林龄和立地条件对冀北山地油松单木生长量和生长率的影响

杨晓聪，陈晓蔷，窦松傲，李倩茹，许中旗，贾彦龙

(1 河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2 河北农业大学 经济管理学院，河北 保定 071000)

树木的生长对森林的结构和功能具有重要影响，历来受到人们的关注[1]。生长量和生长率是常用的表示树木生长的指标。其中，树木生长量是一定时期内树木增长量的绝对数值，受到林分立地条件的影响。例如坡向、坡位、土层厚度等均会影响到树木的生长量[2-4]。树木生长率是指林木的连年生长量与其总生长量的比值，是树木相对生长速度以及对未来生长量预估的重要指标，是否受到立地条件影响还有争论[5]。

目前，人们对不同树种生长率对立地条件的响应得到了不同结果。郝青云在对落叶松生长率进行研究时，认为生长率是一种在原有基数上的相对值，认为立地条件对树木生长率几乎无影响[6]。而杜纪山等通过分析杉木生长率和立地质量的动态变化发现生长率受到立地质量的影响[7]。油松是我国的特有树种，是我国北方主要的造林树种之一，关于立地条件对树木生长量的影响有大量研究，但是关于立地条件对油松生长率的研究较少[8-11]。例如，孙进对秦岭东部油松的分析发现，林龄是决定生长率的主要因素，立地质量的影响不大，但是该研究也强调该结果具有研究地区的局限性[12]。因此，关于油松树木生长率在其他油松分布区是否受到立地条件的影响还不清楚。

燕山北部山地是河北省最重要的森林分布区，京津冀地区的生态屏障，在维持区域生态安全方面具有重要作用，油松是该地区主要造林树种。本研究以河北省围场县木兰围场国有林场油松单木为研究对象，通过设置不同立地质量下油松样地，选取优势木采伐进行树干解析，计算单木胸径、材积、树高的生长量和生长率，分析林龄和立地条件对油松单木生长量和生长率的影响。旨在为研究油松森林资源变化动态以及制定森林采伐限额等提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究地概况

河北省冀北地区的围场满族蒙古族自治县，位于滦河上游地区，属阴山、大兴安岭、燕山余脉的汇接地带，地理坐标为E 116°32′～117°14′，N 41°35′～42°40′，海拔高度750～1 850 m。围场县地处典型的森林-草原交错带，地形包括丘陵、山地、高原等，包含着半湿润-半干旱大陆性季风性气候、寒温带-中温带季风气候、大陆性季风型山地气候等多种气候类型。围场县年平均气温3.1 ℃，年平均降水量445～500 mm。围场县森林植被丰富，植被类型主要以常绿针叶林、落叶针叶林为主，以针阔混交林、阔叶林、灌木丛为辅，油松是当地的主要造林树种之一，具有大面积分布。

1.2 样地设置

以该地区木兰围场国有林场新丰分场油松人工林为研究对象，设置不同立地条件(海拔、土层厚度、坡度、坡位)下油松人工林样地14块，样地情况见表1。油松人工林土层厚度范围是31～100 cm，海拔范围是1 017～1 272 m，坡度的范围是10°～36°，林龄的范围是37～56年，20年树高的范围是5.38～9.59 m。

表1 样地基本信息表

1.3 样地调查与树干解析

在样地内进行每木检尺，调查树高、胸径和冠幅，同时记录山体坡度、海拔、土层厚度等地形因子。根据每木检尺的结果选择样地中胸径大且最高的5株树木，取树高平均值选出平均优势木，伐倒并进行树干解析，共获取解析木14株。根据树高确定区分段，树高小于10 m的以1 m为区分段，树高大于10 m的以2 m为区分段，对各区分段中部、梢头直径处截取圆盘，以1年为间距调查年轮宽度，对数据进行处理。依据树干解析结果，计算每株优势木直径生长量、材积生长量、直径生长率和材积生长率。生长量和生长率随林龄变化的变异系数为同一林龄不同立地条件下各油松优势木生长量或生长率的标准差与平均值的比值。

1.4 建立立地指数

立地指数通常用某一树种在一定基准年龄时的优势木平均高来表示。因此，确定其基准年龄是确定树种立地指数的关键。本研究基于油松优势木解木的树高连年生长量和林龄的关系来确定该地区油松人工林的立地指数。研究发现，树高连年生长量在20年之后生长速度趋于稳定(图1)，因此，可将20年确定为河北省木兰围场地区油松人工林的基准年龄。这与前期研究确定的北京低山地区、河北平泉地区油松人工林立地指数基准年龄一致[8，13]。基准年龄确定后，可利用各样地20年时油松优势木平均树高反应该林分的立地质量，并研究其对油松胸径和材积生长率的影响。

图1 树高连年生长量与林龄的关系

2 结果与分析

2.1 油松单木生长量和生长率与林龄的关系

油松单木不同标准地优势木直径生长量、材积生长量以及直径生长率、材积生长率和林龄的关系，见图2。

图2 油松单木直径、材积生长量和生长率与林龄的关系

对图2进行分析发现，随着林龄的增加，油松单木直径生长量呈现先下降后上升的趋势(R2=0.30)，在林龄为30年左右时直径生长量达到最低值为0.005 m左右。油松单木直径生长率随林龄的增加呈幂指数函数下降趋势(R2=0.78)，在林龄达到20年后开始收敛并趋于稳定在约5%。随着林龄的增加，油松单木材积生长量呈幂指数上升趋势(R2=0.95)，且随着林龄的增加，不同标准地优势木的差异越来越大，说明材积生长量受到立地条件的影响。油松单木材积生长率随林龄增加呈幂指数函数下降趋势(R2=0.89)，在林龄达到20年后开始收敛并趋于稳定在约6%。从该结果来看，直径生长率和材积生长率随林龄变化显著，不同标准地之间差异不大，表现出生长率与立地条件无关。

