云南松不同林齡人工林的林木分化特征分析

合金鑫，李蓮芳，李俞鑫，姜若超，黃孝杰，王姝茜，劉 暢

(西南林業大學 林學院，云南 昆明 650224)

1 引言

云南松(Pinusyunnanensis)，是西南地區特有樹種，主要分布于云南，四川和貴州的西部及西南部、西藏東部和廣西西北部，在其分布區的經濟、生態和社會可持續發展中具有不可替代的作用[1，2]。林木分化指在林木生長發育過程中，同一樹種同齡林木生長特征的差異[3]。同一產地或同一良種基地的種子培育苗木，營造同齡人工林的林木分化，是基因差異及其對環境適應的表征，分析其分化特征，一方面了解林木的生長差異，另一方面為林分撫育采伐提供參考。陳健波等[4]研究3種不同造林密度(A-密度1666、B-密度1250和C-密度833株/ hm2)的尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)林木分化特征，指出林齡5.5a 時，3種密度間，林分胸徑、樹高、單株材積和蓄積量均有顯著的差異(P<0.05)，密度A、B和C的林木胸徑變異系數分別是12%、15%和15%，即林木胸徑呈現明顯的分化；莫凡等[5]通過研究觀光木(Tsoongiodendronodorum)胸徑與樹高的關系，發現8 a生人工林已出現林木分化現象，需要實施疏伐；龔輝[6]研究9 a生鄧恩桉(Eucalyptusdunnii)河岸人工林分化特征，以樹高作為參考指標，每3m劃分為一個高度級，發現不同高度級間的個體數量差別較大，即從樹高的角度呈現較大的分化；姜俊等[7]分析不同林齡馬尾松(P.massoniana)人工林結構特點，發現隨著林齡的增長，胸徑逐漸增加，小徑級林木株數比例逐漸減少，隨著徑級的增加株數比例降低，揭示林木隨著林齡增長，分化趨于激烈，小徑階林木增加，需要開展撫育采伐。林木分化現象是其生長發育的必然結果，不同樹種和林分出現分化的林齡和分化程度亦有差異，需要針對具體的樹種和林分開展林木分化相關調查研究，了解其分化特征的同時，為撫育采伐決策提供依據。

云南松林木早期分化的文獻查及較少，本研究對昆明市宜良縣國有祿豐村林場尖山林區4 a、11 a和14 a生云南松人工林開展調查，分析林木分化特征，豐富云南松人工林相關資料的同時，提供撫育采伐的理論依據和實踐參考。

2 林地及林分概況

研究地位于云南省昆明市宜良縣祿豐村林場尖山林區，地理坐標24°26′11″～24°30′08″N，103°00′02″～103°16′06″E，海拔約1970 m；屬亞熱帶季風氣候，年平均降雨量995.3mL，年平均氣溫17.5 ℃，最高氣溫31.5 ℃，最低氣溫-5 ℃，常年無霜期約67 d，偶爾年份有3～7 d的降雪[8]。造林地的坡度5°～10°，地勢相對平緩，為云南松點播造林的人工林采伐跡地。林地成土母巖主要由石灰巖和頁巖、紫色砂巖、紫色頁巖構成，土壤類型為紅壤，且土壤風化程度較高，有機質含量豐富[9]。

調查的林分，林齡分別為4 a、11 a和14aa生，采用彌渡種子園良種培育的無蹲苗期苗木造林，4和11a生林分采用1 m×2 m×4 m的非均勻密度控制造林，14a生林分采用1 m×2 m×5 m的非均勻密度控制造林，調查時的林分密度分別為2751、2587和1812株/hm2，4、11和14a生林分郁閉度約0.5、0.8和0.7，林分的立地條件基本一致(表1)，均未實施撫育采伐，林分以培育用材林為主。

表1 不同林齡林分概況

3 研究方法

選擇林木生長具有代表性的地段，分不同林齡(4 a、11 a和14 a)設置樣地，每個林齡設置3個重復，共設9塊25 m×25 m的樣地，對樣地內林木進行每木檢尺(胸徑和樹高)。以2 cm劃分徑階，分別統計不同林齡的徑階數及其胸徑、樹高、胸高斷面積、單株材積[10]、離散度和林木分化程度[5]、蓄積量，以及重要值[11]。相關計算公式如下：

胸高斷面積：G=πD2/4

(1)

式(1)中，G為胸高斷面積(cm2)，D為胸徑(cm)，π取3.14；

單株材積：V=0.0000871510500D1.9544793H0.7558395

(2)

