美国东南部5年生桉树能源林生长规律及耐寒性分析

余爱华，Tom Gallagher

(1．南京林业大学土木工程学院，南京210037;2．奥本大学林业与野生动植物科学学院，美国阿拉巴马州36830)

生物量是食物能量的主要来源，包括植物生物量(或植物)和动物生物量［1］。生物质能源是人类使用的第一种能源(除了食物)。许多树种可以作为生物质能源如松树、白杨、枫树等其他树种。桉树具有巨大生物能源潜能［2］。桉树人工林同时作为原木纸浆、木片和燃料的来源也具有很大优势和潜力［3］，在美国南部许多林产品公司都已建立了大量的桉树人工林［4］。

桉树以其生长快、成本相对较低和高产量等特点作为探索桉树生物质能源潜能的主要动因［5］。正是因为桉树有这些特点，在美国南方一些地方桉树林已成为理想的生物质能源林［2］。桉树是重要的经济树种，但在适应恶劣的气候条件上具有一定的局限性，本沁桉(Eucalyptus benthamii)和邓恩桉(Eucalyptus dunnii)在这方面具有一定的优势，能适应气候的变化和具有较好的木材产量和质量，使其作为良好的生物质能源林成为可能［6］。最近的研究结果表明，边沁桉能够适应美国南方的气候并成为理想的生物质能源人工林［7］。

本沁桉属于双蒴盖亚属，Maidenaria组，树高可达35～40 m，直径可达1．5m［8］。树皮光滑呈白色，剥 裂 后 呈 丝 状［9］。Dougherty and Wright(2012)预计到2022年美国每年桉树的需求量能达到2 000×104t，本沁桉的生长迅速的能力使之成为理想的树种。

每个树种在其形成和发展的过程中都会经历不同的生长阶段，每个阶段都有其自身的特点。所以为了更好的经营和管理人工林，必须了解和掌握树种的生物特性和生态习性［10］。然而，在美国，对本沁桉的生长规律如不同密度及其适应环境的潜能等研究还很少见。本研究试验地设在美国阿拉巴马州，沙龙迪克林业中心(位于Andalusia和Brewton城市之间)，研究了五年生本沁桉在不同密度生长规律、存活率以及温度与本沁桉生长之间的关系。

1 材料与方法

1．1 试验概况

试验地位于阿拉巴马州沙龙迪克林业中心(SDFC)(位于Andalusia和Brewton城市之间)(31°18'N 86°29'W)。SDFC占地2 145 hm2，是一种多功能的“工作林”。高海滨丘陵地形，平均海拔高度89．9 m。当地土壤类型为粘壤土。气候为潮湿的亚热带气候，夏天潮湿炎热，冬天温和凉爽。

全年平均温度为18．3℃。最热月份是7份，平均气温为26．8℃;最冷的月份是1月，平均气温8．9℃。史上最高气温记录是在6月，最高温为40．6℃;史上最低气温记录是在1月，最低温为-17．8℃。年降雨1 508．8 mm;全年降雨量最大的是3月份，为162．6 mm，最小是10月份，降雨量为71．1 mm;全年平均降雨天数为101 d，降雨天数最多的是7月，平均为7 d，最少的为10月份，平均为5 d［11］。(以上气象数据来源于阿拉巴拉马，安大路西亚地区气象报告)

1．2 取样及调查方法

本沁桉于2009年3月31日种植，种子由Arborgen公司提供。样地掺入草甘膦进行预处理，在种植后的第一年夏天施了二次草甘膦除草。

种植了两种密度的本沁桉(起始密度分别为1 650棵/hm2和1 237棵/hm2)，每种密度的样地面积约 0．25 hm2。每块样地种植 7行，行间距3．66 m，株间距分别为1．8 m和2．4 m。第1行邻近大田，第7行邻近火炬松(Pinus taeda)人工林。

每年进行每木检测，用卷尺量胸径(DBH)(因为刚种植时树苗比较小，前两次量的是地径)、用三角测高仪测树高(测量时间分别为2010年4月2日，2011年1月7日，2011年12月4日，2013年2月25日和2014年2月3日)。第五次测量为最后一次测量，因为2014年早期的一次霜冻致所有的桉树冻死。

1．3 分析方法

木材材积是衡量树木生长的一个重要指标，作为商业用材林，桉树的生长材积是衡量管理的一个重要方面［12］。桉树的材积计算公式如下［13］:

V桉树个体材积=0．000 4 D2H。

V桉树材积=V单株桉树材积材积× P林分密度。

式中:V为材积材积，m3;D为胸径，cm;H为树高，m;P为林分密度，棵/hm2。

测量数据输入Excel 2010，对主要的生长参数(Ht和DBH)进行单因素方差分析(p＜0．05)，对有显著差异的参数，用最小显著性差异的方法(LSD)进行多重比较。采用SPSS统计对数据进行统计。

