约987万hm2(1.48亿亩)，蓄积量达到7.55亿m3，在我国人工林面积和蓄积量中均居首位，在林业产业和生态建设中具有重要地位和作用[12].特别是近年来，随着社会经济发展和人民生活水平的提高，人们对杉木木材产品的需求也呈现高端化、高值化和多样化的趋势，由于需求量增加，导致杉木大径材更为短缺[11].因此，大力发展杉木大径材定向培育技术已成为杉木人工林发展的重要趋势，对我国杉木产业持续健康发展将起到积极的推动作用.近年来，已经开展了杉木大径材培育研究.张俊钦等[13]认为，在初植密度较高的中龄林培育杉木大径材，保留密度设置为1 230、1 470株/hm2为宜；刘跃钧等[14]认为，合理间伐和科学施肥，能在较短时间内提高大径材产量；涂育合等[15]通过建立林分数学模型研究发现，杉木大径材的适宜主伐密度18指数级为1 005～1 382株/hm2，20指数级为959～1 319株/hm2；叶功富等[16]认为，适时对林分进行密度调整，有利于提高中、大径材所占比重，大径材的培育保留密度以1 200株/hm2为宜.但已有的研究成果大多集中在某一地位指数下设计若干个密度梯度处理，一般观测时间较长，且有时存在密度处理梯度范围偏窄或梯度间距过宽的问题，难以在短期内获得较为精准的密度控制方案.有鉴于此，本文基于福建省峡阳国有林场29 a生杉木人工林，调查20块不同地位指数和保留密度样地资料，在783～1 767株/hm2范围内，应用数学模型深入分析林分材种结构和大径材生长的立地与密度效应，确定杉木大径材培育过程中，在不同地位指数下林分的最优保留密度，为杉木大径材培育过程中林分密度和立地的精准调控提供理论参考.

1 研究地概况与研究方法

1.1 研究地概况

研究地位于福建省南平市峡阳国有林场(26°45′N，118°10′E)，海拔90～400 m，属中亚热带季风气候区，平均年降雨量1 817 mm，年平均温度19.4 ℃，最高温和最低温分别为41 ℃和-5.8 ℃[17].土层厚度均在1 m以上，以红壤为主，土壤肥沃.优良的自然地理环境使得本区十分有利于杉木生长.

1.2 样地设置与调查方法

本研究样地数据来自现有的29 a生不同间伐保留密度梯度的杉木林分，该林分造林密度为2 500株/hm2，间伐后，形成了20块不同林分保留密度梯度(783～1 767株/hm2)的杉木人工林.采用典型样地法进行林分调查.每个样地面积均为600 m2(20 m×30 m)，对样地内活立木进行每木检尺，并挂牌标记.各样地分别选出5株(四个角落和中心区域各选1株)长势较好的林木作为优势木，根据优势木平均高，查福建省杉木地位指数表[18]，通过内插法求出地位指数，计算出的地位指数规整后分别为18、20、22.利用原有林分调查数据整理得出20块样地的杉木林分概况，见表1.

表1 样地基本信息Tab.1 Basic information of sample plots

1.3 数据处理

单株材积[11，19]：

式中：Vi为第i株杉木单株材积(m3)；Di为第i株杉木胸径(cm)；Hi为第i株杉木树高(m).

按径阶计算规格材原条出材量.材种出材量[19-20]：

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

式中：V规(原条)为规格材原条出材量(m3)；D为径阶平均胸径(cm)；H为径阶平均树高(m).

根据林木材种，以直径为区分标准，分别计算各径阶立木出材量，并按材种进行归并[19-20].各径阶杉木材种株数占比见表2.

表2 不同径阶杉木材种株数占比Tab.2 Proportion of wood species of different diameter grades of Chinese fir /%

利用Excel 2010进行数据统计分析，运用Origin 2017制图软件绘制散点图，选用最优拟合曲线模型(拟合度R2最高)进行回归拟合.

