林分密度對(duì)落葉松節(jié)子和干形的影響

林分密度對(duì)落葉松節(jié)子和干形的影響

落葉松是中國(guó)東北的主要樹種。由于生長(zhǎng)迅速、木材質(zhì)量好、抗旱性和耐寒性，落葉松被廣泛種植在中國(guó)東北部。特別是20世紀(jì)50年代以來，中國(guó)東北的大量次生林被改造成落葉松純林。目前在東北國(guó)有林區(qū)造林面積達(dá)400多萬hm2,占東北人工林總面積的70%左右,是我國(guó)主要的落葉松速生豐產(chǎn)林基地。樹冠結(jié)構(gòu)對(duì)于樹木的生長(zhǎng)非常重要,而樹冠主要是由枝條構(gòu)成,林木間的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)影響樹冠結(jié)構(gòu),而且對(duì)枝條的生長(zhǎng)和死亡有重要影響,林分密度也對(duì)枝條的自然整枝有影響。樹木間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系可以通過一些營(yíng)林措施進(jìn)行調(diào)整,例如調(diào)整林分密度和樹木的空間分布。樹干上節(jié)子的大小是影響木材質(zhì)量的一個(gè)重要因子。因此可以通過控制節(jié)子的大小來提高木材質(zhì)量。要培養(yǎng)落葉松大徑材,需要林分密度比較小,這樣樹木生長(zhǎng)比較迅速。低密度林分和大強(qiáng)度間伐可以使落葉松人工林短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大徑材,但是快速生長(zhǎng)的林分可能導(dǎo)致節(jié)子較大,以及樹干削度較大,因而會(huì)降低木材的質(zhì)量?，F(xiàn)在為了縮短林分輪伐期都采用低密度造林,低密度林分的優(yōu)點(diǎn)是可以擴(kuò)展樹木的生長(zhǎng)空間,加快樹木的生長(zhǎng),在短時(shí)間內(nèi)獲取大徑材。而且低密度林分相對(duì)于高密度林分的成本低,間伐時(shí)期的獲利也高,就目前來說,正常的林分密度為1300~2500株/hm2,在1000株/hm2以下的可以認(rèn)為是低密度林分。在低密度林分中,密度的變化對(duì)材積生長(zhǎng)的影響較小,只有在林分早期的生長(zhǎng)階段有影響。但Assmann研究表明采伐被壓木將有益于優(yōu)勢(shì)樹木的生長(zhǎng),事實(shí)上,適當(dāng)強(qiáng)度的間伐試驗(yàn)已經(jīng)表明隨著密度的減小可以使胸徑增大、材積增加。然而低密度林分的缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)木材質(zhì)量有負(fù)面作用,先前的研究已經(jīng)說明低密度林分樹木生長(zhǎng)快速,特別是在幼齡林階段,將會(huì)產(chǎn)生大枝條和較大的樹干削度,從而降低樹木根部原木的木材質(zhì)量。因此尋找一個(gè)最佳的折中密度,既能提高樹木生長(zhǎng)量又能提高木材質(zhì)量值得我們?nèi)パ芯?。目前在東北地區(qū),落葉松已經(jīng)成為重要的用材樹種,但是目前林分密度對(duì)落葉松節(jié)子和木材質(zhì)量的影響研究還很少。本文的主要研究目標(biāo)是應(yīng)用落葉松不同林分密度的數(shù)據(jù),分析樹木節(jié)子和林分樹木干形的變化。1密度和標(biāo)準(zhǔn)地的選擇試驗(yàn)地位于黑龍江省佳木斯市孟家崗林場(chǎng),地理坐標(biāo)為E130°32′42″~130°52′36″,N46°20′30″~46°30′50″。地處完達(dá)山西麓余脈,以低山丘陵為主,坡度較為平緩,大部分坡度在10°~20°。地勢(shì)東北高,西南低。氣候?qū)贃|亞大陸性季風(fēng)氣候。冬季漫長(zhǎng)、寒冷且干燥;夏季短促、溫暖而濕潤(rùn);早春少雨、風(fēng)大易干旱;秋季降溫迅速,常有凍害發(fā)生。