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杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)是我国南方主要造林树种。第九次全国森林资源清查结果显示,我国杉木人工林面积达到9.90 × 106hm2,蓄积量达7.55亿m3,分别占全国主要优势人工林树种的1/4及1/3[1]。然而,由于当前杉木人工林存在过纯、过密等,导致林分结构单一、林地生产力下降和林分结构不稳定[2-3]。同时,随着社会经济的发展,人们对杉木的木材结构需求发生了变化,逐渐由小径材转为大径材。因此,杉木纯林不能满足人们的需求,甚至影响到社会经济的可持续发展[4]。此外,有研究表明,营建混交林可以改善林内空间结构,增加林内光照的同时减少林内竞争[5],有利于林木生长和提高生物多样性[6],提高森林的经济和生态效益。因此,如何通过调整优化林分结构,提升杉木人工林的质量已成为亟待解决的问题。
在营造异龄复层混交林的研究上,国外主要集中在阔叶树种[7-10],而国内重点是针叶树种。已有研究表明,间伐套种处理改变了林分密度以及生长空间,降低了林木竞争,有利于林分生长、林分生物量和生长力增加[11-13]。李婷婷[14]对杉木人工林进行间伐补植改造,发现林下补植阔叶树种可以显著提高林木单木材积和林分蓄积的年生长量,并且大叶栎、红椎、格木、灰木莲适合与杉木进行混交种植。孙冬婧等[15]在对红椎、米老排、大叶栎、润楠与杉木混交林的生长与生态效应研究中得出,混交林有利于林分生长,并形成丰富的物种多样性,无论在经济方面还是生态方面都比杉木纯林更加优化。欧建德[16]研究了福建南方红豆杉林下套种模式对人工林生长的影响,结果表明:林下套种后,林分冠幅显著大于纯林模式。陈莹莹[17]以福寿林场杉木人工中龄林为研究对象,通过在林下补植阔叶树,将杉木纯林改造为异龄针阔混交林,发现杉木的高径比、胸高形数和枝下高均随间伐强度的增强而减小。
目前,国内外对间伐补植经营的研究大多集中在间伐强度对林分结构和生长、生物多样性和林地土壤养分的影响等方面[18-21],而对杉木人工林“间伐 + 冠下套种”后的杉木生长、干形形质特性和材种结构的量化评价不足。因此,本研究以安徽省青阳县杉木人工林为研究对象,调查林木的生长性状、空间利用能力、林分产量,通过主成分分析法综合评价“间伐 + 套种”对杉木林分质量的提升效果,为杉木人工林质量精准提升提供科学依据。
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2017年底,选取立地条件相近的杉木人工林地段,根据伐除木的数量设计47%(Ⅰ处理)、56%(Ⅱ处理)和65%(Ⅲ处理)3个间伐强度并设置样地。样地按照随机区组设计,Ⅰ处理、Ⅱ处理、Ⅲ处理、CK处理各设置20 m × 20 m的样地3个,同时Ⅰ处理和Ⅱ处理各增加1块对照样地,共计14块样地;为避免边界效应,实际间伐作业面积为30 m × 30 m。2018年初,在间伐处理后的样地中,用浙江楠(Phoebe chekiangensis C. B. Shang)和檫木(Sassafras tzumu(Hemsl.)Hemsl)1年生苗进行冠下套种,随机均匀排列种植,株行距为4 m × 5 m,2树种种植密度均为225株·hm−2。样地基本情况见表1。
处理
Treatment杉木保留密度
The retained density/
(tree·hm−2)套种株数
The interplanting/
(tree·hm−2)坡向
Aspect坡度
Slope/(°)杉木平均胸径(2018)
Average DBH
(2018)/cm杉木平均树高(2018)
Average tree height
(2018)/mCK(对照组) 1 740 0 东南 15-20 13.1 10.7 Ⅰ(47%间伐 + 套种) 1 050 450 东南 15~20 15.1 11.4 Ⅱ(56%间伐 + 套种) 825 450 东 15~20 15.6 11.8 Ⅲ(65%间伐 + 套种) 675 450 东 15~20 17.2 12.8 Table 1. General situation of sample plots
分别在间伐套种第0年(2018年)、第2年(2020年)、第4年(2022年)对样地进行调查,对各样地的林木进行每木检尺,使用胸径尺测量杉木胸径和套种树种的地径,使用激光测高仪测量林木树高与枝下高,使用皮尺测量林木树冠的南北冠幅和东西冠幅,使用2022年的每木调查数据对林分生长进行统计分析。
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(1)林木生长形质性状 采用胸径、树高、胸高形数、高径比、枝下高指标衡量杉木的生长形质性状。
(2)空间利用能力 空间利用能力从林木二维树冠和三维树冠两方面进行描述,二维树冠用冠幅、冠长、冠长率、冠形率来表示,三维树冠通过树冠表面积、树冠体积来表达。
(3)林分产量 林分产量从杉木单木材积、林分蓄积和材种结构3方面进行描述,材种结构用小条木、小径材、中径材、大径材出材率和用材、薪材、废材出材率来表示。
