太行山南麓生態(tài)脆弱區(qū)側柏人工林的結構特征

李振華

（新鄉(xiāng)學院 土木工程與建筑學院，河南 新鄉(xiāng)， 453003）

林分結構是評估森林質量和制定營林策略的重要基礎，也是調控森林生態(tài)系統(tǒng)生產固碳、保持水土、調節(jié)水文等生態(tài)服務功能的依據(jù)[1]。林冠層是林分結構的主導層次和經營調控的目標層次，受海拔、坡位、土壤厚度、土壤含水率等立地條件影響[2-5]。生產上多調控林冠層密度來獲得優(yōu)質大徑材、穩(wěn)定的林分結構或適宜的林內環(huán)境，特別是在水分緊缺地區(qū)[6-7]?？萋湮飳佑姓{節(jié)地表溫度和蒸發(fā)、緩沖和截留降雨、調節(jié)地表徑流和控制土壤流失的功能[8]，與其厚度、儲量、組分、分解程度等結構特征有關[9-12]，受郁閉度[13]及坡位、坡度、裸巖率等立地條件影響[14-15]。深入認識林分結構及其環(huán)境影響因素有助于制定精準有效的營林策略。

太行山是華北平原的生態(tài)屏障和重要水源地，歷史上因人類活動及自然原因影響，其南麓河南輝縣境內低山丘陵區(qū)植被退化、水土流失嚴重、巖石裸露，生態(tài)環(huán)境惡劣[16-18]。自20世紀70年代起，當?shù)亻_始大規(guī)模封山治山、造林綠化[16]。側柏（Platycladus orientalis）易發(fā)芽、側根多，耐干旱耐瘠薄，是主要的造林樹種、先鋒樹種。為保證成活數(shù)，初植密度大、一穴多株的現(xiàn)象很普遍，后經封山育林、太行山綠化工程，一直以保護為主，未實施間伐等經營措施。目前，側柏純林是當?shù)貎?yōu)勢林分，發(fā)揮了防風滯塵、保持水土等重要的生態(tài)服務功能。但分布于惡劣生境的側柏林，其林木生長、林分結構及其穩(wěn)定性、安全性、可持續(xù)性一直缺乏系統(tǒng)認識和定量評價，限制了其質量效益提升及多項生態(tài)服務功能的充分發(fā)揮[19]。

因此，本研究在太行山南麓的低山丘陵石質山區(qū)，調查分析不同坡位的側柏林的林冠層、林下層、枯落物層的結構特征及其環(huán)境、結構影響因素，提出相關建議，為低質低效人工林的改造經營及生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)安全提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南溝小流域（113°49 E′，35°30 N′）位于河南省輝縣市方山的西南側，屬太行山南麓與華北平原結合部的低山丘陵石灰?guī)r區(qū)。海拔變化在155~384 m。溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫15℃，年均無霜期214 d，年均日照時數(shù)2 020 h，年均降水量589 mm，多在6—8月。

1.2 研究方法

在研究區(qū)選擇一片無病蟲害感染、林相整齊的側柏純林，沿所在坡的坡底向上到坡頂、保持方位不變確定調查樣線，樣線垂直于等高線。根據(jù)樣線長度，將坡長等分為5段，即有5個坡位（下坡、中下坡、中坡、中上坡、上坡）。注意避開林緣、林窗及微地形明顯異常的地方，在每個坡位的代表性地段各設置1個投影面積為100 m2的樣地，樣地間方位一致。在每個樣地的中心位置使用手持式GPS（優(yōu)利德UT379A）測定經緯度和海拔，使用羅盤和水準儀測定坡向、坡度等環(huán)境因素；然后，將樣地分為25個4 m2的正方形小格，觀測基巖裸露面積占小格面積的比率，取平均值為樣地的裸巖率；然后避開裸巖和樹體，選取9處代表性位置，采用鋼釬和卷尺測定土壤厚度，并用鋁盒取土樣，在室內用烘干稱質量法測定土壤自然含水率。樣地概況見表1。

