立地质量和林分密度是影响人工林木材生产潜力的重要因素，通过立地选择和密度调控来获得更高的林分生长量和高规格材出材量是森林经营的一项关键技术^[1-4]。杉木(Cunninghamia lanceolata) 是我国重要的商品用材林树种，分布于我国整个亚热带、热带北缘、暖温带南缘等气候区域，据第九次全国森林资源清查结果显示，杉木人工林面积达993.3万hm²，蓄积量达7.55亿m³，在我国林业产业发展中占据重要地位^[5]。目前，有关杉木人工林立地及密度效应的研究重点集中在林分生长量^[6-12]、材种结构^[13-19]、物种多样性^[20]和土壤肥力^[21-22]等方面。相聪伟等^[13]对30年生杉木人工林的连续观测发现，立地质量对林分各材种及其出材率出现的时间有显著影响，相同密度下，立地越好，二者出现的时间越早；当地位指数相同时，随初植密度增大小径材出材率的峰值及峰度均减小；当蓄积量相近但初植密度不同时，初植密度越小大径材出材率越高，小径材出材率越低。赵铭臻等^[16]研究了施肥和林分密度对杉木林分生长及材种结构的影响，结果表明, 相对于施肥处理，密度控制对杉木中龄林生长量和材种结构影响更显著。王有良等^[17]研究发现林木单株材积随林分密度增大而减小，蓄积量随林分密度增大先增加后减小；大径材出材量随地位指数提高而增加，随林分密度增大先增加后减小，大径材出材率随地位指数提高而增大，随林分密度增大而减小。LI et al^[19]基于41年生杉木人工林生长数据研究发现，初植密度相同时，随立地质量提高，木材总产量、大径材出材量和出材率均增加，中径材和小径材出材量和出材率峰值均提前；较高立地质量增强低密度对大径材生长的促进作用，密度引起的大径材差异更为明显。SUN et al^[10]研究发现，间伐促进杉木林分直径增大，人工林数量成熟随间伐强度增大而增加，活力木蓄积量在间伐后立即减少，之后随林分年龄增长逐渐增加。QU et al^[11]研究不同密度林分的生长优势度发现，当密植林分间伐至较低密度时，间伐林分的生长优势度高于未间伐林分，当不同种植密度林分间伐至同一密度时，生长优势度随累积间伐强度的增大而提升。WEN et al^[12]采用3-PG模型对杉木人工林的生长动态进行模拟发现，初植密度较大的林分，自然稀疏较早发生，随后林分胸径和树高生长量会急剧增加。

以往研究证实立地和密度是影响杉木人工林生长及材种结构的重要因子，但对不同分布区域及不同林龄阶段的影响程度不同。广西是杉木的中心产区，杉木在广西北部地区分布较广，尤其是融江流域，其环境和气候非常适宜杉木生长，在该区域种植有大面积杉木人工林。融江流域是广西典型的小气候区域，对该小气候区域的杉木人工林栽培技术进行深入研究，有利于合理利用该区域的优越气候条件，培育高质量杉木人工林。鉴于此，本研究基于柳州市融水县贝江河林场13年生杉木大径材培育试验林的观测数据，探讨立地质量和林分密度对该林龄阶段林分生长量及材种结构的影响，以期摸清早期密度调整引起的林木径阶分布规律，为该试验林后期大径材培育技术措施的确定提供指导，同时也为融江流域杉木短周期速丰林高效培育技术体系建立提供数据参考。

1 试验地概况与研究方法 1.1 试验地概况

试验区位于柳州市融水苗族自治县国营贝江河林场(108°35′00″~109°28′47″E，24°49′02″~25°44′00″N)，属中亚热带季风气候；年平均气温19.3 ℃ (山区18.4 ℃)，极端最低气温-3 ℃，极端最高气温38.6 ℃；雨量充沛，多集中在4—8月，约占72.7%，年平均降水量1 824.8 mm，年平均蒸发量1 561.2 mm；年平均日照时间1 379.7 h，无霜期320 d以上；海拔150~630 m，以低山地貌为主，成土母岩以砂岩、砂页岩为主，土壤以红壤、山地黄壤为主，土层厚度为60~80 cm，土层深厚疏松，自然肥力较高。