早霜現(xiàn)于9月上、中旬,晚霜終于5月中、下旬。年平均氣溫2.7℃,極端最高氣溫35.6℃,最低氣溫-34.7℃。年積溫2547℃,年平均降水量550mm。全年日照時(shí)數(shù)1955h。無霜期120d左右。土壤以典型暗棕壤分布最廣,還有少量的白漿土、草甸土、沼澤土及泥炭土的分布。植被屬小興安嶺——老爺嶺植物區(qū)的小興安嶺—張廣才嶺亞區(qū),現(xiàn)以柞(Quercusmongolica)、黑樺(BetuladahuricaPall.)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)為主的次生落葉闊葉混交林和人工針葉林。在全部森林資源中,天然林面積3597hm2,蓄積407340m3,分別占全部森林面積、蓄積的27.5%和28.8%;人工林面積9482hm2,蓄積1005400m3,分別占森林面積、蓄積的72.5%和71.2%。本研究在孟家崗林場(chǎng)落葉松人工林中選取不同密度標(biāo)準(zhǔn)地6塊,林分年齡為41~48a落葉松成熟林,地位級(jí)指數(shù)9.64~10.36,近似認(rèn)為林分年齡和地位級(jí)相同,而密度不同,因此按密度分為3個(gè)密度等級(jí)(密度Ⅰ<400株/hm2、500株/hm2<密度Ⅱ<600株/hm2、密度Ⅲ>800株/hm2)。對(duì)每塊樣地進(jìn)行每木檢尺(測(cè)量樹高、胸徑、冠幅等因子),按等斷面積徑級(jí)標(biāo)準(zhǔn)木法將林木分為5級(jí),計(jì)算各徑級(jí)的平均直徑及平均高,以此為標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)地外選擇5株無斷梢、無分叉、干形通直生長(zhǎng)正常的落葉松作為解析樣木,以1m長(zhǎng)為區(qū)分段進(jìn)行樹干解析,截取圓盤。在樹冠基部以下,含有輪生死枝或節(jié)子附近,截取10~30cm長(zhǎng)的木段帶回實(shí)驗(yàn)室,并對(duì)每輪的死枝或節(jié)子進(jìn)行編號(hào)。測(cè)量每個(gè)死枝或節(jié)子離地面的高度,在每個(gè)木段中選取2個(gè)最大的死枝或節(jié)子,沿樹干方向用手持油鋸?fù)ㄟ^樹干髓心進(jìn)行縱剖,得到死枝或節(jié)子的縱剖面。將節(jié)子縱剖面掃描后,用年輪圖像分析系統(tǒng)(WinDENDROTMV6.5)測(cè)量節(jié)子的直徑,節(jié)子長(zhǎng)度(包括健全節(jié)長(zhǎng)度和疏松節(jié)長(zhǎng)度)等。本次研究標(biāo)準(zhǔn)地基本資料見表1。不同林分密度所取樣木的基本統(tǒng)計(jì)見表2。2學(xué)習(xí)方法2.1節(jié)子生長(zhǎng)規(guī)律(1)節(jié)子直徑研究。手工剖析節(jié)子方法的局限性,造成很多節(jié)子丟失,因此本研究只取每輪內(nèi)2個(gè)最大節(jié)子取平均值進(jìn)行研究,計(jì)算不同林分密度所選樣木的每輪2個(gè)最大節(jié)子的平均直徑,并計(jì)算最大節(jié)子所在高度與樹高比值所得的相對(duì)高度,作各相對(duì)高與優(yōu)勢(shì)木、平均木、被壓木變化的散點(diǎn)圖,不同密度林分節(jié)子平均直徑的散點(diǎn)圖,分析不同林分密度下節(jié)子直徑的垂直分布趨勢(shì)。(2)節(jié)子長(zhǎng)度研究。節(jié)子長(zhǎng)度包括健全節(jié)長(zhǎng)度和疏松節(jié)長(zhǎng)度,健全節(jié)是活的枝條留在樹干內(nèi)的一部分,或者枝條死亡后留在樹干內(nèi)的尚未與樹干分離的部分。本文以每個(gè)節(jié)子的相對(duì)著生高度與健全節(jié)長(zhǎng)度做散點(diǎn)圖,分析各相對(duì)高度處健全節(jié)的長(zhǎng)度變化情況,其符合二次函數(shù)的形式,對(duì)不同密度內(nèi)的優(yōu)勢(shì)木、平均木、被壓木進(jìn)行比較,并分析不同林分密度下健全節(jié)長(zhǎng)度在樹干上的垂直變化。