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应用SPSS27.0中的单因素方差分析法对不同处理下杉木林分特征的差异进行分析,利用主成分分析法进行综合评价,步骤为[22]:
首先,将n种间伐套种处理的m项指标组成数据矩阵X。
式中:Xij为第i种间伐套种处理的第j项指标的实测值。
其次,利用SPSS或Excel软件将数据标准化,Excel软件计算公式如下:
正向指标标准化:
逆向指标标准化:
式中:
$ {X}_{ij}^{*} $ 为Xij的标准化数据;$\overline {{X}_{j}}$ 为第j项指标的平均值。利用KMO检验法和Bartlett球体检验法对标准化处理后的数据进行适用性检验, KMO数值≥0.60且Sig数值<0.05,表明各指标间关联程度较高,可以进行主成分分析。
选取主成分的特征值>1且方差累计贡献率>90%的前k个主成分,建立主成分与标准化指标间的关系,公式为:
式中:Yp为第p个主成分;bpm为第p个主成分的因子载荷。
用第p个主成分的方差贡献率和所选取的k个主成分的方差总贡献率的比值表示各个主成分的权重,将各个主成分的权重与k个主成分相结合,得到综合评价函数Y。Y的得分越高,则表明该间伐套种处理对杉木人工林的改造效果越好。公式如下:
式中:Y为不同间伐套种处理的综合得分;λp为第p个主成分的方差贡献率。
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由图1可知,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理的胸径、树高均显著大于CK(P<0.05),与CK相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理的胸径分别增长了19.02%、30.01%、32.07%;树高则分别增长了10.40%、14.81%、21.60%。
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由图2可知,CK的高径比、胸高形数、枝下高均显著大于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理(P<0.05)。其中,Ⅱ处理的高径比最小,为0.73;Ⅲ处理的胸高形数最小,为0.52,显著低于Ⅰ处理;Ⅰ处理的枝下高最小,为3.85 m,显著低于Ⅱ与Ⅲ处理(P<0.05),Ⅱ与Ⅲ处理间的枝下高差异不显著。
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对4个处理杉木的树冠结构进行分析(表2),发现与CK相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理的冠幅增长率分别为12.16%、31.00%、21.27%(P<0.05),其中Ⅱ处理的冠幅增长最快;冠长增长率依次为58.05%、55.58%、61.24%,Ⅲ处理的冠长增长最快(P<0.05)。
处理
Treatment冠幅
Crown width/m冠长
Crown length/m冠长率
Crown ratio冠形率
Crown shapeCK 3.29 ± 0.80 D 5.65 ± 2.17 B 0.50 ± 0.17 C 1.78 ± 0.72 C Ⅰ 3.69 ± 0.85 C 8.93 ± 2.13 A 0.70 ± 0.13 A 2.58 ± 0.94 A Ⅱ 4.31 ± 0.63 B 8.79 ± 2.24 A 0.65 ± 0.13 B 2.07 ± 0.55 B Ⅲ 3.99 ± 0.67 A 9.11 ± 1.81 A 0.66 ± 0.11 B 2.35 ± 0.61 A 注:不同大写字母表示相同时间下不同间伐套种处理之间具有显著性差异(P<0.05)。
Note: Different capital letters indicate significant differences between different thinning and interplanting treatments at the same time (P<0.05).Table 2. Growth changes of crown of different treatments
为充分反映不同间伐套种处理下杉木的树势和树冠立体状态的水平,对杉木的冠长率和冠形率进行了研究(表2)。间伐与阔叶树套种处理显著提高了冠长率与冠形率,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理的冠长率分别比CK增加了40.00%、30.00%、32.00%(P<0.05),Ⅱ与Ⅲ处理间的冠长率差异不显著;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理的冠形率显著高于CK(P<0.05),Ⅰ与Ⅲ处理间的冠形率差异不显著。
