林木生長和土壤特性對側柏人工林生態穩定性的影響

李元忠，馬安寶，王克枚，葛忠強，梁 燕，王清華*

(1.濟南市歷城區國有黑峪林場，山東 濟南 250103； 2.山東省林業科學研究院， 山東 濟南 250014；3.諸城市林業發展中心，山東 諸城 262299)

側柏(Platycladus orientalis)是我國北方山區主要造林樹種，耐干旱瘠薄能力強，在荒山綠化中發揮了重要的生態作用。 山東省側柏分布范圍廣，造林面積大，主要集中在魯中、魯中南山地，多為20 世紀60年代營造。 這些長期側柏人工林密度普遍很大，很少進行間伐、更新等撫育措施，林分密度和郁閉度很高，造成樹木生長緩慢和林下植被稀疏，進而導致水土流失嚴重，生態穩定性大幅降低。 本課題組前期對魯中山地側柏人工林生態穩定性進行了評價研究[1]，但沒有對其影響因素進行深入探討。 本文以不同密度的長期側柏人工林為例，系統研究了林木生長和林地土壤特性對側柏林生態穩定性的影響，可為山東省側柏人工林撫育管理和可持續經營提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于山東省濟南市歷城區國有黑峪林場，跨歷城區港溝、彩石2 個街道辦事處，南部與西營街道辦事處為鄰，地處魯中山地丘陵區。 建于1959年，林地面積540.54 hm2，地理坐標為東經117°01′—117°16′，北緯36°35′—36°38′,該區屬于暖溫帶濕潤氣候區，年平均氣溫13 ℃左右，月平均溫度最高在7月，平均氣溫為27.4℃，最低在1月，平均氣溫在-3.6℃，絕對最高氣溫42.5℃，絕對最低氣溫-22.5℃，年平均降水量696.7 mm 左右，年平均相對濕度68%，全年無霜期210 天左右，年平均日照時數2640.2 h，年平均降雪厚度20～30 cm，林場內側柏人工林占絕對優勢，林地土壤類型為褐土[2]。

1.1 樣地設置

在黑峪林場選取9 塊有代表性的不同密度長期側柏人工林地作為研究對象，每塊樣地面積為100～200 m2。 所有林分均于20 世紀60年代初造林，林下灌草主要有荊條 (Vitex negundo var.Heterophylla)、胡枝子 (Lespedeza bicolor)、君遷子(Diospytos lotus)、羊須草(Carex callitrichos)等。對供試林分進行立地因子調查， 主要包括林下蓋度、郁閉度、海拔、坡位、坡向、坡度、林分結構等。 樣地基本情況見表1。

表1 供試側柏人工林樣地概況

1.2 調查、采樣及分析方法

1.2.1 林木生長指標

對9 塊樣方中側柏的林木生長狀況進行調查，時間為2017年6月。 所調查的生長指標為胸徑、樹高和冠幅，并根據胸徑和樹高計算出單株材積。

(1)胸徑: 采用胸徑尺進行測定，距地面1.3 m，單位為cm。

(2)樹高: 采用Vertex VL400 激光測距儀，選用其中的測角功能，分別測定觀測者與樹梢、標桿(1.3 m)項端、樹干底端之間的水平夾角，通過公式計算側柏樹高[3]。 單位為m。

(3)材積: 測定側柏胸徑和樹高后，通過下面公式計算側柏材積[4]：

V = 0.000091972184D1.8639778H0.83156779，

式中V、D 和H 分別為材積(m3)、胸徑(cm)和樹高(m)。

(4)冠幅: 采用皮卷尺分別測量樹冠在地面投影的東西、南北兩個方向的直線距離，計算兩者平均值作為冠幅，單位為m。

(5)造林密度：分別調查樣地中的存活株數、死亡株數和間伐株數。 采用下式計算側柏人工林的初植密度：

密度(株/hm2)=(存活株數+死亡株數+間伐株數)/ 樣地面積(m2)×100

1.2.2 林地土壤采樣及分析

在每塊樣地內隨機選點4 個，取樣層次為0—20 cm，去除石礫等雜物，混合均勻后用四分法取樣帶回實驗室，自然風干后備測。

本研究選擇了16 個土壤理化指標，其中土壤物理特性指標4 個，分別為土壤硬度、土層厚度、容重和孔隙度；土壤化學指標12 個，分別為有機質、陽離子交換量(CEC)、有效氮、有效磷、有效鉀以及水溶性鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)。

土壤硬度和土層厚度分別采用硬度計和鋼釬直接測定，沿對角線間隔1 m 測定一次，取各點測量結果的平均值。因土壤硬度受含水量影響較大，選擇半個月內沒有降雨的日期進行測定。容重采用環刀(100 cm3)測定，孔隙度則采用環刀浸水法測定[5]。 土壤有機質測定采用重鉻酸鉀外加熱法；CEC 采用醋酸銨交換法測定；有效氮、磷、鉀分別采用堿解擴散法、鉬藍比色法和火焰光度計法測定[6]；水溶性鈣Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn 采用1:5 土水比浸提，電感耦合等離子體(ICP)測定。

1.2.3 側柏人工林生態穩定性

供試側柏人工林的生態穩定性以穩定性指數表示。 首先采用因子分析法對側柏林喬木層、土壤和林下灌草層進行綜合質量評價，然后計算得出側柏人工林生態穩定性指數，列于表2，具體方法和計算結果參見文獻[1]。

1.3 數據分析

利用WPS 11.1 表格進行數據計算和圖表制作，采用Statistica 12.5 軟件計算不同指標間的Pearson 相關系數，進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 林分生長對側柏人工林生態穩定性的影響

