峦大杉与杉木人工林的生长形质、林分分化和空间利用比较1)

欧建德 吴志庄 康永武

(福建省明溪县林业局，三明，365200) (国家林业局竹子研究开发中心(浙江省竹子高效加工重点实验室)) (福建省沙县林业局)

引种用材树种获得高品质木材和提高木材产量，已成为现代林业的重要组成部分[1]。提升林木干材品质作为用材林经营培育质量的控制内容，日益受到林学专家的重视[2-8]。森林的空间结构与空间利用能力往往决定了林分结构的稳定性、森林生产力及发展潜力[9-11]。峦大杉(CunninghamiakonishiiHayata)又名香杉，原产于台湾，峦大山木材纹理直、结构细、生长迅速、树干通直圆满，是台湾地区特有的优良用材树种[12-14]。福建、浙江等地在20世纪80年代开始引种峦大杉。当前对引种峦大杉的研究主要集中在苗木、生长量、生长规律、造林密度和木材物理力学性质等方面[15-22]，有关其干材形质表现与空间利用能力方面的研究报道较少。为此，本文对福建国有来舟林业试验场31年生峦大杉试验林分进行调查分析，系统分析峦大杉的生长形质、空间利用与林分分化的表现，为提高峦大杉人工林分的培育和经营水平提供科学依据。

1 试验地概况

试验地设在福建省国有来舟林业试验场的林坑工区。试验区属中亚热带东南季风型气候，海拔110～160 m，年平均气温19.4 ℃，极端最高气温41.0 ℃，极端最低气温-6.5 ℃，无霜期290～310 d，年降水量1 800 mm，平均相对湿度80%以上。该区为丘陵山地，土壤为山地红壤，土层厚度达1.0 m，土壤肥沃。林下植被主要为亚热带常绿阔叶树种和蕨类植物，盖度80%～90%，pH值为5.5。

2 试验材料与方法

2.1 试验设计

以1988年3月营建峦大杉与杉木(Cunninghamialanceolata)试验林为研究对象，峦大杉种源来自台湾省南投，杉木种源来自福建省来舟。峦大杉人工林采用台湾引进的峦大杉种子，在来舟林业试验场培育的1年生实生苗木造林；杉木人工林采用当地杉木种子培育的1年生实生苗木造林。造林株行距为2 m×2 m，造林后，连续抚育4 a，前3 a于每年5、9月份各抚育1次，造林4 a后，在9月份全面劈草1次。试验林分别于1994年、2002年和2008年抚育间伐，前2次间伐强度均为25%，第3次间伐强度为15%。期间其他管护措施一致。2017年11月，分别在试验地的阳坡的下坡位随机布设3个面积20 m×20 m临时标准地，作为3个重复。

2.2 数据调查与指标计算

2017年11月份采用常规方法在标准地进行每木调查，分别调查树高、胸径、枝下高、东西和南北冠幅。在每块标准地分别选择5株生长正常标准木，并将标准木伐倒，分别测量树高以及距离树干基部、20、50、100、130 cm处带皮直径；另外，将伐倒木按1 m进行分段，测量相应区分段东西南北4个方向的带皮直径。

单株材积：根据鲍晓红等[23]的计算方法，峦大杉单株材积(V)=0.000 081 8D1.729 8H1.044 6；杉木单株材积(V)=0.000 058 061 860D1.955 335 1H0.894 033 04计算。式中：D为胸径，H为树高。

分级木划分标准：按照单木相对胸径(d)大小划分。Ⅰ级木，d≥1.336；Ⅱ级木，1.026≤d<1.336；Ⅲ级木，0.712≤d<1.026；Ⅳ级木，0.383≤d<0.712；V级木，d<0.383。以样地为统计单元，分别计算相对胸径各分级木比例[20,24-25]。

