不同造林密度欧美107杨用材林最佳采伐期的研究

刘春鹏 ，刘泽勇 ，李向军 ，刘四围 ，支恩波 ，李新利

（1.河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061；2.河北省林木良种工程技术研究中心，河北石家庄 050061；3.文安县林业局，河北 文安 065800）

杨属Populus植物一直以来都是世界中纬度平原地区栽培面积最大的速生用材树种之一[1-2]，也是我国平原地区最主要的用材林造林树种，是我国木材加工业最主要的原材料[3-5]。因此，有关杨树方面的研究一直是国内外广大林业工作者关注的热点[6-10]。然而，纵观我国的杨树生产，普遍存在着经营效益偏低的现实问题。造成这一现实问题的主要原因，就是林农在从事杨树经营生产过程中仅凭主观经验盲目地进行生产，缺乏行之有效的高效栽培技术指导。尤其是近年来，由于木材价格的低廉，导致林农在经营管理上更加随意，进而致使杨树生产种植密度千差万别、管理水平粗放低下、采伐时间随意混乱，这些都大大限制了我国杨树产业的发展。

在杨树人工林的生产经营过程中，林分密度是制约整个林分生长发育过程的关键因素，是使得林分获得最高生产量的有力保障[3]。而采伐时间是衡量经营水平高低和经济效益增减的关键问题，过早或者过晚采伐都会造成不必要的经济损失[11]。目前，对林木最佳采伐时间的研究不少，马永春等[12]及代顺民等[13]通过树干解析，建立生长模型的方法，分别对马尾松和桤木的最佳采伐年龄进行了研究，黄庆丰等[14]及秦光华等[15]以同样的方法，探讨了杨树的最佳采伐时间，但在其研究过程中均忽略了林分密度对采伐期的影响，仅有李保华等[16]通过长期实际测量法，针对3个不同的林分密度，对泗阳地区南方型杨树适宜采伐期进行了深入的研究。戴丽莉等[6]指出，“轮伐周期与密度密切相关，不能单独考虑”。因此，探讨杨树人工林的最佳采伐期，必须结合其造林密度。在实际生产中，采伐期的确定一般重点考虑林木的数量成熟、工艺成熟和经济成熟，数量成熟为林木或林分的材积生长量达到最大时的状态；工艺成熟为林木或者林分的目的材种平均生长量达到最大的状态；经济成熟为林木或林分生长达到经济收入最高时的状态[11,15-16]。

本研究以华北平原主要的杨树品种欧美107杨Populus×euramericana人工林为研究对象，以培育中小径材为目标，针对不同的林分密度，在对其现有生长情况分析的基础上，从林木的数量成熟、工艺成熟和经济成熟三个方面入手，对林木单株材积连年生长量和年均生长量以及林分的经济效益进行了统计分析，探讨了不同密度林分最佳的采伐时间，以期为河北省平原地区杨树经营生产提供技术支持。

1 研究地概况

试验地位于河北省廊坊市文安县（116°12′～116°45′E， 38°43′～ 39°03′N）小扣皂村（116°30′E，38°55′N），该地区属于河流堆积地貌，处于华北平原相对低下部位，属亚湿润大陆性季风气候。年均气温为12.4 ℃。其中，7月份最热，平均气温为26.7 ℃；1月份最冷，平均-4.3 ℃。年均降水量为556.3 mm，主要集中在夏季，其夏季平均降水量为409.6 mm，占全年总量的70%以上。日照年均2 765.3 h，季风气候明显，冬季多偏北风，夏季多偏南风，年均风速为2.5 m·s-1。无霜期184 d，土壤为潮土，质地为轻壤土。

2 试验设计与方法

2.1 试验设计与调查

于2009年春季进行不同密度的欧美107杨造林试验，设置7个不同造林密度（分别为:4 m×6 m、4 m×5 m、3 m×5 m、3 m×4 m、3 m×3 m、2 m×3 m、2 m×2 m），设置0.1 hm2为一小区，3次重复。所有处理处于同一块试验地中，而且每小区均按照完全随机试验设计进行配置，因此，各小区间立地条件基本一致。选择胸径、树高相差不大（苗木规格为胸径:2.3±0.3 cm；树高:3.4±0.4 m）的苗木严格按照试验设计进行造林，并于造林后每年年底进行连续8年（2009—2016年）的每木检尺，调查其胸径、树高等指标。其中，胸径采用胸径尺测量，树高采用DQW-2 型望远测树仪进行测量。

2.2 数据处理

汇总调查所取得的胸径、树高数据，计算单株材积、单位面积蓄积以及经济效益各指标。其中单株材积按照刘胜芳等[17]编制的欧美107杨立木材积表进行计算，计算公式为V单=0.000 036D1.65127H1.28216，其中D为胸径，H为树高；单位面积蓄积依据V蓄积=V单×N计算，其中N为单位面积株数。

