杉木幼齡林分斷面積生長的良種與密度效應研究

李曉燕，段愛國＊，張建國,2，趙世榮，馮隨起

(1.中國林業科學研究院林業研究所，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，林木遺傳育種國家重點實驗室，北京 100091；2.南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；3.福建省邵武衛閩國有林場，福建 邵武 354006)

林分密度是影響樹木生長和林分發育的重要因子，林分經營密度合理與否，關系到培育目標能否實現，并影響木材的質量和經營者的經濟效益[1]。目前，針對杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)人工林開展了很多密度效應和控制方面的研究[2-6]，重點以林分樹高、直徑、冠幅、單株材積和蓄積量為研究對象，對林分斷面積考慮甚少。而斷面積生長規律是林分生長和收獲預估體系中的核心因子和基礎，林分斷面積的大小與林木株數及林木大小有關，是一個廣泛使用的林分密度指標，有研究證明林分蓄積量生長模型選用林分斷面積作為密度指標時預估效果更好[7]，其更能突出林分蓄積量生長的變化規律。在同一立地條件下，不同的林分密度將導致林分斷面積和單木斷面積的不同[8]。因此探究不同造林密度下的林分斷面積生長動態變化規律能夠為林分斷面積生長模型、蓄積量生長模型、生物量模型等模型的構建以及間伐等森林經營活動提供重要信息[9-12]，并以此為基礎，為杉木人工林的定向培育提供可靠的理論基礎和實踐依據。

遺傳控制、立地控制和密度控制是營建和培育人工林的三大主要的技術途徑，對我國人工林穩定性和長期生產力保持起到重要作用[13]。杉木遺傳改良走在我國主要造林樹種的前列，近年來杉木造林良種化水平大幅提高，現中心產區已完成第3 代遺傳改良及第3 代生產性種子園建設，正推進杉木第4 代遺傳改良[14]。在新形勢下探索科學合理的栽培技術，提高杉木人工林生產力，充分發揮杉木人工林的生態和經濟效益是林業工作者目前面臨的重大課題。

目前，探討林分斷面積生長規律從立地、林分密度等角度開展了很多研究，重點主要集中在不同間伐強度下的林分斷面積生長規律，不同立地和不同造林密度下的林分斷面積生長規律等方面[15-18]，但對于不同良種在不同造林密度下的斷面積生長發育規律及其互作效應缺乏研究，有關杉木斷面積生長的不同世代種子園良種與密度互作試驗研究尚為空白，而良種與良法的有效結合是人工林高效培育的基礎。因此有必要開展杉木良種與初植密度互作試驗研究，探討這兩個控制因子對林分斷面積生長的影響及其互作效應。鑒于此，本研究基于福建邵武8 年生杉木良種和密度互作試驗林定位觀測數據，對杉木人工林斷面積生長的初植密度和良種作用規律進行研究，以期揭示杉木幼齡期斷面積生長的密度和良種效應，為杉木人工林林分斷面積動態模擬及人工林高效定向培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設置在福建省邵武衛閩國有林場（27°05′ N，117°43′ E），氣候類型屬亞熱帶季風氣候。地貌主要為低山高丘，海拔250～700 m，坡度25°～35°。本地區年均氣溫17.7 ℃，年均降水量1 768 mm，年均蒸發量1 283 mm，年均相對濕度82%左右。母巖為花崗巖，土壤類型為山地紅壤。地帶性植被類型為常綠闊葉林，林下植物主要有木荷（Schima superbaGardn.et Champ.）、中華杜英（Elaeocarpus chinensis(Gardn.et Chanp.) Hook.f.ex Benth.）、狗脊蕨（Woodwardia japonica(L.f.)Sm.）、芒萁（Dicranopteris dichotoma(Thunb.)Berhn.）、烏毛蕨（Blechnum orientaleLinn.）、扇葉鐵線蕨（Adiantum flabellulatumLinn.）等。

1.2 試驗材料和樣地設置

造林材料為福建省邵武衛閩國有林場杉木第1 代和第3 代種子園自由授粉種子播種苗，試驗地前茬為杉木純林，造林前煉山整地，試驗林于2012 年春采用1 年生杉木裸根苗營造，造林時施基肥，后期未再施肥，也無間伐。試驗采用不同世代良種和初植密度兩因素完全隨機區組設計，包括2 個良種水平，分別為經省級林木良種委員會審定的第1 代種子園良種和第3 代種子園良種，4 種初植密度，分別為1 667、3 333、5 000、6 667 株·hm?2（株行距分別為2.0 m × .0 m、2.0 m × 1.5 m、2.0 m × 1.0 m、1.0 m × 1.5 m），重復3 次，共24 塊樣地，每塊樣地面積為600 m2（20 m × 30 m）。樣地中每木編號并掛牌標識，并在每個樣地四周各設有2 行同樣密度的杉木保護帶。

