闽楠-杉木人工混交林混交比对闽楠生长形质和空间利用能力的影响1)

周新华 孙韵 王丽云 沈丽丽 易宜萍 阳武 厉月桥

(中国林业科学研究院亚热带林业实验中心,江西 分宜,336600) (江西省分宜县林业局) (中国林业科学研究院亚热带林业实验中心)

闽楠(Phoebebournei)为樟科(Lauraceae)楠属(Phoebe)常绿大乔木,我国南方各省份均有分布,属国家二级重点保护树种[1-4]。随着社会经济的发展,人们对木材的需求也从一般用材转变为珍贵用材。在满足人们用材需求方面,由于闽楠适生区广、生长速度快、木材纹理美观等特点,在满足人们木材消费升级中发挥重大作用。闽楠天然林分长期遭受人为掠夺式破坏导致濒危状态,仅靠野生自然闽楠木材资源将无法满足用材需求,甚至影响到我国的木材战略储备安全。因此,通过营建珍贵树种人工林,提升珍贵用材的储备能力成为当前亟需解决的问题。

营造闽楠混交林具有充分利用生态结构空间及生态环境的营养,改善立地环境,提升林木数量和质量水平,有效防护地表结构,提高自然灾害的抵御能力和降低林木火险等优点[5],从而受到人们越来越多的关注,尤其是近年来探索林木混交对于提升森林生产力和林木质量的作用成为热点。混交方式是混交林营建的基础,也是提升混交林分生产力的关键[6]。目前,对闽楠人工混交林的研究,主要集中在天然混交林下的生物多样性、凋落物分解和土壤特性等。王奕茹等[7]对闽楠混交林的生物多样性进行研究,发现混交林闽楠比例为46.5%～50.6%时,林下植被物种多样性达到最大值;李慧等[8]在氮添加对杉木-闽楠混交林凋落叶基质质量的影响研究中,发现氮添加增加了杉木和闽楠凋落叶中木质素的含量,抑制了凋落物分解;孙冬婧等[9]在近自然化改造对杉木人工林物种多样性的影响的研究,认为混交能够促进林分生长,能够提升林内物种多样性。为了解以闽楠为经营培育对象的人工混交林中,闽楠的生长、形质特性和空间竞争能力,本研究以6年生闽楠-杉木人工混交林为研究对象,探究闽楠在混交林内其生长形质和空间利用能力的比例效应,为闽楠人工混交林营建提供理论依据和技术支撑。

1 试验区概况

试验区位于江西省新余市分宜县中国林业科学研究院亚热带林业实验中心上村实验林场,该地属于亚热带季风性气候,四季分明,温暖湿润,光热充足,年平均气温在17.2 ℃,1月和7月平均气温分别为5.5 ℃和28.8 ℃,年降水量为1 643.6 mm,年蒸发量为1 503 mm,降水集中在4—9月,年日照总时长1 535.3 h,全年无霜期270 d。试验地土壤主要为花岗岩发育而成的酸性黄红壤,立地类型属Ⅱ类,土壤厚度80 cm,海拔为350 m。

试验林于2017年10月经过清理采伐迹地、炼山整地和打穴,于2018年3月上旬进行试验造林,试验共设置3个混交比例(闽楠与杉木比例分别为1∶1、2∶1和3∶1)以及闽楠纯林处理。试验按随机区组设计,每个处理重复3次,共计12个小区,每个小区面积2 666.68 m2以上。3个混交比例处理分别按照1行闽楠1行杉木、2行闽楠1行杉木、3行闽楠1行杉木在各小区内排列栽植。闽楠采用本地优树种子培育的2年生容器实生苗造林,杉木采用亚林中心2.5代种子园中培育的1年生容器实生苗造林,造林株行距为3.0 m×1.5 m。造林后连续3 a进行抚育,第2年5—6月进行锄抚,9—10月进行刀抚;第2和第3年的5—6月、8—9月各进行1次刀抚。试验林的保存率均在85%以上。

2 研究方法

2.1 数据调查

2023年11月底,在3种不同混交比例闽楠-杉木混交林以及闽楠纯林(CK)小区的中间位置,分别设置20 m×30 m的样地,调查每个样地内胸径大于1 cm的所有林木的生长情况(见表1)。采用胸径尺测量胸径,精确到0.1 cm;采用超声波测高仪测量树高,精确到0.1 m;采用不锈钢卷尺测量枝下高、东西与南北冠幅,精确到0.1 m。

