杉楠不同近自然改造模式对杉木林分生长及材种出材量的影响

摘 要：【目的】杉木林下套种闽楠的近自然改造模式是当前我国杉木人工林近自然改造的主要技术模式。研究杉木-闽楠不同近自然改造模式对杉木林分生长以及材种结构的影响，可为杉木大径材培育目标下筛选适宜的杉木-闽楠近自然改造模式提供重要依据。【方法】以湖南郴州西山林场杉木-闽楠近自然改造试验林为研究对象，设置3个不同的杉木-闽楠近自然改造模式和1个纯林对照，并对不同模式下杉木的胸径、树高、冠幅、单木材积和蓄积量以及杉木大、中、小径材的出材量和出材率进行分析比较。【结果】相比于对照纯林模式，除林分蓄积量外，3种近自然改造模式的杉木平均胸径、平均树高、平均冠幅及单木平均材积均大于对照模式，不同模式下杉木胸径、树高、冠幅、单木材积和蓄积量均存在极显著差异（P<0.01）。同时，不同模式的大、中、小径材出材率差异极显著（P<0.01）。4种模式的大径材出材量和出材率大小排序为T1>T2>T3>CK，即杉木大径材的出材量和出材率随杉木占比的增大而减小。杉木大径材的材种出材量与杉木平均胸径、林分优势高、平均冠幅正相关，而与杉木保留密度负相关。【结论】与杉木纯林相比，杉木-闽楠近自然改造模式可以促进杉木的生长。近自然改造模式T1（3杉7楠）下，有利于培育杉木大径材。较低的杉木保留密度更有利于优化林分的材种结构，培育杉木大径材及超大径材。

关键词：杉木；闽楠；近自然改造；林分生长；材种出材量

中图分类号：S791.27 文献标志码：A 文章编号：1673-923X（2024）12-0051-08

基金项目：“十四五”国家重点研发计划课题（2021YFD2201304）。

Effects of close-to-nature silviculture mixed with Phoebe bournei in Chinese fir plantations on stand growth and timber assortment output of Chinese fir

JIANG Yihang1，2， HU Yuxin1， LIU Zhenhua3， LI Dangren4， LIU Na1， PAN Honglin1， ZHANG Jianguo1， ZHANG Xiongqing1，2

（1. State Key Laboratory of Efficient Production of Forest Resource， Research Institute of Forestry Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China； 2. Collaborative Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， Jiangsu， China； 3. Hunan Academy of Forestry， Changsha 410000， Hunan， China； 4. Hunan Xishan State Forest Farm of Linwu， Chenzhou 424300， Hunan， China）

Abstract：【Objective】Close-to-nature silviculture of Chinese fir plantations mixed with Phoebe bournei is the widely silviculture mode in China. Exploring the effects of close-to-nature silviculture mixed with P. bournei in Chinese fir plantations on forest growth and timber assortment output of Chinese fir provides insight into selecting suitable silviculture mode for large-size timber production.【Method】Based on the Chinese fir forests mixed with P. bournei in Chenzhou Xishan Forest Farm， Hunan， four treatments were set in the study， including three close-to-nature silviculture modes mixing with P. bournei and one control mode. The diameter at breast height， tree height， crown width， tree volume and stand volume of Chinese fir as well as the timber assortment output were analyzed and compared under different modes.【Result】Compared with the control mode， other than the stand volume， the mean diameter at breast height， mean tree height， mean crown width and mean tree volume of the three close-to-nature silviculture modes were all greater than those of the control mode. There were significant differences between diameter， tree height， crown width， tree volume and stand volume（P<0.01）. Moreover， the timber assortment output rate of Chinese fir was also significantly different （P<0.01）. The large-size timber output and rate of mode T1 were the largest， followed by mode T2， T3， and CK， and the output and rate of large-size timber of Chinese fir decreased with the increase of the proportion of Chinese fir. The large-diameter timber output of Chinese fir was positively correlated with mean diameter， dominant height of stand and mean crown width， but negatively correlated with the retention density of Chinese fir.【Conclusion】Compared with pure Chinese fir stand， the close-to-nature silviculture modes can significantly promote the growth of Chinese fir. Close-to-nature silviculture mode mixed with P. bournei in Chinese fir forests （T1： the ratio of Chinese fir and P. bournei is 3∶7） is conducive to cultivating large-size timber of Chinese fir. A lower retention density of Chinese fir is helpful for optimizing the timber assortment structure and cultivating large-size /super-large-size woods of Chinese fir.