1.3 林分調查及數據處理

從2012 年造林當年起，于每年年底林木停止生長后，采用測高桿、胸徑尺等進行林分調查。2—4 年生時，每年測定每木樹高；5 年生開始，每年測量每木樹高、胸徑、冠幅。利用Excel、SPSS Statistics 17.0 等軟件進行數據處理，并對統計數據進行方差分析和多重比較（Duncan 檢驗）。林分斷面積（BA）采用如下公式計算：

式中：Di—單木直徑

N—林木株數

2 結果與分析

2.1 斷面積生長的初植密度效應

2 個世代杉木良種在4 種初植密度下斷面積生長的動態變化規律見圖1。從圖1 可以看出，2 個杉木良種在4 種初植密度下斷面積生長均隨年齡的增加而增加。其中第1 世代良種的斷面積生長規律，初植密度為5 000 株·hm?2的斷面積生長和初植密度為6 667 株·hm?2間差異不大，2 種密度下斷面積生長幾乎重疊，而這兩種密度林分斷面積始終高于其他兩種密度（1 667 和3 333 株·hm?2），且隨林齡增長，密度間斷面積生長差異逐漸增大，初植密度正效應愈強。而第3 世代良種，在同一年齡下，林分斷面積生長隨初植密度的增大而增加，且隨林齡增長，初植密度為1 667 株·hm?2的林分斷面積生長與其他3 種密度間差異越來越大。

圖1 2 個杉木良種在不同初植密度下的林分斷面積生長的動態過程（圖中誤差線根據標準誤差繪制）Fig.1 The dynamic process of basal area growth of two improved varieties at different planting densities(The error lines in the figure are drawn with the standard error)

表1 不同良種和不同初植密度試驗斷面積生長的雙因素方差分析結果Table 1 The two-way analysis of variance for basal area growth of different improved varieties and planting densities

根據雙因素方差分析（表1），5—8 年生時，各密度林分間斷面積生長差異達極顯著性水平，且隨林齡增長差異愈加顯著，表明初植密度對杉木幼齡林斷面積生長具有極顯著影響。經多重比較Duncan 檢驗（表2），第1 世代良種初植密度為5 000 株·hm?2的林分斷面積和初植密度為6 667株·hm?2間差異不大，但卻顯著高于初植密度為1 667 和3 333 株·hm?2的林分斷面積，第3 世代良種在6 667 株·hm?2的初植密度下林分斷面積最大，與初植密度為1 667 株·hm?2間差異達顯著性水平，而與其他密度間無顯著差異。

2.2 斷面積生長的良種水平效應

由圖1 可知，初植密度為1 667 和3 333 株·hm?2，在相同林齡下，第3 世代良種的斷面積生長要高于第1 世代良種，且隨林齡增長差距逐漸增大；初植密度為5 000 和6 667 株·hm?2時，第1 世代良種和第3 世代良種的林分斷面積差距較小。表明在低密度林分下（1 667 和3 333 株·hm?2），在相同林齡時，不同良種林分斷面積生長的差距較大，低初植密度林分斷面積生長受良種的影響程度較高初植密度更深。

根據雙因素方差分析（表1），5—8 年間，斷面積生長的良種效應未達顯著性水平。多重比較結果（表2）表明，林齡相同時，相同初植密度下兩個良種間斷面積生長無顯著差異。

2.3 斷面積生長的初植密度與良種交互效應

雙因素方差分析（表1）表明，幼齡期杉木斷面積生長的良種和初植密度間交互作用不顯著，但經多重比較（表2），6—8 年生時，第3 世代良種初植密度為3 333 與1 667 株·hm?2間的斷面積生長無顯著差異，但卻顯著高于第1 世代良種初植密度為1 667 株·hm?2的林分斷面積。而5—8 年生時，第3 世代良種初植密度為5 000 和6 667 株·hm?2與第1 世代良種初植密度為5 000、6 667 株·hm?2的斷面積生長間無顯著差異。這表明低初植密度下（1 667 和3 333 株·hm?2），良種對斷面積生長的正效應和密度對斷面積生長的正效應具有疊加效應，且隨林齡增加這種疊加效應越明顯。

