间伐强度对杉木中龄林生长和结构的影响

郑鸣鸣， 任正标， 王友良， 宋重升， 林开敏， 陈志云

(1.福建农林大学林学院，福建福州350002；2.国家林草局杉木工程技术研究中心，福建福州350002；3.顺昌埔上国有林场，福建顺昌353205)

杉木[Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.]为我国特有的南方重要速生用材树种，生长快、产量高、材质好、用途广、经济效益高，在南方各省(区)广为种植[1]。经过多年的杉木栽培技术体系研究，其经营水平有了明显提高，并取得了重要成果[2-4]，但在杉木人工林长期经营过程中，由于过度追求速生丰产以及培育目标不明确，造成材种供给结构严重失衡，中、小径材多，而大径材少，直接影响了杉木林的经营效益和木材的有效供给。特别是随着人们生活水平的提高，对杉木木材的需求发生了极大的变化，木材需求正朝着多样化、高值化、高端化方向发展，对大径材的需求量越来越大[5]，而木材市场中大径材较为短缺，并且这种状况有越来越严重的趋势。因此，大力发展杉木大径材定向培育已成为杉木人工林发展的一个重要趋势。

抚育间伐作为人工林培育中一个重要经营措施，是人工林密度控制技术的一个重要组成部分，一直受到较多学者的高度关注和研究[6-10]。现有研究结果表明，间伐对杉木生长特性的影响是多方面的，主要表现在胸径、树高、冠幅、枝下高、高径比、断面积、单株材积、蓄积量以及出材量等方面[11-15]，不同的间伐强度对人工林生长也有不同的影响[16-17]，但是这些研究大多是基于在传统杉木人工林培育中，由于一味追求速生丰产，抚育间伐普遍存在间伐强度偏小，保留密度较大的现象，而对于较高的立地条件和低保留密度的杉木大径材定向培育背景下，间伐对杉木人工林的生长和结构的影响还相对较为薄弱。有鉴于此，在杉木大径材培育目标下，以12年生杉木中龄林为研究对象，不同间伐强度对杉木人工林的生长和结构的影响进行研究，希望为杉木大径材的定向高效培育提供一定的科学理论依据和实践指导

1 试验地概况

样地位于福建省邵武市洪墩林业采育场(117°22′～117°31′E， 27°18′～27°24′N)， 属福建北部武夷山脉山区，中亚热带季风，年平均气温18.0℃，年平均降水量1 700 mm。土壤偏红壤(主要发育在花岗岩、斑岩母质和砂岩上)。试验地平均海拔550 m左右，平均坡度25°，土层较厚且腐殖质含量较高，适合杉木生长。杉木林下植被包含钩藤[Uncariarhynchophylla(Miq.)Miq.ex Havil.]、苦竹[Pleioblastusamarus(Keng)Keng f.]、大果粗叶榕[FicushirtaVahl var.roxburghii(Miq.)King]、芒萁[Dicranopterisdichotoma(Thunb.)Berhn.]、狗脊蕨[Woodwardiajaponica(L.F.)Sm.]和毛蕨[Cyclosorusinterruptus(Willd.)H.Ito]。

2 研究方法

2.1 试验设计

在12年生杉木人工林中进行试验，设3种间伐强度处理，分别是弱度间伐(CK)、中度间伐和强度间伐，每个处理设置3个重复，进行无序排列。研究目标是培育杉木大径材，所以9块样地均设在立地条件较好(地位指数均为18 cm)的林地，均位于下坡位，立地条件基本一致，试验地均为面积400 m2标准样地，样地间留有明显间隔。间伐前后杉木人工林林分基本概况见表1。

表1 间伐前后杉木林林分基本概况Table 1 Chinese fir stand characteristics before and after thinning

2.2 调查方法

间伐前，对各标准地内林木进行编号以及每木调查(树高、胸径以及东西南北的冠幅)，树高采用测高测距仪测量，东西、南北冠幅通过人工拉皮尺量取；先确定好被伐木再进行间伐作业。间伐后3 a(即现实林分年龄为15年生)，对样地内编号林木进行复查。

2.3 数据处理

2.3.1 单株材积计算 林分蓄积量为所有杉木单株材积累加而得，并转化为每公顷蓄积量[18]。

式中:Vi为第i株杉木材积(m3)；Di为第i株杉木胸径(cm)；Hi为第i株杉木树高(m)。

2.3.2 直径偏度、峰度和变动系数计算 偏度(skewness，SK)、峰度(kurtosis，K)和变动系数(coefficient of variation，CV)是描述数据分布形态的统计量[19]。