2 结果分析

2．1 密度、年龄对树高、胸径及存活率的影响

经过5 a的生长，两种密度下的胸径、树高、存活率及其他特征都具有明显的区别(具体见表1)。

5 a生密度为1 237棵/hm2的桉树人工林的平均胸径和树高(分别为13．46 cm 和16．28 m)高于密度1 650棵/hm2(11．18 cm和15．03 m)的。但从第一、二年的生长情况来看，两种密度下的胸径和树高都相差不大，随着年龄的增加，差距明显增大。对5 a生本沁桉两种密度下的胸径和树高进行单因素方差分析，分析表明，密度对胸径及树高的生长的影响达到显著水平。同时，对不同年龄，不同密度下胸径和树高进行双因素方差分析，然后进行两两比较，结果表明:年龄和密度对树高和胸径的影响达到极显著水平，二者的交互作用亦如此。

一般认为，密度为1 237棵/hm2的人工林材积应该高于密度为1 650棵/hm2，但实际表明，其结果恰恰相反，密度为1 650棵/hm2、1 237棵/hm2的材积分别为 111．45 m3和 101．15 m3。

两种密度的年平均存活率也具有差异性，在第一、二年两种密度的存活率相差较小，随着年龄的增加，差距显著。第1年本沁桉密度为1 650棵/hm2和1 237棵/hm2的存活率分别为 86．4%和87．1%，小密度本沁桉人工林的存活率大于较大密度人工林;第 5年的存活率分别为 80．7%和69．3%。大密度的本沁桉人工林存活率高于较小密度的人工林。总体上来说，密度为1 650棵/hm2的本沁桉人工林具有较高的存活率(见表1)。这是没有任何人为干扰的实际存活率，主要受树木本身抑制作用的影响。

2．2 不同行(生长环境)对本沁桉生长因素的影响

研究结果同时也显示，不同行间也存在差异性，尤其表现在第1行和第7行的胸径和树高(表2)。5年生本沁桉人工林第1行的平均胸径和树高分别为14．99 cm和15．27 m，高于第7行的平均胸径6．98 cm和树高10．96 m。第1行的存活率为82%，高于第7行的67．3%。密度为1 650棵/hm2、1 237棵/hm25年生本沁桉人工林为第1行的平均胸径和树高分别为 12．45 cm、17．53 m和13．17 m，17．37 m，都高于第7行的平均胸径和树高 (分 别 为 6．35cm、7．62cm 和 10．82m、11．09 m)。这其中的原因可能是第1行桉树临近大田，日照时间长，而第7行临近火炬松人工林，肥力和阳光都受到火炬松人工林的影响。

密度为1 237棵/hm2的第1行和第7行的胸径和树高存在着显著差异(见表2)。

2．3 本沁桉人工林年变化分析

第1年和第2年的地径平均增长2．54 cm和2．95 cm，第一年最大增长 6．1 cm，最小增长0．3 cm第二年最大的增长10．2 cm，最小增长 -0．12 cm。因为第1、2年量的是地径，从第3年开始量的是胸径，所以第2年和第3年无从比较。第3～4、4～5年胸径平均增长为 7．11 cm和3．53 cm。胸径平均年增长最大的是第3～4年，年增长7．11 cm。同时，本沁桉人工林树高的年增长也具差异性。第1年和第2年的树高平均增长1．55 m 和 2．03 m，第 3～4、4～5年平均增长7．63 m和3．24 m。树高平均年增长最大的也是第3～4年，年增长为7．63 m。分析结果表明，胸径和树高的年变化存在显著差异(见表3)。

2．4 温度对生长参数的影响

Dougherty和Wright(2010)的研究表明，本沁桉具有足够的耐寒性，在美国南部能作为较理想的生物质能源林［2］。本研究结果显示本沁桉能够耐受2011年-7．4℃的低温，但是2014年连续两天-11．3℃的低温把所有的本沁桉都冻死了。对本沁桉的生长参数与温度的相关性进行分析，结果显示:本沁桉的生长与年平均温度无显著相关性(表4)，本沁桉的生长受温度的影响不大，但受最低温的限制，本沁桉能忍受的最低温度在-7．4℃，低于-7．4℃的任何温度都有可能冻死它。

表1 不同年龄和密度下本沁桉的生长参数Tab．1 Growth parameters of E．benthamii in different ages and densities

表2 不同行、年龄和密度下本沁桉的生长参数(第1、2年量的是地径)Tab．2 Growth parameters of E．benthamii in different rows，ages and densities(diameter measured at the base of tree at first two years)

表3 本沁桉胸径和树高年变化分析Tab．3 Yearly change of DBH and height

表4 生长参数与温度的关系Tab．4 Relationship of growth parameters and temperature

3 讨论

桉树具有速生、丰产、用途广泛等性质［14］且本沁桉是一个典型，胸径平均每年增长2．54 cm，树高平均每年生长3 m，但也具有个体差异性。五年生本沁桉的最大和最小直径分别为27．9 cm和1．27 cm，最高树高和最低树高分别为22．86 m和2．44 m。同时也说明，种源选择及为减少个体差异而进行人工林的抚育管理的重要性。本沁桉的胸径和树高的年生长具有显著差异性，也与陈建忠研究的邓恩桉的生长规律是相一致的［15］。

