间伐与修枝对人工林木材质量影响的研究进展

张士韬，欧阳林男，陈少雄，杨嘉麒

（1.中国林业科学研究院 速生树木研究所，广东湛江 524022；2.南京林业大学 林学院，江苏南京 210037）

人工林在全球森林资源中占据重要地位，其在维持生态平衡和促进林业经济发展方面发挥着关键作用。我国人工林发展迅速，却因长期缺乏理论指导和相应技术支持，质量普遍较低。间伐和修枝作为有规划、有目标的林木和枝干去除手段，对人工林的培育至关重要。有效的抚育计划、标记、剩余林木的保护、林地清理以及对剩余林木生长状态和效果进行跟踪监测，是优化间伐和修枝措施的具体步骤。研究表明，间伐对日本柳杉（Cryptomeriajaponica）的木材密度有改善作用[1]，但对北美短叶松（Pinusbanksiana）的木材密度可能带来负面影响[2]；这一差异来源于日本柳杉间伐后，由于风力作用产生木材压缩效应，北美短叶松的木材密度更受遗传控制的影响。间伐和修枝效果的差异还受环境、树种和抚育措施等多方面的影响，然而，鲜有研究系统总结这些差异及其根本原因。本综述以人工林为研究对象，系统梳理间伐和修枝对木材质量的影响，重点讨论不同间伐和修枝措施及林分差异对木材物理力学性质、外观质量和其他木材质量因素的影响；此外，简要阐述间伐和修枝对木材微纤丝角、纤维形态和化学性质的影响，为运用间伐和修枝改良人工林木材质量提供理论依据。

1 木材质量概念的发展历程

木材质量的研究历史悠久。20世纪50年代，印度率先开展侧重于木材材性，以改善木材质量为重点的相关研究[3]。1984年，美国学者B.Zobel等提出通过强化森林经营和林木育种措施来改良木材品质[4]。20世纪80年代，中国的木材质量主要由伐木工人把关，不规范的伐木作业给国家林业经济带来了巨大的损失[5]。1997年，Zhang 将木材质量的概念扩大到从树木到终端木材产品的范围[6]。木材材性是木材质量的重要组成部分；木材质量还包括立木外观质量、缺陷评估等级以及解剖特征等多个方面。

过去伐木工人自主决定木材质量的方式逐渐被更新，形成了更为全面的木材质量评价体系，其中包括了“良材”等概念[7-8]。针对不同用途的木材，出现了不同的评价指标。对于建筑木材，评价木材质量的重点通常放在木材的尺寸、刚度、弹性模量和断裂模量及三维稳定性上；对于家具和工具用木材，主要关注其防腐性能[7]。

无论哪种用途，木材节子和木材密度都是被研究和应用最广泛的木材质量指标之一。木材节子的大小和数量会影响木材的外观质量，节子周围局部纹理的紊乱会降低木材的刚度和强度[6]。此外，木材节子需要额外的加工工艺处理，会影响实木价值。木材密度与小型无缺陷木材的硬度和强度呈正相关[9]。管胞长度和微纤丝角对木材的机械性能和尺寸稳定性有显著影响；短管胞与过大的微纤丝角会导致木材在纵向上强烈收缩，引起干燥变形[6]。

2 间伐与修枝对人工林木材质量的影响

2.1 间伐对木材质量的影响

2.1.1 对木材晚材率、干缩特性和心材占比的影响

晚材即秋材，是在生长季末期形成层活动减弱后形成的次生木质部，通常在秋天气候干冷时形成[7]。晚材率是指晚材在木材年轮中所占的比率，是决定木材强度的重要指标之一[7]。晚材率越高，木材的结构越致密坚实，强度越高，质量越好（纸浆材除外）[7]。间伐从两个方面直接或间接影响木材晚材率（表1）[1，10-18]。一方面间伐可以扩大林木生长空间，改善生态环境，提高立地质量；通过间伐，林地风荷载增加，林木树干外围弯曲应力增强，促进木材压缩[1]。另一方面，间伐能促进大多数树种的树高生长；为了适应林木的快速生长，木质部细胞壁厚度降低，管胞直径增加以扩大内腔，使管胞更有效地运输水分，这是为了弥补因蒸腾作用加速而导致的水分消耗[19-20]；这一过程导致晚材率降低。

