间伐强度对杉木人工林材种结构的影响

宋重升， 王有良， 张利荣， 崔朝伟， 彭丽鸿， 林开敏， 游云飞， 范福金

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.国家林业和草原局杉木工程技术研究中心， 福建 福州 350002；3.福建省洋口国有林场，福建 南平 353211)

森林生态系统是陆地上最重要的生态系统[1].森林资源在保护生态平衡、改良生态环境和维护生物多样性等方面起着至关重要的作用.随着林业的不断发展，人工林以其良好的生态与经济效益受到越来越多的关注，成为森林生态系统的重要组成部分[2].因此，定向培育高产、优质、稳定的人工林已成为世界人工用材林发展的总趋势[3].人工林除了提供林木产品外，在全球碳循环、生物多样性、养分循环、水资源以及改善土壤理化性质等方面同样发挥着重要作用，全球人工林的种植和占地面积也日趋增大[4].

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]作为我国南方特有的重要速生用材树种，具有生长快、产量高、材质好、用途广、经济效益高等优点，在南方17个省(区)广为种植[5-6].目前我国杉木人工林面积和蓄积量均居首位，在我国林业产业和生态建设中占据重要地位[7].随着经济的发展，人民生活水平不断提高，对木材的需求也日益增长，而高品质大径级木材供不应求.因此，学者对杉木大径材定向培育技术进行深入研究，提出了适宜培育大径材的立地条件及密度范围[8]，并针对不同土壤条件及遗传品质苗木提出了相应的施肥、抚育等管理措施[9-10].

抚育间伐是实现人工林近自然经营、培育大径材的主要营林措施[11].选择合理的间伐强度，通过调整林分结构、调控林木竞争、改良林分环境可促进林木生长，提高林地生产力[12-13].目前，有关不同强度抚育间伐对杉木人工林林分生长影响的研究，主要集中在树高、胸径、高径比、胸高断面积、单株材积以及总蓄积等方面[14-16].不同强度的抚育间伐对杉木人工林生长影响的研究[17-18]，主要集中在速生丰产上.有关杉木大径材培育的研究较为薄弱，而杉木大径材的定向培育技术及成果推广是杉木乃至我国人工用材林提质增效的迫切需求及有效途径[19].鉴于此，本研究以福建省南平市洋口国有林场16年生杉木人工林为研究对象，开展基于大径材培育的不同间伐强度对杉木人工林生长及林分材种结构影响的研究，探讨不同间伐强度对杉木人工林材种结构的影响规律，旨在为杉木大径材培育措施的制定提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验林设于福建南平洋口国有林场道坪良种场16年生杉木人工林区(117°54′E，26°50′N)，属于中亚热带地区.该区海拔200～500 m，坡度30°左右，年平均气温17.5 ℃，年均降水量1 880 mm，土壤厚度均在1 m以上，为深厚肥沃的红壤土(呈弱酸性)，地位指数均不小于22 m，样地基本概况详见表1.该林区于2002年采用实生苗造林，整地方式为穴状整地，穴规格50 cm×50 cm×40 cm ，初植密度2 500株·hm-2.该试验林区气候温和，雨量充沛，土质肥沃，适宜杉木林生长.杉木林下植被主要有紫麻[Oreocnidefrutescens(Thunb.) Miq.]、薄盖短肠蕨[Allantodiahachijoensis(Nakai) Ching]、楼梯草[ElatostemainvolucratumFranch. et Sav.]、福建观音座莲[AngiopterisfokiensisHieron.]、深绿卷柏[SelaginelladoederleiniiHieron.]、吞天莲[Ambromaaugusta(L.) L. f.]、金星蕨[Parathelypterisglanduligera(Kze.) Ching]、江南山梗菜[LobeliadavidiiFranch.]等.

表1 试验样地概况Table 1 General situation of Yangkou sample plot

1.2 试验设计与样地设置

选择坡向、坡位、坡度及土壤条件一致的杉木人工林.样地于2014年进行首次间伐，保留活立木株数1 415株·hm-2；2017年4月进行第2次间伐，并采取完全随机区组设计，实施不同强度的间伐处理.根据间伐株树所占的比率，共设3种保留密度，即900株·hm-2(间伐强度为35%，HIT处理)、1 200株·hm-2(间伐强度为23%，LIT处理)和1 415株·hm-2株(未间伐0%，CK).每个处理3个重复，共9块样地，样地面积均为400 m2.每块样地之间设置约5 m隔离区，样地四周埋设水泥桩，对样地内的林木进行挂牌标号.每年连续定位观测并记录间伐后3 a内林木的生长指标(胸径、树高和冠幅等).树高采用超声波测高仪(瑞典VertexⅣ)测量.林分基本特征详见表2.

