晏 姝，王潤輝，鄧厚銀，鄭會全，胡德活，韋如萍

(廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東廣州510520)

杉木Cunninghamia lanceolata在我國已有上千年栽培歷史，因其生長迅速、產(chǎn)量高、材質(zhì)優(yōu)良等特性[1]，長期以來深受人們的青睞而得以廣泛種植。隨著人們對杉木需求的日益高端化、高值化和生態(tài)化，杉木大徑材培育對國家木材安全、生態(tài)安全、綠色發(fā)展越來越具有戰(zhàn)略性意義[2-3]。近年來，許多學者致力于杉木大徑材定向培育技術研究，提出了不同立地指數(shù)下的適宜保留密度范圍[4-5]，針對不同遺傳品質(zhì)苗木及土壤條件提出了相應的撫育、施肥等經(jīng)營措施[6-7]，運用林分經(jīng)營模型對不同地區(qū)提出了間伐時間、間伐強度等優(yōu)化管理模式[8]。但涉及杉木大徑材材種形成的主要影響因子及其影響規(guī)律等方面的研究鮮有報道[9]。粵北、粵西北、粵東北等南嶺山區(qū)丘陵地帶是我國杉木四大中心產(chǎn)區(qū)之一，其地理位置優(yōu)越，受季風環(huán)流影響，降水豐富，氣候溫暖濕潤[10]，擁有培育優(yōu)質(zhì)高效杉木大徑材林分得天獨厚的自然條件。本研究基于廣東省南嶺山區(qū)特殊的自然生態(tài)條件，將現(xiàn)有杉木大徑材林分特征因子數(shù)量化或標準化，形成綜合反映林分控制因子和生態(tài)環(huán)境因子的指數(shù)評價體系，通過挖掘大徑材形成主導影響因子并探究其影響規(guī)律，構建南嶺山區(qū)杉木大徑材出材量的預測模型，以期為廣東省杉木大徑材培育和經(jīng)營提供理論指導，推動杉木由高密度、中小徑材為經(jīng)營目標向以生態(tài)為先導的大徑材經(jīng)營模式轉(zhuǎn)變。

1 研究區(qū)域自然概況

本研究在對粵北、粵西北、粵東北等南嶺山區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)存具有杉木大徑材的林分全面踏查的基礎上，選擇廣東省肇慶市國有新崗林場，韶關市國有韶關林場、國有小坑林場、國有河口林場、國有大瑤山林場，廣東省連山林場、廣東連山筆架山省級自然保護區(qū)等7個地點，共計36塊保存完好、長勢優(yōu)良的典型杉木大徑材林分。研究區(qū)域位于111°57′～113°81′E，24°13′～25°55′N，地處南嶺山脈西南至南麓，地貌以山地丘陵為主，土層深厚，土壤為赤紅壤和黃壤；屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫20℃左右，年均降雨量1600 mm，相對濕度80%。

2 研究方法

2.1 標準樣地設置與調(diào)查

2018—2019年，在上述7個地點的杉木大徑材林分中選擇不同坡向和坡位，設置400 m2(20 m×20 m)標準樣地，4個角點埋設pvc管作為標志，共計設置標準樣地36個。對標準樣地內(nèi)的杉木進行每木檢尺，測量胸徑、樹高、冠幅、枝下高、干形等，同時按照梅花形選擇5株優(yōu)勢木，測其樹高，求優(yōu)勢木平均高。記錄標準樣地的郁閉度、經(jīng)緯度、海拔、坡形、坡度、坡向、坡位等，并收集造林時間、造林密度、造林種苗情況以及撫育、施肥等林分經(jīng)營歷史和背景資料。標準樣地基本情況見表1。

2.2 土樣采集與理化性質(zhì)測定

在標準樣地中沿對角線布設取樣點3個，每個樣點分別在0～10、10～20和20～40 cm 土層取樣，采用多點取樣，同層次混合，取土壤各層次混合樣品，帶回室內(nèi)風干，揀去石礫、植物根系和碎屑，過2.000和0.149 mm 土壤篩后，儲藏于密封的塑料自封袋中，用于土壤化學性質(zhì)(pH、有機質(zhì)、全N、全P、全K、水解N、速效P和速效K 等)測定[11]。同時，采用“環(huán)刀法”取各層次的原狀土壤，帶回實驗室，測定其水分物理性質(zhì)(土壤容重、自然含水量、最大持水量、最小持水量、田間持水量、總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等)[11]。

