密度調控對杉木人工林及套種闊葉樹生長的影響

劉建中 曾素平 王書韌 臧毅明 郭利娜 王 輝 朱亞軍徐夏云 謝小艇 姜春前*

（1青陽縣林業局，安徽青陽 247100；2中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091；3中國林業科學研究院亞熱帶林業實驗中心，江西新余 336600）

杉木[Cunninghamia lanceolate（Lamb.）Hook.]是我國亞熱帶地區種植范圍廣泛的速生用材樹種，位居人工林面積首位，種植面積達1.24×107hm2，約占全國造林總面積的25%[1-3]，杉木木材總產量約占全國市場商品材的20%[4]。自1970 年以來，杉木人工純林面積不斷擴大，當前杉木人工林普遍進入第2～3 代經營階段，長期的短周期集約化經營造成了杉木林地營養嚴重缺乏，導致林地生產力下降，林分生長緩慢，從而限制了林業產業的進一步發展[5-6]。因此，亟需探索有效的營林措施提升杉木人工林質量，維持其群落穩定和生態平衡。

森林經營最常見的方式是調控林分密度，主要通過調節林分內水分和光熱資源分配規律，直接影響林下植被群落的組成、生態功能以及林地生產力等[7-9]。對人工林來說，林分密度不僅影響林分自生的生長發育、冠層結構和林內環境，而且對林下植被的生長分布和群落組成等均有著顯著影響[10]。當前，撫育間伐是林分密度調控的主要方式，間伐有利于快速改善林分空間結構[11]。間伐后林下套種是將多年生林木與其他栽培植物組合在同一空間內進行經營管理的模式，有助于充分利用林地資源，增強人工林群落穩定性[12]。實踐證明，對人工純林進行撫育間伐后套種闊葉樹種，形成針闊混交林，是人工干預森林生長的有效措施[13-14]。相關學者關于人工林密度調控的研究主要集中在探究不同間伐強度和時間下人工林生長發育的變化規律[15-16]、林分生產力[17]、林下植被生長狀況[18]、土壤理化性質和微生物特征[19]等方面。現有研究普遍認為，間伐有利于促進林分及林下植被生長，且基本隨間伐強度增大效果越顯著[20-23]。比如，王立超等[20]通過對白蠟（Fraxinus chinensis）、旱柳（Salix matsudanaKoidz）、白榆（Ulmus pumilaL.）3 種人工林不同林分密度生長情況分析發現，降低林分密度能促進各林分的生長，其中白榆人工林在密度調控后效果最佳，顯著優于調控前。商添雄等[24]研究指出，間伐可促進華北落葉松（Larix principis-rupprechtiiMayr）人工林單株林木胸徑和冠幅生長，增大林木單株冠徑比與生產力。楊育林等[25]通過對川中丘陵區柏木（Cupressus funebrisEndl.）人工林撫育間伐發現，間伐可改變林內光熱環境，繼而促進林下植物的生長更新，其中以高強度間伐作用最為顯著。魏阿榮[26]通過分析不同間伐強度對杉木人工林下套種楠木（Phoebe zhennanS. K. Lee & F. N.Wei）的生長發現，高強度間伐后楠木生長最佳，此時楠木的地徑、樹高均顯著高于其他間伐處理。林木及林下植被生長變化與間伐后林分密度具有較大相關性，探究不同密度調控處理后一定時期內喬木林及林下套種植物生長發育動態變化趨勢，有利于深入了解營林措施對人工林植被生長和生態系統穩定性的影響，對人工林的產業發展與生產起著關鍵的作用。

為此，本研究以安徽省青陽縣窯西林場內杉木人工林為研究對象，通過觀測疏伐4 年內不同密度林分內杉木及套種闊葉樹地徑/胸徑和樹高數據，探究林木在同一時期不同密度林分內或同一密度林分內不同時期的動態生長趨勢及顯著性差異，揭示林分密度調控對杉木人工林及林下套種闊葉樹生長發育的影響，以期篩選適合當地杉木人工林的最佳采伐強度，旨在改善杉木純林地力衰退的現狀，為今后調控人工林林分結構、提高生態功能以及科學經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于安徽省青陽縣窯西林場（117°40'～118°05'E，30°19'～30°50'N），屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫16.1 ℃，年平均降雨量1 500 mm，年平均日照時數2 066 h，無霜期218 d；地形以山地丘陵為主，海拔高度介于50～1 000 m。成土母質為頁巖，林地土壤類型為黃紅壤，土層深厚肥沃。區域內植物種類分布多樣，包括常綠針葉林、針闊混交林、常綠-落葉闊葉混交林、竹林、落葉灌叢等多種植被類型，喬木樹種主要為杉木、馬尾松（Pinus massonianaLamb.）、青岡（Quercus glaucaThunb.）等[27]。