Keywords： Cunninghamia lanceolata； Phoebe bournei； close-to-nature silviculture； stand growth， timber assortment output

森林经营管理影响森林的组成和结构，森林的组成和结构决定了森林的功能[1]。不同的森林经营模式通常会影响森林的生长和结构变化[2-3]。杉木Cunninghamia lanceolata是我国特有的重要速生人工用材树种[4]。近年来，随着人们生活水平提高，木材市场正朝着高端化、高值化、多样化方向发展。由于杉木经营周期短，传统杉木木材市场主要以中小径材为主，大径材严重缺乏，杉木大径材高效培育已成为当今杉木人工林经营的一个主要方向。在传统的杉木人工林经营中，长期采用同龄纯林和多代连栽方式，导致林分结构单一、径级结构简单，严重阻碍了杉木的可持续发展。在杉木大径材培育过程中，为调整林分结构，通过林下套种乡土阔叶树种的近自然改造已成为常规经营措施。闽楠Phoebe bournei为樟科常绿高大乔木，是我国特有的珍贵阔叶用材树种，其材性优良，树干笔直，经济价值比较高。由于闽楠早期生长需要相对遮阴的环境，因此，在杉木人工林的近自然改造中，闽楠通常被作为更新树种引入，使得杉木从针叶林向针阔混交林转化。采用杉木-闽楠复层异龄林经营模式，是实现杉木人工林可持续发展的有效途径。探索科学合理的杉木-闽楠近自然改造模式对培育杉木大径材和闽楠珍贵用材、维持土壤肥力、缓和市场大径材供需矛盾具有重要意义。

尽管目前杉木-闽楠的近自然改造模式已被广泛应用推广，但是改造周期相对比较短，而且主要针对杉木近、成熟林下套种闽楠[5-7]，而对于杉木林下套种闽楠，研究杉木生长及材种结构的研究相对较少。本文拟以湖南省临武县西山国有林场11年生杉木套种闽楠林分为研究对象，分析套种闽楠7年后杉木林分的生长情况及材种结构的变化，以期为在杉木大径材培育目标下筛选适宜的杉木闽楠近自然改造模式提供参考依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省临武县西山国有林场。东临双溪乡，西接永州市蓝山县，南与广东省连县交界，北与城关、花塘、武源乡接壤，经营总面积18.65 hm2，有林地面积 17.81 hm2，活立木总蓄积量567 604 m3，森林覆盖率84.47%。研究区处于中亚热带向南亚热带的过渡地带，属中亚热带季风湿润气候区。年平均气温16.0℃，无霜期历年平均230～260 d，日照时数2 628 h，年降水量1 500～1 900 mm。研究区内植被丰富，树种结构为杉、松、阔、竹，其面积比为2.6∶3.2∶2.7∶1.5，成土母岩主要是侏罗纪的花岗岩。

1.2 试验设计及研究数据

试验地设置在湖南郴州西山林场，选择2004年生杉木实生苗造林，于2015年抚育间伐一次，同年套种闽楠。根据针阔混交比例，共设置4种模式，其中T1、T2和T3模式为近自然改造模式，各9个样地；CK模式为纯林对照，有3个样地；共计30个样地，样地大小为20 m×30 m。各模式的样地号、针阔混交比例、杉木保留密度和闽楠套种密度见表1。2022年对改造林地进行调查，对样地内的活立木进行每木检尺，主要林分调查因子包括胸径、树高、冠幅、郁闭度、地理坐标、海拔、坡向、坡度、坡位、土壤类型、土壤厚度等。

1.3 研究方法

1.3.1 单株材积和林分蓄积量计算

利用调查的杉木胸径和树高数据，采用杉木颁布二元材积经验式[8]计算单株材积。对样地内单株材积累加求和得到样地的总材积，并换算为林分每公顷蓄积量。

1.3.2 杉木大、中、小径材出材量和出材率

以2 cm为一个径阶，对杉木胸径进行径阶划分，并计算各径阶平均直径和平均树高。依据林分立木材种按径阶大小的区分标准，按表2中不同径级林木材种株数占比[8]，计算各径阶大、中、小径材的株数，并计算各径级大、中、小径材原条用材的出材量和出材率。

