廣西大青山杉木人工林斷面積生長的長期密度與立地效應(yīng)1)

郭光智 李曉燕 姜麗 段愛國 張建國

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京，100091)

林分斷面積與林木數(shù)量、直徑結(jié)構(gòu)、林齡、立地質(zhì)量等密切相關(guān)，林分斷面積不僅反映林木群體營養(yǎng)空間利用程度，還可以作為表征林分生長與收獲的指標，是林分生長、收獲的核心因子和重要基礎(chǔ)[1]。盛煒彤[2]提出的人工林育林技術(shù)體系中，密度、立地控制起著基礎(chǔ)且重要的作用。林分密度是影響林分生長和人工林群落結(jié)構(gòu)的重要因素之一，對人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及生物生產(chǎn)力具有重要影響[3]。密度控制是人工林經(jīng)營中可人為調(diào)控的主要技術(shù)措施，通過密度控制達到適宜的初植密度或保留密度，可有效掌控林分空間競爭格局，調(diào)整林木競爭態(tài)勢，調(diào)控林分生長[2]。以往關(guān)于林分密度控制的研究常側(cè)重于不同密度對林分蓄積、生物量、林下植被的影響等方面[4-9]。立地控制是使造林做到適地適樹適品種(立地與樹種、品種相匹配)的根本性措施，相關(guān)研究主要反映在立地定性、數(shù)量化評價及優(yōu)勢木平均高生長曲線簇[1，10]。

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb). Hook.)是我國南方亞熱帶地區(qū)重要的鄉(xiāng)土速生針葉用材樹種[6]。杉木人工林密度效應(yīng)研究開展較早，重點集中在密度、立地控制下林分的自然稀疏；樹高、胸徑、冠幅、材積生長的密度；立地作用規(guī)律、生長模擬等方面的研究[7-16]。劉景芳等[17]對杉木中帶、南帶、北帶林分生長的密度、立地早期作用規(guī)律進行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)造林密度、間伐保留密度、立地指數(shù)均顯著作用于杉木林生長過程。而南亞熱帶為杉木生長的南緣地帶，也是杉木的重要產(chǎn)區(qū)，關(guān)于該區(qū)域杉木林分斷面積生長的長期密度、立地效應(yīng)研究尚屬空白。本研究根據(jù)廣西大青山36年生杉木密度試驗林定位觀測數(shù)據(jù)，分析完整輪伐期內(nèi)林分斷面積生長動態(tài)，以期揭示南亞熱帶大青山杉木林分斷面積生長的長期密度與立地效應(yīng)規(guī)律，為杉木人工林的高效定向培育提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于廣西憑祥市境內(nèi)中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心伏波林場(106°43′E，22°6′N)，屬北熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，濕潤半濕潤氣候，光熱條件極好，降水充沛，但夏濕冬干，10—3月為干季，4—9月為濕季。年平均氣溫19.9 ℃，年降水量1 400 mm，年蒸發(fā)量1 200 mm。海拔500 m，地貌主要為低山，坡度25°～30°。土壤以發(fā)育在花崗巖等母質(zhì)上的紅壤為主，土層厚度大于1 m。林下植被主要有大沙葉(PavettaarenosaLour.)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa(Ait.) Hassk.)、金毛狗脊(Cibotiumbarometz)、鐵線蕨(Adiantumcapillus-venerisL.)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

杉木密度試驗林由中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所于“六五”國家科技攻關(guān)初期建造。1982年春，采用廣西當(dāng)?shù)厣寄痉N源1年生裸根苗進行種植，設(shè)置5種初植密度，分別為1 667、3 333、5 000、6 667、10 000株·hm-2(株行距分別為2.0 m×3.0 m、2.0 m×1.5 m、2.0 m×1.0 m、1.0 m×1.5 m、1.0 m×1.5 m，分別記為A、B、C、D、E)。采用隨機區(qū)組設(shè)計，每種密度重復(fù)3次(A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3，D1、D2、D3，E1、E2、E3)，共15塊樣地，每塊樣地面積為600 m2。每塊樣地周圍各栽植2行相同初植密度的杉木作為保護帶。