表2 洋口16年生试验林林分概况Table 2 General information of 16-year-old test stand in Yangkou

1.3 数据处理

1.3.1 林分数据计算 径阶平均胸径：以2 cm为1个径阶，对林分内保留活立木胸径进行划分，然后计算各径阶林木的平均胸径.计算公式表示如下：

(1)

式中，N表示第i阶总株数，di表示第i径阶胸径平均值.

运用Excel软件对胸径、树高两个因子进行回归拟合，选取R2最大值作为最佳回归方程，再运用各径阶平均胸径拟合出各径阶平均树高.此外，用拟合树高分析林分树高结构时，以2 m为一个树高级，分别对林分树高进行分类.

单株材积：

(2)

式中，Di为单株胸径，Hi为单株树高[18].

径阶材积：

Vi=υi×Ni

(3)

式中，Ni为第i阶总株数.

1.3.2 材种株数划分 林分各材种以径阶大小为区分标准，分别计算各径阶活立木出材量，并按表3所示比例对林分活立木各径阶中各材种所占株数进行归并[20].

表3 各径级杉木株数材种占比Table 3 Quantity of timber under different diameter classes

1.3.3 材种出材量计算 对各径阶不同材种株数进行划分后，分别按规格材和非规格材(小条木)计算各材种出材量及其林分总出材量.

当平均胸径<6 cm时，按式(4)计算材积量；当平均胸径≥6 cm时，则采用杉木出材经验公式[21]计算.其中，规格材各材种出材量的计算公式表示如下：

V(非规格材)=3.602 437 58×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69

(4)

非规格材(小条木)出材量计算公式表示如下：

V(非规格材)=-0.027 555 240 9+3.686 494 63×10-3×D+1.672 443 05×10-3×H

(5)

1.4 数据处理

采用Excel对数据进行整理统计，并运用SPSS 20.0软件对数据进行分析.使用单因素方差分析法分析不同间伐强度下不同材种结构随林龄变化的影响；用主体间效应检验分析同一指标在不同间伐强度下的差异显著性；采用Duncan法对均值进行多重比较，利用Originpro 2017绘图.

2 结果与分析

2.1 间伐强度对林分生长、蓄积量及出材量的影响

2.1.1 间伐强度对林分平均胸径、平均树高生长的影响 图1显示：间伐前平均胸径和树高间不存在明显差异；与间伐前相比，间伐后胸径和树高均有提高.随着林龄的增加，林分平均胸径、平均树高均呈递增趋势，且胸径平均每年生长量显著大于树高平均生长量.强度间伐与弱度间伐下林分平均胸径生长量差异不显著，而强度间伐和弱度间伐下林分的平均胸径生长量大于未间伐的对照林分.不同处理下林分平均树高的生长速度较为一致，但在不同处理间，强度间伐和弱度间伐下平均树高生长量大于未间伐的对照组.不同处理下林分平均胸径和平均树高随林龄的增加呈现逐渐增大的趋势.

BT为间伐前，AT为间伐后.不同字母表示不同间伐处理林分间有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)差异.图1 不同间伐强度下林分的胸径和树高的变化趋势Fig.1 Change of DBH and tree height under different thinning intensities

从表4可知，从间伐后第2年开始，胸径定期增长量和增长率随间伐强度的增大而增大，且间伐后第3年，强度间伐的胸径与对照组间表现出明显差异(P<0.05).间伐处理后树高定期增长量和增长率明显大于未间伐样地(对照组)，不同间伐强度处理下，树高定期增长率随林龄的增大表现为HIT>LIT>CK；间伐后第3年开始，树高增长量和增长率的变化规律表现为HIT>LIT>CK，且强度间伐和对照组间的树高增长量均表现出明显差异(P<0.05).

表4 不同间伐强度下胸径和树高定期增长量和增长率1)Table 4 Increments and growth rates of DBH and tree height at regular intervals under different thinning intensities

从表5可知，间伐强度与16年生和17年生林分的平均胸径、平均树高均存在极显著差异(P<0.01)；与19年生林分的平均胸径和树高存在显著差异(P<0.05).

2.1.2 间伐强度对林分胸高形数和径高比的影响 由表6可以看出，间伐前，胸高形数和径高比在组间没有显著差异；间伐处理后，间伐强度对胸高形数和径高比有影响，强度间伐和对照组间差异最为显著(P<0.05).随着林龄的增加，不同间伐强度间的差异仍然存在.相同林龄、不同间伐强度下，胸高形数均表现为CK>LIT>HIT，而径高比表现为HIT>LIT>CK；同一间伐强度、不同林龄条件下，胸高形数随林龄的增大而减小，径高比随林龄的增大而增大.在第19年以前，间伐强度对胸高形数和径高比没有显著影响(P>0.05)；第19年间伐强度对其表现出显著的影响(P<0.05).