表1 樣地的環(huán)境條件

1.2.1 林冠層結構測定 采用每木檢尺的方法，測定樣地內所有側柏單株的樹高、胸徑、東西和南北方向的冠幅；并計算林分密度、平均樹高、平均胸徑和平均冠幅。采用多點計數(shù)法，在樣地內25個4 m2小格中央，目測正上方的樹冠遮蔽比率，取平均值為樣地的冠層郁閉度。

1.2.2 枯落物層結構測定 在樣地內避開裸巖和樹體，選擇3處代表性位置，測定枯落物層厚度；采用小樣方收獲法，將枯落物帶回室內，烘干稱重，并根據(jù)樣方面積換算樣地枯落物儲量；然后將烘干的枯落物分類，區(qū)分側柏針葉、樹枝、地衣和其他，計算枯落物各組分的儲量及其占比。

1.3 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS18.0進行Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 側柏林的冠層結構

由表2可知，該坡面上側柏林的郁閉度平均為0.72，變化在0.60~0.80，沿坡向上的變化與裸巖率相反，中上坡最低，中、中下坡其次，上、下坡最高。林分密度平均為5 924株·hm-2，變化在2 800~12 420株·hm-2，沿坡向上的變化與郁閉度近似，中坡最低，下坡最高。調查時發(fā)現(xiàn)，100 m2的樣地內樹穴數(shù)量為20~28個，平均為25個，隨坡位上升而先減少后增加。根據(jù)樹穴的位置，在裸巖率較低的樣地能夠大致判斷出人工種植的株行距約為2 m×2 m；由于種植后未進行間苗和間伐，目前每個樹穴內不止1株側柏，下坡處最多，平均為4.6株，整個坡面平均每穴有2.4株。平均胸徑為7.07 cm，沿坡向上而先增大后減小，中坡最大，下坡最小。平均樹高4.8 m，變化范圍是3.9~6.2 m；平均冠幅1.18 m，變化在0.54~1.80 m，二者均隨坡位上升而增加。

表2 側柏林的冠層結構

由表3可知，與國內其他地區(qū)相同或相近林齡的側柏林相比，本研究的側柏林密度明顯更高，平均為5 924株·hm-2，其他地區(qū)的變化在1 250~3 110株·hm-2；郁閉度偏低，平均0.72，其他地區(qū)多數(shù)不低于0.80；胸徑、樹高和冠幅均低于其他地區(qū)，表現(xiàn)為樹體矮細，生長狀況差。

表3 不同地區(qū)側柏林的冠層結構比較

2.2 林地枯落物層結構

由表4可知，枯落物厚度變化在1.7~3.5 cm，平均為2.4 cm；在風吹和水流作用下，難以在裸巖之上長時間滯留，因而基本都沿裸巖邊緣和樹體周邊分布。枯落物儲量變化在1.17~7.09 t·hm-2，平均為4.52 t·hm-2；其中，側柏針葉占比最大，為41.37%；其他組分其次，包括草葉、樹皮、蟲便、花果等，占37.06%；再次是側柏枝條，占21.33%；地衣占比最少，為0.24%，但具有粘結、固持枯落物的關鍵作用?？萋湮飪α侩S坡位上升而減少，在中上坡達到最小后，在上坡處大幅增加；其主要組分的針葉、枝條有相似變化。

表4 側柏林的枯落物層結構

2.3 環(huán)境影響因素分析

由表5可知，林木胸徑與林分密度、每穴株數(shù)呈顯著負相關（P＜0.05），說明種植過密有礙單株樹木的直徑增長。林木冠幅與每穴株數(shù)呈顯著負相關（P＜0.05），說明每穴株數(shù)越少，側柏樹冠發(fā)育越好?？萋湮锖穸扰c各因素無顯著相關（P＞0.05），說明枯落物的分布有很大隨機性?？萋湮锟們α颗c裸巖率呈顯著負相關（P＜0.05），與郁閉度呈極顯著正相關（P＜0.01），說明裸巖率低、郁閉度大的林分環(huán)境，能夠產生或積蓄更多的枯落物。因此，枯落物組分中的針葉、枝條、其他等儲量均與郁閉度呈顯著正相關（P＜0.05）。地衣與各因素無顯著相關（P＞0.05），但其分布和數(shù)量規(guī)律對于荒山生態(tài)恢復有重要意義，有待進一步探究和解釋。