2.2 測樹因子調(diào)查

在杉木固定樣地內(nèi)，對每株杉木進行掛牌記號，每年停止生長后進行調(diào)查。林分1982—1991年10 a間逐年調(diào)查，1991年(12年生)后分別于1993、1994、1995、1997、1999、2003、2005、2007、2009、2015年進行調(diào)查。3～4年生時，每年測定每木樹高；5～6年生時，每年測定每木樹高、冠徑及樹高達1.3 m以上的胸徑；7年生開始，每年測量每木樹高、胸徑、冠徑及枝下高；林分達10年生，除檢尺每木胸徑外，每個小區(qū)隨機測量50株樹高、冠徑、枝下高。在每個小區(qū)的上、中、下坡位各選2株優(yōu)勢木，將這6株優(yōu)勢木的平均高作為林分優(yōu)勢高，如果上1個觀測年度選定的優(yōu)樹枯死或因其它原因缺失，則在原選定優(yōu)勢木附近補選1株優(yōu)勢木。截至2015年，連續(xù)定位測定至林分36年生，期間未進行間伐。

2.3 數(shù)據(jù)處理

用EXCEL、SPSS 19等軟件進行數(shù)據(jù)處理，SigmaPlot 10.0等軟件制作圖形。胸徑以2 cm為1個徑階，以林分單株胸徑的均方值為林分平均胸徑。試驗小區(qū)立地指數(shù)級：根據(jù)1999年(20年生)計算的優(yōu)勢高確定試驗小區(qū)的立地指數(shù)，以2 m為1個樹高級距，整化為立地指數(shù)級。A1、A2、A3立地指數(shù)級分別為14、18、16；B1、B2、B3立地指數(shù)級分別為16、14、16；C1、C2、C3立地指數(shù)級分別為16、10、16；D1、D2、D3立地指數(shù)級分別為18、16、14；E1、E2、E3立地指數(shù)級分別為16、10、18。對于初植密度相同的試驗小區(qū)，若立地指數(shù)級相同，則根據(jù)需要對有關(guān)測樹因子進行平均化處理。如，立地指數(shù)級同為16的樣地B1、B3，則取這2個樣地測樹因子的平均值代表該指數(shù)級B密度樣地，用B1-3表示。

林分斷面積生長率計算采用普雷斯勒生長率公式：

式中：Zt為生長率；bt-n為初期斷面積；bt為末期斷面積；n為間隔年數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 相同初植密度不同立地指數(shù)級林分斷面積的生長動態(tài)

圖1至圖5為相同初植密度不同立地指數(shù)級林分斷面積及其連年生長量、年平均生長量的動態(tài)變化。從圖中可以看出，在林齡、初植密度相同時，林分斷面積及其連年生長量、年平均生長量隨立地指數(shù)級增大而增大，其峰值也隨立地指數(shù)級增大而增大。初植密度相同時，立地指數(shù)級越高，林分斷面積生長率越大。但A密度林分在幼齡期后出現(xiàn)相反情況，立地指數(shù)級越低，林分斷面積生長率越高。立地指數(shù)級為16的A3、E110年生時，林分斷面積生長率A3的大于E1的，分別為20.73%、14.96%；18年生時，林分斷面積生長率A3的小于E1的，分別為3.90%、6.81%。立地指數(shù)級為18的A2、E310年生時，林分斷面積生長率A2的大于E3的，分別為18.50%、17.67%；18年生時，林分斷面積生長率A2的小于E3的，分別為4.21%、9.33%。28～30年生期間，多數(shù)林分斷面積處于滯長期(年增長量低于0.5 m2·hm-2·a-1)，D、E等高密度林分在幼齡期后更早地進入滯長期，且立地指數(shù)級越高，如D1、E3，進入滯長期越早。36年生時，A2的林分斷面積約為A1的1.6倍，C1-3約為C2的1.8倍，E3約為E2的1.6倍，但后二者的立地指數(shù)級差距更大，說明立地對較低初植密度林分斷面積的影響更大。