表1 標準樣地基本情況Table 1 Basic situation of standard plot

2.3 林分數(shù)據(jù)計算

2.3.1徑階平均胸徑( )和樹高( )以2 cm 為1個徑階，將所測量的杉木8～42 cm 胸徑劃分為18個徑階，計算各徑階平均胸徑：

式中，di為第i徑階中實測胸徑值，Ni為第i徑階總株數(shù)。

運用Excel軟件對胸徑和樹高進行擬合，徑階平均樹高最佳回歸方程為：

2.3.2單株材積(Vs)與徑階材積(Vi)廣東省杉木單株材積公式為：

式中，d為單株胸徑，h為單株樹高。

徑階材積公式為：

2.3.3林分蓄積量(V)林分蓄積量為標準樣地中各徑階活立木蓄積量之和，公式為：

2.3.4大徑材蓄積量(Vl)參照《木材標準實用手冊》[12]，根據(jù)過渡徑階大徑材材種株數(shù)比例(Ai/%)，統(tǒng)計各標準樣地大徑材蓄積量之和，公式為：

2.3.5 大徑材出材量(Ol)大徑材出材量(規(guī)格材原條)公式[13]采用：

2.3.6大徑材株數(shù)比例(ND≥26)統(tǒng)計各標準樣地大徑材(胸徑D≥26 cm)株數(shù)占樣地總株數(shù)的百分比。

2.3.7大徑材出材率(Yl)統(tǒng)計大徑材出材量占林分蓄積量的百分比，公式為：

2.4 評價指數(shù)

2.4.1立地指數(shù)(SI)根據(jù)標準樣地內(nèi)優(yōu)勢木平均高和林分年齡，查廣東省杉木立地指數(shù)表[14]，確定各標準樣地的立地指數(shù)。

2.4.2土壤綜合肥力指數(shù)(I)采用隸屬函數(shù)法對土壤8個物理性質(zhì)和8個化學性質(zhì)測定指標值進行標準化處理，其中，容重采用降型函數(shù)公式(9)，其他指標采用升型函數(shù)公式(10)：

式中， 為第項指標的權重， 為第項指標的公因子方差，n為土壤理化性質(zhì)測定指標的個數(shù)。

應用模糊集加權綜合法，計算土壤綜合肥力指數(shù)(I)[15]，公式如下：

式中， 為各單項指標權重。本研究先分別計算各標準樣地3個層次土壤混合樣的土壤綜合肥力指數(shù)，再以3個層次平均土壤綜合肥力指數(shù)作為該樣地的土壤綜合肥力指數(shù)(I)。

2.4.3微地形指數(shù)(M)為了使一些相關性較大、性質(zhì)相近的定性因素能進行數(shù)量統(tǒng)計分析，對坡向、坡位、坡度、坡形等指征林地微地形要素的指標進行數(shù)量化分級，分級標準參考《杉木大徑材培育技術規(guī)程：LY/T 2809—2017》[16]，并按其對杉木生長的影響程度提出“林地微地形指標數(shù)量化表”(表2)，進行數(shù)據(jù)標準轉(zhuǎn)化處理及計算各指標權重，根據(jù)數(shù)量化理論Ⅲ[17]計算數(shù)量化加權值并作為微地形指數(shù)(M)。

2.4.4地理指數(shù)(G)根據(jù)GPS定位，將海拔和緯度數(shù)據(jù)進行幾何平均數(shù)轉(zhuǎn)化[14]，得到地理指數(shù)(G)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft excel對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及分析，用SASV8.1進行顯著性檢驗，用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)標準化轉(zhuǎn)換及主成分分析等。