式(2)中，V為單株材積(m3)，D同式(1)，H為樹高(m)；

胸徑離散度=n/N

(3)

式(3)中，n為調查某一林齡林木胸徑小于平均胸徑的林木株數，N為調查某一林齡的林木總株數；

林木分化程度=(D/Dmin)-(D/Dmax)

(4)

式(4)中，D為調查某一林齡的林木平均胸徑，Dmin為調查某一林齡的林木最小胸徑，Dmax為調查某一林齡的林木最大胸徑；

IV=(Dr+Fr+Dor)/3

(5)

式(5)中，IV為重要值(%)，Dr為調查某一林齡各徑階的斷面積比(%)，Fr為調查某一林齡各徑階的頻度比(%)，Dor為調查某一林齡各徑階的材積比(%)；

Dr=(di/D)×100%

(6)

式(6)中，Dr同式(5)，di為調查某一林齡的某徑階胸高斷面積，D為調查某一林齡的全部徑階總斷面積；

Fr=(ni/N)×100%

(7)

式(7)中，Fr同式(5)，ni為調查某一林齡的某徑階株數，N同式(3)；

Dor=(si/S)×100%

(8)

式(8)中，Dor同式(5)，si為調查某一林齡的某徑階材積，S為調查某一林齡的總材積。

采用Excel和SPSS24.0軟件進行數據整理和分析，為滿足方差分析的齊性要求，如果以%計數的數據出現≤30%或≥70%的，先進行反正弦變換再進行方差分析，采用Duncan's法進行多重比較[12]。

4 結果與分析

4.1 林木胸徑和樹高分化

4 a生幼林的胸徑和樹高分別為1.2～6.7 cm和1.0～2.9 m(平均3.2 cm和1.9 m)，對應的變異系數分別為34.2%和17.4%；11 a生的以上指標分別為3.8～17.9 cm、4.7～7.5 m(平均11.0 cm和6.6 m)，變異系數分別為24.5%和9.4%；14 a生的則是5.6～20.7 cm、5.4～9.9 m(平均13.0 cm和8.2 m)，變異系數分別為19.9%和11.1%(表2)，揭示3個林齡的林木其胸徑分化較樹高的明顯，隨著林齡增大，胸徑的分化降低，一方面隨著林齡增大，部分林木自然枯損，另一方面，14 a生林木因未開展撫育采伐而抑制胸徑生長，兩方面共同導致該林齡林木間胸徑分化降低，揭示11 a生時，林木應開展撫育采伐，不宜出現14 a生時因密度較大而分化降低的現象。3個林齡間，樹高的分化未呈現規律性變化，即4 a、11 a和14 a生的樹高變異系數呈現高-低-高的現象，也許與調查的林分年齡較少有關。

4 a、11 a和14 a生林分的林木分別包括4、8和9個徑階；4 a生4個徑階株數分別占測定總株數的9.3%、71.2%、17.9%和0.7%，以4 cm和6 cm徑階為主(共占89.1%)；11 a生林分9個徑階的株數比分別為0.6%、3.8%、9.6%、19.7%、27.4%、24.8%、12.1%和1.9%，8、10、12、14 cm徑階是林分的主要構成部分(共占84.0%)；14 a生林分9個徑階分別占總株數的0.6%、0.6%、11.9%、22.5%、30.6%、23.8%、5.6%、3.8%和0.6%，以8～14cm徑階的為主，合計占總株數的88.8%(表2)。隨著林齡增長，徑階數目增多，揭示林木隨著林齡增長，分化逐漸激烈；然而，11 a和14 a生之間差異較小，后者僅比前者多1個徑階，表明11 a生時，林木應開展撫育采伐，否則林木生長將被抑制，如前指出，14 a生林分因未疏伐，故從徑階的角度，導致其與11 a生的分化差異較小。

表2 不同林齡林分徑階分布

不同林齡胸徑最大徑階均極顯著的大于其余徑階的(P=1.74E-109～9.47E-573<0.01)，但其株數比例較低；3個林齡的徑階株數比例呈正態分布，即大徑級和小徑級林木株數較少，中等徑級林木株數較多(表2)，符合人工林的林木株數分布規律。

4 a生林木胸徑和樹高主要集中于1.5～4.5 cm和1.4～2.3 m之間，株數占總株數的76.3%；11 a生的則集中于8.6～14.3 cm和6.1～7.5 m之間(占總株數的63.1%)；14 a生居于11.2～17.6 cm和8.1～9.8 m之間，其株數占總株數的65.4%(圖1和表3)，隨著林齡增長，集中分布的株數呈降低趨勢，進一步揭示隨著林齡增長，林分分化趨于劇烈；11 a和14 a生集中分布區的株數比例相近，主要是14 a生林木因未開展撫育采伐，導致林木群體生長被抑制，分化未充分體現導致的。

