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Dynamic Growth Response of Pinus Massoniana Plantation on Intensive Thinning in Southwestern Guangxi, China

  • Corresponding author: LEI Yuan-cai; 
  • Received Date: 2016-09-23
  • Objective Growth dynamics of Pinus massoniana were studied under intensive thinning so as to screen out suitable thinning intensity and provide technical support for close-to-nature management of Masson pine plantations. Method A thinning trial was conducted in a 14-year-old Masson pine plantation with stand density of 1 100 trees per hectare in October, 2007. Four thinning treatments including 225, 300, 375 and 450 trees left per hectare and the control without thinning were arranged. Since 2008, growth performance such as diameter at breast height (DBH), height, height of crown base and crown area were measured every two years, and wood volumes were calculated at the single tree and stand level. These data were analyzed through one-way variance analysis and Duncan multiple range tests to reveal dynamical responses of these index to all sorts of thinning intensities. Result Stand growth performance were significantly influenced by thinning intensity, mean annual increments of DBH, single tree volume, crown area decreases with increase of stand density of thinning treatments, but they were all significantly higher than those of the control (P < 0.05). The crown area increments of Masson pine were the highest during year 1 to 3 after thinning, while increments of DBH were the highest during year 3 to 5. No obvious relationship was observed between tree height growth rate and thinning density. Increases of crown base height and stand volume were significantly affected by stand density, and they increased with increase of stand density, while the differences of stand volume decreased with increase of forest age. Conclusion In the present study, Masson pine's response of crown growth to intensive thinning was the most sensitive and rapid. The crown area increased sharply at first, then resulted in rapid growth of DBH, while tree height and crown base height increased a bit stably. Thinning with four intensities all remarkably influenced the growth of single tree volume, but only thinning with 225 trees left per hectare had significant effect on increment of stand volume. Taking mean annual increments of the single tree volume and stand volume, thinning intensity with 300 trees left per hectare was recommended for close-to-nature management of 15-year-old Masson pine plantations in southwestern Guangxi.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Dynamic Growth Response of Pinus Massoniana Plantation on Intensive Thinning in Southwestern Guangxi, China

    Corresponding author: LEI Yuan-cai; 
  • 1. Tropical Forestry Research Center, Chinese Academy of Forestry, Pingxiang 532600, Guangxi, Chian
  • 2. Research Institute of Forest Resources Information Techniques, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, Chian

Abstract:  Objective Growth dynamics of Pinus massoniana were studied under intensive thinning so as to screen out suitable thinning intensity and provide technical support for close-to-nature management of Masson pine plantations. Method A thinning trial was conducted in a 14-year-old Masson pine plantation with stand density of 1 100 trees per hectare in October, 2007. Four thinning treatments including 225, 300, 375 and 450 trees left per hectare and the control without thinning were arranged. Since 2008, growth performance such as diameter at breast height (DBH), height, height of crown base and crown area were measured every two years, and wood volumes were calculated at the single tree and stand level. These data were analyzed through one-way variance analysis and Duncan multiple range tests to reveal dynamical responses of these index to all sorts of thinning intensities. Result Stand growth performance were significantly influenced by thinning intensity, mean annual increments of DBH, single tree volume, crown area decreases with increase of stand density of thinning treatments, but they were all significantly higher than those of the control (P < 0.05). The crown area increments of Masson pine were the highest during year 1 to 3 after thinning, while increments of DBH were the highest during year 3 to 5. No obvious relationship was observed between tree height growth rate and thinning density. Increases of crown base height and stand volume were significantly affected by stand density, and they increased with increase of stand density, while the differences of stand volume decreased with increase of forest age. Conclusion In the present study, Masson pine's response of crown growth to intensive thinning was the most sensitive and rapid. The crown area increased sharply at first, then resulted in rapid growth of DBH, while tree height and crown base height increased a bit stably. Thinning with four intensities all remarkably influenced the growth of single tree volume, but only thinning with 225 trees left per hectare had significant effect on increment of stand volume. Taking mean annual increments of the single tree volume and stand volume, thinning intensity with 300 trees left per hectare was recommended for close-to-nature management of 15-year-old Masson pine plantations in southwestern Guangxi.

