造林密度和施肥量對黑荊人工林經營目標和經濟效益的影響

黃榮林，王仁杰，劉雄盛，唐連德，蔣 琳，鄧玉華，蔣 燚

（1.廣西壯族自治區林業科學研究院 廣西優良用材林資源培育重點實驗室 國家林業和草原局中南速生材繁育重點實驗室，廣西南寧 530002；2.廣西國有黃冕林場，廣西鹿寨 545600）

造林密度是影響人工林郁閉時間、森林防護效益以及木材產量和質量的重要因素。造林密度關系到群體結構，只有合理的群體結構才能達到造林目的。掌握生長與密度的數量關系，是培育目的材種的重要條件[1]。合理施肥是定向培育短輪伐期工業用材林并提高其經濟效益的重要技術措施[2]。

黑荊（Acacia mearnsii）又名澳洲金合歡、黑兒茶[3]，為含羞草科（Mimosaceae）相思樹屬常綠喬木[4]，原產澳大利亞的塔斯馬尼亞、維多利亞、昆士蘭和新南威爾士。黑荊既是著名的速生、高產和優質的鞣料樹種，也是重要的經濟、用材、薪柴和生態樹種，被稱為“林業黑色金子”[5]。其樹皮單寧含量46%，純度可達82%[3]。目前我國栲膠原料短缺，栲膠產品市場前景好，大力發展黑荊人工林，對促進我國栲膠加工業的發展具有重要意義[6]。研究發現黑荊樹皮除能提取單寧外，還富含原花色素。原花色素是迄今發現的為數不多的幾種能防止大腦和神經組織氧化的抗氧化劑之一，且已有研究表明黑荊原花色素粗提物對體外癌細胞有一定抑制作用[7]。

近年來，我國對黑荊的研究集中在種群特性[8]、育苗技術[9-12]、家系選優[13]、施肥效應[14]、栽培技術[15]、愈傷組織誘導、增殖及分化[16]、原花色素提取工藝的探索[17]等方面，對其造林模式及推廣研究較少，針對廣西氣候及立地條件的黑荊人工林造林相關研究尚未見報道。本研究對不同密度和不同施肥量的組合對黑荊人工林胸徑、樹高、材積、單寧含量、原花色素含量及木材產量的影響進行分析，篩選出最佳經營組合，可為提高黑荊人工林的產量和經濟效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在廣西國有黃冕林場波寨分場瞭望臺附近的4 林班1 至4 小班（109°53'E，24°45'N）；為丘陵地帶，海拔250 ～350 m。該地屬中亞熱帶氣候，光照充足，夏冬干濕明顯，溫暖多雨，雨熱同季，年均氣溫19.0 ℃左右，最低氣溫-2.8 ℃，年均降水量1 750 mm 左右，年均蒸發量1 426 mm，降水多集中在4—8月，且愈北愈豐。冬季多東北風，林木偶遭雪壓。土壤類型為紅壤，腐殖質層20 ～25 cm，土層厚50 ～70 cm，pH 值5.8，全氮、全磷和全鉀含量分別為1.67、0.75 和22.5 g/kg。試驗林為杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林采伐跡地。

1.2 試驗設計

設置造林密度和施肥量兩個因素。造林密度設3 個水平，分別為2 500 株/hm2（株行距2 m × 2 m）、1 667 株/hm2（株行距2 m × 3 m）和1 250 株/hm2（株行距2 m×4 m）。施肥采用復合肥，肥料配比為N∶P∶K = 14∶8∶8，由柳州鹿縣化肥廠生產。每個密度下設3 種施肥量，分別為不施肥、施肥0.5 kg/株和施肥1 kg/株，共9 個處理（表1）。3 次重復，由于地形的變化，每個重復的面積不等（1～2 hm2）。

