撫育間伐對紅松人工林林木形質的影響

于 雷 賈煒瑋 叢培東

（1. 東北林業大學林學院，森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 黑龍江省牡丹江市林口林業局，黑龍江 牡丹江 157660）

人工林在我國森林生態系統中占有重要地位，連續森林資源清查中，我國人工林面積始終位居世界首位[1]。第九次全國森林資源清查結果顯示，中國人工林面積7 954.28萬hm2，占喬木林地森林面積的36.45%；人工林蓄積33.88億m3，占喬木林森林蓄積的19.86%，中幼齡林面積比例高達65%，成熟林的比重偏低，可采資源嚴重不足[2]。然而，大量針葉人工純林在不進行撫育經營的情況下，普遍出現了森林競爭的惡化和林分質量的下降，通過對紅松進行不同強度的撫育間伐而獲得紅松林生長的最佳合理空間，充分利用生長周期中的光、熱、水、土等自然條件進一步提高林分生產力。不同林分環境所適應的撫育間伐強度也不盡相同[3-8]。

林木形質的形成過程以及影響因素漫長且復雜，對于樹木的遺傳特性和外在的環境因素均對形質有著不同程度的影響，在用材林中林木形質的好壞與否決定著林木出材率的大小與經濟價值的高低。歐建德等[9]對巒大杉（Picea mariana）樹干質量進行了研究，結果表明，樹高、胸徑和冠幅是決定樹干形質的重要因素。林木尖削度和徑高比影響木材質量和經濟價值，是重要的樹干形質指標，因此在森林經營中可以通過調節這些樹木因子來控制樹干質量。劉杏娥等[10]研究了初植密度對小黑楊（Populus simonii×P. nigra）人工林各形質指標的影響，結果表明，不同的初植密度對小黑楊生長指標有顯著影響，其中對胸徑、尖削度、徑高比、活枝下高等形質指標的影響達極顯著水平，但對樹高的影響較弱。隨著林分密度的減小，林木生長量增大，樹干尖削度增大；同時活枝下高逐漸降低。陳永亮等[11]研究了不同經營密度對紅松（Pinus koraiensis）分杈的關系。結果表明：樹干分杈率、分杈類型和高度均會隨著林分保留密度的逐漸增大而呈現規律性變化。蔡堅等[12]的研究表明間伐強度對樹干胸高形數和胸高形率的影響不顯著，但間伐強度為35%左右時林木形質相對較好。韓明躍等[13]對云南松（Pinus yunnanensis）的研究表明，撫育采伐可明顯提高云南松林木的通直度水平。一般而言，林分密度越大，林木干形越豐滿；而林分密度越小，林木尖削度則越大，越易形成較大的節子、年輪寬度以及更多的幼齡材。

林木形質優劣的綜合評價需要一個科學的評價模型而非單個指標的結果，林木形質的水平以多種指標表示，包括胸徑、尖削度、節子、分杈等。東北地區在紅松人工林大徑材培育近年來已經形成體系，目前對于東北鄉土樹種林木形質的研究較少，大部分關于林木形質的研究都只關注一兩個形質指標，亟待解決對于東北地區紅松林木形質綜合評價體系的構建[14-15]。本研究以層次分析法（AHP）作為理論基礎，對不同間伐強度下紅松人工林中林木的生長情況、樹干、側枝三個方面進行綜合系統的分析，對紅松人工林形質進行綜合評價，研究間伐強度對于紅松人工林林木形質的影響，為東北地區人工紅松林大徑材的培育及其他針闊葉樹種的林木形質評價、地方生產提供科學依據。

