畹町林场柚木中龄林疏伐前后的林分结构变化分析

吴俊多，沈松，李莲芳，高誉衡，李北屏，韩会俊

(1．西南林业大学，云南 昆明 650224；2．畹町林场，云南 瑞丽 678500)

柚木(Tectonagrandis)为马鞭草科(Verbenaceae)柚木属的落叶或半落叶性大乔木，树高和胸径分别可达40 m和2.5 m，天然分布于印度、缅甸、泰国和老挝等地[1]，现已被引种至65个国家和地区栽培，是世界上种植面积最广的树种之一[2-3]，柚木于19世纪初开始引入中国，迄今中国柚木人工林已达1.5万hm2[4]，但其人工林经营管理较为粗放，林分的生长和质量普遍较差；集约的抚育管理是提高中国柚木现有林分质量的必由途径，然而目前国内关于柚木林分的疏伐研究仍相对较少[5]，其技术难以支撑生产实践的需求，因此，迫切需要对柚木林分开展抚育研究，林分结构是抚育的基础.

林分结构包括胸径、树高、冠层、断面积和蓄积量结构等，作为林分的基本特征标识，对其进行了解是森林经营管理的基础[6].疏伐作为重要的森林抚育技术措施之一，可通过降低林分密度、调整空间结构和降低保留木的竞争，从而促进林木的生长[7].汪亚愈等[8]研究显示，10年生未经抚育的云南松(Pinusyunnanensis)人工林林分各径阶株数呈正态分布，较大和较小径阶的林木株数占总株数的比例均较小，建议开展第一次疏伐；云南松中龄林疏伐促进林木向更大径阶方向发展[9]；杉木(Cunninghamialanceolata)[7，10]、落叶松(Larixgmellinii)[11]、桉树(Eucalyptusspp)[12]，以及分别以落叶松、华山松(P.armandii)、油松(P.tabuliformis)和锐齿栎(Quercusaliena)为主的4种针阔混交林[13]的疏伐结果指出，疏伐提高大径阶的林木比例，提高林分质量，对树高影响较小.可变密度疏伐法(variable-density thinning；VDT)是为避免因采用固定的疏伐强度对同一林分开展疏伐而导致对林地和林木产生负效应的疏伐手段，即根据小面积林地的林分密度变化和有利于保留木生长原则，灵活调整疏伐强度的方法，在国外已得到广泛应用[14-16].本研究根据样地的林木密度，以样地为单元，采用VDT法对33年龄柚木人工林开展疏伐，了解疏伐对样地林木生长和林分径阶结构的影响，并通过林分因子间的相关分析，揭示林分生长因子间的相关关系，以期为柚木中龄林的抚育管理提供技术参考和实践案例.

1 材料与方法

1.1 研究地和林分概况

研究地位于云南省瑞丽市畹町镇，地理坐标为N 24°02′～24°10°，E 97°58′～98°10′，海拔约900 m；年平均温度20.3 ℃，最热月(6月)和最冷月(1月)的平均温分别为24.1 ℃和12.3 ℃，极端最高和最低温分别为36.2 ℃和1.3 ℃，全年基本无霜期[17]；平均年日照时长2 343 h，年太阳辐射量573～598 kJ/cm2；年均降水量1 590 mm，年平均相对湿度79%[18]；紧邻热带北缘，主要受印度洋西南季风影响，属南亚热带季风气候.

研究林分位于畹町林场曼萨林区，海拔967 m，林分的坡向总体向南，边缘小部分地块向东南微斜，坡度5°～15°.林龄33 a，面积3.14 hm2，初植密度3 m×3 m，造林初期间作甘蔗(Saccharumofficinarum；造林后1～3 a间作)，此次疏伐前已疏伐2次，疏伐时林分生长良好，林分郁闭度0.7～0.9.