经济效益分析:对各密度林分每一年的经济效益进行分析，计算其每一年的净收益以及平均收益等指标。其中，由于不同胸径的林木其出材率不同[15-17]，当地根据林木的胸径范围制定了收购价格（如表1），其中胸径小于8 cm林木小径材的要求[18-19]（小头去皮直径≥6 cm，长度≥2 m），只能作为“大柴”出售，但其价格很低（0.4元·kg-1），且需要大量人工，其所得净收益极低，因此可忽略不计。投资成本如下:苗木及种植费（6元·株-1）、肥料及施肥用工（1.6元·株-1a-1）、浇水费（1 350元·hm-2a-1）、除草费用为450元·hm-2a-1（只是前3 a需要除草，3 a后林分郁闭，无需除草）、除虫费用225元·hm-2a-1。

表1 木材价格表(元)Table 1 The list of timber price (yuan)

对所取得的数据进行方差分析，并采用LSD法对其进行多重比较。

3 结果与分析

3.1 不同密度林分的生长现状

将2016年12月测得的胸径、树高，以及由二者计算所得的单株材积和单位面积蓄积进行统计分析，作图1A-D。如图1所示，各密度林分胸径、树高、单株材积间差异均极显著，均表现出随着林分密度的增大而减小规律，其中株距×行距为4 m×6 m和4 m×5 m的林分胸径、树高和单株材积均最大，分别为22.0±0.6 cm，16.4±0.3 m， 0.21±0.1 m3和 21.6±0.5 cm，16.1±0.3 m，0.20±0.1 m3。而各密度林分单位面积蓄积间差异虽然显著，但并没有表现出明显的规律，其中株距×行距为2 m×3 m、3 m×3 m和3 m×4 m的林分最大，其最大值分别 为 116.08±10.41 m3·hm-2，113.84±4.46 m3·hm-2和 107.36±6.00 m3·hm-2。

图1 不同密度林分的胸径、树高、单株材积和单位面积蓄积Fig.1 The DHB, stand height, individual volume and stock volume per unit area with different densities

3.2 不同密度林分单株材积的连年生长量和年均生长量

林木材积的连年生长量和年均生长量分别是考量林木数量和工艺成熟的重要指标[10-11,16]。对于每一个密度林分，单位面积株数是固定不变的，其单株材积生长量的变化就能够反应出整个林分蓄积生长量的变化。因此，本研究对林木单株材积的连年生长量和年均生长量进行了分析。如图2A所示，各密度林分单株材积连年生长量基本表现出先升高后降低的趋势（其中造林后第5年有所下降，主要是由于除虫不及时遭受虫害造成的），造林后3～6 a达到生长速生期，造林后第7年开始明显下降。对于4 m×6 m、4 m×5 m、3 m×5 m和3 m×4 m林分造林后第4年达到生长最大值，而3 m×3 m、2 m×3 m和2 m×2 m林分造林后第3年达到生长最大值。就林木年均生长量而言（如图2B），各密度林分均表现出先升高后降低的趋势。其中，4 m×6 m、4 m×5 m、3 m×4 m和2 m×3 m林分造林后第6年达到最大值，3 m×5 m林分造林后第5年达到最大值，3 m× 3 m和2 m×2 m林分造林后第4年达到最大值。综上所述，各密度数量成熟龄和工艺成熟龄如表2。

图2 不同密度林分单株材积的连年生长量和年均生长量Fig. 2 The annual volume growth and mean volume growth with different densities

表2 不同密度林分数量成熟龄和工艺成熟龄Table 2 The age of quantitative mature and technicalmature with different densities

3.3 不同初植密度林分经济效益分析

对各密度林分造林后8 a的总经济效益及每年年均净收益进行统计分析，如表3和4。表3是依据2016年12月所取得的数据，对各密度林分造林后8 a总毛收益和总净收益进行的统计分析。如表3所示，各密度林分总毛收益以及总净收益均存在极显著性差异（F＞F(7,13)(α=0.01)，P＜0.01）。经过数据统计，林分净收益大小顺序为:4 m×5 m ＞ 4 m×6 m ＞ 3 m×5 m＞3 m×4 m＞ 3 m×3 m＞2 m×3 m＞2 m×2 m。其中，初植密度为4 m×5 m的林分净收益最大，为71 480±6 036元·hm-2；而2 m×2 m林分最小，为负盈利。就各密度林分年均净收益而言（如表4），各密度林分均表现出随着时间的推移，年均净收益先升高后降低的趋势。除2 m×2 m密度林分外，各密度林分年均净收益出现在造林后6～7 a，其中年均净收益最大值出现在4 m×5 m密度林分造林后的第7年，为9 505±990元·hm-2a-1。而2 m×2 m密度林分年均净收益一直为负数，说明2 m×2 m密度林分一直亏损，在实际生产中应予以摒除。通过对各密度林分年均净收益的分析，得出各密度林分经济成熟龄，如表5。