1 研究區概況

黑龍江省牡丹江市林口林業局地處黑龍江省東南部，地理坐標為（45°51′～45°59′N，129°40′～130°34′E），位于長白山系完達山區，以低山丘陵為主，地形平緩，平均坡度12°～18°，全區海拔高度在400～600 m。該林區土壤區劃屬針闊葉混交林暗棕壤地帶，其中暗棕壤是本局分布面積最大的地帶性森林土壤。林區屬中溫帶大陸性氣候，冬季平均溫度在?33～?21 ℃，年平均溫度為2.5 ℃，極端低溫可達?39 ℃。年平均降水量為580 mm，蒸發量為1 266.5 mm，無霜期在110～130 d，年平均日照時間達2 590 h。林口林區屬針闊葉混交林植被帶，森林植物種類繁多。全局有林地面積為219 689.79 hm2，森林覆蓋率為80.47%，其中：天然林面積157 097.74 hm2，人工林面積43 405.15 hm2，天然人工混交林面積19 186.9 hm2，分別占有林地面積的71.51%、19.76%和8.73%。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

樣地設在林口林業局西北楞林場，所選紅松人工林林地為1986年造林，初植密度為4 400株/hm2。2008年進行了第1次透光撫育，撫育后株數密度為2 300株/hm2。

2015年，林口林業局作為國家林業局森林可持續經營試點項目實施單位，在該林地開展了3種撫育間伐作業強度的透光試驗：重度間伐（株數強度65%，蓄積強度43%）、中度間伐（株數強度50%，蓄積強度28%）和輕度間伐（株數強度40%，蓄積強度18%）（根據試點項目實施方案，經營示范林分可適當突破采伐技術規程中撫育間伐強度的限制）。2016年在不同撫育間伐強度的作業區和對照區（不作業）進行樣地設置并進行了調查，每個撫育強度的作業區和對照區各設置3塊樣地，總計設置了12個20 m×30 m樣地。樣地基本信息見表1。

表1 紅松人工林樣地的基本特征Table 1 Stand characteristics of the plots of studied P. koraiensis plantation

2.2 形質指標的測定與計算

2019年對12塊紅松人工林樣地進行樣地復測和林木形質指標調查，包括對樹高、胸徑的測量，得出胸徑、樹高2期數據從而計算出胸徑年平均生長量與樹高平均增長量；統計不同間伐強度的林地內紅松林木的分杈數量得出分杈率。冠幅、樹干基徑、枝下高及胸徑和樹高數據均采用傳統方法利用鋼卷尺、超聲波測高器進行人工測量；關于林木尖削度指標中樹干中央直徑部分，采用激光望遠測樹儀（RD1000）與超聲波測高器相互配合的方法進行測量。

2.2.2 樣木解析

根據樣地內每木檢尺結果，進行徑階歸類，采用等截面徑級標準木法，按由小到大的順序將林分劃分為5個等級，分別計算各等級的平均胸徑和平均高。根據該標準，在每個樣地附近選取5株相應大小的紅松樣木進行樹干解析、枝解析和節子剖析工作[16]。對每株解析木的所有側枝的基徑進行一一測量并計數，從而得出側枝數、側枝基徑。通過專業人員處理得到清晰完整的節子輪廓，見圖1。樹干內部的節子可以分為健全節和疏松節。圖1中B點到D點為健全節，D點到O點為疏松節。疏松節為死枝與木材脫離的部分，是影響木材材質的主要因素[17]。

圖1 節子剖面Fig. 1 Cross-sectional view of knot

2.2.3 形質指標選擇

關于林木形質綜合評價體系構建暫無統一標準，但對于以往研究案例中往往依據目標樹種的生物學特性以及樹種的特定經營目標與其所在林分的自身特點進行選擇。本研究在于世川等[18]的研究基礎上，結合紅松林木的生物學特點、紅松大徑材培育的特定經營目標與所選樣地所在林分的自身特點的共同作用下進行形質指標選擇。