1.2 研究方法

首先对林分进行踏查，根据林地的地形变化，将林分划分为17块面积不同的样地(用GPS测定各样地的面积)，使用绳子、木桩结合林木标记样地边界，样地进行林木编号、标定胸径线后进行每木检尺，测定胸径、树高(采用测高杆结合估测)和冠幅(测定林木的东西和南北冠幅，计算平均冠幅).每木检尺后，根据“伐小留大，伐劣留优”和“照顾均匀”的原则(且因前两次疏伐所保留的密度不一致)，采用VDT疏伐法进行疏伐[9，14-16，19]；疏伐时，根据各样地内林木的生长和分布状况，选择伐除小径阶、干形较差、偏冠和受压的林木，释放保留木树冠生长的空间；在林窗以及水沟边缘，为防止水土流失，在无较优林木前提下，即使相对略差的林木也必须保留.样地13和15号作为对照而不疏伐.

根据林分的胸径分布，以4 cm划分径阶，林分共包含了20～52 cm的9个以及1个60 cm共10个径阶的林木.分别统计样地疏伐前后的林木生长量(胸径、树高和冠幅)、胸高断面积和蓄积量(单株材积和平均单位面积蓄积量)，林分的株数和重要值则分别按径阶进行统计分析；采用Person法分析疏伐前林分结构因子间的相关性.材积按V=0.478 7×D2×H(其中，D为胸径，H为树高)计算[20]；林分径阶的重要值计算公式[9]：

(1)

式中，IV为重要值(%)；Dr为各径阶的断面积比(%)；Fr为各径阶的相对频度(%)；Dor为各径阶的材积比(%).

Dr、Fr和Dor的计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中，di为各样方中某径阶林木的胸高断面积，D为

林分的总断面积，ni为林分中某径阶林木的株数，N为林分林木总株数；si为林分中某径阶林木的材积，S为各径阶的总材积.

1.3 数据处理

采用Excel 2003进行数据整理和绘图，应用SPSS 22.0进行描述统计以及Person相关分析.

2 结果与分析

2.1 林分生长量变化分析

疏伐前，样地的密度、平均胸径、树高和冠幅分别为154～435株/hm2、27.4～38.4 cm、15.7～19.3 m和5.8～10.1 m，以3.7%～25.6%的株数强度疏伐后，以上指标变化为144～315株/hm2、27.8～39.4 cm、16.0～19.6 m和6.1～10.0 m，其胸径、树高和冠幅分别提高0.33%～4.24%、-0.71%～2.33%和-2.67%～8.22%，样地伐除木的平均胸径均低于保留木平均胸径，故疏伐提高林分平均胸径；除样地1和8的树高降低(样地伐除木的平均树高高于保留木平均胸径，其林木胸径小而高)以及样地5和17的冠幅变窄(样地伐除木的平均冠幅宽于保留木，其林木冠幅大且干形较差)外，其余样地的此两次指标均提高，表明疏伐促使林分结构向直径提高和干形改善的方向发展，达到疏伐的目的(表1).疏伐强度超过20%的有2、10、11和12号样地，其胸径、树高和冠幅分别提高3.19%～5.07%、0.15%～3.50%和3.32%～8.22%，以上指标的提高明显高于其他样地，表明较高强度疏伐有益于改善林分结构，其对林木生长的影响有待后续观测分析.

表1 不同样地的密度和生长量变化

2.2 胸高断面积和蓄积量的变化

疏伐前，样地的平均单株断面积、材积和单位面积蓄积量分别为0.08～0.12 m2/株、0.59～1.27 m3/株和163.99～338.89 m3/hm2；疏伐后，以上各指标变化为0.08～0.13 m2/株、0.61～1.35 m3/株和139.12～257.62 m3/hm2，平均单株断面积和材积分别提高0.49%～10.03%和1.00%～10.99%，平均单位面积蓄积量则下降2.24%～23.98%(表2)，同时，样地伐除木的平均胸高断面积和材积均小于保留木的，表明主要疏伐较小径阶林木，林分平均单株断面积和材积量相应提高，由于林木数量的减少，单位面积林分蓄积量随之下降，符合疏伐的结构变化规律.

株数疏伐强度较大的2、10、11和12样地(27.78%、25.64%、22.22%和25.00%；表1)，其疏伐后的平均单株胸高断面积分别提高5.11%、8.49%、7.31%和10.03%，材积则提高4.88%、10.20%、7.87%和10.99%，单位面积蓄积量则分别下降23.98%、17.51%、15.17%和16.39%(表2)，表明较高强度疏伐后样地断面积和蓄积量变化较大，与其对生长量的影响相似.