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由表3可知,树冠表面积和树冠体积均随着试验处理强度的增强而先增大后减小。Ⅱ处理的值均最大,分别为61.99 m2、43.95 m3,其次依次为Ⅲ处理、Ⅰ处理、CK。其中,CK与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理间的树冠表面积存在显著性差异,Ⅰ与Ⅱ处理间的树冠表面积差异显著(P<0.05);杉木人工林单木树冠体积在各处理间呈现显著性差异。杉木树冠表面积和树冠体积的变异系数表现为:CK>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ,可见 CK 中单木树冠表面积、树冠体积分化程度较大,而间伐与阔叶树套种处理可以降低树冠表面积和树冠体积的分化程度。
处理
Treatment树冠表面积均值
Average canopy surface
area/m2树冠表面积变异系数
Coefficients of variation for
canopy surface area/%树冠体积均值
Average canopy
volume/m3树冠体积变异系数
Coefficients of variation for
canopy volume/%CK 31.65C ± 15.73 49.70 17.82D ± 12.46 69.92 Ⅰ 52.91B ± 17.59 33.25 32.92C ± 17.09 51.91 Ⅱ 61.99A ± 18.74 30.23 43.95A ± 18.09 41.16 Ⅲ 58.94AB ± 15.71 26.65 39.15B ± 14.98 38.26 注:不同大写字母表示相同时间下不同间伐套种处理之间具有显著性差异(P<0.05)。
Note: Different capital letters indicate significant differences between different thinning and interplanting treatments at the same time (P<0.05).Table 3. Growth changes of three-dimensional canopy of different treatments
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由表4可知,随着试验处理强度的增强,杉木的单木材积呈现逐渐增长的趋势,杉木的林分蓄积则呈现逐渐下降的趋势。Ⅲ处理的单木材积最大,为0.22 m3;其次为Ⅱ处理,为0.21 m3;CK最小,为0.12 m3。杉木的林分蓄积则表现为CK>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ,与CK相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理的林分蓄积分别下降了27.50%、28.15%、36.94%(P<0.05)。
指标
Index处理CK
Treatment CK处理Ⅰ
Treatment Ⅰ处理Ⅱ
Treatment Ⅱ处理Ⅲ
Treatment Ⅲ单木材积 Single tree volume/m3 0.12 ± 0.08 C 0.18 ± 0.10 B 0.21 ± 0.09 AB 0.22 ± 0.10 A 林分蓄积 Stand volume/(m3·hm−2) 226.12 ± 37.11 A 163.94 ± 22.84 BC 162.47 ± 33.27 C 142.58 ± 18.26 D 注:不同大写字母表示相同时间下不同间伐套种处理之间具有显著性差异(P<0.05)。
Note: Different capital letters indicate significant differences between different thinning and interplanting treatments at the same time (P<0.05).Table 4. Growth changes of single tree and stand volume of fir plantation after thinning and interplanting
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由图3可知,随着试验处理强度的增强,林分的薪材、废材出材量以及总出材量逐渐减小,用材出材量则呈现先减少后增加再减少的趋势,并且CK的值均最大,Ⅲ处理的值均最小。
由图4可知,间伐套种处理降低了杉木林分内小条木、小径材的出材量,而中径材和大径材的出材量则在不同间伐套种处理下呈现不同的变化规律。其中,Ⅱ处理的中径材出材量最大,为80.87 m3·hm−2,Ⅰ处理的中径材出材量最小,为61.33 m3·hm−2;大径材出材量则表现为Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>CK。
