云南松不同林龄人工林的林木分化特征分析

合金鑫，李莲芳，李俞鑫，姜若超，黄孝杰，王姝茜，刘 畅

(西南林业大学 林学院，云南 昆明 650224)

1 引言

云南松(Pinusyunnanensis)，是西南地区特有树种，主要分布于云南，四川和贵州的西部及西南部、西藏东部和广西西北部，在其分布区的经济、生态和社会可持续发展中具有不可替代的作用[1，2]。林木分化指在林木生长发育过程中，同一树种同龄林木生长特征的差异[3]。同一产地或同一良种基地的种子培育苗木，营造同龄人工林的林木分化，是基因差异及其对环境适应的表征，分析其分化特征，一方面了解林木的生长差异，另一方面为林分抚育采伐提供参考。陈健波等[4]研究3种不同造林密度(A-密度1666、B-密度1250和C-密度833株/ hm2)的尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)林木分化特征，指出林龄5.5a 时，3种密度间，林分胸径、树高、单株材积和蓄积量均有显著的差异(P<0.05)，密度A、B和C的林木胸径变异系数分别是12%、15%和15%，即林木胸径呈现明显的分化；莫凡等[5]通过研究观光木(Tsoongiodendronodorum)胸径与树高的关系，发现8 a生人工林已出现林木分化现象，需要实施疏伐；龚辉[6]研究9 a生邓恩桉(Eucalyptusdunnii)河岸人工林分化特征，以树高作为参考指标，每3m划分为一个高度级，发现不同高度级间的个体数量差别较大，即从树高的角度呈现较大的分化；姜俊等[7]分析不同林龄马尾松(P.massoniana)人工林结构特点，发现随着林龄的增长，胸径逐渐增加，小径级林木株数比例逐渐减少，随着径级的增加株数比例降低，揭示林木随着林龄增长，分化趋于激烈，小径阶林木增加，需要开展抚育采伐。林木分化现象是其生长发育的必然结果，不同树种和林分出现分化的林龄和分化程度亦有差异，需要针对具体的树种和林分开展林木分化相关调查研究，了解其分化特征的同时，为抚育采伐决策提供依据。

云南松林木早期分化的文献查及较少，本研究对昆明市宜良县国有禄丰村林场尖山林区4 a、11 a和14 a生云南松人工林开展调查，分析林木分化特征，丰富云南松人工林相关资料的同时，提供抚育采伐的理论依据和实践参考。

2 林地及林分概况

研究地位于云南省昆明市宜良县禄丰村林场尖山林区，地理坐标24°26′11″～24°30′08″N，103°00′02″～103°16′06″E，海拔约1970 m；属亚热带季风气候，年平均降雨量995.3mL，年平均气温17.5 ℃，最高气温31.5 ℃，最低气温-5 ℃，常年无霜期约67 d，偶尔年份有3～7 d的降雪[8]。造林地的坡度5°～10°，地势相对平缓，为云南松点播造林的人工林采伐迹地。林地成土母岩主要由石灰岩和页岩、紫色砂岩、紫色页岩构成，土壤类型为红壤，且土壤风化程度较高，有机质含量丰富[9]。

调查的林分，林龄分别为4 a、11 a和14aa生，采用弥渡种子园良种培育的无蹲苗期苗木造林，4和11a生林分采用1 m×2 m×4 m的非均匀密度控制造林，14a生林分采用1 m×2 m×5 m的非均匀密度控制造林，调查时的林分密度分别为2751、2587和1812株/hm2，4、11和14a生林分郁闭度约0.5、0.8和0.7，林分的立地条件基本一致(表1)，均未实施抚育采伐，林分以培育用材林为主。

表1 不同林龄林分概况

3 研究方法

选择林木生长具有代表性的地段，分不同林龄(4 a、11 a和14 a)设置样地，每个林龄设置3个重复，共设9块25 m×25 m的样地，对样地内林木进行每木检尺(胸径和树高)。以2 cm划分径阶，分别统计不同林龄的径阶数及其胸径、树高、胸高断面积、单株材积[10]、离散度和林木分化程度[5]、蓄积量，以及重要值[11]。相关计算公式如下：

胸高断面积：G=πD2/4

(1)

式(1)中，G为胸高断面积(cm2)，D为胸径(cm)，π取3.14；

单株材积：V=0.0000871510500D1.9544793H0.7558395

(2)