3 結果與分析

3.1 立地指數(shù)(SI)對杉木大徑材生長的影響

36個標準樣地的SI范圍為16～22，SI為16、18、20和22的標準樣地分別占總樣地數(shù)的38.9%、36.1%、13.9%和11.1%。不同SI與大徑材蓄積量(Vl)、大徑材出材量(Ol)、大徑材株數(shù)比例(ND≥26)和大徑材出材率(Yl)等指標進行相關性分析，結果(圖1)顯示，隨著SI的增加，大徑材成材各相關指標均呈增加的趨勢，相關性均達到極顯著水平(P＜0.01)，相關系數(shù)為0.37～0.44。根據(jù)SI 與Vl的二次項回歸方程(y=1.51x2?17.20x+111.16)，當SI為16、18、20和22時，Vl的理論值分別為223.12、291.56、372.10和464.74 m3·hm?2，相鄰立地指數(shù)的Vl增幅為30%左右；根據(jù)立地指數(shù)與Ol的指數(shù)方程(y=18.97e0.13x)，當SI為16、18、20和2 2時，Ol的理論值分別為1 6 3.6 7、2 1 4.2 7、280.52和367.25 m3·hm?2，相鄰立地指數(shù)的Ol增幅均為31.0%，與Vl增幅基本一致；根據(jù)SI與ND≥26的二次項回歸方程(y=?0.20x2+12.53x?120.74)，當立地指數(shù)為16、18、20和22時，ND≥26的理論值分別為20.1%、39.4%、49.1%和57.3%，SI為18的林地生產(chǎn)大徑材株數(shù)比SI為16的提高近100.0%，SI為20、22的比18、20的增加幅度逐漸減緩；根據(jù)立地指數(shù)與Yl的二次項回歸方程(y=?0.38x2+17.57x?145.64)，當SI為16、18、20和22時，Yl的理論值分別為38.6%、48.0%、54.4%和57.7%。

表2 林地微地形指標數(shù)量化表Table 2 Quantization table of forest land micro-topography index

圖1 不同立地指數(shù)(SI)下的杉木大徑材生長相關指標分析Fig.1 Analysis of growth indexesfor large-diameter wood of Cunninghamia lanceolata under different siteindex (SI)

3.2 土壤綜合肥力指數(shù)(I)對杉木大徑材生長的影響

36個標準樣地的土壤綜合肥力指數(shù)(I)為0.11～0.57，數(shù)值越大，土壤綜合肥力越高。不同土壤綜合肥力指數(shù)與大徑材蓄積量(Vl)、大徑材出材量(Ol)、大徑材株數(shù)比例(ND≥26)和大徑材出材率(Yl)等指標進行相關性分析，結果(圖2)顯示，隨著土壤綜合肥力指數(shù)的增加，大徑材成材各相關指標均呈增加的趨勢，其中，I與Vl、Ol、ND≥26等指標的相關性達顯著水平(P＜0.05)，相關系數(shù)為0.24～0.39；I與Yl相關性未達顯著水平(P＞0.05)。

圖2 不同土壤綜合肥力指數(shù)(I)下的杉木大徑材生長相關指標分析Fig.2 Analysis of growth indexes for large-diameter wood of Cunninghamia lanceolata under different soil integrated fertility indexes(I)

對標準樣地土壤8個物理性質(zhì)和8個化學性質(zhì)測定指標值進行主成分分析，結果(圖3)顯示，土壤孔隙度和土壤持水量等土壤物理性質(zhì)占較大權重，是土壤綜合肥力的關鍵指標，其次是土壤N 和有機質(zhì)含量。可見，土壤物理結構、土壤N和有機質(zhì)含量是杉木大徑材形成的重要土壤指標。

3.3 微地形指數(shù)(M)對杉木大徑材生長的影響

將坡向、坡位、坡度、坡形等指征林地微地形要素的指標數(shù)量化、綜合化，以微地形指數(shù)(M)作為綜合指標考察林地微地形對杉木大徑材生長的影響。36個標準樣地的M為?1.14～1.25，不同微地形指數(shù)與大徑材蓄積量(Vl)、大徑材出材量(Ol)、大徑材株數(shù)比例(ND≥26)和大徑材出材率(Yl)等指標進行相關性分析，結果(圖4)顯示，隨著微地形指數(shù)的增加，大徑材成材各相關指標均呈增加的趨勢，相關性均達到極顯著水平(P＜0.01)，相關系數(shù)為0.2 2 ～0.3 3。根據(jù)林地微地形指標數(shù)量化表(表2)，微地形指數(shù)最大的東北坡向、下坡位、坡度低于35°的凹坡有利于南嶺山區(qū)杉木大徑材的生長與形成。

