龍陵勐糯柚木人工幼林生長及其模型構建

黃孝杰，李蓮芳，李俞鑫，劉 暢，姜若超，王姝茜，合金鑫

(西南林業大學 林學院，云南 昆明 650224)

1 引言

柚木(Tectonagrandis)為馬鞭草科(Verbenaceae)柚木屬半落葉性大喬木，胸徑可達2 m，樹高達45 m。其生長迅速，木材紋理美觀，具有耐腐抗蟲和易于加工等優良特性，屬熱帶南亞熱帶的珍貴用材樹種；其天然分布于印度、印度尼西亞、馬來西亞、緬甸和泰國等地區。中國于20世紀60年代開始第一次引種栽培，經過約50 a的研究，在種質資源、遺傳改良、繁育、人工林培育技術等方面取得了一定突破[1～5]。國內柚木研究包括種源試驗與評價、適生區域劃分、無性系選育、苗木和人工林培育基礎和技術等，也包括少量的人工林生長研究[6～11]。

賈宏炎[12]研究廣西大青山柚木人工林生長過程，指出30 a生柚木人工林未達數量成熟，應繼續對其撫育經營；潘玉華[13]對5 a生柚木的研究表明，樹高和胸徑的連年生長量在第4 a達到最高。鄭海水[14]對海南柚木人工林生長規律的研究，指出林木胸徑和樹高的生長與林齡間的關系可采用對數或二次拋物線等回歸方程擬合檢驗。

不同區域的柚木人工林，生長過程亦不相同，因此，本研究對保山市龍陵縣勐糯鎮11 a生柚木人工林進行樹干解析，分析其胸徑(D)、樹高(H)、材積(V)相關指標的生長過程，并與林齡(T)進行回歸分析，擬合生長模型，為相同氣候區域人工幼林的生長預測及其撫育提供參考。

2 研究地及林分概況

研究地位于云南省保山市龍陵縣勐糯鎮滾塘凹子，地理坐標為99°5′8″～99°5′15″E和24°18′5″～ 24°18′16″N，海拔800～900 m，屬怒江流域低熱河谷南亞熱帶氣候。林地位于怒江沿岸的小溪流兩側凹形坡地帶，受怒江暖濕氣流的影響，日照充足，常年無霜，年平均氣溫20.6 ℃，年降雨量1200～1500 mm[15]，屬柚木的邊緣產區，僅于小生境和小氣候適宜生境可零星培育人工林。

造林苗木為2 a生的截干苗，因此，林木由萌蘗形成，造林分2 a完成，其林齡相差1～2 a。林分的初始造林密度為2490株/畝(株行距2 m×2 m)。調查時，林木經過2次疏伐，其保留密度為510～780株/hm2，林分平均胸徑、樹高和枝下高分別為14.1 cm、12.0 m、4.2 m，郁閉度約0.9，密度較大，自然整枝明顯，枝條纖細(枝條直徑1.1～4.2 cm)。

3 研究方法

3.1 解析木選擇和采樣

于林分內設置12個20 m×50 m的樣地，對林分進行每木檢尺，測定林木胸徑、樹高和枝下高。根據胸徑分布于8.0～18.3 cm之間，以2 cm劃分徑階，共劃分為8、10、12、14、16和18 cm共6個徑階，在6個徑階中選擇生長正常、無病蟲害的14株標準木(6個徑階分別選取了1、1、5、4、1、2株)，測定其胸徑、地徑和樹高，并記錄地理位置；伐倒樣木以2 m為一個區分段截距圓盤(不足2 m部分按梢頭計算)，測定圓盤和部分解析木全株枝葉鮮重，并取部分枝葉樣品，于60 ℃烘箱內烘干水分，測定其烘干重。打磨圓盤至年輪清晰可見；在打磨面過髓心作東西南北2條直徑線，并由內向外定輪(由于樹齡較小，故不進行齡階劃分)。分別測量圓盤4個方向上各個年輪直徑。

3.2 生長指標計算

通過Forstat2.2計算解析木隨齡林變化的平均、年平均和連年樹高、胸徑和材積，采用Excel繪制出各解析木的胸徑、樹高和材積的平均生長量、連年生長量和年平均生長量變化曲線。