  • 马尾松(Pinus massoniana Lamb.) 是我国南方亚热带地区分布最广、资源最多的松类树种,不仅具有很高的经济价值,而且在森林生态系统恢复和重建中发挥着重要作用[1]。桂西南地区热量丰富、雨量充沛且雨热同季,是马尾松高产区之一;然而,由于大面积成片马尾松纯林经营,出现虫害频发、生态功能下降等问题[2]。为解决马尾松虫害问题,中国林业科学研究院热带林业实验中心(以下简称热林中心) 自2005年以来,陆续开展了马尾松人工林近自然化改造的探索, 方法是选择适宜的采伐强度,在林下套种乡土阔叶树进行马尾松人工纯林近自然化改造,促进其向马尾松-阔叶异龄林的转变,并加快马尾松大径材培育速度。本研究于2007年,对热林中心14年生马尾松人工林开始进行近自然化改造的不同强度采伐试验,定期开展生长观测,以期揭示不同强度采伐下马尾松林分的生长动态,为完善马尾松人工林近自然经营提供参考。

    早在19世纪,瑞士和斯洛文尼亚即开展近自然森林经营研究,Schütz[3]研究了近自然化改造100年后的欧洲橡树林,发现近自然森林经营能很好地解决采伐和天然更新等经营问题。Ward[4]对北美红栎(Quercus rubra L.) 及Miller[5]对北美红栎、山栎(Quercus prinus L.)、美国黑樱桃(Prunus serotina Ehrh.)和黄杨木(Liriodendron tulipifera L.)的研究均表明,采伐能促进幼龄林的胸径生长。Smith等[6]对北美红栎及Stringer等[7]对白栎(Quercus fabri Hance)的研究发现,强度采伐亦能促进成熟林的胸径生长。Trimble[8]对黄杨木和美国黑樱桃及Lamson等[9]对加拿大糖槭(Acer negundo Linn.)的一些研究认为, 采伐会减缓树高生长;Smith等[10]的研究则认为, 采伐对美国黑樱桃、加拿大糖槭的树高生长基本无影响,但对黄杨木的树高生长具促进作用。相对于常规间伐,近自然经营中的采伐强度更大,主要针对林分中的目标树进行单株管理,使目标树在较短的时间内达到目标胸径[11]。从国内有关近自然经营采伐的研究报道可看出,大部分是关于采伐后的林下物种多样性[12]、森林更新[13]和目标树生长[14]等研究,而关于林木生长对采伐的动态响应研究较少,仅李婷婷等[15]研究了杉木人工林近自然化改造后的林分生长,比较了47%和61%两个强度采伐后4年内林分蓄积生长量和单木生长量等动态变化。尽管目前已有一些关于马尾松、杉木间伐方面的研究[16-18],而对不同强度采伐后的马尾松生长动态鲜有报道。为此,本文利用马尾松近自然改造试验林,以系统研究马尾松生长指标与采伐强度间的相关性,为马尾松人工林近自然化改造工作提供依据和指导。

1.   试验地概况
  • 研究地位于广西凭祥市热林中心伏波实验场(22°03 N, 106°51 E),海拔400 m,属南亚热带季风气候,干湿季明显,年均气温20.5~21.7℃,年均降水量1 200~1 500 mm,年蒸发量1 261~1 388 mm。土壤为花岗岩发育而成的砖红壤。

    1993年,在热林中心伏波实验场用种源为宁明桐棉的1年生裸根苗营造马尾松人工纯林,株行距为2.0 m×2.5 m,初植密度为2 000株·hm-2, 于1999年和2003年分别进行了强度约20%的透光伐和强度约30%的抚育性间伐。