对杉木用材、薪材、废材出材率的分析表明(表5),间伐与阔叶树套种处理可以提高杉木用材出材率,降低薪材和废材出材率。间伐套种处理后,杉木用材出材率表现为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>CK,薪材和废材出材率则表现为CK>Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。其中,Ⅱ与Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ处理间用材和薪材出材率差异不显著,Ⅱ与Ⅲ处理间废材出材率差异不显著。
处理
Treatment小条木
Small strips
of wood小径材
Small diameter
wood中径材
Medium diameter
wood大径材
Large diameter
wood用材
Materials薪材
Firewood废材
Waste woodCK 10.64 ± 19.05 A 42.87 ± 30.23 A 17.57 ± 29.38 C 0.73 ± 5.51 B 71.80 ± 6.85 C 6.66 ± 6.84 A 21.54 ± 1.93 A Ⅰ 4.23 ± 12.41 B 35.15 ± 32.08 B 29.16 ± 33.48 B 6.36 ± 20.05 A 74.90 ± 4.05 B 4.23 ± 2.82 BC 20.87 ± 1.29 C Ⅱ 1.24 ± 7.77 B 26.77 ± 33.55 BC 42.63 ± 34.42 A 5.53 ± 16.05 A 76.16 ± 4.05 AB 3.44 ± 4.00 CD 20.40 ± 0.73 BD Ⅲ 0.97 ± 6.92 B 25.09 ± 31.26 C 42.58 ± 32.99 A 8.02 ± 20.71 A 76.66 ± 2.68 A 3.03 ± 1.95 D 20.31 ± 1.68 B 注:不同大写字母表示相同时间下不同间伐套种处理之间具有显著性差异(P<0.05)。
Note: Different capital letters indicate significant differences between different thinning and interplanting treatments at the same time (P<0.05).Table 5. The timber assortments timber-produced rate after thinning and interplanting
间伐与阔叶树套种处理对各材种出材率的影响不同,其中,小条木、小径材的出材率呈下降趋势,与CK相比,Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ处理的小条木出材率分别降低了60.24%、88.35%、90.88%(P<0.05);中径材和大径材出材率则均呈升高趋势,间伐套种处理林分的中径材和大径材出材率显著高于未处理林分(P<0.05)。
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为了消除各指标间单位和量纲的影响,对各指标(X1:胸径、X2:树高、X3:枝下高、X4:高径比、X5:胸高形数、X6:冠幅、X7:冠长率、X8:冠形率、X9:树冠表面积、X10:树冠体积、X11:小条木出材率、X12:小径材出材率、X13:中径材出材率、X14:大径材出材率、X15:薪材出材率、X16:废材出材率、X17:用材出材率、X18:单木材积、X19:林分蓄积)进行了标准化处理,并对标准化处理后的数据进行适用性检验,发现KMO数值为0.612,Sig数值为0.00,各指标间关联程度较高,可以进行主成分分析。
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由表6可知,前6个主成分的累计贡献率高达91.228%,并且各主成分的特征值均大于1,说明这6个主成分可代表上述的19个指标。因此,提取这6个主成分,分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。
成分
Composition初始特征值
Initial eigenvalue提取载荷平方和
Extract the sum of squares and load it总计
Total方差百分比
% of variance/%累积百分比
Accumulate/%总计
Total方差百分比
% of variance/%累积百分比