3.3 生長模型構建

選擇公式(1)～(4)擬合生長指標與林齡相關方程。相關系數R2值越大且接近1，表明擬合方程與實際生長狀況越接近；殘差平方和越小，則擬合精度越高，表明擬合效果越好，據此，篩選出較優生長模型。通過生長方程的構建，描述樹種生長指標隨著林齡增長的變化規律，預測類似氣候條件下同一樹種的生長過程[16]，為人工林培育決策提供科學依據。

線性模型：Y=AT+B

(1)

二次曲線模型：Y=AT2+BT+C

(2)

冪函數模型：Y=TA

(3)

指數函數模型：Y=AT

(4)

式(1)～(4)中，Y分別表示胸徑、樹高和材積，T為林齡，A、B、C為參數。

4 結果與分析

4.1 胸徑和樹高生長過程分析

4.1.1 胸徑生長過程

(1)平均胸徑生長過程。造林后11 a的林分，除8 cm徑階的林木為10 a生外，10～18 cm徑階的林木均為11a生(圖1)。8 cm徑階的也許是2010年補植的，即調查柚木樹干基本屬于截干后萌生枝條生長形成的。

8 cm徑階的林木10 a生時，平均帶皮胸徑8.4 cm，10～18 cm徑階的分別達10.1、12.5、14.6、15.9和18.4 cm。所有徑階的林木平均胸徑都處于不斷生長階段(圖1)，即10、11a生林木胸徑仍然為速生階段，應加強對其撫育管理。

注：圖中所有胸徑皆為去皮胸徑

(2)胸徑年平均和連年生長過程。12和16 cm徑階，胸徑年平均生長量呈下降趨勢，其余徑階年平均生長量都存在不同程度的波動，10 a或11 a間胸徑年平均生長量最高達2.5 cm/a，最低僅為0.58 cm/a；除18 cm徑階外，其余徑階的胸徑年平均生長量均在10～11 a呈下降趨勢，最低為0.58 cm/a；連年生長量波動較大，最高和最低連年生長量分別為2.5和0.1 cm，在3～4 a和6～8 a連年生長量有所回升；不同徑階的柚木年平均生長量和連年生長量有明顯差異，此林分的林木個體間生長過程差異明顯；8 cm和10 cm徑階年平均和連年生長量曲線2次相交，表明林分過密，需撫育間伐；此林分經過兩次間伐，連年生長量分別有所回升，表明間伐可促進柚木連年生長量，即促進柚木快速生長。

4.1.2 樹高生長過程

10 a或11 a間，除8 cm徑階外，樹高皆達到10 m以上，最高達16.1 m。8～16 cm徑階的柚木樹高生長在10～11 a時均表現出生長下降趨勢，連年生長量幾乎停滯，而18 cm徑階柚木樹高生長未出現生長停滯(圖2)。根據18 cm徑階柚木的樹高生長過程分析，平均生長量逐年遞增，連年生長量回升，年平均生長量下降趨勢減緩，充分說明了樹高生長正在進行，此林分還未達樹高生長的數量成熟齡。其余徑階表現出生長減緩趨勢可能受林分內個體營養競爭所影響，結合林分調查，郁閉度達0.9，密度為510～780株/hm2，胸徑分布不均勻，應當對其進行間伐，并合理施用化肥，以補充林木生長所需養分。

圖2 8～18 cm徑階樹高生長過程曲線

4.2 材積生長過程分析

解析木不同徑階的材積生長過程差異較小，隨著林齡的增加，材積的總生長量呈逐年上升趨勢，從第4 a開始材積生長速度加快，10～11 a生柚木材積最高量達0.1 m3，最低為0.018 m3(圖3)。從材積生長過程曲線可以看出，10 a或11 a間材積的年平均生長量曲線與連年生長量曲線未出現交叉，表明材積生長未達到數量成熟，并且連年生長量始終高于年平均生長量，表明此林分材積增長速度較高。為避免因林分密度過大或營養不足導致的林分提前達到數量成熟林齡，應及時對其進行撫育。