2.   研究方法
  • 2007年10月,选择立地条件和生长情况基本一致的马尾松人工林地段,开展不同强度采伐试验,样地概况见表 1。试验采用完全随机区组设计,设置80%(Ⅰ)、73%(Ⅱ)、66%(Ⅲ)和59%(Ⅳ)4个采伐强度以及1个对照(未采伐,CK),4次重复,共20个小区,小区面积为1 500 m2。采伐后在马尾松林下挖规格为30 cm×30 cm×40 cm的穴,按照4 m×5 m株行距均匀套种1年生大叶栎(Castanopsis fissa Rehd. et Wils.)、红锥(Castanopsis hystrix Miq.)、格木(Erythrophleum fordii Oliv.)、灰木莲(Manglietia glauca Blume)、铁力木(Mesua ferrea L.)、枫香(Liquidambar formosana Hance)和香梓楠(Michelia hedyosperma Law)等阔叶树种1年生苗450~525株·hm-2,对照为不采伐、不套种。采伐前,根据单木生长竞争因子将林木分为目标树、特殊目标树、干扰树和一般木,分别进行标记、编号。选择目标树做永久性标记,按照试验设计要求,伐除全部干扰树及部分一般木[11],此工作在2007年底之前全部完成。

    样地
    Sites
    坡度
    Slope degree/(°)
    海拔
    Altitude/m
    平均胸径
    Mean DBH/cm
    平均树高
    Mean height/m
    立地指数
    Site index
    郁闭度
    Canopy ensity
    1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4 20~40 350~430 17.73 12.78 22 0.8
    1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4 20~40 350~430 17.65 12.04 20 0.9
    1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4 20~40 350~430 17.45 12.89 22 0.8
    1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅳ4 20~40 350~430 17.33 11.93 20 0.9
    CK1、CK2、CK3、CK4 20~40 350~430 17.96 12.64 22 0.9
    注:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示处理,其采伐强度分别为80%、73%、66%和59%;下标为区组编号。
    Notes: Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ and Ⅳ refer to thinning treatments, and their intensities are 80%, 73%, 66% and 59%, respectively; and their subscripts are codes of blocks in the experiment.

    Table 1.  Plots situation

  • 采伐作业前,在马尾松纯林内设置3块400 m2的圆形样地进行本底调查,调查样地内所有马尾松植株的胸径、树高、枝下高和冠幅。应用围尺进行每木检尺,采用皮尺分东、西、南、北4个方向测定冠幅,VERTEX超声波测高器测量树高和枝下高。林分平均保留密度为1 100株·hm-2,平均胸径18.26 cm,平均树高11.64 m,平均蓄积量150.25 m3·hm-2。采伐后,在每个小区中心位置附近选取一个圆心点布设半径为11.3 m、面积400 m2的圆形样地,分别于2008、2010、2012、2014年底和2016年8月对所有保留木进行生长观测。

  • 冠面积为东西、南北2个方向冠幅的乘积。

    式中:h为全树高(m);g为胸高断面积(m2);f为平均实验形数,马尾松取0.39[19]

    采用单因素方差分析和Duncan多重比较检验不同采伐强度下马尾松林分的胸径、树高、单株材积和蓄积年均增长量及枝下高、冠面积年均变化量,应用SPSS16.0软件进行数据统计分析。由于套种的植株尚未进入主林层,对马尾松生长的影响较小,故本研究在分析生长动态时未予考虑。

3.   结果与分析
  • 不同采伐处理第9年与第1年比较,各处理的胸径增幅为22.6%(CK)~53.1%(Ⅱ),胸径总生长增量为4.19(CK)~11.22 cm(Ⅱ),均随着采伐强度的增大呈先递增后逐渐稳定的趋势(表 2)。由图 1可看出:各采伐处理的胸径生长随着时间的推移均呈现先加快后逐渐减缓的趋势。胸径生长高峰出现在采伐后第3~5年,其胸径年均增长量显著高于采伐后第1~3年、第5~7年和第7~9年,而这3个时段间差异大多不显著。对照的胸径年均增长量随着时间推移变化较小。

