造林密度對歐美楊3品種在東北地區生長及材性的影響

劉 寧，丁昌俊，李 波，丁 密，蘇曉華，黃秦軍

(中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091)

楊樹(Populusspp.)為楊柳科楊屬(Populus)植物的總稱，屬于速生闊葉樹種，其用途廣泛，既是北半球重要的速生工業、民用材原料樹種，又是進行水土保持、防風固沙和生態綠化的主要速生樹種[1]。楊樹速生、高產、易繁殖、木材易加工、適應性和用途廣泛，是溫帶地區種植的首選樹種，根據第九次森林資源結果，在我國其人工林面積已達757.07萬hm2，占全國人工林總面積的13.25%，木材產量占全國木材總產量近30%，對國家林業建設和地域經濟發展的貢獻巨大，并取得了顯著的社會效益和生態效益[2-6]。黑楊派(Section aigeiros)是楊樹中的高生產潛力樹種，具有極高的育種價值和經濟價值，目前，大部分人工栽培的楊樹都源于黑楊派[7-8]。大量實踐表明，黑楊派中美洲黑楊(Populus deltoidesMarsh.)及其與歐洲黑楊(P. nigraL.)的雜種后代歐美楊(P.×euramericana)已成為我國楊樹規模和商業化栽培的主體[9]，對于人工用材林發展具有不可替代的作用。

由于生長周期長，林木的產出、適應性、木材性質等因素在育種時必須要綜合考慮，其中，對能夠影響產量和木材性質的因素尤為重視[10]。密度是人工林合理結構的數量基礎，對林木生長和木材質量具有重要影響，人工林中個體間的空間競爭隨林齡的增長而變大，合理的密度能提供適當的環境條件使林木達到最佳生長，過大的林分密度對林木的生長產生抑制作用[11-12]。研究表明，密度不僅影響林冠特征、林下植被和林木生長，而且還影響木材質量[13-14]。西南樺(Betula alnoidesHamilt)生長受到密度影響，其中，密度與胸徑生長呈顯著負相關，與林分蓄積呈正相關，與單株材積呈負相關，且隨林齡增長，不同密度林分間蓄積差異逐漸縮小[15]。造林密度對6年生尾葉桉(Eucalyptus urophyllaBlake)胸徑、立木單株材積、冠幅及枝下高的影響達到極顯著水平，對蓄積量、木材纖維寬度和導管分子長度的影響達到顯著水平，對樹高、木材氣干密度和木纖維長度有一定的影響[16]。

鑒于國家木材資源將長期緊缺現狀[14]，選育和栽培適宜的速生高產優質歐美楊品種，以提高我國尤其是北方地區楊樹人工林的生產力和木材質量非常重要。本文以2個國家審定歐美楊良種渤豐1號楊（P.×euramericana‘Bofeng 1’；良種編號：國S-SC-PE-002-2011）、渤豐3號楊（P.×euramericana‘Bofeng 3 hao’；良種編號：國S-SV-PE-003-2017）和歐美楊新品種京2楊（P.×euramericana(Dode)Guiner c1.‘J2’；品種權號：20 050 033）為試材[17-18]，通過分析比較不同密度對不同林齡生長和木材性質的影響，確定合理造林密度，為歐美楊新品種的選育、北方楊樹用材林特別是紙漿材林產量提高和木材品質優化提供有價值參考。

1 材料與方法

試驗開展于遼寧省錦州凌海市原種場(41°17′ N，121°36′ E)，年降水量400～600 mm，海拔17 m。2007年春季埋根造林，造林所用根為1年生苗木的根。試驗采用4個密度處理（2 m×3 m、2 m×4 m、2 m×5 m和2 m×6 m），3個重復，林地四周栽植2行隔離行。實驗材料為3個歐美楊品種：渤豐1號楊、渤豐3號楊和京2楊。

2007至2012年和2014年每年秋季使用測樹圍尺測量胸徑，其中，使用2014年春季調查的胸徑代替2013年秋的胸徑數據；統計不同年份的保存率；木材性質的測定由東北林業大學在2017年完成。

使用Excel、SPSS25以及R3.6.0等統計軟件對試驗數據進行分析。對保存率進行整理并繪制連年變化圖；對胸徑進行方差分析；對3品種的胸徑進行多重比較；對于木材解剖性質和木材化學成分，取3個品種的均值作為歐美楊人工林整體的木材性質進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 造林密度對生長的影響