3 討論

3.1 初植密度效應

林分密度是合理林分結構的數量基礎[19]，在林分生長進程中發揮著重要作用，而林分斷面積是一種全面反映林分生長進程的綜合指標[12]。大多數研究表明在一定立地條件和林齡范圍內，初植密度越大，林分斷面積越大，且初植密度大的林分與初植密度小的林分隨林齡增長斷面積生長差異逐漸增大[8,20-21]。本研究對2 個杉木良種在4 種初植密度下的斷面積生長規律的研究結果表明，5—8 年生時，初植密度對杉木林分斷面積生長具有極顯著影響，總體表現為在同一林齡下，林分斷面積生長隨初植密度的增大而增加，隨林齡增長，斷面積生長增加，且密度間差異愈加顯著，初植密度正效應愈強，表明杉木人工幼齡林林分斷面積生長受初植密度的影響較強，且密度對斷面積生長的影響程度呈逐年上升的趨勢。這與李龍等[22]對不同楊樹無性系在不同造林密度下斷面積生長規律的研究中所得結果一致，其認為密度對斷面積生長的影響始終是極顯著的，且影響程度逐年上升。Guner 等[23]和Groot 等[24]對不同初植密度下斷面積生長規律的研究結果也證實了這一結論。而Eliakimu 等[25]和Will 等[26]則認為，密度對林分斷面積生長沒有顯著影響。林分密度是可人為調控的因子，因此可通過林分密度的調控實現對林分斷面積結構的經營管理。

表2 不同良種和不同初植密度杉木人工林斷面積生長的多重比較結果Table 2 Multiple comparison of basal area growth of different improved varieties and different planting densities

3.2 良種水平效應

基于杉木林8 年生連續觀測數據，從統計學角度得出5—8 年生時，斷面積生長的良種效應未達顯著性水平。而Carson 等[27]在對8 年生輻射松進行不同立地、不同遺傳改良種和不同造林密度下的林分生長比較及其互作效應研究中卻得出相反結論，其認為不同遺傳改良種的斷面積生長差異顯著。出現不同結果的原因可能是由于兩個試驗研究所選樹種不同，另外Carson 等人的試驗中加入了立地因子，考慮了不同立地下不同遺傳改良種的斷面積生長差異，而立地是影響林分生長的一個重要因子。本研究表明，與不同造林密度所造成的斷面積生長差異相比，由良種因素所導致的林分斷面積生長差異相對較小，但是這并不代表林木遺傳改良是沒有價值的，本研究認為低初植密度下（1 667和3 333 株·hm?2），第3 世代良種的林分斷面積生長高于第1 世代良種，尤其是8 年生時這一現象較為明顯，而高初植密度下二者間差距較小。因此認為良種對低初植密度林分斷面積生長的影響程度更大，而隨著初植密度的增大，良種對林分斷面積生長的影響程度減弱，良種相對初植密度對斷面積具有更小影響。李龍等[22]對不同密度下不同無性系楊樹的斷面積生長分析研究中得出一致結論，其研究結果表明：3—5 年生時，無性系因素對斷面積生長無顯著影響，但是其認為不同楊樹無性系間斷面積生長的差異性呈逐年下降的趨勢，而本研究結果顯示低初植密度下兩個良種間斷面積生長差距呈逐年上升趨勢。高世代種子園良種為提高林分的總體產量提供了機會，良種所能發揮的群體生產力增益可能更高，但結合本研究結果，高世代良種群體增益的評價與發揮尚需與密度控制等栽培技術相結合。

3.3 初植密度與良種水平交互效應

本研究杉木種子園良種與初植密度的交互作用結果表明，杉木幼齡期林分斷面積生長的初植密度和良種間交互作用不顯著，這與Carson 等[27]對8 年生輻射松斷面積生長的密度和遺傳改良種互作效應規律研究所得結果一致。另外本研究發現，低初植密度下（1 667 和3 333 株·hm?2），良種對斷面積生長的正效應和密度對斷面積生長的正效應具有疊加效應，且隨林齡增長這種疊加效應越明顯，如第3 世代良種初植密度為3 333 株·hm?2的斷面積生長顯著高于第1 世代良種初植密度為1 667株·hm?2這一組合；而高初植密度下（5 000 和6 667株·hm?2），不同良種和密度組合下的斷面積生長差異不顯著。因此在經營低密度人工林時，選用第3 世代種子園的種子會更好，因為在相同條件下用第3 世代種子園良種建立的人工林斷面積生長較第1 世代種子園良種要高。

4 結論

通過對8 年生杉木幼齡林良種和密度互作試驗林的逐年定位觀測，分析杉木良種和初植密度互作時的林分斷面積生長發育規律，得出如下3 點結論：（1）初植密度對林分斷面積生長具有極顯著影響，且隨林齡增長，初植密度的正效應愈強；（2）5—8 年生杉木幼齡林階段，林分斷面積生長的良種間差異不顯著，但良種對林分斷面積生長的影響程度隨初植密度的增大而減弱，低初植密度林分斷面積生長受良種的影響程度更深；（3）低初植密度下，良種和密度對林分斷面積生長的影響具有疊加效應，且隨林齡增長，這種疊加效應越明顯，選用第3 世代種子園種子造林時，林分初植密度越低越能發揮良種群體生產力。