唐继新,麻 静,贾宏炎,曾 冀,雷渊才,蔡道雄,郝 建
(1.中国林业科学研究院热带林业实验中心,广西 凭祥 532600;2.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091)
南亚热带珍稀濒危树种格木生长规律研究
唐继新1,2,麻 静1,贾宏炎1,曾 冀1,雷渊才2,蔡道雄1,郝 建1
(1.中国林业科学研究院热带林业实验中心,广西 凭祥 532600;2.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091)
应用30年生格木人工林树干解析资料,对珍稀濒危树种格木人工林的生长规律进行研究,结果表明:(1)林分中等木胸径生长量的速生期在7~25年,连年生长量最高峰值在第15年,连年生长量与平均生长量曲线在20~26年相交;林分优势木径向生长的速生期在5~28年,连年生长量的最高峰值在第11年,平均生长量的峰值在18~19年。(2)林分中等木树高生长的速生期在第4~21年,连年生长量的最高峰值在第7年,平均生长量的峰值在第8年,平均生长量与连年生长量曲线在8~21年多次相交;林分优势木树高生长的速生期在4~20年,连年生长量的最高峰值在第4年,平均生长量的峰值在第9年,平均生长量与连年生长量在9~16年多次相交。(3)中等木与优势木的材积速生期持续时间长,生长潜力大,直至第30年时仍未达数量成熟。(4)心材形成的起始树龄和起始树干去皮直径分别为12.2年、7.73cm。(5)林分中等木胸径、树高和材积的最优拟合方程分别为Gompertz、Richards、Richards方程,其调整后的拟合优度均≥0.978 691,拟合效果显著;林分优势木胸径、树高、材积的最优拟合模型分别为Schumacher、Richards、Richards方程。(6)利用Adobe Acrobat 软件距离工具进行树干解析测定,具有测量结果精准、效率高、成本低及复测易于实现等优点,相对于传统手工测量方式是一种较好的新途径。
格木;树干解析;心材;生长规律;Adobe Acrobat 软件;测量工具
长期以来,我国珍优阔叶材基本取自天然林,长期过量的采伐天然林不仅对环境的负面影响日益突出,也使天然林存量资源严重不足[1],尤其自天然林保护工程实施后,大径级珍优阔叶材供需失衡的结构性矛盾更为凸显,消耗巨额外汇从东南亚、美国、南非等地进口原木,已成近十年大径级原木供给的主要途径。据统计,我国2010年原木进口量已达1.84亿m3(其中大径级珍贵用材0.34亿m3),原木进口已占全球原木贸易总量的1/3[2];一些国家考虑到自身的利益和国际环保组织的压力,已逐渐限制或禁止原木出口[3],我国木材安全形势日益严峻[2]。因此,要从根源上解决我国大径级原木供需失衡的结构性矛盾、缓解天然林保护的压力、增加珍优阔叶材的战略储备及提高我国的国际声誉,调整目前用材林的树种结构、加速珍优阔叶材的培育及深化珍优阔叶材的经营技术研究具有重要战略意义。格木Erythrophleum fordii Oliv.又名孤坟柴、斗登风、赤叶木,属苏木科格木属,是我国二级重点保护的珍稀濒危植物之一[4],天然分布于我国广西、广东、福建和台湾省区,及越南和老挝等地,为热带典型的珍贵阔叶用材树种,其木材具有材质细腻、防虫驻、耐腐蚀、比重高、坚硬、心边材区分明显等特点,是高档家具和木质工艺品的优质原料[5-7]。目前已有学者对其进行了种子处理、育苗、造林技术、群落学特征、濒危机制及保护对策、光合作用响应等生物学特性研究[8-9],但有关该树种胸径、树高、材积、形数的生长规律,尤其是心材的变化规律,目前尚未见报道。本文依据中国林业科学研究院热带林业实验中心(下文简称热林中心)格木试验人工林树干解析的资料,对其生长规律进行研究分析,旨在为格木大径材的培育、经营、心材的利用、以及目标树最佳培育径级的确定等提供科学的依据。
试验样地位于广西凭祥市热林中心白云实验场(22°6′35″N,106°48′01″E),属南亚热带季风气候区,干湿季明显,太阳总辐射强,全年日照时数1 218~1 620h,年均气温21.5℃,≥10℃积温7 098℃,最热月平均气温27.2℃,最冷月平均气温12.7℃,极端最低气温-0.5℃,年均降雨量1 379.4mm,年蒸发量1 370.2mm。海拔250m,属低山丘陵,坡向为西北;土壤为花岗岩发育而成的赤红壤,土层较厚,腐殖质层厚度3~5cm,(马尾松树种的)立地指数为20。调查对象为格木试验人工纯林,造林时间1982年春,造林苗木为裸根实生苗,造林密度2 500 株/hm2,第7年透光伐后保留密度1 800 株/hm2;林分分别于第11、16、21、28年历经4次强度为30%~35%的抚育间伐,现林分立木株数密度、郁闭度分别为390株/hm2和0.85;林下植被主要有格木幼树、杜茎山Maesa japonica、玉叶金花 Mussaenda pubuscens、三叉苦Evodia lepta、大青Clerodendrum cyrtophyllum、五节芒Miscanthus fl oridulus、金毛狗Cibotium barometz等。
在30年生的格木试验人工纯林(面积5.0hm2)中,按坡位、坡向等基本相近处均匀布设5个20m×20m临时标准地,对标准地乔木层进行每木检尺;由于格木为我国重点保护的珍稀濒危树种,现存资源极少,尤其是面积连片(≥1hm2)30年生之上的非幼龄人工林,国内仅存热林中心1处[6]。为保护试验林及降低采样破坏,故对格木树种的生长过程研究,未按树干解析的常规要求采伐大量解析木,而仅在样地周围按林木生长分级法划分的优势木、中等木和被压木的三个林木等级[10]中各选取2~3株标准木,以2m区分段进行树干解析;5个标准地林分平均胸径分别为23.4、23.3、22.1、21.6、21.9cm,总平均胸径为22.4cm,5个标准地林木总的径级(径阶)分布及解析木如表1所示。