表1 间伐对不同树种晚材率的影响Tab.1 Effects of thinning on late wood rates of different tree species

木材干缩是指在干燥过程中，木材尺寸和体积发生缩小的现象，与木材结构的稳定密切相关[7]。干缩程度在纵向、径向和弦向上存在差异，这种差异受到树种和环境因素的影响。间伐对于火炬松（Pinustaeda）木材干缩率有显著影响[14]。徐有明等[21]发现间伐增加湿地松（Pinuselliottii）木材纵向干缩率和差异干缩，降低径向、弦向和体积干缩率；罗真付等[22]的研究结果表明，间伐对湿地松木材干缩性状无显著影响；蔡坚等[23]研究发现，间伐对湿地松木材干缩产生负面作用。

木材质量评定中，心材与边材在木质部中的占比是一个重要因素。心材占比越高，木材防腐性越好，材质也更加稳定。Vallejos 等[24]研究发现，云南石梓（Gmelinaarborea）心材直径随间伐强度增加而增大，与Taylor 等[25]和Bravo 等[26]的研究结果一致。可能是因为一方面，间伐降低林内竞争，使剩余的林木能增加更多叶生物量，促进其生长[27]，使其心材直径增加；另一方面，间伐提高光利用率[28]，使树冠下部叶片的光合作用饱和点和电导率上升[29]，提高林木吸收养分和水分能力，使其心材直径增加。

2.1.2 对木材密度和力学性质的影响

木材密度作为木材物理性质的一部分，通常是决定木材质量的重要特性[30-32]。其对间伐的响应受林木生长、晚材率[33-35]等多种因素控制。低强度间伐能通过加速林木生长间接影响晚材形成[16]，增加木材密度，产生密度更均匀的木材[15]，提高间伐后林分的经济价值；间伐强度大于30%时，早材和晚材生长量均会增加，其中早材生长增量略高于晚材，木材密度下降不显著[36]。Vincent 等[37]发现黑云杉（Piceamariana）在间伐后，木材密度受到树高的影响远比间伐强度更显著。木材密度的变化受到间伐措施强度和方式等多方面因素影响（表2）。

表2 间伐对不同树种木材密度的影响Tab.2 Effects of thinning on wood densities of different tree species

木材力学性质是科学选材和用材的主要特性之一。均匀间伐有助于拓宽人工林木材的生长空间；不均匀间伐会使林冠生长发育不良，部分枝条过度生长，重力不平衡引发树干内产生应压木，从而增加了部分木材的顺纹抗压强度，但降低抗弯弹性模量。研究表明，间伐对不同树种木材的静曲强度、弹性模量、拉伸强度、冲击韧性和硬度等力学性质影响差异较大（表3）。

表3 间伐对不同树种木材力学性质的影响Tab.3 Effects of thinning on mechanical properties of woods of different tree species

对于相同林龄的树木，合理均匀间伐能提升林分光照强度[49]，改善土壤水分状况，维持或略微增加木材密度。更高强度的间伐并不代表对木材力学性质更为有利[47-48]。缓慢生长的木材通常表现出更高的硬度，有助于抵抗风力等应力作用[50]。高强度间伐会促使林木冠幅增大，加速木材径向生长；降低林分密度，间接增加保留木对肥料养分的利用，生成更多的薄壁细胞[51]，使木材硬度和基本密度降低。间伐后，林木生长与木材质量间维持着动态平衡。Zobel 等[34]研究发现，间伐对木材密度的影响并不显著，对木材质量下降的影响相对较小，远低于其对蓄积量和胸径的提升作用[15]；间伐能减少因异常气候对木材密度造成的波动，获得更为均匀的木材[17]。因此，适当的间伐可有效降低木材伐取和加工成本，对森林经营利大于弊。

2.2 修枝对木材质量的影响

修枝是一种通过去除多余树枝来提高木材质量的方法[52]。该技术最早可追溯到18世纪；由于修枝强度不足、修枝时间太晚和树种选择错误等原因，当时人们低估修枝的价值。Nylinder[53]研究表明，修枝是一项效果较好的抚育措施。修枝的关键在于修剪树木主干的一级分枝，至少去除自树干基部向上3 m 内的所有枝条，并在树木胸径达到15 cm前完成[54]。

