半干旱地區(qū)樟子松人工林合理密度研究
——以三道河口林場為例

翟溟賾，余 雁

(1.北京市東城區(qū)第171中學(xué)，北京 100013；2.國家林業(yè)局國際竹藤中心，北京 100102)

半干旱地區(qū)樟子松人工林合理密度研究
——以三道河口林場為例

翟溟賾1，余 雁2

(1.北京市東城區(qū)第171中學(xué)，北京 100013；2.國家林業(yè)局國際竹藤中心，北京 100102)

在以往的林分密度控制試驗(yàn)中，對降水環(huán)境容量問題或土壤水分承載量問題關(guān)注較少，未充分考慮到土壤的水分、養(yǎng)分等重要環(huán)境因子對植物數(shù)量與種類的限制作用。在渾善達(dá)克沙地南緣的三道河口林場范圍內(nèi)，首次通過探索應(yīng)用土壤水分和養(yǎng)分承載力來確定樟子松人工林的林分合理密度，研究結(jié)果表明，若林分郁閉度大于0.8時(shí)，水耗嚴(yán)重，在干旱年份易導(dǎo)致林分大面積死亡，當(dāng)樟子松人工幼林40 cm土層的土壤含水量小于3.8%時(shí)，立木出現(xiàn)旱死現(xiàn)象。建議將當(dāng)?shù)卣磷铀扇斯ち值挠糸]度控制在0.6～0.7為宜。

樟子松人工林；合理密度；土壤含水量；土壤養(yǎng)分；林分郁閉度；半干旱地區(qū)

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為常綠喬木，是歐洲赤松(Pinussylvestris)的一個(gè)變種。樟子松為強(qiáng)喜光、深根性樹種，適應(yīng)性很強(qiáng)，能在半干旱、半濕潤、干旱3個(gè)氣候溫度類型區(qū)生長。樟子松耐寒性強(qiáng)，能忍受-40℃～-50℃低溫，是三北地區(qū)防沙治沙、水土保持和速生用材的優(yōu)良樹種[1]。

對林分密度的控制是林業(yè)生產(chǎn)上的核心技術(shù)之一，林分密度的管理對林分的生產(chǎn)力以及穩(wěn)定性有著直接的影響[2]。目前我國大部分林業(yè)生產(chǎn)還主要依賴于自然生產(chǎn)力，要提高生產(chǎn)力，除了通過水肥管理實(shí)施人為干預(yù)外，還要通過合理的密度調(diào)控來實(shí)現(xiàn)對自然條件的充分利用[3-4]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，林分密度控制主要是以單純培育用材林為目標(biāo)，把材質(zhì)的優(yōu)良性與林分蓄積量作為判別林分合理密度的重要依據(jù)；另一方面，在溫帶濕潤地區(qū)植物生長的主要限制因子是光照，因此，通常以林分的光能利用率來衡量該區(qū)域中林分密度的合理性[5-8]。

在渾善達(dá)克沙地南緣三道河口林場這樣的半干旱地區(qū)，應(yīng)充分考慮到降水環(huán)境容量問題或土壤水分承載量問題，也就是土壤養(yǎng)分、水分對森林類型和規(guī)模的限制作用，但以往在半干旱地區(qū)經(jīng)營人工林時(shí)，常因林分密度過大導(dǎo)致林分大面積衰退[9-12]。鑒于此，本研究首次探索應(yīng)用土壤水分和養(yǎng)分承載力來確定三道河口林場范圍內(nèi)樟子松人工林的林分合理密度(郁閉度)，以期為國內(nèi)其他同類地區(qū)今后開展林分密度管理提供有益的借鑒與參考，避免在極干旱年份出現(xiàn)人工林的災(zāi)難性毀滅，確保區(qū)域生態(tài)安全。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地三道河口林場始建于1962年，位于河北省圍場縣西北部、渾善達(dá)克沙地南緣，東與千層板林場羊場營林區(qū)交界，南與御道口牧場毗鄰，西與多倫縣蔡木山鄉(xiāng)接壤，北與內(nèi)蒙古自治區(qū)克什克騰旗隔河相望，南北長12 km，東西寬19 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°53′40″～117°8′，北緯42°22′6″～42°28′46″，海拔 1 350～1 650 m，年均降水量430 mm，年均蒸發(fā)量 1 250 mm，無霜期約60 d，年均溫約21℃，屬于典型的半干旱地區(qū)。

由于林場地處內(nèi)蒙古高原南緣，陰山山脈與大興安嶺余脈的交接地帶，是森林—沙漠和森林—草原交錯(cuò)地帶，喬木種類有樟子松、興安白樺、山楊、落葉松、水曲柳、柞樹、山榆、云杉等；灌木種類有沙棘、山杏、杜鵑、花楸、山刺玫、河柳和毛榛等；草本植物以禾本科、菊科、傘形科、十字花科和毛茛科為主，主要有金蓮花、柳蘭、羊草、莎草和白茅等；菌類有蘑菇、木靈芝、木耳和猴頭等。

林場總經(jīng)營面積達(dá)1.03萬 hm2，土壤類型主要為風(fēng)沙土，土層薄，土壤養(yǎng)分含量低。林場中有林地面積0.80萬 hm2，林木總蓄積量52.62 m3，其中，樟子松0.42萬 hm2，蓄積32.50萬 m3；落葉松0.22萬 hm2，蓄積16.35萬 m3，其它樹種0.15萬 hm2，蓄積3.77萬 m3，森林覆蓋率77.36%。

2 材料與方法

根據(jù)三道河口林場建場以來的降水情況和樟子松人工林的生長表現(xiàn)，采取定性與定量相結(jié)合的方法確定樟子松人工林的合理密度(郁閉度)。

2016年6月至8月，在三道河口林場四道河口林區(qū)，選擇立地條件基本一致，其林分郁閉度分別為0.6、0.8和1.0的15年生樟子松人工林，掘取并測定不同郁閉度林分40 cm土層的土壤養(yǎng)分與水分狀況，從土壤營養(yǎng)與水分平衡方面對林分經(jīng)營密度進(jìn)行分析。

土壤養(yǎng)分的測定由國家林業(yè)局竹藤中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。土壤水分采用烘干法(105℃，8 h)進(jìn)行測定。有機(jī)質(zhì)測定采用稀釋熱法；速效磷測定采用碳酸氫鈉法；速效鉀測定采用醋酸銨溶液浸法；速效氮測定采用蒸餾法；pH值測定采用電位法。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分密度的定性分析

樟子松人工林是三道河口林場的主要造林樹種。在干旱年份均不同程度地造成樟子松人工林的成片死亡，過密的樟子松人工幼林也出現(xiàn)小片旱死現(xiàn)象。觀察結(jié)果表明，在干旱年份成片死亡的樟子松人工林其郁閉度均>0.7，而低于此郁閉度的林分未發(fā)生成片死亡現(xiàn)象。這說明水分是當(dāng)?shù)卣磷铀扇斯ち职l(fā)育的限制性因子，若林分密度過高，水耗嚴(yán)重，林分凋敝。

2016年，選擇生長在平緩地帶風(fēng)沙土上的郁閉度分別為0.6和0.8的15年生樟子松人工林進(jìn)行觀察比較，發(fā)現(xiàn)郁閉度為0.6的林分，其優(yōu)勢木的樹高平均生長量為85 cm，胸徑平均生長量為1.6 cm，而相同立地條件下郁閉度為0.8的人工林，其優(yōu)勢木的平均樹高生長量僅為46 cm，平均胸徑生長量為0.8 cm。這表明樟子松人工林的密度不宜過大，否則會造成樹勢衰減、林分生長趨緩。因此，通過定性分析，表明樟子松人工林，尤其是幼齡林，其經(jīng)營密度應(yīng)以郁閉度不高于0.7為宜。

