不同坡位香椿人工林生长和林分结构差异

胡继文，杨桂娟，刘振华，王俊臣,3，肖 遥，王军辉，麻文俊*

(1.中国林业科学研究院 林业研究所，国家林业和草原局林木培育重点实验室，林木遗传育种国家重点实验室，北京 100091；2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；3.西北农林科技大学，陕西 杨陵 712100)

植物的生长发育受其本身生理特性及其所处的环境影响。小区域范围内，植物受环境影响产生的生长差异多体现在地形梯度的变化上[1]，坡位作为重要的地形因子[2-3]，影响土壤水分的分布[4]，土壤有机质腐殖化和矿化过程[5]，与林木生长有密切关系[6]。刘鑫等[7]研究表明，坡位对小叶杨(Populussimonii)和沙柳(Salixpsammophila)人工林的生长均有显著影响，王子婷等[8]研究指出，坡位是影响半干旱黄土区柠条(Caraganakorshinskii)人工林生长的主导环境因子之一，下坡位柠条生长状况略好于中上坡位。与针叶造林树种相比，阔叶树人工林对立地生境的要求更为敏感[9]。

香椿(Toonasinensis)属楝科(Meliaceae)香椿属(Toona)，是我国特有的珍贵速生用材林树种，广泛分布于华北、华东、中部、南部和西南部各省区[10]，种质资源丰富且遗传多样性高，有良好的遗传改良基础[11]。对香椿49个无性系苗期生长分析显示，区组与无性系互作效应显著，香椿对环境敏感，在进行香椿无性系选优时，应充分考虑其与环境的互作[12]。本研究以湖南省安化县梅城镇32～39年生香椿人工林为对象，比较不同坡位香椿的生长、林分结构、林木分级特征以及生长过程的差异，以期为香椿人工林的生产经营提供理论参考。

1 研究区概况

试验区位于湖南省安化县梅城镇松山村，28°8′35″N，111°34′30″E，属北亚热带大陆性季节湿润气候，温暖湿润，雨量充沛，年均降水量1 686.2 mm，夏长冬短，无霜期274 d，年平均气温16.2℃。土壤为第四纪棕黄壤，以偏酸性沙壤土为主，平均pH 5.57。试验区香椿于20世纪70年代人工栽植，树龄32～39 a，栽植后缺乏人工管理，试验区内多有伴生树种，主要乔木有化香树(Platycaryastrobilacea)(9.26%)、马尾松(Pinusmassoniana)(8.31%)、黄檀(Dalbergiahupeana)(4.99%)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)(4.75%)、麻栎(Quercusacutissima)(4.04%)、南酸枣(Choerospondiasaxillaris)(1.19%)。

2 材料与方法

2.1 样地设置与调查

2018年10月,林分下、中、上坡位分别随机选取坡向一致(南、北坡向)、坡度相近(20°～30°)、人为干扰较小、具有代表性的3个共计9块30 m×30 m标准地，标准地内进行每木检尺(胸径>5 cm)，记录乔木层所有林木的树种、树高、胸径、南北冠幅、东西冠幅，并记录每个标准地的海拔、林分密度、郁闭度等因子。不同坡位分别选取1株生长健康的树用作树干解析。在调查样地每木检尺的基础上，对样地林木进行分级：根据d=r/R公式(r为每株样木胸径；R为样地林分平均胸径)，求得每株样木的d值，按分级木(Ⅰ～Ⅴ级木)归类，统计各样地分级木比例。分级标准为:Ⅰ级木，d≥1.336；Ⅱ级木，1.026≤d<1.336；Ⅲ级木，0.712≤d<1.026；Ⅳ级木，0.383≤d<0.712；V级木，d<0.383[13]。

2.2 数据分析

调用SAS 9.4软件GLM过程指定坡位为单因素分析模型[14]，对标准地调查数据进行方差分析，当概率P值<0.05时，F检验达到显著水平；调用NLIN过程，Marquardt 法对林分直径结构进行拟合分析，选择三参数Weibull分布模型，F(xi)=1-e-(((xi-a)/b)c)，其中，xi表第i个径阶中值，F(xi)为径阶林分起始径阶至xi的累计频率，a为位置参数，b为尺度参数，二者均随林分平均胸径、林龄、立地等的增大而增大；c为形状参数，决定林分直径分布的偏度，c<1为倒J型分布，c=1为指数分布，1

