思茅松纸浆用材林初植密度与合理采伐年龄分析*

刘永刚，胡光辉，陈伟，冯弦，孟梦

(云南省林业和草原科学院，云南 昆明 650201)

森林不仅能为人类提供木材及其它林副产品，而且还能发挥各种有益的功能。由各种森林组成的森林生态系统对维护陆地生态系统平衡具有重要意义。随着人类社会的发展，人类赖以生存的自然生态环境受到的污染、破坏亦日益加剧。尤其是天然林的严重破坏，削弱了森林生态系统维护生态平衡的作用，加剧了物种灭绝、气候恶化、水物循环失调、土壤侵蚀和沙化、旱涝等自然灾害发生的频率与程度。为保护人类的生存环境，保护天然林已成为当务之急。大力发展人工林是世界各国面对天然林和天然次生林日益减少所采取的共同的、长期的林业发展战略,使人工林在世界森林资源的发展中发挥着越来越重要的作用。营造人工林已成为解决21世纪木材需求、实现天然林保护的根本措施[1]。

造纸工业是林产工业的重要组成部分，是社会经济发展的支柱产业之一，但也是消耗木材最多的产业之一，世界造纸工业用原木占原木总用量的25%[2]。随着天然林保护在深度与广度上的继续开展及速生、丰产、高效人工林的发展，纸浆林作为人工用材林的一种，将逐渐成为造纸工业木浆原料的主要来源。与此同时，全世界木材供应不足与市场需求急剧增加的矛盾是继续开展天然林保护时急须解决的问题。实施人工林定向集约栽培，经营短周期的原料林是解决这一问题的根本途径[3]。

开展纸浆用材林集约栽培，不可避免地要面对如何确定初植密度的问题。初植密度不同，人工林的生长、收获及营林成本、收益也不相同。初植密度设置适宜与否，直接影响到人工林培育目标的达成与否，营林的经济效益好坏、造林项目的经济可行性。因此，开展初植密度选择研究对于纸浆用材林集约栽培是非常必要的。

思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)是卡西亚松(Pinuskesiya)的地理变种，在我国天然分布于云南南亚热带及准热带的湿润及半湿润地区，集中分布于思茅、景东、镇源、景谷、普洱、墨江等县市[4-6]。其材质优良，生长速度快，是云南优良的乡土用材树种之一，在区域林业发展中占有举足轻重的地位。

对思茅松人工林的研究工作历来颇受重视，在其遗传改良、立地质量评价、种植技术、病虫害控制、林地地力维护等方面已开展了诸多研究[7-8]。然而，关于思茅松纸浆林定向培育初植密度的研究，鲜见报道。本文拟对思茅松纸浆用材林的初植密度选择进行研究，以期为思茅松纸浆林集约培育提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于云南省普洱市思茅区东南清水河(100°56′39″～100°58′42″E、22°40′22″～22°41′35″N，海拔1 100～1 446 m)。该地气候属南亚热带高原季风气候，具有年温差大，夏秋季多雨、冬春季干旱，干湿季分明的气候特征。年平均气温17.7 ℃，最冷月(1月)平均气温11.4 ℃，最热月(6月)平均气温21.7 ℃；绝对最高气温39.4 ℃，绝对最低气温-3.4 ℃。全年日照时数2 122.9 h，≥10℃的积温为6 353.5 ℃。年降雨量1 547.6 mm，雨水主要集中在5—10月，占全年降雨量的87.3%；11—翌年4月为干季，降雨量仅占全年降雨量的12.7%。12—翌年4月有雾，年均雾日数131.4 d，无霜期350.3 d。

研究区从低到高形成了赤红壤和红壤两个土类的垂直土壤带。成土母岩主要是紫色砂岩、页岩，局部地区有石灰岩。

天然植被主要有思茅松次生林、季风常绿阔叶林，较为常见的树种有思茅松、红木荷(Schimawallichii)、红椎(Castonopsishystrix)、毛叶黄杞(Engelhardtiacolebrookiana)、红椿(Toonaciliata)、西南桦(Betulaalnoides)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与调查