圖3 8～18 cm徑階材積生長過程曲線

4.3 生長方程擬合

4.3.1 方程擬合

4個生長模型中，胸徑的二次生長曲線模型的擬合度最高，殘差平方和最小，表明二次曲線模型為最優生長模型(表1)。樹高擬合度最高的也是二次生長曲線，R2為0.992，殘差平方和最小。材積擬合結果同上。因此，柚木人工林胸徑、樹高、材積與林齡的最優生長方程為：

表1 柚木胸徑、樹高及材積和林齡的回歸擬合

胸徑生長模型方程：y=-0.02x2+1.15x+0.13

(5)

樹高生長模型方程：y=-0.04x2+1.6x+0.86

(6)

材積生長模型方程：y=0.000898x2-0.000429x+0.000518

(7)

4.3.2 精度檢驗

將林齡代入胸徑、樹高、材積的擬合最優方程，將胸徑、樹高、材積對應的預測值，與實測值進行比較(表2)。

表2 柚木胸徑、樹高和材積生長模型預測值和實測值的比較

胸徑和樹高模型得出的實測值和預測值的相對誤差較小，實測值與預測值比較接近。材積模型得出的實測值和預測值的相對誤差較大。經檢驗，胸徑和樹高模型的預測效果較優，可以在實踐中試用。

各測樹因子與樹齡的高精度回歸方程，不僅能揭示各測樹因子生長趨勢，也要能揭示其動態變化過程[17]。結合預測值，對林分胸徑、樹高和材積連年生長量和平均生長量的預測誤差進行分析(表3)。胸徑預測值在前期生長過程中預測較為準確，但在10～11a生長量變化值較大，均達到了0.2以上，表明后期生長中齡胸徑的增長幅度較大。樹高生長量變化值前期變化幅度大，中期有所減緩，而后期又開始大幅度變化，表明在前期樹高生長速度較快，中期生長速度有所下降，而后期生長速度加快。材積的連年生長量和平均生長量預測值變化范圍較小，回歸模型精度較高。總體來講，各測樹因子預測值殘差較小，估測結果可以應用于生產實踐中。

表3 柚木胸徑、樹高和材積生長量相對誤差

5 結論與討論

5.1 結論

10a和11a生柚木胸徑最高達18.4cm，仍處于速生階段，年平均和連年生長量曲線相交，表明林分過密，撫育間伐可影響柚木連年生長量。10～11a時樹高生長量下降，而未達數量成熟；材積年平均和連年生長量曲線未相交，且連年生長量曲線位于年平均生長量曲線之上，表明積生長未達數量成熟，此林分處于速生期。林分密度過大，影響柚木生長，應當對其進行合理的撫育經營。胸徑、樹高和材積的最優回歸模型皆為二次曲線模型，經檢驗擬合精度較高。

5.2 討論

考慮到所選取的解析木為平均木進行樹干解析，無法均勻分布到各小立地，不能準確代表林分全部差異，這些是本研究的局限所在。盡管如此，仍然得到一些較為有益的結果。柚木人工林在造林后即進入速生期，這與魏國余等[17]麻櫟(Quercus acutissima)人工林的研究結果不相一致，是否因為不同樹種之間速生期亦不相同。胸徑和樹高的連年生長量在不同年份波動較大，可能受當年的極端氣候或撫育措施所影響。柚木是高投入高產出的樹種[18]，對氣候條件及立地條件要求較高，在適宜引種地區，土壤里的養分無法滿足柚木速生、優質及豐產的需求。

幼林時期，柚木的胸徑、樹高和材積都在快速度生長，這一時期如無法提供其生長需求的營養物質，將導致林分提前進入數量成熟期。在此生長期內，胸徑的生長速度在某些年份有所回升，結合實際情況，可能與之前兩次對林分進行疏伐有關。第11a材積的積累速度急劇降低。經過調查可知，當年氣候較為干旱，考慮因為極端氣候條件影響了柚木材積的生長。樹高生長在11a時出現生長減緩，經分析排除數量成熟，考慮因為養分供應不足以支撐柚木的樹高快速生長，對此，人為補充土壤養分含量，是避免提前進入數量成熟期的合理方法。