表1 不同混交比例闽楠-杉木混交林分生长情况

2.2 评价指标的计算

根据研究设置平均冠幅、冠高、树冠圆满度、材积、尖削度、胸高形数、枝下高比例、树冠体积、树冠表面积和生长空间指数等评价指标,各指标的计算公式如下[10-17]。

平均冠幅:CD=(CD,ew+CD,sn)÷2。式中,CD表示平均冠幅,CD,ew表示树木东西冠幅,CD,sn表示树木南北冠幅。

冠高:CL=H-HB。式中,CL表示树冠高度,H表示树高,HB表示树干底部到第一个活枝的高度。

树冠圆满度:CFR=CD÷CL。式中:CFR表示树冠圆满度;CD表示树木平均冠幅,CL表示树冠高度。

杉木单株材积:VC=0.000 070 609 4D1.801 671H0.997 998。式中,VC表示杉木单株材积,D表示杉木的胸径;H表示杉木的树高。

闽楠单株材积:VP=0.000 052 76D1.882 161H1.009 317。式中,VP表示闽楠单株材积,D表示闽楠的胸径,H表示闽楠的树高。

尖削度=地径÷树高。

胸高形数:f1.3=V÷(g1.3×H)。式中,V表示单株材积;g1.3表示胸高断面积,H为表示树高,f1.3表示胸高形数。

枝下高比例=枝下高÷树高。

树冠体积:CV=(π×CD,ew×CD,sn×CL)÷12。式中,CV表示树冠体积,CD,ew表示树木东西冠幅,CD,sn表示树木南北冠幅,CL表示树冠高度。

生长空间指数:GS1=CV÷D。式中,GS1代表生长空间指数,CV代表树冠体积,D代表闽楠的胸径。

2.3 闽楠生长形质及空间利用能力综合评价

主成分分析法的主要作用是降维,适用于多个性状的综合评价[18-20]。在闽楠生长形质及空间利用综合评价中,选择具有显著混交比例效应的闽楠生长形质和空间利用能力系列性状,运用主成分分析方法进行降维,然后根据主成分的方差总贡献率,构建出闽楠生长形质及空间利用能力的评价指标体系,并建立主成分得分值评价数学模型,计算综合得分。综合得分越高,则代表该混交比例处理对闽楠生长和空间利用能力越有利。

2.4 数据处理

采用Excel2016软件进行数据处理,SPSS18.0软件进行方差分析和主成分分析。

3 结果与分析

3.1 混交比例对闽楠生长和干形形质的影响

由表2可知,混交比例对闽楠-杉木人工混交林中闽楠的胸径、树高和单株材积等生长性状的影响显著,闽楠的胸径、树高、单株材积均呈现随着混交比例的增加而先升后降的趋势。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠胸径比闽楠纯林(Ⅰ)的胸径分别增长了20.77%、21.44%、10.38%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠树高比闽楠纯林(Ⅰ)的树高分别增长了19.38%、31.78%、11.11%;与闽楠纯林相比,1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠单株材积比闽楠纯林(Ⅰ)的单株材积分别增长了55.88%、79.41%、35.29%。

表2 不同闽楠-杉木混交比例下闽楠生长形质性状

混交比例对闽楠-杉木人工混交林中闽楠的尖削度、枝下高、枝下高比例和胸高形数等干形形质性状的影响显著,闽楠的尖削度、胸高形数随着混交比例的增加而呈现整体下降的趋势,而枝下高、枝下高比例呈现整体上升的趋势。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠尖削度比闽楠纯林(Ⅰ)的尖削度分别降低了8.59%、24.43%、9.82%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠胸高形数比闽楠纯林(Ⅰ)的胸高形数分别降低了7.39%、7.20%、5.30%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠枝下高比闽楠纯林(Ⅰ)的枝下高分别增加了28.00%、48.00%、10.00%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠枝下高比例比闽楠纯林(Ⅰ)的枝下高比例分别增加了13.95%、30.23%、6.98%。