对经刨光和标记南北直径线的圆盘样品,先用高清扫描仪扫描图像,然后用Adobe Acrobat 7.0 Professional软件打开扫描的图像,再用其软件菜单中的“工具(T)/图画标记(U)/线条工具(L)”标记圆盘直径线上各年龄直径对应的端点,最后用其软件菜单中的“工具(T)/测量工具(M)/距离工具(D)”进行测量。距离测量具体的过程:打开Adobe Acrobat 7.0 Professional软件“距离工具(T)”的操作界面,在“缩放率”的选项框中选择“1cm=1cm”的缩放率;勾选“测量标记”,并填写圆盘各年龄测量直径对应的“批注”信息,然后用鼠标点击圆盘各年龄直径线所需测量的直径端点,即可完成各年龄对应直径的测量,在完成各年龄对应直径的测量后,最后利用“距离工具”中的“数据导出功能”将数据导出至Excel。测量数据为圆盘东西和南北向的带皮直径(diameter outside bark,DO)、去皮直径(xylem diameter,XD)、心材直径(heartwood diameter,HD)、心材年轮数(heartwood ring number,HRN)和圆盘形成层年轮(cambial age,CA)[11];各龄阶去皮直径(或心材直径)取圆盘截面东西和南北向的均值,各龄阶总边材宽度(total sapwood width,TSW)为树干圆盘截面去皮直径与心材直径的差,各龄阶的树高基于圆盘断面高及生长到该断面高所需年龄数(即形成层年轮数)按内插法求算,各龄阶的去皮材积及心材材积以中央区分段法求算[12];林分各径级林木平均的胸径、树高和材积(或心材材积),取标准地对应径级林木的加权平均值。
表1 5块标准地内林木的径级分布及解析木情况Table 1 The total distribution of tree diameter classes and the information of analytic trees in the 5 standard plots
对林分生长因子回归拟合采用的软件为Eviews 6.0,其中心材变化规律、圆盘带皮与去皮直径的回归模拟选用一元线性回归模型,对林分中等木与优势木的胸径、树高和材积的回归拟 合 采 用 Logistic、Gompertz、Richards、Korf、Mitscheerlich、Schumacher和Weibull方 程;非线性拟合方程的评价指标为调整后的拟合优度(adjusted R2 statistic,R2a)、残差平方和(sum of squared residuals,SSR)、残差标准误差(standard error of the regression,SE)、参数估计值标准误差(Standard error of the estimate),线性拟合方程的评价指标为R2a、F统计值的显著性水平(Prob(F-statistic),Prob.)[13]。拟合回归方程公式分别如下:
方程(1)~(5)为理论方程,其中:A表示林木的生长极值参数,B表示与初始值有关的参数(或生长速率参数),C表示生长速率参数(或与同化作用幂指数相关参数),T为林龄;方程(6)~(7)为经验方程,其中:A为林木生长的上渐近值,B为随机参数,C为尺度参数,D为形状参数,T为林龄[12,14-15];方程(8)~(9)为线性方程,其a、b为随机参数。
格木林分中等木胸径、树高、材积和实验形数的生长过程,其结果如表2所示。
由表2和图1分析可知:在造林初期格木幼树的径向生长极缓慢,直至第4年其中等木(去皮的)的胸径总生长量仅有0.42cm,且前7年平均胸径小于3cm。林木个体生长的差异,在第4~5年不显著,但在第6~10年开始显现,且在第11~30年逐步增大,此结果与范少辉等人对小黑杨的研究结果[16]类似。此表明:随着林龄的增长,林木生长对空间及养分的竞争进一步增强,由占有资源的不同而导致生长的差异[16]。
由图2和表2分析可知:(1)格木林分中等木径向生长的速生期在7~25年(此阶段内其连年生长量均≥0.70cm,明显高于其它阶段连年生长量),连年生长量在第15年达最高峰值(1.22cm),并在第25年后趋于减缓(其连年生长量均≤0.69cm);连年生长量与平均生长量在20~26年间两次相交,径向平均生长量的峰值(0.76cm)在22~25年。(2)优势木径向生长的速生期在5~28年(此阶段的连年生长量均≥0.74cm),连年生长量的最高峰值在第11年(>1.60cm),连年生长量在第19年后趋缓;连年生长量与平均生长量在18~22年间两次相交,径向平均生长量的峰值在18~19年(3)优势木、中等木的径向生长均呈多峰状,二者的生长趋势基本一致,但前者平均生长量的峰值较后者早4~7年。(4)气象因子为影响优势木生长的外在关键因子,但抚育间伐的经营活动、林分生态系统的健康稳定和林地微生物的多样性等因子亦对其生长有影响。如:在优势木的速生期内,其第7、8、10、14年(即1988、1989、1991、1995年)的生长状况与对应年份的气候“异常干旱”记录吻合,但其第12、15年(即1993、1996年)的生长表现则较为复杂,难以用气象或间伐经营活动等单一因素进行解释。(5)在整个生长过程中(除部分年份),优势木的连年生长量明显高于中等木的连年生长量,二者连年生长量的最大差值(1.0cm)在第11年。