(3)節(jié)子不同生長(zhǎng)時(shí)期研究。枝條生長(zhǎng)發(fā)育過程可以分為B、C、D、O4個(gè)階段。其中,B為枝條形成時(shí)的年齡;C為枝條停止形成年輪時(shí)的年齡;D為枝條死亡時(shí)的年齡;O為節(jié)子愈合(包藏)時(shí)的年齡。從枝條形成(B)到節(jié)子愈合(O)可明顯地將節(jié)子發(fā)育分為4個(gè)不同時(shí)期:1)BC;2)CD;3)DO;4)BO。測(cè)定枝條生長(zhǎng)發(fā)育4個(gè)時(shí)期的年輪數(shù)(RXY)和寬度(WXY)把BD部分稱為生節(jié)(Soundknot),而把DO部分稱為疏松節(jié)(Looseknot)。通過節(jié)子分析技術(shù)獲得的不同密度下的平均木節(jié)子數(shù)據(jù)來分析不同林分條件節(jié)子生長(zhǎng)、死亡、被包藏各個(gè)時(shí)期的年輪數(shù)(RXY)和寬度(WXY)變化情況,見圖1所示。2.2樹干形狀與干形的關(guān)系關(guān)于樹木干形和削度的研究已經(jīng)有100多a的歷史,林學(xué)家們利用測(cè)定的胸徑和樹高值提出了許多削度方程來描述干形變化。Lee等研究表明樹干形狀在地面部分是凹面體,在樹木頂端部分為圓錐體,而樹木中間部分為圓柱體和拋物線體?；谶@些理論產(chǎn)生一個(gè)描述干形的函數(shù):式中:Z為樹木的相對(duì)高度,r為隨著樹干的形狀變化的可變參數(shù)。方程(1)中如果r<1,樹干形狀為拋物線形;如果r>1,樹干形狀為凹曲線形;如果r=1或0,樹干形狀為圓柱形或圓錐形。r值隨著樹高的變化而變化,在每個(gè)樹干部位有一個(gè)固定值。因此,r值可以用二次函數(shù)來表示:方程(1)中參數(shù)k可以表示為:聯(lián)合方程(1)、(2)、(3)得到樹干削度方程模型:式中:HDB為胸徑;d是在相對(duì)高度處的樹干直徑;Z是相對(duì)高度;h是樹干離地面的高度;H是樹高,k1、k2、r1、r2、r3為待定參數(shù)。對(duì)模型(4)進(jìn)行改進(jìn),表示成相對(duì)直徑隨樹干高度變化的方程,得到新的削度方程:本研究應(yīng)用(5)式的削度方程中可變參數(shù)來分析樹木干形的變化情況。該方法主要應(yīng)用以下幾個(gè)指標(biāo)來分析樹木干形:(1)樹木根部削度(r0.02和r0.1)和頂端削度(r0.9);(2)干形變化影響點(diǎn)(Zr=1):r值為1時(shí)樹木的相對(duì)高度可以看作樹干根部形狀從凹曲線體向拋物線體和近圓錐體變化臨界點(diǎn);(3)拋物線體、圓柱體和近圓錐體所占比例(Zr<1):可變參數(shù)小于1這個(gè)相對(duì)高度范圍是樹干形狀為拋物線體和圓柱體所占的范圍;(4)最小可變參數(shù)(rmin)可以用來比較樹干形狀的變化,最小可變參數(shù)所在的相對(duì)高度(Zrmin)也可以分析干形的變化。3結(jié)果與分析3.1部落分析3.1.1密度對(duì)節(jié)子直徑的影響對(duì)比3個(gè)密度等級(jí)內(nèi)優(yōu)勢(shì)木、平均木、被壓木的節(jié)子直徑(見表3)變化表明:優(yōu)勢(shì)木、平均木、被壓木的節(jié)子直徑在3個(gè)密度等級(jí)內(nèi)變化相同,只是最大節(jié)子出現(xiàn)的位置不同,優(yōu)勢(shì)木節(jié)子直徑最大,被壓木節(jié)子直徑最小,平均木節(jié)子直徑在二者之間。這是由于優(yōu)勢(shì)木在樣地中處于優(yōu)勢(shì)狀態(tài),樹冠在林分上層,吸收陽光充分,生長(zhǎng)較好,連年生長(zhǎng)較快,所形成枝條的直徑較大,因此枝條死亡后形成的節(jié)子直徑也較大,被壓木處于被壓狀態(tài),生長(zhǎng)較緩慢,所形成的枝條直徑也較小,因此形成的節(jié)子直徑也就越小,平均木介于兩者之間。