2013年6月營建不同密度試驗林，2014年4月進行1次施肥。沿樹冠邊緣開深10～20 cm、長20～30 cm的溝進行施肥，施肥后覆土。

表1 黑荊人工林不同造林密度和施肥處理Tab.1 Treatments of different planting densities and fertilization in A.mearnsii plantation

1.3 研究方法

1.3.1 樣地設置與林木生長測定

在試驗林中設置面積為400 m2（20 m×20 m）的標準地，共27 個。2014年12月—2019年12月，每年用測徑尺測定胸徑（精確至0.1 cm），用測高桿測定樹高（精確至0.01 m），用鋼卷尺測定樹冠東-西和南-北方向的直徑（精確至0.01 m）。采用2019年12月測定的數據進行統計分析。

1.3.2 樹皮取樣

選取平均木，在樹干離地1 m 處取一塊長10 cm、寬2 cm 左右的樹皮。用游標卡尺實地測量樹皮厚度（精確至0.1 mm）。將取回的樹皮置于室內通風處自然風干，用于測定單寧含量及原花色素含量。

1.3.3 單寧和原花色素的分析與測定

單寧的分析與測定采用GB 2615-81 栲膠原料與產品的檢驗方法（皮粉法）[18]。

取一定量樹皮粉碎至0.25～0.60 mm，以50%乙醇為溶劑，設置料液比1∶11（g∶mL），采用超聲波輔助提取，提取溫度55 ℃，超聲波頻率70 Hz，提取時間30 min，提取2次，旋轉蒸發濃縮提取液。將濃縮后的提取液采用濕法裝入經過預處理的AB-8 型大孔吸附樹脂柱中，當樹脂吸附飽和后，先用水洗，棄去水洗脫液，再以40%乙醇水溶液洗脫至洗脫液無色，合并洗脫液，旋轉蒸發蒸干溶劑，冷凍干燥制得精制原花色素[19]。

1.4 數據處理

以樣方為統計單元，計算各樣方的平均樹高（H，m）和胸徑（D，cm）。

式中，Hi為第i株的樹高，N為統計單元內胸徑的株數。

冠幅（W，m2）的計算公式為：

式中，ra為東西方向樹冠的半徑，rb為南北方向樹冠的半徑。

采用以下公式計算單株材積（V單，m3）[20]：

采用以下公式計算單株樹皮鮮重（W，kg）[5]：

將鮮重扣除相對含水量54.3 %，得樹皮干重，再將樹皮干重乘以1.15，得樹皮絕對含水量15%的氣干重量。

林木相對直徑（Ri）的計算公式為：

式中，di為林木直徑，Dg為林分平均直徑。

采用Excel 2007對調查數據進行整理并計算；采用SPSS 19.0對各指標進行方差分析和多重比較（鄧肯氏新復極差法）；對林分密度和施肥水平與各指標進行Pearson相關分析；采用Sigmplot 14.0作圖。

2 結果與分析

2.1 造林密度和施肥量對黑荊人工林林分直徑結構的影響

林分直徑結構是最重要且最基本的林分結構，林分內不同直徑樹木的分配直接影響樹木的樹高、干形、材積、材種及樹冠等因子。不同處理黑荊人工林株數隨徑級的分布為正態分布（表2）。D2W3、D3W2和D3W3處理的大規格材率較高，D1W3、D2W2和D3W1處理次之，D1W1、D1W2和D2W1處理較低。林分密度的減小和施肥量的增加能增加黑荊大規格材率，低密度和高施肥量處理最適宜黑荊大規格材率的產出。

表2 造林密度和施肥對黑荊人工林樹木徑級分布的影響Tab.2 Effects of planting density and fertilization on diameter distribution of A.mearnsii plantation