2.2.1 对木材外观质量的影响

修枝通过减少分枝直径，加快主干生长速度，缩短分枝闭合时间[55]，减少木材上的节疤，提高木材单板质量。任世奇等[56]对1年生尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）进行持续2年修枝试验，发现重度修枝（去除活枝冠层1/2 下层枝条）显著提高单板质量等级，增加活节，减少死节；杨中宁等[57]研究表明在同一树种试验中，一级板和二级板的比例随修枝强度增加而增大；Braz 等[58]对邓恩桉（Eucalyptusdunnii）、巨桉（Eucalyptusgrandis）和柳桉（Eucalyptussaligna）进行修枝试验，发现修枝降低多节芯材数量，减少活节和死节数量，对邓恩桉的效果最佳；刘球[59]对3 和9年生托里桉（Eucalyptustorelliana）进行1年修枝，发现修枝改善了9年生托里桉单板综合外观等级，但对3年生托里桉的影响不明显。剪刀修枝相比于锯子修枝，木材变色程度较低[60]。合理的修枝略微加深木板变色程度，显著降低节子数量[61]。Stener 等[62]对白桦（Betulaplatyphylla）的研究发现，修枝主要提高木节外部无缺陷的木材产量，对木节内部的变色、节疤和腐烂等大多数木材缺陷没有显著影响。

修枝对伤口愈合时间和病腐率也有显著影响。相较于自然折断，人工修枝使得伤口愈合时间更短，伤口病腐率更低[63-64]。修枝能增加剩余枝条的直径，促进主干和剩余分枝生长，缩短树冠闭合时间[55]。

2.2.2 对木材密度和力学性质的影响

修枝对部分树种木材物理力学性能产生显著影响。修枝能促进晚材和管胞长度增加，提前终止幼龄木形成[40，44]。在任世奇等[65]试验中，修枝降低大花序桉（Eucalyptuscloeziana）木材基本密度，显著降低心材密度，但对边材密度无影响。对于其他人工林而言，杉木（Cunninghamialanceolata）在高林分密度下（1 800 株/hm2）修剪以及福建柏（Fokieniahodginsii）通过高强度的修剪（枝下高占树高50%以上）后，木材物理力学性能均会减弱[66-67]；修枝使华北落叶松（Larixprincipis-rupprechtii）的木材密度降低，对杨树（PopulusL.）的木材密度无显著影响[68-69]。Antonov 等[70]采用两种修枝方法（a：保留5～6 个上部活枝簇修剪50%～60%，b：修枝高度7 m）对欧洲云杉（Piceaabies）进行修剪，发现a 方法增加木材密度，b 方法提高木材抗压强度和冲击韧性，两种方法修枝的木材在修剪60年后依然具有良好的物理力学性能和声学特性。木材物理力学性能也随修枝强度变化而变化。Wang 等[40]对台湾杉（Taiwania cryptomerioides）的修枝试验表明，中度修枝（修剪根部向上至树高3.6 m）能提高木材弹性模量和平均气干密度，重度修枝（修剪根部向上至树高4.5 m）的结果相反。

木材密度作为衡量木材质量的综合指标，与木材物理力学性能密切相关。将适宜强度的活枝修剪与降低林分密度的合理间伐相结合，能培育出具有高物理力学性能的木材。已有研究证明，针叶树木材密度的降低主要受分枝增加的影响[71]。目前，缺乏修枝对不同桉属（Eucalyptus）树种木材密度和力学性能影响规律的研究。提升桉属木材物理力学性能对于拓展木材应用范围和降低加工成本有推动作用。在后续研究中，可重点总结相关内容，为修枝作业提供更系统的参考。

