間伐對樟樹人工林徑級結構變化及生長影響

廖德志，陳明皋，吳際友，程勇，張珉，魏志恒，劉欲曉，單志毅，吳哲

（1湖南省林業(yè)科學院，長沙 410004；2攸縣林業(yè)局，湖南攸縣 412300；3攸縣黃豐橋國有林場，湖南攸縣 412307；4湖南匯智農(nóng)林工程咨詢設計有限公司，長沙 410004）

0 引言

樟樹(Cinnamomum carnphora)樟科樟屬植物，為亞熱帶常綠闊葉林的代表樹種,同時也是重要的材用和特種經(jīng)濟樹種，廣泛分布于中國長江流域以南各省市，在亞洲日本、越南等地亦有分布[1-2]。樟樹木材因其耐腐、防蟲、致密、有香氣等特性，被廣泛用于家具制作和工藝品雕刻[3],同時樟樹具有較高的觀賞和生態(tài)應用價值[4-6]，常用作行道樹或者綠化景觀樹種。目前營造的樟樹人工林普遍存在林分生長參差不齊、生長速率較慢、出材率低等問題[7-8]。如何進行森林經(jīng)營，改善林分結構，提高林分生產(chǎn)力，培育直干型大徑材已經(jīng)成為樟樹人工林培育和改造的主要任務。

間伐是森林培育重要措施之一，科學合理的間伐可以調(diào)整林分密度，改善冠層營養(yǎng)空間，減少林木間競爭[9-11]，在促進林木生長、優(yōu)化林分結構、改變土壤理化性質等方面發(fā)揮著重要作用[12-15]。因此，間伐對森林經(jīng)營具有重要的實踐意義，合理的間伐強度、間伐方式和間伐周期對實現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營具有重要實踐和理論意義。目前對樟樹撫育間伐的研究大多集中在林分生長、生產(chǎn)力以及土壤變化等方面，對林分結構和林分生長的動態(tài)變化規(guī)律研究較少。本研究以16 a 生的樟樹人工林為研究對象，設置強度間伐（間伐40%）、輕度間伐(20%)和對照組（不間伐）3 組試驗并設立固定觀測樣地，同時伐取解析木分析研究樟樹人工林生長過程，研究分析樟樹人工林間伐后林分結構和林分生長的動態(tài)變化規(guī)律，探討樟樹人工林合理的撫育間伐強度，為樟樹人工林科學經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于湖南攸縣黃豐橋國有林場，地處113°34′—113°43′E，27°06′—27°04′N之間，屬于亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，以中低山和丘陵為主，海拔115～1270 m，坡度15～35°之間；年平均氣溫17.8℃，極端最低溫度-11.9℃，極端最高溫度40℃；年平均無霜期為292 d，年平均日照時間為1612 h；年平均降水量1410.8 mm，每年的4—9 月為林木生長旺季。以2003人工栽培的香樟試驗林為研究對象，試驗林總面積達13.34 hm2，郁閉度為0.8，林木平均胸徑為16.8 cm，平均樹高為10.7 m，林冠下零星分布有東方金粟蘭(Chloranthus spicatus)、線蕨(Colysis elliptica)、烏毛蕨(Blechnum orientale)等植物。

2 材料與方法

2.1 試驗方法

在林齡為16 a 的樟樹人工林內(nèi)，選取3 組立地條件一致的樟樹林分設置間伐試驗，按照伐密留勻、留優(yōu)去劣的原則，對樟樹人工林進行間伐。每組試驗設置40%的強度間伐、20%的輕度間伐及對照3種間伐強度處理，采用隨機區(qū)組設計，樣地大小為20 m×30 m，重復3次，并設立固定觀測樣地，共計設立9個固定觀測樣地。間伐前樣地基本情況見表1。

表1 樟樹間伐試驗林樣地信息表

2.2 樣地調(diào)查

（1）2018 年8 月對現(xiàn)有樟樹中齡林（16 年生）進行間伐前每木檢尺，記錄收集間伐前樣地數(shù)據(jù)，依照樣地數(shù)據(jù)確定間伐樟樹個體。