這符合樹木的生長(zhǎng)規(guī)律。對(duì)比3個(gè)不同林分密度的節(jié)子直徑(見表4)表明:不同林分密度的節(jié)子直徑大小也有明顯的不同,而且最大節(jié)子出現(xiàn)的位置也有很大差別。密度最小的密度Ⅰ樣地的最大節(jié)子直徑值最大,最大節(jié)子出現(xiàn)在樹高18%左右的位置;而密度最大的密度Ⅲ樣地最大節(jié)子的直徑值卻最小,最大節(jié)子出現(xiàn)在樹高57%左右的位置;在中等密度密度Ⅱ樣地中,最大節(jié)子的直徑值處于兩者之間,最大節(jié)子出現(xiàn)在樹高41%左右的位置。這是因?yàn)槊芏娶竦牧址痔幱谏L(zhǎng)優(yōu)勢(shì)狀態(tài),其枝條的生長(zhǎng)空間相對(duì)較大、相互之間的競(jìng)爭(zhēng)較小、陽光較充足,導(dǎo)致枝條生長(zhǎng)旺盛,所以其枝條死亡后形成的節(jié)子直徑較大,而且最大節(jié)子出現(xiàn)的位置在樹干上的部位較低。而密度Ⅲ的林分生長(zhǎng)空間較小,枝條相互競(jìng)爭(zhēng),從而使節(jié)子直徑也較小,最大節(jié)子出現(xiàn)位置也較高。3.1.2生長(zhǎng)空間較3個(gè)密度等級(jí)內(nèi)優(yōu)勢(shì)木、平均木、被壓木健全節(jié)長(zhǎng)度(圖2、3、4)表明:優(yōu)勢(shì)木、平均木、被壓木的健全節(jié)長(zhǎng)度在3個(gè)密度等級(jí)內(nèi)變化相同,優(yōu)勢(shì)木健全節(jié)長(zhǎng)度最長(zhǎng),而被壓木健全節(jié)長(zhǎng)度最短,平均木長(zhǎng)度介于二者之間,這可能是由于樹木的生長(zhǎng)不同所致,優(yōu)勢(shì)木處于樹冠上層,生長(zhǎng)空間相對(duì)較大,枝條擴(kuò)展能力強(qiáng),陽光較充足,枝條生長(zhǎng)旺盛,而且生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng),而被壓木被優(yōu)勢(shì)木壓迫,生長(zhǎng)空間較小,接受陽光較少,生長(zhǎng)時(shí)間較短,枝條過早的死亡導(dǎo)致健全節(jié)長(zhǎng)度也較短,平均木處于二者之間。不同林分密度健全節(jié)長(zhǎng)度變化(圖5)比較的結(jié)果表明:在樹干的基部即低于樹高的40%左右的部分隨著樹木相對(duì)高度的增加健全節(jié)長(zhǎng)度也逐漸增長(zhǎng),而在樹高的40%以上健全節(jié)長(zhǎng)度開始逐漸遞減,這可能由于樹干削度的增加導(dǎo)致樹干半徑的減少所致。密度最小的密度Ⅰ樣地的林分健全節(jié)的長(zhǎng)度最大,密度最大的密度Ⅲ樣地林分健全節(jié)的長(zhǎng)度最小,密度介于中間的林分健全節(jié)的長(zhǎng)度在二者之間,這與節(jié)子直徑的研究規(guī)律相同,也是由于其枝條的生長(zhǎng)空間所致。圖2~圖5應(yīng)用方程Y=a1+a2X+a3X2(a1,a2>0;a3<0)擬合,式中Y是健全節(jié)長(zhǎng)度,X是相對(duì)高度,a1、a2、a3是方程參數(shù)。3.1.3密度的林分密度的林分密度的林分密度的林分密度的確定分析發(fā)現(xiàn):節(jié)子形成可見年輪的時(shí)間平均為5~11a(見表5),在密度Ⅰ的林分節(jié)子生長(zhǎng)過程長(zhǎng)于密度Ⅱ和密度Ⅲ的林分;枝條仍然活著但是不形成年輪的時(shí)期平均為1.8~3.8a(見表5)。從枝條停止生長(zhǎng)后到枝條死亡的時(shí)間隨著密度的增大而減少,密度Ⅲ的林分時(shí)間是最短的;枝條死亡到被包藏的時(shí)間在密度Ⅰ的時(shí)間是11.8a,而在密度Ⅲ的林分中是7.8a(見表5),枝條死亡后被包藏的時(shí)間是枝條從產(chǎn)生到被包藏整個(gè)過程時(shí)間的一半,枝條從產(chǎn)生到被包藏的年數(shù)在密度Ⅰ的林分中是22.7a,這個(gè)年數(shù)隨著林分密度的增大而減小,到密度Ⅲ的林分這個(gè)年數(shù)需要15.2a。