表2 格木人工林中等木生长过程Table 2 Growth process of intermediate tree of Erythrophleum fordiiOliv.plantation
图1 胸径总生长过程曲线Fig.1 Growth of DBH
图2 胸径连年生长与平均生长曲线Fig.2 Growth curve of current annual increment and mean annual increment of DBH
由图3分析可知:前7年林木个体间树高生长的差异极小,第8年后生长差异略有显现,但相对胸径生长的差异而言,树高生长的差异相对较小。
图3 树高总生长过程Fig.3 The growth process of tree height
由表2和图4综合分析可知:(1)中等木树高生长的速生期主要在4~21年(该阶段内的连年生长量均≥0.55m,显著高于其它阶段连年生长量),连年生长量的最高峰值(1.55m)在第7年,在第21年后生长趋缓(连年生长量均≤0.31m);树高平均生长量的峰值(0.85m)在12~13年。(2)优势木高生长的速生期在4~20年,连年生长量的最高峰值(>1.6m)在第4年,平均生长量的峰值在第9年。(3)前3年优势木与中等木的高生长均较缓慢(其年均生长量与连年生长量仅略高于0.4m),第3年后二者的连年生长量与平均生长量均多次相交,呈多峰状。(4)在整个生长过程中(除部分年份),优势木的连年生长量明显高于中等木的连年生长量,二者连年生长量最大的差值(>0.8m)在第4年。
图4 树高连年生长与平均生长曲线Fig.4 Growth curve of currement annual increment and mean annual increment of tree height
由图5分析可知:前10年林分平均单株材积的生长总量极小;在前8年林木个体单株材积生长无差异,而直至第9~10年其生长的差异才显现;此后随着林龄的增长林木个体材积生长的差异逐步增大,此与胸径生长的变化趋势规律类似。
图5 材积生长总过程Fig.5 The growth process of volume
由表2和图6分析可知:在前8年,林分中等木与优势木的材积生长均极缓慢,但第9年后开始快速递增;在第15~30年,中等木与优势木材积的连年生长量均高于0.01m3,且在第28年均达最高峰值;在第8年后,中等木与优势木的平均生长量一直呈平稳的增长;直至第30年,材积的生长仍未达数量未成熟,表明该树种的生长潜力大、经营周期长;第8年后,优势木的连年生长量明显高于中等木的连年生长量,二者连年生长量的最大差值在第28年。
图6 材积连年生长与平均生长曲线Fig.6 Growth curve of current annual increment and mean annual of volume
由表2分析可知:在前11年,格木中等木的实验形数随树龄的增加而降低,但在第11年后趋于稳定状态(0.31 ~0.33),中龄阶段格木的实验形数值远低于我国主要阔叶乔木树种的平均实验形数值(0.40)[12]。
表3 中等木心材沿树干高度生长过程表Table 3 The growth of heart wood of intermediate tree with tree height
图7 中等木心材直径、总边材宽度随树高的变化Fig.7 Ghanges in mean values of xylem diameter(XD),Heartwood(HD)and total sapwood width(TSW)with tree height of intermediate tree
由表4分析可知,格木带皮直径(XD)与去皮直径(DO)呈极显著的一元线性关系;在一元线性的拟合模型中,带常数项的模型模拟效果较好。
表4 树干去皮直径与带皮直径的一元线性回归模型Table 4 One liner regression models of the diameter outsidebark and the xylem diameter
由表5分析可知:(1)在对林分中等木胸径、树高和材积的众多回归拟合模型中,最优的拟合方程分别为Gompertz、Richards、Richards方程,各因子调整后的拟合优度均≥0.978691,且残差平方和与剩余标准差较小,模型的拟合效果较好,模型的参数估计值A表明:在现有的林分立地水平及经营密度下,林分中等木(去皮)胸径、树高、材积的生长极值分别为25.2cm、21.6m、0.765 95m3,在林分的后续经营中,唯有适时调整林分的立木密度,并改善林分土壤的肥力,才可获取更高的林分平均生长量。(2)对林分优势木胸径、树高、材积的最优拟合模型分别为Schumacher、Richards、Richards方程,各因子的调整后的拟合优度均≥0.970 897,参数估计值A表明:在现有立地水平下,若不改善林分土壤的状况,林分优势木(去皮)胸径、树高、材积的生长极值分别为47.5cm、23.5m、1.46 648m3。
表5 格木生长量与年龄关系的最优回归模拟模型†Table 5 Best fitting models of DBH,tree height and individual volume with age
当树木达到一定年龄或直径后,其边材就以相对稳定的速率形成心材[11]。由表6分析可知:格木树种的心材年轮数与形成层年龄、心材直径与去皮直径都呈极显著的正相关关系(P=0.000 0),心材直径与圆盘高度成极显著的负相关关系(P=0.000 0);形成层年龄能够解释92%之上的心材年轮数变化,去皮直径能解释92%以上的心材直径变化;心材形成速率达0.941 7 a-1,与以往有关研究结果相吻合(0.5~1.0 a-1)[11],心材形成的起始树龄和起始树干去皮直径分别为12.2 a、7.73cm。
