闽北4种木兰科树种生长过程及其对气象因子的响应

章允清

(福建省顺昌埔上国有林场,福建 南平 353200)

大面积营造人工针叶纯林会导致森林病虫害危害[1]、生物多样性下降[2]以及林地地力衰退[3-4]等,严重影响森林的可持续经营。由于对阔叶树种资源的保护力度不够,阔叶树种长期遭到严重破坏,珍贵乡土阔叶树种栽培已成为现代林业研究的热点之一[5]。林木生长过程除了与林木生物学特性密切相关之外,还与其生态适应性及所处的立地环境有关。因此,研究林木生长过程对于科学制定林分经营措施有着重要意义[6]。

木兰科(Magnoliaceae)有18属335种,主要分布在亚洲东南部、南部以及北美东南部和中美等地。我国木兰科有14属165种,主要分布于东南部至西南部[7]。部分木兰科树种为高大乔木,干形通直、材质优良、落叶量大,且林地自肥能力强,是集观赏与用材为一体的多用途树种[8]。当前,有关木兰科植物的研究主要包括光合解剖特性[9-10]、化学利用[11-12]、抗逆生理[13-15]以及肥土和固碳能力[16-18]等,而有关不同木兰科树种生长过程的差异尚未见报道。因此,本文以闽北17年生木兰科常见用材树种单性木兰属乐东拟单性木兰(Parakmerialotungensis)、木莲属乳源木莲(Manglietiayuyuanensis)、木兰属黄山木兰(Magnoliacylindrica)和深山含笑(Micheliamaudiae)为研究对象,在林分生长调查的基础上,应用树干解析法比较4种树种生长过程的差异性,并分析林木生长与主要气象因子间的相关性,以期为木兰科树种在闽北地区的高效培育提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验林位于福建省南平市顺昌埔上国有林场连坊管护站23林班 54大班 3(1)小班( 117°45′39″E, 26°58′30″N)和23林班 55大班 3小班( 117°45′42″E, 26°58′19″N)。该区为亚热带海洋性季风气候,年均气温为18.5 ℃ ,年均降水量为1 755 mm,年均相对湿度为78.3%。试验地海拔256～305 m,坡度23°～25°,西南坡,土壤为山地红壤,土层厚度70～90 cm,腐殖层厚度15～25 cm,立地质量等级Ⅱ级,前作为马尾松(Pinusmassoniana)纯林。

1.2 参试树种及气象数据来源

乐东拟单性木兰种子来源于福建省邵武市、顺昌县、建瓯市和延平区;黄山木兰种子来源于福建省武夷山市、松溪县、政和县、延平区及沙县;乳源木莲种子来源于福建省延平区、光泽县、建瓯市及将乐县;深山含笑种子来源于江西省九江县、永丰县,浙江省龙泉市、庆元县,福建省政和县、松溪县、延平区、顺昌县、将乐县和沙县等地。

气象数据来源于福建省顺昌县气象局提供的2005—2021年数据,具体见表1。

表1 2005—2021年福建省顺昌县气象因子数据表

1.3 研究方法

1.3.1 试验设计 2003年10月选育生长较快、干形较通直的优良单株,2004年12月进行单系育苗,2005年1月造林。造林时采用完全随机区组设计,根据地形设置5个区组,每个区组包含4个试验小区,每小区种植1种树种,6株单列小区。挖明穴回表土,穴规格为60 cm×50 cm×40 cm,株行距为2.2 m×2.5 m,造林密度为1 815株·hm-2。造林前炼山清除采伐剩余物。造林后前3年春、秋季各松土除草1次,造林第2年结合春季除草施 0.1 kg·株-1复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。2016年全面割灌1次,割灌前林下灌木植物主要有乌饭(Vacciniumbracteatum)、盐肤木(Rhuschinensis)、山仓子(Litseacubeba)、枇杷叶紫珠(Callicarpakochiana)、小叶赤楠(Syzygiumbuxifolium)等,草本植物主要有砂仁(Amomumvillosum)、五节芒(Miscanthusfloridulus)等。