SI為立地指數(shù)級；CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

SI為立地指數(shù)級；CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

SI為立地指數(shù)級；CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

SI為立地指數(shù)級；CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

SI為立地指數(shù)級；CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

3.2 相同立地指數(shù)級不同初植密度林分斷面積的生長動態(tài)

圖6至圖9為相同立地指數(shù)級不同初植密度林分斷面積及其連年生長量、年平均生長量的動態(tài)變化。從圖中可以看出，林分斷面積隨林齡增長而增加，達到高峰后除A密度林分，其余密度林分均呈下降趨勢。林分斷面積在11～16年生期間增長迅速，從20年生起增長速度減慢。C、D、E等中高密度林分因自然稀疏強度較大，其成熟期時林分斷面積下降明顯。

CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

CAI為連年生長量；MAI為年平均生長量。

圖9 立地指數(shù)級為16的不同初植密度林分斷面積、相對生長、連年生長量、年平均生長量的動態(tài)變化

在林齡、立地指數(shù)級均相同時，初植密度越大，林分斷面積及其連年生長量、年平均生長量越大。立地指數(shù)級相同時，林分斷面積及其連年生長量、年平均生長量的峰值隨初植密度增加而增大，但不同密度的林分斷面積及其連年生長量、年平均生長量差異隨林齡增長呈下降趨勢。其中林分斷面積的年平均生長量峰值，C2、E2的分別為1.872 3、2.696 6 m2·hm-2·a-1；A1、B2、D3的分別為1.645 0、2.166 7、2.898 0 m2·hm-2·a-1；A3、B1-3、C1-3、D2、E1的分別為1.736 1、2.579 9、2.871 1、3.519 1、3.662 4 m2·hm-2·a-1；A2、D1、E3的分別為2.241 7、3.717 8、4.393 9 m2·hm-2·a-1。相同立地條件時，初植密度越大，林分斷面積的連年生長量、年平均生長量達到峰值的時間越早。如立地指數(shù)級為14的A、B、D密度林分，林分斷面積的年平均生長量達到峰值的時間分別為12、11、10年生時；立地指數(shù)級為18的A、D、E密度林分，林分斷面積的年平均生長量達到峰值的時間分別為12、10、8年生時。但林分斷面積達到峰值的時間特點有所不同，立地指數(shù)級為16以上的林分，初植密度越高，達到峰值的時間越早，如A3、B1-3、C1-3、D2、E1分別為36、24、24、18、20年生時，A2、D1、E3分別為36、28、18年生時；立地指數(shù)級為14以下的林分，初植密度越高，達到峰值的時間越晚，如C2、E2分別為18、20年生時，A1、B2、D3分別為24、24、36年生時。

立地指數(shù)級為16的不同初植密度林分斷面積總生長及其相對生長、林分斷面積的連年生長量、平均生長量動態(tài)變化(圖9)可以看出，立地指數(shù)級為16的不同初植密度林分，在14年生前，其林分斷面積均隨林齡增長而快速增加，其中A3的林分斷面積隨林齡持續(xù)增長，B1-3、C1-3、D2、E1林分斷面積分別在24、24、18、20年生時達到峰值，隨后輕微下降。隨林齡增長，C1-3、D2、E1林分斷面積的差距逐步縮小、漸趨一致，D2在9年生時超越E1，C1-3在20年生時超越D2。對于每公頃林分斷面積，20年生時，A3、B1-3、E1、D2、C1-3的分別為30.504 0、39.148 8、41.188 3、44.491 0、44.755 9 m2·hm-2；20年生后，以A3增長趨勢最好，E1下降幅度最大；36年生時，E1、D2、A3、B1-3、C1-3的分別為30.593 0、34.403 7、39.786 0、40.584 7、43.032 9 m2·hm-2。以A3林分斷面積為參照，可明顯看到不同初植密度林分斷面積與其相比，隨林齡增長，差距逐漸減小。不同初植密度林分，其斷面積連年生長量隨林齡增長逐步下降，密度越大下降速度越快，差距逐漸縮?。黄鋽嗝娣e平均生長量隨林齡增長先快速增加，密度越大增長速度越快，在林齡10～15年生期間達到峰值后逐步下降，差距逐漸縮小。

