火炬松(Pinus taeda)原产美国东南部, 由于其具有生长迅速、适应性广、育苗造林容易等特点, 在我国被广泛引种造林。福建省现有火炬松造林面积近15 000 hm², 火炬松已成为继马尾松(Pinus massoniana)、湿地松(Pinus elliottii)后的第三大松类造林树种。尽管有关火炬松生长发育的文献很多(潘志刚等, 1991; 潘志刚, 1992; 龙应忠等, 1994; 费世民, 1995; 沈家智, 1995; 孙翠玲, 1995; 童方平等, 1997; 迟健等, 1999), 但关于福建省火炬松生长特性方面的报道并不多见, 尤其是在福建省火炬松的适生范围进行栽培区划后(潘辉等, 2001), 各个区域的生长发育状况是否一致以及差异如何成为一个值得探讨的研究内容。本文研究了福建省火炬松的生长特性并对比分析了不同栽培适宜区火炬松人工林分的生长状况, 以期为火炬松的科学经营和管理提供理论依据。

1 试验概况 1.1 材料来源

在福建省布设火炬松人工林临时标准地31块, 由于火炬松现存近成熟纯林面积较少, 标准地大部分都布设在国有林场的现存火炬松林分中。标准地林分年龄在8 ~ 32 a之间, 其中8 ~ 10 a生的2块、11~ 15 a生的5块, 16 ~ 20 a生的8块、21 ~ 25 a生的8块、26 ~ 30 a生的6块、31 ~ 32 a生的2块。在各标准地每木检尺的基础上, 分别选取1株优势木(3株取平均值)和1株平均木作树干解析。经统计检验, 删除1块标准地材料(宁化县18 a生火炬松, 生长数据异常), 获得30块临时标准地的优势木和平均木的树高、胸径、单株材积和胸高形数等, 其中单株材积和胸高形数根据树干解析推算而来。

1.2 适生区概况

根据福建省火炬松栽培区气候区划(潘辉等, 2001), 在福建的适生区分为最适宜区、适宜区和较适宜区。最适宜区位于福建省沿海地带低山丘陵区, 年均温17.4 ~ 21.3 ℃, ≥10 ℃积温为4 711 ~ 7 629 ℃, 年降雨量为1 103.0 ~ 1 850.0 mm; 适宜区位于沿海和内陆山区之间, 呈点状分布, 年均温17.5 ~ 19.2 ℃, ≥10 ℃积温为5 372 ~ 7 200 ℃, 年降雨量为1 241.8 ~ 1 775.0 mm; 较适宜区位于福建省西部、西南部和北部的山区, 年均温14.0 ~ 19.4 ℃, ≥10 ℃积温为4 350 ~ 6 552 ℃, 年降雨量为1 500.0 ~ 2 850.0 mm。

2 研究方法 2.1 生长特性分析

根据火炬松优势木树干解析数据, 选用Logistic、Richards、修正指数等7个非线性生长模型, 寻求最适合于火炬松的树木生长曲线; 根据标准地的树高、胸径和单株材积的数据拟合平均木和优势木的单株木材积方程; 绘制H-D曲线的散点图, 并按照散点分布趋势选择几个树高曲线方程进行拟合, 从中挑选出拟合最优者为该林分的H-D曲线方程。

形高(hf)是形数与树高之乘积, 形高随胸径的变化规律是随着胸径的增大而增加, 类似于一条抛物线, 其数学表达式为:

(1)

根据形数与树高的关系式q₂ =a₀ +a₁lgd, 可导出形高与树高的关系式为:

(2)

利用公式(1)、(2)可以拟合出优势木、平均木的树高、胸径与形高的曲线方程。

2.2 不同栽培区火炬松的生长规律分析

分别选取最适宜区、适宜区和较适宜区的平均木树干解析数据作为基础数据对比分析树高、胸径、材积生长过程。考虑到对比分析的要求, 选择的火炬松林分年龄都为22 a生, 立地为Ⅱ类, 海拔150 ~ 200 m, 纬度尽量一致, 密度在1 500株·hm^-2左右。为此, 以平和县境内取的火炬松平均木为最适宜区代表, 以永定县境内取的火炬松平均木为适宜区代表, 以大田县境内取的火炬松平均木为较适宜区代表。

3 结果与分析 3.1 林分(林木)理论生长模型的拟合及选择

火炬松生长曲线拟合结果见表 1。由表 1可以看出, Logistic、Richards、Mitsherlich和修正指数都比较适合火炬松的优势高生长类型, 其中Richards函数拟合的残差平方和最小, 同时该函数有明确的生物学意义, 适合福建省火炬松生长的具体特征。因此, 可以确定, Richards函数是福建省火炬松优势木生长的最佳模型。

3.2 树高、胸径与材积的回归方程的拟合

根据30块标准地的树高、胸径和单株材积的数据, 可以拟合出平均木和优势木的单株木材积方程。

从拟合结果可以看出, 火炬松优势木拟合的回归方程相关系数要比平均木的高。

3.3 树高、胸径与形高的变化规律

根据公式(1)、(2), 拟合火炬松优势木、平均木树高、胸径与形高的关系方程(表 2)。由表 2同样可以看出, 优势木拟合的回归方程相关系数均高于平均木, 同时树高和形高的关系更为密切。

