美國東南部5年生桉樹能源林生長規(guī)律及耐寒性分析

余愛華，Tom Gallagher

(1．南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037;2．奧本大學(xué)林業(yè)與野生動(dòng)植物科學(xué)學(xué)院，美國阿拉巴馬州36830)

生物量是食物能量的主要來源，包括植物生物量(或植物)和動(dòng)物生物量［1］。生物質(zhì)能源是人類使用的第一種能源(除了食物)。許多樹種可以作為生物質(zhì)能源如松樹、白楊、楓樹等其他樹種。桉樹具有巨大生物能源潛能［2］。桉樹人工林同時(shí)作為原木紙漿、木片和燃料的來源也具有很大優(yōu)勢(shì)和潛力［3］，在美國南部許多林產(chǎn)品公司都已建立了大量的桉樹人工林［4］。

桉樹以其生長快、成本相對(duì)較低和高產(chǎn)量等特點(diǎn)作為探索桉樹生物質(zhì)能源潛能的主要?jiǎng)右颍?］。正是因?yàn)殍駱溆羞@些特點(diǎn)，在美國南方一些地方桉樹林已成為理想的生物質(zhì)能源林［2］。桉樹是重要的經(jīng)濟(jì)樹種，但在適應(yīng)惡劣的氣候條件上具有一定的局限性，本沁桉(Eucalyptus benthamii)和鄧恩桉(Eucalyptus dunnii)在這方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，能適應(yīng)氣候的變化和具有較好的木材產(chǎn)量和質(zhì)量，使其作為良好的生物質(zhì)能源林成為可能［6］。最近的研究結(jié)果表明，邊沁桉能夠適應(yīng)美國南方的氣候并成為理想的生物質(zhì)能源人工林［7］。

本沁桉屬于雙蒴蓋亞屬，Maidenaria組，樹高可達(dá)35～40 m，直徑可達(dá)1．5m［8］。樹皮光滑呈白色，剝 裂 后 呈 絲 狀［9］。Dougherty and Wright(2012)預(yù)計(jì)到2022年美國每年桉樹的需求量能達(dá)到2 000×104t，本沁桉的生長迅速的能力使之成為理想的樹種。

每個(gè)樹種在其形成和發(fā)展的過程中都會(huì)經(jīng)歷不同的生長階段，每個(gè)階段都有其自身的特點(diǎn)。所以為了更好的經(jīng)營和管理人工林，必須了解和掌握樹種的生物特性和生態(tài)習(xí)性［10］。然而，在美國，對(duì)本沁桉的生長規(guī)律如不同密度及其適應(yīng)環(huán)境的潛能等研究還很少見。本研究試驗(yàn)地設(shè)在美國阿拉巴馬州，沙龍迪克林業(yè)中心(位于Andalusia和Brewton城市之間)，研究了五年生本沁桉在不同密度生長規(guī)律、存活率以及溫度與本沁桉生長之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地位于阿拉巴馬州沙龍迪克林業(yè)中心(SDFC)(位于Andalusia和Brewton城市之間)(31°18'N 86°29'W)。SDFC占地2 145 hm2，是一種多功能的“工作林”。高海濱丘陵地形，平均海拔高度89．9 m。當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑檎橙劳痢夂驗(yàn)槌睗竦膩啛釒夂颍奶斐睗裱谉幔鞙睾蜎鏊?/p>

全年平均溫度為18．3℃。最熱月份是7份，平均氣溫為26．8℃;最冷的月份是1月，平均氣溫8．9℃。史上最高氣溫記錄是在6月，最高溫為40．6℃;史上最低氣溫記錄是在1月，最低溫為-17．8℃。年降雨1 508．8 mm;全年降雨量最大的是3月份，為162．6 mm，最小是10月份，降雨量為71．1 mm;全年平均降雨天數(shù)為101 d，降雨天數(shù)最多的是7月，平均為7 d，最少的為10月份，平均為5 d［11］。(以上氣象數(shù)據(jù)來源于阿拉巴拉馬，安大路西亞地區(qū)氣象報(bào)告)

1．2 取樣及調(diào)查方法

本沁桉于2009年3月31日種植，種子由Arborgen公司提供。樣地?fù)饺氩莞熟⑦M(jìn)行預(yù)處理，在種植后的第一年夏天施了二次草甘膦除草。

種植了兩種密度的本沁桉(起始密度分別為1 650棵/hm2和1 237棵/hm2)，每種密度的樣地面積約 0．25 hm2。每塊樣地種植 7行，行間距3．66 m，株間距分別為1．8 m和2．4 m。第1行鄰近大田，第7行鄰近火炬松(Pinus taeda)人工林。

