巨柏生长过程分析

Analysis of Growth Process of Cupressus Gigantea

摘要

为研究巨柏生长特征及规律，制定有效经营保护措施。本文以朗县天然分布区的巨柏平均标准木为研究对象，采用树干解析法，分析了其自然条件下生长变化规律。研究结果表明：129 a生巨柏标准木的树高、胸径与材积总生长量分别为12.4 m、25.2 cm与0.2 090 m³；树高连年生长量和平均生长量曲线相交于11 8a，达到树高成熟年龄；120 a胸径连年生长量已出现最大值0.51 cm，而平均生长量最大值仍未出现；巨柏材积平均生长量和连年生长量曲线相交于105 a，此时理论上巨柏达到数量成熟；巨柏生长过程分为三个阶段，1 ~ 80 a为幼树期，80 ~ 120 a为速生期，120 a后为近成熟期；近成熟期后随着树龄增长，巨柏树高、胸径及总生长量仍在增长，但生长速度逐渐减慢，最终可成千年古树。

Abstract

In order to study the growth characteristics and rules of Cupressus gigantea, effective management protection measures were formulated. In this paper, the average standard tree of Cupressus gigantea in the natural distribution area of Langxian was used as the research object, and the change rule of the growth of the Cupressus gigantea under natural growth conditions was analyzed by trunk analysis method. The results showed that the total growth of tree height, DBH, and volume of 129 a was 12.4m, 25.2 cm and 0.2 090 m3 respectively. The curves of annual growth of tree height and average growth of tree height intersected at 118 a, and reached the mature age of tree height at 120 a, the maximum annual growth of DBH was 0.51 cm, but the maximum average growth has not yet appeared; The average growth volume and annual growth curve of Cupressus gigantea intersect at 105 a, at which time theoretically reached quantitative maturity; The growth process of Cupressus gigantea was divided into three stages, 1 ~ 80 a was the young stage, 80 ~120 a was the rapid growth stage, and 120 a was the near maturity stage; After the near maturity period, with the increase of age, the height, DBH and total growth were still growing, and eventually grew into a thousand ~ year ~ old tree.

Graphical abstract

关键词

巨柏 / 树干解析 / 生长特性 / 生长过程

Key words

Cupressus gigantea / analysis of the trunk / growth characteristics / growth process

巨柏(Cupressus gigantea)为柏科，柏木属高大乔木，树高可达45 m，胸径可达6 m，仅分布于雅鲁藏布江流域的林芝、米林及郎县等地，其中以朗县分布最为集中，主要在海拔3 000 ~ 3 400 m沿江两岸的谷地、阶地、坡麓地的中下部，形成稀疏纯林，具有明显的走廊式分布特征^[1-3]。

树木生长过程是林木于不同年龄生长状态的直接表现，研究树木生长过程，可以确定树种的不同生长阶段的特性、数量、成熟时间等信息，对于合理抚育经营以及生长评价等有着重要的指导意义。目前国内学者潘刚^[4]、边喜丽^[5]、李瑛萍、杨小林^[6]等对巨柏单株生长特性进行了探索研究，总结了巨柏树高、胸径、材积的最优方程，结果为研究巨柏林分整体的平均水平提供依据。为研究巨柏天然林整体平均生长规律及特征，本文采取平均标准木法深入探讨了巨柏的树高、胸径和材积的总生长量、平均生长量、连年生长量，同时还分析了胸径和树高之间的关联关系，解析巨柏的生长过程，以揭示巨柏的生长规律，为巨柏的保护和利用提供科学依据。

1 试验材料及方法

1.1 研究区域概况

本研究地位于西藏自治区林芝市朗县巨柏天然分布区，平均海拔3 100 ｍ，年均温8.9 ℃,大于5.0 ℃年积温3 118 ℃，年降水量412.6 mm，蒸发量2 682 mm，年日照时数2 230.2 h，无霜期150 d，气候类型较多，可分两大气候类型：雅鲁藏布江河谷气候和山地气候^[7]。

1.2 试验材料

采用平均标准木法选择标准木。在林芝市朗县巨柏天然分布区内对样方林分进行每木检尺，在对巨柏现实林分样地调查的基础上，根据平均高、平均胸径，进行标准木的选择。由于巨柏保护的特殊性在巨柏天然林林分内选取1株生长健壮、冠型丰满、无病虫害、不断梢的标准木进行树干解析^[8]。标准木树高H=12.4 m，胸径d_1.3=25.2 cm，树龄A=129 a。

1.3 解析木获取

将样木伐倒后，打去枝丫，用皮尺从树根量至树梢量取样木高度，对伐倒木进行树干解析。根据树高以2 m为一个区分段，截取5.0 cm厚的圆盘，从基部开始编号为0号盘，以上部分依次编号1，2，3…，共获得7个圆盘。在圆盘的非工作面上做好南北方向标注，标记好树种、采伐位置和时间等^[8]。将圆盘进行抛光打磨，有助于更好地观察年轮的形态变化，更加精确地获取年轮数。在圆盘上通过髓心划出东西、南北两条直径线，从而可以更加清晰地观察年轮的分布情况，准确地查数出每个圆盘上的年轮数。

