間伐套種對杉木人工林生長、干形形質和材種結構的影響

王書韌，郭利娜，白彥鋒，臧毅明，朱亞軍，姜春前＊

(1.中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091；2.安徽省青陽縣林業局林業技術推廣服務中心，安徽 池州 247100)

杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.）是我國南方主要造林樹種。第九次全國森林資源清查結果顯示，我國杉木人工林面積達到9.90 × 106hm2，蓄積量達7.55 億m3，分別占全國主要優勢人工林樹種的1/4 及1/3[1]。然而，由于當前杉木人工林存在過純、過密等，導致林分結構單一、林地生產力下降和林分結構不穩定[2-3]。同時，隨著社會經濟的發展，人們對杉木的木材結構需求發生了變化，逐漸由小徑材轉為大徑材。因此，杉木純林不能滿足人們的需求，甚至影響到社會經濟的可持續發展[4]。此外，有研究表明，營建混交林可以改善林內空間結構，增加林內光照的同時減少林內競爭[5]，有利于林木生長和提高生物多樣性[6]，提高森林的經濟和生態效益。因此，如何通過調整優化林分結構，提升杉木人工林的質量已成為亟待解決的問題。

在營造異齡復層混交林的研究上，國外主要集中在闊葉樹種[7-10]，而國內重點是針葉樹種。已有研究表明，間伐套種處理改變了林分密度以及生長空間，降低了林木競爭，有利于林分生長、林分生物量和生長力增加[11-13]。李婷婷[14]對杉木人工林進行間伐補植改造，發現林下補植闊葉樹種可以顯著提高林木單木材積和林分蓄積的年生長量，并且大葉櫟、紅椎、格木、灰木蓮適合與杉木進行混交種植。孫冬婧等[15]在對紅椎、米老排、大葉櫟、潤楠與杉木混交林的生長與生態效應研究中得出，混交林有利于林分生長，并形成豐富的物種多樣性，無論在經濟方面還是生態方面都比杉木純林更加優化。歐建德[16]研究了福建南方紅豆杉林下套種模式對人工林生長的影響，結果表明：林下套種后，林分冠幅顯著大于純林模式。陳瑩瑩[17]以福壽林場杉木人工中齡林為研究對象，通過在林下補植闊葉樹，將杉木純林改造為異齡針闊混交林，發現杉木的高徑比、胸高形數和枝下高均隨間伐強度的增強而減小。

目前，國內外對間伐補植經營的研究大多集中在間伐強度對林分結構和生長、生物多樣性和林地土壤養分的影響等方面[18-21]，而對杉木人工林“間伐 + 冠下套種”后的杉木生長、干形形質特性和材種結構的量化評價不足。因此，本研究以安徽省青陽縣杉木人工林為研究對象，調查林木的生長性狀、空間利用能力、林分產量，通過主成分分析法綜合評價“間伐 + 套種”對杉木林分質量的提升效果，為杉木人工林質量精準提升提供科學依據。

1 試驗地概況

試驗地位于安徽省池州市青陽縣廟前鎮三義村窯西林場（117°40′～118°05′ E，30°19′～30°50′ N），該地屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，溫和多雨，年平均氣溫16.1℃，年平均降水量1 500 mm，年平均日照時數2 066 h，無霜期218 d；地形以丘陵為主，土壤為黃壤。試驗林營建于2000 年，平均林分密度為1 740 株·hm-2，立地指數為18，無施肥和間伐措施。優勢種為杉木；灌木植物以六月雪（Serissa japonica（Thunb.）Thunb.）、淡竹（Phyllostachys glaucaMcClure ）、 莢蒾（Viburnum dilatatumThunb.）等為主；草本層主要有邊緣鱗蓋蕨（Microlepia marginata(Houtt.)C.Chr.）、點腺過路黃（Lysimachia hemsleyanaMaxim.ex Oliv.）、 山麥冬（Liriope spicata(Thunb.) Lour.）等。

