太行山侧柏树干心材与边材的厚度及其与直径的关系

摘要：在太行山石灰岩山地50年生侧柏（Platycladus orientalis）纯人工林中，采用树干解析与生长锥法调查了树干径向组分心材、边材、树皮的厚度及方位差异，分析了各组分厚度与树干直径的相关关系，构建了回归模型。结果表明，70株样树的树干直径分布在3.92～15.95 cm，平均直径为9.80 cm，即平均半径为4.90 cm，其中心材厚度（2.70 cm，占半径的55%）gt;边材厚度（1.84 cm，38%）gt;树皮厚度（0.36 cm，7%）。树干半径及心材厚度在不同方位间无显著差异；边材厚度及树皮厚度存在显著的方位差异，南侧最大。树干半径、心材厚度、边材厚度与树干直径呈极显著正相关；建立了树干不同方位心材、边材厚度与树干直径的非线性与线性回归模型。

关键词：侧柏（Platycladus orientalis）； 心材； 边材； 直径； 相关关系； 太行山

中图分类号：S791.38" " " " "文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）11-0122-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.11.021 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The thickness of heartwood and sapwood of Platycladus orientalis and its relationship with the trunk diameter in Taihang Mountains

LI Zhen-hua， WANG Ke-xing， HUANG Yan-li

（School of Civil Engineering and Architecture， Xinxiang University， Xinxiang" 453003， Henan， China）

Abstract： In a 50-year-old Platycladus orientalis plantation in the limestone mountains of Taihang Mountain， the thickness and orientation differences of the tree radial components， including heartwood， sapwood and bark，were investigated by trunk analysis and growth cone method. The correlation between the thickness of each component and the trunk diameter of the tree was analyzed， and a regression model was established. The results showed the trunk diameter of 70 sample trees ranged from 3.92 cm to 15.95 cm with an average diameter of 9.80 cm and an average radius of 4.90 cm， the thickness of heartwood （2.70 cm， accounting for 55% of radius） gt; sapwood thickness （1.84 cm， 38%） gt; bark thickness （0.36 cm， 7%）. There was no significant difference among four directions in trunk radius and heartwood thickness； there was a significant directional difference in sapwood thickness and bark thickness， with the largest value in the south direction. There were extremely significant positive correlations between stem radius， heartwood thickness， sapwood thickness and trunk diameter. The nonlinear and linear regression models of each component thickness and trunk diameter were established in different directions of the tree trunk.

Key words： Platycladus orientalis； heartwood； sapwood； diameter； correlation； Taihang Mountains

树木干部通常分为心材、边材、树皮三部分。心材位于树干中央，由死细胞组成，由于富含树脂、色素等物质，色泽较深，质地较密实，对树木起到支撑结构作用；边材靠近树皮，由浅色、柔软和具活性的薄壁细胞组成上下联通的导管和管胞，保障水分和养分等液流输导［1］。研究树木心材、边材的结构特征，是探索树木水分和养分利用机理、树木生长收获模型及木材工艺利用的基础［2］。边材厚度相对稳定，心材厚度及树木半径随树木年龄而不断增加［3］，但树木种类、生长区域及气候条件不同，其心材、边材的厚度组成存在一定差异。尤其边材厚度对评估树木蒸腾耗水、光合生产及呼吸消耗对策有关键作用［4，5］，因此，在实践中需要精准测量。如测定蒸腾量的常用方法是树干液流探针法［6-8］，在安装探针和利用点位数据扩展估算树木整株或整片林分的蒸腾量时，需要明确树干边材厚度，即蒸腾液流由下至上通过树干的截面宽度。若能建立树干直径与心材、边材厚度的可靠关系，则可在野外条件下快捷、安全地通过简单测量树干直径来推算树干组分厚度，并进行液流探针的准确安装与液流数据的扩展计算［9-11］。已有相关研究多关注树干边材形成及向心材的转化机制、树干径向组成及其空间变异特征等［12-14］，针对树干直径与树干心材、边材厚度关系的研究还不充分。因此，在太行山南侧的低山丘陵区，以当地典型造林树种侧柏（Platycladus orientalis）为对象，在当地林业部门抚育间伐作业时期，通过树干解析法与生长锥钻取树芯法观测近地表处树干的心材、边材等组分厚度，采用单因素方差分析法比较方位差异，采用回归分析法建立树干直径与树干组分厚度的关系，为开展森林生态水文研究奠定基础，也为科学培育与管护侧柏人工林提供依据。