样地设置于思茅市清水河的密度试验林。试验为单因素随机区组设计，5个不同密度处理，3个区组，区组内每小区株数为50～100株。5种初植密度分别是10 000 株/hm2(株行距1 m×1 m)、5 000 株/hm2(株行距1 m×2 m)、4 444 株/hm2(株行距1.5 m×1.5 m)、2 500 株/hm2(株行距2 m×2 m)、1 667 株/hm2(株行距2 m×3 m)。

自林分郁闭当年即开始生长量、保存率调查，11 a 林分共调查5次。调查因子包括每木树高、胸径、冠幅，保存率。

1.2.2 不同初植密度思茅松纸浆林数量成熟龄

采用标准地法编制生长过程表，然后根据生长过程表查出蓄积平均生长量最大的时间，即为数量成熟龄。当蓄积平均生长量等于其连年生长量时，蓄积平均生长量最大，此时的年龄即为数量成熟年龄。生长过程表由生长过程拟合方程展开生成。

常用的林分生长和收获模型如下[9-10]。

(1)逻辑斯谛方程(Logistic equation)

y=a+b/〔1+exp(c+dA)〕

(2)理查德方程(Richards equation)

y=a〔1-exp(-kA)〕b

(3)米切尔里希方程(Mitcherlich equation)

y=ymax〔1-exp(-aA)〕b

(4)Von Bantalanffy 方程

y=k〔1-exp(aA)〕b

(5)冈珀斯模型(Compertz model)

y=k/exp(becA)

式中：y是树高、胸径、单位面积蓄积等生长量因子，ymax是该调查因子最大生长量；A是年龄；k、a、b、c、d是待定参数，k与密度有关，a、b、c与立地质量有关。

用上述5种模型对树高、胸径、单位面积蓄积生长进行拟合，采用参数值拟合残差最小、决定系数最大的方程生成生长过程表。

1.2.3 不同初植密度思茅松纸浆林工艺成熟龄

根据不同初植密度林分生长过程表及《思茅松人工林林分材种出材率表》[11]计算其纸浆材材积平均生长量表，综合使用材种平均生长量最大、材种出材率达60%以上、林分平均胸径达材种规格要求(D≥4 cm)3个标准来确定工艺成熟龄。

1.2.4 不同初植密度思茅松纸浆林经济成熟龄

采用净现值(NPV)、内部收益率(IRR)和收益成本比(B/C)3个指标作为经济效益评价指标，根据5种密度思茅松纸浆林的净现值(NPV)、内部收益率(IRR)和收益成本比(B/C)随经营时间的变化，找出其经济效益最大的时间即为经济成熟龄。

(1)经济评价指标的计算方法

收益成本比(B/C)=收益现值/费用现值

内部收益率i*为净现值NPV=0时的折现率。用Excel 自带的规划求解计算。

(2)折现率的确定

折现率的选取对评价结果影响较大。在人工林经济评价中，折现率的选取多在5%～12%之间[12]。本研究参照文献[13]、[14]采用12%作为经济评价的折现率。

(3)营林成本

在成本计算中，造林管护成本按造林当年(2000年)费用水平计。其中：苗木费0.2 元/株；定植费0.5 元/株(包括挖塘、运苗、定植费)；林地清理费150 元/hm2；造林前3 a除草清萌费每年450 元/hm2，3 a后人工林看护及病虫害观测防治费用每年150 元/hm2。

(4)木材销售收入

销售收入指采伐后销售额减去采伐成本、运输、税费等直接成本后的毛利润。木材销售收入计算中，思茅松林木按造纸材进行计价，小头直径≥4 cm的经济材都纳入造纸材计算，包括大径材、中径材、小径材、短小材。造纸材按300 元/m3计，采运成本按60 元/m3计，税费按 300 元/m3基价的10% 并减半计，则销售收入为225 元/m3。

1.2.5 不同初植密度思茅松纸浆林采伐年龄

在确定不同初植密度林分数量成熟龄、工艺成熟龄、经济成熟龄的基础上，“以工艺成熟为基础，以经济成熟为目的，兼顾数量成熟等多种因素”[15]为原则，同时考虑林地利用率等因素综合确定其采伐年龄。