生長情況指標的選擇：將冠徑比、樹高平均生長量和胸徑年平均生長量作為生長情況的3個指標。

樹干情況指標的選擇：將高徑比、尖削度、疏松節比例、分杈率作為樹干情況的4個指標。

長時間TH過量，就會損傷胰島素功能，如果胰島素分泌降解加快且分泌量減少后，孕婦的糖尿病以及相關并發癥就會加重，同樣，糖尿病也會導致孕婦出現甲狀腺等疾病。相關學者研究指出，對糖尿病患者做好飲食控制，在血糖穩定后，患者甲亢危象以及并發癥就會消除[7]。當孕婦甲狀腺功能出現異常時，會導致其血脂指標紊亂，低密度脂蛋白膽固醇以及載脂蛋白、甘油三酯水平上升。

側枝情況指標的選擇：將自然整枝能力、側枝數、枝粗指數、側枝平均基徑作為側枝情況的4個指標。

本研究從樹木生長、樹干和側枝3個因素對紅松人工林的形質進行評價。每個因素選擇的指標定義見表2。

表2 紅松人工林林木形質評價指標Table 2 Evaluation index of trees form quality ofP. koraiensis plantation

由于紅松木材整體表現通直，極少單木出現明顯彎曲的單木情況，同時各個樣地內林木的健康程度也較好，尚未發現病蟲害等問題。因此干形的通直情況、林木的健康狀況不在本研究形質指標選擇范圍之內。

根據上述紅松人工林每木檢尺、樣木解析所獲得的數據計算得出紅松林木人工林各指標數據。各指標概況見表3。

表3 紅松人工林各指標調查概況Table 3 Survey of indices of P. koraiensis plantation

2.3 林木形質評價體系的構建

根據層次分析法（AHP）的原理，選取林分形質指標，構建AHP的框架，見圖2。

圖2 紅松林木形質評價體系Fig. 2 System of tree form quality evaluation of P. koraiensis

最高層：又稱之為目標層表示解決問題的目的，即AHP所要達到的目標——林木形質最佳（即：綜合評價得分最高）。

中間層：又稱之為準則層，包括實現目標所涉及的中間環節，由幾個層次組成。本研究分為2個層次：準則層A為林分生長狀況、樹干狀況和側枝狀況；準則層B為樹高平均生長量、胸徑年平均生長量、高徑比、冠徑比、尖削度、疏松節比例、分杈率、自然整枝能力、側枝數，枝粗指數和側枝平均基徑[19]。

最低層：又稱方案層或措施層，即紅松人工林不同的間伐強度和對照。

2.4 判斷矩陣的構建

根據層次分析法中判斷矩陣的構建原則，利用紅松人工林大徑材培育的目標與紅松林木自身生物學特點，同時向專家請教，對各元素進行合理的評價，將同層兩兩元素間的相對重要性進行判斷，按照兩元素A與B同等重要、A比B稍重要、A比B重要、A比B明顯重要和A比B極端重要，分別以1、3、5、7、9作為標度，以2、4、6、8表示相鄰判斷的中間值，用這些值的倒數表示2個元素的反比較[20]。

判斷矩陣構建完成后還需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，例如：A比B重要，B比C重要，而C又比A重要。此時該判斷矩陣的建立是明顯邏輯混亂的，因此判斷矩陣的一致性檢驗顯得尤為重要。當一致性比例（CR）<0.1時，通過一致性檢驗；如若CR≥0.1此時判斷矩陣需要重新校正。

2.5 林木綜合評價得分與形質分級

不同間伐強度下的林木形質綜合評價得分計算方法如下：

式中：Ai為第i種間伐強度的林木形質綜合評價得分；Xij為第i種撫育強度第j個指標所對應得分；Wj為第j個指標的權重。

通過對各個間伐強度最終算得的林木形質綜合評價得分進行等級劃分，按照評價等級標準表計算出林木形質綜合評價的分值，并進行了分類。大于等于80分為優質Ⅰ級；70～80分為Ⅱ級良好；60～70分為中等，記為Ⅲ級；50～60分為Ⅳ級，形質較差；50分以下為Ⅴ級，形質差。

