低密度造林对杉木生长、形质和材种结构的影响

熊光康，厉月桥*，熊有强，段爱国，曹德春，孙建军，聂林芽，盛炜彤

(1.中国林业科学研究院亚热带林业实验中心，江西 分宜 336600；2.中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook]，为我国特有用材树种，干形通直、材质优良，被广泛应用在建筑、家具等多个领域[1]。因此，提高杉木人工林森林质量对保障我国木材战略安全和生态安全具有重大意义[2-3]。

密度管理是杉木人工经营的最重要的调控技术措施之一。近年来，国内外学者对传统密度条件下，杉木人工林密度效应规律开展了较为系统的研究，揭示了杉木人工林的自然稀疏进程[4]、林木生长与生物量积累[5]、光合效能[6]、生产力形成[7]、林分蓄积量与材种结构[8-9]、林下植被发育与演替[10-11]、土壤理化性质和微生物[12-13]等的林分密度效应规律；系统研究了传统初植密度下不同间伐强度、时间和次数对杉木人工林生长发育的影响[14-15]。

当前，随着林业一线生产中劳动力资源紧张和用工成本的不断增加，减少或避免间伐作业，成为杉木人工林密度管理的新需求。同时，随着市场上对杉木小径材需求量下降和对大径材供需矛盾的凸显，定向培育杉木优质大径材研究日趋受到重视[16]。低密度造林和不间伐作业的林分密度管理方式，可将有限的光照和营养资源集中于少数目标林木，有利于大径材的培育，也避免了间伐作业收获小径阶材时对劳动力的使用和对林地养分的损耗。而目前有关低密度造林、生长周期内不间伐的林分密度管理方式对杉木人工林生长发育和材种结构规律形成方面的研究相对较少。

因此，本研究以25年生杉木低密度试验林为研究对象，对其自然稀疏进程、林木生长进程、木材形质及林分材种结构和经济效益等特征进行了调查分析，旨在为杉木低密度造林提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于江西省新余市分宜县大岗山地区，中国林业科学研究院亚热带林业实验中心年珠实验林场(114°40′E，27°30′N)，区域属罗霄山脉北端武功山支脉，海拔250 m，属亚热带季风湿润性气候，年均气温16.8 ℃，年均日照时间1 650 h，年均降水量1 656 mm，年均蒸发量1 503 mm，母岩类型为页岩，土壤类型为黄棕壤，立地指数18。实验林前茬植被是以栲类为主的亚热带常绿阔叶林[16]。

1.2 试验设计与调查

1.2.1 试验设计

1992年开始营建试验林，试验采用随机区组设计，共设1 111株/hm2(株行距3 m×3 m)、1 667株/hm2(株行距2 m×3 m)和2 500株/hm2(株行距2 m×2 m)3个造林密度处理，每个处理3次重复(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，共9个样地。各处理样地面积大小、定植杉木的行列数及试验样地概况见表1。

表1 试验样地概况

试验林造林苗木选用当地起源生长一致的1年生杉木实生苗，炼山整地，定植穴规格40 cm×40 cm×40 cm，造林后前3年每年抚育2次，生长期内不间伐。

1.2.2 数据调查与分析

1)林分生长因子调查。造林后对样地内植株进行每木挂牌，分别在1993年、1994年、1999年、2010年、2013年和2016年生长季结束后，对林分生长因子进行调查，共调查6次。调查指标包括：保存率、胸径、树高、冠幅、枝下高和林冠重叠度。

活立木株数是指样地内存活杉木总数，枯损木株数是指样地内枯死林木总数，累积枯损率是指样地调查时枯死木数量与初植密度的比值。林木胸径采用胸径尺测量，精确到0.1 cm；树高和枝下高采用测高杆测量，精确到0.1 m；冠幅计算用皮尺测量水平和垂直等高线2个方向的长度分别作为椭圆的长轴和短轴，用椭圆形面积公式计算面积作为冠幅面积，精确到0.01 m2。林冠重叠度是以样地内林木冠幅总面积除以样地面积。