形质性状：枝下高比例=枝下高/树高；胸高形数f=V/(g×H)(f为胸高形数，V为材积，g为胸高断面积，H为树高)[3,8]。

树冠特征：树冠长度(CL)=树高-枝下高；冠长率=树冠长度/树高[3]；平均冠幅=(东西冠幅+南北冠幅)/2；树冠圆满度(CFR)=平均冠幅/冠长[26]。

2.3 干形曲线拟合与干形质量评价

用改进可变指数削度方程对树木干形曲线研究与干材质量评价[28-30]，改进可变指数削度方程表达式为[24]：d/D=b1Db2(1-z)b3z2+b4z+b5。式中：d为相对高度Z处的树干带皮直径；D为带皮胸径；Z为相对高度；b1、b2、b3、b4、b5为待定参数，其中，b1、b2、b3、b5>0，b4<0；随着树干的形状变化的可变化参数r，r=b3z2+b4z+b5。

树木干形指标：树木根部削度(r0.02、r0.10两个水平)和顶端削度(r0.90)，分别代表z值为0.02、0.10和0.90时的可变化参数r值；干形变化影响点(Zr=1)，r值为1时，树木的相对高度看作树干根部形状从凹曲线体向抛物线体和近圆锥体变化的临界点，Zr=1是指r=1时的Z的最小值；抛物线体、圆柱体和近圆锥体所占比例(Zr<1)，可变参数小于1时，相对高度范围是树干形状为抛物线体和圆柱体所占的范围，Zr<1是指r<1时Z值间差值；最小可变参数(rmin)可以用来比较树干形状的变化，最小可变参数所在的相对高度(Zrmin)也可以分析干形的变化[28-29]。

2.4 数据处理与作图

采用Excel2003和SPSS21.0软件对数据进行统计分析。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级木比例按x=asin(x)转化后分析差异性水平。采用t检验法进行差异性水平分析。采用SPSS21.0软件进行改进可变指数削度方程模型求解。采用Excel2003进行作图。

3 结果与分析

3.1 峦大杉与杉木生长性状

由表1可知，峦大杉与杉木人工林分的林分密度无显著差异，表明本试验地的峦大杉与杉木人工林分密度是一致的。在31年生人工林平均胸径、树高、单株材积和林分蓄积等生长性状上，峦大杉较杉木的增长幅度分别为7.09%、12.71%、33.95%、32.37%，峦大杉较杉木有着明显的胸径、树高和材积生长优势；树种间的胸径、树高、单株材积和林分蓄积的差异均达显著性水平，说明在同一立地生境和林分密度条件下，峦大杉较杉木人工林有着显著的速生丰产性能，表明在该地区引种的峦大杉表现出生长的适应性。

表1 峦大杉与杉木人工林生长形质性状

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)。

3.2 峦大杉与杉木干材品质

枝下高比例与枝下高直接关系无节良材长度比例与长短，胸高形数是重要干形指标，均是衡量干材形质重要性状指标[3,8]。

由表1可知，峦大杉枝下高虽然高于杉木约0.8 m,但树种间无显著差异；树种间的枝下高比例存在着显著性差异，表明树种间的无节良材长度比例有显著差别。峦大杉枝下高比例显著小于杉木，减少幅度为7.48%，峦大杉蓄积量超过杉木32.37%，说明峦大杉预期无节良材材积和比例均比杉木大，经济价更高值；峦大杉枝下高虽然较高，但枝下高比例反而较低，这是由于峦大杉树高生长速度快，且自然整枝能力较弱共同作用的结果。峦大杉的胸高形数显著高于杉木，表明峦大杉的干形更加饱满、整株干材质量优于杉木。

由于枝下高、枝下高比例与胸高形数不能很好且直观地反映干形空间变化，为此，分别拟合峦大杉与杉木干形曲线数学模型(见表2)，并依模型绘制树干形状(见图1)和可变参数r的变化图(见图2)，计算出相应的r0.02、r0.1、r0.9、Zrmin、rmin、Zr=1、Zr<1等干形指标值(见表3)。