1.3.2 样地调查及树干解析 2021年10月对4种试验林进行每木调查,胸径用围径尺测量,树高用测高杆测量。依据林分平均胸径及平均树高,每种树种各选出1株平均木作为解析木。伐倒前在立木上标记其南北方向和胸高位置,齐地采伐后测量整株冠长。以1 a作为1个龄阶进行解析,按照1 m区分段(第1段为0.8 m),并在每段中央截取圆盘,即0、0.5、1.3、2.3、3.3 m处,依此类推,直至树梢;圆盘厚约4 cm,在每个圆盘上标记高度与南北方向[19]。取回圆盘后打磨抛光并置于室内阴干。统计各圆盘年轮数,每隔1个年轮测量其宽度,分别计算4种树种解析木的胸径、树高及单株材积的总生长量、平均生长量和连年生长量等指标[19]。

1.4 数据处理

参考文献[18]计算解析木的单株材积。

式中,V为单株材积(m3),n为区分段个数,gi为第i区分段中央断面积(m2),li为第i区分段长度(m),g′为梢头底端断面积(m2),l′为梢头长度(m)。

采用Excel 2000进行数据整理及制表,利用Origin 2022制图;用SPSS 27.0进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 4种木兰科树种胸径生长过程比较

2.1.1 总生长量 对4种木兰科树种胸径总生长量比较(图1A)发现,前4 a乐东拟单性木兰、黄山木兰、深山含笑胸径生长差异不大;第5～14年,4种木兰科树种胸径总生长量大小依次为：深山含笑>乐东拟单性木兰>黄山木兰>乳源木莲;第16年乐东拟单性木兰胸径总生长量超过深山含笑;第17年胸径总生长量依次为：乐东拟单性木兰(14.73 cm)>深山含笑(14.37 cm)>黄山木兰(11.87 cm)>乳源木莲(9.16 cm)。

A.总生长量;B.平均生长量C.连年生长量。图1 4种木兰科树种胸径生长过程比较Figure 1 Comparison on DBH growth of 4 Magnoliaceae plants

2.1.2 平均生长量 由图1B可知,乐东拟单性木兰、黄山木兰、深山含笑和乳源木莲胸径平均生长量分别在第10年(0.93 cm)、第7年(0.78 cm)、第9年(0.98 cm)和第12年(0.55 cm)时达到最大值。4种木兰科树种胸径平均生长量均在前期快速增长,接近最大值时增幅变缓,达到最大值后又缓慢下降;第5～14年,4种木兰科树种胸径平均生长量大小与总生长量一致,均表现为：深山含笑>乐东拟单性木兰>黄山木兰>乳源木莲;第16年乐东拟单性木兰胸径平均生长量超过深山含笑;第17年时,各树种胸径平均生长量大小依次为：乐东拟单性木兰(0.87 cm)>深山含笑(0.85 cm)>黄山木兰(0.70 cm)>乳源木莲(0.54 cm)。

2.1.3 连年生长量 4种木兰科树种胸径连年生长量差异较大(图1C)。深山含笑第3年连年生长量达1.6 cm,第4年则下降至1.17 cm,第5年达到最大值(1.78 cm),随后又波动下降;第11～17年间深山含笑连年生长量在0.58～0.88 cm之间。乐东拟单性木兰胸径连年生长量变化趋势同深山含笑大致相同,第3年达到1.12 cm,而后快速下降至0.87 cm,第5年时达到最大值(1.48 cm),随后开始波动下降;第11～17年间连年生长量波动区间为0.74～0.80 cm。黄山木兰胸径连年生长量在第3年时达到最大值(1.48 cm),而后连续下降,第5年时仅0.72 cm,至第6年再次大幅度上升(1.20 cm),随后又波动下降;第11～17年间胸径连年生长量波动区间为0.48～0.72 cm。乳源木莲胸径连年生长量前5 a不断上升,但均未超过1 cm,第6年时达到最大值(1.15 cm),随后开始波动下降;第11～17年间胸径连年生长量波动区间为0.50～0.67 cm。

2.2 4种木兰科树种树高生长过程比较

2.2.1 总生长量 由图2A可知,乳源木莲树高总生长量明显低于其他3种树种,乐东拟单性木兰、黄山木兰和深山含笑前5 a树高总生长量相近,之后开始出现明显差异,表现为：黄山木兰>深山含笑>乐东拟单性木兰;第17年时,4种树种的树高总生长量均达到最大值,且乐东拟单性木兰总生长量超过深山含笑,表现为：黄山木兰(12.09 m)>乐东拟单性木兰(10.90 m)>深山含笑(10.87 m)>乳源木莲(5.79 m)。