1.4 数据处理

年轮查数：0号盘由髓心向外数，0号盘的年轮数为巨柏的年龄，按10 a为一个龄阶，并对其位置进行标记，最后不足10 a的则为一个不完整的龄阶，以后各圆盘除去不完整的年轮数后，按10 a为一龄阶，由外向内查数。处理完成后，测定每一龄阶的直径及断面高度，并依据结果进行绘图，进行巨柏标准木生长过程分析。

用Excel 2019软件进行数据处理、CAD软件分析数据、绘制相关图像，建立巨柏标准木各龄阶树高、直径计算模型，该模型既可以用于各种区分方式的解析木计算,又可以简便获取解析木每一阶段各项指标，使树干解析简便直观、易于理解、操作便捷^[9-10]。标准木的材积（V）采用平均断面积近似求积式法计算^[8]。

2 结果与分析

2.1 树干纵断面图

纵坐标为巨柏标准木断面高度，横坐标为计算出生长到该断面高度所需的年龄数，根据适当比例，运用CAD绘制出巨柏的树干解析纵断面图，如图1所示。

图1直观的反映出巨柏各龄级树干的形状和高度。从该巨柏树干解析纵剖面图中可以得知，在0 ~ 80 a期间，树高和胸径生长缓慢且均匀，曲线较为密集；80 a之后，树高、胸径的生长速度均有所提升，特别是90 ~ 100 a期间，巨柏生长发育旺盛。随着树龄的增加，曲线越来越密集,说明巨柏的生长速度逐渐减慢，80 ~ 110 a是巨柏生长最快的时期，树高和胸径生长量最大，也是巨柏整个生长时期内木材长得最快的时期。接近成熟期时,各生长指标出现最大值或将出现最大值；成熟期后生长速度减慢，但仍会继续生长。

2.2 生长规律

2.2.1 树高生长规律

绘制巨柏树高生长过程曲线和平均生长量、连年生长量曲线，如图2和图3所示。巨柏树高总生长量为12.4 000 m，平均生长量为0.096 m，连年生长量为0.1 500 m。

由图2可知，巨柏树高与树龄成正比，55 ~ 80 a生长速度较为缓慢，增量较小；80 ~ 120 a时增速最快，树高生长量最大，120 a后生长速度趋于平稳。图2可得拟合方程：

y= -0.00 007x³+0.02x²-1.6 473x+43.035 （R²=0.984（R²＞0.9））

图3可知，树高平均生长量总体增速平缓，55 ~85 a树高增长量较少，处于缓慢生长期；84 ~106 a时树高平均生长量明显加快，处于生长旺盛期；106 a时树高平均生长量达到最高值0.0 906 m，随后增速逐渐减慢，与树高连年生长量相交于118 a。118 a以后树高趋于稳定。

2.2.2 胸径生长规律

绘制巨柏标准木树高1.3 m处截取圆盘的胸径总生长量和连年生长量、平均生长量曲线，如图3和图4所示。该129 a巨柏标准木胸径（去皮）总生长量为35.2 000 cm，平均生长量为0.1 953 cm，连年生长量为0.1 916 cm。

由图4可知,巨柏胸径与树龄成正比，10 a ~100 a随着树龄的增大而增大，但总体增长速度较缓；100 a ~ 120 a增长速度加快；胸径连年生长量120 a达到最大，但平均生长量未出现最大值，巨柏仍在继续生长。

由图4可得拟合方程：

y =0.00 002x³ - 0.0 025x² + 0.2 253x -0.7 616 （R² = 0.9 959（R²＞0.9））

由此可推断巨柏各年龄时树高，具一定的可行性。

由图5可知，胸径平均生长量在100 a前增长速度较为平缓，波动范围在0.0 800 ~ 0.2 400 cm之间；100 a后增长速度有所提升，但无法确定其是否为最大值。

巨柏胸径生长过程中，10 ~ 70 a之间波动范围在0.0 800 ~ 0.1 400 cm之间，较70 a ~ 100 a时波动幅度（0.1 500 ~ 0.2 400 cm）小。在巨柏生长期间，30 a时连年生长量达到0.1 700 cm，说明当年巨柏胸径生长状况良好；70 ~ 100 a之间增速先增加后减慢，波动幅度为0.0 800 ~ 0.2 400 cm；100 a后胸径连年生长量快速增大至最大值0.5 100 cm，波动幅度为0.1 400 ~ 0.5 100 cm，且远大于平均生长量，说明90 a时胸径连年生长量并不是最大值，在这一生长阶段内巨柏处于生长旺盛期，胸径不断增大；120 a后胸径平均生长量不断减小，至0.2 100 cm，生长速度开始减慢，但仍在继续生长。