（2）伐后再進行每木檢尺，整理間伐后樣地數(shù)據(jù)。

（3）間伐生長1 年后（2019 年8 月）對間伐樣地進行每木檢尺，收集整理樟樹生長數(shù)據(jù)。

（4）間伐生長2 年后（2020 年8 月）再次對樣地進行每木檢尺，收集整理樟樹生長數(shù)據(jù)。

2.3 樟樹解析木測定

對間伐試驗樣地進行每木檢尺后，每個樣地選出生長正常，無病蟲害能代表林分生長水平的平均木2株作為標準木，共計6 株。用羅盤儀測定出解析木的根莖位置，確定胸徑及樹干南北方向，對標準木在離地10 cm處進行機械伐倒并截取圓盤（為0號圓盤），第二塊圓盤在1.3 m出截取（為1號圓盤），之后按2 m為區(qū)分段在全株鋸取圓盤（為2、3、4…號）直至梢頂。將圓盤用塑料薄膜密封帶回實驗室，將工作面進行拋光磨平，判別各個圓盤的年輪，并用直尺分別測定東西、南北方向的生長輪寬度，根據(jù)樹木直徑生長規(guī)律繪制樹高生長曲線并得出各齡階樹高，利用區(qū)分段法計算各齡階去皮材積[16-18]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，采用單因素方差分析法和Duncan 多重比較法進行分析。

將林木胸徑按照1 cm 一徑階進行整化，采用Weibull 分布概率密度函數(shù)對3 組樣地全林分徑級結構進行擬合[19-21]，Weibull 分布概率密度函數(shù)見式。利用Origin 9.0 軟件對林分徑級結構進行參數(shù)擬合，采用卡方檢驗法對擬合效果進行檢驗。

Weibull分布概率密度函數(shù)函數(shù)見式(1)。

式中，a為位置參數(shù)，b為尺度參數(shù)，c為形狀參數(shù)，x為林木胸徑頻度。

單株材積見式(2)。

式中，f3為實驗形數(shù)值取0.4，V代表材積，g1.3表示胸高直徑處的橫截面積，h表示樹高。

林分蓄積：樣地所有立木單株材積之和。

3 結果分析

3.1 樟樹人工林生長過程解析

通過對樟樹標準木的樹干解析和樟樹年輪數(shù)據(jù)，分別推算樟樹胸徑、樹高和材積的生長過程，主要指標包括單株樟樹胸徑、樹高、材積的連年生長量和平均年生長量，見圖1～3。

圖1 16年生樟樹人工林胸徑生長規(guī)律

圖2 16年生樟樹人工林樹高生長規(guī)律

圖3 16年生樟樹人工林單株材積生長規(guī)律

由生長曲線可知，樟樹人工林胸徑連年生長量從6年生時開始逐漸下降，到8年生時已低于平均年生長量，并且往后持續(xù)下降，到16 年生時連年生長量僅為0.80 cm；樹高生長量與胸徑生長量趨勢基本一致，但在4 年生時樹高連年生長量達到最高，6～12 年間平穩(wěn)增長，12 年生后樹高生長開始迅速下降；單株材積連年生長量在12 年生時達到最大，隨后開始平緩下降，到16年時平均單株材積達到了0.254 m3。根據(jù)結果可以看出樟樹人工林到12 a 生時林分生長受到影響，連年生長量持續(xù)下降，需要通過撫育間伐等森林經(jīng)營的方式改善林分結構，恢復林分生長勢。

3.2 不同間伐強度樟樹林分胸徑生長差異

間伐試驗后分別于2019年8月和2020年8月對間伐試驗林進行2 次調(diào)查，結果表明間伐后樟樹林分胸徑生長量與對照樣地相比顯著增大；具體數(shù)據(jù)見表2。間伐20%與間伐40%的樣地林分，間伐生長2年后平均胸徑增長分別增長了2.36 cm、2.84 cm，對照樣地間伐生長2 年后的林分平均胸徑增長僅為1.36 cm。同時對比由2018 年樟樹解析木所得的樟樹生長過程規(guī)律可見，15～16 a的連年生長量在0.80 cm左右，與對照平均胸徑年增量基本一致，可見間伐在短期內(nèi)確實起到了恢復林分長勢、促進保留木生長的作用。