3.2 混交比例对闽楠空间利用能力的影响

由表3可知,与闽楠纯林相比,除树冠圆满度外,闽楠-杉木人工混交林中闽楠的空间利用能力指标均随着闽楠混交占比的升高呈现先升后降的趋势。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠平均冠幅比闽楠纯林(Ⅰ)平均冠幅分别增长为6.49%、10.27%、6.49%,其中,2楠1杉(Ⅲ)混交处理的平均冠幅增长最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠冠高比闽楠纯林(Ⅰ)的冠高分别增长18.10%、27.89%、11.28%,其中2楠1杉(Ⅲ)混交处理的冠高增长最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠树冠体积比闽楠纯林(Ⅰ)的树冠体积分别增长45.36%、86.09%、73.84%,其中2楠1杉(Ⅲ)混交处理的树冠体积增长最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠树冠表面积比闽楠纯林(Ⅰ)的树冠表面积分别增长27.56%、44.39%、29.23%,其中2楠1杉(Ⅲ)混交处理的树冠表面积增长最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠生长空间指数比闽楠纯林(Ⅰ)的生长空间指数分别增长13.24%、36.76%、32.35%,其中其中2楠1杉(Ⅲ)混交处理的生长空间指数增长最快。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交处理的闽楠树冠圆满度比闽楠纯林(Ⅰ)的树冠圆满度分别降低了9.09%、9.09%、3.64%。

表3 不同闽楠-杉木混交比例下闽楠空间利用能力性状指标变化

综合分析发现,2楠1杉(Ⅲ)混交处理中,闽楠的平均冠幅、冠高、树冠体积、树冠表面积和生长空间指数等空间利用能力性状指标在所有处理中表现最优,说明2楠1杉(Ⅲ)混交的闽楠在后期生长过程中潜力最大。

3.3 不同混交比例的闽楠生长形质及空间利用能力的综合评价

本研究发现,混交比例对闽楠-杉木人工混交林中闽楠生长形质与空间利用能力指标的影响差异显著性不同,为客观评价混交比例效应,选取胸径(X1)、树高(X2)、单株材积(X3)、尖削度(X4)、第一枝下高(X5)、胸高形数(X6)、冠高(X7)、树冠圆满度(X8)、树冠体积(X9)、树冠表面积(X10)、生长空间指数(X11)、平均冠幅(X12)等12个生长形质和空间利用能力性状指标进行主成分分析。为消除量纲对分析结果的影响,在开展主成分分析前对各指标进行标准化处理,并进行KMO和巴特利球形度检验,KMO检验数值为0.689,显著度在0.01水平上显著,说明生长形质指标和空间利用能力各指标间的关联度高,能够开展主成分分析。

由表4可以看出,第一个主成分的方差特征值为8.072,贡献率为67.263%;第二个主成分的方差特征值为2.882,贡献率为24.014%;第三个主成分的方差特征值为0.581,贡献率为4.841%;第四个主成分的方差特征值为0.408,贡献率为3.403%。前4个主成分的累积贡献率高达99.521%,说明这4个主成分可代表12个生长形质和空间利用能力性状指标。因此,提取这4个主成分,分别为F1、F2、F3、F4。各主成分的表达式为:

表4 主成分提取结果

F1=0.898X1+0.693X2+0.899X3-0.203X4+0.258X5-0.766X6+0.648X7+0.318X8+0.980X9+0.967X10+0.985X11+0.971X12;

F2=-0.039X1-0.663X2-0.267X3+0.965X4+0.259X5+0.003X6-0.707X7+0.900X8-0.071X9-0.200X10-0.095X11+0.096X12;

F3=0.148X1+0.057X2+0.156X3+0.076X4+0.928X5-0.189X6-0.101X7+0.278X8+0.161X9+0.110X10+0.134X11+0.204X12;

F4=0.384X1+0.255X2+0.300X3+0.136X4+0.075X5-0.613X6+0.242X7-0.071X8+0.054X9+0.112X10+0.005X11+0.039X12。

式中:X1为胸径;X2为树高;X3为单株材积;X4为尖削度;X5为第一枝下高;X6为胸高形数;X7为冠高;X8为树冠圆满度;X9为树冠体积;X10为树冠表面积;X11为生长空间指数;X12为平均冠幅。

由表5可知,第一个主成分的胸径(X1)、单株材积(X3)、树冠体积(X9)、树冠表面积(X10)、生长空间指数(X11)、平均冠幅(X12)的特征向量值较高;第二个主成分的树高(X2)、尖削度(X4)、冠高(X7)、树冠圆满度(X8)的特征向量值较高;第三个主成分第一枝下高(X5)的特征向量值较高;第四个主成分胸高形数(X6)的特征向量值较高。

