刺槐新品種材積生長量和形數(shù)測算

李國霞 ，荀守華 ，張元帥 ，徐貴學 ，張自和 ，王有剛 ，仲偉國 ，劉澤東 ，董元夫 ，李曉玲

（1.山東農(nóng)業(yè)大學，山東 泰安 271018；2.山東省林業(yè)科學研究院，山東 濟南 250014；3.費縣國有大青山林場，山東費縣 273402；4.臨沂優(yōu)優(yōu)木業(yè)股份有限公司，山東費縣 273400；5.榮成市林業(yè)局，山東榮成 264301）

我國是木材消費大國，木材消費量不斷增長，木材缺口仍在加大；由于森林生產(chǎn)力低，森林資源林齡結(jié)構(gòu)不合理，可采資源不足，木材對外依存度達到了50%。提高森林蓄積，提升森林資源質(zhì)量，增加木材供應，是我國林業(yè)面臨的當務之急。刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）木材質(zhì)地較硬，顏色較深，紋理美觀，耐水濕，耐腐朽，廣泛應用于建筑、礦柱、農(nóng)具、造船等。刺槐是我國北方主要用材林和防護林樹種，尤其在華北山區(qū)、黃土高原、西北干旱半干旱地區(qū)和黃渤海濱海灘涂是造林綠化先鋒樹種，對于保障生態(tài)安全，緩解木材供需矛盾，具有戰(zhàn)略意義。

迄今國內(nèi)外有關刺槐材積計算方法主要有原木材積測算和材積表法，檢尺徑在4～12cm的小徑原木材積計算公式為：V＝0.7854L×(D+0.45L+0.2)2÷10000，檢尺徑在14cm以上的小徑原木材積計算公式為：V＝0.7854L×(D+0.5L+0.05L2+0.000125L×(14-L)2×（D-10））÷10000[1]；材積表法又分一元材積表和二元材積表，一元材積表法是隨機抽取100～300株伐倒木，測得其胸徑D并區(qū)分求材積V，并用材積公式V=aDb,求解參數(shù)a,b[2]；二元材積表即利用胸徑和樹高計算材積，如公式V=7.118×10-5D1.9414874H0.8148708[3]。利用形數(shù)包括胸高形數(shù)和實驗形數(shù)計算木材材積研究較少。

為了更好的維護環(huán)境，促進森林計測朝更精準的方向發(fā)展，研究測定立木材積的方法顯得尤為重要。立木材積的求算是林業(yè)生產(chǎn)、科研工作中一項重要的工作內(nèi)容。單株立木材積測定的主要方法是通過測定胸徑、樹高、上部直徑或上部直徑的高度來計算干形指數(shù)，然后計算材積。樹干形狀在測樹學中是一個重要的主測樹因子，它既決定著樹干材積的數(shù)量和質(zhì)量，還是某些測樹用表編制的核心因素。本文通過利用刺槐5個品種伐倒木的胸徑、樹高等因子，計算其材積生長量；根據(jù)胸高形數(shù)和實驗形數(shù)計算公式，分別求得5個品種的胸高形數(shù)和實驗形數(shù)，為刺槐新品種用材林立木材積計算和蓄積測算提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和研究材料

1.1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于費縣國有大青山林場，地處蒙山東麓， 區(qū)域地理位置為 N 35°23.360′-35°24.597′，E118°11.253′-118°12.349′，海拔在 168-768m。 全年平均氣溫在13.8℃，極端最高溫度39.1℃，極端最低溫度-18.3℃；日平均氣溫有212d大于10℃；年平均日照時數(shù)有2588h；無霜期197d左右；常年平均降雨836.6mm，年均蒸發(fā)量2125 mm。屬暖溫帶大陸性季風氣候。研究區(qū)域土壤類型為山地棕壤和淋溶性褐土，土層厚度在20～60cm，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)0.5%以下，土壤肥力較低，pH值在6.5～7.0。

1.1.2 研究材料

研究材料為本項目選育的刺槐用材林新品種多彩青山、紫艷青山、壯美青山和綠滿青山，以魯刺10為對照品種，取自費縣國有大青山林場8年生刺槐無性系測定林。

1.2 試驗方法

1.2.1 標準木采伐

實測刺槐無性系測定林全株胸徑和樹高，統(tǒng)計5個品種的平均胸徑和平均樹高，以平均胸徑和平均樹高作為標準木選擇依據(jù)，每個品種選擇3株標準木做好標記。將供試的5個品種標準木（樣株）貼地皮處伐倒，剪去全部側(cè)枝。測量伐倒木樹干的總高度，在樹干胸高、1/3、1/2和3/4處截斷，量取每段兩端直徑并做好標記。

