黃土丘陵溝壑區(qū)人工刺槐林生長(zhǎng)特征與生物量研究

劉 林,于博威,王小平,薛麗萍,韓國忠

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持科學(xué)研究所,山西 太原 030013; 2.山西省水土保持科學(xué)研究所,山西 太原 030013;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081;4.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)

在干旱半干旱黃土丘陵溝壑區(qū),降水是植被維持生長(zhǎng)的主要水分來源。由于該地區(qū)降水較少且分布不均,因此水分條件極大地限制著人工林的生長(zhǎng),嚴(yán)重影響林木成活率和成材率[1]。刺槐(Robiniapseudoacacia)作為生態(tài)修復(fù)的先鋒樹種,自20世紀(jì)50年代以來,在黃土高原累計(jì)種植面積超過2 310 km2,占全國的20%以上。作為高耗水樹種,刺槐的生長(zhǎng)特征是影響土壤水分時(shí)空變異的主要因素之一[2]。首先,刺槐林通過林冠層截留雨水、根系吸水、蒸散發(fā)等活動(dòng)直接影響水分的再分配過程;其次,刺槐林通過改變土壤性質(zhì)間接影響土壤結(jié)構(gòu)、田間持水量、萎蔫系數(shù)等與土壤含水量相關(guān)的參數(shù),最終影響土壤含水量的時(shí)空分布規(guī)律。因此,開展刺槐林生長(zhǎng)特征空間分布的調(diào)查,是分析土壤含水量時(shí)空變異及其關(guān)系的基礎(chǔ)。

本研究以晉西黃土丘陵溝壑區(qū)典型人工刺槐林為研究對(duì)象,通過設(shè)置不同林齡樣地調(diào)查刺槐林主要生長(zhǎng)特征,并估算刺槐林生物量,以探討不同林齡刺槐林在不同地形條件下的主要生長(zhǎng)特征和生物量的空間分布特征及差異性,為黃土丘陵溝壑區(qū)人工刺槐林營造工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于典型黃土丘陵溝壑區(qū)的山西省石樓縣的退耕還林試驗(yàn)區(qū)(36°56′N、110°46′E),地形破碎,溝壑縱橫,水土流失嚴(yán)重。研究區(qū)屬于半干旱溫帶大陸性氣候區(qū),80%以上的降雨集中在5—9月。為改善生態(tài)環(huán)境,香港力行植林慈善基金會(huì)于2006年起在研究區(qū)開展人工造林活動(dòng),截至2022年累計(jì)種植人工林面積超150 hm2,苗木成活率在70%以上,主要樹種為刺槐[3-4]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取

依據(jù)研究區(qū)不同林齡刺槐林樣地的面積,設(shè)置刺槐林調(diào)查樣方大小為10 m×10 m。在不同林齡、不同立地條件的人工刺槐林樣地共設(shè)置固定樣方29個(gè),其中林齡為4、8、12、16 a的刺槐林樣地分別有樣方3、8、8、10個(gè)。調(diào)查的刺槐生長(zhǎng)指標(biāo)主要包括樹高和胸徑。樹高采用測(cè)距儀進(jìn)行觀測(cè),胸徑采用胸徑尺進(jìn)行觀測(cè)。調(diào)查時(shí)間分別是在2022年生長(zhǎng)季前期(5月)和末期(9月)各1次。

為利用刺槐樹高和胸徑數(shù)據(jù)估算刺槐生物量,2020年9月在研究區(qū)采集刺槐枯木28株,分別測(cè)量刺槐枯木的樹高、胸徑,并伐倒稱其干質(zhì)量,確定了單株生物量與胸徑或樹高(或者二者)間的回歸關(guān)系。利用確定的回歸關(guān)系和所有樹木的實(shí)測(cè)胸徑或樹高,可推算樣地的生物量[5-6]。本研究區(qū)刺槐單株生物量的估算式為

W=1.858 2(D2H)0.352 7(R2=0.852 9,p<0.001)

(1)

式中:W為單株生物量,單位kg;H為樹高,單位m;D為胸徑,單位cm。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