Accumulate/%1 8.831 46.479 46.479 8.831 46.479 46.479 2 3.110 16.370 62.849 3.110 16.370 62.849 3 1.791 9.428 72.276 1.791 9.428 72.276 4 1.342 7.065 79.341 1.342 7.065 79.341 5 1.199 6.311 85.652 1.199 6.311 85.652 6 1.059 5.576 91.228 1.059 5.576 91.228 Table 6. Extraction results of principal compositions
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由表7可知:在第一主成分的特征向量中,胸径、树高、胸高形数、单木材积的特征向量值较高。在第二成分的特征向量中,枝下高和冠长率的特征向量值较高;在第三主成分的特征向量中,小条木出材率和小径材出材率的特征向量值较高;在第四主成分的特征向量中,冠幅和冠形率的特征向量值较高;在第五主成分的特征向量中,大径材出材率、薪材出材率和废材出材率的特征向量值较高;在第六主成分的特征向量中,中径材出材率和大径材出材率的特征向量值较高。
指标
Index成分 Composition Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 X1 0.960 −0.147 0.125 0.136 0.095 −0.006 X2 0.890 −0.107 −0.201 0.135 0.044 −0.042 X3 0.091 −0.947 0.029 −0.011 0.013 0.009 X4 −0.663 0.204 −0.305 −0.022 −0.004 0.020 X5 −0.919 0.172 0.209 −0.135 0.009 0.039 X6 0.722 −0.008 0.103 −0.594 −0.120 0.189 X7 0.313 0.910 −0.140 0.078 −0.002 −0.044 X8 0.205 0.690 −0.302 0.562 0.101 −0.193 X9 0.826 0.459 −0.024 −0.226 −0.028 0.086 X10 0.801 0.376 0.063 −0.334 −0.042 0.135 X11 −0.709 0.296 0.520 0.106 −0.177 0.202 X12 −0.372 −0.180 −0.862 −0.162 0.046 0.168 X13 0.703 −0.021 0.432 0.029 −0.232 −0.503 X14 0.397 0.012 0.242 0.275 0.526 0.644 X15 −0.698 0.211 0.214 −0.278 0.530 −0.223 X16 −0.618 0.142 0.192 0.242 −0.592 0.371 X17 0.833 −0.239 −0.256 0.196 −0.338 0.109 X18 0.922 −0.069 0.231 0.178 0.189 0.077 X19 −0.362 −0.453 0.103 0.358 0.126 −0.120 Table 7. Principal component characteristic values and load results
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由表8可知,各处理的综合得分排名由高到低依次为:Ⅲ处理(1.186)、Ⅱ处理(1.092)、Ⅰ处理(0.671)和CK(−0.709)。其中,Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ处理的综合得分均大于0,林分生长均优于林分平均水平;CK的综合得分小于0,林分生长低于林分平均水平。
处理
Treatment主成分
Principal component综合得分
Comprehensive score排名
RankingY1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 CK −1.322 −0.658 0.063 0.143 0.008 −0.067 −0.709 4 Ⅰ 1.050 1.181 −0.309 0.161 0.046 0.084 0.671 3 Ⅱ 2.191 0.650 0.136 −0.632 −0.108 0.105 1.092 2 Ⅲ 2.308 0.745 −0.036 −0.159 0.028 0.079 1.186 1 Table 8. Principal component score and comprehensive score
Effects of Thinning and Interplanting on the Tree Growth, Stem-form Quality and Timber Structure of Cunninghamia lanceolata
- Received Date: 2023-04-12
- Accepted Date: 2023-05-15
- Available Online: 2023-12-20
Abstract: