王書韌,郭利娜,白彥鋒,臧毅明,朱亞軍,姜春前*
(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091;2.安徽省青陽縣林業(yè)局林業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,安徽 池州 247100)
杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)是我國南方主要造林樹種。第九次全國森林資源清查結(jié)果顯示,我國杉木人工林面積達(dá)到9.90 × 106hm2,蓄積量達(dá)7.55 億m3,分別占全國主要優(yōu)勢人工林樹種的1/4 及1/3[1]。然而,由于當(dāng)前杉木人工林存在過純、過密等,導(dǎo)致林分結(jié)構(gòu)單一、林地生產(chǎn)力下降和林分結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[2-3]。同時(shí),隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對杉木的木材結(jié)構(gòu)需求發(fā)生了變化,逐漸由小徑材轉(zhuǎn)為大徑材。因此,杉木純林不能滿足人們的需求,甚至影響到社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[4]。此外,有研究表明,營建混交林可以改善林內(nèi)空間結(jié)構(gòu),增加林內(nèi)光照的同時(shí)減少林內(nèi)競爭[5],有利于林木生長和提高生物多樣性[6],提高森林的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。因此,如何通過調(diào)整優(yōu)化林分結(jié)構(gòu),提升杉木人工林的質(zhì)量已成為亟待解決的問題。
在營造異齡復(fù)層混交林的研究上,國外主要集中在闊葉樹種[7-10],而國內(nèi)重點(diǎn)是針葉樹種。已有研究表明,間伐套種處理改變了林分密度以及生長空間,降低了林木競爭,有利于林分生長、林分生物量和生長力增加[11-13]。李婷婷[14]對杉木人工林進(jìn)行間伐補(bǔ)植改造,發(fā)現(xiàn)林下補(bǔ)植闊葉樹種可以顯著提高林木單木材積和林分蓄積的年生長量,并且大葉櫟、紅椎、格木、灰木蓮適合與杉木進(jìn)行混交種植。孫冬婧等[15]在對紅椎、米老排、大葉櫟、潤楠與杉木混交林的生長與生態(tài)效應(yīng)研究中得出,混交林有利于林分生長,并形成豐富的物種多樣性,無論在經(jīng)濟(jì)方面還是生態(tài)方面都比杉木純林更加優(yōu)化。歐建德[16]研究了福建南方紅豆杉林下套種模式對人工林生長的影響,結(jié)果表明:林下套種后,林分冠幅顯著大于純林模式。陳瑩瑩[17]以福壽林場杉木人工中齡林為研究對象,通過在林下補(bǔ)植闊葉樹,將杉木純林改造為異齡針闊混交林,發(fā)現(xiàn)杉木的高徑比、胸高形數(shù)和枝下高均隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小。
目前,國內(nèi)外對間伐補(bǔ)植經(jīng)營的研究大多集中在間伐強(qiáng)度對林分結(jié)構(gòu)和生長、生物多樣性和林地土壤養(yǎng)分的影響等方面[18-21],而對杉木人工林“間伐 + 冠下套種”后的杉木生長、干形形質(zhì)特性和材種結(jié)構(gòu)的量化評價(jià)不足。因此,本研究以安徽省青陽縣杉木人工林為研究對象,調(diào)查林木的生長性狀、空間利用能力、林分產(chǎn)量,通過主成分分析法綜合評價(jià)“間伐 + 套種”對杉木林分質(zhì)量的提升效果,為杉木人工林質(zhì)量精準(zhǔn)提升提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)地位于安徽省池州市青陽縣廟前鎮(zhèn)三義村窯西林場(117°40′~118°05′ E,30°19′~30°50′ N),該地屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,溫和多雨,年平均氣溫16.1℃,年平均降水量1 500 mm,年平均日照時(shí)數(shù)2 066 h,無霜期218 d;地形以丘陵為主,土壤為黃壤。試驗(yàn)林營建于2000 年,平均林分密度為1 740 株·hm-2,立地指數(shù)為18,無施肥和間伐措施。優(yōu)勢種為杉木;灌木植物以六月雪(Serissa japonica(Thunb.)Thunb.)、淡竹(Phyllostachys glaucaMcClure )、 莢蒾(Viburnum dilatatumThunb.)等為主;草本層主要有邊緣鱗蓋蕨(Microlepia marginata(Houtt.)C.Chr.)、點(diǎn)腺過路黃(Lysimachia hemsleyanaMaxim.ex Oliv.)、 山麥冬(Liriope spicata(Thunb.) Lour.)等。
2017 年底,選取立地條件相近的杉木人工林地段,根據(jù)伐除木的數(shù)量設(shè)計(jì)47%(Ⅰ處理)、56%(Ⅱ處理)和65%(Ⅲ處理)3 個(gè)間伐強(qiáng)度并設(shè)置樣地。樣地按照隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),Ⅰ處理、Ⅱ處理、Ⅲ處理、CK 處理各設(shè)置20 m × 20 m 的樣地3 個(gè),同時(shí)Ⅰ處理和Ⅱ處理各增加1 塊對照樣地,共計(jì)14 塊樣地;為避免邊界效應(yīng),實(shí)際間伐作業(yè)面積為30 m × 30 m。2018 年初,在間伐處理后的樣地中,用浙江楠(Phoebe chekiangensisC.B.Shang)和檫木(Sassafras tzumu(Hemsl.)Hemsl)1 年生苗進(jìn)行冠下套種,隨機(jī)均勻排列種植,株行距為4 m × 5 m,2 樹種種植密度均為225 株·hm-2。樣地基本情況見表1。
表1 樣地基本概況Table 1 General situation of sample plots
分別在間伐套種第0 年(2018 年)、第2 年(2020 年)、第4 年(2022 年)對樣地進(jìn)行調(diào)查,對各樣地的林木進(jìn)行每木檢尺,使用胸徑尺測量杉木胸徑和套種樹種的地徑,使用激光測高儀測量林木樹高與枝下高,使用皮尺測量林木樹冠的南北冠幅和東西冠幅,使用2022 年的每木調(diào)查數(shù)據(jù)對林分生長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2.2.1 評價(jià)指標(biāo) (1)林木生長形質(zhì)性狀 采用胸徑、樹高、胸高形數(shù)、高徑比、枝下高指標(biāo)衡量杉木的生長形質(zhì)性狀。
(2)空間利用能力 空間利用能力從林木二維樹冠和三維樹冠兩方面進(jìn)行描述,二維樹冠用冠幅、冠長、冠長率、冠形率來表示,三維樹冠通過樹冠表面積、樹冠體積來表達(dá)。
(3)林分產(chǎn)量 林分產(chǎn)量從杉木單木材積、林分蓄積和材種結(jié)構(gòu)3 方面進(jìn)行描述,材種結(jié)構(gòu)用小條木、小徑材、中徑材、大徑材出材率和用材、薪材、廢材出材率來表示。
2.2.2 評價(jià)方法 應(yīng)用SPSS27.0 中的單因素方差分析法對不同處理下杉木林分特征的差異進(jìn)行分析,利用主成分分析法進(jìn)行綜合評價(jià),步驟為[22]:
首先,將n種間伐套種處理的m項(xiàng)指標(biāo)組成數(shù)據(jù)矩陣X。
式中:Xij為第i種間伐套種處理的第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測值。
其次,利用SPSS 或Excel 軟件將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,Excel 軟件計(jì)算公式如下:
正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化:
逆向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化:
式中: X*i j為Xij 的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù); Xj為第j 項(xiàng)指標(biāo)的平均值。
利用KMO 檢驗(yàn)法和Bartlett 球體檢驗(yàn)法對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行適用性檢驗(yàn), KMO 數(shù)值≥0.60 且Sig 數(shù)值<0.05,表明各指標(biāo)間關(guān)聯(lián)程度較高,可以進(jìn)行主成分分析。
選取主成分的特征值>1 且方差累計(jì)貢獻(xiàn)率>90%的前k個(gè)主成分,建立主成分與標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)間的關(guān)系,公式為:
式中:Yp為第p個(gè)主成分;bpm為第p個(gè)主成分的因子載荷。
用第p個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率和所選取的k個(gè)主成分的方差總貢獻(xiàn)率的比值表示各個(gè)主成分的權(quán)重,將各個(gè)主成分的權(quán)重與k個(gè)主成分相結(jié)合,得到綜合評價(jià)函數(shù)Y。Y的得分越高,則表明該間伐套種處理對杉木人工林的改造效果越好。公式如下:
式中:Y為不同間伐套種處理的綜合得分;λp為第p個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率。
3.1.1 間伐與闊葉樹套種對杉木胸徑和樹高的影響 由圖1 可知,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的胸徑、樹高均顯著大于CK(P<0.05),與CK 相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的胸徑分別增長了19.02%、30.01%、32.07%;樹高則分別增長了10.40%、14.81%、21.60%。