研究區(qū)刺槐林雖是按照相同密度種植的,但成活率等因素會(huì)導(dǎo)致各樣方密度有所差異,為方便比較不同林齡、不同地形條件下刺槐林樹高、胸徑、生物量的差異性,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行密度標(biāo)準(zhǔn)化。利用單因素方差分析方法(One-way analysis of variance,ANOVA)和最小顯著性差異法(Least significant difference,LSD),分析比較不同林齡、不同地形條件下刺槐主要生長(zhǎng)特征和生物量平均值的差異性,顯著性水平取0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 不同林齡刺槐林生長(zhǎng)特征

圖1顯示了不同林齡刺槐林樹高和胸徑分布特征,可以看出,16 a、12 a刺槐林樹高和胸徑顯著高于8 a和4 a刺槐林,但16 a與12 a刺槐林樹高和胸徑差異不顯著。由圖1(a)可以看出,4 a到8 a刺槐林樹高年均增長(zhǎng)0.34 m,8 a到12 a刺槐林樹高年均增長(zhǎng)0.12 m,12 a到16 a刺槐林樹高年均增長(zhǎng)0.08 m,這表明隨著林齡的增加,刺槐林樹高會(huì)顯著增高,但年均增長(zhǎng)速度會(huì)逐漸變得緩慢。由圖1(b)可以看出,4 a到8 a刺槐林胸徑年均增長(zhǎng)0.41 cm,8 a到12 a刺槐林胸徑年均增長(zhǎng)0.19 cm,12 a到16 a刺槐林胸徑年均增長(zhǎng)0.11 cm,這表明隨著林齡的增加,刺槐林胸徑顯著增長(zhǎng),同時(shí)年均增長(zhǎng)速度下降明顯。

圖1 不同林齡刺槐林生長(zhǎng)特征

2.2 地形條件對(duì)刺槐林生長(zhǎng)特征的影響

分別從坡度、坡位和坡向分析地形條件對(duì)刺槐林生長(zhǎng)特征的影響。從表1可知,同一林齡的陰坡刺槐林樹高是陽坡刺槐林的1.17～1.27倍,差異性顯著且隨著林齡增長(zhǎng)愈發(fā)明顯;在同一坡向,不同林齡刺槐林樹高也呈顯著差異,林齡16 a和12 a的刺槐林樹高顯著高于林齡8 a和4 a的刺槐林。同一林齡的刺槐林在不同坡位上樹高也存在差異,其中林齡4 a的刺槐林下坡位樹高顯著高于中坡位和上坡位,林齡8 a、12 a和16 a的刺槐林中坡位和下坡位樹高顯著高于上坡位;同一坡位上,刺槐林樹高隨著林齡呈顯著增加趨勢(shì)。對(duì)比坡面和水平梯田,發(fā)現(xiàn)同一林齡的刺槐林在水平梯田上的樹高顯著高于坡面上的,并且隨著林齡的增加,樹高差距愈發(fā)明顯,水平梯田上的刺槐林生長(zhǎng)速度更快。

表1 不同地形條件下刺槐林樹高分布特征

表2顯示,同一林齡陰坡刺槐林胸徑顯著大于陽坡刺槐林,兩者胸徑的平均差呈先增后減的趨勢(shì),其中在林齡8 a時(shí)達(dá)到最大;在同一坡向上,刺槐林胸徑整體隨林齡增加而增大,陽坡各林齡間均存在顯著差異,陰坡12 a和16 a之間無顯著差異。同一林齡的刺槐林在不同坡位上胸徑也存在差異,其中4 a、8 a、12 a刺槐林胸徑在不同坡位上均存在顯著差異,且下坡位>中坡位>上坡位,16 a刺槐林下、中坡位胸徑顯著高上坡位,而下、中坡位間無顯著差異;同一坡位上,刺槐林胸徑隨著林齡的增加而顯著增長(zhǎng)。同一林齡的刺槐林在水平梯田上的胸徑要顯著大于坡面上的,并且水平梯田上的刺槐林隨著林齡增加胸徑增長(zhǎng)速度更快。