林分密度和節(jié)子各個(gè)時(shí)期的樹干寬度的關(guān)系是和密度和各個(gè)時(shí)期年齡的關(guān)系相似的(見表5),各個(gè)時(shí)期的樹干寬度隨著林分密度的增大而減小,由于低密度林分中迅速生長(zhǎng)的樹木直徑生長(zhǎng)量,因此各個(gè)時(shí)期的樹干寬度較大。3.2密度對(duì)樹木干形質(zhì)量的影響按照上述研究方法中提到的采用可變參數(shù)r來描述樹木干形變化,因此本文根據(jù)可變參數(shù)r的變化規(guī)律來分析不同標(biāo)準(zhǔn)地樹木的干形變化情況,本文對(duì)不同密度下落葉松人工林的干形進(jìn)行了分析研究,3個(gè)密度等級(jí)的林分顯示出不同的樹干形狀,通過可變參數(shù)r值來分析干形的不同,各密度林分干形曲線和r值如圖。研究結(jié)果表明:不同密度林分條件下落葉松干形有明顯的不同,其中以密度Ⅰ的標(biāo)準(zhǔn)地干形削度最大,尤其是在樹木根部削度最大,其他位置相差不大,從r值變化來看,也具有相同的規(guī)律,因此認(rèn)為密度Ⅰ的干形質(zhì)量最差,而密度Ⅲ的林分干形削度最小,樹木干形質(zhì)量最好(見圖6、圖7)。說明最小密度林分的干形較差,樹木的削度大。這是因?yàn)闃淠旧L(zhǎng)空間大,樹木生長(zhǎng)速度快就會(huì)造成干形削度差異較大的問題,因此單純追逐生長(zhǎng)量的快速增大,會(huì)導(dǎo)致木材質(zhì)量下降,干形的變化可能還會(huì)受到氣候因子和地形的影響,文中并沒有考慮這些因素,只是從密度方面分析了干形的變化情況。表6中用在相對(duì)高度0.02和0.1處的參數(shù)值(r0.02、r0.1)來代表樹木根部削度和干形,相對(duì)高0.9處的參數(shù)r值(r0.9)來代表樹木頂梢削度和干形,密度Ⅰ的林分比其他林分在樹木根部的削度大很多,但是在樹木頂端削度都相差不大,而密度Ⅱ和密度Ⅲ林分的樹木干形相差不大。把參數(shù)r=1處相對(duì)高度(Zr=1)作為樹干形狀變化的影響點(diǎn),認(rèn)為該點(diǎn)是樹干根部形狀從凹面體向拋物線體轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn),該點(diǎn)的位置越低,樹干的削度越小;可變參數(shù)r<1處的相對(duì)高度(Zr<1)也可以用來比較干形變化,在這個(gè)相對(duì)高度范圍內(nèi)樹干形狀為拋物線體、圓柱體和近圓錐體;可變參數(shù)r的最小值也可以用來比較干形,這個(gè)值越小干形更接近于圓柱體和拋物線體,越低表示干形在中上部削度越小;r值最小的相對(duì)高度(Zrmin)也可以作為一個(gè)比較干形的指標(biāo),如果最小值出現(xiàn)在樹干的最低位置,樹干的削度越小。應(yīng)用這四個(gè)指標(biāo)來比較3個(gè)不同密度林分的樹木干形(見表6)。密度Ⅰ林分的各個(gè)指標(biāo)都和另兩個(gè)林分差異較大,說明在這個(gè)密度的林分比其他標(biāo)準(zhǔn)地林分的削度大。而密度Ⅲ林分的指標(biāo)處于最優(yōu)狀態(tài),說明其林分內(nèi)樹干形狀削度最小更接近于拋物線體或圓柱體,干形在這3個(gè)林分中是最優(yōu)狀態(tài)。4密度對(duì)木材干形的作用不同林分條件下節(jié)子直徑的大小隨密度的增大而減少,最大節(jié)子出現(xiàn)的位置也逐漸提高。優(yōu)勢(shì)木、平均木、被壓木的節(jié)子直徑在3個(gè)密度等級(jí)內(nèi)變化相同,隨著胸徑的增大節(jié)子直徑也逐漸增大,只是最大節(jié)子出現(xiàn)的位置不同,優(yōu)勢(shì)木節(jié)子直徑最大,被壓木