1.2 試驗方法

2018年3月，選擇海拔、坡度和坡向等生境條件和林分初始密度基本一致的14年生杉木人工林，按照隨機區組設計，設置4種林分密度，分別為低密度（675 株/hm2，KL）、中密度（825 株/hm2，KM）、高密度（1 050 株/hm2，KH）和對照（1 740 株/hm2，CK），樣地面積均為20 m×20 m，其中實驗組樣地均為3 個，對照樣地為6 個，共15 個樣地。密度調控前調查樣地內林木胸徑、樹高、冠幅、林分結構、林下更新狀況以及海拔、坡度、坡向等立地因子等，樣地設置情況見表1。

表1 樣地設置及林分概況

密度調控時，遵循砍小留大、砍劣留優且兼顧保留木均勻分布的原則對林分進行間伐作業。間伐后調查并記錄喬木株數、胸徑、樹高等因子；適當清理砍伐剩余物，隨機均勻套種樹高、地徑基本一致、生長健壯的1 年生浙江楠（Phoebe chekiangensis）和檫木（Sassafras tzumu）苗，密度均為225 株/hm2。2 種樹種在每個樣地是隨機排列，盡量保證每個樣地內各樹種數量基本一致。以2018 年間伐后的每木調查數據分別測算林分處理后的林分初始生長情況，之后樣地每隔2 年調查1 次，即分別于2020、2022 年對各個樣地的杉木進行每木檢尺，套種闊葉樹則需測量地徑和樹高。調查時，單株胸徑用圍尺測量（精度0.1 cm），樹高與枝下高使用激光測高儀測量，利用皮尺測量東西、南北冠幅。

1.3 生長指標計算

本研究通過4 年的連續監測，系統測算間伐套種闊葉樹后杉木人工林林分樹高、胸徑、冠幅和立木材積等指標，以及套種闊葉樹的樹高、胸徑等生長指標，單株材積計算公式如下：

V= 0.000 058 774 02 ×D1.9699831× H0.89646157

式中：D為單株胸徑；H為單株樹高；V為單株材積。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2010 和SPSS 23.0 軟件進行統計與分析，對主要生長參數進行單因素方差分析和Fisher LSD 檢驗。圖表中數據為平均值±標準差（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同林分密度杉木人工林生長發育情況

如表1 所示，密度調控后同一時期，杉木林胸徑、樹高、單株材積均表現出隨林分密度減小而增大的趨勢，其中低密度林分生長最佳，CK 和高密度林分胸徑、樹高、材積與其他密度林分之間均存在顯著差異（除間伐后0 年，P＜0.05）。密度調控后0 年時，不同密度杉木林平均胸徑表現為低密度＞中密度＞高密度＞CK，低密度林分平均胸徑顯著大于其他密度，其杉木林胸徑為CK的1.31倍；平均樹高和單株材積在密度調控后均顯著大于CK（P＜0.05），低密度林分平均樹高和單株材積分別為CK 的1.20、1.89 倍。密度調控后2、4 年，杉木胸徑、樹高和單株材積也表現為低密度＞中密度＞高密度＞CK，且密度調控前后存在顯著差異，高密度林分顯著小于低密度和中密度林分（P＜0.05）。密度調控2 年后，低密度林分的胸徑、單株材積分別為CK 的1.12、1.27 倍；密度調控4 年后，低密度林分與CK 之間的生長差異與密度調控2 年后基本一致。

杉木林密度調控后連續調查觀測發現（表2），相同密度杉木林胸徑、樹高、單株材積變化趨勢一致，均表現為隨林齡的增大而增大。低密度杉木林胸徑、單株材積僅在密度調控后4 年顯著大于0 年，而平均樹高在密度調控后2～4年與0年相比均顯著增大。密度調控后2～4 年，中密度和高密度林分胸徑、樹高、單株材積均顯著大于間伐0 年時林分；密度調控4 年后，高密度林分單株材積為0 年時的1.23 倍；中密度杉木林單株材積在密度調控后不同時間之間存在顯著性差異，間伐后4 年是0 年的1.62倍（P＜0.05）。

表2 不同密度和間伐時間后杉木林生長情況

2.2 不同林分密度杉木人工林生長量的變化趨勢

由圖1 可知，適度的撫育間伐促進杉木胸徑、樹高和單株材積生長量的增加，但其增量存在差異。間伐后2～4 年，杉木胸徑生長量隨間伐強度增加均呈現先明顯上升后下降的趨勢，杉木胸徑生長量均表現為中度間伐后顯著高于其他間伐處理下的胸徑增量。密度調控2 年和4 年后，杉木林胸徑生長量基本大于CK；2 年和4 年時中密度林分胸徑生長量分別為CK 的2.71、2.54 倍。杉木樹高（圖1b）和單株材積（圖1c）生長量的變化趨勢與胸徑生長量的變化趨勢一致，均表現為隨林分密度的減小先增加后減少，中密度杉木林樹高和單株材積生長量最大，隨時間的推移杉木樹高和單株材積生長量下降。