1.2.2 中央斷面區(qū)分求積公式

式中，g——第i區(qū)分段中央斷面積；

l——區(qū)分段長度；

g’——梢頭底端斷面積；

l’——梢頭長度；

n——區(qū)分段個數(shù)。

1.2.3 胸高形數(shù)計算公式

以胸高斷面為比較圓柱體的橫斷面的形數(shù)為胸高形數(shù)（breast-height form factoc），以 f1.3表示。 公式如下：

將截好的樹干分別量出每段中央直徑和最后一個區(qū)分段梢頭底端直徑,梢頭用圓錐體體積公式計算材積，其余用圓柱體體積公式計算材積，然后求所有區(qū)分段體積之和即是樹干的材積。公式如下：

由（1）式轉(zhuǎn)換成相應的立木材積公式：

1.2.4 實驗形數(shù)計算公式

林昌庚（1961）提出實驗形數(shù)（experimental form factor）作為一種干形指標。實驗形數(shù)的比較圓柱體的橫斷面為胸高斷面，其高度為樹高（h）加3m。記為fa。公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，采用SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗（F檢驗）和多重比較（LSD 法，α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 刺槐各品種的材積及差異

樹木材積指的是伐根以上樹干的材積，從木材利用角度來看，樹干的利用價值亦最高[4]。根據(jù)公式（1）計算得到相應品種的材積（表1）。從表1可以看出，材積的大小由其胸徑和樹高決定。5個刺槐品種中胸徑最大的是壯美青山，最小的是魯刺10，胸徑由大到小排列順序是壯美青山＞多彩青山＞綠滿青山＞紫艷青山＞魯刺10；樹高最大為多彩青山，最小的為魯刺10，由高到低排列順序為多彩青山＞壯美青山＞紫艷青山＞綠滿青山＞魯刺10；材積最大的是多彩青山，最小的是魯10，由大到小排列順序和樹高的排列順序相同。經(jīng)方差分析，五個品種間材積差異呈極顯著水平（P<0.01）。

表1 刺槐各品種的材積及差異Table 1 The volume and difference of each species of Locust

2.2 各品種之間胸高形數(shù)和實驗形數(shù)的變化

樹干的材積與比較圓柱體體積之比稱為形數(shù)（form factoc）[5]。形數(shù)不僅是反映樹干圓滿程度的重要干形指標，在計算立木材積及林分因子方面也起到重要作用。由胸高形數(shù)的計算公式可知，當胸徑或者樹高一定時，飽滿樹干的材積與比較圓柱體的體積相差較小的情況下，其形數(shù)值較大；反之，尖削樹干的材積較小，其形數(shù)值小[5]。實驗形數(shù)是為了吸取胸高形數(shù)的測量方便和正形數(shù)不受樹高影響這兩方面的優(yōu)點而設計的，實驗形數(shù)不僅在理論上具有進一步的發(fā)展，而且簡化了立木蓄積量的測定。由表2得知：各品種間胸高形數(shù)在0.36～0.55范圍內(nèi)，由大到小排列順序為魯刺10＞紫艷青山＞多彩青山＞綠滿青山＞壯美青山；胸高形數(shù)差異較大，其中魯刺10形數(shù)最大為0.55，壯美青山最小為0.36。分析其原因一是品種自身干形生長特性圓滿成度有差異；其次，魯刺10樹梢有過修剪，造成樹干尖削度減小，致使形數(shù)較大；各品種間實驗形數(shù)在0.29～0.41范圍內(nèi)，由大到小排列順序和胸高形數(shù)的變化趨勢相同，即魯刺10＞紫艷青山＞多彩青山＞綠滿青山＞壯美青山。在各品種的胸高形數(shù)和實驗形數(shù)變化趨勢相同的情況下，其胸高形數(shù)一直高于實驗形數(shù)，且胸高形數(shù)的大小變化差異大于實驗形數(shù)的大小變化差異。這也說明實驗形數(shù)的穩(wěn)定性相對較好[6]。經(jīng)方差分析，各品種之間胸高形數(shù)與實驗形數(shù)均差異極顯著（P<0.01）。