    处理
    Treatment
    保留株数
    Stand density/(trees·hm-2)
    胸径
    Diameter at breast height/cm
    树高
    Height/m
    枝下高
    Crown base height/m
    第1年Year 1 第9年Year 9 第1年Year 1 第9年Year 9 第1年Year 1 第9年Year 9
    225 22.10±0.42a 33.14±0.64a 13.56±0.24a 17.65±0.22a 6.96±0.18a 9.35±0.21c
    300 21.13±0.61a 32.35±0.81a 13.44±0.23a 17.63±0.21a 6.65±0.12a 9.13±0.15c
    375 20.71±0.44a 30.18±0.74b 14.17±0.23a 18.30±0.18a 7.04±0.13a 10.37±0.24b
    450 20.96±0.56a 29.67±0.71b 13.11±0.17a 17.64±0.24a 7.00±0.15a 10.74±0.26ab
    CK 1 100 18.55±0.25b 22.74±0.37c 13.27±0.08a 17.03±0.09a 6.94±0.08a 11.10±0.15a
    处理
    Treatment
    保留株数
    Stand density/(trees·hm-2)
    冠面积
    Crown area/m2
    单株材积
    Individual tree volume/m3
    蓄积量
    Stand volume/(m3·hm-2)
    第1年Year 1 第9年Year 9 第1年Year 1 第9年Year 9 第1年Year 1 第9年Year 9
    225 10.67±0.61b 26.75±2.17a 0.25±0.01a 0.73±0.03a 55.86±5.07c 163.82±10.83c
    300 12.38±0.69a 26.84±1.66a 0.23±0.01a 0.71±0.04ab 69.79±2.88c 213.57±8.59bc
    375 9.14±0.49c 19.00±1.19b 0.23±0.01a 0.64±0.03bc 83.46±7.42bc 235.12±16.38bc
    450 7.74±0.42d 16.35±0.86b 0.22±0.01a 0.60±0.03c 105.24±17.03b 283.13±36.73b
    CK 1 100 6.19±0.25e 9.66±0.37c 0.17±0.01b 0.34±0.01d 195.38±12.47a 388.21±35.08a
    注:表中字母为Duncan多重比较结果,处理间具相同字母表示差异不显著(P≥0.05), 不同字母表示差异显著(P<0.05)。
    Note: Values followed by the same letters in a column are not significantly different among treatments at 0.05 level according to Duncan’s multiple range tests.

    Table 2.  Growth performance of Pinus massoniana stand in Years 1 and 9 after thinning

    Figure 1.  Mean annual growth rate of diameter at breast height(DBH) in Pinus massoniana plantations after thinning with different intensities (Colum values with the same lowercase and capital letters are not significantly different among years after thinning with each intensity and among thinning treatments in each year according to Duncan's multiple range tests at the 5% level. The same below.)

    同一时间段不同处理间比较,采伐后第3~5年和第7~9年,处理Ⅰ和Ⅱ间的胸径年均增长量差异不显著,但二者显著高于处理Ⅲ和Ⅳ,且采伐后第3~5年处理Ⅲ显著高于处理Ⅳ;采伐后第1~3年和第5~7年,处理Ⅰ和Ⅱ均显著高于处理Ⅳ。4个采伐处理的胸径年均增长量在各时间段均显著高于对照,在胸径生长高峰期(第3~5年),处理Ⅰ和Ⅱ比对照增加了2.2倍。

  • 不同采伐处理第9年与第1年相比,树高增幅为28.3%(CK)~34.6%(Ⅳ),总生长增量为3.76(CK)~4.53 m(Ⅳ),4个采伐处理的树高增量与CK差异不显著(表 2)。由图 2可知:各处理的树高年均增长量随时间的推移呈先增大后逐渐稳定或略微减小的趋势,其中,处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和对照的生长高峰出现在采伐后第5~7年,而处理Ⅳ出现在采伐后第3~5年。不同处理间比较,在采伐后第1~3年和第7~9年4个采伐处理的树高年均增长量与对照的差异均不显著;第3~5年处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与对照差异不显著,均显著低于处理Ⅳ;第5~7年处理Ⅲ显著高于对照,而其他采伐处理与对照差异不显著。

    Figure 2.  Mean annual growth rate of height in Pinus massoniana plantations after thinning with different intensities

  • 表 2可知:不同采伐处理第9年与第1年相比,枝下高增幅为34.3%(Ⅰ)~59.9%(CK),其总增量为2.39(Ⅰ)~4.16 m(CK),均随着采伐强度的增大而减小。各采伐处理的枝下高年均增量在采伐后第1~7年表现得比较平稳,而后显著升高;而对照在第1~5年变化不明显,第5~9年显著提高(图 3)。处理间比较,在采伐后第7~9年,处理Ⅲ、Ⅳ的枝下高年均增量显著高于处理Ⅰ、Ⅱ,增量最大的处理Ⅳ比最小的处理Ⅱ高1.1倍;在试验的第5~7年,对照显著高于各采伐处理。