表2 不同样地的单株断面积和蓄积量结构变化

2.3 林分径阶结构的变化

疏伐前，林分的胸径和树高分别为18.0～60.3 cm和8.0～24.0 m，按胸径划分为20、24、28、32、36、40、44、48、52和60 cm径阶的林木株数分别占林木总株数的2.92%、9.34%、16.93%、23.94%、20.58%、15.47%、8.47%、2.04%、0.15%和0.15%，中等径阶(28～40 cm径阶)占总株数的比例较大(占76.93%)；较大径阶和较小径阶所占比例较小，不同径阶的林木株数呈正态分布，符合人工同龄林的林木株数分布规律.基于林分径阶分布和培育大径级林木的基础和目标，可进行林分的抚育疏伐.

疏伐的林木包括20、24、28、32、36、40、44 cm径阶，各径阶的疏伐量分别为11、27、24、20、5、2和1株，结合24 cm径阶相对偏小，且处于林分中密度相对较高生境中，因此，伐除木中24 cm径阶的最多，符合“伐小留大”、培育大径材的要求.疏伐后，从小到大10个径阶林木分别占总株数的1.51%、6.22%、15.46%、24.20%、22.86%、17.48%、9.58%、2.35%、0.17%和0.17%(图1)，即28 cm及以下径阶株数比例降低1.41%～3.12%，28 cm以上径阶则增加0.02%～2.27%，林木向径阶相对较大的趋势变化.

图1 疏伐前后林分径阶结构的变化Figure 1 Structure changes of stand diameter class before and after thinning

2.4 林分各径阶的重要值构成

重要值是各组成成分在群体中的地位和重要性的综合数量特征，各径阶林木的重要值主要由其株数、胸高断面积和蓄积量综合构成.疏伐前，林分10个径阶的重要值分别为1.64%、6.03%、13.17%、21.73%、22.06%、19.32%、12.03%、3.34%、0.29%和0.39%，32～40 cm径阶林木是林分重要值的主要部分，其合计为63.11%，林分各径阶的重要值构成与其径阶结构分布相似，呈正态分布；疏

伐后，各径阶的重要值变化为0.81%、3.94%、11.66%、21.21%、23.52%、20.86%、13.00%、3.66%、0.32%和0.42%，其中20～32 cm径阶重要值呈下降趋势(降低0.52%～2.09%)，相反，36～52和60 cm径阶则呈上升趋势(提高0.03%～1.54%)，即疏伐提高大径阶林木的重要值，与前述的指标相一致，符合“伐小留大”的林木抚育采伐原则，有益于培育大径材.

图2 各径阶的重要值分布Figure 2 The distribution of important value for different diameter classes in the stand

2.5 各指标间的相关性分析

疏伐前的Person相关分析结果显示(表3)，林分密度极显著的与胸径、冠幅、单株断面积、材积和单位面积蓄积量呈负相关(R=-0.798～-0.663，P=0.000～0.004<0.01)，即林分密度越大，林分的平均胸径、冠幅、单株材积和单位面积蓄积量越小，符合森林培育的林木密度与其生长的规律，预示疏伐有益于林木生长；胸径与冠幅呈极显著的正相关(R=0.743，P=0.001<0.01)，即冠幅扩展促进林木胸径生长，同时提升林木的单株材积(P=0.772，P=0.000<0.01)，与前述结果相一致，疏伐可促进林木生长.

表3 不同指标间的相关性分析

3 讨论

疏伐作为林分结构调控的主要手段，在森林经营管理中具有重要的作用.已有研究指出，疏伐可显著促进林木的胸径生长和增加大径阶林木比例[9，21]；Valinger等[22]指出，疏伐对33年生赤松(P.densiflora)的生长具有促进作用，符合高强度疏伐可显著降低林木生长的竞争压力，最大程度促进林木个体的生长[23-25]，Kanninen等[26]指出，60%的株数强度疏伐柚木人工林，其胸径年增量显著高于25%疏伐强度的，即较高强度疏伐更有益于林木生长.本研究中，疏伐强度超过20%的2、10、11和12号样地，疏伐后其胸径、树高、冠幅、胸高断面积和材积分别提高3.19%～5.07%、0.15%～3.50%、3.32%～8.22%、5.11%～10.03%和4.88%～10.99%，显著高于或等于其他样地，即以较高株数强度疏伐对林木相关指标的影响与已有研究相一致，疏伐导致林木向大径级方向移动.

