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木麻黄(Casuarina equisetifolia Forst.)是我国最成功的外引树种之一,已成为我国华南和东南沿海地区重要的生态防护林和用材林树种,对防台风危害、防海浪侵蚀和对贫瘠干旱的沿海沙地上的植被恢复起到不可替代的作用[1]。海南省约有5万hm2的木麻黄人工林[2],除沿海岸线的基干防护林带外,其余木麻黄人工林均为用材林,其木材主要用于生产木片、旋切板及建筑用材等。在海南,木麻黄绝大部分采用无性系造林,其轮伐期主要凭经验确定,一般为7~10 a。对于以经济效益为主要目的的速生用材林树种,确定合适的轮伐期,可以减少因过早或过迟砍伐造成的经济损失或浪费,提高土地使用效率。国内外关于桉树(Eucalyptus L’Hérit)、杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)、大叶杨(Populus lasiocarpa Oliv.)等主要造林树种轮伐期的研究较多,热带速生树种杂种尾巨桉(E. urophylla×E. grandis)在广西地区的最佳轮伐期被定为5~7 a[3]。在中国亚热带地区,杉木的合理轮伐期在不同的整地条件上差异很大,控制火烧整地的轮伐期是15 a,砍除杂草整地的轮伐期是25 a,而自然林的轮伐期甚至>100 a[4]。纸浆材用途杨树的合
理采伐年龄被建议为7 a[5],但培养大中径材的合理采伐龄要达到12~14 a[6]。叶功富等[7]研究了福建沿海地区实生木麻黄防护林带或片林的生长发育规律,将其生长发育过程划分为幼林、速生、干材、成熟和过熟5个阶段,造林25 a时达到数量成熟;但国内外尚无关于木麻黄无性系轮伐期方面的研究报道。数量成熟龄指林分或林木的材积平均生长量达到最大值时对应的年龄,或平均生长量与连年生长量相等的年龄,是确定林木轮伐期的重要指标之一[8]。本研究通过分析海南木麻黄无性系在3个试验点的生长规律,探讨木麻黄无性系的数量成熟龄,为海南地区木麻黄无性系最佳轮伐期的确定提供理论支持。
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2003年9月在海南东部、北部和西部3个试验点建立木麻黄无性系测定林,各试验地概况见表 1,参试无性系45~50个。本研究从中选取17号、34号、7号和10号4个无性系进行分析[9],其选择依据为,入选无性系在这3个试验点均具有较高的保存率,且生长表现较一致,分别代表了3个试验点参试无性系中优良和中等两个生长表现水平。
试验点
Trial site地点
Location纬度(N)
Latitude经度(E)
Longitude海拔
Altitude/m年均气温
Temperature/℃年均降水量
Rainfall/mm土壤pH值
pH value土壤类型
Soil type海南东部
East of Hainan文昌市迈号镇
Maihao town, Wenchang city19°30′ 110°47′ 38 23.8 1 721.6 5.4 滨海沙土
Coastal sandy soil海南北部
North of Hainan海口市岛东林场
Daodong Forest Farm, Haikou19°59′ 110° 41′ 30 23.8 2 022 5.9 滨海沙土
Coastal sandy soil海南西部
West of Hainan东方市四更镇
Sigeng town, Dongfang city19°13′ 108° 40′ 12 24.5 1 150 5.7 滨海沙土
Coastal sandy soilTable 1. Summarized information of 3 trial sites for casuarina clones field testing
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无性系测定林于2003年9月台风雨季时营建,3个试验点均采用随机区组设计,4次重复。文昌试验点采用4株×5行小区,每小区20株,株行距2 m×3 m;岛东试验点和东方试验点均采用8株×2行小区,每小区16株,株行距1.5 m×3 m。造林时不施基肥,造林后第2年每株追施NPK复合肥100 g。
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2004年10月开始,每年对无性系测定林进行生长观测,截止2014年试验林被强台风“威马逊”破坏,共获得了10 a的观测数据。观测指标主要包括树高(H,m)和胸径(DBH,cm),通过树高和胸径计算单株材积(V,m3·株-1)、单位面积材积(m3·hm-2)及材积年平均生长量(m3·hm-2)和材积连年生长量(m3·hm-2)。
单株材积计算公式为:
V=3.141 592 6×DBH2×H/120 000[10]
材积年平均生长量=单位面积材积/生长年龄
材积连年生长量=当年单位面积材积-上1年单位面积材积
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选用Logistic模型[11]、Richards模型[12-13]和Gompertz模型[14]3个常用模型,应用软件ForStat[15]分别对木麻黄无性系每年材积观测值的生长曲线进行拟合,从中筛选出拟合效果最佳的模型,进一步利用最佳模型分别对木麻黄4个无性系和3个试验点的材积生长曲线进行拟合,获得各生长曲线的特征值。3种生长曲线的基本模型分别为:
Logistic 模型:
Richards模型:
Gompertz模型:
式中:y为材积(m3·hm-2),K为相应的理论最大值(m3·hm-2),a、b为模型的生长参数(b为相对增长速率,a为系数),e ≈ 2.718 28(常数),t为材积生长的年龄; (2)式中的m与方程的曲线形状有关,决定了曲线拐点的位置,在生物学意义上与树木的同化作用相关[13]。
1.1. 试验材料
1.2. 试验设计与造林措施
1.3. 生长观测
1.4. 材积生长模型的拟合