1 研究区概况

研究区位于河南省辉县市的方山（35°49′33″N，113°49′17″E），属南太行低山丘陵地带，海拔平均为220 m。属于暖温带大陆性季风气候，历年平均气温14 ℃；年均降水量650 mm，夏秋季降水量占全年的72%，且多暴雨；年均湿度68%，最大冻土深度285 mm。无霜期为220 d，全年日照时间约2 400 h。主要植被类型为20世纪70年代人工种植的侧柏人工纯林，极端困难立地分布的是杂灌丛。侧柏是太行山石灰岩山地主要造林树种之一，适应当地干旱缺水、土壤瘠薄的恶劣环境，并在防风护坡、保持水土等方面发挥了重要的生态功能。

2 方法

2.1 样地设置与样树选取

2020年3—6月，在研究区内相邻的4个不同坡向（阳坡、阴坡、半阳坡、半阴坡）的坡面上，避开林缘和林窗，在侧柏纯林（林龄约50 a）内部选择立地条件和郁闭度适中的代表性地段，共设置10个调查样地，面积均为10 m×10 m。对每个样地所有林木的胸径、树高逐一调查，然后各选择5～10株不同径级（代表优势度）的林木为调查样树，共70株样树。

2.2 树干径向组分厚度观测

在当地林业部门开展抚育间伐期间，采用树干解析法实测其中40株样树树干近地表处（1 m以下，避开树疤、枝杈等）的树盘，采用生长锥钻取另外30株样树近地表处的树干直径（东西、南北2个轴向）树芯样本，带回室内打磨样品表面，并标记出东、西、南、北4个方位，然后根据心材、边材及树皮等组分的颜色、材质差异，测定并记录各组分的厚度。心材厚度为树干髓心到心材外缘的长度，边材厚度为心材外缘至树皮内缘的长度，每个方位的心材、边材及树皮的厚度之和为该方位的树干半径，2个相反方位的半径之和为该轴向的树干直径。

2.3 数据处理与统计方法

采用Excel 2016软件整理所有样树的树干直径及各径向组分的厚度数据，采用SPSSAU在线分析软件对不同方位间各组分厚度的差异进行单因素方差分析及差异显著性检验，对各组分厚度与树干直径的关系进行Pearson相关分析及一元线性、非线性回归分析，根据决定系数（R2）和显著性（P）来筛选拟合度最优的生长曲线作为预测各组分厚度的回归模型。

3 结果与分析

3.1 树干径向组成特征

调查70株侧柏的树干直径为3.92～15.95 cm，平均直径为9.80 cm，即平均半径为4.90 cm。由表1可知，心材厚度是树干径向的主要组分，平均为2.70 cm，占半径的55%；边材厚度是次要组分，平均为1.84 cm，占半径的38%；树皮厚度是最小组分，平均为0.36 cm，占半径的7%。

树干半径在不同方位间的差异不显著，大小排序为北侧（5.15 cm）gt;东侧（4.91 cm）gt;南侧（4.86 cm）gt;西侧（4.69 cm）。心材厚度在不同方位间的差异也不显著，大小排序为北侧（2.93 cm）gt;东侧（2.79 cm）gt;西侧（2.63 cm）gt;南侧（2.45 cm），占半径的比例排序为北侧（60%）gt;东侧（57%）gt;西侧（54%）gt;南侧（50%）。边材厚度在不同方位间存在显著差异，南侧最大，平均为2.02 cm（占比41%），略大于北侧（1.89 cm，39%），显著大于东侧（1.76 cm，36%）和西侧（1.69 cm，34%）。树皮厚度在不同方位间存在极显著差异，主要表现为南侧、西侧、东侧的数值极显著大于北侧。

综合来看，树干北侧的半径最大、心材最厚、树皮最薄；树干西侧的半径最小、边材最薄；树干南侧的心材最薄、边材最厚、树皮最厚；树干东侧的各项数据均适中。

3.2 与直径的相关关系

由表2可知，不同的树干径向组分，其厚度与树干直径的关系有很大差异。整体上，相关系数的大小排序为半径gt;心材厚度gt;边材厚度gt;树皮厚度。其中，半径、心材厚度及边材厚度（除南侧外）均与东西直径、南北直径、平均直径呈极显著正相关，南侧的边材厚度仅与南北直径呈显著正相关，与东西直径、平均直径相关性均不显著；树皮厚度与树干直径的相关系数都很低，多为0.2～0.3，仅南侧、北侧这2个方位上与树干直径存在显著正相关。东、西侧的各组分厚度与东西直径的相关系数较大，其次是平均直径、南北直径；南、北侧的组分厚度与南北直径的相关系数较大，其次是平均直径、东西直径。综上可知，如果用树干直径来估算和预测不同方位的树干径向组分厚度，最好用与该方位所在轴向的树干直径数据，并且可靠度最高的是心材厚度，其次是边材厚度，最低的是树皮厚度。