每年進(jìn)行每木檢測(cè)，用卷尺量胸徑(DBH)(因?yàn)閯偡N植時(shí)樹苗比較小，前兩次量的是地徑)、用三角測(cè)高儀測(cè)樹高(測(cè)量時(shí)間分別為2010年4月2日，2011年1月7日，2011年12月4日，2013年2月25日和2014年2月3日)。第五次測(cè)量為最后一次測(cè)量，因?yàn)?014年早期的一次霜凍致所有的桉樹凍死。

1．3 分析方法

木材材積是衡量樹木生長的一個(gè)重要指標(biāo)，作為商業(yè)用材林，桉樹的生長材積是衡量管理的一個(gè)重要方面［12］。桉樹的材積計(jì)算公式如下［13］:

V桉樹個(gè)體材積=0．000 4 D2H。

V桉樹材積=V單株桉樹材積材積× P林分密度。

式中:V為材積材積，m3;D為胸徑，cm;H為樹高，m;P為林分密度，棵/hm2。

測(cè)量數(shù)據(jù)輸入Excel 2010，對(duì)主要的生長參數(shù)(Ht和DBH)進(jìn)行單因素方差分析(p＜0．05)，對(duì)有顯著差異的參數(shù)，用最小顯著性差異的方法(LSD)進(jìn)行多重比較。采用SPSS統(tǒng)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果分析

2．1 密度、年齡對(duì)樹高、胸徑及存活率的影響

經(jīng)過5 a的生長，兩種密度下的胸徑、樹高、存活率及其他特征都具有明顯的區(qū)別(具體見表1)。

5 a生密度為1 237棵/hm2的桉樹人工林的平均胸徑和樹高(分別為13．46 cm 和16．28 m)高于密度1 650棵/hm2(11．18 cm和15．03 m)的。但從第一、二年的生長情況來看，兩種密度下的胸徑和樹高都相差不大，隨著年齡的增加，差距明顯增大。對(duì)5 a生本沁桉兩種密度下的胸徑和樹高進(jìn)行單因素方差分析，分析表明，密度對(duì)胸徑及樹高的生長的影響達(dá)到顯著水平。同時(shí)，對(duì)不同年齡，不同密度下胸徑和樹高進(jìn)行雙因素方差分析，然后進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果表明:年齡和密度對(duì)樹高和胸徑的影響達(dá)到極顯著水平，二者的交互作用亦如此。

一般認(rèn)為，密度為1 237棵/hm2的人工林材積應(yīng)該高于密度為1 650棵/hm2，但實(shí)際表明，其結(jié)果恰恰相反，密度為1 650棵/hm2、1 237棵/hm2的材積分別為 111．45 m3和 101．15 m3。

兩種密度的年平均存活率也具有差異性，在第一、二年兩種密度的存活率相差較小，隨著年齡的增加，差距顯著。第1年本沁桉密度為1 650棵/hm2和1 237棵/hm2的存活率分別為 86．4%和87．1%，小密度本沁桉人工林的存活率大于較大密度人工林;第 5年的存活率分別為 80．7%和69．3%。大密度的本沁桉人工林存活率高于較小密度的人工林。總體上來說，密度為1 650棵/hm2的本沁桉人工林具有較高的存活率(見表1)。這是沒有任何人為干擾的實(shí)際存活率，主要受樹木本身抑制作用的影響。

2．2 不同行(生長環(huán)境)對(duì)本沁桉生長因素的影響

研究結(jié)果同時(shí)也顯示，不同行間也存在差異性，尤其表現(xiàn)在第1行和第7行的胸徑和樹高(表2)。5年生本沁桉人工林第1行的平均胸徑和樹高分別為14．99 cm和15．27 m，高于第7行的平均胸徑6．98 cm和樹高10．96 m。第1行的存活率為82%，高于第7行的67．3%。密度為1 650棵/hm2、1 237棵/hm25年生本沁桉人工林為第1行的平均胸徑和樹高分別為 12．45 cm、17．53 m和13．17 m，17．37 m，都高于第7行的平均胸徑和樹高 (分 別 為 6．35cm、7．62cm 和 10．82m、11．09 m)。這其中的原因可能是第1行桉樹臨近大田，日照時(shí)間長，而第7行臨近火炬松人工林，肥力和陽光都受到火炬松人工林的影響。