3 结果与分析

3.1 不同坡位香椿人工林生长情况

试验区香椿人工林的平均林分密度为0.078株·m-2，郁闭度为0.7～0.9，属中高度郁闭，不同坡位林分密度及郁闭度无显著差异(表1)。试验区香椿人工林平均树高13.18 m，最高为19.2 m，位于下坡；平均胸径18.68 cm，最大胸径位于中坡，为34.6 cm。东西、南北平均冠幅分别为4.60、4.87 m，最大东西、南北冠幅均出现于下坡，分别为9.5、10.4 m。不同坡位香椿树高、胸径均有显著差异，东西、南北冠幅无显著差异(表2)。随着坡位上升，树高、胸径均呈现下降趋势(图1-A、B)，下坡平均树高、胸径分别为13.71 m、21.32 cm，均高于平均水平，而上坡平均树高、胸径分别为12.41 m、16.90 cm，说明下坡较上坡有利于香椿生长。中、下坡的冠幅高于平均水平，而上坡的东西、南北冠幅分别为4.29、4.54 m，均低于平均水平，特别是，上坡的南北冠幅显著<下坡(图1-C、D)。

注：不同小写字母表示存在显著差异(P<0.05)。下同。图1 不同坡位香椿人工林树高、胸径及冠幅Fig.1 The height,DBH and crown of T.sinensis plantation from different slope positions

表1 样地概况Table 1 General situation of plots

表2 香椿人工林生长性状方差分析Table 2 Variance analysis of T.sinensis plantation growth characteristics

3.2 不同坡位香椿人工林分林木直径分布特征

由表3可见，不同坡位香椿人工林径阶分布Weibull模型建立的决定系数r2值均>0.9，拟合效果均较佳，符合统计要求。下坡位林分的位置参数a、尺度参数b均大于中、上坡林分的对应值，这可能与下坡林分的树高显著>上坡，胸径显著>中、上坡有关。3个坡位径阶拟合形状参数c均在1.0～3.6，径阶为单峰左偏状分布，且c下坡>c上坡>c中坡，表明林分均处于竞争期的自然稀疏后期[17]，且下坡趋向于更稳定的后期。由图2看出，Weibull函数分布模型拟合效果为下坡>上坡>中坡，下坡林分的模型拟合决定系数r2=0.99，拟合效果最佳；中坡位林分的r2=0.92，拟合相对最差，这可能与试验区最大胸径位于中坡相关。下坡最小径阶中值为13，较中、上坡(径阶中值为7)均大；上、下坡最大径阶中值均为31，中坡最大径阶中值为35，该径阶内有且仅有1株，其余径阶中值在7～29。说明下坡较中、上坡直径分布集中，且径阶大，更适于香椿人工林大径材的生长。

注：A、B、C分别为下、中、上坡位；实心点为实测值，曲线为Weibull分布函数预测值。图2 不同坡位香椿人工林径阶分布累积Fig.2 The cumulative frequency of T.sinensis plantation diameter class from different slope positions

表3 不同坡位香椿人工林径阶Weibull分布参数Table 3 The Weibull function parameters of T.sinensis plantation diameter class from different slope positions

3.3 不同坡位香椿人工林分林木分级特征

由图3可知，仅上坡存有V级木，占比为1.28%。下坡林木分级集中在Ⅱ、Ⅲ级，占81.48%，较为稳定。中坡Ⅲ级木数量最多，占41.67%，Ⅰ、Ⅳ级木分布相当，占比分别为15.28%和16.67%，其余为Ⅱ级木。上坡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级林木占比分别为19.23%、21.79%、37.18%、20.51%，少量Ⅴ级木，该坡位各级林木分布较为分散，林木分化现象较明显。林木分级分布越分散，分级经营难度越大，就林级分散程度，下坡<中坡<上坡，说明下坡最适于香椿人工林的经营。

注：A、B、C分别为下、中、上坡位。图3 不同坡位香椿人工林林木分级Fig.3 The tree classification of T.sinensis plantation from different slope positions