2 结果与分析

2.1 保留密度对林分材种结构和大径材生长的影响

2.1.1 保留密度对林分大径材数量的影响

图1 不同保留密度林分大径材占比Fig.1 Proportion of large-diameter timber plants in different retention densities

不同保留密度林分大径材占比见图1.由图1可见：随着保留密度的增大，林分大径材株数占比呈减小趋势，说明高保留密度不利于林分胸径的增长.

2.1.2 保留密度对林分大径材蓄积量的影响

不同保留密度林分大径材蓄积量见图2，占比见图3.由图2可知：随着保留密度的增大，林分大径材蓄积量呈先上升后下降的趋势，保留密度在1 000～1 200株/hm2时，大径材均有较高的蓄积量；保留密度为1 150株/hm2时，大径材蓄积量达到最大值，说明合理的间伐有利于杉木大径材培育.由图3可知：随保留密度的增大，林分大径材蓄积量占比总体呈下降趋势.保留密度为980株/hm2时，大径材蓄积量占比最大；保留密度为783～1 767株/hm2时，平均大径材蓄积量占比为55.86%.

图2不同保留密度林分大径材蓄积量Fig.2Large-diameter timber accumulation of forestswith different retention densities图3不同保留密度林分大径材蓄积量占比Fig.3Proportion of large-diameter timber accumulationof forests with different retention densities

2.1.3 保留密度对林分材种结构的影响

不同保留密度林分材种结构见图4.由图4可见：小径材出材量与出材率随着林分保留密度的增大均呈增加趋势；中径材出材量与出材率随保留密度的增大呈增加趋势，保留密度在1 100～1 400株/hm2区间增量最大，在1 230～1 380株/hm2区间出材率增长最快；大径材出材量随保留密度的增大呈先快速增加后快速减小最后逐渐平稳的趋势，其中，大径材出材量在保留密度为1 100株/hm2时达到最大，在1 000～1 200株/hm2均较大，在780～1 140株/hm2出材率均较大，在1 140～1 490株/hm2下降最明显.

图4 不同保留密度林分材种结构Fig.4 Timber species structure of forests with different retention densities

图5 不同地位指数大径材株数占比Fig.5 Proportion of large-diameter timber plants with different status indexes

2.2 地位指数对材种结构和大径材生长的影响

不同地位指数大径材占比见图5.由图5可见：随着地位指数的提高，林分大径材株数占比总体呈逐渐上升趋势，说明地位指数高的林地适合培育大径材林分.

不同地位指数大径材蓄积量及占比见图6、图7.由图6和图7可见：林龄为29 a的杉木，随着地位指数的提高，林分大径材蓄积量和占比总体呈逐渐增加的趋势，说明高地位指数的林地更适合培育大径材.

图6不同地位指数大径材蓄积量Fig.6Large-diameter timber accumulation ofdifferent status indexes图7不同地位指数大径材蓄积量占比Fig.7Proportion of large-diameter timber stockvolume of different status indexes

不同地位指数各材种出材量、出材率见图8.由图8可见：林龄为29 a的杉木林分，随着地位指数的提高，中径材和小径材出材量、出材率总体均呈下降趋势；而大径材出材量、出材率则呈现随地位指数提高而增加的趋势.由此说明，18及以上地位指数林地适合杉木大径材培育.

图8 不同地位指数各材种出材量、出材率Fig.8 The yields volume and yields of various species of different status indexes

2.3 大径材出材量和出材率模型构建

以20块样地林分调查数据为基础，利用SPSS 19.0软件对设定的方程进行参数拟合，参数估计结果见表3.由表3可知：2个方程的拟合相关系数(R2)均在0.5以上，残差平方和均较小，拟合效果较好.