2 研究方法

2.1 試驗設計

2017 年底，選取立地條件相近的杉木人工林地段，根據伐除木的數量設計47%（Ⅰ處理）、56%（Ⅱ處理）和65%（Ⅲ處理）3 個間伐強度并設置樣地。樣地按照隨機區組設計，Ⅰ處理、Ⅱ處理、Ⅲ處理、CK 處理各設置20 m × 20 m 的樣地3 個，同時Ⅰ處理和Ⅱ處理各增加1 塊對照樣地，共計14 塊樣地；為避免邊界效應，實際間伐作業面積為30 m × 30 m。2018 年初，在間伐處理后的樣地中，用浙江楠（Phoebe chekiangensisC.B.Shang）和檫木（Sassafras tzumu（Hemsl.）Hemsl）1 年生苗進行冠下套種，隨機均勻排列種植，株行距為4 m × 5 m，2 樹種種植密度均為225 株·hm-2。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 General situation of sample plots

分別在間伐套種第0 年（2018 年）、第2 年（2020 年）、第4 年（2022 年）對樣地進行調查，對各樣地的林木進行每木檢尺，使用胸徑尺測量杉木胸徑和套種樹種的地徑，使用激光測高儀測量林木樹高與枝下高，使用皮尺測量林木樹冠的南北冠幅和東西冠幅，使用2022 年的每木調查數據對林分生長進行統計分析。

2.2 試驗方法

2.2.1 評價指標 （1）林木生長形質性狀 采用胸徑、樹高、胸高形數、高徑比、枝下高指標衡量杉木的生長形質性狀。

（2）空間利用能力 空間利用能力從林木二維樹冠和三維樹冠兩方面進行描述，二維樹冠用冠幅、冠長、冠長率、冠形率來表示，三維樹冠通過樹冠表面積、樹冠體積來表達。

（3）林分產量 林分產量從杉木單木材積、林分蓄積和材種結構3 方面進行描述，材種結構用小條木、小徑材、中徑材、大徑材出材率和用材、薪材、廢材出材率來表示。

2.2.2 評價方法 應用SPSS27.0 中的單因素方差分析法對不同處理下杉木林分特征的差異進行分析，利用主成分分析法進行綜合評價，步驟為[22]：

首先，將n種間伐套種處理的m項指標組成數據矩陣X。

式中：Xij為第i種間伐套種處理的第j項指標的實測值。

其次，利用SPSS 或Excel 軟件將數據標準化，Excel 軟件計算公式如下：

正向指標標準化：

逆向指標標準化：

式中： X*i j為Xij 的標準化數據； Xj為第j 項指標的平均值。

利用KMO 檢驗法和Bartlett 球體檢驗法對標準化處理后的數據進行適用性檢驗， KMO 數值≥0.60 且Sig 數值＜0.05，表明各指標間關聯程度較高，可以進行主成分分析。

選取主成分的特征值＞1 且方差累計貢獻率＞90%的前k個主成分，建立主成分與標準化指標間的關系，公式為：

式中：Yp為第p個主成分；bpm為第p個主成分的因子載荷。

用第p個主成分的方差貢獻率和所選取的k個主成分的方差總貢獻率的比值表示各個主成分的權重，將各個主成分的權重與k個主成分相結合，得到綜合評價函數Y。Y的得分越高，則表明該間伐套種處理對杉木人工林的改造效果越好。公式如下：

式中：Y為不同間伐套種處理的綜合得分；λp為第p個主成分的方差貢獻率。

3 結果與分析

3.1 間伐與闊葉樹套種對杉木生長和干形形質的影響

3.1.1 間伐與闊葉樹套種對杉木胸徑和樹高的影響 由圖1 可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的胸徑、樹高均顯著大于CK（P＜0.05），與CK 相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的胸徑分別增長了19.02%、30.01%、32.07%；樹高則分別增長了10.40%、14.81%、21.60%。

圖1 不同間伐套種下林木胸徑和樹高生長變化Fig.1 Changes of DBH and tree height growth under different thinning and interplanting

3.1.2 間伐與闊葉樹套種對杉木干形形質的影響

由圖2 可知，CK 的高徑比、胸高形數、枝下高均顯著大于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理（P＜0.05）。其中，Ⅱ處理的高徑比最小，為0.73；Ⅲ處理的胸高形數最小，為0.52，顯著低于Ⅰ處理；Ⅰ處理的枝下高最小，為3.85 m，顯著低于Ⅱ與Ⅲ處理（P＜0.05），Ⅱ與Ⅲ處理間的枝下高差異不顯著。

