間伐與修枝對人工林木材質量影響的研究進展

張士韜，歐陽林男，陳少雄，楊嘉麒

（1.中國林業科學研究院 速生樹木研究所，廣東湛江 524022；2.南京林業大學 林學院，江蘇南京 210037）

人工林在全球森林資源中占據重要地位，其在維持生態平衡和促進林業經濟發展方面發揮著關鍵作用。我國人工林發展迅速，卻因長期缺乏理論指導和相應技術支持，質量普遍較低。間伐和修枝作為有規劃、有目標的林木和枝干去除手段，對人工林的培育至關重要。有效的撫育計劃、標記、剩余林木的保護、林地清理以及對剩余林木生長狀態和效果進行跟蹤監測，是優化間伐和修枝措施的具體步驟。研究表明，間伐對日本柳杉（Cryptomeriajaponica）的木材密度有改善作用[1]，但對北美短葉松（Pinusbanksiana）的木材密度可能帶來負面影響[2]；這一差異來源于日本柳杉間伐后，由于風力作用產生木材壓縮效應，北美短葉松的木材密度更受遺傳控制的影響。間伐和修枝效果的差異還受環境、樹種和撫育措施等多方面的影響，然而，鮮有研究系統總結這些差異及其根本原因。本綜述以人工林為研究對象，系統梳理間伐和修枝對木材質量的影響，重點討論不同間伐和修枝措施及林分差異對木材物理力學性質、外觀質量和其他木材質量因素的影響；此外，簡要闡述間伐和修枝對木材微纖絲角、纖維形態和化學性質的影響，為運用間伐和修枝改良人工林木材質量提供理論依據。

1 木材質量概念的發展歷程

木材質量的研究歷史悠久。20世紀50年代，印度率先開展側重于木材材性，以改善木材質量為重點的相關研究[3]。1984年，美國學者B.Zobel等提出通過強化森林經營和林木育種措施來改良木材品質[4]。20世紀80年代，中國的木材質量主要由伐木工人把關，不規范的伐木作業給國家林業經濟帶來了巨大的損失[5]。1997年，Zhang 將木材質量的概念擴大到從樹木到終端木材產品的范圍[6]。木材材性是木材質量的重要組成部分；木材質量還包括立木外觀質量、缺陷評估等級以及解剖特征等多個方面。

過去伐木工人自主決定木材質量的方式逐漸被更新，形成了更為全面的木材質量評價體系，其中包括了“良材”等概念[7-8]。針對不同用途的木材，出現了不同的評價指標。對于建筑木材，評價木材質量的重點通常放在木材的尺寸、剛度、彈性模量和斷裂模量及三維穩定性上；對于家具和工具用木材，主要關注其防腐性能[7]。

無論哪種用途，木材節子和木材密度都是被研究和應用最廣泛的木材質量指標之一。木材節子的大小和數量會影響木材的外觀質量，節子周圍局部紋理的紊亂會降低木材的剛度和強度[6]。此外，木材節子需要額外的加工工藝處理，會影響實木價值。木材密度與小型無缺陷木材的硬度和強度呈正相關[9]。管胞長度和微纖絲角對木材的機械性能和尺寸穩定性有顯著影響；短管胞與過大的微纖絲角會導致木材在縱向上強烈收縮，引起干燥變形[6]。

2 間伐與修枝對人工林木材質量的影響

2.1 間伐對木材質量的影響

2.1.1 對木材晚材率、干縮特性和心材占比的影響

晚材即秋材，是在生長季末期形成層活動減弱后形成的次生木質部，通常在秋天氣候干冷時形成[7]。晚材率是指晚材在木材年輪中所占的比率，是決定木材強度的重要指標之一[7]。晚材率越高，木材的結構越致密堅實，強度越高，質量越好（紙漿材除外）[7]。間伐從兩個方面直接或間接影響木材晚材率（表1）[1，10-18]。一方面間伐可以擴大林木生長空間，改善生態環境，提高立地質量；通過間伐，林地風荷載增加，林木樹干外圍彎曲應力增強，促進木材壓縮[1]。另一方面，間伐能促進大多數樹種的樹高生長；為了適應林木的快速生長，木質部細胞壁厚度降低，管胞直徑增加以擴大內腔，使管胞更有效地運輸水分，這是為了彌補因蒸騰作用加速而導致的水分消耗[19-20]；這一過程導致晚材率降低。