表2 樟樹間伐試驗林胸徑增長對照表

3.3 不同間伐強度樟樹林分樹高、冠幅生長差異

2019 年8 月對間伐試驗林進行調(diào)查，間伐前后不同間伐強度樟樹林分樹高、冠幅生長差異如表3、4 所示；結果表明，間伐后樟樹人工林樹高生長量與對照組差異不顯著，與快速生長階段相比都處在相對較低的增長水平；而冠幅生長則顯示出顯著的生長差異，強度間伐后冠幅顯著增大，顯著大于輕度間伐和對照組，平均冠幅達3.8 m高出對照組31%。

表3 樟樹間伐試驗林樹高增長對照表

表4 樟樹間伐試驗林冠幅增長對照表

3.4 間伐后樟樹人工林徑級結構變化

間伐采用去劣留優(yōu)的原則，伐除生長差的被壓木，干形差的曲干木，有病蟲害的病態(tài)木，通過對比間伐前、間伐后、間伐后1年和間伐后2年的林分徑階數(shù)據(jù)，采用Weibull 概率密度函數(shù)對3 組試驗林分徑階結構分布進行擬合，擬合后的樟樹人工林徑階結構分布變化情況如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 間伐前后對照組徑階結構變化

圖5 間伐前后輕度間伐組徑階結構變化

圖6 間伐前后強度間伐組徑階結構變化

結果表明，間伐前16 a 生樟樹人工林徑級為12～20 cm 的林木占到了林分的80%，間伐對照組在間伐試驗實施后2 年Weibull 徑級分布曲線峰值位置基本不變，在17 cm 左右，峰值頻度有所下降，且整個曲線略微右移，上層林分頻度占比有所增加，表明上層林分仍然處在生長之中，但下層林分徑階頻度基本沒變，生長勢明顯不足，胸徑年增長不足0.5 cm的林木約占樣地總立木的25%。

輕度間伐（間伐20%）樣地在完成間伐后當年，下層林分頻度減少，上層林分頻度略微增加，Weibull 分布曲線峰值基本不變在16 cm左右。間伐生長1 年后Weibull 徑級分布曲線整體向右移動，且曲線走勢基本保持不變，表明間伐1 年后林分內(nèi)林木胸徑的整體增長，下層林分也表現(xiàn)出較高的生長勢。間伐生長2 年后Weibull徑級分布曲線的峰值右移，且頻度下調(diào)，下層林分增長有所下降，上層林分頻度略微增加。

強度間伐（間伐40%）樣地間伐完后，Weibull徑級分布曲線峰值（18 cm 左右）位置不變，但峰值頻度顯著升高，峰值左端徑級頻度降低，表明下層木被伐后，林分徑級頻度更為集中，在間伐生長1 年后林分Weibull徑級分布曲線峰值下降且位置右移，林分徑級峰值變?yōu)?1 cm，表明林分間伐后林分胸徑整體增長，但樟樹個體間的生長差異，使得單株徑級進階快慢不一，使得原本較為集中的徑級分布出現(xiàn)分化。間伐生長2 年后曲線峰值再次向右移動，并且峰值頻度有所提高，與前1 年相比曲線形狀基本一致，胸徑大于20 cm 的樟樹強度間伐樣地中達到了420 株/hm2占比47.7%，輕度間伐為285株/hm2占比27.2%，而對照組僅為165 株/hm2占比11.9%。強度間伐林分相比于輕度間伐林分表現(xiàn)出更加強力的生長勢，且第2 年沒有出現(xiàn)生長勢下降的情況，表明間伐帶來的林分生長勢恢復時效與間伐強度存在一定的相關性，不同間伐強度對樟樹人工林生長勢恢復時效長短需要進一步觀測，這與董莉莉等[14]關于蒙古櫟撫育間伐的研究一致。