表5 不同间伐强度的形数、径高比计算1)Table 5 Calculation of form factor and diameter-height ratio of different thinning intensity

表6 胸径、树高、形数以及径高比的主体间效应检验1)Table 6 Inter-subject effect test of DBH, tree height, shape number and diameter-height ratio

2.1.3 间伐强度对林分单株材积和蓄积量生长的影响 从图2可看出：未间伐前各样地的林木平均单株材积与林分蓄积量间没有显著差异(P>0.05)；间伐后，强度间伐和弱度间伐间平均单株材积不存在显著差异，但与未间伐样地相比，间伐显著提高了林分平均单株材积；随着间伐强度的增大，样地内林木平均单株材积表现为HIT>LIT>CK；随着林龄的增加，间伐对样地内林木平均单株材积的影响更加显著(P<0.05)(图2).间伐后，随着林龄的增加，不同间伐强度下林分蓄积量随林龄的增加呈递增趋势.在观测年限内，不同间伐强度下林分蓄积量表现出与平均单株材积相反的变化趋势，即CK>LIT>HIT(图2).同时，从表7可看出，在第18年不同间伐强度对林分蓄积量产生显著影响(P<0.05)，林分的平均单株材积在第19年(间伐后第3年)存在显著差异(P<0.05).

BT为间伐前，AT为间伐后.不同字母表示不同间伐处理林分间有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)差异.图2 不同间伐强度下平均单株材积和林分蓄积的变化趋势Fig.2 Average individual volume and stand volume under different thinning intensities

由表7可以看出，不同间伐强度下样地内林木平均单株材积的定期增长量和增长率均随间伐强度的增大而增大；从间伐后第2年开始，强度间伐的单株平均材积与未间伐林分间存在显著差异(P<0.05).随着林龄的增加，林分蓄积定期增长量和增长率均呈递增趋势；间伐后随着林龄的增加，林分蓄积定期增长量表现为LIT>CK>HIT，而在第19年随着间伐强度的增大，林分蓄积定期增长率表现为HIT>LIT>CK(在第19年以前并未表现出此规律).同时，在观测时间内，不同间伐强度下林分蓄积出材量和出材率不存在显著差异(P>0.05)(表8).

2.2 间伐强度对林分各材种出材量和出材率的影响

从图3可以看出，随着林龄的增大，规格材总出材量呈增长趋势，但规格材总出材量在不同林龄间伐强度的增大始终表现为HITLIT>CK.

该试验林伐后3 a林分内各材种的出材量和出材率的变化情况如表9所示.

表7 不同间伐强度下林分平均单株材积和蓄积的定期增长量和增长率1)Table 7 Growth and growth rate of average volume per plant and volume at regular intervals under different thinning intensities

表8 平均单株材积、蓄积量及其增长量和增长率的主体间效应检验1)Table 8 Test of intersubjective effec of mean individual volume, stand volume, increment and growth rate

BT为间伐前，AT为间伐后.不同字母表示不同间伐处理林分间有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)差异.图3 不同间伐强度下林分总规格材(SW+MW+LDT)出材量和出材率Fig.3 Total output and outturn percentage of timber in all dimensions under different thinning intensities

从表9可知，间伐处理后，小条木(非规格材)仅出现在未间伐的林分内，且随着林龄的增加出材量和出材率均表现出递减趋势.间伐处理明显降低了林分内小径材的出材量和出材率，随间伐强度的增大表现为HITLIT>CK；且随着林龄的增加，各林分大径材出材量和出材率始终呈增长的变化趋势.

由表10可以看出，随着林龄的增加，不同间伐处理下林分小条木和小径材的出材量和出材率的定期增长量始终呈负增长，且间伐强度越大下降越快，小径材尤为明显.中径材出材量和出材率的定期增长量在不同间伐处理的林分中表现出不同的增长规律，表现为HITLIT>CK，第19年大径材出材率的定期增长量表现为HIT>LIT>CK.由此可见，间伐能够影响林分材种结构的变化，但不同间伐强度下各林分材种随时间的变化还需进一步观测.