3 結果與分析

3.1 形質指標的單因素方差分析與差異性比較

將11個形質指標的數據進行單因素方差分析與對照相比，得出不同間伐強度對各個指標的影響，結果見表4。為了能夠更好地對不同撫育間伐強度下的林木形質的各項指標間差異進行比較，計算各項指標的均值，并進行單因素方差分析以及多重比較，見圖3。

圖3 紅松不同間伐強度各個指標差異性Fig. 3 The index difference of P. koraiensis under different thinning intensities

表4 不同間伐強度下各個形質評價指標的情況Table 4 Evaluation index of each form quality under different thinning intensities

續表 4

由表4、圖3可知，與對照相比樹高平均生長量隨著間伐強度的增加呈現出先減后增的趨勢，與對照相比輕度間伐的樹高平均生長量差異不顯著，中度間伐、重度間伐對其所呈現的影響差異顯著（P<0.05）；胸徑年平均生長量隨著間伐強度的增加呈現出增長的趨勢，與對照相比輕度間伐的胸徑年平均生長量差異不顯著，中度間伐、重度間伐對其所呈現的影響差異顯著（P<0.05）；冠徑比隨著間伐強度的增加呈現出增長趨勢，中度間伐與重度間伐相比較差異顯著（P<0.05），其余撫育強度下的數值均差異顯著（P<0.05）；高徑比、尖削度隨著間伐強度的增加所呈現出減小趨勢，其中各項數值均差異顯著（P<0.05）；分杈率隨著間伐強度的增大而增大，各項措施下的該值均差異顯著（P<0.05）；疏松節比例（疏松節長度與節子總長度的比值）總體趨勢隨著間伐強度的增加逐漸減小，其中重度間伐大于中度間伐，不同撫育強度的差異性均為顯著（P<0.05）；自然整枝能力隨著間伐強度的增加，紅松的自然整枝能力逐漸變弱，其中對照與輕度間伐差異性不顯著，中度間伐與重度間伐差異性不顯著；側枝數（>1.5 cm）其規律不明顯，差異性不顯著；枝粗指數隨著間伐強度的增加呈下降趨勢但各個措施下該指標差異不顯著；側枝平均基徑隨著間伐強度的增加總體呈現上升趨勢，中度間伐與重度間伐差異性不顯著，其余差異性均顯著（P<0.05）。

3.2 判斷矩陣的構建與一致性檢驗

根據層次分析法的基本原理，結合紅松林分形質指標的特點，并通過林業行業專家咨詢，構建了林木形質評價判斷矩陣、紅松生長情況指標判斷矩陣、樹干情況指標判斷矩陣和側枝情況指標判斷矩陣。采用R統計學軟件計算各指標的貢獻率和CR運算結果，結果見表5～8。根據一致性檢驗，各判斷矩陣的一致性比率CR分別為0.031 3、0.001 2、0.053 1和0.068 4，表明所構造的判斷矩陣具有較好的一致性，可以用來計算各指標的權重。

表5 林木形質評價判斷矩陣Table 5 Determining matrix of trees form quality evaluation

表6 生長情況指標判斷矩陣Table 6 Determining matrix of growth situation

表7 樹干情況指標判斷矩陣Table 7 Determining matrix of stem form situation

表8 側枝情況指標判斷矩陣Table 8 Determining matrix of lateral branch situation

3.3 評價指標權重

通過高斯迭代法利用R統計學軟件對各層次上評價指標判斷矩陣的最大特征根及其對應的特征向量進行求解，得到林木形質評價指標的權重，見表9。準則層 B的11個指標權重為：尖削度（0.402 54）>分杈率（0.165 58）>胸徑年均生長量（0.162 85）>樹高平均生長量（0.084 47）>高徑比（0.056 24）>自然整枝能力（0.047 31）>疏松節比例（0.031 20）>冠徑比（0.017 48）>側枝平均基徑（0.016 52）>枝粗指數（0.011 81）>側枝數（0.003 96），尖削度、分杈率和胸徑年平均增長量對林木形質影響較大，樹高平均生長量、高徑比、自然整枝能力、疏松節比例對林木形質影響適中，林木形質受冠徑比、側枝平均基徑、枝粗指數和側枝數的影響較小。