1.2 样地设置及数据调查

选择1年生杉木良种裸根苗于2008年春季造林，平均苗高35.26 cm，平均地径0.58 cm。初植密度3 210株·hm^-2，造林后连续除草及施肥抚育3 a，每年施肥1次，每次施用复合肥(m_N ∶m_P ∶m_K= 15∶15∶15) 100 g·株^-1。2012年进行第1次间伐，间伐强度为10%；2017年进行第2次间伐，间伐后保留密度为1 005、1 380、1 755、2 025株·hm^-2，分别记为SD1、SD2、SD3、SD4。2020年10月，在不同保留密度的林分中，按上、中、下不同坡位以及不同坡向设置调查样地，样地大小为20 m×20 m，共设置样地53块，对样地内立木进行挂牌标记，每木检尺，并做好记录。在样地的4个角落和中心位置各选取1株长势较好的立木作为优势木，计算优势木平均树高，根据样地中5株优势木平均树高和地位指数表推算样地地位指数，样地基本信息见表 1。

1.3 参数计算 1.3.1 单株材积

立木单株材积按照公式(1) 计算。

$ V_i=0.000\;058\;777\;042 d_i^{1.969\;983\;1} h_i^{0.896\;461\;57} $

(1)

式中：V_i表示第i株杉木单株材积(m³)；d_i表示第i株杉木胸径(cm)；h_i表示第i株杉木树高(m)。

1.3.2 各材种出材量

规格材各材种出材量按公式(2) ~ (4) 计算^[2]。

$ V_{\text {规(原条) }}=3.602\;437\;58 \times 10^{-5} \bar{d}^{1.947\;520\;76} \bar{h}^{1.007\;937\;69} $

(2)

式中：V_规(原条)表示规格材原条出材量(m³)；d表示径阶平均胸径(cm)；h表示径阶平均树高(m)。

$ V_{\text {规(搼材) }}=5.356\;338\;89 \times 10^{-3} \bar{d}^{-0.567\;409\;453} \bar{h}^{0.632\;966\;036} $

(3)

式中：V_规(薪材)表示规格材薪材出材量(m³)。

$ V_{\text {规(废材) }}=2.856\;798\;44 \times 10^{-5} \bar{d}^{1.859\;648\;98} \bar{h}^{0.686\;898\;895} $

(4)

式中：V_规(废材)表示规格材废材出材量(m³)。

1.4 数据处理

通过Microsoft Excel 2010软件和SPSS 20.0软件进行数据整理和分析，采用单因素方差分析和Duncan新复极差法比较不同数据组间的差异(P＜0.05)，利用Origin 2021软件进行回归拟合及绘图。

2 结果与分析 2.1 林分生长量的立地及密度效应

由图 1(a)可知，立地质量对林分树高、胸径和蓄积量均有极显著影响(P＜0.01)。当地位指数从16提高至22时，树高随地位指数提高呈极显著增加(P＜0.01)，同时地位指数级越高时，地位指数提升一级所带来的树高增幅越大；地位指数18、20、22的林分胸径极显著高于地位指数16 (P＜0.01)，地位指数18和20的林分胸径之间无显著差异，地位指数22的林分胸径极显著高于地位指数≤20的3种立地；地位指数16和18的林分蓄积量之间无显著差异，但均极显著低于地位指数20、22，地位指数20和22的林分蓄积量之间也无显著差异。

林分密度对胸径和蓄积量有极显著影响(P＜0.01)，对树高无显著影响(P＞0.05)。林分密度在1 380~2 025株·hm^-2之间变化时，林分胸径未发生显著性变化，当间伐强度增大，林分密度降低至1 005株·hm^-2时，林分胸径呈极显著增加；林分蓄积量随林分密度增大呈极显著增加[图 1(b)]。

2.2 林分径阶结构的立地及密度效应

如图 2所示，在不同立地及密度的林分中，该林龄阶段的林木主要分布于14、16、18 cm三个径阶内，其次为12、20 cm径阶，极少数林木分布于10 cm和≥22 cm径阶。立地质量对径阶分布有较大影响，在地位指数16~20之间，较高径阶林木株数占比随地位指数提高而增加，即分布于≥16 cm径阶的林木株数占比为：SI=16 (57.87%)＜SI=18 (64.81%)＜SI=20 (70.76%)；分布于≥18 cm径阶的林木株数占比为：SI=16 (32.01%)＜SI=18 (33.94%)＜SI=20 (40.13%)。

图 3显示，随林分密度增大，14、16 cm径阶的林木株数占比呈递增趋势，18 cm和≥20 cm径阶的林木株数占比呈下降趋势。14 cm径阶林木株数占比-林分密度的回归拟合曲线R²值为0.999 99，拟合度极高，说明林分密度的变化对该径阶林木株数占比产生规律性的影响；18 cm径阶林木株数占比-林分密度回归拟合曲线R²值为0.865 95，≥20 cm径阶林木株数占比-林分密度回归拟合曲线R²值为0.991 23，两种回归曲线拟合效果均较好，说明密度调整显著影响中、高径阶林木的产出，在林分经营过程中进行密度调控可有效调节林木径级结构，促进中、高径阶林木产出。