2)林木形质特征调查。2016年11月，分别在每个样地中选择4株平均木，测量林木树高、胸径、1/2树高处直径，计算高径比(树高与胸径之比)和树干胸高形率(1/2树高处直径与胸径之比)。每木调查样地断梢林木数量，统计断梢率。在林木胸高上坡位用6 mm直径的生长锥钻取一髓心至树皮的完整木芯，对所取木芯自髓心向外，利用德国Rinntech型年轮分析仪，逐年测定年轮宽度，统计心材比率及幼龄材与成熟龄材比率(简称幼成龄材比率)[17]。

3)林分直径结构特征的统计与分析。林分直径结构特征包括不同径阶杉木株数、偏度系数、峰度系数和变动系数。计算时将各样地杉木以2 cm为径阶进行整化，统计不同径阶杉木株数，计算其偏度系数、峰度系数和变动系数[18]。

4)林分蓄积量和材种结构的计算。采用杉木二元立木材积表经验公式[9]，先计算每样地单株材积，再乘以样地林木株数，即为样地材积，换算为单位面积林分总蓄积。以杉木规格材原条出材经验公式[19]计算单株出材量，参照林分蓄积量的统计方法，计算单位面积林分原条总出材量，再依据江西省杉木材种出材率表[20]，统计不同密度林分材种结构。

单株材积公式：

V=0.000 058 774 02D1.9699 831H0.896 461 57。

(1)

规格材原条用材出材公式：

(2)

式中：D为单株胸径；H为单株树高；V为单株材积；Di为样地中第i株植株胸径；Hi为样地中第i株植株树高；V规为样地中单株规格原条用材出材量。

5)杉木经济效益的计算。收集江西省大岗山地区杉木人工林经营、采伐成本和木材价格等经济指标，分别为：清林整地费525元/hm2，苗木费0.23元/株，造林费按杉木林分密度由低到高为40～90元/hm2，造林后3年6次抚育费用以540元/hm2均价计；采伐运输费包括采伐、打枝、造材、归楞、运输等费用，参照当地标准以260元/m3均价计。木材价格按当地现行杉木各类材种价格计算，其中小条木1 080元/m3、小径材1 260元/m3、中径材1 440元/m3、大径材2 500元/m3。

木材总产出=各类木材材积×各木材单价之和；

木材纯收入=木材销售总产出-成本；

投入产出比=木材纯收入/投入。

木材内部收益率(IRR)和净现值(NPV)计算参照施新程等[21]方法计算，育林投入的各项支出按年利率10%计息。

1.2.3 数据分析处理

用Excel软件进行基础数据的整理、统计，运用SPSS软件进行方差分析和多重比较、相关分析等统计分析。

2 结果与分析

2.1 造林密度对林分自然稀疏过程的影响

3种不同造林密度林分的自然稀疏过程见表2。可以看出，在林分整个生长发育过程中，随林龄的增加各密度林分枯损木数量和累积枯损率均呈逐渐增加的趋势。4年和8年生幼龄期3种造林密度林分累积枯损率差异不明显，19年生以后林分林木枯损株数量和累积枯损率随林分密度增大而增加。25年生时，造林密度2 500株/hm2林分累计枯损率达50.28%，枯损株数量1 215.67 株/hm2；造林密度1 667株/hm2林分林木累积枯损率为39.80%，枯损株数量663.00株/hm2；造林密度1 111株/hm2林分累积枯损率仅为26.19%，枯损株数291.00株/hm2，其累积枯损率分别比造林密度2 500和1 667株/hm2林分降低了1.92和1.52倍。方差分析表明，造林密度2 500和1 667 株/hm2的林分累积枯损率显著高于1 111株/hm2林分(P<0.05)。由此说明，1 111株/hm2林分的自然稀疏过程明显低于2 500和1 667 株/hm2林分。

表2 不同造林密度林分自然稀疏过程

3种造林密度林分的年均自然稀疏率见图1。可以看出，在幼龄林阶段，3种造林密度林分年均自然稀疏率相似。8～19 a造林密度2 500株/hm2和1 667株/hm2林分年均自然稀疏率均呈逐步上升的趋势，而此时1 111株/hm2林分年均自然稀疏率略呈下降趋势。19～22 a各林分自然稀疏率呈上升趋势，该阶段各林分的年均自稀疏率排序为2 500 株/hm2>1 667株/hm2>1 111株/hm2。22 a时各林分年均自然稀疏率均达最大值，2 500、1 667和1 111株/hm2林分的年均自然稀疏率分别为6.20%、5.46%和3.17%，1 667和1 111株/hm2林分年均自然稀疏率分别比前者降低了48.83%和12.05%。在此之后，各林分自然稀疏率均逐步下降，25 a时各造林密度林分的年均自然稀疏率重新保持接近。说明，低密度造林有利于降低近熟龄期林分内林木竞争强度，减少林木的自然枯损量。

