商业疏伐与氮肥添加对68年生扭叶松林木可售性的提升：基于20年结果的实证研究

本综述系统评估了商业疏伐（CT）与氮肥（N）处理对成熟扭叶松（Pinus contorta var. latifolia）林分生长及可售材积的长期影响。研究表明，CT（50%基部面积移除）虽未增加林分立木蓄积量，但显著提高累积可售材积（疏伐移除量+期末立木量）。单株胸径（DBH）生长对CT与施肥（尤其400 kg/ha N水平）呈叠加正响应，且中等径级树木反应最佳。氮肥添加导致未疏伐区死亡率上升，而疏伐使大径级锯材（DBH >20 cm）比例提高20%。该研究为北方森林晚期轮伐期经营提供了关键理论与实践依据。

　　

引言

木材产业在加拿大经济中占据重要地位，2021年出口额达450亿加元。然而，由于火灾、虫害、干旱及林地转用等多重因素，近未来木材供应可能面临短缺。集约育林措施（如商业疏伐和施肥）已被证明能提高北方针叶林的生产力，有助于维持木材供应并保障第二生长周期森林的产出。具备特定尺寸和质量的木材对森林工业的平稳运作至关重要。

商业疏伐作为一种中龄至近熟林分的中间收获措施，可实现即时木材提取、减少自然损耗并促进林分与单株生长。在北美针叶树（如火炬松、杰克松和冷杉）中，商业疏伐可使单株生长量提升达31%，并通过增加保留木的生长空间及减少资源竞争来维持森林生命周期内的生产力。森林施肥是另一种集约经营手段，旨在改善树木生长并最大化林分产量。施肥通过提高资源可用性促进单株生长。疏伐与施肥在个体和林分水平上具有互补效应：疏伐降低林分蓄积与叶面积，但为树冠扩张提供空间；施肥则可能提升光能利用效率、光合速率及碳向树干分配的比率。因此，二者结合常能产生更强的协同响应。

扭叶松是加拿大西部最重要的商业树种之一，在阿尔伯塔省西部山麓地区纯林占比达46%。林分水平上，商业疏伐可增加扭叶松的累积可售材积并缩短轮伐期；个体水平上，疏伐通过增加胸径（DBH）进而提升单株材积，降低采伐与加工成本。这种生长响应具有尺寸特异性，中大径级树木因资源获取能力较强而获益更显著。此外，疏伐还能增强林分对山松甲虫与野火的抗性，并创造类似老龄林的结构特征（如优势木、林隙及多层冠层）。

加拿大西部扭叶松林常受养分限制，尤其是氮（N），以及硼（B）和硫（S）。因此，施用氮肥与微肥可提升林分及单株生产力。例如，在英属哥伦比亚，对8年生扭叶松重复施用150 kg/ha N与混合营养物，14年后平均单株断面积和材积分别增长38%与42%。但响应程度受林龄、施肥频率、配方、立木密度及立地指数影响显著。氮肥常以尿素（CO(NH₂)₂)形式施用，但扭叶松对硝酸铵（NH₄NO₃)响应更佳。除氮外，硫、硼、钙、镁等微量元素的缺乏也可能因氮添加而加剧，故平衡施肥至关重要。

过去40年的研究提供了早期至中龄扭叶松对疏伐与施肥响应的部分证据，但针对晚期轮伐期林分的实践建议仍显不足。本研究利用阿尔伯塔省一项长期试验数据，旨在评估商业疏伐与施肥（单独或组合）对林分生长、单株生长及死亡率的长期影响。

材料与方法

试验于2000年春设立于一片68年生火烧起源扭叶松林分（北纬53.399°，西经117.071°），位于阿尔伯塔省上麓山自然亚区。建址时叶面营养分析表明氮浓度仅1.01%，属严重缺氮；其他元素如磷（0.16%）、镁（0.09%）、钾（0.4%）、硫（0.09%）和硼（32.5 ppm）也存在中度缺乏。立地指数为15 m（基准年龄50年），属中等生产力。

试验采用随机完全区组设计，设3个区组，疏伐与施肥因子以裂区安排组合。疏伐处理应用于主区，施肥处理于每个主区内6个裂区。疏伐设2水平：商业疏伐（从下层移除50%基部面积）与不疏伐（对照）；施肥设6水平：a) 200 kg/ha尿素N + 3 kg/ha硼；b) 200 kg/ha尿素N + 混合肥；c) 400 kg/ha尿素N + 3 kg/ha硼；d) 400 kg/ha尿素N + 混合肥；e) 400 kg/ha硝酸铵N + 硼；f) 不施肥（对照）。混合肥包含100 kg/ha磷、75 kg/ha硫、37.5 kg/ha镁和3 kg/ha硼酸盐。疏伐小区尺寸为52 m × 40 m，未疏伐小区为40 m × 40 m，各设20 m × 20 m核心测量区及10 m施肥缓冲带。

疏伐目标为维持扭叶松间距系数15.5%–19%及疏伐后立木密度指数600。沿集材道移除所有树木，保留健康优势木，最终移出96 m³/ha总材积与70 m³/ha可售材积，保留密度1680株/公顷。疏伐与未疏伐小区在处理前直径（11.1 cm）与树高（15.2 m）无差异，疏伐后平均直径增至12 cm。所有活木于200年与2021年测量胸径（DBH）、树高、活枝下高，并计算基部面积（m²/ha）、可售与总体积（m³/ha）及平均直径。使用阿尔伯塔省开发的体积方程（15/10可售标准：伐桩高30 cm处最小去皮直径15 cm，梢头去皮直径10 cm）计算材积。累积材积为疏伐移除量与期末立木量之和。