圖3 土壤理化性質(zhì)指標權重雷達圖Fig.3 Weighted radar chart of indexesfor soil physical and chemical properties

圖4 不同微地形指數(shù)(M)下的杉木大徑材生長相關指標分析Fig.4 Analysisof growth indexes for large-diameter wood of Cunninghamia lanceolata under different micro-topography indexes(M)

3.4 地理指數(shù)(G)對杉木大徑材生長的影響

樹木的生長也受海拔和緯度的影響[18]，因此本研究將緯度和海拔轉(zhuǎn)換為地理指數(shù)，以研究其對杉木大徑材生長的影響。從圖5可知，地理指數(shù)(G)與大徑材成材各指標相關性均不顯著(P＞0.05)，隨地理指數(shù)的增加，整體呈現(xiàn)先下降再上升的U 型曲線趨勢。南嶺山區(qū)地貌特征以海拔200～1000 m的低山丘陵為主[10]，緯度范圍為N 24°～26°，本研究選擇的36個杉木大徑材標準樣地的海拔均在200～1000 m 范圍內(nèi)，基本囊括了南嶺山區(qū)所有海拔梯度級，具有代表性，可見，海拔和緯度對南嶺山區(qū)杉木大徑材形成的影響不明顯。

3.5 林齡(A)對杉木大徑材生長的影響

圖5 不同地理指數(shù)(G)下的杉木大徑材生長相關指標分析Fig.5 Analysis of growth indexes for large-diameter wood of Cunninghamia lanceolata under different geographical index (G)

圖6 不同林齡(A)下的杉木大徑材生長相關指標分析Fig.6 Analysisof growth indexesfor large-diameter wood of Cunninghamia lanceolata under different stand age (A)

36個標準樣地林齡為20～32年，參照南方杉木用材林齡組劃分標準[19]，杉木近熟林(20～25年)占41.7%，杉木成熟林(26～32年)占58.3%。從圖6可知，林齡(A)與大徑材成材各指標相關性均不顯著(P＞0.05)，隨林齡的增大整體呈現(xiàn)先上升再下降的倒U 型曲線趨勢。由于本研究對象為南嶺山區(qū)具有杉木大徑材的林分，所有標準樣地的杉木林齡均在近熟至成熟期10年左右的區(qū)間內(nèi)，因此林齡效應及對大徑材生長的影響趨勢體現(xiàn)不充分，而圖6顯示，杉木大徑材等指標后期出現(xiàn)下降的趨勢，主要是標準樣地中30～32年生的林分立地指數(shù)多為16或18，且土壤綜合肥力指數(shù)、微地形指數(shù)值相對較低，其大徑材成材各指標均低于立地指數(shù)為18以上且林齡較小的林分?？梢姡蠋X山區(qū)杉木大徑材普遍在近熟林至成熟林時期(23～30年)就已形成，不具杉木大徑材生產(chǎn)潛力的林分即使生長期更長，也難以形成大徑材。

3.6 保留密度(D)對杉木大徑材生長的影響

南嶺山區(qū)杉木造林密度普遍為2 m×2 m(2500株·hm?2)，本研究調(diào)查的36個標準樣地林分保留密度(D)為900～1700株·hm?2，保留密度與大徑材蓄積量(Vl)、大徑材出材量(Ol)、大徑材株數(shù)比例(ND≥26)和大徑材出材率(Yl)等指標進行相關性分析，結果(圖7)顯示，Vl和Ol均隨保留密度的增加呈先緩慢上升后緩慢下降的平緩二次項曲線趨勢，相關性達顯著水平(P＜0.05)；ND≥26和Yl隨保留密度的增加先平緩下降然后下降幅度逐漸增大，但相關性不顯著。保留密度為1 100～1 300株·hm?2時，大徑材成材各指標均處于較大值區(qū)間。