3.2 林分密度的定量分析

3.2.1 土壤含水量分析

郁閉度為0.6、0.8和1.0時(shí)，15年生樟子松人工林40 cm土層土壤含水量測定結(jié)果如表1所示。

表1 不同郁閉度樟子松人工林40 cm土層土壤含水量對比

從表1可見，隨著林分郁閉度的增加，40 cm土層的土壤含水量呈降低的趨勢。7月份當(dāng)郁閉度0.6和0.8的林分40 cm土壤含水量維持5%左右時(shí)，郁閉度1.0的林分，其40 cm土層的土壤含水量已下降至4.0%，甚至更低。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，對于不足20年生的樟子松幼林，40 cm土層的土壤含水量<3.8%時(shí)就會出現(xiàn)旱死現(xiàn)象。2016年的降水量達(dá)到433 mm，屬于平水年量級，此時(shí)郁閉度>0.8的過密林分已出現(xiàn)立木旱死現(xiàn)象。

根據(jù)對不同郁閉度樟子松人工林土層含水量的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)樟子松人工林40 cm土層的土壤含水量從6月至8月均經(jīng)歷了“增加-減少-再增加”的波動(dòng)。6月初，不同郁閉度林分的土壤含水量均開始增加，峰值出現(xiàn)在6月中、下旬，之后開始減少，至7月下旬達(dá)到最低值，8月份土壤含水量又開始增加。樟子松人工林的主根系集中分布在40 cm土層，該層土壤的含水量和養(yǎng)分狀況較能反映出林分土壤的營養(yǎng)和水分供給狀況。

3.2.2 土壤養(yǎng)分分析

郁閉度為0.6、0.8和1.0時(shí)，樟子松人工林分40 cm土層土壤養(yǎng)分測定結(jié)果如表2所示。

表2 不同郁閉度林分40 cm土層土壤養(yǎng)分對比

由表2可見，隨著林分郁閉度的提高，40 cm土層的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、速效氮、速效磷和速效鉀的含量呈下降趨勢，其中速效氮波動(dòng)最大，變幅高達(dá)28.3%，說明林分密度的增加，加劇了土壤酸化，林分對土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀和速效氮的消耗升高，其中對速效氮的消耗最為明顯，加劇了土壤退化。這可能是隨著林分密度降低，林下草本植被蓋度和高度增加，加速了物質(zhì)分解和養(yǎng)分回歸土壤。此外，林分密度下降，拓展了單株立木的營養(yǎng)空間，進(jìn)而減少了林分總體養(yǎng)分消耗。

根據(jù)定量分析結(jié)果，認(rèn)為在三道河口林場，林分的經(jīng)營密度應(yīng)控制在郁閉度0.6為宜。

4 結(jié)論與討論

1)三道河口林場降雨量較少，人工灌溉設(shè)施較為缺乏，加之蒸發(fā)強(qiáng)烈，極易發(fā)生干旱脅迫。所以提出半干旱地區(qū)的林分“合理經(jīng)營密度”概念，即在極端干旱時(shí)段不致發(fā)生大面積死亡，能夠成林，能基本正常生長并發(fā)揮生態(tài)效益的林分郁閉度。

2)水分是三道河口林場樟子松人工林生存與發(fā)育的限制性因子，若林分郁閉度>0.8，水耗嚴(yán)重，在干旱年份易導(dǎo)致林分大面積死亡。即便在平常年份，樟子松人工林的密度也不宜過大，否則容易引起立木樹勢衰減，誘發(fā)病蟲害，林分整體的穩(wěn)定性變差，生長也會放緩。

3)在平常年份，隨著林分密度的升高，其40 cm土層的含水量呈下降趨勢。7月份當(dāng)郁閉度0.6和0.8的林分40 cm土層含水量維持5%左右時(shí)，郁閉度1.0的林分其40 cm土層的土壤含水量已下降至4.0%，甚至更低。當(dāng)樟子松幼林40 cm土層的土壤含水量<3.8%時(shí)，立木出現(xiàn)旱死現(xiàn)象。