式(2)中，V为单株材积(m3)，D同式(1)，H为树高(m)；

胸径离散度=n/N

(3)

式(3)中，n为调查某一林龄林木胸径小于平均胸径的林木株数，N为调查某一林龄的林木总株数；

林木分化程度=(D/Dmin)-(D/Dmax)

(4)

式(4)中，D为调查某一林龄的林木平均胸径，Dmin为调查某一林龄的林木最小胸径，Dmax为调查某一林龄的林木最大胸径；

IV=(Dr+Fr+Dor)/3

(5)

式(5)中，IV为重要值(%)，Dr为调查某一林龄各径阶的断面积比(%)，Fr为调查某一林龄各径阶的频度比(%)，Dor为调查某一林龄各径阶的材积比(%)；

Dr=(di/D)×100%

(6)

式(6)中，Dr同式(5)，di为调查某一林龄的某径阶胸高断面积，D为调查某一林龄的全部径阶总断面积；

Fr=(ni/N)×100%

(7)

式(7)中，Fr同式(5)，ni为调查某一林龄的某径阶株数，N同式(3)；

Dor=(si/S)×100%

(8)

式(8)中，Dor同式(5)，si为调查某一林龄的某径阶材积，S为调查某一林龄的总材积。

采用Excel和SPSS24.0软件进行数据整理和分析，为满足方差分析的齐性要求，如果以%计数的数据出现≤30%或≥70%的，先进行反正弦变换再进行方差分析，采用Duncan's法进行多重比较[12]。

4 结果与分析

4.1 林木胸径和树高分化

4 a生幼林的胸径和树高分别为1.2～6.7 cm和1.0～2.9 m(平均3.2 cm和1.9 m)，对应的变异系数分别为34.2%和17.4%；11 a生的以上指标分别为3.8～17.9 cm、4.7～7.5 m(平均11.0 cm和6.6 m)，变异系数分别为24.5%和9.4%；14 a生的则是5.6～20.7 cm、5.4～9.9 m(平均13.0 cm和8.2 m)，变异系数分别为19.9%和11.1%(表2)，揭示3个林龄的林木其胸径分化较树高的明显，随着林龄增大，胸径的分化降低，一方面随着林龄增大，部分林木自然枯损，另一方面，14 a生林木因未开展抚育采伐而抑制胸径生长，两方面共同导致该林龄林木间胸径分化降低，揭示11 a生时，林木应开展抚育采伐，不宜出现14 a生时因密度较大而分化降低的现象。3个林龄间，树高的分化未呈现规律性变化，即4 a、11 a和14 a生的树高变异系数呈现高-低-高的现象，也许与调查的林分年龄较少有关。

4 a、11 a和14 a生林分的林木分别包括4、8和9个径阶；4 a生4个径阶株数分别占测定总株数的9.3%、71.2%、17.9%和0.7%，以4 cm和6 cm径阶为主(共占89.1%)；11 a生林分9个径阶的株数比分别为0.6%、3.8%、9.6%、19.7%、27.4%、24.8%、12.1%和1.9%，8、10、12、14 cm径阶是林分的主要构成部分(共占84.0%)；14 a生林分9个径阶分别占总株数的0.6%、0.6%、11.9%、22.5%、30.6%、23.8%、5.6%、3.8%和0.6%，以8～14cm径阶的为主，合计占总株数的88.8%(表2)。随着林龄增长，径阶数目增多，揭示林木随着林龄增长，分化逐渐激烈；然而，11 a和14 a生之间差异较小，后者仅比前者多1个径阶，表明11 a生时，林木应开展抚育采伐，否则林木生长将被抑制，如前指出，14 a生林分因未疏伐，故从径阶的角度，导致其与11 a生的分化差异较小。

表2 不同林龄林分径阶分布

不同林龄胸径最大径阶均极显著的大于其余径阶的(P=1.74E-109～9.47E-573<0.01)，但其株数比例较低；3个林龄的径阶株数比例呈正态分布，即大径级和小径级林木株数较少，中等径级林木株数较多(表2)，符合人工林的林木株数分布规律。

4 a生林木胸径和树高主要集中于1.5～4.5 cm和1.4～2.3 m之间，株数占总株数的76.3%；11 a生的则集中于8.6～14.3 cm和6.1～7.5 m之间(占总株数的63.1%)；14 a生居于11.2～17.6 cm和8.1～9.8 m之间，其株数占总株数的65.4%(图1和表3)，随着林龄增长，集中分布的株数呈降低趋势，进一步揭示随着林龄增长，林分分化趋于剧烈；11 a和14 a生集中分布区的株数比例相近，主要是14 a生林木因未开展抚育采伐，导致林木群体生长被抑制，分化未充分体现导致的。