表3 参数估计结果Tab.3 Results of parameter estimation

根据以上参数估计结果，建立福建省杉木大径材出材量和出材率模型：

V=e(b0+b1SI+b2lnN+b3lnN2+b4SIlnN)，

式中：V为出材量和出材率；SI为地位指数；N为林分密度；b0、b1、b2、b3、b4为模型参数.

上述模型可预测杉木大径材出材量和出材率.29 a生时，大径材出材量最大值出现在地位指数为18，保留密度为1 410株/hm2的林分，较大值出现在保留密度1 310～1 510株/hm2的林分；在地位指数为20，保留密度为1 250株/hm2时，大径材出材量出现峰值，较大值出现在保留密度为1 150～1 350株/hm2范围；在地位指数为22，保留密度为1 130株/hm2时，大径材出材量出现峰值，较大值出现在保留密度为1 030～1 230株/hm2的林分.

在地位指数为18，大径材出材率最大时，保留密度约为1 270株/hm2，在1 170～1 370株/hm2出材率较大；在地位指数为20，大径材出材率最大时，保留密度为1 100株/hm2，在1 000～1 200株/hm2出材率较大；在地位指数为22，大径材出材率最大值时，保留密度为950株/hm2，在850～1 050株/hm2出材率较大.

3 结论与讨论

研究发现，在29 a杉木林，林分保留密度越大，越会抑制林分胸径生长，大径材株数占比也越小，这与徐金良等[21]的研究结果一致.NORD-LARSEN T等[22]对山毛榉的研究也得出了类似结论.究其原因认为，间伐降低了保留密度，增加了林分的营养空间，因而促进了林分胸径、树高生长，使原有的中、小径材朝大径材方向转化.但大径材蓄积量随保留密度的增大呈先增加而后减小的趋势，保留密度在1 000～1 200株/hm2时蓄积量较高，在1 400株/hm2以上时蓄积量均较小，且变化较为平缓，这与蒋家淡等[23]的研究结果有所不同，可能是受林分单株材积和单位面积活立木株数的影响，在林分密度较低时，林分平均单株材积较大；随着保留密度的增大，林分胸径也逐渐减小[24].

林分生长直接受林分密度、立地条件、环境等因子制约[25-26].对比发现，林龄29 a的杉木林分，地位指数越高，大径材出材量较大值对应的林分保留密度相对越低.已有研究表明，随着林分保留密度的降低和立地指数的提高，杉木出材量和出材率随之发生变化，从而导致材种结构发生转化[27-28].林分密度太低，会因单位面积保留株数减少使大径材产量下降；林分密度太高，则会因活立木间竞争加剧而使得单株活立木所获取的养分减少，林分立木整体胸径减小，也会导致大径材出材量降低[26].

立地质量是材种形成过程中的主要限制因子[20].林龄29 a的杉木，随着地位指数的提高，林分大径材株数、株数占比、蓄积量、蓄积量占比均呈上升趋势，这与地位指数决定林木胸径大小并促进林分形成的研究结果一致[26，29].地位指数对杉木大径材的培育有显著影响，地位指数越高，林分密度越低，越适宜培育较大规格的材种.此外，地位指数为18～22时，中、小径材出材量、出材率随地位指数提高而减小，大径材出材量、出材率随地位指数的提高而增加，这与惠刚盈等[30]的研究结果有所不同，其原因可能是在林分地位指数较高时，林地可为杉木生长提供的养分更为充分，生长速度更快，促使中、小径材更多地向大径材方向转化，从而使得中、小径材出材量、出材率降低.

综上所述，杉木材种结构的形成存在地位指数与保留密度的交互作用，低保留密度和高地位指数(≥22)适宜培育杉木大径材.地位指数为18时，适宜培育中径材；地位指数大于18更适宜培育杉木大径材.培育杉木大径材的适宜保留密度：地位指数为18时为1 310～1 510株/hm2；地位指数为20时为1 150～1 350株/hm2；地位指数为22时为1 030～1 230株/hm2.