2.2.3 材积生长规律

对巨柏标准木材积（去皮）进行分析，绘制巨柏标准木树材积总生长量和连年生长量、平均生长量曲线，如图6和图7所示。该129 a巨柏标准木材积总生长量为0.2 090 m³，平均生长量为0.0 023 m³，连年生长量为0.0 018 m³。

由图6可知，巨柏标准木总生长量一直呈上升趋势，在84 ~ 91 a材积积累速度最快，此时巨柏处于快速生长阶段，96 a后进入缓慢生长阶段，到129 a时材积总生长量为0.2 091 m³。

由图7可知，巨柏标准木平均生长量、连年生长量均呈先增长后下降的趋势，在91 a时连年生长量最大值0.0 056m³，在105 a时平均生长量达到最大值0.0 021 m³。平均生长量与连年生长量曲线相交于105 a，说明此时巨柏标准木达到数量成熟，数量成熟龄为105 a。

2.2.4 胸径与树高关系

根据图2与图4所拟合方程，可以求出每一树高所对应的胸径，依据结果绘制图8。由图8可得方程：

y=0.0 115x³-0.1 988x²+2.3 894x+4.9 393（R²=0.9 646(R²＞0.9)）

相关系数较高，拟合效果较好，可用于推断巨柏各胸径对应的树高。

由图8可知，巨柏在生长过程中，树高与胸径成正比例，在树高快速增长期，胸径也快速增大，而巨柏达到数量成熟后，生长减缓，树高、胸径生长速度都在随之减缓。

3 结论与讨论

通过对巨柏标准木的树干解析分析，一定程度上揭示了巨柏的生长规律，为了解巨柏生长过程奠定基础。研究结果表明，该巨柏标准木，树龄129 a，树高12.4 m，胸径25.2 cm。胸径、树高总生长量随年龄的增长而增长，总体增长趋势较为平稳。树高平均生长量呈现出先上升后下降的趋势，连年生长量整体呈现上升趋势，增速呈现：慢~快~慢的趋势，树高平均生长量与连年生长量于118 a时相交，此时树高生长量达到数量成熟；材积平均生长量与连年生长量于105 a时相交，此时巨柏达到数量成熟，理论数量成熟龄为105 a，材积生长量较树高生长量先达到数量成熟，说明巨柏树高成熟期比材积成熟期晚，在材积生长量达到数量成熟后，树高并未停止生长，从经营角度看此时还未达到巨柏的最佳轮伐期，还要综合考虑立地条件、经营措施等因素以最大限度开发和最大利用巨柏资源。

胸径与年龄符合曲线y=0.00 002x³-0.0 025x²+0.2 253x-0.7 616（R²=0.9 959）。胸径平均生长量整体呈现出稳定上升的趋势；胸径的连年生长量不断波动，可能与当地气候不稳定或其它胁迫因子有关。在20 a左右胸径平均生长量于连年生长量第1次相交，在相交之前进行人为的抚育管理，可维持巨柏幼树的生长空间和养分的供应，促进巨柏幼树更好的生长。在之后的40年、50 a、80 a、100 a左右分别相交，可能与巨柏生长的自然环境的胁迫有关。在120 a连年生长量达到最大值，129 a时再次接近交汇，可以看出该巨柏胸径在129 a后其生长速率开始降低，但129 a时胸径的连年生长量及平均生长量都维持在一定水平。

巨柏胸径与树高增长量总体呈正比例关系，随着巨柏年龄增加，树高和胸径都在随之增加，符合树木生长规律^[11-13]。比较李瑛萍、杨小林^[6]等人应用逻辑斯蒂生长模型基于68 a巨柏单木树干解析数据的生长过程模拟，本研究采用129 a巨柏标准木解析数据进行研究,具有时间长、数据完整、更具代表性的特点；相比本研究巨柏标准木达到了数量成熟，更具生产指导意义；树高总生长量和胸径总生长量均未出现最大值，说明树高和胸径仍处于生长之中，但随着树龄的增加，树高和胸径生长速度逐渐减缓。反映出现实巨柏是一个生长速度缓慢的树种。综合考虑巨柏树高、胸径、材积的生长过程，可将巨柏生长过程大致分为3个阶段：1 ~ 80 a为幼树期，80 ~ 120 a为速生期，120 a后为近成熟期，成熟期的确定还待进一步的研究，现实分布巨柏保存有较大树龄的古树。

本研究的数据分析建立在巨柏标准木的树干解析上，分析结果具有一定代表性，可用于巨柏林分整体状况的初步判断，要全面深入了解巨柏的生长过程规律及特点，还需分别不同地类进行取样研究。

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基金资助

“西藏高原林业生态工程重点实验室”资助