表2 各品種之間胸高形數(shù)和實驗形數(shù)的變化Table 2 The change of the height and the number of experimental shapes among the varieties

2.3 胸徑與胸高形數(shù)和實驗形數(shù)的關系

胸徑是一個容易測量、精確度相對較高的直接測量因子，所以科學工作者在工作中喜歡以直徑作為自變量[6]。從圖1可以看出，各品種之間胸高形數(shù)與試驗形數(shù)的變化規(guī)律與胸徑的變化規(guī)律呈大致相反趨勢，胸徑最大的為壯美青山，其胸高形數(shù)與實驗形數(shù)最小；胸徑最小的為魯刺10，其胸高形數(shù)和實驗形數(shù)最大，但是各品種之間胸徑由大到小的變化趨勢和形數(shù)由大到小的變化趨勢不完全吻合，因為影響形數(shù)大小的因素除了胸徑、樹高之外，總體干形的變化對形數(shù)的大小也有一定影響。

圖1 胸徑與胸高形數(shù)和實驗形數(shù)的關系Fig.1 Relationships of DBH with chest height and experimental shape

2.4 樹高與胸高形數(shù)和實驗形數(shù)的關系

從圖2可以看出，各品種之間胸高形數(shù)與實驗形數(shù)的變化規(guī)律與樹高的變化規(guī)律相比沒有明顯的規(guī)律性，一方面說明樹高對形數(shù)的影響較小，這一結(jié)果與范廣信等的結(jié)論相似[6]；另一方面，造成規(guī)律性不明顯的原因一是樹種之間的差異造成，再者可能與樹齡、造林密度或者立地條件等差異有關，尚需進一步測定研究。

圖2 樹高與胸高形數(shù)和實驗形數(shù)的關系Fig.2 The relationship between tree height and chest height shape and experimental shape

3 結(jié)論與討論

估測林分蓄積的重要手段之一就是利用單株立木材積的測定來實現(xiàn)，這對于評價森林生產(chǎn)力具有重要的意義。單株立木材積測定的理論與方法是傳統(tǒng)測樹學的基礎。目前，測樹技術應用隨著森林動態(tài)管理和工業(yè)用材林的發(fā)展越來越廣泛,作用也越來越重要。因此,進一步研究刺槐用材林材積測定技術,對于工業(yè)用材林木材蓄積估測和測樹學的發(fā)展具有重要意義。

在樹干材積計算方法中，形數(shù)實質(zhì)上是一個換算系數(shù)。最常用的是胸高形數(shù)f1.3，它的大小反映了樹干粗度變化的快慢，以及樹干的尖削度；形數(shù)僅僅說明相當于比較圓柱體體積的成數(shù)，不能具體反映樹干的形狀[5]。影響形數(shù)準確性的主要因素包括樹種、立地和年齡，對于形數(shù)已經(jīng)有許多學者研究了大量的測定方法與技術。本文對刺槐材積測定僅做了部分研究，例如干曲線方程等其他計算材積方法還需要做進一步的探討和研究[1]。

胸徑、樹高能在很大程度上反映胸高形數(shù)與實驗形數(shù)的變化。但是,在樹木胸徑、樹高相同的條件下,其胸高形數(shù)和實驗形數(shù)并不相同,且變動較大,這也說明用胸徑、樹高不能完全解釋胸高形數(shù)和實驗形數(shù),形數(shù)有可能還受林分密度、立地質(zhì)量等因素的影響[7]。

[1]古興玉.木材材積計算方法探討[J].綠色科技,2016，(23)：97-98.

[2]向建華.我區(qū)現(xiàn)有一、二元立木材積表應用偏差問題的探討[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,1996，(1)：8-10.

[3]王太勤,王建體,張鵬.刺槐楊樹一元材積表及平均形數(shù)法適用性檢驗[J].山東林業(yè)科技,1993，(4)：43-46.

[4]古興玉.木材材積計算方法探討[J].綠色科技,2016，(23)：97-98.

[5]孟憲宇.測數(shù)學[M].北京：中國林業(yè)出版社.1996.

[6]范廣信,張景蘭,郄利軍,等.實驗形數(shù)變化規(guī)律的研究[J].河北林果研究,2006,21(1)：33-36.

[7]唐巍.川南局峨眉冷杉人工林胸高形數(shù)及高徑比研究[J].四川林勘設計,1994，(1)：38-40.