按预定的强度疏伐，则高强度疏伐可能造成较大的林窗并导致林地和林分退化[14，27-28]，VDT疏伐法作为一种灵活的疏伐方式，根据林分内林木密度的变化选择伐除木，疏伐强度也随之不同，避免林窗形成，是一种解决因疏伐而导致林分环境剧变和提升林分稳定性的有效方法[9，15]；同时，已有的研究证明，VDT疏伐法对促进林木的胸径生长、冠幅伸长、林分更新和林下植被生长等均具有重要作用[16,29-31].李莲芳等[9]针对25年生未经抚育采伐的云南松林分，采用VDT法进行疏伐，结果疏伐降低小径阶林木的比例促进林分重要值往更大径阶方向发展，本研究结果与其相似，表明VDT法在林木疏伐方面的有效性.

直径结构是林分结构的基础，其可准确地估计林分各径级的分布和林分蓄积总量，为林分抚育和定向培育提供参考[32].已有研究指出，林分径阶的分布呈正态[8,33]、倒J型[34]和不规则的山状分布等[35]，人工同龄林则通常呈正态分布或近正态分布[8，33，36]，苏乙奇和蔺成军[36]指出，落叶松人工林的直径结构呈正态分布，其随林分密度的增大呈现左偏的趋势，即小径阶林木的比例逐渐增大；林分年龄增大，其直径分布为左偏，但其偏度逐渐减小.本研究中，疏伐前后林木的株数比例和重要值均符合正态分布规律，疏伐后，小径阶的20～32 cm林木重要值下降，大径阶36～52和60 cm林木上升，即疏伐使直径分布逐渐向偏大方向移动，与刘相兵等[37]的研究结果相同，即疏伐有利于培育柚木大径材.同时，样地指标间的相关性分析结果表明，在同一林分内的不同样地，密度与林木生长指标均呈现负相关，与云南松[8-9]、杉木[7，10]和尾叶桉(E.urophylla)[38]的研究结果相一致，佐证降低林分密度对促进林木生长的重要作用.

本研究采用株数、断面积和材积3个指标计算径阶的重要值，与汪亚愈等[8]和李莲芳等[9]的研究方法相比，首次采用材积作为衡量林木径阶重要值的指标，即从株数、胸高断面积和蓄积量的角度解释各径阶林木在林分中的地位，其计算较为直观、简便，同时也有利于量化同龄林中各径阶林木的重要性，符合何兴东等[39]关于改进重要值计算的提议.

4 结论

采用VDT法对畹町林场33年生柚木人工林开展疏伐研究，以样地为单元伐除3.7%～25.6%的小径级林木.疏伐后，样地胸径和树高分别提高0.33%～4.24%和-0.71%～2.33%，即林木胸径向大径级方向移动，树高因部分伐除胸径小而高的林木，样地平均高增加和降低的状态并存，总体为增加；同时，样地单株的胸高断面积和材积呈现提高趋势，但平均单位面积蓄积量因伐除部分林木而降低；不同径阶的林木株数和重要值呈正态分布，疏伐前，以28～40 cm径阶株数为主，重要值则为32～40 cm径阶的占优势；疏伐后，28 cm以上径阶的株数比例增加，同样，32 cm以上径阶的重要值亦提高；通过疏伐，林分大径级的林木株数比和重要值趋于增加，即疏伐有利于培育大径材；密度与林分的胸径、冠幅、单株断面积、材积和单位面积蓄积量间均呈极显著的负相关(R=-0.798～-0.663，P<0.01)，即随密度增大，林木生长和蓄积均呈下降趋势，揭示通过疏伐调控密度对促进林木生长和提高林分蓄积的重要性.

致谢：西南林业大学林学院2018届毕业生张杰、颜京剑和钟俊参与了野外调查，研究生张青青、杨永洁、杨历雨、叶桂荣、李杨涛、吴柏良、马敬、王凯、付志高和彭思华对数据分析和论文写作给予了大力的帮助和支持，谨此以诚谢.