2.2 造林密度和施肥量對黑荊人工林胸徑、樹高和冠幅的影響

平均胸徑表現為D3W3＞D3W2＞D2W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1；平均樹高表現為D3W3＞D3W2＞D2W3＞D2W2＞D3W1＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1；D3W1、D2W2和D1W3處理間以及D2W1和D1W2處理間差異不顯著，其他處理間差異顯著（P＜0.05）（圖1a ～b）。平均冠幅表現為D2W3＞D3W2＞D3W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D1W1＞D2W1＞D1W2；D2W3、D3W2、D3W3、D3W1和D2W2處理間差異不顯著，但顯著高于其他4個處理（P＜0.05）；其他4個處理間差異不顯著（圖1c）。

圖1 不同處理對平均胸徑、樹高和冠幅的影響Fig.1 Effects of different treatments on average DBH,tree height and crown width

2.3 造林密度和施肥量對黑荊人工林單株材積和單位面積蓄積量的影響

單株材積表現為D3W3＞D3W2＞D2W3＞D2W2＞D3W1＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1；D2W1與D1W2處理以及D3W1、D1W3和D2W1處理間差異不顯著，其他處理間差異顯著（P＜0.05）（圖2a）。單位面積蓄積量表現為D1W3＞D2W3＞D3W3＞D1W2＞D3W2＞D2W2＞D1W1＞D2W1＞D3W1；D1W2與D3W2處理、D3W2與D2W2處理以及D2W1與D3W1處理差異不顯著，其他處理間差異顯著（P＜0.05）（圖2b）。

圖2 不同處理對單株材積和單位面積蓄積量的影響Fig.2 Effects of different treatments on individual volume and accumulation unit area

2.4 造林密度和施肥量對黑荊人工林工業原料產量的影響

2.4.1 對單寧產量的影響

單株單寧產量表現為D3W3＞D3W2＞D2W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D1W2＞D2W1＞D1W1；D3W1、D2W2和D1W3處理間以及D1W2與D2W1處理差異不顯著，其他處理間差異顯著（P＜0.05）（圖3a）。單位面積單寧產量表現為D1W3＞D1W2＞D2W3＞D3W3＞D1W1＞D3W2＞D2W2＞D2W1＞D3W1，D1W1、D3W2和D2W2處理間、D1W2與D2W3處理以及D2W1與D3W1處理差異不顯著，其他處理間差異顯著（P＜0.05）（圖3b）。

圖3 不同處理對單株和單位面積單寧產量的影響Fig.3 Effects of different treatments on tannin yield per plant and unit area

2.4.2 對原花色素含量的影響

單株原花色素含量表現為D3W3＞D3W2＞D2W3＞D3W1＞D2W2＞D1W3＞D1W2＞D2W1＞D1W1；D3W1、D2W2和D1W3處理間以及D1W2與D2W1處理差異不顯著，其他處理間差異顯著（P＜0.05）（圖4a）。單位面積原花色素含量表現為D1W3＞D2W3＞D1W2＞D3W3＞D3W2＞D2W2＞D1W1＞D2W1＞D3W1；根據單位面積原花色素含量是否產生顯著性差異，由高到低分為4個水平，D1W3處理顯著大于其他處理（P＜0.05），D2W3、D1W2和D3W3處理次之，再次為D3W2、D2W2和D1W1處理，最低為D2W1和D3W1處理（圖4b）。

圖4 不同處理對單株和單位面積原花色素產量的影響Fig.4 Effects of different treatments on proanthocyanidin yield per plant and unit area

2.5 黑荊人工林經濟效益分析及最優模式篩選

2.5.1 投資成本核算

黑荊短周期工業原料林的輪伐期為6年，按照黑荊速生豐產林技術要求和特點，造林投資主要包括營林費用（林地清理、造林整地、定植、撫育施肥、森林保護及管護）、苗木費、肥料費、采運成本和剝皮成本等費用。根據目前廣西原材料價格和用工單價進行計算，得出營造1 hm2黑荊人工林成本核算表（表3）。各經營模式的造林成本表現為D1W3＞D1W2＞D2W3＞D1W1＞D3W3＞D2W2＞D3W2＞D2W1＞D3W1。營林費用占總投資的33.91 %～54.92 %，高密度經營模式的營林費用是低密度的1.69 倍；苗木費占總投資的3.91 %～7.49 %，高密度經營模式的苗木費是低密度的1.69 倍；肥料費占總投資的3.78 %～20.72%，高密度施肥1 kg/株經營模式的肥料費是低密度施肥1 kg/株經營的2 倍；采運成本占總投資的25.86%～42.36%；以上因素的綜合影響使得各經營模式的造林成本存在較大的差異。

