內(nèi)蒙古大青山前坡油松人工林生長特征研究

齊向東，王昭才，弓 瑞

(1.呼和浩特市賽罕區(qū)黃合少林場，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)天然林資源保護管理局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

內(nèi)蒙古大青山屬于陰山山脈，是土默川平原的天然生態(tài)安全屏障，在山前城市、農(nóng)田、濕地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)氣候、水土保持、生物多樣性保育以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面發(fā)揮重要的生態(tài)服務功能[1-2]。我國自20世紀70年代開始啟動三北地區(qū)生態(tài)防護林建設，陰山山脈作為內(nèi)蒙古中西部半干旱地區(qū)最大的山地林區(qū)，是三北防護林體系建設的重要區(qū)段，營造了大面積的人工油松林，在防治水土流失、提高水源涵養(yǎng)方面發(fā)揮著重要的生態(tài)防護功能。油松(Pinustabuliformis)作為我國北方地區(qū)的重要造林樹種，由于其耐干旱貧瘠，適應性和抗逆性較強[3]，同時具有多種生態(tài)效益，在水土保持、水源涵養(yǎng)、碳匯造林中廣泛應用。在大青山，油松造林后受微地形等立地條件和造林密度的影響較大，即使是在同一氣候區(qū)，在不同坡位、坡向立地條件下油松的生長量差異較大[4]。本文以大青山前坡38 a生和17 a生油松人工林為研究對象，對不同坡位、坡向及不同密度條件下的林分生長特征進行調(diào)查研究，闡明了地形因子、土壤因子和密度對油松林生長的影響規(guī)律，為下一步人工林結構優(yōu)化、質(zhì)量提升等可持續(xù)經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大青山南麓低海拔山地，呼和浩特市古路板林場雅馬圖作業(yè)區(qū)內(nèi)，地理坐標為40°51′—41°57′ N，111°53′—111°58′ E，平均海拔1 340 m，屬于典型的中溫帶大陸性季風氣候，年均降水量400 mm，主要集中在7、8、9月，占全年降水量的60%～70%。年均蒸發(fā)量1 707.4 mm，無霜期130～140 d。山體地形起伏較大，坡度有陡有緩，地勢由北向南傾斜，山脊處巖石裸露，土壤條件差，且多為礫質(zhì)粗沙壤栗鈣土，土層薄，肥力差，水土流失較嚴重[5-6]。主要天然植被有白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等天然喬木，山杏(Armeniacasibirica)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、長柄扁桃(Amygdaluspedunculata)、黃刺玫(Rosaxanthina)、胡枝子(Lespedezabicolor)等常見灌木，鐵桿蒿(Tripoliumpannonicum)、黃蒿(Artemisiagmelinii)、苔草(Carexspp.)等蒿類和禾本科類多年生草本植物。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2018年6—9月，以不同坡位(上坡位、下坡位)、不同坡向(東坡、西坡、南坡、北坡)、不同林分密度為選擇樣地依據(jù)，共設置了18塊標準樣地，其中38 a生(1982年造林，2 a生裸根苗)油松林樣地15塊，郁閉度在 0.55～0.70 之間，17 a生(2006年造林，5 a生容器苗)油松林樣地3塊，樣地大小均為20 m × 20 m，所有調(diào)查樣地的坡度在13°～20°之間，海拔在1 280～1 408 m之間，坡向用GPS確定，林分密度通過實地調(diào)查后確定。

2.2 樣地調(diào)查

2.2.1喬木每木檢尺

對每塊樣地內(nèi)的所有立木進行檢尺，內(nèi)容包括樹高、胸徑、冠幅、第一活枝高等，并詳細記錄林分健康狀況、郁閉度、造林信息等。

2.2.2土壤物理性質(zhì)測試

①土壤發(fā)生層厚度：簡稱土層厚度，是土壤母巖層以上的結構層，樹木根系能夠分布在其中并吸收養(yǎng)分和水分，用直接挖取剖面法測量厚度。

②土壤含水率測試：從2018年5月下旬至6月底，連續(xù)40余d沒有有效降水，造成持續(xù)干旱。對不同坡向、不同坡位人工林土壤0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤含水量進行了采樣測試。

③土壤粗砂含量測試：用環(huán)刀對0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤進行取樣，帶回實驗室后置于烘箱，在105 ℃下烘干至恒重，然后用干篩法挑出其中粒徑≥2 mm的粗砂和根系等雜物，通過重量比計算出粗砂含量百分比。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理并制圖，用SPSS 25.0 軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，用Duncan法檢驗顯著性。

