遼西北風蝕區(qū)4個主要造林樹種防風固沙功能差異及適宜立地分析

張?zhí)僮? 李亞楠 馬云波

摘要：分析遼寧省森林資源二類清查數(shù)據(jù)，確定遼西北風蝕區(qū)各樹種現(xiàn)存防風固沙林面積，并通過林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算刺槐、楊樹、油松和樟子松4個主要造林樹種的防風固沙功能指數(shù)，比較各樹種在不同質(zhì)地土壤上的防風固沙功能差異。研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)存防風固沙林中楊樹林面積最大，樟子松林次之。楊樹和刺槐防風固沙功能隨著林齡的增長先升高后降低，樟子松和油松的防風固沙功能隨著林齡的增長持續(xù)增加。不同樹種適合不同質(zhì)地土壤立地：在沙土上，前期（約30年）楊樹林防風固沙功能最強，之后樟子松的防風固沙功能最強;刺槐在沙壤上的防風固沙功能最強;輕壤和中壤立地上，楊樹是防風固沙功能最強的樹種。研究區(qū)后續(xù)造林過程應注重適地適樹，并及時對楊樹和刺槐林進行更新。

關(guān)鍵詞：刺槐;楊樹;油松;樟子松;林分結(jié)構(gòu);造林決策

中圖分類號：S727.23 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0112-04

遼西北風蝕區(qū)位于內(nèi)蒙古科爾沁沙地南緣，是防止內(nèi)蒙古科爾沁沙地向華北侵襲的重要生態(tài)屏障區(qū)，目前遼西北風沙區(qū)人工防風固沙林面積已經(jīng)超過10萬hm2，發(fā)揮了重要的防風固沙功能[1]。目前森林生態(tài)功能愈加被重視，本研究對現(xiàn)有防風固沙區(qū)防風固沙林現(xiàn)狀進行探討，對防風固沙林中不同樹種防風固沙功能進行對比分析，可為遼西北地區(qū)防風固沙林的進一步建設(shè)和現(xiàn)有防護林的更新提供科學的理論指導。

對固定林分防風固沙功能進行評價的傳統(tǒng)方法可測定林分內(nèi)外的風速及輸沙量，該方法可直接反映防風固沙效果，但需要專業(yè)儀器，且無法在大尺度范圍內(nèi)對差異性大的林分進行評價[2]。評價較大尺度范圍內(nèi)植被防風固沙效益時，通常利用地理信息系統(tǒng)，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度，結(jié)合降水、土壤等環(huán)境因子分別計算植被的立地和裸地的風蝕量之差，對防風固沙效益進行評價，植被覆蓋度作為計算防風固沙效益的指標與防風固沙效益呈正比[3-6]。以植被覆蓋度計算防風固沙效益，忽略了植物林型、林分結(jié)構(gòu)等因素，例如，相同蓋度的荊條和白刺林的固沙能力相差較大，白刺林可固沙成丘，荊條則不可以[7]，所以大尺度范圍評價防風固沙的方法無法區(qū)分物種間的防風固沙能力差異[8]。比較同一區(qū)域內(nèi)不同植物的防風固沙能力時，主要通過設(shè)置固定樣地測定風速和輸沙量進行比較[9-10]，當研究區(qū)域較大時，樣地的設(shè)置很難代表整個區(qū)域內(nèi)立地條件和林分生長狀況的差異。二調(diào)對森林資源進行了詳細的調(diào)查，對二調(diào)數(shù)據(jù)進行分析可以很好地反映林業(yè)資源整體狀態(tài)。

植物群落的防風固沙功能主要是通過減小風速（防風功能）以及增大沙粒啟動的臨界風速（固沙功能）實現(xiàn)的，不同喬木樹種作為群落建群種形成喬木林時，由于樹種對立地條件的適應性差異以及樹種本身的特性，樹高、郁閉度以及林下植被都有較大的差異。不同林分防風固沙功能與林分結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究表明，林分結(jié)構(gòu)中樹高和郁閉度是影響防風功能的主要結(jié)構(gòu)因子[10]，郁閉度、灌木蓋度和草本蓋度是決定林分防風固沙功能的主要指標[11-14]。將不同林分的林分結(jié)構(gòu)差異量化，可以很好地表現(xiàn)出不同樹種的防風固沙林功能強弱[10]。因此，本研究以樹高、郁閉度、灌木蓋度、草本蓋度為評價因子，根據(jù)前人對不同結(jié)構(gòu)與防風固沙功能大小的相關(guān)關(guān)系進行分析，對因子進行分級，計算防風固沙大小的指數(shù)，對防風固沙功能進行評價。