表9 評價指標權重Table 9 Relative weight of evaluating indicators

3.4 評價指標等級標準劃分

對各個指標進行單因素方差分析，將各指標的樣本總體的隨機效應95%置信區間的極大值與極小值范圍劃分為5個區間，分別用來代表不同的質量等級。并根據各個指標所表達的生物學意義，按百分制劃分質量等級。質量等級以好、較好、中、較差和差表示，不同質量等級由優到劣的分數分別為100、80、60、40、20分，見表10。依照評價等級標準表計算出林木形質綜合評價的分值，并進行了分類。

表10 評價等級標準Table 10 Rating standard

續表 10

由表11可知，中度間伐的林木形質綜合得分為73.427，表現為林木形質最好的一組形質評價等級定為Ⅱ級，形質表現為良好。重度間伐林木形質的綜合得分為68.114，形質評價等級定為Ⅲ級，形質表現為中等，輕度間伐林木形質得分為59.150，形質評價等級定為Ⅳ級，形質表現為較差；對照組林木形質綜合得分為43.432，形質評價等級定為Ⅴ級，林木形質差。

表11 林木形質綜合得分情況Table 11 Comprehensive score of trees form quality

4 結論與討論

林分通過適當的撫育間伐使得林地的立地質量得到了改善，紅松的樹高生長、胸徑生長、側枝生長得到了促進，同時良好的光照條件使得林地的地溫得到上升，從而更好的促進了植物對水分和養分的吸收。同時撫育間伐使林木側枝得到了更充足的光照條件和生長空間，從而提高了側枝生長的速率，這幾項都使得林木的形質得到提高。

本研究選擇了樹高平均生長量、胸徑年平均生長量、冠徑比這3個指標用來作為紅松林木形質評價的生長指標，通過結果分析可知撫育間伐均對這3個指標能夠呈現出比較顯著的影響。關于林木的生長情況，在后續研究中可以考慮通過枝解析法將側枝的連年生長情況引入生長情況中，探究撫育間伐對側枝連年生長的影響。

關于樹干情況指標的選擇：本研究將高徑比、尖削度、疏松節比例、分杈率作為樹干情況的4個指標。其中高徑比與尖削度均在一定程度上反映紅松林木樹干的飽滿程度。對于高徑比與尖削度這2個指標反映樹干飽滿程度來說有些許不足之處，尤其對于分杈高度較低的紅松林木，在后續研究中可以將尖削度指標進行改進。如：將樹干的不同比例高度下的樹干直徑進行測量從而得出更加細化的尖削度指標。對于林木的分杈率這一指標的選擇，在撫育間伐措施的影響下紅松的自然整枝能力變弱，分杈率大幅度提高，這些都不利于紅松林木形質，對于紅松分杈率這一評價指標在不同培育方向來說有著不同的作用，適當的分杈可以提高樹冠的體積和表面積，從而增加紅松的光合作用，促進其生長發育；但分杈在培育紅松大徑材方面卻嚴重影響紅松的出材率以及紅松的材質等級[21]。在后續研究中可以把由于林木的分杈所引起的紅松林木出材率的下降的情況進行計算，用其代替不同撫育強度下的紅松林分中林木的分杈率。在以往研究案例中對于林木主干的評價分析往往只進行外部的干形研究，尚未出現對樹干內部情況構建形質指標進行綜合評價。結合紅松人工林珍貴樹種大徑材培育的目標以及木材市場對于無節良材的需求，本研究將疏松節比例進行了構建與分析。由于撫育間伐措施的影響使得林分密度變小，側枝得到了更好的光照環境，降低了枝條枯死的概率，因此紅松林木自然整枝能力變弱其林木的疏松節比例相對減少。但如果撫育強度過大使得林地底層灌木獲得更好的光照，灌木長勢旺盛會使接近地面的側枝枯死率上升，會形成重度間伐疏松節比例大于中度間伐的現象。