图1 3种造林密度杉木林分年均自然稀疏率变化Fig.1 Changes of annual natural sparsity rate of Cunninghamia lanceolata with three initial planting densities

2.2 造林密度对林木生长进程的影响

不同造林密度林分林木生长进程见图2。可以看出，随林龄的增加，不同造林密度林分平均树高、平均胸径、枝下高和林分蓄积量均呈逐渐增加的趋势；林分平均冠幅呈先上升后下降，再缓慢上升的趋势；林冠重叠度呈先快速上升后缓慢下降的趋势。

图2 不同造林密度林分林木生长动态Fig.2 Growth dynamics of different initial planting density of forest trees

在3～4年生时，造林密度对林木平均树高和胸径影响规律不明显。8 a以后，林木平均树高和胸径总体上随林分密度的增加而降低。方差分析表明，19、22和25年生3个林龄段，1 111 株/hm2造林密度林分平均胸径显著高于2 500株/hm2林分(P<0.05)，1 667株/hm2平均胸径在19和22年生时显著高于2 500株/hm2林分。树高受密度影响较小，仅22年生时1 111株/hm2林分的平均树高显著高于2 500 株/hm2，其余时期不同密度林分平均树高差异均未达显著水平(P>0.05)。

不同林龄阶段不同造林密度林分枝下高差异不明显。各密度林分枝下高增加最快的阶段发生在8～19 a中龄林时期，该时期造林密度为1 111、1 667和2 500株/hm2，林分年均自然整枝高度平均值为0.67 m，而1～8 a幼龄林期和19～25 a近成熟龄期年均自然整枝高度分别为0.19和0.22 m，中龄林期年均自然整枝高度分别是1～8 a幼龄林和19～25 a近成熟林的3.52和3.05倍。说明，8～19 a中龄林时期是各密度林分自然整枝高度最大的时期。

各林分平均冠幅面积和林冠重叠度在8 a时达到最大，该时期1 111和1 667 株/hm2造林密度林分的林木平均冠幅面积基本保持一致，均略高于2 500 株/hm2造林密度林分。而林冠重叠度随林分密度的增加而增加。造林密度为1 111、1 667和2 500株/hm2林木平均冠幅面积分别为7.59、7.60和7.30 m2，林冠平均重叠度分别达0.74、1.14和1.72，造林密度为1 667和2 500株/hm2林冠重叠度均超过了1.0，这两种造林密度林分已进入完全郁闭状态。方差分析表明，8年生时，3种造林密度林分的林木平均冠幅面积差异不显著，而林冠重叠度差异均达显著水平。

与8年生相比，19～25年生各密度林分林冠重叠度和平均冠幅均有所下降，该阶段林木平均冠幅面积随林分密度增加而减小，19 a时仅造林密度为1 111与2 500 株/hm2林分间平均冠幅面积差异达到显著水平，22和25 a时，造林密度为1 111 株/hm2和1 667株/hm2林分平均冠幅面积均显著高于造林密度为2 500株/hm2林分，但二者间差异不显著。林冠重叠度随造林密度增加先上升后下降的趋势，造林密度为1 667 株/hm2林分为最高，3种密度林分林冠重叠度差异未达显著水平。

在8～19 a时，林分蓄积量随造林密度的增加而增加，此时期2 500株/hm2造林密度林分蓄积量最高，1 667 株/hm2林分次之，1 111株/hm2林分蓄积量最低，而在22和25 a时，1 667株/hm2造林密度林分蓄积量超过了2 500株/hm2林分，成为蓄积量最高的林分。方差分析表明，各林龄阶段，不同密度林分的蓄积量差异不显著。说明，造林密度对林分单位蓄积量未能产生明显影响。