    Figure 3.  Mean annual increase of crown base height (CBH) in Pinus massoniana plantations after thinning with different intensities

  • 不同采伐处理后第9年,各处理的冠面积增量为3.47(CK)~16.08 m2(Ⅰ),第1到9年的增幅为56.1%(CK)~150.7%(Ⅰ),均随采伐强度的增大而增大。处理Ⅰ的冠面积增量是对照的4.6倍,其采伐后第9年的增幅约是对照的2.7倍(表 2)。

    处理Ⅰ、Ⅱ的冠面积年均增长量随时间的推移呈先增大后减小的趋势,处理Ⅲ、Ⅳ在采伐后第1~3年冠面积急剧增大,此后增长而速度逐渐减缓,对照则一直呈稳定状态(图 4)。同一时间段内,冠面积年均增量随采伐强度的增大而逐渐增大,均显著大于对照。在采伐后第1~7年,处理Ⅰ、Ⅱ的冠面积增量均高于处理Ⅲ、Ⅳ,而前、后二者间的差异均不显著,处理Ⅰ、Ⅱ的冠面积增量在冠幅生长高峰期(第3~5年) 是对照的6倍;在采伐后第7~9年,处理Ⅰ的冠面积增量显著高于其他3个采伐处理。

    Figure 4.  Mean annual growth rate of crown area (CA) in Pinus massoniana plantations after thinning with different intensities

  • 不同采伐处理后第9年与第1年相比,单株材积增幅为100%(CK)~209%(Ⅱ),单株材积总生长增量为0.17(CK)~0.48 m3(Ⅰ、Ⅱ),均随采伐强度的加大先增大后趋于稳定(表 2)。

    4个采伐处理的单株材积年均增长量在采伐后第3~5年陡然升高,而后趋于稳定或略微增大。对照的单株材积年均增长量在各时间段内尽管差异显著,但其增长量明显低于各采伐处理(图 5)。相同时间段内,处理Ⅰ和Ⅱ单株材积年均增长量大多显著大于处理Ⅲ和Ⅳ,且4个采伐处理均显著大于对照;各时段均是处理Ⅰ、Ⅱ最高,是对照的2~3倍。

    Figure 5.  Mean annual growth rate of individual tree volume (ITV) in Pinus massoniana plantations after thinning with different intensities

  • 表 2可知:不同采伐处理后第9年与第1年相比,林分单位面积蓄积增幅为98.7%(CK)~206.0%(Ⅱ),随采伐强度的增大呈先递增后稳定的趋势。第1~9年林分单位面积蓄积增长总量随采伐强度的增大呈递减趋势,对照的最大(192.82 m3·hm-2),显著高于处理Ⅰ(107.96 m3·hm-2),与其余采伐处理(143.78~177.90 m3·hm-2) 差异不显著。

    各采伐处理的林分蓄积年均增长量在采伐后第1~3年缓慢增长,第3~5年均急剧增大,在采伐后第5~9年趋于稳定或略微增大;而对照随时间的推移变化较平稳,年际间差异不显著(图 6)。比较同一时段不同处理间林分蓄积年均增长量,采伐后第1~3年和第5~7年,对照显著高于处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,与处理Ⅳ差异不显著;4个采伐处理中,仅处理Ⅰ显著低于处理Ⅲ和Ⅳ。采伐后第3~5年和第7~9年,对照的蓄积年均增长量与处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ差异不显著;在蓄积增长高峰期(采伐后第7~9年),对照的蓄积年均增长量是处理Ⅰ的1.9倍。

    Figure 6.  Mean annual growth rate of stand volume (SV) in Pinus massoniana plantations after thinning with different intensities