表3 不同初植密度林分的经济效益Table 3 The economic benefit with different densities元·hm-2

4 讨 论

林分胸径、树高和单株材积与林分密度密切相关[1,3,18]。本研究显示，造林后8 a林分胸径、树高、单株材积均与林分密度成负相关，这与田新辉等[3]及黄绢等[10]的研究结果一致。他们认为，林分胸径和树高主要受其生长的空间影响，而其生长的空间直接由林分密度决定的。林分密度越大，平均到每株的空间就小，其生长所需光照、水分、养分等资源就少，加之通风透光性大大降低，进而导致其胸径和树高生长缓慢。而单株材积又与林分胸径和树高正相关[5]，因此三者均表现出随着林分密度的增大而减小的趋势。而李孝良等[1]对树高的研究结果稍有不同，认为树高生长随着造林密度的增大而增大。这与本研究前期对树高的分析结果相似（参阅刘春鹏等[19]），笔者认为，在造林后短时间内，在密度大的林分中，林木由于受到空间限制，其横向生长（胸径生长）首先受到抑制，在林木自身生长需求的驱使下，其垂直生长（树高生长）得到促进，这就出现了密度越大树越高的现象。随着时间的推移，由于林木胸径生长与树高生长存在一定的平衡关系，树高生长受到自身狭小胸径的限制，最终导致密度越大、树越矮小。

表4 不同初植密度造林后各年份年均净收益Table 4 The mean net benefit with different densities 元·hm-2a-1

表5 不同密度林分经济成熟龄Table 5 The age of economic mature with different densities

全林分林木材积的总和称作蓄积量[4]，单位面积蓄积则取决于单株材积和单位面积株数的乘积，林分密度越大，单位面积株数就越多，但其单株材积就越小，二者乘积或大或小，因此没有明显规律，这与田新辉等[3]研究结果一致。林分的经济效益取决于木材价格、单位面积蓄积和投资成本，而这三者均与林分密度有关。林分密度过大，林木胸径就小，其价格就低，而且投资成本又大[7]，然而其单位面积蓄积未必就大，因此，其经济效益与林分密度不存在明显的相关关系。

确定合理的采伐年龄是杨树工业用材林定向培育的一项重要内容[15,20]。最佳采伐期的确定主要考虑林木的数量成熟、工艺成熟和经济成熟。其中数量成熟主要依据林木的连年生长量，而连年生长量是受林分密度影响的[11]，一般来说，林分密度越大，单株林木生长所需营养空间越小，其连年生长量达到最大值的时间越早，随之进入衰落的时间也就越早。工艺成熟是建立在数量成熟基础上的，依据林木平均生长量，追求循环生产模式下最大的木材产出量，其一般出现于数量成熟后1～3 a。杨树作为我国主要的用材树种，其经营生产是以获得木材为目的的，而木材最终要转化成经济效益，因此，林分的经济成熟是确定最佳采伐期最为重要的因素。经济成熟是指林木或林分生长达到经济收入最高时的状态，其与木材价格和投资成本密切相关，木材价格和投资成本的改变有可能造成其经济成熟的变化，因此，确定林分最佳采伐期应以工艺成熟为基础，重点考虑经济成熟，适当兼顾数量成熟[11,15-16]。

然而，最佳采伐期主要依据林木的生长情况确定，而林木的生长情况是受林木立地条件、林分密度以及经营管理水平等因素影响的[1-2,5,15]。而本研究仅对不同林分密度下的最佳采伐期进行了研究，对于不同立地条件和经营管理水平下的林分最佳采伐期并没有进行探讨。因此，这将是进一步的研究方向。另外，本研究试验地属于华北平原，立地条件较好，且经营管理水平较高，因此，所得结论适用于华北平原具有相似立地条件，且正常管理的林分，对于盐碱、沙荒等立地条件较差，或者管理水平低下的林分不适用。

5 结 论

通过以上分析，本研究得到以下结论:

（1）造林后8 a，各密度林分胸径、树高、单株材积随着林分密度的增大而减小，而单位面积蓄积没有表现出明显的规律。其中，以4 m×6 m林分的胸径、树高和单株材积最大，其最大值分别为22.0±0.6 cm、16.4±0.3 m和0.21±0.1 m3；2 m×3 m林分的单位面积蓄积最大，最大值为116.08±10.41 m3·hm-2。

（2）各密度林分数量成熟龄一般为3～4 a，工艺成熟龄为4～6 a，经济成熟龄为6～7 a，按照以工艺成熟为基础，重点考虑经济成熟，适当兼顾数量成熟的原则，各密度林分最佳采伐期为 6～ 7 a。

（3）就经济效益而言，造林后8 a按林分总净收益大小各密度顺序为:4 m×5 m＞4 m×6 m＞ 3 m×5 m ＞ 3 m×4 m ＞ 3 m×3 m＞2 m×3 m ＞ 2 m×2 m。其中，4 m×5 m林分净收益最大，为71 480±6 036元·hm-2；而1 m×2 m林分最小，为负盈利。另外，通过对各密度林分年均净收益分析表明，4 m×5 m造林后第7年年均净收益最大，为 9 505±990 元·hm-2a-1。

综上所述，在河北省平原地区，在进行以中小径材为培育目标的欧美107杨造林时，应采用株行距为4 m×5 m的林分密度，并于造林7年后采伐。