1.2.6 数据分析

用Excel 规划求解计算内部收益率；采用DPS 7.05进行林分生长因子与林龄自变量关系式的拟合及方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同初植密度思茅松纸浆林数量成熟龄

11 a密度试验林的单位面积蓄积量在不同初植密度间差异不显著(P=0.076)、在不同重复间差异显著(P=0.0412)，说明立地条件对林木的生长具有显著影响，因而取立地指数较为典型的重复2(立地指数为15)和重复3 (立地指数为17)进行分析。

树高、胸径、单位面积蓄积量生长方程的拟合效果都较好，决定系数R2皆大于0.96，以重复3 (立地指数为17)为例，拟合结果见表1。胸径生长用Von Bantalanffy方程拟合效果最好；树高生长可用Von Bantalanffy方程、逻辑斯谛方程拟合；单位面积蓄积量的生长拟合首选冈珀斯模型，其次为逻辑斯谛方程。

表1 思茅松人工林不同密度林分优选生长方程Tab.1 Selected growth equations of P.kesiya var.langbianensis plantations of different planting densities

表2 思茅松人工林不同密度、立地条件的林分数量成熟龄Tab.2 Quantitative age of P.kesiya var.langbianensis on different stand density and site

根据优选的生长方程，用林龄为自变量展开，并计算其平均生长量、连年生长量，结合思茅松人工林林分材种出材率，可计算其纸浆材材积，并求算年均生长量及连年生长量。当材积平均生长量与材积连年生长量相等时，材积平均生长量最大。各初植密度林分的数量成熟龄如表2。

立地条件好的林分，其数量成熟龄较立地条件差的林分早；密度大的林分，其数量成熟龄较密度小的林分来得早。在立地指数为17的林地上，2 500～10 000 株/hm2的初植密度思茅松人工林分9 a时达数量成熟年龄，1 667 株/hm2初植密度的林分则在11～12 a时可达数量成熟。在立地条件较差的立地指数为15的林地上，各密度林分数量成熟龄来得晚一些，其中初植密度为10 000 株/hm2的林分，9～10 a时达数量成熟，其余4种密度类型林分11 a时还未达数量成熟龄。

2.2 不同初植密度思茅松纸浆林工艺成熟龄

用材种材积平均生长量最大法、材种百分率或平均胸径达标法确定工艺成熟龄。当3种方法所得结果不同时，取三者中最大值、最小值用区间法表示工艺成熟龄；当3个确定指标中有1个达标时，取达标时的年龄为工艺成熟龄；当一个指标都不满足时，则未达成熟龄。各林分工艺成熟龄表现出立地条件好的比立地条件差的来得早、初植密度大的林分比初植密度小的林分来得晚的规律(表3)。

表3 不同林分工艺成熟年龄Tab.3 The technology maturity age of different stands in different density and site 年

2.3 不同初植密度思茅松纸浆林经济成熟龄

按折现率12%计算了5种初植密度思茅松人工林的净现值(NPV)、收益成本比B/C及内部收益率(IRR)。不同密度林分经济效益评价指标值随林龄的动态变化如图1。

图1 不同初植密度思茅松纸浆林3个经济评价指标的动态变化Fig.1 NPV,B/C,IRR dynamic change of P.kesiya var.langbianensis plantations of different planting densities for pulpwood production under the site index of 17 and 15

在立地指数为15的林地上，NPV、IRR、C/B 3个指标都指示初植密度为4 444、1 667 株/hm2的两种林分在11 a时经济效益较好，初植密度为2 500 株/hm2的林分其次，最差的为10 000、5 000 株/hm2密度的林分。后两种密度林分造林成本较大，在折现率水平为12%的情况下，其材积增长率须保持12%直到15 a其净现值才微大于0，也即IRR微大于12%，B/C微大于1。思茅松人工林在进入中龄后材积毛增长率为平均为7.14%，净增长率仅为5.79%。因而，在12%折现率水平下，不宜采用10 000 株/hm2和5 000 株/hm2初植密度在立地指数15或更差的林地上营造纸浆林。

