桉树人工林是世界上纤维和木材产品的重要来源之一。近年来, 桉树纤维的工业需求增长很快, 尤其是对纸浆和纸以及重构产品如中密度纤维板的需求。因而对营林生产的木材数量和质量方面提出了更高的要求。从国际林联1995年召开的桉树人工林—纤维数量和质量改良会议的综合信息看, 国外大多数桉树研究工作重点直接放在桉树人工林生产力的栽培和遗传方面; 国内的良种桉引种虽已有10多年时间, 做了不少工作, 但仍缺乏对在新引种区桉树人工林的林木生产、产量消长规律的系统研究; 而国内外对于栽培措施对桉树人工林的纤维质量变化的研究尚很欠缺。

本文针对近年来华南地区大面积引种推广尾叶桉(Eucalyptus urophylla)短周期工业用材林生产中急待解决的营林技术及其理论问题, 研究经营水平及立地条件相同的情况下, 不同造林密度对林木生长规律、林分产量消长规律以及木材质量的变化规律的影响, 从木材生长的数量和质量两个角度出发, 从理论和实践上探讨不实施间伐措施、轮伐期6a的尾叶桉短周期工业用材林生产中至关重要的最佳栽培密度问题。经过一个轮伐期的定位观测研究, 现将研究结果报道如下。

1 试验条件与方法 1.1 试验地立地条件

试验地位于广西象州县石龙镇, 北纬23°55′, 东经109°29′, 年均气温20.8 ℃, 最热7月份平均气温28.9 ℃, 最冷1月份平均气温10.7 ℃, 极端高温40 ℃, 极端低温-3.4 ℃, ≥10 ℃的年积温6600 ℃~ 7000 ℃。年降雨量1314mm, 年蒸发量1418mm, 蒸发量大于降雨量, 季节性干旱较严重。相对湿度75 %, 试验地设在立地条件基本一致的同一林班内, 地形平缓, 坡度5°左右, 土层深厚, 红壤, 表土层较薄, 多在10cm以下。酸性, 铁锰结核含量较高, 肥力中下。造林前为马尾松残疏林地或荒草地, 主要植被种类为纤毛野嘴草、野古草和铁芒箕, 盖度0.6以下, 高度50cm以下。

1.2 试验设计

在经营水平相同的前提下, 采用随机区组试验设计, 设每hm²833株(1), 1111株(2), 1250株(3), 1429株(4), 1666株(5, 为目前生产用的常规密度), 2000株(6), 2500株(7)共7个密度处理, 3次重复, 共21个小区, 每小区面积为30m ×20m。

1.3 测定方法 1.3.1 生长量测定

在试验小区内, 指定中心固定行中20株固定样本, 从1992年造林当年起, 于每年10月~ 12月, 测定每木胸径、树高、枝下高及树冠幅。造林第3年后, 因林分充分郁闭, 树高测定改用3株平均木测定法(主伐时伐倒平均木实测)。

1.3.2 材性测定

每小区选取1株平均木, 取距地面1.0 ~ 1.5m段为分析样品。

木材气干密度测定:按GB/T1933 -91木材密度测定方法进行。

木纤维、导管分子尺寸测定:自离地面1m处截取圆盘一个, 通过髓心锯取厚约5mm的中心板材一块, 并切成火柴梗大小, 按常规方法将其离析, 使各种细胞分离。再经染色制成临时玻片, 在显微镜下用测微尺, 随机测定各种细胞的长度、宽度及双壁厚度。各处理的木纤维各测定90次, 其它细胞各测定180次。

1.4 其他营林措施

采用东门种源的尾叶桉容器实生苗, 苗木平均高20 ~ 25 cm。机耕整地, 深20 cm, 两犁一耙, 东西行向, 定植沟深30cm。每hm²施磷酸氢二铵1666.6kg, 甘蔗滤泥4998kg作基肥; 造林当年8月和第2年4月每hm²追施尿素166.6kg。

造林后1个月内检查1次成活率, 发现死苗用同一来源的树苗补植; 试验小区用两行柠檬桉作区分界线, 其株行距按所属小区处理; 小区的东西向按原小区设计的株行距分别向外延伸4 m作保护行, 以保证设计的边缘效应; 试验区的四周设10m以上的保护带, 以减少牲畜危害。

2 试验结果与分析 2.1 不同造林密度对尾叶桉生长及产量的影响 2.1.1 密度与胸径生长

由于密度对直径生长的效应具有非常重要的意义, 一方面它是对产量效应的基础, 另一方面树木直径又是成材规格的重要指标(孙时轩, 1993)。因此, 研究密度对直径生长的作用规律, 无疑是短周期工业用材林造林密度的首要问题。6a生主伐时, 不同造林密度尾叶桉胸径生长情况见表 1。