本文利用方差分析研究改造模式对杉木生长和材种结构的影响，并通过LSD检验分析不同模式的差异。

2 结果与分析

2.1 杉木生长特征分析

通过划分径级比较4种模式的杉木平均生长特征，见表3。在5～10 cm径级，各模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积及蓄积量变动范围分别为7.79～8.75 cm、6.80～7.19 m、2.02～2.27 m、2.78～2.97 m、0.02 m3及0.27～0.53 m3·hm-2；10～15 cm径级各模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积及蓄积量变动范围分别为12.65～13.41 cm、8.77～12.73 m、2.19～2.88 m、3.07～4.36 m、0.07～0.10 m3及1.26～20.02 m3·hm-2；15～20 cm径级各模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积及蓄积量变动范围分别为17.34～18.47 cm、10.03～14.68 m、2.37～3.24 m、3.48～4.91 m、0.13～0.20 m3及11.51～77.24 m3·hm-2；20～25 cm径级各模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积及蓄积量变动范围分别为21.89～22.63 cm、11.50～15.53 m、2.62～3.54 m、4.13～5.38m、0.23～0.31 m3及68.67～105.31 m3·hm-2；25～30 cm径级各模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积及蓄积量变动范围分别为26.34～26.81 cm、12.61～16.44 m、2.21～4.13m、3.14～6.00 m、0.37～0.46 m3及23.78～40.60 m3·hm-2； 30～35 cm径级各模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积及蓄积量变动范围分别为30.00～31.89 cm、16.40～17.41 m、3.53～5.20 m、5.89～6.90 m、0.59～0.70 m3及1.09～19.42 m3·hm-2。

除对照组25～30 cm径级平均东西冠幅、平均南北冠幅数据略小于20～25 cm径级外，不同模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积整体上均随着径级的增大而不断增大；由于各径级蓄积量除了受到径级大小的影响外，还与径级株数有关，所以各径级的蓄积量并未表现出随径级的增大而增加的趋势。

2.2 不同改造模式对杉木生长的影响

4种模式的杉木平均生长因子见表4。由表4可知，各模式的杉木平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅、单木平均材积及蓄积量的变动范围分别为18.27～23.17 cm、10.32～15.25 m、2.28～3.50 m、3.29～5.33 m、0.16～0.35 m3及141.25～232.16 m3·hm-2。除蓄积量外，3种近自然改造模式的平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅及单木平均材积均大于对照模式。

2.2.1 不同改造模式对杉木胸径和树高的影响

3种近自然改造模式与对照组间平均胸径差异极显著（P<0.01）。T1模式杉木平均胸径以23.17 cm居首，对照组杉木纯林平均胸径为18.27 cm，为4种模式中的最小值。4种模式的平均胸径大小排序为T1>T2>T3>CK。3种近自然改造模式与对照组相比平均树高差异极显著（P<0.01），T1模式杉木平均树高以15.25 m居首，对照组杉木纯林平均树高为10.32 m，为4种模式中的最小值。T1模式和T3模式之间杉木树高差异不显著。4种模式的平均树高大小排序为T1>T3>T2>CK。

2.2.2 不同改造模式对杉木冠幅的影响

3种近自然改造模式与对照组相比，平均东西冠幅差异极显著（P<0.01）。T2模式杉木东西冠幅以3.50 m居首，对照组杉木纯林东西平均冠幅为2.28 m，为4种模式中的最小值。4种模式的平均东西冠幅大小排序为T2>T1>T3>CK。

在不同的改造模式下，T1模式的杉木南北冠幅以5.33 m居首，对照组杉木纯林南北平均冠幅为3.29 m，为4种模式中的最小值。T1模式和T2模式间平均南北冠幅差异不显著，但与T3模式差异显著，3种模式与对照组相比平均南北冠幅差异极显著（P<0.01）。4种模式的平均南北冠幅大小排序为T1>T2>T3>CK。

2.2.3 不同改造模式对杉木单木材积和蓄积量的影响

4种模式间杉木单木材积差异极显著（P<0.01），单木平均材积大小排序为T1>T2>T3>CK。同时，4种模式的杉木林分蓄积量差异极显著（P<0.01），林分蓄积量大小排序为CK>T3>T2>T1。

2.3 不同改造模式对杉木材种结构的影响

由表5可知，不同模式间小径材出材量和出材率差异极显著（P<0.01），4种模式的小径材出材量和出材率大小排序为CK>T3>T2>T1，小径材的出材量和出材率随杉木占比的增大而增大。