A.总生长量;B.平均生长量C.连年生长量。图2 4种木兰科树种树高生长过程比较Figure 2 Comparison on height growth of 4 Magnoliaceae plants

2.2.2 平均生长量 由图2B可知,深山含笑树高平均生长量随林龄的增长呈先升高后下降的趋势,并在第6年时达到最大值(0.99 m);第2～3年深山含笑树高平均生长量增幅最大,第4～7年则保持在0.9 m以上。黄山木兰树高平均生长量变化趋势与深山含笑相近,随林龄的增长呈先升高后下降的趋势,第7年时达到最大值(1 m);第4～9年树高平均生长量保持在0.9 m以上,至第17年又下降至0.71 m。乐东拟单性木兰树高平均生长量17 a间均维持在0.6 m以上,第5年时达到最大值(0.96 m),随后波动下降至0.64 m。乳源木莲树高平均生长量17 a间均未超过0.5 m,除了第1年平均生长量为0.25 m外,其他年份均在0.3～0.5 m之间,第17年时树高平均生长量仅0.34 m。总体上看,第6年后4种木兰科树种树高平均生长量均表现为：黄山木兰>深山含笑>乐东拟单性木兰>乳源木莲。

2.2.3 连年生长量 从图2C可见,4种木兰科树种树高连年生长量差异较大。黄山木兰树高连年生长量在第3～7年均超过1 m,在第4和第6年达到最大值(1.33 m),至第17年又下降至0.4 m。深山含笑树高连年生长量在第3～6年均超过1 m,且第3年达到最大值(1.47 m),第7年又下降至0.67 m,随后有所回升但总体呈现下降的趋势,第17年时仅0.2 m。乐东拟单性木兰树高连年生长量变化幅度较大,第2～3年呈下降趋势,第4年小幅上升后于第5年快速升高至峰值(1.65 m),而后降至0.40 m,第8年回升至0.9 m后再次波动下降,至第17年时树高连年生长量仅0.3 m。乳源木莲树高连年生长量17 a间呈现无规律的小范围波动,且波动区间未超过0.7 m;第7年时连年生长量最大(0.65 m),第17年时最小,仅0.17 m。

2.3 4种木兰科树种单株材积生长过程比较

2.3.1 总生长量 4种木兰科树种单株材积总生长量均随着林龄的增长而递增(图3A),且生长前期增长缓慢,后期增长迅速。第1～13年,深山含笑单株材积总生长量大于其他树种,但第14年时被乐东拟单性木兰超越;第17年时,4种树种单株材积总生长量大小依次为：乐东拟单性木兰(0.096 m3)>深山含笑(0.091 m3)>黄山木兰(0.064 m3)>乳源木莲(0.023 m3)。

A.总生长量;B.平均生长量C.连年生长量。图3 4种木兰科树种单株材积生长过程比较Figure 3 Comparison on individual volume growth of 4 Magnoliaceae plants

2.3.2 平均生长量 由图3B可见,4种木兰科树种单株材积平均生长量随林龄的增长而增加。第1～13年,深山含笑平均生长量明显大于其他树种,但在第14年后被乐东拟单性木兰反超。乐东拟单性木兰和黄山木兰前6 a单株材积平均生长量差异较小,而后随林龄的增长差异逐渐加大。乳源木莲单株材积平均生长量则远低于其他树种,第17年时仅0.001 m3。第17年时,4种树种单株材积平均生长量表现为：乐东拟单性木兰>深山含笑>黄山木兰>乳源木莲。

2.3.3 连年生长量 由图3C可见,4种树种单株材积连年生长量均随林龄的增长呈波动上升趋势。其中,乳源木莲连年生长量明显低于其他3种树种,至第17年时仅0.003 m3。深山含笑和乐东拟单性木兰单株材积连年生长量在生长过程中出现3次交集,最后一次交集出现在第12年,为0.008 m3;之后乐东拟单性木兰及深山含笑总体呈上升趋势,但乐东拟单性木兰连年生长量高于深山含笑。黄山木兰后期单株材积连年生长量持续上升,但均低于乐东拟单性木兰和深山含笑,第14年时连年生长量达0.007 m3。4种树种第17年时单株材积连年生长量大小依次为：乐东拟单性木兰(0.011 m3)>深山含笑(0.010 m3)>黄山木兰(0.007 m3)>乳源木莲(0.003 m3)。