对6年生尾叶桉人工林不同造林密度与林分平均胸径进行回归分析, 得出的回归方程式为:

(1)

式中: D为林分平均胸径, N为密度, 相关系数r =-0.9516^**(r_0.05 =0.7545, r_0.01 =0.8745, n =7, 下同)。

式(1)说明, 尾叶桉人工林造林密度与林分平均胸径之间负相关关系极显著, 表明平均胸径随密度的减少而增加, 而当密度增大时, 胸径随之减少。

从图 1中得知, 不同密度造林, 立木径阶分布情况有显著的差异。当密度大时, 形成顶峰偏左的分布曲线图形; 而当密度小时, 形成顶峰偏右的分布曲线图形, 从而表明, 密度影响着林木个体大小数量的分布。

方差分析得: F =11.93^**(F_0.05 =3.00, F_0.01 = 4.82)说明各造林密度与林分胸径之间存在极显著水平的差异, Q检验结果见表 2。

由表 3还得知, 与胸径平均生长量的情况一致, 密度最小的林分, 其胸径的平均连年生长量最大, 反之, 则连年生长量最小, 最大和最小的平均连年生长量相差25.48 %。另外, 从生长进程看, 林分从幼年起生长较快, 多数林分至造林第3年连年生长量达最大值, 之后开始下降, 而密度7在造林当年即出现最大值, 虽然在造林第3年有所上升, 但距最大值甚远。至造林第5年, 所有林分连年生长量已显著降低, 生长势明显趋缓。由此说明, 在一定的密度范围内, 林木胸径保持较长的速生期, 而超过此密度范围, 最大值提早出现, 速生期较短。

分别对各年度测定的胸径生长量作方差分析得知, 不同密度林分胸径生长量在造林的当年和次年, 各处理间的差异不显著, 当年F =2.05, 次年F =1.44, 均小于F_0.05 =3.00;而进入第3年后, 开始表现出显著性差异, F =3.24^*; 进入第4年之后直至主伐, 这种差异达到了极显著水平, 第4年F = 5.84^**, 第5年F =11.58^**, 第6年F =11.93 ^**, 均大于F_0.01 =4.82。从而进一步说明了不同造林密度对胸径生长的影响在林分发育的各阶段是有变化的, 并随着林分年龄的增长而趋悬殊。

2.1.2 密度与树高生长

6年生不同造林密度尾叶桉林分的树高生长量见表 4。经多方面回归分析表明, 此时密度与树高生长之间相关关系不紧密(相关系数在-0.18 ~ -0.25之间)。方差分析表明, 6年生不同密度林分树高平均生长量之间无显著性差异, F =1.28 < F_0.05 =3.00。但是通过分别对各年度测定的树高生长量作方差分析得知, 不同密度造林, 林分树高生长量在造林的次年各处理间的差异达显著水平, F =3.53^*。我们注意到, 此时正值林分进入郁闭的时期, 而在造林的当年和第3年之后, 即林分郁闭前和郁闭后, 树高生长量的方差分析均无差异显著的结果, 说明密度对树高的影响在林分发育的各个阶段也是有变化的(造林当年F =2.00, 第3年F =1.01, 第4年F =0.70, 第5年F = 0.77, 均小于F_0.05 =3.00)

从表 5的树高连年生长量情况来看, 各密度间的差异亦很小。同时, 各密度的连年生长量, 在造林当年的生长均较为缓慢, 第2年进入速生期, 并持续3年, 至造林第5年其长势迅速降低, 其中, 密度大的林分, 前期生长量较大, 后期生长量较小, 这是由于密度大的林分前期郁闭快, 利于森林气候的形成, 促进了林木生长, 而后期由于密度大, 个体间竞争激烈, 从而抑制了生长。由此说明, 密度对树高生长进程的影响与胸径不同, 在造林初期, 大密度利于林木的高生长, 但随着林木个体的增大, 这种促进作用的持续受到破坏, 生长量迅速下降, 最终表现为大密度限制了树高生长, 以致抵消了前期的促进作用。

2.1.3 密度与立木单株材积生长

前人在研究草本植物时, 发现密度与个体生长之间存在着明显的数量关系。按不同栽培密度培育1年生作物时, 发现在一定时期内平均个体重与密度成如下关系式:

式中: W代表平均个体重, N代表单位面积株数, K、a、K₁都是常数, 随植物的生长发育阶段而变化。此式称为竞争密度效果幂乘式(李景文, 1995)。

本试验中, 密度对6年生尾叶桉人工林种群平均立木单株材积生长的作用亦与上述规律相吻合, 其回归方程式为:

(2)

式中: V_d为林分平均立木单株材积, N为密度, 相关系数r =-0.9187^**。

式(2)表明, 密度与林分平均立木单株材积之间呈极显著的负相关关系, 即林分密度越大, 其平均立木单株材积越小。

表 6表明, 造林密度最大的林分, 平均立木单株材积最小, 而造林密度较小的林分, 平均立木单株材积有较大值。方差分析表明, 立木单株材积的这种差异达极显著水平, F =11.4^** >F_0.01 =4.82。而在此之前, 对各年立木单株材积方差分析表明, 仅造林第5年各密度林分之间存在着显著性差异, F =4.15 ^* >F_0.05 =3.00, 而其余年度均不显著, 造林次年F =2.69, 第3年F =1.40, 第4年F =2.19, 均小于F_0.05 =3.00。说明幼年期林木个体间的竞争较弱, 个体间的差异不明显, 随着树龄的增长, 个体增大, 其竞争作用日渐增强, 个体间的差异亦日渐显著。Q检验结果见表 7。

由表 8看出, 林分立木单株材积平均连年生长量呈随密度增大而减少的趋势。各密度的连年生长量在造林的前4年急剧上升, 之后开始减缓。此外, 密度最大的林分从第3年开始, 长势已明显不如密度小的林分, 其最大值也明显低于后者。说明在林分郁闭之后, 密度对立木单株材积生长的调控作用是非常明显的。

2.1.4 密度与单位面积蓄积量

林分的蓄积量取决于其立木单株材积和株数密度两个因子。就短周期工业用材林而言, 在立地条件相同的情况下, 密度本身起主要作用, 林分蓄积量随密度的增大而增大。本试验林分蓄积量情况见表 9。经回归分析, 密度与林分蓄积量有如下关系:

(3)

式中: M为林分蓄积量, N为密度, 相关系数r =0.8107 ^*。

式(3)反映出, 6年生尾叶桉人工林种群密度与林分蓄积量呈显著的正相关关系, 即蓄积量随密度的增大而增大。

方差分析结果表明, 密度对蓄积量的影响达极显著水平, F =4.95 ^** >F_0.01 =4.82。Q检验表明, 极显著差异产生于密度6与密度1之间; 密度3、5、7与密度1之间的差异显著, 其余密度之间的差异不显著(表 10)。

此外, 分别对各年度林分蓄积量作方差分析, 除第5年为显著水平, F =4.72 ^* >F_0.05 =3.00外, 其余年份密度对林分蓄积量的影响均达极显著水平, 造林当年F =6.81 ^**, 第2年F =9.40 ^**, 第3年F =7.51 ^**, 第4年F =4.88 ^**, 均大于F_0.01 =4.82。这表明, 就短周期工业用材林而言, 在立地条件相同的情况下, 无论是在林分干材生长初期, 还是在其速生期, 密度本身起主要作用, 林分蓄积量随密度增大而增大。

从表 11的林分蓄积连年生长量情况看, 首先, 其平均连年生长量有随着密度的增大而增大的趋势。其次, 在造林的前4 a, 连年生长量的递增幅度亦随密度的增大而增大; 至第5 a之后, 生长量开始减缓, 最大密度的林分其生长量降幅达最大, 说明此时密度不仅限制了单株立木的生长, 而且密度株数的作用也受到限制。再次, 密度1和2的林分各年度的生长量均不及除密度7以外的各林分, 说明它虽然有较大的立木单株材积生长量, 但因株数少而限制了其单位面积的产量; 此外, 该两林分在第6 a的生长量大于密度7, 这种消长现象虽然预示着一种平衡趋势, 但由于桉树短周期工业用材林的主伐年龄为5 ~ 7a, 故而既使延长至第7 a主伐, 这种平衡仍不可能实现。第4, 密度7第5、第6 a的生长量均低于平均连年生长量, 其余密度的林分也不同程度地在平均连年生长量上波动, 这预示着, 各林分已进入或接近数量工艺成熟阶段。

2.2 不同造林密度对尾叶桉木材性质的影响

短周期工业用材林生产的木材主要用于造纸及制造纤维板, 通过营林措施提高了林分产量之后, 其木材质量是否仍然满足其工艺生产的要求, 这是人们关注的主要问题之一。本试验测定了不同密度6a生主伐的尾叶桉木材材性, 包括气干密度, 以及木纤维长度、宽度、双壁厚、长径比、壁腔比和导管分子长度等因子, 结果分析如下。