表3 各經營模式的造林成本Tab.3 Afforestation costs of different management models (yuan)

2.5.2 總收益核算

根據目前市場黑荊氣干樹皮2 000 元/t、纖維材400 元/m3的價格，計算各經營模式的總收入（表4）。木材收入為D3W3＞D1W3＞D2W3＞D3W2＞D2W2＞D1W2＞D1W1＞D3W1＞D2W1；樹皮收入為D1W3＞D1W2＞D2W3＞D3W3＞D1W1＞D3W2＞D2W2＞D2W1＞D3W1。

表4 各經營模式的收入Tab.4 Incomes of different management models

續表4 Continued

2.5.3 各經營模式的凈利潤

各經營模式的利潤為D3W3＞D2W2＞D1W3＞D3W2＞D1W2＞D2W2＞D3W1＞D1W1＞D2W1；投資利潤率為D3W3＞D3W2＞D3W1＞D2W3＞D2W2＞D1W3＞D2W1＞D1W2＞D1W1（表5）。D3W3為最優模式。在黑荊人工林經營過程中，應加強林分密度和施肥管理，使林分形成合理的結構模式，促進林分生長，達到速生、豐產和優質的目的。

表5 各經營模式的利潤及投資利潤率Tab.5 Profits and earning powers of real assets of different management models (yuan/hm2)

3 結論與討論

林木胸徑的大小直接影響林木的樹高、干形、材積、材種及樹冠等因子[21]。林分徑級株數累積分布的變化表明林分密度的減小和施肥量的增加能使黑荊大規格材率增加，低密度和高施肥處理有利于黑荊大規格材率的產出。不同密度及施肥條件對林木平均胸徑和樹高的影響基本相似，均在D3W3處理（1 250 株/hm2，施肥1 kg/株）下達最大值；冠幅在D2W3處理（1 667 株/hm2，施肥1 kg/株）下達最大值；單株材積由平均樹高和胸徑共同決定，也在D3W3處理下達最大值；從單位面積蓄積量的變化可知，D1密度（2 500 株/hm2）更適合林分蓄積量的積累。

除了木材生長量，黑荊的單寧產量和原花色素產量也是衡量林分主要經濟價值的重要指標。黑荊單株單寧產量和單株原花色素產量均隨著密度的減小和施肥的增加而增加，在D3W3處理下達最大值。各營養器官的單位面積單寧產量和單位面積原花色素產量隨著密度的增大和施肥的增加而增加，在D1W3處理（2 500 株/hm2，施肥1 kg/株）下達最大值。綜合經濟效益分析，在D3W3處理下，單株黑荊的各項指標達最大，同時成本比D1W3少，獲得的經濟效益最大；成本的投入對最終的收益產生了重要影響，單位面積增加的收入大于現階段對應投入的成本。

研究黑荊在不同處理下的各種生長指標，并對其經濟效益進行評價，結果表明在考慮成本的情況下，D3W3處理的經濟效益最大，即采用1 250株/hm2、施肥1 kg/株的種植模式最適宜黑荊生長并產生經濟效益。通過調節密度和施肥，可使黑荊生長及蓄積量、單寧產量、原花色素產量達到相同水平；根據當地林分密度和土壤肥力，對林分進行不同方式的間伐和撫育，可達到相同的經濟效益，對生產實踐有重要指導意義。