圖2 不同間伐套種下林木干形生長變化Fig.2 Changes of stem-form growth under different thinning and interplanting

3.2 間伐與闊葉樹套種對杉木的空間利用能力的影響

3.2.1 間伐與闊葉樹套種對杉木二維樹冠的影響

對4 個處理杉木的樹冠結構進行分析（表2），發現與CK 相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的冠幅增長率分別為12.16%、31.00%、21.27%（P＜0.05），其中Ⅱ處理的冠幅增長最快；冠長增長率依次為58.05%、55.58%、61.24%，Ⅲ處理的冠長增長最快（P＜0.05）。

表2 不同處理組樹冠的生長變化Table 2 Growth changes of crown of different treatments

為充分反映不同間伐套種處理下杉木的樹勢和樹冠立體狀態的水平，對杉木的冠長率和冠形率進行了研究（表2）。間伐與闊葉樹套種處理顯著提高了冠長率與冠形率，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的冠長率分別比CK 增加了40.00%、30.00%、32.00%（P＜0.05），Ⅱ與Ⅲ處理間的冠長率差異不顯著；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的冠形率顯著高于CK（P＜0.05），Ⅰ與Ⅲ處理間的冠形率差異不顯著。

3.2.2 間伐與闊葉樹套種對杉木三維樹冠的影響

由表3 可知，樹冠表面積和樹冠體積均隨著試驗處理強度的增強而先增大后減小。Ⅱ處理的值均最大，分別為61.99 m2、43.95 m3，其次依次為Ⅲ處理、Ⅰ處理、CK。其中，CK 與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理間的樹冠表面積存在顯著性差異，Ⅰ與Ⅱ處理間的樹冠表面積差異顯著（P＜0.05）；杉木人工林單木樹冠體積在各處理間呈現顯著性差異。杉木樹冠表面積和樹冠體積的變異系數表現為：CK＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，可見 CK 中單木樹冠表面積、樹冠體積分化程度較大，而間伐與闊葉樹套種處理可以降低樹冠表面積和樹冠體積的分化程度。

3.3 間伐與闊葉樹套種對杉木林分產量的影響

3.3.1 間伐與闊葉樹套種對杉木單木材積和林分蓄積的影響 由表4 可知，隨著試驗處理強度的增強，杉木的單木材積呈現逐漸增長的趨勢，杉木的林分蓄積則呈現逐漸下降的趨勢。Ⅲ處理的單木材積最大，為0.22 m3；其次為Ⅱ處理，為0.21 m3；CK 最小，為0.12 m3。杉木的林分蓄積則表現為CK＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，與CK 相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的林分蓄積分別下降了27.50%、28.15%、36.94%（P＜0.05）。

表4 間伐套種后杉木單木材積和林分蓄積的生長變化Table 4 Growth changes of single tree and stand volume of fir plantation after thinning and interplanting

3.3.2 間伐與闊葉樹套種對杉木材種結構的影響

由圖3 可知，隨著試驗處理強度的增強，林分的薪材、廢材出材量以及總出材量逐漸減小，用材出材量則呈現先減少后增加再減少的趨勢，并且CK 的值均最大，Ⅲ處理的值均最小。

圖3 間伐套種后林分總出材量的結構Fig.3 Structure of total stand output after thinning and interplanting

由圖4 可知，間伐套種處理降低了杉木林分內小條木、小徑材的出材量，而中徑材和大徑材的出材量則在不同間伐套種處理下呈現不同的變化規律。其中，Ⅱ處理的中徑材出材量最大，為80.87 m3·hm-2，Ⅰ處理的中徑材出材量最小，為61.33 m3·hm-2；大徑材出材量則表現為Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞CK。

圖4 間伐套種后林分用材出材量的結構Fig.4 Structure of materials output after thinning and interplanting