2.3 林分材种结构的立地及密度效应

由图 4(a)所示，地位指数对小径材、中径材和大径材出材率均有极显著影响(P＜0.01)。当地位指数从16提高至22时，小径材出材率随地位指数提高而减小；中径材出材率随地位指数提高而增大，且当地位指数级越高时，地位指数提高一级所带来的中径材出材率增幅越大；在20和22两种地位指数下，林分在该林龄阶段开始出现大径材。

由图 4(b)可知，林分密度对小径材出材率有极显著影响(P＜0.01)，林分密度为2 025株·hm^-2的小径材出材率极显著高于其他3种处理；林分密度对中径材和大径材出材率的影响不显著(P＞0.05)。

图 5表明，小径材出材率-林分密度回归拟合曲线的R²值为0.994 95，中径材出材率-林分密度回归拟合曲线的R²值为0.979 54，说明小、中径材出材率均随林分密度变化而发生规律性变化。

2.4 林分规格材出材量的立地及密度效应

图 6(a)显示，在地位指数16、18、20、22的样地内，规格材出材量分别为60.69、73.00、82.45、107.67 m³·hm^-2，薪材出材量分别为3.49、3.61、3.76、3.91 m³·hm^-2，废材出材量分别为17.13、20.03、21.94、27.41 m³·hm^-2。地位指数对规格材、薪材和废材出材量均有极显著影响(P＜0.01)，规格材和废材出材量均随地位指数提高而极显著增加(P＜0.01)。

林分密度对规格材、薪材和废材出材量的影响未达统计上的显著性水平[图 6(b)]，但从数值上看，在1 005、1 380、1 755、2 025株·hm^-2的样地内，林分规格材出材量分别为85.49、79.10、70.58、68.40 m³·hm^-2，规格材出材量随林分密度增大而减小，说明在该林龄阶段，林分密度对规格材出材量的影响已初步显现，林分密度过大不利于规格材产出。

3 讨论与结论

大多数研究表明，立地质量对林分生长量和材种结构有显著影响，但在不同林龄阶段其影响效果不同^{[13, 17, 23]}。本研究结果表明，立地质量对林分生长量和材种结构均有显著影响，树高、胸径和蓄积量均随地位指数提高而增加，小径材出材率均随地位指数提高而减小，中径材和大径材出材率随地位指数提高而增加，其中小径材出材率随地位指数的变化趋势与王有良等^[17]的研究结果一致，但中径材出材率变化趋势与其相反，这与参试林分的林龄有关，本研究对象为13年生中龄林，小径材和中径材是林分材种结构的主体，随着地位指数的提高，小径材的减小促进了中径材的增加。本研究中，较高地位指数的林分在该林龄阶段(13年生) 开始出现大径材，说明立地质量影响林分大径材形成的时间，立地质量越好，大径材出现的时间越早，这与相聪伟等^[13]和LI et al^[19]的部分研究结果一致。密度控制是调整林分结构和提升林地生产力的重要途径之一。间伐在短时间内会造成蓄积量和规格材出材量的损失^[10]，但随着培育时间的延长，林分蓄积量和规格材出材量的损失可通过材种结构的提升进行弥补。本研究的林分蓄积量随林分密度减小而极显著减少，但规格材出材量随林分密度减小却呈递增趋势，因此说明蓄积量的减小并未影响规格材的产出，从经济效益来看，林分单位面积产值并未降低。张水松等^[24]对10年生杉木人工林间伐后20 a间的平均产值变化研究表明，林分产值在经济效益方面经历了4个时期，即上升期、高峰期、高峰延续期和下降期，而本试验林应处于第一个时期，即经济效益的上升期。

本试验林的培育目标为大径材，其培育年限为25 a以上，从本研究对现阶段的林分生长量和材种结构分析来看，第2次密度调整对林木径阶分布的影响正处于持续上升中，林分蓄积量因密度调整所带来的损失仍未得到有效补偿，因此，在后期培育过程中，宜将第3次密度调整时间设置在多年(5 a以上) 之后，达到提高林分总产量和高规格材出材量的双重目标。根据本研究结果可知，在融江流域，立地质量对林分生长量和材种结构的影响在中龄林时期已十分明显，地位指数16及以上的立地均适宜培育杉木人工林；密度调整对林木径阶分布产生规律性影响，密度减小虽然降低了林分蓄积量，但却增加了规格材出材量，因此，在杉木速生丰产林培育时，可在8~10 a间将林分密度调整至1 005株·hm^-2，再经过6~8 a培育，将收获较高比例的规格材出材量。