2.4 4种木兰科树种连年生长量与气象因子相关性

从表2可知,乐东拟单性木兰、黄山木兰、乳源木莲及深山含笑胸径、树高连年生长量与年均气温、年相对湿度呈负相关,与年日照时数呈正相关。其中,乐东拟单性木兰胸径连年生长量与年日照时数呈显著正相关,与年相对湿度呈显著负相关;黄山木兰胸径连年生长量与年均气温呈极显著负相关;黄山木兰、乳源木莲树高连年生长量与年均气温呈极显著负相关,深山含笑树高连年生长量与年均气温呈显著负相关。4种树种单株材积连年生长量与年均气温、年降水量及年相对湿度呈正相关,且与年均气温相关性极显著。

表2 4种木兰科树种连年生长量与主要气象因子间的相关性1)

3 讨论与小结

阔叶树种是森林生态系统的重要组成部分,也是国家宝贵的自然资源,具有极高的生态价值和经济价值[20]。福建省为南、中亚热带季风气候,土壤肥沃、气候温和、雨量充沛,是多数阔叶树种的适生区。近年来,杉木(Cunninghamialanceolata)纯林连栽导致地力下降以及马尾松松材线虫危害日益严重。为改善林分结构、提高林分多样性,福建省林业局陆续公布了70种珍贵栽培树种参考名录,包括香樟(Cinnamomumcamphora)、楠木(Phoebezhennan)、乳源木莲、深山含笑、乐东拟单性木兰等[21]。当前,阔叶树栽培主要以采伐迹地造林以及林下套种为主,种植面积日益扩大[5]。

阔叶树生长快慢是自身遗传基因与立地环境的综合体现,不仅与遗传背景有关,还与其自身生物学特性及生态学特性相关[22]。本研究表明,随着林分生长,乐东拟单性木兰、黄山木兰、乳源木莲及深山含笑4种木兰科树种林分平均胸径、树高及单株材积均呈增长的趋势,但不同树种的速生期不一致。乐东拟单性木兰、黄山木兰、深山含笑和乳源木莲胸径平均生长量分别在第10、第7、第9和第12年时达到最大值;乐东拟单性木兰、深山含笑胸径连年生长量在第5年时达到最大值,黄山木兰及乳源木莲分别在第3和第6年时达到最大值。乐东拟单性木兰、深山含笑、黄山木兰树高平均生长量分别在第5、第6及第7年时达最大值;深山含笑、乐东拟单性木兰及乳源木莲树高连年生长量分别在第3、第5及第7年时达最大值。深山含笑、乐东拟单性木兰、乳源木莲的胸径、树高及单株材积连年生长量变化规律分别与张都海等[23]、林佳明[24]、詹步清[25]的研究结果相似。木兰科4种树种生长表现存在差异可能与树种的生物学特性、生态学特性、立地及气候影响密切相关。

气象因子也是影响林木生长及生理特征的主要因素之一,主要包括温度、水分、光照及空气等。张轩文等[26]研究表明,落叶松树轮截面积指数与 3 月平均气温,樟子松树轮截面积指数与前一年 12 月至当年 4 月平均气温均呈显著负相关。付玉嫔等[27]研究表明,思茅松产脂量与月平均最低温呈显著正相关,与平均气温日较差、日照时间呈显著负相关。本研究表明,乐东拟单性木兰、黄山木兰、乳源木莲及深山含笑胸径、树高连年生长量与年均气温、年相对湿度呈负相关,与年日照时数呈正相关;单株材积连年生长量与年均气温、年降水量、年相对湿度呈正相关。因此,在木兰科树种经营过程中,需采取抚育措施增强林分的通风,以降低林分环境的相对湿度,从而促进林分的正常生长。

综上所述,参试的4种木兰科树种生长差异较小,但乐东拟单性木兰、深山含笑生长速度较快,可在闽北地区推广种植。本研究仅探讨了闽北地区17年生4种木兰科树种的前期生长过程,有关试验林后期生长表现有待于进一步跟踪调查。