【类型】期刊

【作者】李春义，姚光刚，陈文婧，王小平，查天山（中国林业科学研究院湿地研究所；湿地生态功能与恢复北京市重点实验室；北京林业大学林学院；浙江农林大学暨阳学院；北京林业大学水土保持学院）

【作者单位】中国林业科学研究院湿地研究所；湿地生态功能与恢复北京市重点实验室；北京林业大学林学院；浙江农林大学暨阳学院；北京林业大学水土保持学院

【刊名】林业资源管理

【关键词】 白皮松；树干解析；小陇山；生长量；生长率

【资助项】国家林业局林业公益性行业科研专项

【ISSN号】1002-6622

【页码】P94-99

【年份】2019

【期号】第6期

【期刊卷】1

【摘要】以甘肃小陇山白皮松(Pinus bungeana Zucc.)天然次生林为研究对象,通过树干解析分析其生长指标的生长过程。结果表明:胸径、树高、去皮材积的总生长量的变化均呈现递增趋势。胸径和树高在幼年时期生长较慢,随年龄的增长生长速度先增加后减缓,呈现“慢—快—慢”增长趋势。材积总生长量在0~15 a增长缓慢,15 a后开始增长迅速,到63 a仍保持增长趋势,未结束生长期。白皮松胸径、树高、去皮材积与胸径生长模型均以三次曲线函数为最佳,而“胸径-树高”模型则以幂函数方程拟合为最佳。

【全文】 文献传递

甘肃小陇山白皮松树干解析研究

李春义1,2,姚光刚3,陈文婧4,王小平3,查天山5

(1.中国林业科学研究院湿地研究所,北京 100091；2.湿地生态功能与恢复北京市重点实验室,北京 100091；3.北京林业大学 林学院,北京 100083；4.浙江农林大学 暨阳学院,诸暨 311800；5.北京林业大学 水土保持学院,北京 100083)

摘要：以甘肃小陇山白皮松(Pinus bungeana Zucc.)天然次生林为研究对象,通过树干解析分析其生长指标的生长过程。结果表明：胸径、树高、去皮材积的总生长量的变化均呈现递增趋势。胸径和树高在幼年时期生长较慢,随年龄的增长生长速度先增加后减缓,呈现“慢—快—慢”增长趋势。材积总生长量在0～15 a增长缓慢,15 a后开始增长迅速,到63 a仍保持增长趋势,未结束生长期。白皮松胸径、树高、去皮材积与胸径生长模型均以三次曲线函数为最佳,而“胸径-树高”模型则以幂函数方程拟合为最佳。

关键词：白皮松；树干解析；小陇山；生长量；生长率

树干解析能够准确地分析树木生长过程和生长因子的变化规律,是研究树木生长过程的基本方法,在生产和科研中广泛应用。通过分析林分内单株树木的生长因子,不仅可以了解林木的生长规律,还可以评价林木生长的立地适宜性,从而为树种的经营和管理措施提供参考依据[1-3]。目前,有关林木树干解析的研究在国内外已开展大量工作,一些学者对五角枫、冷杉、落叶松、格木等树种的胸径、树高、冠幅及材积等因子生长规律进行研究[4-9]。另外一些学者探究了不同立地条件下同一树种的生长规律,郭跃东[10]通过在不同立地条件下设置标准地,研究不同立地条件天然华北落叶松单木生长过程；史忠阁等[11]通过在 3 种不同立地条件下白桦天然林内选取标准木进行树干解析,研究不同立地条件下白桦的胸径、树高和材积的生长规律；庄会霞等[12]探究内蒙古大兴安岭地区谷底和山脊的偃松生长规律;许国华等[13]通过对同一立地条件下不同树种的生长规律,结果得出红松具有很强的生长优势,确定为造林的首选树种；王利兵等[14]研究了不同人工林树木个体生长规律及其生物量分布特征,结果表明杨树的林缘树木不论胸径、树高和材积生长量均比林中心的高,而落叶松则相反。还有一些学者通过测算分析了辽东栎、云杉等林分生物量和生产力[15-16]。国外学者对于树干解析的研究则以偏干解析和全干解析并重,Howell 等[17]通过树干解析探究槲寄生在果松条件下树干生长量变化状况以及寄生对树木生长的影响；Qin等[18]通过采用3种模型方法来预估直径分布；还有一些学者结合计算机树干分析程序,分析针叶树种树干径向和纵向生长状况[19]。