表1 間伐對不同樹種晚材率的影響Tab.1 Effects of thinning on late wood rates of different tree species

木材干縮是指在干燥過程中，木材尺寸和體積發生縮小的現象，與木材結構的穩定密切相關[7]。干縮程度在縱向、徑向和弦向上存在差異，這種差異受到樹種和環境因素的影響。間伐對于火炬松（Pinustaeda）木材干縮率有顯著影響[14]。徐有明等[21]發現間伐增加濕地松（Pinuselliottii）木材縱向干縮率和差異干縮，降低徑向、弦向和體積干縮率；羅真付等[22]的研究結果表明，間伐對濕地松木材干縮性狀無顯著影響；蔡堅等[23]研究發現，間伐對濕地松木材干縮產生負面作用。

木材質量評定中，心材與邊材在木質部中的占比是一個重要因素。心材占比越高，木材防腐性越好，材質也更加穩定。Vallejos 等[24]研究發現，云南石梓（Gmelinaarborea）心材直徑隨間伐強度增加而增大，與Taylor 等[25]和Bravo 等[26]的研究結果一致?？赡苁且驗橐环矫?，間伐降低林內競爭，使剩余的林木能增加更多葉生物量，促進其生長[27]，使其心材直徑增加；另一方面，間伐提高光利用率[28]，使樹冠下部葉片的光合作用飽和點和電導率上升[29]，提高林木吸收養分和水分能力，使其心材直徑增加。

2.1.2 對木材密度和力學性質的影響

木材密度作為木材物理性質的一部分，通常是決定木材質量的重要特性[30-32]。其對間伐的響應受林木生長、晚材率[33-35]等多種因素控制。低強度間伐能通過加速林木生長間接影響晚材形成[16]，增加木材密度，產生密度更均勻的木材[15]，提高間伐后林分的經濟價值；間伐強度大于30%時，早材和晚材生長量均會增加，其中早材生長增量略高于晚材，木材密度下降不顯著[36]。Vincent 等[37]發現黑云杉（Piceamariana）在間伐后，木材密度受到樹高的影響遠比間伐強度更顯著。木材密度的變化受到間伐措施強度和方式等多方面因素影響（表2）。

表2 間伐對不同樹種木材密度的影響Tab.2 Effects of thinning on wood densities of different tree species

木材力學性質是科學選材和用材的主要特性之一。均勻間伐有助于拓寬人工林木材的生長空間；不均勻間伐會使林冠生長發育不良，部分枝條過度生長，重力不平衡引發樹干內產生應壓木，從而增加了部分木材的順紋抗壓強度，但降低抗彎彈性模量。研究表明，間伐對不同樹種木材的靜曲強度、彈性模量、拉伸強度、沖擊韌性和硬度等力學性質影響差異較大（表3）。

表3 間伐對不同樹種木材力學性質的影響Tab.3 Effects of thinning on mechanical properties of woods of different tree species

對于相同林齡的樹木，合理均勻間伐能提升林分光照強度[49]，改善土壤水分狀況，維持或略微增加木材密度。更高強度的間伐并不代表對木材力學性質更為有利[47-48]。緩慢生長的木材通常表現出更高的硬度，有助于抵抗風力等應力作用[50]。高強度間伐會促使林木冠幅增大，加速木材徑向生長；降低林分密度，間接增加保留木對肥料養分的利用，生成更多的薄壁細胞[51]，使木材硬度和基本密度降低。間伐后，林木生長與木材質量間維持著動態平衡。Zobel 等[34]研究發現，間伐對木材密度的影響并不顯著，對木材質量下降的影響相對較小，遠低于其對蓄積量和胸徑的提升作用[15]；間伐能減少因異常氣候對木材密度造成的波動，獲得更為均勻的木材[17]。因此，適當的間伐可有效降低木材伐取和加工成本，對森林經營利大于弊。

2.2 修枝對木材質量的影響

修枝是一種通過去除多余樹枝來提高木材質量的方法[52]。該技術最早可追溯到18世紀；由于修枝強度不足、修枝時間太晚和樹種選擇錯誤等原因，當時人們低估修枝的價值。Nylinder[53]研究表明，修枝是一項效果較好的撫育措施。修枝的關鍵在于修剪樹木主干的一級分枝，至少去除自樹干基部向上3 m 內的所有枝條，并在樹木胸徑達到15 cm前完成[54]。