式中:n为样地林木株数；xi为第i株林木的胸径(cm)；x-为林分算术平均胸径(cm)；S为胸径标准差。

2.3.3 不同材种出材量计算 依据林木材种，按其直径大小的区分标准，各径级林木材种株数比例如表2所示，分别计算各径阶立木出材量，并按材种进行归并[20]。

表2 各径级林木材种株数比例Table 2 Proportion of tree species in different diameter classes %

杉木规格材原条用材出材计算

式中:D为径阶平均胸径(cm)；H为径阶平均树高(m)。

运用SPSS22.0进行单因素方差分析(one-way，ANOVA)和多重比较(Duncan)分析，用Excel 2007软件作图，数据形式为平均值±标准差。

3 结果与分析

3.1 间伐强度对林分平均胸径和平均树高的影响

从表3可以得出，间伐后，中度和强度间伐林分的平均胸径显著高于弱度间伐，且平均胸径随着间伐强度增大而增大；间伐后3 a，平均胸径表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐，随间伐强度的增大而增大；平均胸径3 a增长量也表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐，随间伐强度的增大而增大；而平均胸径3 a增长率则表现为强度间伐＞弱度间伐＞中度间伐。强度间伐后3 a的平均胸径及3 a增长量显著高于中度和弱度间伐(P＜0.05)。说明间伐能够提高林分平均胸径，对胸径生长量有显著影响，而且强度间伐影响最为显著。

间伐后3 a，林分的平均树高表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐，平均树高随间伐强度的增大而增大；平均树高3 a增长量和增长率均表现出强度间伐＞弱度间伐＞中度间伐，不同间伐强度处理间均无显著差异。说明间伐强度对树高生长无显著影响，平均树高生长受间伐强度影响较小。

表3 不同间伐强度的平均胸径和平均树高Table 3 Mean DBH and mean tree height of different thinning intensity

3.2 间伐强度对平均单株材积和蓄积量的影响

从表4可以得出，间伐后3 a，林分的平均单株材积表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐，且强度和中度间伐分别是弱度间伐的1.78和1.35倍；平均单株材积3 a增长量随间伐强度的增大而增大；平均单株材积3 a增长率为强度间伐＞弱度间伐＞中度间伐。强度间伐的平均单株材积3 a增长量分别与中度、弱度间伐的存在显著差异(P＜0.05)；中度间伐的平均单株材积3 a增长率分别与强度、弱度间伐的存在显著差异(P＜0.05)。说明间伐的强度越大，平均单株材积增长也就越明显，间伐强度对其影响显著。

间伐后3 a，林分的蓄积量和3 a增长量随间伐强度的增大而减小，但3 a增长率随着间伐强度增大而增大；强度间伐的蓄积量及3 a增长量分别与中度、弱度间伐的都存在显著差异(P＜0.05)，而不同间伐强度处理间的3 a增长率并未达到显著差异(P＞0.05)。说明间伐对蓄积量有显著影响。由于单位面积蓄积量是由林分保留密度和单株材积两个因素制约，而这两个因素又存在一定对立关系。间伐能提高单株材积生长量，但林分保留密度却随间伐强度的加大而减少，间伐强度适宜时，单位面积蓄积量增加明显，而一旦间伐强度过大，单株材积的增长量不能完全补偿株数减少所带来的材积损失，从而使单位面积蓄积量可能下降，所以，间伐后3 a，随着间伐强度增大，林分蓄积量反而减小。3种间伐强度蓄积量的3 a增长量几乎相同，但随着间伐强度增大，蓄积量的3 a增长率逐渐增大，表明强度间伐对保留木的生长促进效果更加明显。

表4 不同间伐强度的平均单株材积和蓄积量Table 4 Average volume and volume per plant of different thinning intensity

注:同列数据后不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)。Note:different lowercase letters in the same column represent significant difference(P＜0.05).