表2峦大杉与杉木改进可变指数削度方程参数估计值和拟合统计量

树种b1b2b3b4b5r2残差平方和峦大杉2.115-0.1722.274-3.3241.9280.9721.761杉木2.134-0.1712.165-3.2011.9450.9593.002

表3 峦大杉与杉木人工林干形指标值

结果表2显示，两树种干形曲线模型的r2值分别为0.972、0.959，符合统计分析的要求，拟合结果良好，表明该模型适用于峦大杉与杉木的干形曲线拟合。

由图1可知，树干形状，除在树干中段部分(相对高度0.3～0.6)的树种间的干形变化基本一致外，其余部分树干形状有所差异。主要差异有：在整株相对直径变化幅度方面，峦大杉较杉木明显收窄，表明峦大杉的干形削度较小；在树干基部(相对高度0～0.3)与树干上部(相对高度0.6～1.0)两个区段间的干形削度，杉木比峦大杉有所扩大。

由图2可知，峦大杉的可变参数r曲线位于杉木曲线下方，说明峦大杉较杉木有着更优的干材品质。

由表3可知，峦大杉的根部参数值小于杉木，说明在根部干形与削度，峦大杉干形削度较小，干形优于杉木；峦大杉顶梢参数值(r0.9)为0.778，小于杉木的0.818，在顶梢部分削度与干形表现方面，峦大杉优于杉木，与树干形状差异结果一致。峦大杉的干形变化影响点(0.376)小于杉木(0.408)，说明峦大杉树干根部形状从凹面体向抛物线体转变的临界点位置较低，下调约0.032相对高度；峦大杉的Zr<1=0.624，大于杉木Zr<1=0.592，说明树干形状呈现抛物线体、圆柱体和近圆锥体范围有所增大，干形形状较优；峦大杉可变参数r的最小值(rmin=0.713)小于杉木(rmin=0.762)，说明峦大杉的干形比杉木干形更接近于圆柱体和抛物线体；峦大杉的最小可变参数所在的相对高度(Zrmin=0.731)小于杉木(Zrmin=0.739)，说明可变参数r最小值出现在树干的位置，峦大杉比杉木更低。

图1 峦大杉与杉木人工林模型拟合的树干形状

图2 峦大杉与杉木人工林可变参数(r)的变化

综合两树种间的标准木干形以及可变参数(r)，在相同立地生境与林分密度条件下，峦大杉比杉木有着较小的削度、较优的干形以及更优的干材品质，这与胸高形数指标反映的结果相一致。

3.3 峦大杉与杉木林分分化

表4显示，峦大杉与杉木人工林分的分级木类型主要有Ⅰ～Ⅳ级木，均未出现Ⅴ级木。在Ⅰ级木和Ⅳ级木比例方面，峦大杉较杉木均有所增加，分化略大，但有利于选择优良单株，但树种间的Ⅰ级木和Ⅳ级木比例差异未达到显著性水平；在Ⅱ级木和Ⅲ级木比例方面，峦大杉较杉木均有所下降，但树种间的Ⅱ级木和Ⅲ级木比例差异未达到显著性水平；从树种间的分级木类型与比例说明，31年生的峦大杉与杉木整体分级木的分化水平大致相似，林分分化程度与状态相当。

表4 峦大杉与杉木人工林各分级木的比例

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)。

3.4 峦大杉与杉木空间利用能力

树冠作为林木光合作用的主要器官，是评价树种的空间结构与空间利用能力的指标。本研究选择冠长、冠长率、冠幅、树冠表面积、树冠体积、生长空间竞争指数与生长空间指数等7个指标对树种之间空间利用能力进行比较[31-32]。

由表5可知，峦大杉的冠长、冠长率和冠幅显著高于杉木的相应性状，增幅分别为55.89%、36.26%、23.91%，表明在相同的生境与林分密度条件下，峦大杉人工林较杉木有着更长冠长、冠长率和冠幅；峦大杉的树冠表面积、树冠体积均显著大于杉木相应性状，增幅分别为84.67%、143.62%，表明峦大杉较杉木有着更大的树冠表面积和树冠体积。