2.1.1 保存率的連年變化 3個品種的保存率變化模式具有明顯的差異（圖1）。總體上看，京2楊的4個栽植密度均呈逐年下降的趨勢，第4年開始逐年較大幅度下降，各造林密度間差異不明顯；渤豐1號楊2 m×6 m造林密度的保存率始終高于87%，而2 m×5 m造林密度的保存率從第4年開始逐年小幅下降，較大造林密度（2 m×3 m和2 m×4 m）的保存率是從造林開始逐年小幅下降至第3年，第3至6年保存率穩定在70%左右，在第7年有小幅下降，第7、8年的保存率維持在55%左右；渤豐3號楊較小造林密度（2 m×5 m和2 m×6 m）的保存率變化較穩定，至第8年兩密度保存率在75%左右，2 m×4 m造林密度的保存率大幅下降至第2年，后維持在54%～63%，而2 m×3 m造林密度的保存率，在第1至3年大幅下降，在第6至8年均小幅下降，最終保存率為41%。

2.1.2 胸徑的方差分析及多重比較結果 對連續測量的胸徑數據進行雙因素方差分析（表1），結果表明：造林密度和品種對胸徑生長均有極顯著的影響（p＜0.01）；造林密度與品種的互作效應在第2至6年均達顯著水平（p＜0.05），其中，第3、4年達極顯著（p＜0.01）水平。

圖1 保存率變化Fig. 1 Changes in preserving rates

表1 歐美楊胸徑的雙因素方差分析Table 1 Two-Way ANOVA of DBH of Populus×euramericana

對不同年份不同造林造林密度下各品種的胸徑進行多重比較（表2），結果表明：不同年份間，各造林密度下，品種胸徑的表現存在明顯差異。2 m×3 m造林密度下，除第2年外，渤豐3號楊胸徑最大且除第3年外顯著（p＜0.05）高于其他品種，第2年京2楊的胸徑最大且顯著高于其他品種；2 m×4 m造林密度下渤豐3號楊的胸徑在第2至8年最大且除第2、第7年外顯著高于其他品種；2 m×5 m造林密度下，京2楊在第2、3年胸徑最大且顯著高于其他品種，第4年各品種無顯著差異，第5至8年渤豐3號楊胸徑最大且顯著高于京2楊；2 m×6 m造林密度下，第2年京2楊胸徑最大且顯著優于其他品種，第3年渤豐1號楊胸徑最小且顯著劣于其他品種，第4至8年渤豐3號楊胸徑最大且顯著高于其他品種。第8年試驗結束時，2 m×6 m造林密度下渤豐3號楊的胸徑最大，達25.01 cm；渤豐1號楊次之，達22.96 cm；京2楊最差，僅21.34 cm。

2.2 造林密度對總體木材性質的影響

2.2.1 對木材物理性質的影響 由表3可以看出：除第3年外，歐美楊在同一林齡不同栽植密度下木材基本密度差異不顯著；第3年2 m×4 m造林密度的歐美楊木材基本密度顯著大于2 m×3 m造林密度，其余造林密度差異不顯著。整體上看，歐美楊木材基本密度每年的總均值在第4、5年下降，除此之外呈逐年增長的趨勢；各栽植密度中，隨林齡的增長，歐美楊的木材基本密度存在增長的趨勢，各造林密度下歐美楊第7、8年的木材基本密度均高于第1、2年。2 m×3 m、2 m×4 m、2 m×5 m和2 m×6 m造林密度下歐美楊木材基本密度首先出現顯著性差異的年份分別為第4年、第3年、第7年和第7年。較小造林密度下，歐美楊的木材基本密度呈增長趨勢，較大造林密度下歐美楊的木材基本密度，整體上是逐年增長的趨勢，但其在第4至6年存在木材基本密度下降的現象；至第8年，各造林密度下歐美楊的基本密度為0.33～0.34 g·cm-3。

隨著林齡的增大，歐美楊的微纖絲角均呈先增加后減小的趨勢，至第8年，各造林密度下歐美楊的微纖絲角為15.00～15.65；只有第3年和第5年各造林密度間微纖絲角存在差異，在第3年，2 m×4 m和2 m×6 m造林密度的歐美楊微纖絲角顯著大于2 m×3 m造林密度；在第5年，2 m×5 m和2 m×6 m的歐美楊微纖絲角顯著大于2 m×3 m造林密度。只有2 m×4 m和2 m×6 m造林密度下歐美楊微纖絲角的逐年變化存在差異，2 m×3 m和2 m×6 m密度處理的歐美楊微纖絲角隨林齡的增長差異不顯著，2 m×3 m、2 m×4 m、2 m×5 m和2 m×6 m造林密度下歐美楊微纖絲角開始明顯下降年份分別為第3年、第4年、第6年和第6年（表3）。

表2 3品種不同林齡的胸徑及多重比較Table 2 Multiple comparisons of 3 cultivars' DBH at different forest ages cm