个体与林分生长计算为2000–2021年间定期增量，死亡率基于活木数差值。可售DBH阈值为13.4 cm，锯材标准为>20 cm DBH。树木按5 cm径阶分组分析。采用ANOVA比较处理均值（R 4.3.0），事后检验使用Tukey校正。个体DBH增量模型以处理与初始DBH为协变量，包含区组内主区随机效应。通过置信区间重叠评估尺寸特异性响应，比较处理间死亡率与可售木密度。显著性水平设为0.05。

结果

20年后（林龄88年），未疏伐小区立木可售材积较疏伐小区高32 m³/ha（F=4.32, p=0.04），但累积可售材积疏伐区显著更高（F=3.67, p=0.04）。施肥处理间立木可售材积差异极显著（p<0.01），400 kg/ha硝酸铵+硼处理最高（202 m³/ha）。处理后基部面积增长处理间无差异（10.1 m²/ha；疏伐p=0.79, F=0.65；施肥p=0.68, F=0.62）。未疏伐区总密度（3218株/公顷）显著高于疏伐区（1624株/公顷）（F=16.08, p<0.001），但疏伐区大径锯材比例（>20 cm DBH）较未疏伐区高20%（F=23.87, p=0.04）。

个体DBH增长疏伐区（4.32±0.2 cm）显著大于未疏伐区（3.39±0.05 cm）（F=8.04, p=0.04）。氮源（尿素vs.硝酸铵）在400 kg/ha水平无差异（p=0.07），硼与混合肥在200或400 kg/ha N水平亦无差异（p>0.05）。施肥疏伐区个体DBH增长显著高于施肥未疏伐区（F=4.02, p=0.01）。

初始DBH是DBH增长的强正预测因子（F=178, p<0.001），且与处理间存在交互效应。疏伐在未施肥及三个400 kg/ha N处理中增加直径增量，但响应依赖初始DBH：中径木（10–15 cm）在无肥时响应最强，大径木与最小径木无响应。仅400 kg/ha硝酸铵+硼处理在全DBH范围内一致提升增量。

未疏伐区死木数（2022株/公顷）显著高于疏伐区（758株/公顷）（F=33.15, p=0.02），未疏伐区死亡率超50%。施肥增加死亡率（F=1.65, p=0.00），未疏伐区更显著（F=2.12, p=0.03）。疏伐未施肥区死亡率最低（36%）。未疏伐区可售木死亡率（425株/公顷）显著高于疏伐区（195株/公顷）（F=12.41, p<0.001）。

讨论

本研究表明，商业疏伐（单独或配施氮肥）可提升阿尔伯塔上麓山天然扭叶松林的木材产量与潜在价值，即便在晚期轮伐阶段（68年生）亦然。鉴于疏伐在阿尔伯塔（尤其未经营林地）应用较少，本研究证实其在中质立地与天然林中仍能有效改善可售性。

累积可售材积增加在北美天然与经营针叶林研究中并不常见，但本研究中疏伐区20年后累积量反超未疏伐区（增量6.3 m³/ha）。这与早期研究（27 m³/ha/15年）的差异可能源于立地质量（本研究属中等）。疏伐另一优势是促进树木进入大径级（>20 cm密度+20%），意味采伐效率与林分价值提升。基部面积增长处理间无差异，表明个体生长补偿了疏伐造成的密度损失。

疏伐促进个体DBH增长源于竞争减少与资源空间再分配，这与北美针叶树（包括扭叶松）已有结论一致。这些发现对阿尔伯塔政策制定者具重要意义，可能改变其关于集约经营（如疏伐）不经济的观点。

初始尺寸是未来DBH增长最强预测因子。中径木（10–15 cm）在无肥时响应最显著，因它们从优势木竞争释放中获益最多；大径木已充分获取资源故无响应，最小径木则受冠层压制而增长停滞。

立地严重缺氮与硼，故施肥配比竞争移除可协同促进生长。高施肥水平（>400 kg/ha N）更优，因土壤养分可用性直接支持生长。虽先前研究推荐平衡微肥（如钠、钙、硼、镁）以预防氮添加引发的次生缺乏，但本研究中肥料组合（硼vs.混合肥或尿素vs.硝酸铵）未导致差异，可能因单次施肥后响应期（尿素6年、硝酸铵7–10年）已过。

疏伐降低死亡率而施肥增加之。疏伐减少邻体竞争与自疏引发的密度依赖性死亡；施肥则可能扩大尺寸歧化，促中大径木优先获取养分，加剧小径木死亡。研究报道施氮超400 kg/ha会强化地下竞争进而增加死亡率。施肥效应依疏伐与否而异：个体增长在疏伐施肥区最高，但死亡率在未疏伐施肥区最高。其他研究也支持疏伐配施氮肥优于单施，因疏伐重构空间而施肥提升叶生物量与光能效率。

商业疏伐与氮肥对单株及林分可售材积的促进已有共识，关键考量是疏伐强度：强度增加虽提升个体释放，但过高（>30%–45%基部面积移除）可能降低林分产量。本研究目标强度为50%，但实际因健康木保留与间距调整可能略低。晚期疏伐在未经营林分中的应用效果争议较大（有研究报无效或负面），但本研究表明68年生天然林仍能获正响应，唯需更多研究验证其普适性。

致谢

感谢West Fraser—Hinton Wood Products与森林资源改善协会（FRIAA）提供资金支持，以及Sharon Meredith的技术协助与审稿人的宝贵意见。