土壤質(zhì)地是判斷立地質(zhì)量的重要因子，是在造林中判斷立地質(zhì)量的重要的直觀指標[15-16]，在地形以波崗狀平原或低洼的沖積平原為主、地勢開闊平坦的遼西北風沙區(qū)[17]，分析樹種在不同立地上的防風固沙表現(xiàn)，對造林決策具有很好的指導作用。遼寧省森林資源二類清查調(diào)查了全省有林地的土壤質(zhì)地、平均樹高、郁閉度、灌木蓋度和草本蓋度等林分結(jié)構(gòu)信息和立地信息，本研究對結(jié)構(gòu)因子進行量化，以防風固沙功能指數(shù)這一數(shù)量化的指標反映防風固沙功能，分析遼西北風沙區(qū)防風固沙林建設(shè)現(xiàn)狀，并比較不同樹種在不同質(zhì)地土壤的立地上防風固沙功能隨林齡變化過程，為后續(xù)造林決策提供科學的指導和建議。

1 研究地概況

研究區(qū)地處遼寧省西北部，包括康平縣、新民市、法庫縣、昌圖縣、阜新蒙古族自治縣、彰武縣共6個縣（市）（121°01′～124°26′E、40°8′～43°29′N）。該區(qū)域為遼寧省三北防護林工程建設(shè)的重點區(qū)域，屬于暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫6.4～8.5 ℃，年平均降水量為174.3～737.7 mm。該地區(qū)風力較大，沙物質(zhì)豐富，人類活動頻繁，土壤風蝕嚴重，在各種風蝕及各種活動作用下，造就了該地的風沙環(huán)境。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)來自2012年遼寧省森林資源二類清查數(shù)據(jù)，對不同林分的林齡、樹高、郁閉度、灌木蓋度以及草本蓋度等林分結(jié)構(gòu)因子數(shù)據(jù)以及土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)進行分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

防風固沙林由多因子組成，它們互相作用、互相促進，都起著不可代替的作用。通過對防風固沙的各項組成因子的定量化分析，定性評價防風固沙林的強弱。利用遼寧省森林資源二類清查數(shù)據(jù)中不同林分的樹高、郁閉度、灌木蓋度以及草本蓋度數(shù)據(jù)計算研究區(qū)內(nèi)林分的防風固沙功能指數(shù)。本研究以小區(qū)為單位進行防風固沙指數(shù)計算，先按等級對各項因子打分，再按計算公式進行計算：

計算整個研究區(qū)或不同質(zhì)地土壤立地上各樹種防風固沙能力時，對相應區(qū)域內(nèi)的相同樹種同一林齡的各林分防風固沙功能指數(shù)求平均值，代表該樹種在該林齡的防風固沙功能強弱。由于樟子松在遼西北種植歷史約為50年，為了便于比較，分析數(shù)據(jù)時4個樹種（刺槐、楊樹、油松、樟子松）都選擇 1～50年的林齡進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同質(zhì)地土壤立地上樹種面積分布

研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)存防風固沙林面積超過12萬hm2，樹種面積排序為楊樹>樟子松>油松>各類灌叢>刺槐，其中各類灌叢面積總和僅占全部防風固沙林面積的2.1%，同時灌木樹種較多，且灌木林結(jié)構(gòu)與喬木林差異較大（表2），因此本研究未將灌木納入到數(shù)據(jù)分析中。

不同土壤質(zhì)地立地上，楊樹、油松和刺槐都是在沙壤質(zhì)地立地上分布面積最大，而樟子松在沙土上的分布面積最大。重壤和黏土立地在研究區(qū)內(nèi)分布較少，且除楊樹在不同質(zhì)地土壤立地上都有分布外，另3個樹種在這2個質(zhì)地土壤上的分布面積很小或沒有分布（表2），因此本研究不分析樹種在重壤和黏土質(zhì)地立地上的數(shù)據(jù)。

3.2 不同樹種防風固沙功能隨林齡變化過程

4個樹種防風固沙功能隨著林齡的變化過程具有各自的特點（圖1），刺槐和楊樹防風固沙功能呈先升高后降低的趨勢，防風固沙功能在林齡30年左右就達到最高峰，其中楊樹更早達到最大。油松和樟子松在50年內(nèi)防風固沙功能一直保持穩(wěn)步增加的趨勢，未出現(xiàn)明顯的下降趨勢。對樹種間進行比較，發(fā)現(xiàn)楊樹在初期的防風固沙功能是最高的，而防風固沙功能開始下降的時間也更早。樟子松在初期生態(tài)功能最低，在35年左右超過楊樹和刺槐，成為防風固沙功能最高的樹種。

3.3 各樹種防風固沙功能在不同土壤上隨林齡變化的差異

刺槐僅在沙壤和中壤質(zhì)地土壤上有較多林齡的林分分布，在2種質(zhì)地土壤上防風固沙功能隨林齡變化趨勢接近，在中壤上防風固沙功能略高（圖2）。楊樹在4種質(zhì)地土壤上防風固沙功能隨林齡變化趨勢接近，初期在中壤上的楊樹林分防風固沙略高于另3種質(zhì)地土壤。油松和樟子松主要分布在沙土和沙壤質(zhì)地土壤上，生長前期（約20年）油松的防風固沙功能在沙壤上更強， 不過后期沙土上的油松防風固沙功能更強;樟子松林分生長初期在沙土和沙壤上無差別，而在沙土上生長的樟子松林防風固沙功能提高得更快;在輕壤和中壤質(zhì)地土壤上油松和樟子松只有部分林齡的林分分布，說明近年在這2種質(zhì)地土壤上造林過程中未選擇油松和樟子松，由于缺少油松和樟子松幼齡林的存在，因此無法得出防風固沙功能隨林齡變化的規(guī)律。