歐美楊木材纖維的長、寬及長寬比在同一林齡時，各造林密度之間均差異不顯著（表4）。至第8年，歐美楊木材的長寬比為49.65～52.83。隨著林齡的增長，各造林密度下的歐美楊長寬比和纖維長均有顯著增加，而纖維寬則沒有顯著的變化。長寬比總均值的排序為：2 m×3 m＞2 m×4 m＞2 m×5 m＞2 m×6 m；纖維長總均值的排序為：2 m×6 m＞2 m×3 m＞2 m×5 m＞2 m×4 m；纖維寬總均值的排序為：2 m×6 m＞2 m×5 m＞2 m×3 m＞2 m×4 m。

2.2.2 對木材解剖性質的影響 歐美楊木材的壁腔比差異不顯著，第6年時，2 m×3 m、2 m×4 m和2 m×5 m 密度的歐美楊壁腔比較低，2 m×6 m密度壁腔比相對穩定，其余年份壁腔比大部分在0.3以上（表5）。歐美楊木材的木纖維組織比量在同一林齡不同栽植密度間均差異不顯著，除2 m×3 m造林密度外，其余造林密度第8年歐美楊的木纖維組織比量均顯著小于造林初期；歐美楊木纖維組織比量較高，均在50%以上，木纖維組織比量木纖維組織比量總體上隨林齡的增長呈減小的趨勢（表5）。

2.2.3 對木材化學成分的影響 歐美楊木材的各化學成分在不同栽植密度下均差異不顯著（表6）。歐美楊木材的纖維素含量為40.54%～42.76%，綜纖維素含量均大于76%，歐美楊的酸溶木素含量均高于3.25%，總木素的含量在22%左右；2 m×3 m造林密度的酸不溶木素和總木素含量最高，2 m×5 m造林密度的水分和綜纖維素含量最高，2 m×6 m造林密度的纖維素和酸溶木素含量最高。

表3 不同造林密度下的基本密度和微纖絲角Table 3 Basic density and microfibrillar angle of different planting densities

3 討論

造林密度和歐美楊的品種特性與保存率的變化關系密切，研究其變化規律對歐美楊品種選擇及生產的科學規劃具有實際意義。不同造林密度下，3品種每年的保存率變化趨勢差異顯著，京2楊保存率在第1至8年保持中等幅度的持續下降，其第8年保存率最低；渤豐1號楊與渤豐3號楊保存率變化相似，均為較小造林密度的保存率優于較大造林密度，較大造林密度在第3年和第6年附近出現下降。整體看，2 m×6 m造林密度下渤豐1號楊的保存率最高，始終高于87%。保存率出現差異可能是因為渤豐3號楊和渤豐1號楊均是來自荷蘭的歐洲黑楊145號（P.nigra）與河南的美洲黑楊65號 楊（P. deltoidescl. ‘55/65’ ×P.deltoidescl.‘2KEN8’）的雜交種，而京2楊屬聚合型雜種歐美楊，但其遺傳成分中歐洲黑楊僅占1/8，而美洲黑楊占7/8[17-18]。由遺傳結構差異而帶來的雜種優勢[7,19-20]，在本研究中極為明顯：渤豐3號楊和渤豐1號楊既有歐洲黑楊的抗逆性，也獲得了美洲黑楊的速生性，能適應當地冬季寒冷等環境條件而且有較好的生長表現；而京2楊主要成分是美洲黑楊，繼承歐洲黑楊抗寒能力較弱，加之其大冠幅的特點，使京2楊生長處于逆境狀態，這可能是其保存率低的重要原因。據報道[13-14,21]，造林密度會影響楊樹冠層特性、生物量、樹體和葉片形態以及光合作用。本研究結果表明，歐美楊品種隨著林齡的增長，其對生存空間的需求增加，當初始造林密度滿足不了其生存需求時，空間上的競爭使保存率下降以增加其生存空間。人工林的造林密度與林分后期密度關系緊密，林木的生長受此影響，過高的造林密度會使林分中可利用的空間減少，從而加劇林木間的競爭，林木的死亡率上升、生長受到抑制，必需適當調整林分密度，才能促進林木生長發育，達到速生豐產的效果[11-12,15,22]。

表4 不同造林密度下歐美楊的纖維結構Table 4 The fiber structure of Populus×euramericana with different planting densities