圖7 不同保留密度(D)下的杉木大徑材生長相關指標分析Fig.7 Analysisof growth indexesfor large-diameter wood of Cunninghamia lanceolata under different reserved density (D)

3.7 杉木大徑材出材量預測

根據(jù)36個標準樣地調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選取林分特征因子：立地指數(shù)(SI)，林齡(A)、保留密度(D)，以Schumacher 收獲模型[3,20]為基礎，構建杉木大徑材出材量(Ol)預測模型。該模型基本形式為：

通過SPSS軟件求解參數(shù)β0～β4，獲得模型如下：

選取不同立地指數(shù)、不同林齡、不同保留密度樣地的實測數(shù)據(jù)，將模型的大徑材預測產(chǎn)量與實際產(chǎn)量進行比較(表3)，平均預測精度90%，因此，可利用該模型初步預測評估南嶺山區(qū)20～30年生杉木林分的大徑材出材量。

表3 杉木大徑材出材量實際值與預測值Table 3 The actual value and predicted value of large-diameter wood output of Cunninghamia lanceolata

4 討論與結論

杉木是廣東省南嶺山區(qū)傳統(tǒng)優(yōu)勢造林樹種，但現(xiàn)有林分以中幼林為主，且經(jīng)營模式單一、集約化程度低，與周邊省份相比，杉木林分生產(chǎn)力與自然資源優(yōu)勢潛力尚未充分發(fā)揮[21]。本研究對廣東省南嶺山區(qū)范圍內(nèi)僅存為數(shù)不多、保存完好的杉木大徑材林分進行調(diào)查，以空間代替時間，基于現(xiàn)有樣本數(shù)據(jù)挖掘大徑材形成的主導生態(tài)環(huán)境因子和林分控制因子并探究其影響規(guī)律，以期為廣東省杉木大徑材培育和經(jīng)營提供理論指導。

立地指數(shù)是指林分中在基準年齡時自由生長的優(yōu)勢木平均高度值，可考察林地生產(chǎn)某一類型林木的生產(chǎn)潛力，常作為指導人工林培育最直觀的指標[16]?；輨傆萚9]認為在材種形成過程中，無論有何種保留密度，只要立地指數(shù)過低，在目的材種的培育期限內(nèi)，就無法產(chǎn)生需要的材種。立地指數(shù)越高，林木生長速度越快，林分內(nèi)活立木間的競爭也越大，成熟時期林分內(nèi)保留木的株數(shù)也相對越低，大徑材出材率也相對越高[22-23]?，F(xiàn)有研究普遍以立地指數(shù)16、18作為培育不同杉木目標材種的劃分標準[4,6,9,24-25]。在南嶺山區(qū)，杉木大徑材成材各相關指標也是隨立地指數(shù)的增加均呈顯著增加的趨勢(P＜0.01)，在立地指數(shù)16～22范圍內(nèi)，相鄰立地指數(shù)的大徑材蓄積量和大徑材出材量增幅為30%左右，立地指數(shù)18的林地生產(chǎn)大徑材株數(shù)比立地指數(shù)16的提高近100%，大徑材出材率超過40%。可見，立地指數(shù)是南嶺山區(qū)杉木大徑材材種形成的重要限制因子，立地指數(shù)18 及以上適宜培育杉木大徑材。