3.3 间伐强度对胸径径阶结构的影响

从图1(a)可以看出，间伐前，弱度间伐的林分胸径径阶主要集中在12～16 cm，16 cm及以下径阶的株数占81.98%；中度间伐的主要集中在12～16 cm径阶，16 cm及以下径阶的株数占72.78%；强度间伐的主要集中在12～16 cm径阶，16 cm及以下径阶的株数占82.76%。从图1(b)可以看出，间伐后，弱度间伐由于间伐强度较小，胸径径阶主要集中在14～16 cm，16 cm及以下径阶的株数占80.47%；中度间伐占比较大的是14～16 cm径阶，16 cm及以下径阶的株数占61.81%，相比间伐前下降了10.97%；强度间伐主要集中在14～16 cm径阶，16 cm及以下径阶的株数占63.10%，相比间伐前下降了19.66%。从图1(c)可以看出，间伐后3 a，弱度间伐的胸径径阶主要集中在16～18 cm，16 cm及以上径阶的株数占62.87%，18 cm及以上径阶的株数占42.32%，24 cm及以上径阶的株数占1.52%；中度间伐的集中在16～18 cm径阶，18 cm及以上径阶的株数占62.22%，24 cm及以上径阶的株数占11.44%；强度间伐的集中在16～18 cm径阶，18 cm及以上径阶的株数占74.52%，24 cm及以上径阶的株数占20.94%。

林分胸径分布是评价林分结构的重要指标。传统杉木中龄林多为高度郁闭林分，通过合理的间伐，林分非生长性增长和间伐造成的生长效应均有利于林分平均胸径的提高，进而对林分结构的影响也就越明显。从图1(c)可以看出，间伐后3 a，随着间伐强度的增大，径阶分布逐渐向右偏移，即大径级林木占总株数百分比呈现增加的趋势，而小径级则呈现有所降低的趋势，而且这种趋势随着间伐强度增大而增大。说明通过间伐可以促进林木个体的生长，改善林分径阶结构，而且强度间伐的效果更为显著。

图1 不同间伐强度的胸径径阶分布Figure 1 DBH diameter distribution of different thinning intensity

从图2(a)可以得出，3种间伐强度处理的林分直径偏度总体均呈上升趋势。间伐前，强度和中度间伐偏度大于0，说明此时林分中小径阶株数较多，直径偏向小径阶；弱度间伐的小于0，说明此时林分中较大径阶株数较多，直径偏向较大径阶。间伐后，强度和中度间伐偏度大于0，弱度间伐的小于0，偏度较间伐前都有增大，且增加量随着间伐强度增大而增大，说明间伐能够对林分直径分布产生显著影响。间伐后3 a，强度和中度间伐偏度大于0，弱度间伐的小于0；弱度间伐始终为负值，表明直径分布始终右偏，但其趋势是向0靠近，随着时间发展直径分布近似正态分布，直径分布也变得更加均匀；强度和中度间伐偏度始终为正值，随着时间发展增长速度减缓，有下降趋势。说明间伐强度小时，林分发育会趋于正态分布，而当间伐强度较大时，短期内由于平均直径较大，林分内的大多直径会小于平均值，这种趋势随着时间变化会逐渐减小。

从图2(b)可以得出，弱度和强度间伐林分直径峰度都呈上升趋势，中度间伐呈现上升后减小趋势。间伐前，弱度和强度间伐峰度小于0，中度间伐的大于0。间伐后至间伐后3 a，中度和强度间伐峰度大于0，而弱度间伐的仍然小于0；弱度间伐的峰度始终为负值；中度间伐的峰度始终为正值，变化趋势为先上升后下降，杉木整体生长发育水平比较一致；强度间伐，间伐前峰度为负值，间伐后变为正值，随着时间变化，峰度明显增大。说明间伐能够改善林分直径结构，弱间伐强度下林分直径分布更加向正态分布靠近，较高的间伐强度能够使得直径分布较为集中，缩小直径分布离散程度。

从图2(c)可以得出，3种间伐强度处理林分直径变动系数随着时间变化都呈先减小后增加的趋势。间伐前，3种间伐强度处理的变动系数都较大，表明间伐前林分整体直径大小差异明显；间伐后，3种间伐强度处理的变动系数较间伐前都有减小，但强度和中度间伐变化更显著；间伐后3 a，3种间伐强度处理的变动系数较间伐后都有增加。从变动系数的变化来看，强度和中度间伐变化较为明显，弱度间伐变化较小，变化趋势随间伐强度增大而增大。这说明间伐能够提升林分的整体直径水平，使得林分直径标准差变大，导致直径变动系数值出现了缓慢增大趋势，而且较大间伐强度造成的影响更为显著。

3.4 间伐强度对材种结构变化的影响

图2 不同间伐强度的偏度、峰度、变动系数Figure 2 Skewness， kurtosis， and coefficient of variation of different thinning intensity