關于側枝情況指標的選擇：本研究將自然整枝能力、側枝數、枝粗指數、側枝平均基徑作為側枝情況的4個指標。關于側枝情況的上述4個指標可以在一定程度上全面的反映不同撫育強度情況下紅松林木側枝情況的現狀，其差異性也能夠反映不同撫育間伐強度對于紅松林木側枝所帶來的影響。伴隨著撫育間伐措施所帶來的林木空間以及水分和營養成分的再分配影響，紅松林木的側枝擁有了更加良好光照條件和空間大小，側枝生長得到了解放，與此同時頂端生長相對受到抑制，樹冠表面積的增大所帶來的更強大的植物光合作用所產生的養分更多的比例輸送給樹干，提高了紅松林木的徑向生長配比，紅松林木的尖削度明顯減小，林木的主干變得更加通直飽滿。隨著撫育強度的增加紅松林木自然整枝能力變弱，間伐組與對照相比大于1.5 cm的基徑數量減少，但各個間伐強度之間側枝數量沒有呈現出顯著規律，原因可能是在紅松間伐作業時，樣地內間伐作業所導致側枝折斷，從而使得在自然整枝能力變弱的情況下間伐組的側枝數量反而出現減小的現象。撫育間伐措施下紅松林木側枝生長得到解放，側枝平均基徑所呈現出上升趨勢但側枝長勢的好壞對林木形質的影響有待商榷，一方面側枝生長越好勢必會得到更好的光合作用產生更多的有機物供給主干進行生長，但側枝長勢好也會對主干的干形造成不良影響，同時也會增加分杈的概率。枝粗指數伴隨著撫育間伐強度的增加呈現下降趨勢，其表明了主干隨著間伐強度的增加得到了更好地生長，側面反映干形得到改善。

本研究中形質評價最好的撫育措施為中度間伐強度（株數強度50%，蓄積強度28%），林木形質綜合得分最高為72.803，表現為林木形質良好，形質評價等級為Ⅱ級，重度間伐次之，輕度間伐最小。樹干情況對紅松林木形質的影響最大，約占65.5%，生長情況對其影響適中，側枝情況對紅松林木形質的影響最小，這也恰好反映出樹干情況對林木形質影響的重要作用，同時也符合林業用材的實際情況。關于以往研究中綜合性值得分最高的類型往往綜合得分大于90分，形質評價等級為Ⅰ級。對于該措施下紅松林木形質評價等級狀況尚未達到較高的形質評價等級。因此單純依靠撫育間伐措施來提高林木形質質量還遠遠不夠。培育形質優質紅松大徑材的過程中還需要多種經營措施相互調整，相互配合。在林木形質綜合評價過程中，其側枝影響因素所占比例雖然僅為8%左右，其影響重點在于樹干的各個指標。但在以往關于紅松人工林經營的研究案例中都證明了側枝因素會影響到主干。例如在營林過程中應做到及時整枝，不僅在一定程度上可以使樹干更加通直飽滿，降低林木的分杈概率，而且可以及時的對準枯死或已經枯死的枝條進行修整，以降低林木主干徑向生長過程中對枝條枯死部分的包藏，達到減少疏松節形成的目的，對出材率的增加與林木板材質量的改善具有重要地位。通過本研究得出的不同撫育間伐下對紅松人工林的林木各個形質指標的影響，可以作為東北地區紅松人工林定向經營培育的科學依據，同時本研究可用于其他針闊葉樹種形質評價的理論參考。