3 結果與分析

3.1 坡位對油松人工林生長的影響

38 a生油松人工林在山體的東坡、西坡、南坡及北坡均有分布，由于大青山前坡油松造林地坡面較小，本研究選擇的試驗樣地的坡長在50～70 m之間，因此只分上、下坡位設置樣地調(diào)查油松生長指標。從表1可知，在東、南、西、北4個坡向的上、下坡位油松平均樹高和胸徑之間存在顯著差異(P<0.05)，冠幅在下坡位生長量略大于上坡位，但差異不顯著。不同坡向的下坡位平均樹高、胸徑、冠幅區(qū)間分別為 7.16～8.63 m、9.1～11.9 cm和 244.5～294.5 cm，上坡位分別為 6.73～7.76 m、8.0～10.5 cm和 226.5～262.3 cm?？傮w上，下坡位油松樹高、胸徑、冠幅比上坡位高 6.39%～11.21%、13.33%～13.75% 和 7.95%～12.27%。

表1 大青山前坡38 a生不同坡位油松人工林生長特征

表2為該試驗區(qū)內(nèi)位于山體南坡的2006年營造的17 a生油松人工林生長量調(diào)查結果。下坡位和上坡位油松平均樹高分別是 2.65 m和 2.43 m，平均胸徑為 5.8 cm和 5.1 cm，平均冠幅為 215.7 cm和 192.2 cm，下坡位油松的樹高、胸徑、冠幅分別比上坡位高 9.1%、13.7%和 12.3%。方差分析結果表明，上、下坡位油松各項生長指標之間均差異顯著(P<0.05)。

表2 大青山前坡17 a生不同坡位油松人工林生長特征

3.2 坡向?qū)τ退扇斯ち稚L的影響

由表3可知，不同坡向38 a生油松林平均樹高、胸徑、冠幅大小表現(xiàn)為：北坡>東坡>西坡>南坡，平均樹高分別是 8.19 m、7.26 m、7.07 m和 6.95 m，平均胸徑分別是 11.3 cm、10.1 cm、9.3 cm和 8.8 cm，平均冠幅分別是 277.3 cm、273.5 cm、271.0 cm和 232.0 cm。方差分析結果表明，樹高和胸徑在西坡和南坡之間無顯著差異，其他坡向之間差異顯著(P<0.05)，冠幅在南坡和其他坡向之間差異顯著(P<0.05)，其他坡向之間無顯著差異。由此可知，坡向?qū)τ退筛呱L和徑生長的影響較大，對冠幅的影響不明顯。

表3 大青山前坡38 a生不同坡向油松人工林生長特征

不同坡向17 a生油松人工林生長量調(diào)查結果見表4。北坡和南坡油松樹高分別是 3.07 m和 2.63 m，胸徑分別是 10.4 cm和 5.8 cm，冠幅分別是 216 cm和 203 cm，北坡油松各項生長指標均大于南坡。方差分析結果表明，南北坡向油松林平均樹高、胸徑差異顯著(P<0.05)，冠幅無顯著差異。

表4 大青山前坡17 a生不同坡向油松人工林生長特征

3.3 林分密度對油松人工林生長的影響

在38 a生油松人工林內(nèi)，選擇生長在相同坡向坡位的不同林分密度樣地進行生長量調(diào)查。由表5可知，在南坡(陽坡)上坡位3種林分密度中，當密度為2 300株·hm-2時，油松平均樹高和胸徑最大，冠幅居中；當密度達到3 000株·hm-2時，平均樹高、胸徑和冠幅均小于其他林分密度；當密度為1 570株·hm-2時，油松平均冠幅最大，樹高和胸徑居中。在南坡下坡位和北坡上、下坡位的2種林分密度油松林中，密度在2 325～2 700株·hm-2時，平均樹高、胸徑均高于密度2 000株·hm-2的林分。方差分析結果表明，不同密度油松人工林的平均樹高、胸徑和冠幅之間差異顯著(P<0.05)。因此，除了坡向、坡位等立地因子外，林分密度是影響油松生長的重要林分因子。

表5 大青山前坡38 a生不同林分密度油松人工林生長特征

4 討論

4.1 坡位和坡向?qū)τ退扇斯ち稚L的影響

在林分密度一致的條件下，導致山體坡面上、下坡位油松生長量有差異的原因是坡面水、土、熱、氣等環(huán)境因子的空間異質(zhì)性，對樹木的生長產(chǎn)生了影響。特別是在半干旱地區(qū)，土壤水分是影響樹木生長的關鍵因子之一[7-9]。在坡面尺度上，由于陰、陽坡面以及上、下坡位土壤結構和熱量分配不同，土壤保水能力和水分蒸發(fā)量也不同[10]。通常，南坡和西坡等陽坡、半陽坡光照強烈，土層發(fā)育薄，土壤砂礫含量高，土壤水分蒸發(fā)量大；而北坡和東坡等陰坡、半陰坡則相反，保水性相對好，砂礫含量低。在同一坡面上，因海拔高度和長期的坡面水土流動作用，下坡位的土壤含水率和土層厚度、土壤密度相對高于中、上坡位。由圖1可見，大青山油松人工林不同坡位土壤水分總體上是下坡位大于上坡位，下坡位土壤平均含水率為 22.60%～29.34%，上坡位為 17.60%～23.76%。方差分析結果表明，上、下坡位土壤含水率差異顯著(P<0.05)。圖2為不同坡向土壤含水率測試結果，其大小為：北坡(26.55%)>東坡(23.63%)>西坡(20.54%)>南坡(17.60%)，山地陰坡的水分條件最好，陽坡水分條件最差，差異顯著(P<0.05)。根據(jù)油松生長量調(diào)查結果，土壤水分和油松生長量大小變化規(guī)律是一致的，這與陳聰?shù)萚10]對木荷人工林生長特征進行研究的結果一致。