表2 不同地形條件下刺槐林胸徑分布特征

2.3 刺槐林生物量特征

從圖2可以看出,不同林齡刺槐林的生物量差異顯著。16 a刺槐林生物量顯著高于12 a、8 a和4 a刺槐林,平均分別高出2.26、5.85和12.72 kg。4 a至8 a刺槐林生物量平均增長(zhǎng)速度為1.72 kg/a,8 a至12 a刺槐林生物量平均增長(zhǎng)速度為0.90 kg/a,12 a至16 a刺槐林生物量平均增長(zhǎng)速度為0.57 kg/a。由此表明,刺槐林生物量與林齡有關(guān),且隨著林齡的增加,生物量增長(zhǎng)明顯,但年均增長(zhǎng)速度呈下降趨勢(shì)。

圖2 不同林齡刺槐林生物量特征

根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析可以看出,地形條件也是影響刺槐林生物量的重要因素。同一林齡陰坡的刺槐林平均生物量為陽坡的1.32～1.73倍,同一坡向條件下隨林齡的增加刺槐林生物量增長(zhǎng)明顯。同一林齡刺槐林生物量在上、中、下坡位差異顯著,其中4 a、8 a和12 a刺槐林的生物量在不同坡位間均存在顯著差異,且下坡位>中坡位>上坡位,16 a刺槐林的下坡位與中坡位生物量無顯著差異,但二者均顯著高于上坡位;同一坡位上,隨著林齡增加,刺槐林生物量也顯著提高。同一林齡的刺槐林在水平梯田上的生物量遠(yuǎn)高于坡面上的,并且隨林齡增加,水平梯田上刺槐林生物量增長(zhǎng)更快。

表3 不同地形條件下刺槐林生物量特征

3 結(jié)論

1)人工刺槐林樹高、胸徑和生物量的分布與林齡有關(guān)。隨著林齡的增加,樹高、胸徑和生物量均有明顯的增長(zhǎng),但年均增長(zhǎng)速度呈下降趨勢(shì)。

2)坡向顯著影響人工刺槐林樹高、胸徑和生物量的增長(zhǎng)(p<0.05)。陰坡比陽坡更有利于促進(jìn)刺槐林樹高、胸徑與生物量的增長(zhǎng)。

3)相同林齡的人工刺槐林在中、下坡位的樹高、胸徑和生物量整體優(yōu)于上坡位。中、下坡位的刺槐林隨著林齡的增長(zhǎng),林木樹高、胸徑和生物量之間的差異性減小,坡位對(duì)刺槐林生長(zhǎng)特征的影響程度呈下降趨勢(shì)。

4 討論

不同的地形條件對(duì)刺槐人工林的生長(zhǎng)特征和生物量有重要的影響,主要原因是刺槐作為耗水量大的樹種,土壤水分是其生長(zhǎng)的主要限制因素,而地形條件會(huì)對(duì)土壤水分含量產(chǎn)生直接的影響[7]。在坡向上,陽坡光照時(shí)間長(zhǎng),獲取的太陽輻射量要遠(yuǎn)大于陰坡,地表蒸發(fā)作用強(qiáng),加之林木的蒸騰活動(dòng),使得陽坡土壤水分含量低于陰坡,從而影響刺槐林的生長(zhǎng);在坡位上,上坡位受太陽輻射、風(fēng)力作用強(qiáng),造成大量的土壤水分流失,而中、下坡位相對(duì)光照時(shí)間短、溫度低、風(fēng)力影響小,另外中、下坡位土壤不僅可接受降雨的水分,還有上坡位流失的水分作為補(bǔ)給,土壤水分含量要顯著高于上坡位[8],因此林木生長(zhǎng)優(yōu)于上坡位;在坡度上,水平梯田具有保土、保水、保肥的作用,林木生長(zhǎng)環(huán)境要明顯優(yōu)于坡面。

4)坡度同樣顯著影響人工刺槐林樹高、胸徑和生物量的增長(zhǎng)(p<0.05)。梯田上的人工刺槐林樹高、胸徑和生物量明顯高于坡面上的,且隨著林齡增加,梯田上的刺槐林生長(zhǎng)量增加更為明顯。