图1 不同林龄胸径-树高散点

3个林龄的胸径和树高离散度分别为0.49～0.59和0.36～0.44，林木分化程度为1.71～2.28，林龄间未呈现规律性变化(表3)，也许采用离散度和分化程度分析该3个林龄的云南松林木分化，其准确性较采用变异系数和径阶分析的准确性差的原因造成的。4 a生林分的径阶相对较大株数比例较高，与4 a生林分相比，11 a和14 a生的小径阶林木占比例较高(表2)，结合其集中分布区的分析(图1和表3)，表明早期林木分化较小，4 a前不需要抚育采伐，与之相反，林龄11 a生时，分化加剧应开展抚育采伐，保证林木充分生长，发挥林地生产力。

表3 不同林龄胸径树高分布

4.2 径阶断面积和蓄积量分布及差异

4 a生林木4个径阶的平均胸高断面积分别为2.30、6.71、19.92和35.24 cm2，占总胸高面积的2.4%、54.7%、40.2%和2.7%；11 a生林分8个径阶的平均胸高断面积分别为11.34、20.48、40.71、67.55、94.09、130.27、172.12、224.60 cm2，占总胸高断面积的0.1%、0.8%、3.8%、13.2%、25.4%、31.9%、20.6%和4.2%；14 a生林分其9个径阶的平均胸高断面积分别为24.62、50.24、68.53、96.42、133.32、178.14、217.91、282.50、336.36 cm2，占总胸高断面积的0.1%、0.2%、5.6%、15.7%、29.6%、30.7%、8.9%、7.7%和1.5%；与胸径一致，3个林龄最大径阶的胸高断面积均极显著的大于其余径阶的(P=2.13E-108～2.50E-62<0.01)，林分胸径断面积由构成其主要径阶的林木组成(表4)。进一步证实11 a和14 a生林木需要抚育采伐，主要伐除林木为小径阶林木部分，构成林分主要成分的径阶和大径阶林木，根据形质指标留优伐劣的原则伐除劣质木。

表4 不同林龄不同径阶的断面积和蓄积量

4 a生林木不同径阶的平均蓄积量分别为0.106、2.756、2.336和0.149 m3/hm2，占总蓄积量的0.3%、82.3%、17.3%和0.1%；11 a生8个径阶的则分别为0.094、0.925、5.796、19.508、35.710、45.910、29.939和6.501 m3/hm2，占总蓄积量的0.1%、0.1%、1.8%、13.1%、33.3%、38.8%、12.3%和0.4%；14 a生9个径阶的分别为0.196、0.406、10.210、29.313、59.117、62.468、18.485、14.729和3.086 m3/hm2，占总蓄积的0.1%、0.1%、2.7%、15.6%、42.8%、35.1%、2.5%、1.3%和0.1%，呈现随着径阶增大，单位面积蓄积量先增加后降低的趋势(表4)，即中等径阶林木株数比例较高，其蓄积量也高，揭示开展抚育采伐，伐除小径级林木，对林分蓄积影响较小。3个林龄，林木径阶间蓄积量呈现极显著的差异(P=6.92E-101～9.19E-18<0.01)，蓄积量最大的径阶受株数比例和单株材积共同影响，因此，4 a生林分4 cm径阶的蓄积量最高(株数比为71.2%)，11 a生的12 cm径阶的蓄积最高(株数比为24.8%)，14 a生的则是12和14 cm径阶的最高(株数比为30.6%和23.8%)，且这些径阶的蓄积量极显著高于其余径阶的(表4)，进一步揭示云南松从幼林阶段即开始分化，随着林龄增加分化趋于剧烈的规律。