表6 格木心材线性回归模型†Table 6 Liner regression models of heartwood
(1)本研究格木林分第23年的生长状况(平均的去皮胸径、树高分别为17.4cm、17.3m)与越南的同龄格木人工林(平均的胸径、树高分别为18.8cm、14.8m)[17]相比,两地格木的径向生长水平基本相同,但与格木天然林的生长相比,本研究30年生林分的生长状况(胸径值为22.5cm)与魏识广等人[18]对广东鼎湖山格木天然林40年生时的研究结果(胸径值为23cm)相近。表明适当的经营措施可较好地促进格木的生长,并缩短林木的成熟期。
(2)在全光下,以常规苗木(高度在0.3~0.5m)新造的格木纯林,其前3年的生长极缓慢,并极易受杂草和灌木的干扰,为促进格木幼树更好的生长,造林前3年的抚育除草极为重要[16],因此为使格木幼树更好的生长,并减少其抚育铲草投入的成本,对比开展常规苗木与大苗(高度在0.5~1.0m)的不同造林技术研究具有重要实践意义;此外,结合格木树种的生长特性,在其径向生长的速生期适时对林分进行抚育间伐,是保证林木快速生长所需的养分和空间关键措施。
(3)受虫害影响,格木纯林顶芽交换频繁,树干分叉现象普遍[6],这不仅干扰了林木的正常生长,亦影响了林木的干形。故今后,加强格木纯林的近自然化改造,探索格木树种与其它树种的混交栽培、目标树经营及其修枝整形的理论研究,对格木人工林的健康、稳定、可持续经营、高价值无节大径材的培育和林分立地生产力的提高,具有重要的理论和实践意义。
(4)格木林分经营周期远比速生类人工林的经营周期长,直至第30年材积生长仍远未达数量成熟。根据格木树种的生物学特性,开展其与中短轮伐期类树种(如:松、桉类树种)的混交试验,是探索格木人工林长期效益与短期效益有机结合及可持续经营的有效途径。
(5)相对解析木的传统手工测量方式,利用Adobe Acrobat 软件的测量工具,不仅可获取的信息多、精准、效率高(个人可完成测量和数据记录的所有工作)、复测易于实现,而且成本低廉。因此,利用Adobe Acrobat 软件进行解析木测定是一种较好的新途径。
(1)格木幼林郁闭前的径向生长极缓慢,郁闭后开始增速。林分中等木径向的速生期在7~25年,连年生长量的最高峰值在第15年,平均生长量的峰值在22~25年,连年生长量曲线与平均生长量曲线在20~26年间相交。林分优势木径向生长的速生期在5~28年,连年生长量的最高峰值在第11年,平均生长量的峰值在18~19年。
(2)格木中等木高生长的速生期在4~21年,连年生长量的最大峰值在第7年,平均生长量的峰值在第8年。优势木高生长的速生期在4~20年,连年生长量的最高峰值在第4年,平均生长量的峰值在第9年。
(3)格木心材形成的起始林龄和起始树干去皮直径分别为12.2 a、7.73cm,30年生格木可用的心材量较小。
(4)格木中等木胸径、树高和材积的最优拟合方程分别为Compertz、Richards、Richards方程,其调整后的拟合优度均≥0.978 691,拟合效果较好。林分优势木胸径、树高、材积的最优拟合模型分别为Schumacher、Richards、Richards方程。
(5)在格木生长的过程中(除部分年份外),优势木径向生长与树高生长的连年生长量显著高于中等木的连年生长量;直至第30年,中等木与优势木的材积生长均仍未达数量成熟。
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Study on the growth law of a rare and endangered tree species of Erythrophleum fordii in south subtropical Area of China
TANG Ji-xin1,2,MA Jing1,JIA Hong-yan1,ZENG Ji1,LEI Yuan-cai1,CAI Dao-xiong1,HAO Jian1
(1.Experimental Center of Tropical Forestry,CAF,Pingxiang 532600,Guangxi,China;2.Research Institute of Forest Resources Information Techniques,CAF,Beijing 100091,China)
Based on the material of stem analysis of standard plots of 30-year-old Erythrophleum fordii Oliv plantation,growth regularity of the plantation was studied.The results showed that(1)About the intermediate tree,the fast-growing period of annual increment of DBH was during 7th~25th year,the growth of annual increment of DBH reached the peak in the 15th year,and it has intersected with the curve of average growth several times during the 20th~26th year.To the dominant tree,the fast-growing period of annual increment of DBH was during 5th~28th year,the growth of annual increment of DBH reached the peak in the 11th year,the highest value of average growth of DBH was during the 18th~19h year.