2.2.1 造林密度与木材气干密度

木材气干密度是造纸用材的重要参考指标之一。单位体积木材的纸浆产量直接与密度有关(尹思慈, 1996)。人们认为采用密度为0.450 ~ 0.650g·cm ^-3的浆材可获得最佳的产值。本试验6 a生不同造林密度林分的木材气干密度见表 12。首先, 本试验的木材密度较高, 对造纸有利; 其次, 密度较大的林分, 木材气干密度变幅小, 即木材质量稳定; 而密度小的林分, 木材气干密度变幅大。但经回归分析, 造林密度与木材气干密度之间无显著的相关关系(r =-0.05 < r_0.05 = 0.7545)。在7个处理中, 密度4的木材气干密度最大, 密度5的最小, 但经方差分析, 各密度之间也无显著性差异存在(F =0.71 < F_0.05 =3.00)。

2.2.2 造林密度与木材纤维形态

纤维形态是衡量造纸纤维原料质量的优劣标准之一。根据造纸工艺的要求, 一般认为纤维细而长, 长径比值大, 打浆时纤维有较大的结合面积, 成纸强度高。对纤维壁厚要求薄、腔径大, 壁腔比小于1.0, 柔软系数高为好。

从表 13可看出, 壁腔比准确指数大于5.0, 在此仅作参考。无论各种造林密度的林分, 其纤维长度均达到国际木材解剖学会规定的木纤维中长级的标准(900 ~ 1600μ m), 但由于双壁较厚, 壁腔比也都普遍大于1, 纤维柔性有所下降。其中, 密度最大的林分, 纤维长度最长, 但纤维宽度也最大, 因而长径比值并未增大, 但双壁明显加厚, 对造纸不利。密度2、具有较大的长径比, 但壁腔比也明显增加。导管分子长度则以密度6、7最大。总的看来以密度5、6的木材纤维较佳。此外, 回归分析表明, 不同造林密度与纤维长度、双壁厚、长径比、壁腔比均无明显的相关关系, (纤维长度r =0.65, 双壁厚r =0.54, 长径比r =-0.48, 壁腔比r =-0.22), 但与纤维宽度和导管分子长度有显著的正相关关系:

(4)

式中: F_w为木材纤维的平均宽度, N为密度, 相关系数r =0.8063^*。

(5)

式中: L为导管分子长度, N为密度, 相关系数r =0.7917^*式(4)反映出木材纤维宽度有随造林密度增加而增大的趋势。这与前述密度与平均胸径呈显著负相关似有矛盾。但由于尾叶桉为强阳性树种, 其生长发育需要较强的光照, 当密度增大时, 增加了侧方庇荫, 使植株体内组织的分化趋向耐荫的特性, 即细胞体积增大, 细胞分化数量减少。因而出现了式(4)的正相关关系。

通过对木材纤维各因子进行方差分析, 判明各密度林分之间包括纤维宽度和导管分子长度在内的木材纤维各因子之间均无显著性差异, 其中:纤维长度F =1.22, 纤维宽度F =2.80, 双壁厚F =2.13, 长径比F =0.27, 壁腔比F =0.60, 导管分子长度F =1.06, 均小于F_0.05 =3.00。

2.3 不同造林密度对尾叶桉树冠幅、树干形质的影响 2.3.1 密度与树冠幅

密度对上述各因子的作用效应, 无疑是与树木的营养面积直接有关。不同的造林密度限制了树木的营养空间, 而林木个体占据的营养空间对树冠的发育有着密切的关系。6年生不同造林密度尾叶桉树冠幅测定值汇总于表 14。回归分析表明, 密度与冠幅呈极显著的负相关关系, 亦即密度越大, 树冠幅越小。

(6)

式中: cw为冠幅, N为密度, 相关系数r =-0.9840 ^**。

2.3.2 密度与树干形质

树干的形质也是生产上的重要问题。树干圆满度是树干形质的重要指标之一。圆满度因密度不同有明显的差别。从表 1、表 4可看出, 最大密度与最小密度的林分平均高基本一致, 而胸径的差异则较大。密度愈小, 胸径愈大, 因而干材的尖削度愈大; 相反, 密度愈大, 胸径愈小, 干材的圆满度愈大。此外, 密度对枝下高的影响亦很明显(见表 15), 对6年生尾叶桉人工林种群密度与枝下高进行回归分析得下式:

(7)

