造林密度和施肥量对黑荆人工林经营目标和经济效益的影响

黄荣林，王仁杰，刘雄盛，唐连德，蒋 琳，邓玉华，蒋 燚

（1.广西壮族自治区林业科学研究院 广西优良用材林资源培育重点实验室 国家林业和草原局中南速生材繁育重点实验室，广西南宁 530002；2.广西国有黄冕林场，广西鹿寨 545600）

造林密度是影响人工林郁闭时间、森林防护效益以及木材产量和质量的重要因素。造林密度关系到群体结构，只有合理的群体结构才能达到造林目的。掌握生长与密度的数量关系，是培育目的材种的重要条件[1]。合理施肥是定向培育短轮伐期工业用材林并提高其经济效益的重要技术措施[2]。

黑荆（Acacia mearnsii）又名澳洲金合欢、黑儿茶[3]，为含羞草科（Mimosaceae）相思树属常绿乔木[4]，原产澳大利亚的塔斯马尼亚、维多利亚、昆士兰和新南威尔士。黑荆既是著名的速生、高产和优质的鞣料树种，也是重要的经济、用材、薪柴和生态树种，被称为“林业黑色金子”[5]。其树皮单宁含量46%，纯度可达82%[3]。目前我国栲胶原料短缺，栲胶产品市场前景好，大力发展黑荆人工林，对促进我国栲胶加工业的发展具有重要意义[6]。研究发现黑荆树皮除能提取单宁外，还富含原花色素。原花色素是迄今发现的为数不多的几种能防止大脑和神经组织氧化的抗氧化剂之一，且已有研究表明黑荆原花色素粗提物对体外癌细胞有一定抑制作用[7]。

近年来，我国对黑荆的研究集中在种群特性[8]、育苗技术[9-12]、家系选优[13]、施肥效应[14]、栽培技术[15]、愈伤组织诱导、增殖及分化[16]、原花色素提取工艺的探索[17]等方面，对其造林模式及推广研究较少，针对广西气候及立地条件的黑荆人工林造林相关研究尚未见报道。本研究对不同密度和不同施肥量的组合对黑荆人工林胸径、树高、材积、单宁含量、原花色素含量及木材产量的影响进行分析，筛选出最佳经营组合，可为提高黑荆人工林的产量和经济效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在广西国有黄冕林场波寨分场瞭望台附近的4 林班1 至4 小班（109°53'E，24°45'N）；为丘陵地带，海拔250 ～350 m。该地属中亚热带气候，光照充足，夏冬干湿明显，温暖多雨，雨热同季，年均气温19.0 ℃左右，最低气温-2.8 ℃，年均降水量1 750 mm 左右，年均蒸发量1 426 mm，降水多集中在4—8月，且愈北愈丰。冬季多东北风，林木偶遭雪压。土壤类型为红壤，腐殖质层20 ～25 cm，土层厚50 ～70 cm，pH 值5.8，全氮、全磷和全钾含量分别为1.67、0.75 和22.5 g/kg。试验林为杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林采伐迹地。

1.2 试验设计

设置造林密度和施肥量两个因素。造林密度设3 个水平，分别为2 500 株/hm2（株行距2 m × 2 m）、1 667 株/hm2（株行距2 m × 3 m）和1 250 株/hm2（株行距2 m×4 m）。施肥采用复合肥，肥料配比为N∶P∶K = 14∶8∶8，由柳州鹿县化肥厂生产。每个密度下设3 种施肥量，分别为不施肥、施肥0.5 kg/株和施肥1 kg/株，共9 个处理（表1）。3 次重复，由于地形的变化，每个重复的面积不等（1～2 hm2）。

2013年6月营建不同密度试验林，2014年4月进行1次施肥。沿树冠边缘开深10～20 cm、长20～30 cm的沟进行施肥，施肥后覆土。

表1 黑荆人工林不同造林密度和施肥处理Tab.1 Treatments of different planting densities and fertilization in A.mearnsii plantation

1.3 研究方法

1.3.1 样地设置与林木生长测定

在试验林中设置面积为400 m2（20 m×20 m）的标准地，共27 个。2014年12月—2019年12月，每年用测径尺测定胸径（精确至0.1 cm），用测高杆测定树高（精确至0.01 m），用钢卷尺测定树冠东-西和南-北方向的直径（精确至0.01 m）。采用2019年12月测定的数据进行统计分析。

1.3.2 树皮取样

选取平均木，在树干离地1 m 处取一块长10 cm、宽2 cm 左右的树皮。用游标卡尺实地测量树皮厚度（精确至0.1 mm）。将取回的树皮置于室内通风处自然风干，用于测定单宁含量及原花色素含量。