(2)To the intermediate tree,the fast growing period of annual increment of tree height was during the 4th~21th year,the average increment of tree high was in the 8th year,the annual increment of tree height reached the peak in the 7th year,then it gradually decreased,while it has intersected with the curve of average growth of tree height several times during the 8th ~21th year.In the dominant tree,the fast growing period of annual increment of tree height was during the 4th~20th year,the average increment of tree high was in the 9th year,the highest annual increment of tree height was in the 4th years,after that it gradually decreased,while it has intersected with the curve of average growth of tree height several times during the 9th~16th year.(3)Both of the intermediate tree and the dominant tree,their fast growth period of volume have been sustaining a long-term,until the 30th year,both of the growth of volume have not reached the quantitative maturity,the growth of individual volume has a great potential.(4)The heartwood initiation age and xylem diameter of the stem were respectively at 12.2 year and 7.73cm.(5)To the intermediate tree,the best equations to simulate the growth process of DBH,tree height and volume were the equations of Gompertz,Richards and Richards in respectively,each of the goodness of Adjusted R-squared was more than 0.978691,and the fi tting effects were obvious.While to the dominant tree,the best equations to were Schumacher,Richards and Richards in respectively.(6)It is a good and new way to measure analytic trees with the distance tool of Adobe Acrobat software,which has the advantages of accurate results,high ef fi ciency,lowcost and easy retest with the measurement,comparing with the traditional manual measurement method.
Erythrophleum fordii; stem analysis; heartwood; growth regularity; Adobe Acrobat software; Measuring tool
S758.5+2
A
1673-923X(2015)07-0037-08
10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.07.008
2014-10-10
国家“十二五”科技支撑专题“西南大径级珍贵树种定向培育和多目标经营技术与模式”(2012BAD22B0105)
唐继新,博士研究生
雷渊才,研究员,博士生导师;E-mail:yclei@caf.ac.cn
唐继新,贾宏炎,麻 静,等.南亚热带珍稀濒危树种格木生长规律研究[J].中南林业科技大学学报,2015,35(7):37-44.
[本文编校:吴 毅]