圖1 間伐后杉木胸徑、樹高和單株材積生長量

2.3 不同林分密度杉木林下套種闊葉樹種生長發育規律

由圖2 可知，林下套種闊葉樹地徑和樹高均隨林分密度減小呈增大趨勢。低密度杉木林下闊葉樹平均地徑顯著大于其他密度林分（P＜0.05），分別為CK、高密度和中密度林分的1.35、1.25和1.22倍。林下套種闊葉樹平均樹高在密度調控后均顯著大于CK，其中低密度林下闊葉樹平均樹高為CK 的1.26倍。

圖2 不同林分密度杉木林下套種闊葉樹生長發育情況

3 討論與結論

3.1 林分密度對杉木林生長發育的影響

撫育間伐是人工林經營和培育中調控林分組成和密度的一種有效管理措施，能緩解單木競爭、促進林木生長、縮短輪伐期，在杉木人工林經營中已被廣泛應用[28-29]。現有研究通過對杉木、紅松（Pinus koraiensisSiebold & Zucc.）等人工純林進行間伐處理后，林木的胸徑、樹高以及單株材積等指標均隨間伐強度的增強而增大[21，30-31]。本研究發現，對杉木人工林進行密度調控（間伐）后，杉木胸徑、樹高和單株材積均隨林分密度減小呈增大趨勢，且密度調控后林分均顯著大于未調控林分，表明間伐促進杉木生長，尤其是低密度杉木林生長最佳。鄭鳴鳴等[32]研究發現，間伐能夠促進杉木林分胸徑和材積的生長，在強度間伐下最為顯著，但間伐對樹高則無顯著影響與本研究結果不同，主要是因為林分的立地指數存在差異。王立超等[20]通過對相同立地條件下，不同林分密度白蠟、旱柳、白榆人工林生長情況分析發現，降低林分密度促進了各林分的平均胸徑、樹高、冠幅的生長，其中白榆人工林在密度調控后顯著大于調控前，這與本研究結果一致。周鈺淮等[21]研究發現，柳杉人工林的生長和生產力隨間伐強度增大而增大，而這些作用隨時間的推移而下降，這與本研究發現的胸徑、樹高和單株材積在密度調控后2～4年顯著大于0 年，而2 年和4 年之間無顯著差異一致，說明密度調控在短期內會顯著促進林分生長，隨時間延長作用則減弱。本研究發現間伐后杉木胸徑、樹高和單株材積生長量隨林分密度減小先增大后減小，中密度林分生長量最大。魏阿榮[26]研究發現，隨著撫育間伐強度的增加，杉木胸徑、樹高和單株材積等生長指標的生長量呈增大趨勢，這與本研究結果不同，可能與林分密度、林間的光照或養分供應存在差異有關。周鈺淮等[21]研究發現，柳杉人工林在間伐后前3 年和后3 年，胸徑和單株材積年生長量均表現為隨間伐強度增大呈增大趨勢，且各處理間基本存在顯著差異，這與本研究結果不同，主要因為物種及間伐強度存在一定差異。汪建新[22]研究認為，不同強度撫育間伐處理下的杉木林分胸徑、樹高和林分蓄積生長量均大于未撫育林分，這與本研究發現的密度調控后杉木胸徑、樹高、單株材積生長量基本大于未調控林分一致，說明林分可通過撫育間伐改善其生長和營養空間，促進林分生長。

3.2 林分密度對杉木林下套種闊葉樹生長的影響

研究認為，杉木純林經營中適度降低林分密度有利于林下植被生長、維持林地土壤肥力，實現可持續經營[33]。楠木和檫木等闊葉樹適宜混交種植，可在陰濕環境中正常生長[26]，杉木人工林下套種闊葉樹有利于維持林分穩定、改善土壤養分、促進林分健康生長[34]。謝家儀[23]通過在杉木林分內套種木荷（Schima superbaGardner & Champ.）發現，隨林分間伐強度的增加，林內套種木荷的胸徑、樹高、冠幅呈上升趨勢，這與本研究發現的杉木林內套種闊葉樹地徑和樹高均隨林分密度減小呈增大趨勢結果一致；魏阿榮[26]研究發現，不同間伐強度對杉木人工林下套種楠木的地徑、樹高和保存率相關生長指標均具有顯著的影響，高強度間伐處理后楠木的地徑、樹高顯著高于其他處理，這與本研究發現的低密度杉木林下套種闊葉樹的地徑、樹高最大或顯著大于其他密度林分一致，說明間伐強度越大或林分密度越低，越有利于林下套種植物的生長，這是因為間伐等密度調控措施增大林分間隙，改變了林內光熱環境，可在一定程度上增加植物所需的光照、水分和養分，促進林下植物的生長更新，現有研究發現強度間伐影響效果更為明顯[25]。朱宏光等[35]通過在不同間伐強度馬尾松林下套種米老排（Mytilaria laosensisLec.）、紅錐（Castanopsis hystrixHook. f.）和潤楠[Machilus nanmu（Oliver）Hemsley]發現，中度間伐（40%）可以促進林下套種樹種的生長，這與本研究結果不同，主要是因為不同闊葉樹種的生存會受多變的環境條件和樹種本身特性差異的影響。