1.3.3 单宁和原花色素的分析与测定

单宁的分析与测定采用GB 2615-81 栲胶原料与产品的检验方法（皮粉法）[18]。

取一定量树皮粉碎至0.25～0.60 mm，以50%乙醇为溶剂，设置料液比1∶11（g∶mL），采用超声波辅助提取，提取温度55 ℃，超声波频率70 Hz，提取时间30 min，提取2次，旋转蒸发浓缩提取液。将浓缩后的提取液采用湿法装入经过预处理的AB-8 型大孔吸附树脂柱中，当树脂吸附饱和后，先用水洗，弃去水洗脱液，再以40%乙醇水溶液洗脱至洗脱液无色，合并洗脱液，旋转蒸发蒸干溶剂，冷冻干燥制得精制原花色素[19]。

1.4 数据处理

以样方为统计单元，计算各样方的平均树高（H，m）和胸径（D，cm）。

式中，Hi为第i株的树高，N为统计单元内胸径的株数。

冠幅（W，m2）的计算公式为：

式中，ra为东西方向树冠的半径，rb为南北方向树冠的半径。

采用以下公式计算单株材积（V单，m3）[20]：

采用以下公式计算单株树皮鲜重（W，kg）[5]：

将鲜重扣除相对含水量54.3 %，得树皮干重，再将树皮干重乘以1.15，得树皮绝对含水量15%的气干重量。

林木相对直径（Ri）的计算公式为：

式中，di为林木直径，Dg为林分平均直径。

采用Excel 2007对调查数据进行整理并计算；采用SPSS 19.0对各指标进行方差分析和多重比较（邓肯氏新复极差法）；对林分密度和施肥水平与各指标进行Pearson相关分析；采用Sigmplot 14.0作图。

2 结果与分析

2.1 造林密度和施肥量对黑荆人工林林分直径结构的影响

林分直径结构是最重要且最基本的林分结构，林分内不同直径树木的分配直接影响树木的树高、干形、材积、材种及树冠等因子。不同处理黑荆人工林株数随径级的分布为正态分布（表2）。D2W3、D3W2和D3W3处理的大规格材率较高，D1W3、D2W2和D3W1处理次之，D1W1、D1W2和D2W1处理较低。林分密度的减小和施肥量的增加能增加黑荆大规格材率，低密度和高施肥量处理最适宜黑荆大规格材率的产出。

表2 造林密度和施肥对黑荆人工林树木径级分布的影响Tab.2 Effects of planting density and fertilization on diameter distribution of A.mearnsii plantation

2.2 造林密度和施肥量对黑荆人工林胸径、树高和冠幅的影响

平均胸径表现为D3W3＞D3W2＞D2W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1；平均树高表现为D3W3＞D3W2＞D2W3＞D2W2＞D3W1＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1；D3W1、D2W2和D1W3处理间以及D2W1和D1W2处理间差异不显著，其他处理间差异显著（P＜0.05）（图1a ～b）。平均冠幅表现为D2W3＞D3W2＞D3W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D1W1＞D2W1＞D1W2；D2W3、D3W2、D3W3、D3W1和D2W2处理间差异不显著，但显著高于其他4个处理（P＜0.05）；其他4个处理间差异不显著（图1c）。

图1 不同处理对平均胸径、树高和冠幅的影响Fig.1 Effects of different treatments on average DBH,tree height and crown width

2.3 造林密度和施肥量对黑荆人工林单株材积和单位面积蓄积量的影响

单株材积表现为D3W3＞D3W2＞D2W3＞D2W2＞D3W1＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1；D2W1与D1W2处理以及D3W1、D1W3和D2W1处理间差异不显著，其他处理间差异显著（P＜0.05）（图2a）。单位面积蓄积量表现为D1W3＞D2W3＞D3W3＞D1W2＞D3W2＞D2W2＞D1W1＞D2W1＞D3W1；D1W2与D3W2处理、D3W2与D2W2处理以及D2W1与D3W1处理差异不显著，其他处理间差异显著（P＜0.05）（图2b）。

图2 不同处理对单株材积和单位面积蓄积量的影响Fig.2 Effects of different treatments on individual volume and accumulation unit area

2.4 造林密度和施肥量对黑荆人工林工业原料产量的影响

2.4.1 对单宁产量的影响

单株单宁产量表现为D3W3＞D3W2＞D2W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D1W2＞D2W1＞D1W1；D3W1、D2W2和D1W3处理间以及D1W2与D2W1处理差异不显著，其他处理间差异显著（P＜0.05）（图3a）。单位面积单宁产量表现为D1W3＞D1W2＞D2W3＞D3W3＞D1W1＞D3W2＞D2W2＞D2W1＞D3W1，D1W1、D3W2和D2W2处理间、D1W2与D2W3处理以及D2W1与D3W1处理差异不显著，其他处理间差异显著（P＜0.05）（图3b）。

图3 不同处理对单株和单位面积单宁产量的影响Fig.3 Effects of different treatments on tannin yield per plant and unit area