表9 不同间伐强度下林分各材种出材量和出材率1)Table 9 Output and outturn percentage of timbers with various specifications under different thinning intensities

表10 不同间伐强度下林分各材种的出材量和出材率的定期增长量1)Table 10 Output and outturn percentages of timbers with various specifications at regular intervals under different thinning intensities

从表11可知，间伐处理后，小条木出材量和出材率在不同林龄间均存在极显著差异(P<0.01)；不同林龄的小径材出材量在不同间伐下存在显著差异(P<0.05)，随着林龄的增加差异性增强，而出材率在第18年和第19年表现出显著差异(P<0.05)；第19年中径材出材量在不同间伐强度处理下表现出显著差异(P<0.05).不同间伐强度处理下，大径材出材量与出材率间没有显著差异(P>0.05).

3 小结与讨论

研究[22-23]表明，间伐强度能够显著增大样地内林分胸径，但树高受间伐的影响不显著.本研究发现：抚育间伐能够促使样地内保留木平均胸径的增长，而且间伐强度越大，胸径生长量越大；样地内林分平均树高的增长也受间伐强度的影响，但影响程度不及胸径.这与张标铭[24]、龚固堂等[25]、刁娇娇等[26]的研究结果相一致.表明间伐减少样地内保留木的株数后，调整了林分空间结构，扩大了林分中活立木的生长空间，改善林木间的竞争，促使样地内林木胸径和树高增加.本研究结果还表明，间伐对林木高径比和胸高形数均有影响，但不存在显著差异.肖兴翠等[27]研究间伐强度对香椿干形的影响时发现间伐后的胸高形数和高径比均略低于对照组；同时，胸高形数随着林龄、胸径、树高等的增大有变小的趋势[28-27].而谌红辉等[30-31]研究结果表明，随密度的增加林木高径比增大.而本研究结果也表明，在相同林龄、不同间伐下，胸高形数和高径比均表现为CK>LIT>HIT；同一间伐强度不同林龄时，胸高形数和高径比随林龄的增大而减小，且间伐处理后的胸高形数和高径比均低于对照组.随着间伐强度的增强，样地内林分密度降低，促使冠径生长，从而增大林木个体，降低高径比，提高林木个体质量，但不利于通直干形的形成.

表11 不同间伐强度对林分材各种结构的主体间效应1)Table 11 Inter-subjectivity effect of thinning intensity on stand timber structure

郑鸣鸣等[32]研究结果表明，随着间伐强度的增大，样地内林木平均单株材积增大，而林分蓄积量则表现出与单株材积相反的增长趋势，间伐强度越大，林分蓄积量越小；但间伐强度对样地内林木平均单株材积和林分蓄积量均存在显著影响.这与本研究结果一致.样地内林木胸径和树高均随间伐强度的增强呈递增趋势，故平均单株材积也随着间伐强度的增强而增大[33].间伐处理后(间伐1 a以后)随着林龄的增加，林分蓄积定期增长量表现为LIT>CK>HIT；而在第19年生时，随着间伐强度的增大，林分蓄积定期增长率表现为HIT>LIT>CK.这与熊光康等[34]的研究结果不同，可能与间伐后观测的时间长度和间伐后样地内活立木株数有关系.样地保留密度是影响林分材种结构、出材数量和质量的重要因素[35]，而林分各材种出材量在不同间伐强度下的变化情况是评价间伐效果的重要指标[20].卢绍军[36]在研究间伐强度对杉木人工林生长量的影响时发现，30%～35%的间伐强度对中林龄生长有极显著的促进作用.而本研究发现，随着间伐强度的增大，大径材出材量和出材率越大，小径材出材量和出材率越小[37]，而非规格材(小条木)仅出现在未间伐林分内.与未间伐林分相比，间伐处理缩短了中径材达到峰值的时间，随林龄的增长和样地内林分保留株数的减少，杉木各径级分布逐步向下一径级偏移的时间缩短，规格材结构也发生规律性变化[38].由此可见，间伐会引起不同材种出材量和出材率变动，促使小、中径材更早达到峰值，有效提高大径材材种的出材量[5].同时本研究还发现，在相同林龄的不同林分间，活立木规格材总出材率随间伐强度的增大而增加，表现为HIT>LIT>CK，且受间伐影响显著.而杨桂娟等[39]的研究结果表明强度间伐和中度间伐下大径材的出材率较大，具体表现为中度>强度>对照>弱度，这与本研究结果不完全一致.郭光智等[40]认为杉木人工林不同材种结构的形成与立地质量、林分密度以及林龄关系密切，且立地质量起决定作用.由此可见，抚育间伐不仅能够影响林分材种结构，还能促使小中径材更早进入下一径阶，而且在立地质量(SI≥22)及间伐强度(0≤间伐强度≤35%)条件下，间伐强度越大，越宜大径材培育.