在立地指数为17的林地上，5种初植密度林分都有较好的收益，11 a生时，内部收益率都大于16%，B/C都大于1.38。净现值与密度大小成正比，但内部收益率、B/C则出现密度最大与最小较好，中间中等的状况。1 667 株/hm2与10 000 株/hm2两种初植密度林分，从充分利用林地资源角度出发，10 000 株/hm2的初植密度林分是效益最好的。各个指标值都表现较差的2 500 株/hm2的林分相对较差。

虽然NPV、IRR、C/B等3个评价指标评价项目经济效益的角度不同，但用于判断林分最高经济效益区间时则有很好的一致性。以各评价指标随年龄变动的幅度与趋势为依据，可得不同初植密度林分进入经济成熟的年龄区间如表4。经济成熟龄到来的早与迟受立地条件、初植密度影响。立地条件好的其经济成熟龄较立地条件差的来得早。在立地条件差的林地上，不宜采用较高的初植密度。在立地指数为15的林地上，10 000、5 000 株/hm2两种密度的林分，11 a时净现值为负，内部收益率仅达5.448%、7.402%。在12%的利率水平下，无法获得正的经济收益。

表4 不同林分经济成熟年龄Tab.4 The economic maturity age of different stands in different density and site 年

2.4 不同初植密度思茅松纸浆林采伐年龄及其经济效益

根据不同初植密度林分数量成熟龄(表2)、工艺成熟龄(表3)及经济成熟龄(表4)，遵循“以工艺成熟为基础，以经济成熟为目的，兼顾数量成熟等多种因素”，结合材积增长率综合判定其采伐年龄。工艺成熟、数量成熟主要取决于林分的生长；经济成熟不但受林分生长的影响，还与折现率、经营成本、木材价格等因素密切相关，对初植密度选择合理与否影响较大。在影响合理采伐年龄确定的4个主要因子中，林分生长主要受其生物学特性、技术措施及立地条件的影响，一定时期内为确定因素；木材价格长期来看具有较确定的上涨趋势，折现率12%的水平也具有较高的风险控制保障，影响结果的不确定因素主要是经营成本的变化。经营成本的变化对经济成熟龄及采伐年龄的影响如表5、表6。

表5 成本变化对经济成熟与采伐年龄的影响Tab.5 The effect of annual cultivation and management costs changing on economic mature age and cutting age

表6 成本增加对采伐时经济效益评价指标值的影响Tab.6 The effects of costs on the value of NPV,B/C and IRR at arvsting age of P.kesiya var.langbianensis plantation in different density

从表5数据可看出，成本的增加有使各密度林分的经济成熟期及采伐时间推迟的趋势。在立地指数主为17林地上，当成本增加20%时，使经济成熟龄与采伐年龄都有不同程度的延期，但推后程度有限；因此，在此立地上思茅松纸浆林合理采伐龄确定为8～9 a较为合理。立地指数为15的林分，10 000 株/hm2、5 000 株/hm2这2种初植密度林分经济效益较差，其余3种初植密度林分其经济成熟期>11 a，还不能对其确定采伐龄。

从表6可看出，成本的增加降低了经济效益，但对各密度林分经济效益大小的排序结果无影响。在利率12%的水平上，尽管成本增加20%，立地指数17的立地上思茅松纸浆林8～9 a时采伐各密度林分仍有正的收益。在采伐年龄时，各密度林分内部收益率、收益成本比都很相近，净现值则随密度增大而增大。综合3指标及材积生长规律、林地利用率，立地指数为17的林地上，纸浆用材林初植密度宜选用4 444～10 000 株/hm2，采伐时净现值可达3 293.53～5 603.39 元/hm2，内部收益率可达20.301%～20.781%，收益成本比可达1.609 4～1.621 1。

在立地指数为15的林地上，以11 a生数据进行初植密度选择，4 444 株/hm2、1 667 株/hm2两种密度效益较好，其净现值618.25～1 019.8 元/ hm2、内部收益率14.117%～14.121%、收入成本比分别为1.175～1.187。在成本增加10%时，此2类林分仍有正收益；成本增加20%时，立地指数15的林地上的5种密度11 a林分经济收益都为负。在5种初植密度中，此类立地上采用4 444 株/hm2的初植密度较佳，其净现值、内部收益率、收入成本比分别为1 019.8 元/ hm2、14.121%、1.187。