2.4.2 对原花色素含量的影响

单株原花色素含量表现为D3W3＞D3W2＞D2W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D1W2＞D2W1＞D1W1；D3W1、D2W2和D1W3处理间以及D1W2与D2W1处理差异不显著，其他处理间差异显著（P＜0.05）（图4a）。单位面积原花色素含量表现为D1W3＞D2W3＞D1W2＞D3W3＞D3W2＞D2W2＞D1W1＞D2W1＞D3W1；根据单位面积原花色素含量是否产生显著性差异，由高到低分为4个水平，D1W3处理显著大于其他处理（P＜0.05），D2W3、D1W2和D3W3处理次之，再次为D3W2、D2W2和D1W1处理，最低为D2W1和D3W1处理（图4b）。

图4 不同处理对单株和单位面积原花色素产量的影响Fig.4 Effects of different treatments on proanthocyanidin yield per plant and unit area

2.5 黑荆人工林经济效益分析及最优模式筛选

2.5.1 投资成本核算

黑荆短周期工业原料林的轮伐期为6年，按照黑荆速生丰产林技术要求和特点，造林投资主要包括营林费用（林地清理、造林整地、定植、抚育施肥、森林保护及管护）、苗木费、肥料费、采运成本和剥皮成本等费用。根据目前广西原材料价格和用工单价进行计算，得出营造1 hm2黑荆人工林成本核算表（表3）。各经营模式的造林成本表现为D1W3＞D1W2＞D2W3＞D1W1＞D3W3＞D2W2＞D3W2＞D2W1＞D3W1。营林费用占总投资的33.91 %～54.92 %，高密度经营模式的营林费用是低密度的1.69 倍；苗木费占总投资的3.91 %～7.49 %，高密度经营模式的苗木费是低密度的1.69 倍；肥料费占总投资的3.78 %～20.72%，高密度施肥1 kg/株经营模式的肥料费是低密度施肥1 kg/株经营的2 倍；采运成本占总投资的25.86%～42.36%；以上因素的综合影响使得各经营模式的造林成本存在较大的差异。

表3 各经营模式的造林成本Tab.3 Afforestation costs of different management models (yuan)

2.5.2 总收益核算

根据目前市场黑荆气干树皮2 000 元/t、纤维材400 元/m3的价格，计算各经营模式的总收入（表4）。木材收入为D3W3＞D1W3＞D2W3＞D3W2＞D2W2＞D1W2＞D1W1＞D3W1＞D2W1；树皮收入为D1W3＞D1W2＞D2W3＞D3W3＞D1W1＞D3W2＞D2W2＞D2W1＞D3W1。

表4 各经营模式的收入Tab.4 Incomes of different management models

续表4 Continued

2.5.3 各经营模式的净利润

各经营模式的利润为D3W3＞D2W2＞D1W3＞D3W2＞D1W2＞D2W2＞D3W1＞D1W1＞D2W1；投资利润率为D3W3＞D3W2＞D3W1＞D2W3＞D2W2＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1（表5）。D3W3为最优模式。在黑荆人工林经营过程中，应加强林分密度和施肥管理，使林分形成合理的结构模式，促进林分生长，达到速生、丰产和优质的目的。

表5 各经营模式的利润及投资利润率Tab.5 Profits and earning powers of real assets of different management models (yuan/hm2)

3 结论与讨论

林木胸径的大小直接影响林木的树高、干形、材积、材种及树冠等因子[21]。林分径级株数累积分布的变化表明林分密度的减小和施肥量的增加能使黑荆大规格材率增加，低密度和高施肥处理有利于黑荆大规格材率的产出。不同密度及施肥条件对林木平均胸径和树高的影响基本相似，均在D3W3处理（1 250 株/hm2，施肥1 kg/株）下达最大值；冠幅在D2W3处理（1 667 株/hm2，施肥1 kg/株）下达最大值；单株材积由平均树高和胸径共同决定，也在D3W3处理下达最大值；从单位面积蓄积量的变化可知，D1密度（2 500 株/hm2）更适合林分蓄积量的积累。

除了木材生长量，黑荆的单宁产量和原花色素产量也是衡量林分主要经济价值的重要指标。黑荆单株单宁产量和单株原花色素产量均随着密度的减小和施肥的增加而增加，在D3W3处理下达最大值。各营养器官的单位面积单宁产量和单位面积原花色素产量随着密度的增大和施肥的增加而增加，在D1W3处理（2 500 株/hm2，施肥1 kg/株）下达最大值。综合经济效益分析，在D3W3处理下，单株黑荆的各项指标达最大，同时成本比D1W3少，获得的经济效益最大；成本的投入对最终的收益产生了重要影响，单位面积增加的收入大于现阶段对应投入的成本。

研究黑荆在不同处理下的各种生长指标，并对其经济效益进行评价，结果表明在考虑成本的情况下，D3W3处理的经济效益最大，即采用1 250株/hm2、施肥1 kg/株的种植模式最适宜黑荆生长并产生经济效益。通过调节密度和施肥，可使黑荆生长及蓄积量、单宁产量、原花色素产量达到相同水平；根据当地林分密度和土壤肥力，对林分进行不同方式的间伐和抚育，可达到相同的经济效益，对生产实践有重要指导意义。