从表5可知，间伐前，林分均以小径材占多，大径材较少，经方差分析，不同间伐强度处理的出材量和出材率无显著差异。间伐后，弱度间伐由于间伐强度较小，小径材出材量较间伐前减少了0.850 9 m3·hm-2，中径材和大径材出材量几乎不变；中度和强度间伐，小径材出材量分别较间伐前减小了33.693 2和58.946 0 m3·hm-2，中径材出材量分别减小了3.420 2和3.627 2 m3·hm-2，大径材出材量不变；间伐后，3个间伐强度处理的小径材出材量间都存在显著差异(P＜0.05)，而中径材和大径材无显著差异。间伐后3 a，小径材和中径材的出材量均表现为弱度间伐＞中度间伐＞强度间伐；弱度、中度和强度间伐的中大径材(中径材+大径材)的出材量分别为120.528 8、143.555 4和139.669 4 m3·hm-2，表现为中度间伐＞强度间伐＞弱度间伐；大径材的出材量和3 a增长量都表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐，强度间伐的大径材出材量显著高于中度和弱度间伐(P＜0.05)，分别是中度和弱度间伐的1.43和20.05倍。间伐后3 a，不同间伐强度的小径材出材量和出材率及大径材出材量和出材率都存在显著差异(P＜0.05)；弱度间伐的小径材出材率和出材量显著高于中度和强度间伐，而中度和强度间伐的大径材出材率和出材量也显著高于弱度间伐。说明强度间伐更有利于大径材的生长，通过间伐能提高林分大径级林木比例，使林分胸径分布偏向中、大径级木，促进大径材出材量和出材率的增加。

表5 不同间伐强度的材种结构Table 5 Species structure of different thinning intensity

4 讨论与结论

间伐作为人工林经营的一种重要措施，在人工林经营中被广泛应用。研究结果表明，间伐强度能够对样地内林木胸径生长产生明显的影响，与龙忠于等[21]及龚固堂等[22]的研究结果一致。在间伐后3 a，增大间伐强度，胸径增长量也基本增加，强度间伐对胸径影响更为显著，说明对于较为郁闭的中龄林，进行间伐能够有效改善林木营养空间，促进树冠生长，更有利于胸径生长量的提高。间伐强度对树高生长没有显著的影响，与汪丽等[23]的研究结果较为一致，但与刁娇娇等[24]的研究结果不同，相聪伟等[25]的研究结果表明，杉木生长受立地条件影响较大，而本研究目标是为了培育大径材，所以样地立地指数较高，可能是造成间伐强度对树高影响不显著的主要因素。间伐后3 a，增大间伐强度，平均单株材积增长量增大，而林分蓄积量则减小，即过大的间伐强度反而会降低林分蓄积量；不同间伐强度下平均单株材积和蓄积量增长量基本上均达到显著差异，而且较高强度间伐的效果更为显著，与张骏等[26]的研究结果一致，而郭光智等[27]的研究还表明，立地指数越高的林分，其总蓄积在中幼龄时期的增长速率越大，说明在大径材培育时，还应该选择地位指数较高的林地。

间伐能够对林分胸径结构产生明显的影响。间伐后3 a，增大间伐强度，径阶分布逐渐向右偏移，即大径级林木占总株数百分率呈现有所增加的趋势，24 cm及以上径阶株数百分比表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐。从林分直径偏度、峰度和变动系数的变化可以看出，低间伐强度下林分直径分布更加向正态分布靠近，较高的间伐强度能够使得直径分布较为集中，缩小直径分布分布离散程度。间伐后3 a，小径材和中径材出材量均随间伐强度增大而减小，中大径材(中径材+大径材)表现为中度间伐＞强度间伐＞弱度间伐，大径材产量表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐，与杨桂娟等[28]得出的结论较为一致，强度间伐的大径材出材率是中度间伐的1.73倍，是弱度间伐的的25.45倍，中径材和大径材出材率都表现为强度间伐＞中度间伐＞弱度间伐，大径材的出材率和出材量都随间伐强度增加而增加，说明强度间伐更有利于大径材的生长，通过间伐能促进林木个体的生长，提高林分大径级林木比例，改善林分材种结构，使林分胸径分布偏向中、大径级木，与范辉华等[29]研究结果较为一致。相聪伟[25]等的研究还表明，初植密度不同的样地，初植密度越大，小径材出材率越高，大径材出材率越低，也从侧面说明较大强度间伐更有利于大径材出材量和出材率的增加，因此，要培育大径材应该进行较大强度的间伐措施。