表5 林分結構與環(huán)境、結構因素的相關關系

3 討論與結論

本研究區(qū)在太行山南麓的低山丘陵石質山區(qū)，坡面裸巖率平均為71%，土壤平均厚度僅2.2 cm，且主要沿裸巖和樹穴周圍集聚分布，土壤含水率僅5.8%，屬側柏能利用的低產低效水（4.0%～8.5%）[27]。坡面上側柏林齡約50年，未完全郁閉，目前郁閉度平均為0.72；林分密度偏高，平均為5 924株·hm-2，在下坡處高達12 420株·hm-2，遠高于北京、徐州、濟源的30~53年生側柏純林的保留密度。胸徑、樹高、冠幅則明顯低于其他地區(qū)，特別是與北京海淀妙峰山[20]、北京門頭溝鷲峰[21]、江蘇徐州九里山[24]相比，其胸徑、樹高的差距高達1倍左右；即使與同處南太行地區(qū)的濟源小浪底30年生側柏林[26]相比，胸徑也低于后者47%，樹高低于后者102%，可見本研究區(qū)的側柏林結構較差，林木生長狀況有待改善。

研究區(qū)的林分密度過高、單株生長發(fā)育差，與從未間苗和間伐從而每穴株數(shù)過高有關。目前坡面上每個樹穴平均有2.4株側柏；下坡最高，平均有4.6株。通過相關分析發(fā)現(xiàn)，胸徑、冠幅均與每穴株數(shù)呈顯著負相關（P＜0.05）。每穴株數(shù)多即林分初植密度大，其好處是確保困難立地的苗木成活數(shù)量。但隨著林齡增加，林木種內競爭必然加劇，再加上當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境條件，土壤水分養(yǎng)分匱乏，共同導致林木生長狀況差，急需進行結構調控[7]。

枯落物層是森林水文功能的第二作用層[28-29]，也是森林養(yǎng)分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[30-31]。研究發(fā)現(xiàn)，蘭州市側柏林枯落物厚度為3.93 cm[32]、北京寨兒峪側柏林枯落物厚度為3.61 cm[33]、北京西山側柏林枯落物厚度變化在3.9~4.4 cm[11]。與這些數(shù)據(jù)相比，本研究區(qū)側柏林的枯落物厚度略低，變化在1.7~3.5 cm，平均為2.4 cm。王佑民[34]比較了國內11個不同地區(qū)的森林枯落物儲量，發(fā)現(xiàn)喬木林枯落物儲量一般在10 t·hm-2，生長良好的林分可達20~40 t·hm-2。而本研究區(qū)側柏林地的枯落物儲量變化在1.17~7.09 t·hm-2，平均為4.52 t·hm-2，遠低于上述平均水平。這可能與林分生長受到環(huán)境制約、生產力較低而凋落量有限有關。此外，本研究中枯落物儲量與裸巖率呈顯著負相關（P＜0.05），與郁閉度呈極顯著正相關（P＜0.01），與密度正相關但不顯著（P＞0.05），表明在裸巖率低的地方，適當提高林分郁閉度，將有助于產生或積蓄更多的枯落物。

研究區(qū)位于太行山南麓低山丘陵區(qū)的石質山地，坡面立地條件困難，裸巖率高，土層薄，含水率低。側柏純林密度過大，一穴多株現(xiàn)象嚴重，單株生長狀況差，枯落物儲存量小，以側柏針葉、枝條為主要組分。冠層結構與密度、每穴株數(shù)顯著相關，枯落物層結構與裸巖率、郁閉度顯著相關。因此，建議依據(jù)水資源植被承載力適當降低林分密度、提高郁閉度，改善林木的生長狀況，促進林下灌草發(fā)育，增加枯落物儲量。