圖1 不同林齡胸徑-樹高散點

3個林齡的胸徑和樹高離散度分別為0.49～0.59和0.36～0.44，林木分化程度為1.71～2.28，林齡間未呈現規律性變化(表3)，也許采用離散度和分化程度分析該3個林齡的云南松林木分化，其準確性較采用變異系數和徑階分析的準確性差的原因造成的。4 a生林分的徑階相對較大株數比例較高，與4 a生林分相比，11 a和14 a生的小徑階林木占比例較高(表2)，結合其集中分布區的分析(圖1和表3)，表明早期林木分化較小，4 a前不需要撫育采伐，與之相反，林齡11 a生時，分化加劇應開展撫育采伐，保證林木充分生長，發揮林地生產力。

表3 不同林齡胸徑樹高分布

4.2 徑階斷面積和蓄積量分布及差異

4 a生林木4個徑階的平均胸高斷面積分別為2.30、6.71、19.92和35.24 cm2，占總胸高面積的2.4%、54.7%、40.2%和2.7%；11 a生林分8個徑階的平均胸高斷面積分別為11.34、20.48、40.71、67.55、94.09、130.27、172.12、224.60 cm2，占總胸高斷面積的0.1%、0.8%、3.8%、13.2%、25.4%、31.9%、20.6%和4.2%；14 a生林分其9個徑階的平均胸高斷面積分別為24.62、50.24、68.53、96.42、133.32、178.14、217.91、282.50、336.36 cm2，占總胸高斷面積的0.1%、0.2%、5.6%、15.7%、29.6%、30.7%、8.9%、7.7%和1.5%；與胸徑一致，3個林齡最大徑階的胸高斷面積均極顯著的大于其余徑階的(P=2.13E-108～2.50E-62<0.01)，林分胸徑斷面積由構成其主要徑階的林木組成(表4)。進一步證實11 a和14 a生林木需要撫育采伐，主要伐除林木為小徑階林木部分，構成林分主要成分的徑階和大徑階林木，根據形質指標留優伐劣的原則伐除劣質木。

表4 不同林齡不同徑階的斷面積和蓄積量

4 a生林木不同徑階的平均蓄積量分別為0.106、2.756、2.336和0.149 m3/hm2，占總蓄積量的0.3%、82.3%、17.3%和0.1%；11 a生8個徑階的則分別為0.094、0.925、5.796、19.508、35.710、45.910、29.939和6.501 m3/hm2，占總蓄積量的0.1%、0.1%、1.8%、13.1%、33.3%、38.8%、12.3%和0.4%；14 a生9個徑階的分別為0.196、0.406、10.210、29.313、59.117、62.468、18.485、14.729和3.086 m3/hm2，占總蓄積的0.1%、0.1%、2.7%、15.6%、42.8%、35.1%、2.5%、1.3%和0.1%，呈現隨著徑階增大，單位面積蓄積量先增加后降低的趨勢(表4)，即中等徑階林木株數比例較高，其蓄積量也高，揭示開展撫育采伐，伐除小徑級林木，對林分蓄積影響較小。3個林齡，林木徑階間蓄積量呈現極顯著的差異(P=6.92E-101～9.19E-18<0.01)，蓄積量最大的徑階受株數比例和單株材積共同影響，因此，4 a生林分4 cm徑階的蓄積量最高(株數比為71.2%)，11 a生的12 cm徑階的蓄積最高(株數比為24.8%)，14 a生的則是12和14 cm徑階的最高(株數比為30.6%和23.8%)，且這些徑階的蓄積量極顯著高于其余徑階的(表4)，進一步揭示云南松從幼林階段即開始分化，隨著林齡增加分化趨于劇烈的規律。