2.3 造林密度对林分径级结构的影响

杉木林分造林密度对胸径生长和径级分布的影响见表3。可以看出，随着林分年龄的增加，造林密度1 111 株/hm2林分的直径正态分布曲线偏度呈先增大后基本保持不变的趋势，1 667和2 500 株/hm2林分呈逐渐增大的趋势。说明，近成熟龄期造林密度1 111株/hm2林分的林木直径分化程度比1 667和2 500株/hm2林分低。随林分年龄的增加，不同造林密度林分峰度值变化动态不同，1 111和2 500 株/hm2林分峰度值呈先增加后下降的趋势，1 667株/hm2林分呈逐渐下降的趋势。说明，8 a时是造林密度为1 111、2 500株/hm2林分直径分布最集中的时期，19 a时是1 667株/hm2林分直径分布最集中的时期，之后随着林龄的增加，林分直径分布逐渐分散，即林分直径分化逐渐加大。3种不同造林密度林分的变异系数值均随林龄的增加而增大，变异系数随着造林密度的增加而增大。说明，随着林龄的增加林分内林木的分化程度逐渐增大，同一林龄时期随着造林密度的增加林分内林木分化程度逐渐加大，即造林密度为1 111 株/hm2林分中林木的竞争分化程度最小，其次为1 667 株/hm2林分，而2 500株/hm2林分林木分化程度最大。

表3 不同造林密度林分径级结构的动态变化

参照林业行业标准LY/T 2809—2017《杉木径材培育技术规程》的要求，将林木胸径≥26 m划分为大径木，≥20～26 cm为中径木，20 cm以下规定为小径木或非规格材。可以看出，大径木出现的时期低密度林分比高密度林分更提前，造林密度1 111、1 667和2 500株/hm2大径木比例达到15%的林龄分别是19、22和25 a。在25 a时，造林密度1 111、1 667和2 500株/hm2林分形成的大径木的比例分别是46.55%、36.80%和22.33%。造林密度1 111、1 667株/hm2的低密度林分大径木分别比高密度林分提高了2.08和1.65倍，说明，低密度林分更有利于大径级木的积累。

2.4 造林密度对林木形质特征的影响

胸高形率是指林木树干中央直径与胸径之比，高径比是指树高与胸径的比值。胸高形率和高径比越大说明树干圆满度越高。25年生时林分密度对林木形质特征的影响见表4。可以看出，造林密度1 667株/hm2林分内林木的胸高形率最大，其次为1 111株/hm2，2 500株/hm2造林密度林分的胸高形率最小，但三者间差异未达显著水平；而2 500株/hm2林分高径比值最大，1 667株/hm2次之，1 111 株/hm2林分最低，三者间达显著差异水平，表现出随林分密度降低而显著减小的趋势。

表4 不同造林密度林分形质特征比较

杉木断梢主要是由生长周期内重大冰雪冻害造成的。断梢率越低说明林分承受冰雪灾害的能力越强。3种造林密度林分中1 667株/hm2林分的林木断梢率最低，1 111株/hm2的断梢率次之，而2 500 株/hm2的断梢率最高，1 667和1 111 株/hm2的断梢率分别比2 500株/hm2降低了4.70%和2.29%，但三者差异未达显著水平。

心材占比和幼成龄材比率与木材物理强度有关，心材比率越大，幼成龄材比率越低，说明木材具有越高的物理强度。在不同造林密度林分木材心材占比和木材基本密度方面，以1 667株/hm2的心材占比最大，可达83.301%，其次为1 111株/hm2的心材占比为79.254%，而2 500株/hm2的心材占比最低仅为78.142%，其心材占比为两种低密度林分的98.60%和93.81%。说明与传统造林密度相比，1 667和1 111株/hm2低密度造林方式可在一定程度上降低林分林木断梢率，增加木材强度，但会造成林木干形圆满度降低。

2.5 造林密度对林分材种结构的影响

不同造林密度与出材量的关系见表5。各造林密度林分出材量均随林龄的增加而增加，在林龄小于22 a时，总出材量和经济材出材量均以2 500株/hm2最大，其次为1 667株/hm2，1 111株/hm2最低，即林分总出材量和经济材出材量随着密度的增加而增加。22年生时，1 667与2 500株/hm2造林密度林分经济材和总出材量基本持平。而25 a时，1 667株/hm2造林密度林分总出材量和经济材出材量均超过了2 500株/hm2林分，成为总出材量和经济材出材量最高的林分。尽管1 111株/hm2造林密度林分总出材量和经济材出材量在3种造林密度林分中一直处于最低水平，但在19～25 a时，其大径材出材量最高。25 a时，其大径材出材量分别是1 667和2 500株/hm2的1.06和1.38倍。说明，1 111株/hm2造林密度有利于大径材的形成。