4 結(jié)論與討論

通過對廣西憑祥36年生杉木密度試驗林的長期定位觀測，對4個立地指數(shù)級、5種初植密度的杉木人工林林分斷面積生長的長期密度、立地作用規(guī)律進行研究，結(jié)果表明，幼齡林階段，杉木林分斷面積及其連年生長量、年平均生長量與林齡、密度、立地指數(shù)呈正相關(guān)。成熟期時，中等初植密度C林分斷面積最大。林分斷面積隨林齡增長而增加，除A密度林分外，其余密度的林分斷面積達到峰值后均呈下降趨勢。初植密度相同時，林分斷面積及其生長量峰值均隨立地指數(shù)級的增大而增大?？傮w上，立地指數(shù)級相同時，密度越大，林分斷面積及其生長量達到峰值越早且峰值越大。不同初植密度林分斷面積隨林齡增長，差距縮小并趨于一致。林分斷面積生長受密度和立地的疊加影響，但立地對較低初植密度林分斷面積的影響更大。

林分斷面積取決于林分平均單株斷面積、株數(shù)密度[18]。36年生時，C密度林分斷面積最大，因為C密度林分雖發(fā)生自然稀疏的頻度并不低于D、E等高密度林分，但自然稀疏強度明顯低于D、E等高密度林分。由于這種自然稀疏起到了類似輕度間伐的效果，使得C密度林分的平均單株斷面積與保留活立木株數(shù)組合后得到的林分斷面積明顯高于其它林分。對比立地指數(shù)級為16的南帶杉木林分生長過程表[17]，30年生時，C密度試驗林分斷面積(43.36 m2·hm-2)略高于標準林分總斷面積(42.36 m2·hm-2)，表明南亞熱帶大青山C密度杉木林分有較高的生產(chǎn)潛力。低密度林分斷面積生長率前期大于高密度林分，后期則相反，主要因為低密度林分隨林齡增長，生長空間對徑生長的抑制作用不斷加強；高密度林分在生長后期由于自然稀疏釋放了部分生長空間，林分斷面積生長率明顯提高，這與杜紀山等[19]、孫洪剛[20]的研究結(jié)論一致。

林分斷面積與林齡密切相關(guān)[21-22]。立地指數(shù)級、初植密度相同情況時，林分斷面積的平均生長量比胸徑平均生長量到達峰值晚2～5 a，與已有研究結(jié)論一致[23]。林分生長后期出現(xiàn)較低初植密度、立地指數(shù)級的林分斷面積連年生長量大于較高初植密度、立地指數(shù)級的情況，這與陳繪畫等[23]、唐守正[24]的研究結(jié)論一致。林分斷面積及其平均生長量達到高峰(數(shù)量成熟)的年齡隨初植密度增大而提前，與已有研究結(jié)論一致[24]。林分斷面積速生期隨立地指數(shù)增加而縮短，這與胡曉龍[25]的研究結(jié)果一致。

36年生時，相同立地指數(shù)級不同初植密度，多數(shù)林分斷面積趨于一致，如立地指數(shù)級為10的C2、E2林分斷面積分別為23.391 6、23.246 4 m2·hm-2；立地指數(shù)級為16的A3、B1、C1、D2、E1林分斷面積分別為39.786 0、36.007 8、33.001 6、34.403 6、30.593 0 m2·hm-2；立地指數(shù)級為18的A2、D1林分斷面積分別為42.374 5、42.102 0 m2·hm-2，這一現(xiàn)象可通過“最終產(chǎn)量恒定”法則[26]解釋，與Pienaar et al.[27-28]提出“一定造林密度范圍內(nèi)、立地條件相似、成熟期未間伐林分，單位面積上的斷面積趨于1個共同漸近線”的結(jié)論一致，也與孫洪剛等[22]提出的“只要人工林立地條件相同，經(jīng)足夠長時間，林分斷面積最終趨于一致”的研究結(jié)論一致。