式中: Hb为平均枝下高, N为密度, 相关系数r =0.8890 ^**

式(7)说明, 密度愈小, 枝下高愈低; 密度增加, 自然整枝上升, 从而对形成良好的树干形质有利。

2.4 不同造林密度对尾叶桉人工林保存率的影响

在本试验设置的密度范围内, 林分6年生主伐时, 密度与林木保存率有如下关系:

(8)

式中: P为保存率, N为密度, 相关系数r =-0.5886。

式(8)说明, 密度与保存率之间存在一种不显著的负相关, 亦即:在本试验中, 虽然林木个体之间已表现出竞争的抑制作用, 主伐时最大密度2500株·hm^-2林分的蓄积量已开始有所下降; 随着密度的增大, 林木的保存率将表现出随密度下降而上升的趋势。但是, 由于植物对密度的缓冲作用, 使得自然稀疏作用在主伐时未能充分表现出来。这种与一定的缓冲作用相对应的密度范围就是合理密度范围(李景文, 1995)。因此, 本试验说明, 尾叶桉具有较宽的合理密度范围, 试验所设置的最大密度在主伐时仍处在合理密度范围内。从表 9的蓄积量情况看, 可判断其合理密度范围在密度3至密度7(即1250 ~ 2500株·hm^-2)范围内, 其中以密度6为最佳。表 16示6年生不同密度尾叶桉人工林保存率。经方差分析表明, 各密度保存率之间无显著性差异存在, F =0.53 < F_0.05 =3.00。

3 结论

通过对6 a生主伐的尾叶桉7种造林密度林分各主要因子的研究分析得知, 密度对胸径、立木单株材积、冠幅及枝下高的影响达到极显著水平, 对蓄积量、木材纤维宽度和导管分子长度的影响达到显著水平, 对树高、木材气干密度和木纤维长度虽有一定的影响, 但不显著。其中, 密度与蓄积量、枝下高、木材纤维宽度和导管分子长度呈正相关关系, 而与胸径、立木单株材积、冠幅呈负相关关系, 亦即:密度愈大、胸径愈小, 且胸径分布向小径阶偏斜, 冠幅变小, 立木单株材积减少, 自然整枝升高, 单位面积的蓄积量增大; 相反, 密度愈小, 胸径愈大, 且胸径分布向大径阶偏斜, 冠幅变大, 立木单株材积增大, 树干形质下降, 单位面积蓄积量减少。这一规律与杉木的密度规律基本一致(吴中伦, 1984)。

在木材质量保证的前提下获得最大的产量是培养短周期工业用材林的宗旨。本试验结果表明, 不同造林密度对木材的性质具有一定的影响, 造林密度较大的林分, 其木材气干密度变幅小, 木材质量稳定, 木材纤维长度较长, 但纤维宽度也增大, 双壁明显加厚, 对造纸利弊兼而有之; 造林密度较小的林分, 木材气干密度变幅较大, 影响木材质量的稳定性, 在木纤维具有较大的长径比的同时, 壁腔比也明显增加。因此, 应根据培育的木材种来确定相应的造林密度。

林分密度是合理结构的数量基础, 对人工林生产力具有显著的影响。因此, 对不考虑间伐的短周期工业用材林而言, 确定合理的造林密度尤为重要。根据本试验结果分析, 尾叶桉具有较宽的合理密度范围, 在供试的密度范围中, 密度3至密度7的蓄积产量处在同一水平线上, 但密度7的木材性质有所降低, 其中以密度6(2000株/hm²)的产量最高, 经济效益最好, 造纸木材质量保证, 应确定为最佳密度。但是, 通过提高种植密度而获得的材积增长是以降低木材的径级为代价的, 如果欲提高木材的规格, 并用于“三板”原料, 则以选用密度3(1250株/hm²)为最佳。

6a生的林分, 其胸径、树高、单株材积、蓄积量4个生长因子的连年生长量在林分不同的发育阶段具有不同的变化。胸径连年生长量的速生期来得较早, 个别林分在造林当年即出现最大值, 多数林分最大值一般出现在第3 a, 之后开始下降; 而树高连年生长量的速生期出现于第2 a, 持续至造林的第4 a仍有较大的生长量, 整个生长过程呈明显的S曲线, 但其最大值也出现在第3 a; 单株材积的连年生长量则与胸径、树高不同, 前4 a为直线上升趋势, 第5 a开始下降, 其最大值的出现较胸径、树高晚; 林分蓄积量的生长趋势与单株材积基本一致, 第5 a时, 林分连年生长量与平均连年生长量开始相交或接近, 表明林分开始进入数量工艺成熟阶段。