3 讨论与结论

3.1 讨论

(1)折现率、营林成本、单位面积木材产值等对思茅松纸浆林合理采伐期的影响较大。折现率升高，采伐时间将提前；营林成本的增加，合理采伐时间将推后；木材价格上涨，采伐时间也将提前。此结论与郑冕烜[16]杉木(Cunninghamialanceolata)人工林经济成熟龄因折现率的升高、立地质量的提高、木材产值的升高而提前的研究结果相似。另外，间伐与否、培育目标材种差异、生长速度不同等也会影响合理采伐时间[17]。杨家伟[18]利用最大土地期望值法确定思茅松最佳轮伐期的为19 a，其结果与本文思茅松纸浆林合理采伐期有所差别。这是因为上述影响合理采伐时间的诸因子不同所致。折现率前者为10.98%，较本研究的12%为小，因而本文采伐期较其早合乎规律。此外，因本研究的取样林分造林用种为思茅松良种而致人工林单位面积蓄积生长速度增加、木材价格上涨等因素，也致使采伐时间有所提前。

(2)初植密度5 000 株/hm2与4 444 株/hm2两种密度株数仅相差560 株/hm2，经过自疏作用，实测两种11 a林分其立木株数前者仅比后者多57 株/hm2，两者间胸径、树高无显著差异。但是在立地指数为15的林地上，后者效益优于前者，在地位级指数17的林地上，两者效益无显著差异。徐玉梅等[19]认为造林时株行距的空间配置对思茅松人工林的生长具有影响，并在中龄林的林分生长量上表现出差异。因此，确定初植密度时宜考虑不同的株行距配置对人工林生长和经济效益的影响。

(3)在确定工艺成熟龄时，综合使用材种平均生长量最大法、材种百分率或平均胸径达标法确定工艺成熟龄，解决了仅用材种平均生长量最大法在确定工艺成熟龄时因林分平均胸径径级升阶时材种出材率大幅增加而导致材种平均生长量大幅波动，使纸浆材工艺成熟龄难以确定的问题，取得了较好的效果。

(4)思茅松人工林7～10 a时可考虑进行首次间伐[20]，生长过程解析也表明5种初植密度林分的单位面积蓄积连年生长量已呈减少趋势，宜进行间伐。本研究未考虑5种初植密度思茅松人工林的间伐效应及其效益。此外，立地条件对林木生长具有显著影响，思茅松在立地指数为15的林地上生长较慢。在该立地上，4 444、2 500、1 667 株/hm2初植密度的林分仍未到达数量成熟龄、经济成熟龄，不能确定其采伐年龄。因此，本研究部分结论尚待完善。

3.2 结论

(1)立地条件、初植密度对思茅松纸浆林的森林成熟影响较大。立地条件好的林分其工艺成熟龄、数量成熟龄、经济成熟龄较立地差的林分早；同一立地上，密度高的林分数量成熟龄来得早，工艺成熟龄则较低密度林分晚。作为短周期工业原料林，如初植密度、立地选择正确，可获得较好经济收益。

(2)根据立地条件确定初植密度，高密度不宜营造在差的立地上；好的立地不宜选择较小的初植密度。在立地指数17的林地上，选择4 444～10 000 株/hm2的初植密度，8～9 a生时可进行采伐，能获得较好的经济效益。在立地指数为15的林地上，不宜选择10 000 株/hm2、5 000 株/hm2的初植密度；在此类立地上，如11 a生时进行采伐，采用4 444 株/hm2初植密度能获得较好的经济效益。

(3)2 500 株/hm2和1 667 株/hm2两种初植密度林分，其径级结构与高密度林分是不一样的，它们具有更高的大、中径材出材率，把这些价值更高的原木当做纸浆材计算，大大降低其经济效益。但作为短周期纸浆林，这2种初植密度的林分在经济上没有明显优势。