4.3 徑階的重要值構成分析

重要值是徑階在林分所占重要程度的數量特征。4 a生林木4個徑階重要值分別為4.6%、59.5%、33.9%和2.0%，11 a生林分8個徑階則分別為0.3%、1.8%、5.8%、15.5%、25.8%、29.5%、17.8%和3.5%，14 a生林分9個徑階的分別為0.3%、0.4%、7.6%、18.2%、30.9%、29.5%、8.2%、7.1%和1.3%，與胸高斷面積一致，構成林分主要徑階的林木，亦是構成重要值的徑階(圖2)，表明此部分徑階的林木是構成胸徑及其斷面積與重要值關鍵構成部分，屬林木撫育采伐中的主要保留部分。3個林齡的林分，各徑階重要值構成與徑階結構分布基本一致，呈正態分布；11 a和14 a生林分最高重要值都出現在12 cm徑階(29.5%和30.9%)，同時12 cm徑階也是其株數(24.8%和30.6%)、胸高斷面積(31.9%和29.6%)和蓄積量(38.8%和42.8%)比例最高的徑階，表明重要值可反應徑階在林分中的重要程度；同時，重要值亦指出，林木撫育采伐需要遵循“伐小留大”的原則，加速中等徑階林木向大徑階林木生長。

圖2 不同林齡徑階重要值

5 結論與討論

5.1 結論

對云南松4 a、11 a和14 a生林分的林木進行調查，采用2 cm劃分徑階，3個林齡分別包括4、8和9個徑階，隨著林齡增大，胸徑分化趨于劇烈。3個林齡的林木，分別由4 cm、6、8～14 cm、8～14 cm徑階構成林分的主要部分，其胸高斷面積和重要值都由主要徑階構成。隨著徑階增大，蓄積量呈現先增加后減少的趨勢，4 cm、11 cm和14 a生最大的4 cm、12 cm和14 cm徑階平均蓄積量分別達2.756 m3/hm2、45.901 m3/hm2和62.482 m3/hm2；從胸徑、胸高斷面積、蓄積量和重要值的角度，一方面揭示11 a生林分需要開展撫育采伐，另一方面表明，撫育采伐主要伐除胸徑和樹高均小于主要徑階的林木，其余徑階以留優伐劣選擇采伐木。此外，林木分化程度表明，4 a生林木分化較小，尚不需要撫育采伐。

5.2 討論

林木分化是林分生長過程中普遍發生的現象。胸徑結構反映林分內其分布狀態，直接影響著林木的樹高、胸高斷面積和蓄積量等林分因子，研究同林齡的胸徑分布規律可以掌握林分的生長狀況，進而對其采取適當的撫育措施[13]。王冬至等[14]對27 a、32 a和39 a生落葉松(Larix gmelinii)林分結構的研究，結果顯示隨著林齡增大，不同林齡林分結構隨著林齡的增加林木分化加劇。本研究的結果，隨著林齡增長，林木分化加劇，與已有研究相一致，揭示林木隨林齡變化具有共同特征。

林分直徑結構和樹高結構反應林分的分化程度[15]。韋建秋[16]對禿杉(Taiwaniaflousiana)人工林進行胸徑和樹高調查，指出林分的徑階呈正態分布；齊鵬等[17]對青海云杉(Piceacrassifolia)天然林徑階的研究發現，其分布呈倒“J”型曲線，而人工同齡林則呈正態分布或近正態分布；徐端秒等[18]對日本扁柏(Chamaecyparisobtuse)和日本花柏(C.pisifera)直徑分布研究，指出林分直徑均符合正態分布。本研究3個林齡的徑階分布均呈現正態分布，與上述結論一致，因此可以根據林分株數分布分化規律，判定林木采伐的時間和制定撫育采伐強度，11 a生林分小徑階林木分布較多，表明其應開展撫育疏伐。

林分胸高斷面積和蓄積量是林木胸徑、樹高和林分密度綜合作用的結果[19]。姜俊等[7]通過不同林齡馬尾松人工林結構特點的分析發現，6個林齡單株平均材積均隨著年齡的增長而增加，林木分化導致近熟(50～60 a)的林木株數稀少，但提供林分50%以上的蓄積量，指出對10～40 a林分進行間伐，可增加大徑級木材產量；黃欣明等[20]對廣西田林縣4種不同林齡尾巨桉人工林生長量的分析，指出，因林木分化，不同林齡尾巨桉相同徑階的蓄積量波動較大；謝天時[21]對不同林齡的水杉(Metasequoiaglyptostroboides)人工林生長分析，發現不同林齡單株材積隨林齡增長而增加，因林木劇烈分化，27 a生平均蓄積增長是32 a生的1.23倍，即林木出現劇烈分化階段應進行撫育采伐，否則影響林分生長。本研究結果與以上文獻的基本一致，其中，11 a和14 a生小徑階林木的胸高斷面積和蓄積量比例較小，預示應開展撫育采伐，伐除小徑階林木，即胸高斷面積隨徑階的分布亦是判斷撫育采伐的指標之一。