3.4 不同質(zhì)地土壤上各樹種防風固沙功能優(yōu)劣

如圖3可見，研究區(qū)內(nèi)沙土上沒有1～50年林齡的刺槐林，油松和樟子松在輕壤和中壤質(zhì)地立地上也只有少數(shù)林齡林分分布。在不同質(zhì)地土壤上，各樹種防風固沙大小和隨林齡變化過程也表現(xiàn)出很大差異：在沙土上，楊樹在初期防風

固沙功能要高于樟子松和油松，但在35年左右被樟子松超過，在40年左右被油松超過;樟子松的防風固沙功能一直在油松之上。在沙壤上，刺槐與楊樹防風固沙功能接近，同樣在前期高于樟子松和油松，直到40年左右生態(tài)功能防風固沙功能才被樟子松和油松超過，樟子松和油松防風固沙功能接近。在輕壤和中壤上，楊樹的防風固沙功能都一直顯著高于其他樹種。

4 討論

在造林過程中土壤質(zhì)地是判斷立地質(zhì)量的直觀指標，不同質(zhì)地土壤的機械阻力、顆粒組成和總空隙度等理化性質(zhì)差別很大，這些因素通過影響水、氣、熱和營養(yǎng)在土壤中的移動和含量而影響植物的生長發(fā)育[18-19]，進而影響其上生長林分的防風固沙功能。本研究區(qū)地勢開闊、平坦，以波崗狀平原或低洼的沖積平原為主[17]，土壤質(zhì)地的差異能夠代表立地質(zhì)量的差異。

研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)存林分全部為人工林，早期造林過程缺乏科學的指導，人為選擇造林樹種是決定不同樹種現(xiàn)存面積大小的原因。早期造林時追求造林快速見效，楊樹生長快、成材早、木材用途廣等特點[20]，全區(qū)整體的防風固沙功能評價結(jié)果也反映了楊樹在造林后的20年，其防風固沙功能相對于另3個樹種表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，使得楊樹在各種質(zhì)地土壤上都是種植面積最大的樹種，比例達到80.4%。水分條件好、造林成活率高的立地通常也被種植楊樹[20-21]，楊樹的防風固沙功能在造林后提高速度快，也和立地條件比其他樹種更好有一定關(guān)系。雖然刺槐防風固沙功能與楊樹接近，甚至在沙壤上略強于楊樹，且改土能力更強[22-23]，但是刺槐種植面積遠小于楊樹，在后續(xù)造林過程中可以考慮增加刺槐的種植。

結(jié)合4個樹種在不同質(zhì)地土壤上防風固沙功能的大小及增長規(guī)律，沙土立地上樹種種植不夠合理。沙土的保水保肥能力以及養(yǎng)分含量是4種質(zhì)地土壤中最差的[24]，而沙土質(zhì)地上現(xiàn)存樹種中楊樹是面積最大的樹種，其次是樟子松。由于沙土養(yǎng)分、水分的虧缺，楊樹極易出現(xiàn)衰老退化[25-26]。在沙土上樟子松的防風固沙功能初期低于楊樹， 不過增長速度很

快，在林齡30～40年時會超過楊樹，并且在林齡50年內(nèi)沒有下降的趨勢。營造樟子松楊樹混交林是沙土上營建防風固沙林的有效途徑之一，營林后利用楊樹生長快速的優(yōu)勢提高防風固沙功能，楊樹老化后將其伐除，樟子松可繼續(xù)發(fā)揮生態(tài)功能。

楊樹和刺槐在不同質(zhì)地土壤上的防風固沙功能隨林齡的增長差異不大，而樟子松和油松在條件最差的沙土上防風固沙功能增長是最快的。土壤條件更好的立地往往是處于受人類干擾更強的區(qū)域，而楊樹和刺槐由于生長快、更新能力強[27-28]，抗干擾能力強于樟子松和油松，故樟子松和油松在水分、養(yǎng)分條件更好的質(zhì)地土壤立地上的生態(tài)功能差于沙土上。

5 結(jié)論及建議

楊樹在各種質(zhì)地土壤上的種植面積都是最大的，沙土上楊樹的種植面積過大，應增加樟子松的造林面積或營造混交林，以增加防護林的穩(wěn)定性，增大防護林更新時間間隔。沙壤土上刺槐的防風固沙功能好于楊樹，應增加刺槐的造林面積。輕壤土和中壤土上楊樹是相對最好的防風固沙樹種，人類活動干擾強烈的立地，推薦種植楊樹和刺槐。

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