白皮松(Pinus bungeana Zucc.)别名白骨松、三针松等,是常绿乔木,东亚唯一的三叶松,是我国特有的乡土树种[20]。白皮松具有较强的抗寒、抗旱、抗盐碱及抗污染等能力,大树可抗-33℃的极低温,是中国北方和西部地区园林绿化与生态工程造林的优良树种[21]。关于白皮松主要开展了白皮松天然林地理分布规律[22]、群落特征及其多样[23]、白皮松种实性状[24-25],而关于白皮松的树干解析研究较少。本文以甘肃小陇山白皮松为研究对象,通过树干解析分析其树木生长规律,以期为小陇山白皮松天然次生林的科学经营和生态服务功能评价提供参考。

1 研究区概况

研究区位于甘肃东部的小陇山国家级自然保护区(33°56′N,106°11′E),保护区总面积为31 938 hm2,白皮松在小陇山林区分布约1 340km2[26],是该地区天然次生林的重要组成部分。该地区地处亚热带湿润气候向暖温带过度,四季分明,为典型的大陆性季风气候。年平均气温12.5℃,年日照时数1 520～2 313h,年太阳福射量491.1～569.0kJ/cm2,无霜期209d,年降水量771 mm,其中5—9月降水占全年的57%,是甘肃省夏季降水量最高的区域之一。土壤主要以棕壤为主,土层较薄,厚度为40～70 cm,质地多为沙壤土至壤土,疏松多孔,呈中性至微酸性。区域内森林茂密,植物种类多样。其植物群落主要是白皮松(Pinus bungeana)、华山松(Pinus armandii)、油松(Pinus tabulacformis)、云杉(Picea asperata)、秦岭冷杉(Abics chensiensis)、侧柏(Platycladus orientalis)、锐齿栎(Qucrcus aliena var.acuteserrata)、栓皮栎(Qucrcus variabilis)等,白皮松占林分内林木数的93%～98%,灌木主要有酸枣(Ziziphus jujube var.spinosa)、榛子(Corylus heterophylla)、胡枝子(Lespedeza bicoclor)等,草本层主要有长芒草(Stipa pungens)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)、艾蒿(Artemisia lavandu laefolia)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)等。

2 研究方法

2.1 解析木获取

根据甘肃省森林资源清查资料与实地踏查情况,分析甘肃小陇山白皮松生长典型分布立地条件后,在小陇山白皮松天然次生林中设置0.1hm2(40m×25m)标准地,调查林分生长情况(表1),实测胸径、树高、冠幅等指标,表明南北方向后,对优势木白皮松进行树干解析。采用孟宪宇[1]树干解析方法对所选取标准木进行树干解析内业工作,以1 m为一个区分段,在每个区分段中央处截取圆盘,包括根颈处以及梢底圆盘,圆盘厚度为4～5cm,共截取16个圆盘,在圆盘非工作面编号。梢头长度为0.96m,梢头底直径为1.37cm。该株白皮松树龄为63a,树高14.96m,根颈处带皮直径为47.44cm,去皮直径为44.94cm,带皮胸径为45.57cm,去皮胸径为43.46cm。对树干进行分段、截取圆盘、测量等步骤得到基本数据,利用SPSS软件进行数据处理,并按单株木材积的中央断面区分段材积公式计算其各个龄阶的材积,根据计算结果绘制各种生长曲线。

2.2 年轮测量

对每个圆盘工作面打磨后,查数圆盘上的年轮个数,用WinDENDROTM(Density2009b.c)图像分析系统(Regent instruments Canada InC.)测量年轮宽度,精度为0.001mm。分别量取各圆盘上东、南、西、北4个方向上各个年轮宽度,并利用图像系统中显示的相对精确的序列作为参考曲线校准,取4个方向平均值的2倍作为当年直径。

2.3 生长模型建立

选择前人树木生长研究中常用的指数方程来拟合胸径、树高、去皮材积总生长量以及“胸径-树高”。采用的方程有线性、二次、三次、幂、Logistic方程等[6,9,12]。用SPSS软件对数据进行回归分析,并根据决定系数、总相对误差和剩余残差平方和等,确定“胸径-树高”及胸径、树高和材积总生长量的最优拟合函数。

3 结果与分析

3.1 树干解析

用内插法算出每龄阶梢头长,算出各龄阶树高,以直径为横坐标,以树高为纵坐标,在各断面高的位置上,按各龄阶直径的大小[1],绘成纵断面图(图1)。该株白皮松胸径处树皮厚度为10.573 mm,树皮较厚,从白皮松树干纵剖面图可以看出其树形比较规则,树干梢头处直径减少的较快,树高大于7.2 m后,树干直径急剧下降,呈现尖削状。

