不同坡位香椿人工林生長和林分結構差異

胡繼文，楊桂娟，劉振華，王俊臣,3，肖 遙，王軍輝，麻文俊*

(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.湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004；3.西北農林科技大學，陜西 楊陵 712100)

植物的生長發育受其本身生理特性及其所處的環境影響。小區域范圍內，植物受環境影響產生的生長差異多體現在地形梯度的變化上[1]，坡位作為重要的地形因子[2-3]，影響土壤水分的分布[4]，土壤有機質腐殖化和礦化過程[5]，與林木生長有密切關系[6]。劉鑫等[7]研究表明，坡位對小葉楊(Populussimonii)和沙柳(Salixpsammophila)人工林的生長均有顯著影響，王子婷等[8]研究指出，坡位是影響半干旱黃土區檸條(Caraganakorshinskii)人工林生長的主導環境因子之一，下坡位檸條生長狀況略好于中上坡位。與針葉造林樹種相比，闊葉樹人工林對立地生境的要求更為敏感[9]。

香椿(Toonasinensis)屬楝科(Meliaceae)香椿屬(Toona)，是我國特有的珍貴速生用材林樹種，廣泛分布于華北、華東、中部、南部和西南部各省區[10]，種質資源豐富且遺傳多樣性高，有良好的遺傳改良基礎[11]。對香椿49個無性系苗期生長分析顯示，區組與無性系互作效應顯著，香椿對環境敏感，在進行香椿無性系選優時，應充分考慮其與環境的互作[12]。本研究以湖南省安化縣梅城鎮32～39年生香椿人工林為對象，比較不同坡位香椿的生長、林分結構、林木分級特征以及生長過程的差異，以期為香椿人工林的生產經營提供理論參考。

1 研究區概況

試驗區位于湖南省安化縣梅城鎮松山村，28°8′35″N，111°34′30″E，屬北亞熱帶大陸性季節濕潤氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，年均降水量1 686.2 mm，夏長冬短，無霜期274 d，年平均氣溫16.2℃。土壤為第四紀棕黃壤，以偏酸性沙壤土為主，平均pH 5.57。試驗區香椿于20世紀70年代人工栽植，樹齡32～39 a，栽植后缺乏人工管理，試驗區內多有伴生樹種，主要喬木有化香樹(Platycaryastrobilacea)(9.26%)、馬尾松(Pinusmassoniana)(8.31%)、黃檀(Dalbergiahupeana)(4.99%)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)(4.75%)、麻櫟(Quercusacutissima)(4.04%)、南酸棗(Choerospondiasaxillaris)(1.19%)。

2 材料與方法

2.1 樣地設置與調查

2018年10月,林分下、中、上坡位分別隨機選取坡向一致(南、北坡向)、坡度相近(20°～30°)、人為干擾較小、具有代表性的3個共計9塊30 m×30 m標準地，標準地內進行每木檢尺(胸徑>5 cm)，記錄喬木層所有林木的樹種、樹高、胸徑、南北冠幅、東西冠幅，并記錄每個標準地的海拔、林分密度、郁閉度等因子。不同坡位分別選取1株生長健康的樹用作樹干解析。在調查樣地每木檢尺的基礎上，對樣地林木進行分級：根據d=r/R公式(r為每株樣木胸徑；R為樣地林分平均胸徑)，求得每株樣木的d值，按分級木(Ⅰ～Ⅴ級木)歸類，統計各樣地分級木比例。分級標準為:Ⅰ級木，d≥1.336；Ⅱ級木，1.026≤d<1.336；Ⅲ級木，0.712≤d<1.026；Ⅳ級木，0.383≤d<0.712；V級木，d<0.383[13]。

2.2 數據分析

調用SAS 9.4軟件GLM過程指定坡位為單因素分析模型[14]，對標準地調查數據進行方差分析，當概率P值<0.05時，F檢驗達到顯著水平；調用NLIN過程，Marquardt 法對林分直徑結構進行擬合分析，選擇三參數Weibull分布模型，F(xi)=1-e-(((xi-a)/b)c)，其中，xi表第i個徑階中值，F(xi)為徑階林分起始徑階至xi的累計頻率，a為位置參數，b為尺度參數，二者均隨林分平均胸徑、林齡、立地等的增大而增大；c為形狀參數，決定林分直徑分布的偏度，c<1為倒J型分布，c=1為指數分布，1