2.2.1 對木材外觀質量的影響

修枝通過減少分枝直徑，加快主干生長速度，縮短分枝閉合時間[55]，減少木材上的節疤，提高木材單板質量。任世奇等[56]對1年生尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）進行持續2年修枝試驗，發現重度修枝（去除活枝冠層1/2 下層枝條）顯著提高單板質量等級，增加活節，減少死節；楊中寧等[57]研究表明在同一樹種試驗中，一級板和二級板的比例隨修枝強度增加而增大；Braz 等[58]對鄧恩桉（Eucalyptusdunnii）、巨桉（Eucalyptusgrandis）和柳桉（Eucalyptussaligna）進行修枝試驗，發現修枝降低多節芯材數量，減少活節和死節數量，對鄧恩桉的效果最佳；劉球[59]對3 和9年生托里桉（Eucalyptustorelliana）進行1年修枝，發現修枝改善了9年生托里桉單板綜合外觀等級，但對3年生托里桉的影響不明顯。剪刀修枝相比于鋸子修枝，木材變色程度較低[60]。合理的修枝略微加深木板變色程度，顯著降低節子數量[61]。Stener 等[62]對白樺（Betulaplatyphylla）的研究發現，修枝主要提高木節外部無缺陷的木材產量，對木節內部的變色、節疤和腐爛等大多數木材缺陷沒有顯著影響。

修枝對傷口愈合時間和病腐率也有顯著影響。相較于自然折斷，人工修枝使得傷口愈合時間更短，傷口病腐率更低[63-64]。修枝能增加剩余枝條的直徑，促進主干和剩余分枝生長，縮短樹冠閉合時間[55]。

2.2.2 對木材密度和力學性質的影響

修枝對部分樹種木材物理力學性能產生顯著影響。修枝能促進晚材和管胞長度增加，提前終止幼齡木形成[40，44]。在任世奇等[65]試驗中，修枝降低大花序桉（Eucalyptuscloeziana）木材基本密度，顯著降低心材密度，但對邊材密度無影響。對于其他人工林而言，杉木（Cunninghamialanceolata）在高林分密度下（1 800 株/hm2）修剪以及福建柏（Fokieniahodginsii）通過高強度的修剪（枝下高占樹高50%以上）后，木材物理力學性能均會減弱[66-67]；修枝使華北落葉松（Larixprincipis-rupprechtii）的木材密度降低，對楊樹（PopulusL.）的木材密度無顯著影響[68-69]。Antonov 等[70]采用兩種修枝方法（a：保留5～6 個上部活枝簇修剪50%～60%，b：修枝高度7 m）對歐洲云杉（Piceaabies）進行修剪，發現a 方法增加木材密度，b 方法提高木材抗壓強度和沖擊韌性，兩種方法修枝的木材在修剪60年后依然具有良好的物理力學性能和聲學特性。木材物理力學性能也隨修枝強度變化而變化。Wang 等[40]對臺灣杉（Taiwania cryptomerioides）的修枝試驗表明，中度修枝（修剪根部向上至樹高3.6 m）能提高木材彈性模量和平均氣干密度，重度修枝（修剪根部向上至樹高4.5 m）的結果相反。

木材密度作為衡量木材質量的綜合指標，與木材物理力學性能密切相關。將適宜強度的活枝修剪與降低林分密度的合理間伐相結合，能培育出具有高物理力學性能的木材。已有研究證明，針葉樹木材密度的降低主要受分枝增加的影響[71]。目前，缺乏修枝對不同桉屬（Eucalyptus）樹種木材密度和力學性能影響規律的研究。提升桉屬木材物理力學性能對于拓展木材應用范圍和降低加工成本有推動作用。在后續研究中，可重點總結相關內容，為修枝作業提供更系統的參考。