不同模式间中径材出材量和出材率差异极显著（P<0.01），4种模式的中径材出材量大小排序为T3>CK>T2>T1，4种模式的中径材出材率大小排序为T3>T2>CK>T1，即除对照模式外，3种模式杉木中径材的出材量和出材率也随杉木占比的增大而增大（表5）。

不同模式间杉木大径材出材量差异不显著（P>0.05），大径材出材率差异极显著（P<0.01），4种模式的大径材出材量和出材率大小排序为T1>T2>T3>CK，即杉木大径材的出材量和出材率随杉木占比的增大而减小（表5）。

不同模式下杉木出材量和出材率的结果表明，杉木比例的增大，有利于中、小径材出材量和出材率，但不利于培育大径材，表明较低的杉木保留密度更有利于优化林分的材种结构，促进杉木大径材生长。

2.4 杉木材种出材量与林分特征因子的相关性

根据杉木材种出材量与林分特征因子的Pearson相关性分析，发现杉木大径材材种出材量与杉木平均胸径、林分优势、平均冠幅正相关，而与杉木保留密度负相关；中径材材种出材量与冠幅显著正相关，而与其他因子相关性不显著；小径材材种出材量与胸径显著负相关，与其他因子相关性不显著（图1）。

3 讨 论

3.1 近自然改造模式对杉木各生长指标的影响

近自然经营主要通过抚育间伐，降低上层保留密度，提高林分空间，从而减少竞争。目前，多数的研究主要集中在对于胸径、树高、材积及林分蓄积量等方面的影响。研究认为近自然经营减少对光、养分等资源的竞争，优化林分结构，促进保留木胸径、材积以及冠幅的增长；而对于对保留木树高生长、林分蓄积量的影响结论不一，可能是由于树种的不同而导致其对经营的响应不同。Lamson等[10]分析了近自然经营后的加拿大糖槭Acer negundo Linn.林分，发现采伐经营后会一定程度上减缓糖槭的树高生长。Smith等[11]则研究发现采伐经营后对美国黑樱桃Prunus maximowiczii Rupr.和加拿大糖槭的树高生长影响差异不显著，但是对黄杨木Buxus sinica的树高生长具有显著的促进作用。由于近自然经营是围绕保留目标树展开的，上层林木与其他林木生长对经营措施的响应存在差异，对整体林分生长的贡献也有所差异。

本文分析了杉木中龄林下套种闽楠7年后的杉木林分的生长情况，发现林下套种闽楠后，促进了杉木的胸径、树高、冠幅和单木材积生长。不同模式下杉木的胸径、树高、冠幅、单木材积和蓄积量均存在极显著差异（P<0.01）。除林分蓄积量外，对照组杉木纯林平均胸径、平均树高、平均东西冠幅、平均南北冠幅和单株材积都低于3种近自然改造模式，这与前人的研究结果较为一致。Ward[12]对北美红栎Quercus rubra的研究发现，近自然改造经营能促进北美红栎保留木的胸径生长。宁金魁等[13]对北京西山地区油松Pinus tabuliformis人工林近自然化改造效果进行了评价，发现相对于未进行近自然化改造的林分，改造过的林分由于林分内林木有效利用空间，资源得到提高，使得油松保留木年生长量较高。李婷婷等[5]研究发现杉木近自然经营能够改善保留木所处光环境、减缓保留木之间竞争，从而促进杉木保留木生长和林分蓄积量增加。林同龙[14]比较了杉木近自然经营方式和常规经营方式，发现杉木近自然经营的林分平均树高、平均胸径、单株木材积等指标明显高于常规经营方式，各项指标分别提高了8.61%～17.64%、9.24%～17.64%、27.94%～58.46%，近自然经营方式显著提高了林分生产力。雷雨燕[15]以湖南省龙山县万宝山林场日本落叶松Larix kaempferi人工林为研究对象，发现6种不同经营模式的树高增量、胸径及蓄积增长存在一定差异，总体来看近自然经营模式下树高增量最高。张涛[16]分析了近自然经营模式下的油松、华北落叶松Larix principis-rupprechtii以及天然白桦林Betula platyphylla，发现近自然经营短期内可以显著促进林木胸径、单木材积的生长，但是经营后林分总蓄积量低于未经营，这是由于影响林分总蓄积量的主要是单木材积和株数，经营抚育后造成林木株数减少，在经营初期单木材积的增加量在一定的时间内难以抵消掉株数减少带来的产量下降，因此林分的总蓄积量显著低于对照林分。Bosela等[17]研究发现近自然经营后樟子松Pinus sylvestris的断面积增量呈负趋势，而冷杉Picea abies的径向生长随着时间的推移并未受到影响。Hilmers等[18]评估了挪威云杉Picea abies（L.） Karst.近自然改造后的林分生长情况，发现经营改造后单木连年生长量和平均生长量得到明显提高。总之，相对于对照纯林模式，杉楠近自然改造模式促进了杉木胸径、树高、材积和冠幅的生长。同时，在这3种近自然改造模式中，模式T1（3杉7楠）下杉木各生长指标相对较高，有利于杉木的生长。