3.4 不同坡位香椿人工林生长过程分析

图4-A、B、C显示，下、中、上坡香椿胸径总生长量随树龄的增加而增大，最大时，下坡(19.5 cm)>中坡(19.2 cm)>下坡(17.9 cm)，且上坡的总生长量有趋于平缓的趋势，中下坡仍有上升的趋势。下坡胸径的起始平均生长量最大，为1.05 cm·a-1，9 a后，平均生长量缓慢下降，30年生最小，为0.65 cm·a-1；中坡胸径平均生长量在9年生前快速增大，后趋于平缓；上坡11 a后的平均生长量维持在0.42 cm·a-1。下、中、上坡香椿胸径的连年生长量均为单/双峰下降趋势，下坡生长高峰出现得比中坡早。图4-D、E、F显示，下、中、上坡香椿树高总生长量随树龄的增加而增加，下坡max(15.20 m)>中坡max(14.14 m)>上坡max(14.12 m)，且分别于15、18、26 a时趋于稳定。3个坡位香椿树高平均生长量均随着树龄的增加而整体下降，而连年生长量均表现为先增大后减小，下、中、上坡连年生长量的高峰期分别为9、12、20 a，趋于稳定于18、21、29 a。图4-G、H、I显示，3个坡位香椿材积总生长量均随着树龄的增加而增加，下坡max(0.27 m3)>中坡max(0.23 m3)>上坡max(0.20 m3)，且仍有上升趋势，这可能与胸径总生长未趋于稳定有关，而平均生长量随着树龄的增加而增加趋于稳定(中坡除外)。下、中、上坡位香椿材积连年生长量随树龄增加分别呈现双峰趋于稳定、单峰上升、单峰趋于稳定趋势。下坡胸径、树高、材积总生长量均为3个坡位中最大，且胸径和材积总生长量仍有上升的趋势，说明下坡有利于香椿人工林的生长。

注：A、B、C分别为下、中、上坡胸径生长，D、E、F分别为下、中、上坡树高生长，G、H、I分别为下、中、上坡材积生长。图4 不同坡位香椿生长过程Fig.4 The growth progress of T.sinensis from different slope position

4 结论与讨论

香椿人工林树高、胸径在不同坡位有显著差异，下坡生长优势明显。全试验区林分径阶Weibull函数分布模型形状参数c均在1.0～3.6，径阶呈单峰左偏状分布，下坡林分趋向于更稳定的自然稀疏后期。下坡林分林木分级多集中于Ⅱ、Ⅲ级，占81.48%，易于人工管理。下坡香椿胸径、树高、材积总生长稳定期较中、上坡早，且生长量相对最大。

4.1 坡位对香椿出生长的影响

不同坡位香椿人工林林分密度无显著差异、均呈中高度郁闭，可能与试验区香椿人工林为32～39年生，为成熟林有关。该香椿人工林树高、胸径生长显示，下坡位显著最大，且随着坡位上升，树高、胸径均呈现下降趋势，这与前人研究的小叶杨和沙柳人工林的平均胸径、平均树高生长均表现为坡底>坡顶≥坡中的结果基本一致[7]。此外，下坡香椿人工林南北冠幅显著>上坡，与前人研究的下坡的木荷(Schimasuperba)树冠浓密、树高和冠幅生长量较大的结果较为一致[9]。不同坡位香椿生长的差异可能与下坡位在重力及淋洗作用下，土壤有机质聚集较多有关[18-19]。此外，试验区范围内下坡多处于林分边缘，下坡香椿人工林生长较好可能存在边缘效应。

4.2 坡位对香椿人工林林分结构的影响

林分直径分布是林分内林木按照径阶划分的分布状态，是最基础的林分结构[20]，了解林分的直径分布对经营森林是十分必要的[21]。Weibull分布是近年来用作拟合林分直径分布最广泛的模型[22]。本试验区不同坡位香椿人工林径阶均呈单峰左偏分布，分布曲线形式较为简单，可能是由于林分属同龄香椿纯林，受其他树种竞争影响小[20]。下坡香椿人工林起始径阶大(最小径阶中值为13)，且较中、上坡直径分布更为集中。若将大径材作为目标树经营，围绕改善林分结构，促进目标树的生长，以提高林分的生产力[23-24]，下坡香椿人工林可作为重点研究对象。

4.3 坡位对香椿人工林林木分级及生长过程的影响

根据林木分级经营的原则，Ⅰ、Ⅱ级木为优势木，Ⅲ级为平均木，Ⅳ和Ⅴ级被压木[25]，应培育Ⅰ级木，间伐Ⅱ级木，解放Ⅲ级木，移除Ⅳ和Ⅴ级木[26]。本试验区内，下坡林木分级主要集中在Ⅱ、Ⅲ级，说明该林分较为稳定，易于林分的林木分级经营。而上坡林分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级木均有分布，分化严重，可能是林分个体间营养空间等资源竞争激烈，部分个体生长受到抑制[17,27]。林木分级分散，不利于分级管理，故下坡更适宜于香椿人工林的营建。林木的连年生长、平均生长多表现为先上升后下降，早期连年生长>平均生长，后期平均生长>连年生长[28]。本试验区内不同坡位香椿人工林的生长分析显示，胸径、树高的后期生长基本为平均生长大于连年生长，而过程中出现的单/多个生长高峰可能与香椿对该年份环境变化敏感有关[12]。