4)樟子松人工林的林分密度增加，加劇了土壤酸化，林分對土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀和速效氮的消耗升高，其中對速效氮的消耗最為明顯，加劇了土壤退化。這可能是隨著林分密度降低，林下草本植被蓋度和高度增加，加速了物質(zhì)分解和養(yǎng)分回歸土壤。此外，林分密度下降，拓展了單株立木的營養(yǎng)空間，進(jìn)而減少了林分總體養(yǎng)分消耗。

5)綜合本次研究的定性與定量分析結(jié)果，為促進(jìn)當(dāng)?shù)卣磷铀扇斯ち值牧址职l(fā)育，減緩地力衰退，建議三道河口林場樟子松人工林的林分經(jīng)營密度控制在郁閉度0.6～0.7為宜。

[1] 田有亮. 樟子松耐旱生理生態(tài)特征的研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[2] 沈國舫. 森林培育學(xué)[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2001.

[3] 趙其國. 中國土地退化防治研究[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

[4] 盛煒彤. 人工林地力衰退研究[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[5] 張光燦. 黃土半干旱區(qū)集水造林水分環(huán)境容量研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2000.

[6] TYREE M T, ZIMMERMANN M H. The theory and practice of measuring transport coefficient and sap flow in the xylem of red maple stems (Acer rubrum) [J]. Journal of Experimental Botany, 1971,22:1-18.

[7] 宋鴿，張日升，孫海紅，等. 3種經(jīng)營措施對沙地樟子松人工林林下植被的影響[J]. 遼寧林業(yè)科技，2013(5)：16-19.

[8] 康宏樟，朱教君，許美玲. 科爾沁沙地樟子松人工林幼樹水分生理生態(tài)特性[J]. 干旱區(qū)研究，2007，24(1)：15-22.

[9] 原戈. 遼寧省沙地樟子松人工林衰退原因與治理對策[J]. 遼寧林業(yè)科技，2000(6)：1-4.

[10] 馬祥慶，黃寶龍. 人工林地力衰退研究綜述[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997，21(2)：77-82.

[11] 羅文湘，羅習(xí)軍，劉日輝. 人工林連栽地力下降的對策[J]. 湖南林業(yè)科技，2003，30(1)：43.

[12] 馮偉，楊文斌，黨宏忠，等. 不同密度樟子松固沙林土壤水分特征[J]. 水土保持通報(bào)，2015，35(5)：189-194.

Optimum Density ofPinussylvestrisvar.mongolicaPlantation in Semi-arid Region

ZHAI Mingze1, YU Yan2

(1.No. 171 Middle School, Dongcheng District, Beijing 100013, China; 2. International Center for Bamboo and Rattan of State Forestry Administration, Chaoyang District, Beijing 100102, China)

The restriction function of soil water and nutrients on the species and number of plants was not considered fully in previous experiments on forest stand density, i.e. the issue of environmental capacity of precipitation resource or the issue of bearing capacity of soil water. Based on the investigation for the bearing capacity of soil water and nutrition, the optimum stand density ofPinussylvestrisvar.mongolicaplantation was analyzed for the first time in the Sandaohekou forest farm which was in the south edge of the Hunshandake sand land. The results showed that the water consumption was serious and mass forest was dead when the canopy density was over 0.8, and that the standing trees began to dry out when water content of 40 cm soil layer of youngP.sylvestrisvar.mongolicaplantations was less than 3.8%. Therefore, this paper suggested that the optimum density of localP.sylvestrisvar.mongolicaplantations would be 0.6～0.7.

Pinussylvestrisvar.mongolicaplantation; optimum density; water content of soil; soil nutrients; canopy density; semi-arid region

2017-06-19.

翟溟賾(2000-)，女(滿族)，河北人.主要從事森林生態(tài)和森林培育方面的研究.Email:hongbozhai@sina.com

余 雁，男，博導(dǎo)，教授.主要從事森林生態(tài)及竹木加工方面的研究.Email:yuyan9812@icbr.ac.cn

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.05.026

S791.253;S725.6;S728.2

A

1671-3168(2017)05-0128-04