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由图 1可知:3个试验点中,4个木麻黄无性系的树高快速生长期均在造林后1~6 a间,特别是第2年(文昌试验点和岛东试验点)或第3年(东方试验点)处于高速生长阶段,其后的连年生长量逐渐降低,在第6年后生长速度明显降低,树高进入缓慢生长的平台期。
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由图 2可知:3个试验点中,4个木麻黄无性系胸径的快速生长期均在造林后1~6 a间,和树高的基本一致,特别是造林后第2年,文昌试验点和岛东试验点的胸径都处于连年生长量的最高点,但东方试验点的连年生长量最高点出现在造林后第5年,第6年后3个试验点各无性系的胸径连年生长曲线较平缓,进入缓慢生长期。
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由图 3~5可知:3个试验点中,4个无性系材积的增加都呈现“慢-快-慢”的S型增长规律,均在造林后1~3 a内材积的增长相对缓慢,在4~7 a内进入材积高速增长期,但在第8年后材积增长速度变缓。此外,3个试验点的木麻黄无性系在4~6 a达到材积连年生长量的最大值,其特点是相同地区(试验点)的不同无性系间差异不大,而不同地区间差异较大,如文昌试验点中4个无性系的材积连年生长量最早达到最大值,无性系17和7在第4年材积连年生长量便达到最大值;但在东方试验点中,无性系的最大材积连年生长量比文昌试验点的晚,4个无性系均在第6年材积连年生长量达到最大值;岛东试验点介于文昌和东方试验点之间,一般在5~6 a材积连年生长量达到最大值。
Figure 3. Mean annual increment and current annual increment curves of volume of 4 clones in Wenchang trial site
Figure 4. Mean annual increment and current annual increment curves of volume of 4 clones in Daodong trial site
Figure 5. Mean annual increment and current annual increment curves of volume of 4 clones in Dongfang trial site
图 3~5表明:3个试验点木麻黄无性系的数量成熟龄一般介于6~9 a间,如文昌试验点4个无性系的数量成熟龄分别是7、6、6、8 a,岛东试验点4个无性系的数量成熟龄分别是7、7、6、6 a,东方试验点4个无性系的数量成熟龄分别是7、7、8、10 a。
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利用ForStat软件,采用3种生长模型对海南3个试验点中4个无性系的每年材积观测多点均值进行生长曲线拟合,拟合结果(表 2)表明:Richards模型的线性回归相关系数是0.998(F<0.001),达极显著相关,且其理论最大值K值为156.16 m3·hm-2, 其余2个模型拟合效果较差,其中,Gompertz模型还呈负相关。因此,选择Richards模型作为木麻黄无性系材积的生长模型,由此建立的木麻黄无性系材积生长曲线Richards模型为:
生长模型
Growth model相关系数
Correlation coefficentK /(m3·hm-2) a b m ]Logistic 0.477 91.34 422.56 1.99 Richards 0.998 156.16 5.25 0.41 0.372 Gompertz -0.946 133.79 10.49 0.57 Table 2. Fitted results of 3 growth models on casuarina clone volume growth
y = 156.16 ×( 1 - 5.25e -0.41t)1.59
利用公式2,进一步对木麻黄3个试验点的材积生长曲线分别进行拟合,得到3个试验点和多点均值的材积模型参数(表 3),然后利用各试验点的Richards模型参数求1阶、2阶和3阶导数,得到各试验点和多点均值的材积生长特征值(表 3),包括材积快速增长期起始时间(t1)、材积快速增长期终止时间(t2)、材积最大相对生长速率(Vm)及其出现时间(tm)。
试验点
Trial site相关系数
Correlation coefficent模型参数Model parameters 材积生长特征值characteristic value of volume growth K /(m3·hm-2) a b m t1/a t2/a Vm/(m3·hm-2) tm/a 文昌试验点Wenchang 0.996 151.84 9.09 0.61 0.42 4.88 8.34 25.05 6.78 岛东试验点Daodong 0.997 160.29 5.25 0.48 0.34 4.95 8.41 26.45 6.65 东方试验点Dongfang 0.993 157.70 4.19 0.25 0.47 5.67 9.66 22.87 8.73 多点均值Overall 0.998 156.16 5.25 0.41 0.37 4.91 8.37 25.77 6.91 Table 3. Richards model parameters of 3 sites and their characteristic value of volume growth
根据表 3获得的各试验点和多点均值的材积生长特征值可看出:3个试验点中,文昌和岛东试验点的木麻黄无性系材积快速增长的起始期、终止期、最大相对生长速率期和最大材积增长速率都很接近,而东方试验点的材积快速增长的起始期、终止期、最大相对生长速率期都比前2个试验点慢,且最大材积增长速率显著小于前2个试验点。利用3个试验点的均值数据拟合的材积生长Richards总模型获得的材积生长特征值与前2个试验点很接近,但和东方试验点差异较大。