3.2 单木生长模型

对该株白皮松胸径、树高、去皮材积总生长规律进行经验回归模型拟合,结果表明：一元三次曲线函数拟合胸径、树高、去皮材积和年龄之间的关系最优,R2均达到0.99以上(表2),在生产应用中可利用生长指标方程预测白皮松的胸径、树高及去皮材积。张雷等[4]对科尔沁沙地五角枫生长规律研究，黄鑫春[9]对辽东落叶松人工林生长模型的研究也都体现了三次曲线在树木生长规律研究中的优越性。

3.3 生长量分析

1) 由图2可知,白皮松的胸径、树高、去皮材积的总生长量的变化均呈现递增趋势。白皮松胸径和树高在幼年时期生长较慢,随着年龄的增长,呈现先逐渐加快后略微变缓,但仍保持增长的趋势,树木胸径和树高生长呈现“慢—快—慢”增长趋势。该白皮松胸径、树高、材积的连年生长量与平均生长量曲线与日本落叶松、马尾松的树木生长规律均一致[7,27]。

2) 由图2(a)胸径生长量曲线看出,在前15a胸径增长缓慢,年均增长量为0.22 cm/a,在15～40a间胸径年均增长量为0.87cm/a,相对前15a增长了2.95倍,但在40～63a间胸径年均增长量减缓为0.79cm/a。胸径平均生长量在前35a呈现快速增加,在35a后增长趋于缓慢,但在调查前仍保持缓慢增长趋势,即保持在0.69cm/a。而胸径连年生长量呈现先增加再下降趋势,40a时达到最高值为0.91cm/a,而后开始下降,从58a开始始终低于平均生长量,并且呈持续下降趋势,在63a时降至0.55cm/a。

3) 由图2(b)树高生长量曲线看出,在前15a树高年均增长量为0.23m/a,在15～40a间树高年均增长为0.50m/a,相对前15a分别增长1.14倍。在40～63a间胸径年均增长为0.17m/a,相对与15～40a间生长速度有所降低,因此白皮松树高生长也呈现了“慢—快—慢”的生长过程。树高平均生长量在前20a呈增长趋势,在30a左右有上下较小的波动,35a后随着年龄的增加始终保持缓慢下降,最终保持在0.23m/a。树高的连年生长量在前5a快速增加,在20a达到最大值0.30m/a,然后开始下降,在30a时与平均生长量相交,然后保持下降趋势并始终小于平均生长量,在63a时降至0.05m/a。

4) 由图2(c)可以看出,白皮松材积总生长量在前15a增长较缓慢,年均增长量为1.553×10-4m3/a,15a后材积总生长量迅速增长,15～40a材积年均增长为6.994×10-3m3/a,而40～63a年均增长达2.168×10-2m3/a,到63a仍保持增长趋势,并未结束生长期。材积平均生长量和连年生长量曲线始终保持增长趋势,在60a后连年生长量和平均生长量增长速度略有变缓趋势,但图中材积平均生长量并未达到其最大值,并且两条线并未相交,因此可以确定白皮松尚未达到成熟林阶段。

小陇山白皮松胸径、树高、材积的总生长量均随着树龄的增加而增加,到63a仍未结束生长期,尚具有一定的生长空间。白皮松材积总生长量的变化趋势与胸径总生长量变化趋势相同,表明该株白皮松材积和胸径间具有较大的相关性,单木白皮松胸径的变化对其材积生长变化起到重要作用。

3.4 胸径-树高关系

白皮松的树高生长呈现随着胸径的增大而上升趋势(图3),但随着胸径增大,树高增长逐渐变缓。多项式拟合结果线性、二次、三次、幂及Logistic函数的拟合效果都较好,R2均在0.95以上,但幂函数决定系数R2=0.997最大,而且残差平方和最小。另外幂函数在拟合过程中能较好的反应树木生长的生物学意义,因此选择该函数H=1.971D0.537(H表示树高,D表示胸径)作为白皮松“胸径-树高”最优方程。熊斌梅等[3]研究七姊妹山自然保护区黄杉年龄胸径树高的相关性并检验,得出幂函数是描述黄杉树高-胸径关系的最优模型,可以用来估算黄杉年龄、胸径和树高的值。

3.5 生长率和形数

生长率和形数分别表示树木的相对生长速度和树干饱满程度[1]。由图4可知,10 a后胸径、树高和材积的生长率均呈现下降趋势,但在35 a 后三者下降均趋于平缓,胸径和树高的生长率曲线几乎重合,说明以胸径和树高各自的总生长量为参考,它们的生长速度几乎相同,但是胸径生长率始终大于树高生长率。在10～63a间,树高生长率与胸径生长率的比值在0.27～0.61之间,因此白皮松的胸径生长旺盛,而树高生长较胸径慢。材积生长率下降的速度相对较慢,而且始终大于胸径和树高生长率。