密度為1 237棵/hm2的第1行和第7行的胸徑和樹高存在著顯著差異(見表2)。

2．3 本沁桉人工林年變化分析

第1年和第2年的地徑平均增長2．54 cm和2．95 cm，第一年最大增長 6．1 cm，最小增長0．3 cm第二年最大的增長10．2 cm，最小增長 -0．12 cm。因?yàn)榈?、2年量的是地徑，從第3年開始量的是胸徑，所以第2年和第3年無從比較。第3～4、4～5年胸徑平均增長為 7．11 cm和3．53 cm。胸徑平均年增長最大的是第3～4年，年增長7．11 cm。同時(shí)，本沁桉人工林樹高的年增長也具差異性。第1年和第2年的樹高平均增長1．55 m 和 2．03 m，第 3～4、4～5年平均增長7．63 m和3．24 m。樹高平均年增長最大的也是第3～4年，年增長為7．63 m。分析結(jié)果表明，胸徑和樹高的年變化存在顯著差異(見表3)。

2．4 溫度對(duì)生長參數(shù)的影響

Dougherty和Wright(2010)的研究表明，本沁桉具有足夠的耐寒性，在美國南部能作為較理想的生物質(zhì)能源林［2］。本研究結(jié)果顯示本沁桉能夠耐受2011年-7．4℃的低溫，但是2014年連續(xù)兩天-11．3℃的低溫把所有的本沁桉都凍死了。對(duì)本沁桉的生長參數(shù)與溫度的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示:本沁桉的生長與年平均溫度無顯著相關(guān)性(表4)，本沁桉的生長受溫度的影響不大，但受最低溫的限制，本沁桉能忍受的最低溫度在-7．4℃，低于-7．4℃的任何溫度都有可能凍死它。

表1 不同年齡和密度下本沁桉的生長參數(shù)Tab．1 Growth parameters of E．benthamii in different ages and densities

表2 不同行、年齡和密度下本沁桉的生長參數(shù)(第1、2年量的是地徑)Tab．2 Growth parameters of E．benthamii in different rows，ages and densities(diameter measured at the base of tree at first two years)

表3 本沁桉胸徑和樹高年變化分析Tab．3 Yearly change of DBH and height

表4 生長參數(shù)與溫度的關(guān)系Tab．4 Relationship of growth parameters and temperature

3 討論

桉樹具有速生、豐產(chǎn)、用途廣泛等性質(zhì)［14］且本沁桉是一個(gè)典型，胸徑平均每年增長2．54 cm，樹高平均每年生長3 m，但也具有個(gè)體差異性。五年生本沁桉的最大和最小直徑分別為27．9 cm和1．27 cm，最高樹高和最低樹高分別為22．86 m和2．44 m。同時(shí)也說明，種源選擇及為減少個(gè)體差異而進(jìn)行人工林的撫育管理的重要性。本沁桉的胸徑和樹高的年生長具有顯著差異性，也與陳建忠研究的鄧恩桉的生長規(guī)律是相一致的［15］。

本沁桉在我國的引種始于1988年，由王豁然先生從澳大利亞引進(jìn)，在云南昆明和楚雄種植。在云南楚雄的引種試驗(yàn)表明了本沁桉的速生性，約1．5 a 生時(shí)平均樹高2．68 m［16］。與本研究結(jié)果相似(1 a生本沁桉的平均樹高為1．55 m，2 a生平均樹高為5．46 m)。研究中3 a生本沁桉的平均胸徑和樹高分別為7．11 cm和7．56 m，略低于湖南永州試點(diǎn)2．8 a生時(shí)平均胸徑和樹高分別為9．1 cm和7．9 m［17］。

本沁桉的生長因素(樹高和直徑)受密度的影響很大，不同密度本沁桉材積也顯示出差異性。低密度的(1 237棵/hm2)人工林比高密度(1 650棵/hm2)

的人工林具有較高的每株材積，卻具有較低的每公頃材積。這也表明，如果本沁桉是作為生物質(zhì)能源林，較高的密度是比較合適的。如果是為了滿足紙漿市場(chǎng)的需求，較低密度的本沁桉人工林則較為合適。典型的桉樹能源林，收獲周期為7 a，密度為900～1 500棵/hm2。兩種不同密度的本沁桉的胸徑和樹高生長存在顯著差異。李志輝等的研究表明:造林密度能顯著影響桉樹人工林生物量，單株生物量隨密度的增大而明顯減小［19］。韓斐揚(yáng)等研究的1年生、2年生巨細(xì)桉(E．grandis×E．tereticomis)的胸徑及胸徑增長量隨林分密度的增加而減小。其中，以密度為1 250棵/hm2的最大;不同造林密度間的1年生、2年生桉樹的胸徑、樹高及其增長量差異極顯著［20］。