3.3 与直径的回归模型

由表3可知，非线性模型多为幂函数或二项式函数，其拟合优度R2最高，即用所在轴向的直径数据对树干径向组分厚度进行估算和预测的精度相对较高；同时列出了线性模型供参考使用，其R2均略低于非线性模型，但计算更简便，实用性好。所有模型均通过F检验，P基本都小于0.01，即有效。从R2大小可知，树干直径对半径、心材厚度的估算和预测精度较高，对边材厚度的估算和预测精度较低。

4 讨论与小结

4.1 讨论

本研究考虑坡向、坡位、树木优势度等因素的影响，在不同坡面、坡位上选择了不同优势等级的70株侧柏样树，将数据平均后，分析树干不同组分的厚度、方位差异及其与树干直径的关系。调查发现，在研究区50年生侧柏林中，树干组分以心材为主，其厚度平均为2.70 cm，占半径的55%，边材厚度平均为1.84 cm，占38%，树皮占7%。心材边材厚度比为1.47。本研究与王华田等［6］在北京西郊对22～57年生侧柏林中的研究结果相似，其心材、边材厚度分别为2.29、1.72 cm，心材边材厚度比为1.33。吴芳［15］在陕西省安塞县黄土丘陵区安装液流探针时，其选择的30年生侧柏样树的边材厚度为2.4～3.3 cm，高于本研究结果，可能与其研究区的气候条件更为干旱有关。

本研究中，侧柏树干半径、心材厚度在4个方位间均不存在显著差异，这与周翼飞等［16］对迎春5号杨树（Populus nigra × Populus simonii）、常建国等［17］对油松（Pinus tabuliformis）的研究结果相似；但不同的是，本研究区域侧柏的边材厚度在南侧较大，显著高于东侧、西侧，北侧适中；树皮厚度在北侧较小，显著低于南侧、西侧和东侧。原因可能在于，这2项研究所在的地形较平坦，树木稀疏、树冠相互遮蔽少，水热环境相对均匀，不同方位间树干组分可以均衡发育；而本研究地区处在丘陵地带，林分密度大，方位间存在资源环境的先天差异，导致侧柏树干组分特征发生适应性变化。但其对坡向、密度等因素的具体适应机制，还需扩大样本量继续深入研究。如果在该地区侧柏林中使用液流探针测定树木蒸腾，建议安装在边材厚度相对适中的树干北侧。

本研究先采用相关分析法，确定树干直径与心材、边材厚度的关系均达到极显著正相关，然后采用回归分析法对数据进行线性与非线性函数关系拟合，发现心材厚度与树干直径的关系以幂函数来表达为最优，其决定系数为0.656～0.781，即树干直径对心材厚度变化的解释程度或预测精度达65.6%～78.1%。边材厚度与树干直径的回归模型多以二项式函数为最优，这与周凤艳［14］建立的沙地樟子松（Pinus sylvestris）边材厚度与树干直径的结论类似；但其构建的模型决定系数较高，很多达0.8以上，而本研究中模型的决定系数较低，基本低于0.3。原因可能在于，该文献的研究地区为平坦的沙地，相较于本研究区的丘陵地形，其树木发育更好，相关规律更明显；此外，该文献构建的模型R2明显受到林龄的影响，在10年生树木上建立的模型R2普遍较高，最高达0.975 3，最低为0.569 7；而在20年生、30年生树木上的R2明显降低，为0.205 3～0.733 7。本研究中的树木林龄多在50年左右，故模型预测精度更接近于该文献中相对高龄的树木。相对于心材（由死细胞组成）的逐年稳步形成，边材的生长受更多环境因素的影响，未来需考虑其他因素，进一步探究其变化机制和提高模型优度。

4.2 小结

在太行山南麓的石灰岩山地，50年生侧柏的树干组分中，心材、边材、树皮的厚度分别占半径的55%、38%、7%；心材厚度在不同方位间的差异不明显，边材厚度、树皮厚度存在显著方位差异；心材厚度、边材厚度均与树干直径呈显著正相关；构建了不同方位的心材厚度、边材厚度与树干直径的线性与非线性回归模型，其中，幂函数预测心材厚度的精度较高，二项式函数预测边材厚度的精度较低。未来可考虑其他环境因素影响，继续补充样本数量，深入探究树干组分厚度的组成特征及变化机制，不断提高模型的适用性和预测的精准性。

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收稿日期：2023-11-02

基金项目：河南省高等学校重点科研项目（22B180014）；河南省科技攻关项目（222102320104）；新乡学院博士科研启动项目（1366020158）

作者简介：李振华（1985-），男，河南辉县人，讲师，博士，主要从事森林生态、园林绿化研究，（电话）15736988795（电子信箱）lzhh2016@126.com。