树木的材积由胸径、树高、形数共同决定,在整个生长过程中各个龄阶的胸高形数小于1.7,并随着年龄的增长而降低,35a形数基本稳定在0.3说明这株白皮松的干形较为尖削,在35a后趋于稳定。

4 结论

1) 一元三次曲线函数能较好拟合白皮松胸径、树高、去皮材积总生长量和年龄之间的关系,在生产应用中可利用该模型较好地预测白皮松胸径、树高及材积。胸径生长模型：D=0.254T+0.018T2-(1.707 × 10-4)T3-3.494,R2=0.998；树高生长模型：H=0.354T-(5.732 × 10-4)T2-(1.629 × 10-5)T3-1.110,R 2=0.997；材积生长模型：V=-0.003T+(1.316 × 10-4)T2+(1.366 × 10-6)T3+0.169,R2=0.999。

2) 小陇山白皮松胸径、树高、材积的总生长量均随着树龄的增大而增加。白皮松胸径和树高在幼年时期生长较慢,随着年龄的增长,树木胸径和树高生长呈现“慢—快—慢”增长趋势。胸径在0～15a增长缓慢,年均增长量为0.22cm/a,15～40a显著增加,年均增长量为0.87cm/a,但在40～63a间胸径年均增长量减缓为0.79cm/a；胸径连年生长量呈现先增加后下降的趋势,在40a时达到最高值,而在58a开始低于平均生长量。树高总生长量在0～15a,15～40a和40～63a的年均增长量分别为0.23,0.50,0.17cm/a。材积总生长量在0～15a增长缓慢,15a后开始增长迅速,到63a仍保持增长趋势,未结束生长期。小陇山地区气候、土壤条件适合白皮松生长,为白皮松生长提供了适宜的光照、温度和水分,是白皮松生长状态保持良好的重要原因之一。

3) 白皮松的树高生长呈现随着胸径的增大而上升趋势,但随着胸径增大,树高增长逐渐变缓。幂函数对“胸径-树高”的拟合效果最好,H=1.971D0.537,R2=0.997,能较好地反应树木生长的生物学意义,可作为白皮松“胸径-树高”关系的为最优方程。

4) 本研究的结论可用于白皮松的科学经营和管理,但考虑单木生长的规律有一定的局限性,若要全面了解白皮松林分的整体生长情况,制定更加合理的经营措施,还需进一步研究其所处环境的立地条件、区域气候条件以及密度变化等因素。

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Stem Analysis of Pinus bungeana in Xiaolongshan,Gansu Pronvince,China

LI Chunyi1,2,YAO Guanggang3,CHEN Wenjing4,WANG Xiaoping3,ZHA Tianshan5

(1.Institute of Wetland Research,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2.Beijing Key Laboratory of Wetland Services and Restoration,Beijing 100091,China;3.Forestry College of Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;4.Jiyang College of Zhejiang A&F University,Zhuji，Zhejiang 311800,China;5.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Abstract：The growth regularity ofPinus bungeana was investigated in a natural secondary forest in Xiaolongshan,Gansu Province,China.The growth processes of Pinus bungeana growing indexes were analyzed based on the analysis of tree trunks.The results showed that the total growth increment of diameter at breast height(DBH),tree height(H),and volume of wood(V) all showed increasing trends during the whole growth periods.The growth of DBH and H showed a slow increase during 0～15 a,and then increased rapidly as tree-age increased to 15～40 a,but a relative slow increase during 40～63 a.The total V of P.bungeana increased slowly during 0～15 a,and then it increased rapidly and remained a rapid increase till the end of this survey.DBH,H and V of P.bungeana were fitted better with cubic curve.The “DBH-height curve” were fitted better with power curve equation.

Key words：Pinus bungeana,stem analysis,Xiaolongshan,increment,growth rate

收稿日期：2016-10-20；

修回日期：2016-11-08

基金项目：国家林业局林业公益性行业科研专项(201304315)

作者简介：李春义(1980-)，男，山西人，助理研究员，主要从事植被生态和湿地恢复方面的研究工作。 Email：chunyili@126.com

中图分类号：S758

文献标识码：A

文章编号：1002-6622(2016)06-0094-06

DOI：10.13466/j.cnki.lyzygl.2016.06.018