表5 峦大杉与杉木人工林树冠特征的表现

注：表中数据为“平均值±标准差”，同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)。

为排除因胸径生长导致树冠体积和树冠表面积差异影响，本研究以生长空间指数与生长空间竞争指数两个性状指标，比较树种间空间利用能力。生长空间指数值越大说明树冠空间占据越大，对空间的利用率越好；生长空间竞争指数值越小，反映单位胸高断面积所需的树冠表面积越小，树冠接受光面积越小，林木生长空间越差[10]。

树种间的生长空间指数与生长空间竞争指数均存在着显著性差异，峦大杉的生长空间指数和生长空间竞争指数分别较杉木显著增大了125.49%、54.79%，表明峦大杉较杉木有着更好的空间利用能力，同时说明在后期生长阶段，峦大杉有着更好的生长潜力与可能。

在相同立地生境和林分密度条件下，峦大杉较杉木有着更加发达二维和三维立体树冠冠体、更强的空间利用与光合作用能力，这是峦大杉较杉木速生丰产的重要内因，也与峦大杉生长的表现结果相互验证。

峦大杉树冠圆满度显著小于杉木，表明峦大杉树冠形状较杉木更加狭长。究其原因，峦大杉比杉木有着更加发达的树冠冠体，个体间树冠的侧方荫蔽更加强烈有关；为适应这种严重的荫蔽条件，峦大杉采用狭长的树冠形状响应策略以获取充足的光照。

4 结论与讨论

以杉木为对照，从生长、林分分化、干材形质、干形曲线和地上空间利用方面，较系统地分析了引种的31年生峦大杉的适应性，及其干材品质、空间利用能力等。结果表明，福建省引种的峦大杉能够很好地适应当地的环境，表现出良好的速生丰产优质性能和空间利用能力，说明引种是成功的，可在同类生境地区推广造林。

31年生峦大杉试验林分的平均胸径、树高和单株材积均显著高于杉木，年平均蓄积生长量高达20.066 4 m3·hm-2，表现出强烈的生长适应性；峦大杉的无节良材长度达17.05 m，无节良材长度比例达0.767、胸高形数达0.505 0，且干形形质优于杉木；峦大杉的冠幅、冠长、冠长率、树冠体积和表面积分别为5.08 m、5.16 m、0.233、35.45 m3、46.63 m2，有着发达的树冠；31年生峦大杉的生长空间竞争指数、生长空间指数分别未0.133 m2·cm-2、1.495 m3·cm-1，具有良好的地上空间利用能力。

树种间生长结果表明，31年生峦大杉人工林分平均树高、胸径、冠幅、单株材积与林分蓄积均显著大于杉木，这与前人的结论[16-18]相验证。31年生树种间的分级木类型相同，各分级木比例无显著差异，说明树种间的林分分化状态一致；31年生峦大杉人工林分胸高形数均显著高于杉木，有着更多的无节良材产量和更优的干形品质；峦大杉的枝下高比例为0.767，显著小于杉木，这与峦大杉有着更加发达的树冠，其冠长及冠长率均较高有关；峦大杉较杉木有着更小的削度、更优的干形与干材品质。峦大杉冠幅、冠幅、冠长率、树冠体积、树冠表面积、生长空间指数与生长空间竞争指数均显著大于杉木，表明31年生峦大杉比杉木有着更充分的地上生长空间和更强的空间利用能力；峦大杉的树冠圆满度显著小于杉木，树冠形状较杉木更加狭长以适应相对荫蔽的生境。

改进可变指数削度方程很好地拟合峦大杉与杉木的干形变化，这与前人在其他树种方面的研究结论一致[28-29]。鉴于试验地的峦大杉的生长形质与空间利用能力的优良表现，且可以自然正常结实，建议开展后续的遗传改良研究。