調查結果表明，供試側柏人工林造林時的初植密度較大，平均為3856 株/hm2。 各樣地林分的平均胸徑和樹高范圍分別為6.91～16.48 cm 和6.02～10.35 m， 整體長勢較差(表2)。 生態穩定性指數最高的為7 號樣地，其胸徑明顯大于其他樣地人工林，樹高、材積和冠幅也相對較高。為探討林木生長對生態穩定性的影響，分別將胸徑、樹高、材積和冠幅這4 個生長指標分別與林分穩定性指數進行相關性分析，同時計算各指標間的相關系數。結果表明，樹高、胸徑和材積均對林分生態穩定性產生了顯著影響作用，呈顯著正相關；而冠幅和造林密度對生態穩定性的影響作用不大，未達到顯著性水平。 側柏胸徑、樹高和材積相互之間的相關性均達到顯著水平。 隨造林密度增大， 側柏胸徑、樹高、材積和冠幅均出現顯著下降，生態穩定性也明顯降低，但未達到顯著性水平。

表2 供試側柏林的林木生長指標和生態穩定性指數

2.2 土壤特性對側柏人工林生態穩定性的影響

2.2.1 土壤物理特性

供試側柏林樣地的部分土壤物理指標列于表4。 不同樣地間的土壤硬度差異較大， 最高值和最低值分別為37.67 N (樣地8)和10.63 N(樣地9)，相差近3 倍。 土層厚度界于17.2～59.8 cm 之間， 總體較淺薄，這也是魯中干旱瘠薄山地存在的普遍現象。 土壤容重平均值為1.13 g/cm3，根據林地土壤質量主要指標的分級標準[7]，處于“較低”水平，而土壤孔隙度平均值(57.45%)處于“較高”水平，表明黑峪林場長期側柏林地土壤整體上較為疏松，透水透氣性較好。

表3 林木生長指標之間以及與生態穩定性指數間的相關系數

表4 供試側柏林分的土壤物理指標

相關分析結果表明(表5)，這4 個土壤物理指標中，僅有土壤硬度與林分生態穩定性指數之間存在顯著性相關。 隨著林地土壤硬度增加，林分生態穩定性出現顯著性降低。 土層厚度、土壤容重和孔隙度三者之間均存在顯著相關性，但對林分生態穩定性均沒有明顯影響作用。

表5 林地土壤物理指數與穩定性指數之間的相關性

2.2.1 土壤化學特性

(1)有機質、CEC 和有效氮磷鉀

土壤有機質含量、CEC 和有效氮、磷、鉀含量均是重要的土壤化學指標，很大程度上反映了土壤的肥力狀況。 土壤有機質含量和CEC 的平均值分別為74.20 g/kg和32.73 cmol/kg；根據林地土壤質量主要指標的分級標準[7]，均屬于“很高”水平；土壤有效氮、有效磷和有效鉀平均值分別為50.86 mg/kg、4.27 mg/kg 和136.80 mg/kg，其中有效氮含量為“較低”水平，有效磷為“很低”，而有效鉀處于“較高”水平。 分析結果表明，供試側柏人工林土壤缺磷較為嚴重，這是由于魯中山地土壤發育于堿性基巖，含鈣量高，可溶性磷容易與鈣生成難溶性磷酸鹽而被土壤固定，從而降低了移動性和有效性。

表6 側柏林地土壤的有機質、CEC 和有效氮磷鉀含量

相關分析結果表明(表7)，側柏林地土壤有效氮與有機質、CEC 均具有顯著正相關， 有效鉀也與CEC 呈顯著正相關；有機質、CEC 和有效氮、磷、鉀這5 個土壤化學指標均與側柏林生態穩定性指數呈正相關性，但只有CEC 和有效鉀對生態穩定性產生了顯著影響作用。

表7 土壤有機質、CEC、有效氮磷鉀之間以及與穩定性指數間的相關系數

(2)水溶性中微量元素

土壤中的中微量元素主要包括Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn 等， 雖然植物對其吸收量不及氮、磷、鉀等大量元素，但均是植物生長所必需的營養元素。 分析結果表明， 供試側柏人工林土壤中的水溶性Ca 含量遠大于其它中微量元素，其次為水溶性Mg 和S，含量較低的是水溶性Mn 和Cu(表8)。相關分析表明，土壤中的水溶性Ca 和Mg、S 和Zn、Fe 和Cu 之間的相關性達到顯著水平；7 種中微量元素中僅有水溶性Cu 含量與側柏生態穩定性表現出顯著性負相關。 從整體上看，林地土壤中的水溶性中微量元素對側柏林生態穩定性未產生明顯影響作用。

表8 側柏林地土壤中的水溶性中微量元素含量

表9 土壤水溶性中微量元素之間以及與穩定性指數間的相關系數

3 結論

(1)樹高、胸徑和材積均對側柏人工林的生態穩定性產生了顯著影響，林木生長狀況越好，林分的生態穩定性也越高。 隨林分密度增大， 側柏胸徑、樹高、材積和冠幅均出現顯著下降，生態穩定性也明顯降低。

(2)隨著林地土壤硬度增加，側柏人工林生態穩定性出現顯著降低；土層厚度、土壤容重和孔隙度對生態穩定性均沒有明顯影響作用。

(3)側柏人工林土壤有機質、CEC 和有效氮、磷、鉀含量增加會有利于林分生態穩定性的增強，但其中只有CEC 和有效鉀會對生態穩定性產生顯著影響作用。 林地土壤水溶性Cu 含量與側柏生態穩定性之間表現出顯著負相關，但從整體上看，水溶性中微量元素未對側柏林生態穩定性產生明顯影響作用。