本沁桉在我国的引种始于1988年，由王豁然先生从澳大利亚引进，在云南昆明和楚雄种植。在云南楚雄的引种试验表明了本沁桉的速生性，约1．5 a 生时平均树高2．68 m［16］。与本研究结果相似(1 a生本沁桉的平均树高为1．55 m，2 a生平均树高为5．46 m)。研究中3 a生本沁桉的平均胸径和树高分别为7．11 cm和7．56 m，略低于湖南永州试点2．8 a生时平均胸径和树高分别为9．1 cm和7．9 m［17］。

本沁桉的生长因素(树高和直径)受密度的影响很大，不同密度本沁桉材积也显示出差异性。低密度的(1 237棵/hm2)人工林比高密度(1 650棵/hm2)

的人工林具有较高的每株材积，却具有较低的每公顷材积。这也表明，如果本沁桉是作为生物质能源林，较高的密度是比较合适的。如果是为了满足纸浆市场的需求，较低密度的本沁桉人工林则较为合适。典型的桉树能源林，收获周期为7 a，密度为900～1 500棵/hm2。两种不同密度的本沁桉的胸径和树高生长存在显著差异。李志辉等的研究表明:造林密度能显著影响桉树人工林生物量，单株生物量随密度的增大而明显减小［19］。韩斐扬等研究的1年生、2年生巨细桉(E．grandis×E．tereticomis)的胸径及胸径增长量随林分密度的增加而减小。其中，以密度为1 250棵/hm2的最大;不同造林密度间的1年生、2年生桉树的胸径、树高及其增长量差异极显著［20］。

不同密度的本沁桉存活率也存在差异性，在第1、2年，两种密度的存活率相差不大，密度为1 237棵/hm2和1 650棵/hm22 a生本沁桉的存活率分别为81．6%和82．7%，与韩斐扬等2 a生巨细桉的存活率具有极大的相似性(密度为1 250棵/hm2和 1 667棵/hm2的存活率分别为 81．67%、83．33%。)。但随着年龄的加大，差距也增大，5年生本沁桉密度为1 237棵/hm2、1 650棵/hm2的存活率分别为69．3%和80．7%。研究中的存活率是不受任何人为干扰的，一般来说，人为活动如施肥、除草及间苗等都会对人工林的存活率产生影响。

本沁桉人工林树木的生长主要受3个因素影响:基因型，养护管理和所处的环境因素［21］。本研究表明即使是一个树种和同样的管理方式，树木的生长变化受环境的影响很大。例如，第1行和第7行桉树的生长呈现显著性的差异，第1行的生长状况明显好于第7行。并且第7行的存活率也低于其他行，特别是第1行。这其中的主要原因可能是第7行邻近火炬松人工林，而第1行靠近开放的大田。同时也表明充足的阳光将促进本沁桉的生长。

低温冻害是限制桉树生长的重要因素，也是引种成败的关键。一般在出现-3℃以下的最低气温时即会造成不同程度的冻害［22］。林方良等调查发现，桉树抗寒性以幼龄期最差，随着林龄的增加桉树木质化程度加大，抗冻害能力随之增强［23］。一些试验结果表明本沁桉具有足够的耐寒性，我们通过每天监测林地的温度状况，证实了其确实具有这个潜能。本沁桉(2 a生)能忍受2011年的-7．4℃的低温，但不能耐受2014年(5 a生)的连续两晚的-11．3°C的低温。本沁桉人工林的存活率和生长状况跟年平均气温关系不太，但受低温的限制。黄进等通过2个月的试验发现，桉树幼树在较长时间的-1～-4℃低温气象状况下，亮果桉和邓恩桉表现出较强的耐寒风和低温伤害能力;赤桉、巨尾桉、细叶桉和细叶桉的幼树受到寒风和低温的伤害，树梢、幼嫩枝叶和部分成熟叶等出现枯死［24］。本研究中的本沁桉由于受到极低温的限制，在第5年时被全部冻死。但随后的一年中在根部萌发出很多新苗，也表现出本沁桉较强的萌芽能力。

本研究对本沁桉人工林除了两次化学除草以外，没有对本沁桉加入任何的人为干扰。本沁桉的生长同时也受气候，土壤的物理和化学特性以及施肥方式等因素的影响，这也是我们今后本沁桉研究工作的重点。

4 结论

一些桉树树种具有速生、树杆笔直等优良品质，本文研究的本沁桉也显示出这个特性，其直径和树高平均年生长2．54 cm和3m;幼年期的本沁桉个体生长具有显著的差异性，一些生长参数如胸径和树高的年生长也显现明显的差异性;密度对本沁桉的胸径和树高具有较大的影响，不同密度下本沁桉的胸径和树高生长具有显著差异性，材积也是如此。不同的生态环境影响着本沁桉的生长，第1行和第7行本沁桉的生长状况就是一个很好的例证。

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