4.3 径阶的重要值构成分析

重要值是径阶在林分所占重要程度的数量特征。4 a生林木4个径阶重要值分别为4.6%、59.5%、33.9%和2.0%，11 a生林分8个径阶则分别为0.3%、1.8%、5.8%、15.5%、25.8%、29.5%、17.8%和3.5%，14 a生林分9个径阶的分别为0.3%、0.4%、7.6%、18.2%、30.9%、29.5%、8.2%、7.1%和1.3%，与胸高断面积一致，构成林分主要径阶的林木，亦是构成重要值的径阶(图2)，表明此部分径阶的林木是构成胸径及其断面积与重要值关键构成部分，属林木抚育采伐中的主要保留部分。3个林龄的林分，各径阶重要值构成与径阶结构分布基本一致，呈正态分布；11 a和14 a生林分最高重要值都出现在12 cm径阶(29.5%和30.9%)，同时12 cm径阶也是其株数(24.8%和30.6%)、胸高断面积(31.9%和29.6%)和蓄积量(38.8%和42.8%)比例最高的径阶，表明重要值可反应径阶在林分中的重要程度；同时，重要值亦指出，林木抚育采伐需要遵循“伐小留大”的原则，加速中等径阶林木向大径阶林木生长。

图2 不同林龄径阶重要值

5 结论与讨论

5.1 结论

对云南松4 a、11 a和14 a生林分的林木进行调查，采用2 cm划分径阶，3个林龄分别包括4、8和9个径阶，随着林龄增大，胸径分化趋于剧烈。3个林龄的林木，分别由4 cm、6、8～14 cm、8～14 cm径阶构成林分的主要部分，其胸高断面积和重要值都由主要径阶构成。随着径阶增大，蓄积量呈现先增加后减少的趋势，4 cm、11 cm和14 a生最大的4 cm、12 cm和14 cm径阶平均蓄积量分别达2.756 m3/hm2、45.901 m3/hm2和62.482 m3/hm2；从胸径、胸高断面积、蓄积量和重要值的角度，一方面揭示11 a生林分需要开展抚育采伐，另一方面表明，抚育采伐主要伐除胸径和树高均小于主要径阶的林木，其余径阶以留优伐劣选择采伐木。此外，林木分化程度表明，4 a生林木分化较小，尚不需要抚育采伐。

5.2 讨论

林木分化是林分生长过程中普遍发生的现象。胸径结构反映林分内其分布状态，直接影响着林木的树高、胸高断面积和蓄积量等林分因子，研究同林龄的胸径分布规律可以掌握林分的生长状况，进而对其采取适当的抚育措施[13]。王冬至等[14]对27 a、32 a和39 a生落叶松(Larix gmelinii)林分结构的研究，结果显示随着林龄增大，不同林龄林分结构随着林龄的增加林木分化加剧。本研究的结果，随着林龄增长，林木分化加剧，与已有研究相一致，揭示林木随林龄变化具有共同特征。

林分直径结构和树高结构反应林分的分化程度[15]。韦建秋[16]对秃杉(Taiwaniaflousiana)人工林进行胸径和树高调查，指出林分的径阶呈正态分布；齐鹏等[17]对青海云杉(Piceacrassifolia)天然林径阶的研究发现，其分布呈倒“J”型曲线，而人工同龄林则呈正态分布或近正态分布；徐端秒等[18]对日本扁柏(Chamaecyparisobtuse)和日本花柏(C.pisifera)直径分布研究，指出林分直径均符合正态分布。本研究3个林龄的径阶分布均呈现正态分布，与上述结论一致，因此可以根据林分株数分布分化规律，判定林木采伐的时间和制定抚育采伐强度，11 a生林分小径阶林木分布较多，表明其应开展抚育疏伐。

林分胸高断面积和蓄积量是林木胸径、树高和林分密度综合作用的结果[19]。姜俊等[7]通过不同林龄马尾松人工林结构特点的分析发现，6个林龄单株平均材积均随着年龄的增长而增加，林木分化导致近熟(50～60 a)的林木株数稀少，但提供林分50%以上的蓄积量，指出对10～40 a林分进行间伐，可增加大径级木材产量；黄欣明等[20]对广西田林县4种不同林龄尾巨桉人工林生长量的分析，指出，因林木分化，不同林龄尾巨桉相同径阶的蓄积量波动较大；谢天时[21]对不同林龄的水杉(Metasequoiaglyptostroboides)人工林生长分析，发现不同林龄单株材积随林龄增长而增加，因林木剧烈分化，27 a生平均蓄积增长是32 a生的1.23倍，即林木出现剧烈分化阶段应进行抚育采伐，否则影响林分生长。本研究结果与以上文献的基本一致，其中，11 a和14 a生小径阶林木的胸高断面积和蓄积量比例较小，预示应开展抚育采伐，伐除小径阶林木，即胸高断面积随径阶的分布亦是判断抚育采伐的指标之一。