圖1 不同間伐套種下林木胸徑和樹高生長變化Fig.1 Changes of DBH and tree height growth under different thinning and interplanting
3.1.2 間伐與闊葉樹套種對杉木干形形質(zhì)的影響
由圖2 可知,CK 的高徑比、胸高形數(shù)、枝下高均顯著大于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理(P<0.05)。其中,Ⅱ處理的高徑比最小,為0.73;Ⅲ處理的胸高形數(shù)最小,為0.52,顯著低于Ⅰ處理;Ⅰ處理的枝下高最小,為3.85 m,顯著低于Ⅱ與Ⅲ處理(P<0.05),Ⅱ與Ⅲ處理間的枝下高差異不顯著。
圖2 不同間伐套種下林木干形生長變化Fig.2 Changes of stem-form growth under different thinning and interplanting
3.2.1 間伐與闊葉樹套種對杉木二維樹冠的影響
對4 個(gè)處理杉木的樹冠結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(表2),發(fā)現(xiàn)與CK 相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的冠幅增長率分別為12.16%、31.00%、21.27%(P<0.05),其中Ⅱ處理的冠幅增長最快;冠長增長率依次為58.05%、55.58%、61.24%,Ⅲ處理的冠長增長最快(P<0.05)。
表2 不同處理組樹冠的生長變化Table 2 Growth changes of crown of different treatments
為充分反映不同間伐套種處理下杉木的樹勢和樹冠立體狀態(tài)的水平,對杉木的冠長率和冠形率進(jìn)行了研究(表2)。間伐與闊葉樹套種處理顯著提高了冠長率與冠形率,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的冠長率分別比CK 增加了40.00%、30.00%、32.00%(P<0.05),Ⅱ與Ⅲ處理間的冠長率差異不顯著;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的冠形率顯著高于CK(P<0.05),Ⅰ與Ⅲ處理間的冠形率差異不顯著。
3.2.2 間伐與闊葉樹套種對杉木三維樹冠的影響
由表3 可知,樹冠表面積和樹冠體積均隨著試驗(yàn)處理強(qiáng)度的增強(qiáng)而先增大后減小。Ⅱ處理的值均最大,分別為61.99 m2、43.95 m3,其次依次為Ⅲ處理、Ⅰ處理、CK。其中,CK 與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理間的樹冠表面積存在顯著性差異,Ⅰ與Ⅱ處理間的樹冠表面積差異顯著(P<0.05);杉木人工林單木樹冠體積在各處理間呈現(xiàn)顯著性差異。杉木樹冠表面積和樹冠體積的變異系數(shù)表現(xiàn)為:CK>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ,可見 CK 中單木樹冠表面積、樹冠體積分化程度較大,而間伐與闊葉樹套種處理可以降低樹冠表面積和樹冠體積的分化程度。
3.3.1 間伐與闊葉樹套種對杉木單木材積和林分蓄積的影響 由表4 可知,隨著試驗(yàn)處理強(qiáng)度的增強(qiáng),杉木的單木材積呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢,杉木的林分蓄積則呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。Ⅲ處理的單木材積最大,為0.22 m3;其次為Ⅱ處理,為0.21 m3;CK 最小,為0.12 m3。杉木的林分蓄積則表現(xiàn)為CK>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ,與CK 相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的林分蓄積分別下降了27.50%、28.15%、36.94%(P<0.05)。
表4 間伐套種后杉木單木材積和林分蓄積的生長變化Table 4 Growth changes of single tree and stand volume of fir plantation after thinning and interplanting
3.3.2 間伐與闊葉樹套種對杉木材種結(jié)構(gòu)的影響
由圖3 可知,隨著試驗(yàn)處理強(qiáng)度的增強(qiáng),林分的薪材、廢材出材量以及總出材量逐漸減小,用材出材量則呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢,并且CK 的值均最大,Ⅲ處理的值均最小。
圖3 間伐套種后林分總出材量的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of total stand output after thinning and interplanting