3 結果與分析

3.1 不同坡位香椿人工林生長情況

試驗區香椿人工林的平均林分密度為0.078株·m-2，郁閉度為0.7～0.9，屬中高度郁閉，不同坡位林分密度及郁閉度無顯著差異(表1)。試驗區香椿人工林平均樹高13.18 m，最高為19.2 m，位于下坡；平均胸徑18.68 cm，最大胸徑位于中坡，為34.6 cm。東西、南北平均冠幅分別為4.60、4.87 m，最大東西、南北冠幅均出現于下坡，分別為9.5、10.4 m。不同坡位香椿樹高、胸徑均有顯著差異，東西、南北冠幅無顯著差異(表2)。隨著坡位上升，樹高、胸徑均呈現下降趨勢(圖1-A、B)，下坡平均樹高、胸徑分別為13.71 m、21.32 cm，均高于平均水平，而上坡平均樹高、胸徑分別為12.41 m、16.90 cm，說明下坡較上坡有利于香椿生長。中、下坡的冠幅高于平均水平，而上坡的東西、南北冠幅分別為4.29、4.54 m，均低于平均水平，特別是，上坡的南北冠幅顯著<下坡(圖1-C、D)。

注：不同小寫字母表示存在顯著差異(P<0.05)。下同。圖1 不同坡位香椿人工林樹高、胸徑及冠幅Fig.1 The height,DBH and crown of T.sinensis plantation from different slope positions

表1 樣地概況Table 1 General situation of plots

表2 香椿人工林生長性狀方差分析Table 2 Variance analysis of T.sinensis plantation growth characteristics

3.2 不同坡位香椿人工林分林木直徑分布特征

由表3可見，不同坡位香椿人工林徑階分布Weibull模型建立的決定系數r2值均>0.9，擬合效果均較佳，符合統計要求。下坡位林分的位置參數a、尺度參數b均大于中、上坡林分的對應值，這可能與下坡林分的樹高顯著>上坡，胸徑顯著>中、上坡有關。3個坡位徑階擬合形狀參數c均在1.0～3.6，徑階為單峰左偏狀分布，且c下坡>c上坡>c中坡，表明林分均處于競爭期的自然稀疏后期[17]，且下坡趨向于更穩定的后期。由圖2看出，Weibull函數分布模型擬合效果為下坡>上坡>中坡，下坡林分的模型擬合決定系數r2=0.99，擬合效果最佳；中坡位林分的r2=0.92，擬合相對最差，這可能與試驗區最大胸徑位于中坡相關。下坡最小徑階中值為13，較中、上坡(徑階中值為7)均大；上、下坡最大徑階中值均為31，中坡最大徑階中值為35，該徑階內有且僅有1株，其余徑階中值在7～29。說明下坡較中、上坡直徑分布集中，且徑階大，更適于香椿人工林大徑材的生長。

注：A、B、C分別為下、中、上坡位；實心點為實測值，曲線為Weibull分布函數預測值。圖2 不同坡位香椿人工林徑階分布累積Fig.2 The cumulative frequency of T.sinensis plantation diameter class from different slope positions

表3 不同坡位香椿人工林徑階Weibull分布參數Table 3 The Weibull function parameters of T.sinensis plantation diameter class from different slope positions

3.3 不同坡位香椿人工林分林木分級特征

由圖3可知，僅上坡存有V級木，占比為1.28%。下坡林木分級集中在Ⅱ、Ⅲ級，占81.48%，較為穩定。中坡Ⅲ級木數量最多，占41.67%，Ⅰ、Ⅳ級木分布相當，占比分別為15.28%和16.67%，其余為Ⅱ級木。上坡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級林木占比分別為19.23%、21.79%、37.18%、20.51%，少量Ⅴ級木，該坡位各級林木分布較為分散，林木分化現象較明顯。林木分級分布越分散，分級經營難度越大，就林級分散程度，下坡<中坡<上坡，說明下坡最適于香椿人工林的經營。

注：A、B、C分別為下、中、上坡位。圖3 不同坡位香椿人工林林木分級Fig.3 The tree classification of T.sinensis plantation from different slope positions