4.   讨论
  • 本研究结果表明,14年生马尾松人工林的树冠在采伐后1~3年即呈现快速生长,其冠面积年均增量随时间的推移呈先增大后减缓的趋势。随着树冠的生长,马尾松单株光合作用面积逐渐增加,进而加速了胸径的生长[20-21]。胸径生长的高峰期在采伐后第3~5年,正好在冠面积年均增长量出现高峰期之后。Miller[5]对12~16年生的几种阔叶树选择的目标树进行采伐释放冠幅空间,对胸径和冠幅生长有促进作用,此亦在许多其他树种的研究中得到验证[22-25]。本研究中,各采伐处理对马尾松树高生长的影响不显著,与国外Medhurst等[26]对亮果桉(Eucalyptus nitens Maiden)以及国内张水松等[27]对杉木和谌红辉等[28]对马尾松人工林的间伐试验结果一致,这些研究均得出,间伐能显著促进胸径、单株材积、冠幅的生长,而对树高生长的影响不显著。

    本研究中,除处理CK(保留株数为1 100株·hm-2) 外,其余4个采伐处理的枝下高年均增量高峰均在采伐后第7~9年。枝下高的增量跟树冠结构关系紧密,树冠越密自然整枝越强,枝下高越大[29]。处理Ⅳ采伐后,经过7年的时间,林分树冠又开始出现重叠,郁闭度升高,枝下高增量陡然变大,其余3个采伐处理可能树冠尚未相接,枝下高增量平稳。

    本研究中,马尾松单株材积的年均增长量呈先逐步增大而后稳定和略微增大的趋势,在采伐后第3~9年,处理Ⅰ(保留株数225株·hm-2)和处理Ⅱ(保留株数300株·hm-2)的单株材积显著高于其他处理。林分的蓄积年均增长量受单株材积和保留株数的共同影响,在采伐后第7~9年,采伐处理Ⅱ(保留株数300株·hm-2)、Ⅲ(保留株数375株·hm-2)、Ⅳ的林分蓄积年均增长量与对照差异不显著,而处理Ⅰ则显著低于对照。大径材比例与林分平均单株材积密切相关,林分平均单株材积越大,说明大径材比例越高。由于大径材的价格是中小径材的数倍,大径材培育是我国未来林业发展的重点方向之一[30]。因此,在森林经营中,培育大径材的同时还要保证林分蓄积量的持续高速增长,在二者之间如何寻求平衡尚待研究。

    林下套种阔叶树对保留木生长存在一定的影响,但本研究未考虑其对上层林木的影响;然而,随着时间的推移可能逐渐出现套种林木与马尾松的水肥竞争。另一方面,阔叶树的凋落物分解快,可以加速林地的养分循环,从而对林下物种多样性、土壤等亦会产生积极影响。不同强度采伐后,林分的恢复是一个长期的过程,采伐强度越大,则影响的持续时间越长[31]。总而言之,本研究只是采伐后马尾松生长动态研究的阶段性总结,未来阔叶树逐渐进入主林层,马尾松的生长动态必然会受影响;林下植被的变化亦会影响地力,进而影响林分生产力[32-34],有待长期观测研究。

5.   结论
  • 马尾松在不同强度采伐下,林分空间结构发生变化,树冠生长空间得到释放,冠幅加速生长,林分的胸径和单株材积在采伐后第3~5年陡然增大,年均增长量显著高于对照林分。不同采伐强度对马尾松树高生长影响不显著,而对枝下高影响显著,呈现出采伐强度越大,枝下高平均增量越小。单株材积增长量随采伐强度的增大显著提高,而林分蓄积量则呈递减趋势;然而,随着林龄的增大,不同采伐处理间林分蓄积年均增长量的差异逐渐缩小。4个采伐强度的马尾松生长响应大体相近,即采伐后冠幅首先加速生长,随后胸径亦加速生长,只是冠幅和胸径的增幅随着采伐强度的增大而增大,而树高和枝下高变化不大;对照林分的冠幅、胸径、树高生长相对平稳,枝下高增量明显变大。马尾松在不同强度采伐下,根据林分单株材积和林分蓄积年均增量的比较,得出采伐强度66%的林分蓄积量增长量优于其他处理;采伐保留密度300株·hm-2适于马尾松中龄林近自然化改造,既能快速提高林分蓄积量,又能保证单株材积的快速增长。

Reference (34)

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