造林密度和品種對歐美楊人工林生產力具有顯著的影響。研究表明，密度主要與胸徑生長相關顯著[15-16]。本研究中，品種和造林密度對黑楊派品種胸徑生長均有極顯著（p＜0.01）的效應；品種與造林密度的互作在第2至6年均有顯著效應，而在第7和第8年互作效應不顯著。說明品種對不同造林密度的響應不一，根據胸徑表現篩選品種、造林密度有利于人工林的營造栽培。據悉，渤豐1號楊和渤豐3號楊是針對東北環渤海灣地區設計雜交的歐美楊造林品種，其綜合表現優于108楊[18]。隨林齡增長，首先郁閉的是造林密度較大的人工林，楊樹胸徑的生長會較早受到競爭而被抑制[23]；而品種與造林密度的互作效應可以看做基因型與環境的互作效應，試驗結果表明互作效應隨林齡的增長會消失，這與相關的研究結果一致[24-25]。第8年試驗結束時2 m×4 m和2 m×6 m造林密度下歐美楊各品種的胸徑表現最好，但2 m×4 m造林密度下各品種的保存率較低。綜合各品種保存率和胸徑的表現，應當選擇2 m×6 m造林密度來營造人工林。

表5 不同造林密度下的纖維形態Table 5 The fiber morphology of different planting densities

表6 不同密度處理下歐美楊的化學成分Table 6 Chemical composition of Populus×euramericana with different planting densities

造林密度對歐美楊品種木材物理和化學性質的效應不明顯，第8年試驗結束時，4種造林密度下歐美楊木材的解剖性質和化學成分均差異不顯著，這可能是因為保存率的連年變化導致了生存空間的增加。鮑甫成等[26]認為，闊葉樹木材密度會因林分中郁閉度的增加而減少。基本密度是木材在用作纖維原料時的重要性質，密度為0.4～0.6 g·cm-3的木材堅硬適中且易于制漿；木纖維長度不僅與木材的利用關系緊密，而且也是評價木漿的一項重要因素。纖維長度的增加會提高紙張的耐撕度、抗拉強度、耐破度和耐折度等性質；壁腔比對紙張的性能產生影響，壁腔比越小，紙張強度越大；上等造紙用材的標準是壁腔比小于1。高木纖維組織比量也是選擇造紙材樹種時的考慮因素[27]。紙漿材的木材纖維應細且長，長寬比大于30，且愈大愈好[28]。在試驗的第8年，歐美楊平均木材基本密度為0.34 g·cm-3，平均微纖絲角為15.32，平均長寬比達51.15，平均纖維長達1 199.65 μm，平均纖維寬達23.75 μm，平均壁腔比為0.31，平均木纖維組織比量達56.58%。是易于制漿，并可以用于生產優質性能紙張的上等造紙用材。

適宜造林密度的確定應充分考慮培育材種和品種特性。本研究中，歐美楊品種人工林的培育主要是紙漿用材，因此，木材的化學成分倍受關注。結果表明，造林密度愈小，歐美楊木材纖維素含量愈高，這一趨勢與姜岳忠等[28]、柴修武等[29]、曹福亮[30]對不同造林密度楊樹的木材化學性質的研究結果相同。本研究中，不同密度下歐美楊的綜纖維素含量間差異不顯著，均大于76%；4種密度處理下的綜纖維素含量排序為：2 m×3 m＜2 m×6 m＜2 m×4 m＜2 m×5 m。總體上看，造林密度愈小，綜纖維素的含量愈高。歐美楊的酸溶木素含量均高于3.25%，可以使用酸法制紙漿，總木素的含量在22%左右。酸不溶木素的含量均低于19.97%，這一結果與雷金選等[31]研究的8種楊樹的材性結果略有差異。歐美楊木材的各化學成分在不同密度下均差異不顯著（表7），2 m×4 m和2 m×6 m密度歐美楊的總木素含量和水分含量較低，2 m×5 m和2 m×6 m密度的纖維素含量較高，2 m×4 m和2 m×5 m密度的綜纖維素較高。相比之下，造林密度較小的歐美楊木材化學成分更適宜紙漿的生產。

4 結論

（1）較大的造林密度對歐美楊3個品種的保存率和胸徑產生了抑制作用；較小造林密度下歐美楊的保存率更高。3個歐美楊派品種的適應性存在差異，渤豐1號楊和渤豐3號楊優于京2楊。（2）品種、造林密度、品種與造林密度的互作對歐美楊胸徑的生長均有顯著效應，品種與造林密度的互作效應對胸徑的影響隨時間增長而變弱。（3）造林密度對歐美楊的木材性質的影響不顯著。隨林齡的增大，木材基本密度、纖維長、纖維長寬比顯著增大，而歐美楊木材的微纖絲角、木纖維組織比量顯著減小，纖維寬的變異較小，其木材性質均符合紙漿材要求。（4）在大凌河流域平原及類似環境下，渤豐1號楊和渤豐3號楊更適合生產，且造林密度最少不能小于2 m×6 m。本試驗中，渤豐3號楊有發展大徑材的潛力，而高保存率的渤豐1號楊適合紙漿材人工林的營造。