表5 主成分特征值与载荷结果

由表6可知,混交比例对闽楠-杉木人工混交林中闽楠的生长形质和空间利用能力影响较大,适当的混交比例能够大幅提升闽楠的空间利用能力和生长形质。各处理的综合得分由高到低的排序为2楠1杉处理(2.282)、1楠1杉处理(1.479)、3楠1杉处理(0.973)、闽楠纯林处理(-1.365)。混交处理的闽楠生长形质和空间利用能力均优于闽楠纯林,其中,3种混交处理的综合得分均大于0,闽楠纯林处理的综合得分小于0,说明混交处理有利于提升闽楠生长形质和空间利用能力。

表6 综合得分及排名

4 结论与讨论

闽楠是珍贵阔叶树种,在我国木材储备战略中具有重要地位,在南方结合特有用材树种杉木营建混交林已成为保障木材战略安全的主要方式[21-23],混交能够增加林木单株蓄积量、林分蓄积量、生物量,提升林分的生产力[24-26]。混交比例显著影响闽楠-杉木人工混交林中闽楠的生长表现,与以往对于山杜英(Elaeocarpussylvestris)[27]、深山含笑(Micheliamaudiae)[28]、木荷(Schimasuperba)[29]等树种的研究结论相一致。本研究中,闽楠-杉木人工混交林与闽楠纯林相比,胸径、树高、单株材积、枝下高、枝下高比例均呈现随闽楠混交比例的增加而先升后降的变化,这与闽楠在幼龄期间的光营养需求生物学特性有关[30-31],随着闽楠混交占比的逐渐增加,闽楠种内之间发生的竞争也逐渐加强,林分内的光照和生长空间进一步发生变化,单株闽楠生长所需的光营养被进一步压缩,造成闽楠生长所需的光照不足,导致闽楠的胸径、树高、单株材积、枝下高和枝下高比例增长缓慢。但与闽楠纯林相比,闽楠混交处理的尖削度均要优于闽楠纯林处理。

本研究中,闽楠-杉木混交中的闽楠平均冠幅、冠高、树冠体积、树冠表面积、生长空间指数均显著高于闽楠纯林,其中2楠1杉(Ⅲ)处理中的闽楠平均冠幅、冠高、树冠体积、树冠表面积、生长空间指数均要大于1楠1杉(Ⅱ)、3楠1杉(Ⅳ)处理中的闽楠,由于2楠1杉(Ⅲ)处理中的闽楠种内竞争力要强于1楠1杉(Ⅱ)、3楠1杉(Ⅳ)处理中的闽楠,从而促进了闽楠的树冠发育,提升了闽楠的空间利用能力。混交处理中闽楠的树冠圆满度均要显著小于闽楠纯林处理,原因是在闽楠-杉木人工混交林中,幼龄阶段杉木的生长速度要快于闽楠的生长速度,而混交处理中的闽楠为了获取生长所需的光营养,采取树冠狭长化策略,从而有利于在和杉木的空间竞争中获取更多的光照,也是闽楠为适应生境自我调整和改变的性状表现。

闽楠-杉木人工混交林林分内的生长环境发生一定变化,导致混交处理中闽楠的生长发育性状、干形形质性状、空间利用能力发生改变。本研究各处理中,闽楠的生长形质指标、空间利用能力性状综合得分由高到低的排序依次为2楠1杉(Ⅲ)处理、1楠1杉(Ⅱ)处理、3楠1杉(Ⅳ)处理、闽楠纯林处理,说明通过营建闽楠-杉木人工混交林能够改善闽楠的生长形质,并提升其空间利用能力。

综上所述,本研究以江西省新余市分宜县6年生闽楠纯林以及不同混交比例的闽楠-杉木人工混交林为研究对象,调查分析闽楠生长、干形形质和空间利用能力等系列性状的混交比例效应,发现闽楠-杉木不同混交比例和闽楠纯林处理相比,闽楠-杉木混交可有效提升闽楠的生长发育和竞争能力,且提升的幅度与混交比例不同而异;2楠1杉(Ⅲ)混交处理是改善闽楠生长形质、提升空间利用能力的最佳混交比例,胸径、树高、单株材积、尖削度、枝下高、枝下高比例、平均冠幅、冠高、树冠体积、树冠表面积、生长空间指数、综合得分均在所有处理中表现最佳。因此,建议南方各省采用2楠1杉(Ⅲ)模式营造混交林。