3.2 近自然改造模式对杉木材种结构的影响

近自然经营模式在采伐过程中以保留目标树为核心，伐除对目标树构成竞争的干扰树，使其经营后的林分中大径木比例提高，更有利于保留木的生长，从而提高大径材出材量。在本研究中，T1改造模式（3杉7楠）下，杉木大径材的出材量和出材率都达到最大，而中小径材的出材量和出材率最小。其次，无论是何种改造模式，杉木的大径材出材量和出材量都高于对照纯林。研究结果表明，杉木比例的增大，有利于中、小径材出材量和出材率，但不利于培育大径材，表明较低的杉木保留密度更有利于优化林分的材种结构，促进杉木大径材生长，培育杉木大径材及超大径材。程冀文[19]分析了内蒙古旺业甸林场近自然不同经营方式对油松人工林、落叶松人工林和天然白桦林的材种结构变化影响，发现近自然经营后的林分大径材比例增长幅度最大。近自然经营采伐释放大径阶树木的生长空间，使其充分利用充足的光照环境，提高大径材出材量。王科等[20]分析了近自然经营对黔中马尾松Pinus massoniana天然次生纯林生长的影响，近自然经营使得大径木比例得到提升，有利于提高大径材生产。张可欣等[21]研究了近自然化改造、常规经营和无经营活动3 种经营方式对马尾松人工林材种出材量的影响，发现近自然化改造方式下马尾松大径材出材量比其他两种经营方式都高。谢阳生等[22]分析了马尾松人工纯林近自然化改造效果，发现近自然化改造的林分生长量显著高于对照未经营林分，并且林分生长量主要集中于较大径阶的马尾松，提高了马尾松大径材出材量，使得马尾松林分价值得到显著提升。在近自然经营模式下，当杉木林分内低活力林木被移除时，林分内可利用的资源得到增加，提高了大树的生长优势，从而提高大径材出材量。其次，通过材种出材量与林分因子相关性分析，发现近自然经营释放了生长空间，促进了杉木冠幅生长，提高了光合作用，从而增加了杉木大径材出材量。

4 结 论

本研究对不同近自然改造模式下杉木的胸径、树高、冠幅、单木材积和蓄积量进行了分析，并对不同模式下杉木大、中、小径材的出材量和出材率进行了分析比较。除林分蓄积量外，3种模式的平均胸径、平均树高、平均冠幅及单木平均材积均大于对照模式。不同模式下杉木胸径、树高、冠幅、单木材积和蓄积量间均存在极显著差异（P<0.01）。T1模式的杉木平均胸径、平均树高、平均南北冠幅和单株材积在4种模式中居首。其次，研究发现杉木大径材材种出材量与杉木平均胸径、林分优势高、平均冠幅正相关，而与杉木保留密度负相关。

通过对不同改造模式下杉木材种结构进行分析发现，不同模式的大、中、小径材出材率差异显著（P<0.01），中、小径材出材量差异显著（P<0.01）。4种模式的大径材出材量和出材率大小排序为T1>T2>T3> CK。因此，近自然改造模式T1（3杉7楠）下，有利于培育杉木大径材，较低的杉木保留密度更有利于优化杉木林分的材种结构，培育杉木大径材及超大径材。

本研究结果在一定程度上为杉木近自然改造提供了理论依据。然而，杉楠改造模式尚处于早期，有关近自然改造对杉木各生长指标的长期影响有待今后对试验样地的跟踪调查，以进一步了解杉木-闽楠近自然改造对林分生长、材种出材量的影响。

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[本文编校：戴欧琳]