由圖4 可知,間伐套種處理降低了杉木林分內(nèi)小條木、小徑材的出材量,而中徑材和大徑材的出材量則在不同間伐套種處理下呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。其中,Ⅱ處理的中徑材出材量最大,為80.87 m3·hm-2,Ⅰ處理的中徑材出材量最小,為61.33 m3·hm-2;大徑材出材量則表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>CK。
圖4 間伐套種后林分用材出材量的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of materials output after thinning and interplanting
對杉木用材、薪材、廢材出材率的分析表明(表5),間伐與闊葉樹套種處理可以提高杉木用材出材率,降低薪材和廢材出材率。間伐套種處理后,杉木用材出材率表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>CK,薪材和廢材出材率則表現(xiàn)為CK>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。其中,Ⅱ與Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ處理間用材和薪材出材率差異不顯著,Ⅱ與Ⅲ處理間廢材出材率差異不顯著。
表5 間伐套種處理后不同材種出材率Table 5 The timber assortments timber-produced rate after thinning and interplanting
間伐與闊葉樹套種處理對各材種出材率的影響不同,其中,小條木、小徑材的出材率呈下降趨勢,與CK 相比,Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ處理的小條木出材率分別降低了60.24% 、88.35% 、90.88% (P<0.05);中徑材和大徑材出材率則均呈升高趨勢,間伐套種處理林分的中徑材和大徑材出材率顯著高于未處理林分(P<0.05)。
為了消除各指標(biāo)間單位和量綱的影響,對各指標(biāo)(X1:胸徑、X2:樹高、X3:枝下高、X4:高徑比、X5:胸高形數(shù)、X6:冠幅、X7:冠長率、X8:冠形率、X9:樹冠表面積、X10:樹冠體積、X11:小條木出材率、X12:小徑材出材率、X13:中徑材出材率、X14:大徑材出材率、X15:薪材出材率、X16:廢材出材率、X17:用材出材率、X18:單木材積、X19:林分蓄積)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理,并對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行適用性檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)KMO 數(shù)值為0.612,Sig 數(shù)值為0.00,各指標(biāo)間關(guān)聯(lián)程度較高,可以進(jìn)行主成分分析。
3.4.1 主成分提取 由表6 可知,前6 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)91.228%,并且各主成分的特征值均大于1,說明這6 個(gè)主成分可代表上述的19 個(gè)指標(biāo)。因此,提取這6 個(gè)主成分,分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。
表6 主成分提取結(jié)果Table 6 Extraction results of principal compositions
3.4.2 主成分特征值與荷載結(jié)果 由表7 可知:在第一主成分的特征向量中,胸徑、樹高、胸高形數(shù)、單木材積的特征向量值較高。在第二成分的特征向量中,枝下高和冠長率的特征向量值較高;在第三主成分的特征向量中,小條木出材率和小徑材出材率的特征向量值較高;在第四主成分的特征向量中,冠幅和冠形率的特征向量值較高;在第五主成分的特征向量中,大徑材出材率、薪材出材率和廢材出材率的特征向量值較高;在第六主成分的特征向量中,中徑材出材率和大徑材出材率的特征向量值較高。
表7 主成分特征值與荷載結(jié)果Table 7 Principal component characteristic values and load results
3.4.3 綜合得分 由表8 可知,各處理的綜合得分排名由高到低依次為:Ⅲ處理(1.186)、Ⅱ處理(1.092)、Ⅰ處理(0.671)和CK(-0.709)。其中,Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ處理的綜合得分均大于0,林分生長均優(yōu)于林分平均水平;CK 的綜合得分小于0,林分生長低于林分平均水平。
表8 主成分得分及綜合得分Table 8 Principal component score and comprehensive score
杉木作為我國特有的用材林樹種之一,間伐套種已經(jīng)成為其營建針闊混交林的主要方式[23]。以往研究表明,間伐可以增加林木的可用資源,促使林木胸徑和樹高的增加[24-25],本研究結(jié)果與其一致。