2.2 油松单木生长量和生长率变异系数与林龄的关系

油松单木不同标准地优势木的直径生长量、材积生长量、直径生长率、直径生长率的变异系数与林龄之间的关系，见图3。

图3 林龄与油松直径、材积生长量及生长率变异系数的关系

对图3分析发现，随着林龄的增加，直径生长量变异系数呈下降趋势，未达到显著水平，直径生长量变异系数的数值主要集中在0.2～0.5之间。随着林龄的增加，直径生长率的变异系数呈下降的趋势，直径生长率变异系数的数值主要分布于0.2～0.6之间。随着林龄的增加，材积生长量变异系数的数值呈下降的趋势，材积生长量变异系数的数值主要分布于0.25～0.7之间。材积生长率的变异系数随着林龄的增加有上升的趋势，材积生长率变异系数的数值主要集中在0.15～0.35之间。可以发现尽管直径生长率和材积生长率在林龄达到20年后逐步收敛并趋于稳定，但是生长率变异系数的数值和生长量变异系数没有显著差异，这表明生长率也受到立地质量的影响。

2.3 油松单木生长量和生长率与立地条件的关系

油松直径、材积生长量及生长率与各立地因子的相关关系，如表2所示。

表2 立地因子与油松直径、材积生长量及生长率的相关关系

对表2分析发现，海拔与油松单木直径生长量、直径生长率、材积生长率呈负相关，其中与材积生长率达到显著水平(P<0.05)，与材积生长量为正相关。坡度和土层厚度与各生长量、生长率均为正相关，但均未达到显著水平。坡位与直径生长量和生长率均为正相关，与材积生长量和生长率均为负相关，都未达到显著水平。总体来说，油松单木生长率受到立地条件的影响，其中海拔是影响油松生长率最重要的立地因子。

2.4 油松单木生长量和生长率与立地质量的关系

20年油松优势木树高与生长量、生长率的关系如图4所示。

图4 油松直径、材积生长量和生长率与立地质量的关系

对图4进行分析发现，直径生长量和生长率均随立地质量的增加呈现显著下降的趋势，而材积生长量呈现增加趋势，材积生长率呈现显著下降趋势。这说明立地质量不仅影响油松单木的生长量，同时对生长率也有重要影响。

3 讨论与结论

前人的研究结果表明，林龄、立地条件、气候条件等均会对森林生长量产生影响[14-15]。本研究结果与前人研究结果一致，油松单木的直径生长量和材积生长量均受到林龄和立地条件的影响。其中，直径生长量随林龄的增加呈现先下降后上升的趋势，其原因是在当地油松林龄30年左右时进行了抚育采伐，油松单木的生长速度加快。材积生长量随林龄的增加呈喇叭形上升趋势，且随立地质量的增加呈现上升的趋势，均说明生长量受到立地质量的影响，立地质量越好生长量越大。

与立地条件对树木生长量的影响不同，立地条件对树木生长率的影响还存在争议。一部分研究认为生长率是一个相对值，其主要受到林龄或胸径的影响，而与立地条件的关系不大，所以在建立生长率模型时并没有考虑立地条件的影响[6,16-17]；然而也有研究认为生长率同样受到立地条件的影响，在建立生长率模型或指导生产实践时应该考虑[7]。本研究以冀北山地油松林为例，首先探讨了不同立地条件下林龄对油松单木生长量和生长率的影响，生长量随林龄增加呈现喇叭形分布，林龄越大不同立地条件的生长量越分散，说明立地条件对生长量有影响；而生长率随林龄增加呈现幂指数降低且逐渐收敛的趋势，与之前马炜等的研究结果类似[18]。从表象上来看，生长率主要受到林龄或胸径的影响，不同立地条件的样地间差别不大，这也是之前很多研究认为立地质量对生长率无影响的主要原因。然而，本研究通过进一步分析不同立地条件下油松单木生长量和生长率随林龄的变异系数发现，油松单木生长量和生长率的变异系数基本无差别，特别是生长率变异系数并未随林龄增加有显著降低的趋势，说明虽然生长率随林龄增加逐渐趋于稳定，但并不代表其在不同立地质量下的变异变小。经过逐一分析海拔、坡度、土层厚度、坡位与油松生长量和生长率的关系发现，海拔是影响油松生长率最大的立地因子。魏安超和张大为在研究云南松单木材积生长率时也认为海拔有重要影响[19]。本研究分析了该地区油松林立地质量与生长率的关系，发现立地质量确实对油松单木生长率有重要影响，随着立地质量增加油松单木胸径、材积生长率呈显著降低趋势，其主要原因是立地质量越好的林分其总材积和胸径越大，当年的生长量与总量的比值越低，即生长率越低，其规律与材积生长量随立地质量的变化正好相反。

本研究初步回答了油松单木生长量和生长率受到立地条件影响的问题，特别是材积生长率会受到海拔的重要影响，这表明在建立油松生长率模型时应考虑立地条件的影响，而不仅是林龄或胸径的影响，这对油松林经营和生长预测具有重要意义。当然，由于本研究样地和优势木树干解析数量较少，该结果的应用存在局限性，未来需要加强对样地数据的调查，对更多样地进行研究，以得到更为准确的结果。