3.4 不同坡位香椿人工林生長過程分析

圖4-A、B、C顯示，下、中、上坡香椿胸徑總生長量隨樹齡的增加而增大，最大時，下坡(19.5 cm)>中坡(19.2 cm)>下坡(17.9 cm)，且上坡的總生長量有趨于平緩的趨勢，中下坡仍有上升的趨勢。下坡胸徑的起始平均生長量最大，為1.05 cm·a-1，9 a后，平均生長量緩慢下降，30年生最小，為0.65 cm·a-1；中坡胸徑平均生長量在9年生前快速增大，后趨于平緩；上坡11 a后的平均生長量維持在0.42 cm·a-1。下、中、上坡香椿胸徑的連年生長量均為單/雙峰下降趨勢，下坡生長高峰出現得比中坡早。圖4-D、E、F顯示，下、中、上坡香椿樹高總生長量隨樹齡的增加而增加，下坡max(15.20 m)>中坡max(14.14 m)>上坡max(14.12 m)，且分別于15、18、26 a時趨于穩定。3個坡位香椿樹高平均生長量均隨著樹齡的增加而整體下降，而連年生長量均表現為先增大后減小，下、中、上坡連年生長量的高峰期分別為9、12、20 a，趨于穩定于18、21、29 a。圖4-G、H、I顯示，3個坡位香椿材積總生長量均隨著樹齡的增加而增加，下坡max(0.27 m3)>中坡max(0.23 m3)>上坡max(0.20 m3)，且仍有上升趨勢，這可能與胸徑總生長未趨于穩定有關，而平均生長量隨著樹齡的增加而增加趨于穩定(中坡除外)。下、中、上坡位香椿材積連年生長量隨樹齡增加分別呈現雙峰趨于穩定、單峰上升、單峰趨于穩定趨勢。下坡胸徑、樹高、材積總生長量均為3個坡位中最大，且胸徑和材積總生長量仍有上升的趨勢，說明下坡有利于香椿人工林的生長。

注：A、B、C分別為下、中、上坡胸徑生長，D、E、F分別為下、中、上坡樹高生長，G、H、I分別為下、中、上坡材積生長。圖4 不同坡位香椿生長過程Fig.4 The growth progress of T.sinensis from different slope position

4 結論與討論

香椿人工林樹高、胸徑在不同坡位有顯著差異，下坡生長優勢明顯。全試驗區林分徑階Weibull函數分布模型形狀參數c均在1.0～3.6，徑階呈單峰左偏狀分布，下坡林分趨向于更穩定的自然稀疏后期。下坡林分林木分級多集中于Ⅱ、Ⅲ級，占81.48%，易于人工管理。下坡香椿胸徑、樹高、材積總生長穩定期較中、上坡早，且生長量相對最大。

4.1 坡位對香椿出生長的影響

不同坡位香椿人工林林分密度無顯著差異、均呈中高度郁閉，可能與試驗區香椿人工林為32～39年生，為成熟林有關。該香椿人工林樹高、胸徑生長顯示，下坡位顯著最大，且隨著坡位上升，樹高、胸徑均呈現下降趨勢，這與前人研究的小葉楊和沙柳人工林的平均胸徑、平均樹高生長均表現為坡底>坡頂≥坡中的結果基本一致[7]。此外，下坡香椿人工林南北冠幅顯著>上坡，與前人研究的下坡的木荷(Schimasuperba)樹冠濃密、樹高和冠幅生長量較大的結果較為一致[9]。不同坡位香椿生長的差異可能與下坡位在重力及淋洗作用下，土壤有機質聚集較多有關[18-19]。此外，試驗區范圍內下坡多處于林分邊緣，下坡香椿人工林生長較好可能存在邊緣效應。

4.2 坡位對香椿人工林林分結構的影響

林分直徑分布是林分內林木按照徑階劃分的分布狀態，是最基礎的林分結構[20]，了解林分的直徑分布對經營森林是十分必要的[21]。Weibull分布是近年來用作擬合林分直徑分布最廣泛的模型[22]。本試驗區不同坡位香椿人工林徑階均呈單峰左偏分布，分布曲線形式較為簡單，可能是由于林分屬同齡香椿純林，受其他樹種競爭影響小[20]。下坡香椿人工林起始徑階大(最小徑階中值為13)，且較中、上坡直徑分布更為集中。若將大徑材作為目標樹經營，圍繞改善林分結構，促進目標樹的生長，以提高林分的生產力[23-24]，下坡香椿人工林可作為重點研究對象。

4.3 坡位對香椿人工林林木分級及生長過程的影響

根據林木分級經營的原則，Ⅰ、Ⅱ級木為優勢木，Ⅲ級為平均木，Ⅳ和Ⅴ級被壓木[25]，應培育Ⅰ級木，間伐Ⅱ級木，解放Ⅲ級木，移除Ⅳ和Ⅴ級木[26]。本試驗區內，下坡林木分級主要集中在Ⅱ、Ⅲ級，說明該林分較為穩定，易于林分的林木分級經營。而上坡林分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級木均有分布，分化嚴重，可能是林分個體間營養空間等資源競爭激烈，部分個體生長受到抑制[17,27]。林木分級分散，不利于分級管理，故下坡更適宜于香椿人工林的營建。林木的連年生長、平均生長多表現為先上升后下降，早期連年生長>平均生長，后期平均生長>連年生長[28]。本試驗區內不同坡位香椿人工林的生長分析顯示，胸徑、樹高的后期生長基本為平均生長大于連年生長，而過程中出現的單/多個生長高峰可能與香椿對該年份環境變化敏感有關[12]。