2.3 間伐和修枝對木材質量其他特性的影響

2.3.1 間伐對木材微纖絲角和纖維形態的影響

微纖絲角是木材細胞次生壁中層微纖絲布列方向與細胞主軸所形成的夾角，是影響木材力學性能的主要因素之一[71]。微纖絲角較小時，木材表現出較高的抗拉強度；微纖絲角較大時，木材表現出更強的伸縮性[71]。根據木材形成的激素控制學說[72]，間伐和修枝可通過影響樹冠率，改變樹木實際光合面積，影響激素的合成與運輸，影響細胞分裂和加厚程度，引起微纖絲角的變化，導致木材彈性模量發生變化。Kantavichai 等[73]研究發現，間伐后，木材的彈性模量增加10%，可能是由于林分密度降低和微纖絲角增大。Herman 等[74]研究發現，木材生長速率顯著影響歐洲云杉生長輪內和輪間微纖絲角。因此，均勻間伐與不間伐對照林分的木材生長速率差異可能導致木材彈性模量產生差異。Vincent 等[37]的黑云杉試驗中，雖然木材彈性模量受間伐的影響不顯著，但不間伐的黑云杉林木材彈性模量變異程度大于間伐林。林分間伐通過降低林分密度、促進林分木材生長速率、增大微纖絲角等方式，使木材彈性模量增強，保持林分木材總體結構的穩定。

纖維形態與木材物理力學性能和加工利用密切相關，對木材干縮性狀也有影響。纖維形態特征與紙漿材質量呈顯著相關。隨林木冠幅發育，早期對桉樹林的間伐可能使幼齡木比例增加，使纖維長度降低；延緩第一次間伐的時間，有助于平衡林木生長和木材材質間的關系[75]。Trevisan 等[76]對18年生巨桉進行試驗，發現間伐影響木材纖維長度；隨間伐強度增加，纖維長度沒有明顯的變化規律。Malan 等[77]對巨桉研究表明，纖維長度不受間伐影響。張華林等[78]測量和分析2 種桉樹無性系在不同林分密度下的纖維形態特征，發現林分密度顯著影響纖維寬度和長寬比；郭明輝[79]對水曲柳（Fraxinus mandshurica）木材纖維形態研究表明，纖維長度隨間伐強度增加而增加；間伐降低了大青楊（Populus ussuriensis）[12]和濕地松[80]的纖維直徑和長度。

間伐和修枝等撫育措施可能會影響微纖絲角、纖維形態等木材特性。撫育間伐和修枝對桉樹人工林木材微纖絲角和纖維形態的影響仍需要進一步研究。

2.3.2 間伐和修枝對木材化學性質的影響

木材的化學組分主要由木質素、纖維素和半纖維素構成。木材的化學性質基本取決于微觀上不同成分的結構和含量變化，是不同化學成分的整體呈現。木材的易燃性、吸水性等化學特性與木材細胞和胞間物質的結構密切相關[81]。Zanuncio 等[82]對尾巨桉進行2年多的試驗，發現50%間伐強度顯著提升木質素和抽提物含量，20%和50%間伐強度下木材碳水化合物含量低于35%間伐強度和對照。赫玲等[83]對濕地松進行間伐，發現隨間伐強度增加，綜合纖維素含量顯著降低，但間伐對苯醇抽提物和質量濃度1%NAOH 抽提物含量沒有顯著影響。趙輝[68]在華北落葉松修枝試驗中發現，節子中纖維素和多項抽提物含量均顯著大于心材和邊材，說明化學物質在節子中富集，導致其分布不均勻，可能對木材加工利用造成不利影響。通過減少節子數量，修枝能有效改善木材內部化學物質的分布，提高木材質量。

3 結論與展望

間伐加大樹木間距，林木易受風力刺激形成應壓木，林木高速生長需要大量薄壁細胞運輸水分和養分，兩種作用連同其他因素共同影響晚材率。木材干縮是決定木制品結構穩定的關鍵因素之一，受木材微纖絲角、纖維形態和木質素含量等影響。通過改變林木冠幅和生長率影響微纖絲角、纖維長度和木材干縮濕脹及其影響要素對修枝的響應尚待深入探究。木材密度與內部木材質量因子和外部環境因子密切相關，是木材物理力學性質中最重要、最綜合的指標。間伐與修枝降低林內養分競爭，提高光利用率，改變心材占比和晚材率，影響木材物理力學性質?？茖W間伐和修枝能顯著改善木材物理力學性能，降低林分經營加工成本，增大木材商品利潤，適當修枝還能顯著改善木材外觀質量，降低質量缺陷。目前，間伐和修枝對木材質量的影響機制仍需進行深入研究，包括間伐和修枝引起的風荷載、內源激素和微觀結構的變化，以及這些變化對木材的力學性質、干縮特性和外觀質量的影響。深入了解撫育間伐和修枝對人工林木材質量的影響，對當下人工林可持續經營和利用有重要意義。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：張士韜負責文獻檢索與論文撰寫；陳少雄、歐陽林男和楊嘉麒負責論文指導與修改。