圖1 同一坡向不同坡位土壤含水率 圖2 不同坡向土壤含水率

4.2 土壤物理結構與油松生長量關系

土壤發(fā)育層及其砂礫化程度是影響油松生長的間接指標之一，它主要是通過改變土壤養(yǎng)分狀況間接地影響樹木的生長。內(nèi)蒙古大青山屬于石質(zhì)山地，土層較薄。如圖3、圖4所示，在南坡(陽坡)調(diào)查樣地內(nèi)，上坡位平均土層厚度 54.4 cm，粒徑>2 mm的粗砂含量為 67.2%，下坡位平均土層厚度 75.8 cm，砂礫含量為 50.6%。而北坡(陰坡)上坡位平均土層厚度 70.5 cm，砂礫含量為 41.3%，下坡位平均土層厚度97.3 cm，砂礫含量為 45.6%，不同坡位之間的 差異極顯著(P<0.01)。另外，由圖5可見，土壤含水率和砂礫含量的變化表現(xiàn)出相反的趨勢，即砂礫含量的提高會降低土壤含水率，二者之間存在顯著的負相關關系(P<0.05)。由此可知，總體上以南坡為代表的陽坡土層薄，粗砂礫含量高，土壤養(yǎng)分物質(zhì)儲量相對低；與此相反，以北坡為代表的陰坡土層發(fā)育較厚，砂礫含量低，養(yǎng)分物質(zhì)儲量高，為油松生長提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和水分。本研究結果與魏志恒等[8]對樟樹的研究結果相似。

圖3 不同坡位土層厚度 圖4 不同坡位土壤砂礫含量

圖5 土壤砂礫含量與土壤含水率的關系

4.3 林分密度與油松生長量關系

林分密度是指林木生長過程中單位面積上的立木株數(shù)[11]。林分密度大小影響林內(nèi)光照、水分及養(yǎng)分分配，進而引起林分生產(chǎn)力、林下植被物種多樣性[12-13]。合理的密度對于促進林分良好生長發(fā)育、提高生物產(chǎn)量具有重要作用。當林分密度適宜時，樹木生長空間分配合理，光照充足，種內(nèi)競爭較小，養(yǎng)分及水分供應充足。當密度較高時樹木個體之間對水、熱資源和養(yǎng)分的競爭加劇，同時可能會發(fā)生機械作用，從而影響樹木的正常生長。當密度稀疏時，成林困難，樹木的徑生長、高生長和冠幅發(fā)育不協(xié)調(diào)，林分生產(chǎn)力和生態(tài)服務功能降低[14-20]。從林分蓄積量角度分析，胸徑和樹高是2個重要指標。在本研究中的陽坡、陰坡調(diào)查樣地內(nèi)，林分密度<2 000株·hm-2或>2 700株·hm-2時，油松樹高、胸徑均有所下降；當林分密度在2 300株·hm-2左右時生長量最大(表5)，也就是說密度過大或者過小都不利于油松材積的增長。

5 結論

本研究將內(nèi)蒙古大青山前坡不同坡位、坡向、林分密度的38 a生和17 a生油松人工林作為研究對象，對其生長特征進行了調(diào)查研究，得出以下結論：

(1)該地區(qū)38 a生油松人工林平均樹高、胸徑和冠幅分別為 7.36 m、9.8 cm和 261.1 cm；17 a生油松人工林平均樹高、胸徑和冠幅分別是 2.86 m、8.1 cm和 209.5 cm。

(2)山體坡向和坡位是影響該地區(qū)油松生長的重要地形因子。38 a生油松人工林不同坡位平均樹高、胸徑、冠幅大小順序均為下坡位大于上坡位。在不同坡向，油松林平均樹高、胸徑、冠幅大小為：北坡>東坡>西坡>南坡，且相互之間差異顯著。

(3)土壤含水率是影響半干旱區(qū)山地人工林生長量的重要生態(tài)因子。陽坡土壤含水率普遍低于陰坡，其大小變化與油松生長量大小正相關。土層厚度和土壤砂礫含量通過改變含水率和養(yǎng)分物質(zhì)儲量對油松生長產(chǎn)生影響。隨土層厚度減少和土壤中砂礫含量的提高，油松生長量有所降低。

(4)適宜的林分密度可促進油松生長。在大青山前坡現(xiàn)有的油松人工林中，密度為2 300株·hm-2左右時，林分高生長和徑生長最好，有利于林分材積增長。