在本研究中,CK 的高徑比、胸高形數(shù)比間伐套種處理林分的高徑比、胸高形數(shù)表現(xiàn)好[26],但枝下高隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)呈現(xiàn)先迅速減小后逐漸增大的趨勢,與前人結(jié)論“枝下高隨著林分密度的降低而逐漸增加[27]”不一致。原因與林分密度有關(guān),林分密度大幅度降低后,林內(nèi)光照和生長空間發(fā)生變化,單木下部枝條受到的自身和相鄰木的遮陰減少,導(dǎo)致枝下高增長緩慢。但隨著林分密度的降低,冠幅逐漸增大,下層冠層受光減少,加劇自然整枝的程度,導(dǎo)致枝下高逐漸增大[28]。
林木冠幅生長通常隨著林分密度的增大而減小[29],而在本研究中,隨著林分密度的增大,杉木冠幅呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。原因可能為Ⅲ處理的間伐強(qiáng)度為65%,伐除木過多,伐除過程中破壞了部分保留木冠層側(cè)枝,導(dǎo)致冠幅因子出現(xiàn)誤差。
在本研究中,冠長、冠長率、冠形率隨著間伐強(qiáng)度的減弱整體呈現(xiàn)減弱的趨勢,與公寧寧[30]對油松人工林樹冠、段劼等[31]對側(cè)柏樹冠特征因子的研究結(jié)果一致。但冠長、冠長率、冠形率在Ⅰ處理出現(xiàn)上升,原因?yàn)椋弘S著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng),杉木樹高增大,但枝下高先減小后增大[28]并且在處理Ⅰ中最低,導(dǎo)致冠長在Ⅰ處理出現(xiàn)上升,從而間接影響了杉木冠長率、冠形率的生長;冠幅隨著林分密度的增大而先增大后減小并且在Ⅱ處理中最高,導(dǎo)致樹冠表面積、樹冠體積在Ⅱ處理中出現(xiàn)上升。
杉木經(jīng)過間伐套種處理之后,隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng),杉木的單木材積呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢,這與張曉紅等[32]的研究一致。但隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng),林分蓄積量逐漸降低。原因在于林分的蓄積量受到單木材積和單位面積株數(shù)的共同影響,雖然各間伐套種處理間杉木的單木材積均有所增加,但是間伐之后保留的株數(shù)減少。如果間伐強(qiáng)度過大則會因?yàn)榱址衷鲩L的蓄積量不足與伐除木的蓄積量抵消,進(jìn)而出現(xiàn)單木材積增加但是林分蓄積量減少的情況,這與鄭鳴鳴[33]對杉木中齡林間伐的研究、SULLIVAN[34]對美國黑松不同間伐強(qiáng)度的研究結(jié)果一致。
林分密度是影響林分材種結(jié)構(gòu)、出材數(shù)量和質(zhì)量的重要因素[35],間伐套種處理后林分內(nèi)保留株數(shù)減少,林木生長空間變大,促進(jìn)林木徑階偏移,導(dǎo)致林分材種結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[36]。本研究發(fā)現(xiàn),間伐套種有利于提高林分用材出材率,降低薪材和廢材出材率,有效提高了林分材種效益,與前人的研究結(jié)果一致[37]。宋重升[38]以16 年生杉木為研究對象,發(fā)現(xiàn)隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng),小徑材和小條木出材量和出材率呈現(xiàn)減弱的趨勢,與本研究結(jié)果一致。此外,宋重升發(fā)現(xiàn)小條木僅出現(xiàn)在未間伐林分內(nèi),而在本研究中,各間伐套種處理中均出現(xiàn)了小條木,原因可能為初始間伐時(shí)林分林齡較大,并且間伐套種處理時(shí)間較短,導(dǎo)致林分胸徑生長變化較小,仍有較多林木胸徑位于14 徑階下。王有良等[39]認(rèn)為大徑材蓄積量隨保留密度的增大呈先增加而后減小的趨勢,這與本研究結(jié)果不完全一致??赡苁鞘芨鲝诫A活立木株數(shù)的影響,隨著間伐強(qiáng)度的增大,林木胸徑遞增,徑階后移,但林木株數(shù)逐漸減少,導(dǎo)致林木大徑材出材量呈現(xiàn)先增加后減小再增大的趨勢[40]。
樣地經(jīng)過不同間伐套種模式改造之后,林內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變,導(dǎo)致林分生長形質(zhì)性狀、空間利用能力、林分產(chǎn)量均發(fā)生變化,本研究對其進(jìn)行綜合分析,發(fā)現(xiàn)得分由高到低依次為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>CK,表明間伐套種處理可以有效改善杉木人工林的生長特征。
間伐與闊葉樹套種處理提高了23 a 林齡的杉木人工林的規(guī)格材出材率,降低了非規(guī)格材出材率,有利于杉木大徑材培育;CK 是提升林木干形形質(zhì)的最佳處理措施,提高了杉木的高徑比、胸高形數(shù)和枝下高;Ⅱ處理(56% 間伐 + 套種闊葉樹)是提升林木空間利用能力的最佳處理措施,提高了杉木的冠幅、冠長、冠長率和冠形率、樹冠表面積、樹冠體積;Ⅲ處理(65%間伐 + 套種闊葉樹)是快速提升杉木人工林生長特征的最佳處理措施,提高了杉木人工林林分特征的綜合得分。