對杉木用材、薪材、廢材出材率的分析表明（表5），間伐與闊葉樹套種處理可以提高杉木用材出材率，降低薪材和廢材出材率。間伐套種處理后，杉木用材出材率表現為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞CK，薪材和廢材出材率則表現為CK＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。其中，Ⅱ與Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ處理間用材和薪材出材率差異不顯著，Ⅱ與Ⅲ處理間廢材出材率差異不顯著。

表5 間伐套種處理后不同材種出材率Table 5 The timber assortments timber-produced rate after thinning and interplanting

間伐與闊葉樹套種處理對各材種出材率的影響不同，其中，小條木、小徑材的出材率呈下降趨勢，與CK 相比，Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ處理的小條木出材率分別降低了60.24% 、88.35% 、90.88% （P＜0.05）；中徑材和大徑材出材率則均呈升高趨勢，間伐套種處理林分的中徑材和大徑材出材率顯著高于未處理林分（P＜0.05）。

3.4 杉木人工林不同間伐套種處理效果評價

為了消除各指標間單位和量綱的影響，對各指標（X1：胸徑、X2：樹高、X3：枝下高、X4：高徑比、X5：胸高形數、X6：冠幅、X7：冠長率、X8：冠形率、X9：樹冠表面積、X10：樹冠體積、X11：小條木出材率、X12：小徑材出材率、X13：中徑材出材率、X14：大徑材出材率、X15：薪材出材率、X16：廢材出材率、X17：用材出材率、X18：單木材積、X19：林分蓄積）進行了標準化處理，并對標準化處理后的數據進行適用性檢驗，發現KMO 數值為0.612，Sig 數值為0.00，各指標間關聯程度較高，可以進行主成分分析。

3.4.1 主成分提取 由表6 可知，前6 個主成分的累計貢獻率高達91.228%，并且各主成分的特征值均大于1，說明這6 個主成分可代表上述的19 個指標。因此，提取這6 個主成分，分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。

表6 主成分提取結果Table 6 Extraction results of principal compositions

3.4.2 主成分特征值與荷載結果 由表7 可知：在第一主成分的特征向量中，胸徑、樹高、胸高形數、單木材積的特征向量值較高。在第二成分的特征向量中，枝下高和冠長率的特征向量值較高；在第三主成分的特征向量中，小條木出材率和小徑材出材率的特征向量值較高；在第四主成分的特征向量中，冠幅和冠形率的特征向量值較高；在第五主成分的特征向量中，大徑材出材率、薪材出材率和廢材出材率的特征向量值較高；在第六主成分的特征向量中，中徑材出材率和大徑材出材率的特征向量值較高。

表7 主成分特征值與荷載結果Table 7 Principal component characteristic values and load results

3.4.3 綜合得分 由表8 可知，各處理的綜合得分排名由高到低依次為：Ⅲ處理（1.186）、Ⅱ處理（1.092）、Ⅰ處理（0.671）和CK（-0.709）。其中，Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ處理的綜合得分均大于0，林分生長均優于林分平均水平；CK 的綜合得分小于0，林分生長低于林分平均水平。

表8 主成分得分及綜合得分Table 8 Principal component score and comprehensive score

4 討論

4.1 間伐與闊葉樹套種對杉木生長和干形形質的影響

杉木作為我國特有的用材林樹種之一，間伐套種已經成為其營建針闊混交林的主要方式[23]。以往研究表明，間伐可以增加林木的可用資源，促使林木胸徑和樹高的增加[24-25]，本研究結果與其一致。

在本研究中，CK 的高徑比、胸高形數比間伐套種處理林分的高徑比、胸高形數表現好[26]，但枝下高隨著間伐強度的增強呈現先迅速減小后逐漸增大的趨勢，與前人結論“枝下高隨著林分密度的降低而逐漸增加[27]”不一致。原因與林分密度有關，林分密度大幅度降低后，林內光照和生長空間發生變化，單木下部枝條受到的自身和相鄰木的遮陰減少，導致枝下高增長緩慢。但隨著林分密度的降低，冠幅逐漸增大，下層冠層受光減少，加劇自然整枝的程度，導致枝下高逐漸增大[28]。