2.3 间伐和修枝对木材质量其他特性的影响

2.3.1 间伐对木材微纤丝角和纤维形态的影响

微纤丝角是木材细胞次生壁中层微纤丝布列方向与细胞主轴所形成的夹角，是影响木材力学性能的主要因素之一[71]。微纤丝角较小时，木材表现出较高的抗拉强度；微纤丝角较大时，木材表现出更强的伸缩性[71]。根据木材形成的激素控制学说[72]，间伐和修枝可通过影响树冠率，改变树木实际光合面积，影响激素的合成与运输，影响细胞分裂和加厚程度，引起微纤丝角的变化，导致木材弹性模量发生变化。Kantavichai 等[73]研究发现，间伐后，木材的弹性模量增加10%，可能是由于林分密度降低和微纤丝角增大。Herman 等[74]研究发现，木材生长速率显著影响欧洲云杉生长轮内和轮间微纤丝角。因此，均匀间伐与不间伐对照林分的木材生长速率差异可能导致木材弹性模量产生差异。Vincent 等[37]的黑云杉试验中，虽然木材弹性模量受间伐的影响不显著，但不间伐的黑云杉林木材弹性模量变异程度大于间伐林。林分间伐通过降低林分密度、促进林分木材生长速率、增大微纤丝角等方式，使木材弹性模量增强，保持林分木材总体结构的稳定。

纤维形态与木材物理力学性能和加工利用密切相关，对木材干缩性状也有影响。纤维形态特征与纸浆材质量呈显著相关。随林木冠幅发育，早期对桉树林的间伐可能使幼龄木比例增加，使纤维长度降低；延缓第一次间伐的时间，有助于平衡林木生长和木材材质间的关系[75]。Trevisan 等[76]对18年生巨桉进行试验，发现间伐影响木材纤维长度；随间伐强度增加，纤维长度没有明显的变化规律。Malan 等[77]对巨桉研究表明，纤维长度不受间伐影响。张华林等[78]测量和分析2 种桉树无性系在不同林分密度下的纤维形态特征，发现林分密度显著影响纤维宽度和长宽比；郭明辉[79]对水曲柳（Fraxinus mandshurica）木材纤维形态研究表明，纤维长度随间伐强度增加而增加；间伐降低了大青杨（Populus ussuriensis）[12]和湿地松[80]的纤维直径和长度。

间伐和修枝等抚育措施可能会影响微纤丝角、纤维形态等木材特性。抚育间伐和修枝对桉树人工林木材微纤丝角和纤维形态的影响仍需要进一步研究。

2.3.2 间伐和修枝对木材化学性质的影响

木材的化学组分主要由木质素、纤维素和半纤维素构成。木材的化学性质基本取决于微观上不同成分的结构和含量变化，是不同化学成分的整体呈现。木材的易燃性、吸水性等化学特性与木材细胞和胞间物质的结构密切相关[81]。Zanuncio 等[82]对尾巨桉进行2年多的试验，发现50%间伐强度显著提升木质素和抽提物含量，20%和50%间伐强度下木材碳水化合物含量低于35%间伐强度和对照。赫玲等[83]对湿地松进行间伐，发现随间伐强度增加，综合纤维素含量显著降低，但间伐对苯醇抽提物和质量浓度1%NAOH 抽提物含量没有显著影响。赵辉[68]在华北落叶松修枝试验中发现，节子中纤维素和多项抽提物含量均显著大于心材和边材，说明化学物质在节子中富集，导致其分布不均匀，可能对木材加工利用造成不利影响。通过减少节子数量，修枝能有效改善木材内部化学物质的分布，提高木材质量。

3 结论与展望

间伐加大树木间距，林木易受风力刺激形成应压木，林木高速生长需要大量薄壁细胞运输水分和养分，两种作用连同其他因素共同影响晚材率。木材干缩是决定木制品结构稳定的关键因素之一，受木材微纤丝角、纤维形态和木质素含量等影响。通过改变林木冠幅和生长率影响微纤丝角、纤维长度和木材干缩湿胀及其影响要素对修枝的响应尚待深入探究。木材密度与内部木材质量因子和外部环境因子密切相关，是木材物理力学性质中最重要、最综合的指标。间伐与修枝降低林内养分竞争，提高光利用率，改变心材占比和晚材率，影响木材物理力学性质。科学间伐和修枝能显著改善木材物理力学性能，降低林分经营加工成本，增大木材商品利润，适当修枝还能显著改善木材外观质量，降低质量缺陷。目前，间伐和修枝对木材质量的影响机制仍需进行深入研究，包括间伐和修枝引起的风荷载、内源激素和微观结构的变化，以及这些变化对木材的力学性质、干缩特性和外观质量的影响。深入了解抚育间伐和修枝对人工林木材质量的影响，对当下人工林可持续经营和利用有重要意义。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。

作者贡献声明：张士韬负责文献检索与论文撰写；陈少雄、欧阳林男和杨嘉麒负责论文指导与修改。