土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性，對林木的長勢和品質(zhì)有直接影響[26-27]。土壤肥力評價能夠揭示土壤利用與功能有關的土壤內(nèi)在屬性之間的異同，科學地確定森林土壤肥力指標并進行評價，對立地生產(chǎn)力和多目標森林經(jīng)營的研究也具有重要價值[28]。本研究采用土壤綜合肥力指數(shù)作為土壤整體響應特征考察不同土壤對杉木大徑材生長的影響。研究發(fā)現(xiàn)，大徑材成材各相關指標隨土壤綜合肥力指數(shù)的增加均呈增加的趨勢，與大徑材蓄積量、大徑材出材量、大徑材株數(shù)比例等指標的相關性達顯著水平(P＜0.05)。據(jù)主成分分析結果，土壤綜合肥力指數(shù)的權重貢獻率較大的是土壤物理性質(zhì)、土壤N 含量和有機質(zhì)含量。土壤物理性質(zhì)密切影響根系的生長、最大扎根深度和水分的有效吸收[28]，是與南嶺山區(qū)杉木大徑材的形成緊密相關的土壤指標，在進行杉木大徑材經(jīng)營時，應首先選擇土壤孔隙度和持水量較高的立地。土壤有機質(zhì)在提供林木生長所需要養(yǎng)分的同時，能有效改良土壤結構，使土壤變得疏松，促進土壤形成水穩(wěn)性團聚體，增加土壤持水和保肥能力，有利于根系的生長、土壤微生物和土壤動物活動[29-30]；土壤全氮和水解氮絕大部分是以有機態(tài)的形式積累和貯存在土壤有機質(zhì)中，與土壤有機質(zhì)相關性更密切，相關系數(shù)分別為9.07和0.87[31]，因此，土壤有機質(zhì)是與杉木大徑材成材密切相關的又一重要土壤指標。

坡向、坡位、坡度、坡形等是形成林地微地形的主要因素，南嶺山區(qū)杉木大徑材成材各相關指標隨著微地形指數(shù)的增加，均呈顯著增加的趨勢(P＜0.01)。不同坡向、坡位、坡度、坡形等微地形要素會形成不同的山區(qū)小氣候，東北坡向等陰坡接受太陽直接輻射較少，主要以地面散射為主，日溫差較小、林分相對濕度高[32]；坡位和坡度對水土流失和集聚都有影響，坡形則與風速和蒸騰強度有關[32]，都直接影響到土層的厚度和含水量，故微地形指數(shù)最大的東北坡向、下坡位、坡度低于35°凹坡的土層較深厚，排水良好，所形成的小氣候最有利于凈光合產(chǎn)物長期積累。杉木是亞熱帶樹種，溫暖濕潤、多霧靜風的氣候環(huán)境以及深厚、排水良好的土壤條件有利于杉木生長，而水濕條件對杉木徑向生長的影響非常大，因此杉木大徑材的形成對小氣候的要求十分嚴格。南嶺山區(qū)屬于杉木產(chǎn)區(qū)分區(qū)中產(chǎn)力水平最高的中帶東區(qū)[16]，氣候溫暖而不炎熱，太陽輻射和水濕條件等微地形因素對杉木大徑材形成是比溫度更重要的限制因子。

林分密度是通過影響林分直徑結構進而影響林分材種結構的[33-34]，保持合理的林分密度也是杉木大徑材培育的關鍵。林分密度與林分直徑呈負相關關系已達成共識[35]，關于如何對林分密度進行合理的調(diào)控，從而獲得較高大徑材出材量和出材率，并平衡單位面積整體木材產(chǎn)量，已有很多學者對此展開了廣泛的研究。佟金權[24]、劉春燕等[36]認為保留密度為1200～1300株·hm?2時，林分整體胸徑最大，較為適合杉木大徑材的培育；惠剛盈等[9]、涂育合等[4]根據(jù)不同立地指數(shù)提出了不同的保留密度范圍，認為立地指數(shù)16～18、保留密度1 050～1 350 株·hm?2時適宜培育中大徑材，立地指數(shù)越大保留密度應越低。本研究發(fā)現(xiàn)，大徑材蓄積量和大徑材出材量均隨保留密度的增加呈先緩慢上升后緩慢下降的平緩二次項曲線趨勢，相關性達顯著水平(P＜0.01)；大徑材株數(shù)比例和大徑材出材率隨保留密度的增加，先平緩下降，然后下降幅度逐漸增大，但相關性不顯著。南嶺山區(qū)18 以上立地指數(shù)，保留密度在1100～1 300株·hm?2范圍內(nèi)時，大徑材成材各指標均達到較大值區(qū)間。

本研究以Schumacher 收獲模型為基礎，構建杉木大徑材出材量(Ol)預測模型：Ol=(R=0.62，P＜0.01)，可利用該模型初步預測評估南嶺山區(qū)20～30年生杉木林分的大徑材收獲量，據(jù)此指導南嶺山區(qū)杉木大徑材培育和經(jīng)營。