4.2 間伐與闊葉樹套種對杉木空間利用能力的影響

林木冠幅生長通常隨著林分密度的增大而減小[29]，而在本研究中，隨著林分密度的增大，杉木冠幅呈現先增大后減小的趨勢。原因可能為Ⅲ處理的間伐強度為65%，伐除木過多，伐除過程中破壞了部分保留木冠層側枝，導致冠幅因子出現誤差。

在本研究中，冠長、冠長率、冠形率隨著間伐強度的減弱整體呈現減弱的趨勢，與公寧寧[30]對油松人工林樹冠、段劼等[31]對側柏樹冠特征因子的研究結果一致。但冠長、冠長率、冠形率在Ⅰ處理出現上升，原因為：隨著間伐強度的增強，杉木樹高增大，但枝下高先減小后增大[28]并且在處理Ⅰ中最低，導致冠長在Ⅰ處理出現上升，從而間接影響了杉木冠長率、冠形率的生長；冠幅隨著林分密度的增大而先增大后減小并且在Ⅱ處理中最高，導致樹冠表面積、樹冠體積在Ⅱ處理中出現上升。

4.3 間伐與闊葉樹套種對杉木林分產量的影響

杉木經過間伐套種處理之后，隨著間伐強度的增強，杉木的單木材積呈現逐漸增長的趨勢，這與張曉紅等[32]的研究一致。但隨著間伐強度的增強，林分蓄積量逐漸降低。原因在于林分的蓄積量受到單木材積和單位面積株數的共同影響，雖然各間伐套種處理間杉木的單木材積均有所增加，但是間伐之后保留的株數減少。如果間伐強度過大則會因為林分增長的蓄積量不足與伐除木的蓄積量抵消，進而出現單木材積增加但是林分蓄積量減少的情況，這與鄭鳴鳴[33]對杉木中齡林間伐的研究、SULLIVAN[34]對美國黑松不同間伐強度的研究結果一致。

林分密度是影響林分材種結構、出材數量和質量的重要因素[35]，間伐套種處理后林分內保留株數減少，林木生長空間變大，促進林木徑階偏移，導致林分材種結構發生變化[36]。本研究發現，間伐套種有利于提高林分用材出材率，降低薪材和廢材出材率，有效提高了林分材種效益，與前人的研究結果一致[37]。宋重升[38]以16 年生杉木為研究對象，發現隨著間伐強度的增強，小徑材和小條木出材量和出材率呈現減弱的趨勢，與本研究結果一致。此外，宋重升發現小條木僅出現在未間伐林分內，而在本研究中，各間伐套種處理中均出現了小條木，原因可能為初始間伐時林分林齡較大，并且間伐套種處理時間較短，導致林分胸徑生長變化較小，仍有較多林木胸徑位于14 徑階下。王有良等[39]認為大徑材蓄積量隨保留密度的增大呈先增加而后減小的趨勢，這與本研究結果不完全一致。可能是受各徑階活立木株數的影響，隨著間伐強度的增大，林木胸徑遞增，徑階后移，但林木株數逐漸減少，導致林木大徑材出材量呈現先增加后減小再增大的趨勢[40]。

4.4 杉木人工林不同間伐與闊葉樹套種處理效果評價

樣地經過不同間伐套種模式改造之后，林內環境發生改變，導致林分生長形質性狀、空間利用能力、林分產量均發生變化，本研究對其進行綜合分析，發現得分由高到低依次為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞CK，表明間伐套種處理可以有效改善杉木人工林的生長特征。

5 結論

間伐與闊葉樹套種處理提高了23 a 林齡的杉木人工林的規格材出材率，降低了非規格材出材率，有利于杉木大徑材培育；CK 是提升林木干形形質的最佳處理措施，提高了杉木的高徑比、胸高形數和枝下高；Ⅱ處理（56% 間伐 + 套種闊葉樹）是提升林木空間利用能力的最佳處理措施，提高了杉木的冠幅、冠長、冠長率和冠形率、樹冠表面積、樹冠體積；Ⅲ處理（65%間伐 + 套種闊葉樹）是快速提升杉木人工林生長特征的最佳處理措施，提高了杉木人工林林分特征的綜合得分。