3.5 間伐后樟樹人工林蓄積量生長變化

不同間伐強度樣地內(nèi)蓄積量變化動態(tài)見圖7和圖8。由圖7 可知，開展間伐之前3 組樣地的蓄積量在130 m3/hm2左右，間伐后當年各間伐樣地蓄積量均有相應程度的減小，在間伐后的2 年內(nèi)輕度間伐樣地和強度間伐樣的蓄積量都要小于間伐對照組，但間伐樣地的蓄積生長量顯著高于對照組樣地。間伐生長1年后輕度、強度間伐樣地蓄積增長量分別為21.33 m3/hm2和20.10 m3/hm2，高出對照組蓄積增長量15.32 m3/hm2的39.2%%和31.2%。間伐后第2年輕度間伐樣地的蓄積增長量與第1 年基本一致，而強度間伐樣地蓄積生長量相比第1年更高達到了25.50 m3/hm2，對照組蓄積量則增長量為18.34 m3/hm2。間伐2年后3組樣地的蓄積量分別為強度間伐組140.15 m3/hm2，輕度間伐組143.39 m3/hm2，對照組159.91 m3/hm2，可見，間伐生長兩年后輕度間伐和強度間伐即可恢復到了與間伐前相當?shù)男罘e量。

圖7 不同間伐強度蓄積量變化動態(tài)

圖8 不同間伐強度樣地蓄積年生長量變化動態(tài)

4 結論與討論

（1）間伐后的樟樹林分胸徑生長量顯著高于不間伐的林分；同時強度間伐（間伐40%）和輕度間伐（間伐20%）的樟樹林，在間伐生長1年后胸徑增長量無顯著差異，但間伐后第2 年強度間伐胸徑增長量開始顯著高于輕度間伐和對照組，且胸徑大于20 cm 的樟樹強度間伐樣地中達到了420株/hm2占比47.7%，輕度間伐為285 株/hm2占比27.2%，而對照組僅為165 株/hm2占比11.9%。間伐對樟樹林分樹高的促進作用較小，不同間伐強度下樟樹林分樹高生長量無顯著差異，但間伐后林分冠幅顯著增大，強度間伐下的樟樹林分平均冠幅達到3.8 m要顯著高于自身間伐前和不間伐的林分,這與前人[14-15]的研究結論相一致。間伐后當年各間伐樣地蓄積量均有相應程度的減小，輕度間伐樣地和強度間伐樣地蓄積量分別比對照減少了18.5%和28.7%，但輕度、強度間伐樣地的蓄積年生長量要顯著高于間伐對照組，與間伐對照組的蓄積量差在逐漸縮小。

（2）經(jīng)解析木分析，在快速生長過后樟樹生長量呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，其中胸徑生長量在8 年生時開始逐年下降，到16年時連年增長量僅為0.80 cm，這與對照林分（不間伐林分）平均胸徑連年增長量0.68 cm基本一致。強度間伐林分（間伐40%）和輕度間伐林分（間伐20%）在間伐1年后胸徑連年生長量分別達到了1.44 cm 和1.31 cm，表明樟樹林分生長量與其生長空間密切相關，通過間伐優(yōu)化林分生長空間可以逆轉這一下降趨勢，但是否能維持高速生長或能維持多長時間需要進一步觀測。

（3）對試驗林分徑級結構研究分析，樟樹人工林下層木生長勢明顯不足，分析對照組（不間伐林分）生長2 年后林分徑級結構可以發(fā)現(xiàn)，下層木（胸徑小于12 cm 的徑級）頻率基本沒變，胸徑年增長量小于0.5 cm 的約占林分總立木的25%。強度間伐樣地（間伐40%）林分徑級結構變化情況則極其顯著，通過對下層木的間伐之后，徑級變得更為集中，峰值（中間徑級17～19 cm）頻度大幅增加，在間伐生長2 年后，峰值頻度降低，優(yōu)勢木（徑級18～26 cm）頻度增加，曲線整體右移，實現(xiàn)了林分整體徑級增長。輕度間伐林分與強度間伐林分規(guī)律表現(xiàn)一致，但變化幅度要明顯小于強度間伐林分，同時間伐后第2 年生長量相比第一年有所下降。試驗結果表明樟樹進入中齡后，林分相對密度逐漸提高，林分內(nèi)養(yǎng)分競爭增強，下層木不僅自身生長受限更會影響林分整體的生長，這與姜鵬[22]關于杉木人工林間伐前后林內(nèi)競爭和空間分別格局相一致；間伐在一定程度上減少了林木間的競爭，增加林內(nèi)光照，改善了林分養(yǎng)分分配，為保留木創(chuàng)造了更多的養(yǎng)分和生長空間，從而促進了林分的生長。但間伐所帶生長勢恢復時效以及間伐頻率有待進一步研究。