不同密度的本沁桉存活率也存在差異性，在第1、2年，兩種密度的存活率相差不大，密度為1 237棵/hm2和1 650棵/hm22 a生本沁桉的存活率分別為81．6%和82．7%，與韓斐揚(yáng)等2 a生巨細(xì)桉的存活率具有極大的相似性(密度為1 250棵/hm2和 1 667棵/hm2的存活率分別為 81．67%、83．33%。)。但隨著年齡的加大，差距也增大，5年生本沁桉密度為1 237棵/hm2、1 650棵/hm2的存活率分別為69．3%和80．7%。研究中的存活率是不受任何人為干擾的，一般來說，人為活動(dòng)如施肥、除草及間苗等都會(huì)對(duì)人工林的存活率產(chǎn)生影響。

本沁桉人工林樹木的生長主要受3個(gè)因素影響:基因型，養(yǎng)護(hù)管理和所處的環(huán)境因素［21］。本研究表明即使是一個(gè)樹種和同樣的管理方式，樹木的生長變化受環(huán)境的影響很大。例如，第1行和第7行桉樹的生長呈現(xiàn)顯著性的差異，第1行的生長狀況明顯好于第7行。并且第7行的存活率也低于其他行，特別是第1行。這其中的主要原因可能是第7行鄰近火炬松人工林，而第1行靠近開放的大田。同時(shí)也表明充足的陽光將促進(jìn)本沁桉的生長。

低溫凍害是限制桉樹生長的重要因素，也是引種成敗的關(guān)鍵。一般在出現(xiàn)-3℃以下的最低氣溫時(shí)即會(huì)造成不同程度的凍害［22］。林方良等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，桉樹抗寒性以幼齡期最差，隨著林齡的增加桉樹木質(zhì)化程度加大，抗凍害能力隨之增強(qiáng)［23］。一些試驗(yàn)結(jié)果表明本沁桉具有足夠的耐寒性，我們通過每天監(jiān)測(cè)林地的溫度狀況，證實(shí)了其確實(shí)具有這個(gè)潛能。本沁桉(2 a生)能忍受2011年的-7．4℃的低溫，但不能耐受2014年(5 a生)的連續(xù)兩晚的-11．3°C的低溫。本沁桉人工林的存活率和生長狀況跟年平均氣溫關(guān)系不太，但受低溫的限制。黃進(jìn)等通過2個(gè)月的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，桉樹幼樹在較長時(shí)間的-1～-4℃低溫氣象狀況下，亮果桉和鄧恩桉表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐寒風(fēng)和低溫傷害能力;赤桉、巨尾桉、細(xì)葉桉和細(xì)葉桉的幼樹受到寒風(fēng)和低溫的傷害，樹梢、幼嫩枝葉和部分成熟葉等出現(xiàn)枯死［24］。本研究中的本沁桉由于受到極低溫的限制，在第5年時(shí)被全部凍死。但隨后的一年中在根部萌發(fā)出很多新苗，也表現(xiàn)出本沁桉較強(qiáng)的萌芽能力。

本研究對(duì)本沁桉人工林除了兩次化學(xué)除草以外，沒有對(duì)本沁桉加入任何的人為干擾。本沁桉的生長同時(shí)也受氣候，土壤的物理和化學(xué)特性以及施肥方式等因素的影響，這也是我們今后本沁桉研究工作的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

一些桉樹樹種具有速生、樹桿筆直等優(yōu)良品質(zhì)，本文研究的本沁桉也顯示出這個(gè)特性，其直徑和樹高平均年生長2．54 cm和3m;幼年期的本沁桉個(gè)體生長具有顯著的差異性，一些生長參數(shù)如胸徑和樹高的年生長也顯現(xiàn)明顯的差異性;密度對(duì)本沁桉的胸徑和樹高具有較大的影響，不同密度下本沁桉的胸徑和樹高生長具有顯著差異性，材積也是如此。不同的生態(tài)環(huán)境影響著本沁桉的生長，第1行和第7行本沁桉的生長狀況就是一個(gè)很好的例證。

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