3.4 树高曲线方程的拟合及选择

本文选择的树高曲线方程及拟合结果见表 3。

表 3可知, 无论是火炬松优势木还是平均木, 树高曲线方程拟合的结果都以方程h =a₀d^a1为最佳。

3.5 不同栽培区火炬松的生长规律 3.5.1 树高生长过程

22 a生火炬松在不同栽培区的树高生长过程见图 1。在整个生长过程中, 对最适宜区Ⅰ, 连年生长量最大值出现在12 a生, 平均生长量最大值出现在12 ~ 14 a生之间, 大约在14 a时连年生长量和平均生长量曲线相交, 而后开始下降; 对适宜区Ⅱ, 连年生长量和平均生长量相交于8 a生; 对较适宜区Ⅲ, 连年生长量最大值出现在10 a生, 平均生长量最大值出现在10 ~ 14 a生之间, 大约在12 a时连年生长量和平均生长量曲线相交。从树高生长曲线总体来看, 火炬松的早期生长是较快的, 2 a生之前是幼林的生长阶段, 树高生长占一定的比重, 连年生长量在0.38 cm左右, 生长较快; 从第2 ~ 14 a生, 树高连年生长量几乎超过0.6 m, 是火炬松树高生长的旺盛时期。

3.5.2 胸径生长过程

22 a生火炬松在不同栽培区的胸径(去皮)生长过程见图 2。对最适宜区Ⅰ, 胸径连年生长量最大值出现在8 a生, 与平均生长量曲线相交于14 ~ 16 a生之间, 此时平均生长量达到最大值, 说明此时应进行抚育间伐, 以保证火炬松林分有充足的营养空间, 满足树冠生长发育的需要, 所以在此立地和经营条件下, 第一次间伐年龄应在14 a左右; 对适宜区Ⅱ, 胸径连年生长量最大值出现在10 a生, 与平均生长量曲线相交于12 ~ 14 a生之间, 此时平均生长量达到最大值, 说明在此立地和经营条件下, 第一次间伐年龄应在13 a左右; 对较适宜区Ⅲ, 胸径连年生长量最大值出现在6 a生, 与平均生长量曲线相交于10 a生左右, 此时平均生长量达到最大值, 说明在此条件下, 第一次间伐年龄应在10 a左右。由此可见, 随着栽培区适宜程度的降低, 胸径生长量也随之降低, 平均生长量达到最大值的年龄也随之提早, 这符合不同立地条件树木生长的客观规律。从胸径生长曲线总体来看, 4 a生之前直径生长缓慢, 直径年平均生长量在0.13 ~ 0.18 cm; 第6 ~ 14 a是直径生长的旺盛时期, 年平均连年生长量基本达1 cm以上, 最适宜区连年生长量可高达2.3 cm左右, 20 a生以后胸径生长逐渐减慢。

3.5.3 材积生长过程

22 a生火炬松在不同栽培区的材积(去皮)生长过程见图 3。从图中可知:不同适生区火炬松材积生长的旺盛期均在12 ~ 22 a生, 对最适宜区Ⅰ, 材积连年生长量最大值出现在20 a生, 在12 ~ 22 a, 连年生长量达0.025 ~ 0.032 m³; 对适宜区Ⅱ, 材积连年生长量最大值出现在16 a生, 12 ~ 22 a间, 连年生长量在0.015 ~ 0.023 m³之间; 对较适宜区Ⅲ, 材积连年生长量最大值出现在14 a生, 12 ~ 22 a, 连年生长量在0.010 ~ 0.012 m³。由此可见, 随着栽培区适宜程度的降低, 材积连年生长量达到最大值的年龄也随之提早, 同时在12 ~ 22 a生材积生长旺盛期的生长量也随之降低, 这也符合不同立地条件树木生长的客观规律。另一方面, 由图 3可见, 到22 a为止, 材积平均生长量尚未达到最大值, 说明火炬松人工林22 a生时仍未达到数量成熟, 其数量成熟年龄的确定还有待于进一步的试验研究。

4 结论与讨论

在火炬松林分(林木)理论生长模型的选择研究中, Logistic、Richards、Mitsherlich、修正指数都比较适合火炬松的优势高生长类型, 根据残差平方和和具体生长特征, 确定Richards函数为福建省火炬松优势木生长的最佳模型。

对树高、胸径和材积的回归方程, 优势木拟合的回归方程相关指数高于平均木。对树高、胸径与形高的回归方程, 优势木拟合的回归方程相关指数高于平均木, 同时树高和形高的关系更为密切。对树高曲线方程, h =a₀d^a1最符合火炬松树高随直径变化的规律。

火炬松人工林树高生长过程, 最适宜区连年生长量最大值在12 a生, 14 a生时连年生长量和平均生长量曲线相交; 适宜区连年生长量最大值在8 a生, 同时连年生长量和平均生长量曲线相交; 较适宜区连年生长量最大值在10 a生, 12 a生时连年生长量和平均生长量曲线相交。随着栽培区适宜程度的降低, 火炬松胸径生长量也随之降低, 平均生长量达到最大值的年龄也随之提早。同时随着栽培区适宜程度的降低, 材积连年生长量达到最大值的年龄也随之提早, 在12 ~ 22 a生材积生长旺盛期的生长量也随之降低, 这些都符合不同立地条件树木生长的客观规律。