表5 不同造林密度林分杉木材种出材量的动态变化

2.6 不同造林密度杉木经济效益分析

从木材投入、产出和资金利用率角度考虑，造林密度1 667株/hm2总投入最高，2 500株/hm2林分次之，而1 111株/hm2投入最低(表6)。总产出、纯收入和净现值从大到小排序林分密度均为1 667 株/hm2、1 111株/hm2、2 500株/hm2。效益成本比(BCR)以1 111株/hm2最高，1 667株/hm2次之，而2 500 株/hm2最低，1 111和1 667株/hm2造林密度林分效益成本分别是2 500株/hm2的1.16和1.09倍。3种造林密度林分的内部收益率(IRR)均大于10%，说明，同等立地条件下，无论采用3种造林密度中的任何一种造林密度均可盈利，1 111株/hm2的内部收益率最高为30.20%，其次为1 667株/hm2，而2 500 株/hm2的内部收益率最低。因此，在该区营建杉木用材林，采用低密度造林方式，其收益将高于传统密度造林模式。

表6 不同造林密度的25年生杉木经济效益分析

3 讨 论

童书振等[22]研究表明，江西大岗山地区1 667～10 000株/hm2高密度杉木人工林中龄期后密度效应明显，林分自然稀疏总强度、林木分化程度、枝下高和高径比随林龄和造林密度的增加而增加，林分平均高、胸径和冠幅随造林密度的增加而递减，林分蓄积量随造林密度的增加而递增，随林龄增加各密度林分蓄积量差异逐渐缩小。本研究表明，同区域范围内1 111、1 667和2 500株/hm23种造林密度林分的上述生长、形质指标，表现出与之相似的密度效应规律，但密度效应发生的时期有所不同，如文献中1 667与10 000株/hm2密度的造林胸径在5年生时即产生显著差异，而本研究中1 111、1 667和2 500 株/hm23种造林密度林分胸径产生差异是19年生时，可能由于低密度林分生长空间大，推迟了林分密度效应发生的时期。

本研究表明，在25年生时，造林密度1 667 株/hm2林分蓄积量、总出材量和经济材出材量均超过2 500株/hm2林分，其原因与各造林密度林分整体光合生理状态密切相关，在近、成熟龄林阶段，造林密度2 500株/hm2林分在自然稀疏作用下造成了大量林木枯损，使林分郁闭度下降，整体光合效能下降，而此时1 667 株/hm2具有最高的林冠重叠度，保证了充足的光合面积，使该阶段可制造出比其他林分更多的光合产物，促进了林分生产力的快速提高。

大岗山地区杉木人工林主伐林龄一般为20～25 a,本研究表明，林龄25 a与19 a比较，造林密度1 111、1 667和2 500株/hm2林分总蓄积量分别提高了34.29%、27.81%和15.93%，大径材出材量比例提升了9.26%、9.43%和5.93%。说明，此阶段是蓄积量和大径材形成的关键时期，延迟主伐期至25 a，将会明显提高林分蓄积量和大径材出材量。

本研究分别在林分3～25年生时，进行了6次林分生长调查，平均每次调查间隔期为3～5 a，但林分8～19年生时未能及时开展调查，准确掌握该时期内林分自然稀疏规律、生长进程、直径分布规律和材种结构的动态变化规律，是本研究实验设计不足之处，有待于试验林主伐时，开展系统解析木研究，揭示该时期的林分生长发育规律。同时，本研究对不同密度杉木人工林生长进程仅开展了25 a的动态监测，进一步的长期定位观测仍需持续。

本研究对大岗山地区3种不同密度的林分条件下林分自然稀疏程度、径阶结构、直径分布、形质特征和材种结构特征进行了比较分析，但对不同林分密度下林分生产力与生物量、林下植被生长与发育、土壤理化性质和微生物等特征的研究尚未深入此部分工作，对林地生产力的形成机理具有十分重要的意义，需进一步开展研究。