遼東山區蒙古櫟次生林結構及生態因子分析

王睿照，毛沂新，張慧東，潘文利，李慶軍

(1.遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032；2.遼寧省高速公路運營總公司葫蘆島分公司，遼寧 葫蘆島 125000)

蒙古櫟Quercusmongolica，殼斗科Fagaceae櫟屬Quercus落葉喬木，是我國溫帶地區落葉闊葉林及針闊混交林的主要樹種，其環境適應性強、根系發達、材質堅硬，具有很高的經濟和生態價值[1-2]，是珍貴樹種大徑材定向培育的主要對象[3]。遼寧省櫟類林資源豐富，以櫟類為主體的森林資源占全省森林資源的40%左右，是構成遼寧省次生林資源的主要類型，是維護區域木材安全和生態安全的重要保障[4-5]。但是，遼東山區現有的蒙古櫟林，多是以松屬、冷杉屬為主的針闊混交林遭受連續自然干擾和人為破壞后旱生演替形成[5]，林地生產力較低、干材形質較差，且生態功能退化，其價值沒有獲得充分重視。目前遼東山區蒙古櫟次生林多以中、幼齡林為主[6]，種群年齡結構不合理，其生態功能發揮受到制約，如何通過合理的森林經營活動，調整林分群落結構、完善生態功能、提高蒙古櫟林分質量成為當前亟待解決的科學問題[7]。本研究通過對遼東山區蒙古櫟天然次生林林木生長與結構及生態因子特征的綜合分析，揭示影響蒙古櫟生長的關鍵因子，為提高該區域蒙古櫟林地生產力、改善林分質量提供科學參考。

1 研究區概況

研究區位于長白山山脈向東南延伸的哈達嶺(鐵嶺西豐縣冰砬山國家森林公園)、龍崗山(本溪市桓仁縣老禿頂子國家級自然保護區)以及千山(丹東市寬甸縣白石砬子國家級自然保護區)山脈，該區屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫5.2～6.0 ℃，年均降水量684～1394 mm(表1)。該區以坡地為主，且地勢陡峭，土壤多為暗棕壤和棕壤，土層普遍較薄。植被屬長白植物區系，地帶性植被為以紅松Pinuskoraiensis為主的針闊混交林，現存天然林多是經人為干擾后形成的次生闊葉林，主要樹種包括蒙古櫟、紫椴Tiliaamurensis、色木槭Acermono、裂葉榆Ulmuslaciniata、黃波羅Phellodendronamurense、核桃楸Juglansmandshurica、水曲柳Fraxinusmandshurica、白樺Betulaplatyphylla、碩樺B.costata、刺楸Kalopanaxseptemlobus等。

表1 研究區概況

2 研究方法

研究依托國家林業和草原局在遼東山區設立的冰砬山、白石砬子2個森林生態系統國家定位觀測研究站，選取遼寧東部山區由北向南冰砬山國家森林公園、白石砬子自然保護區、遼寧老禿頂子自然保護區3處蒙古櫟種群主要分布區，按照幼齡林、中齡林、成熟林設置1 200～3 600 m2的固定觀測樣地11塊，分別對林內胸徑大于5 cm的林木進行每木檢尺并定位，記錄樹種、胸徑、樹高等基本數據。同時調查林分基本情況，沿每塊樣地的對角線均勻布點(3點)挖取土壤剖面，采集地表枯落物和0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm以及>40 cm的土壤樣品，測定土壤理化性質。

2.1 土壤樣品測定

用烘干法(105 ℃)測定土壤含水率。土樣經雜物分離、風干、磨碎后，過2 mm篩備用。有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏法測定；全磷采用HCl-H2SO4浸提，鉬銻抗比色法測定；速效磷采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度法測定；水解性氮采用堿解擴散法測定。

2.2 數據分析

采用林分平均角尺度(W)、林分平均大小比數(U)、林分平均混交度(M)、林分平均密集度(C)等參數描述林分空間結構[8]。結合3個研究區的定位監測數據，采用林分密度、平均胸徑、最大胸徑、徑階分布q值林分結構參數指標，土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等土壤特征因子，對遼東山區天然蒙古櫟林的林分結構特征和土壤養分特征進行分析，對影響蒙古櫟生長的林分結構參數和土壤特征因子進行主成分分析。

3 結果與分析

3.1 次生蒙古櫟林結構參數

表征異齡混交林徑級結構q值可作為評價林分是否需要經營的標準，一般認為q值在1.2～1.5林分為理想的異齡林年齡結構。遼東山區蒙古櫟次生林較多林分的q值低于1.2，說明遼東山區蒙古櫟次生林林分的直徑分布需要調整。從圖1可以看出，不同林齡蒙古櫟次生林的株數分布特征均表現為正態分布，峰值隨林齡的增加逐漸向右移動，表明遼東山區現有的蒙古櫟群落仍處于正向演替。

通過角尺度可以判別林木的水平分布格局，當角尺度的平均值W取值范圍屬于[0.475，0.517]，為隨機分布；當W>0.517，為聚集分布；當W<0.475，為均勻分布。

圖1 不同林齡蒙古櫟群落林分直徑分布

從表2可以看出，不同地點的蒙古櫟次生林林分的水平分布大多表現為隨機分布，基本符合健康穩定林分的要求。然而，采用經典森林經營方法干擾后的蒙古櫟林表現為均勻分布，如冰砬山X2和老禿頂子的幼齡林L4；人為活動強烈干擾的群落表現為聚集分布，如上肥地S3。對于林分水平分布格局不是隨機分布的林分則需要經營干預。遼東山區蒙古櫟成熟林的大小比數、混交度和密集度分別為0.466～0.508、0.444～0.681和0.505～0.854，平均角尺度、大小比數、混交度和密集度分別為0.504、0.503、0.662和0.600。

表2 遼東山區典型蒙古櫟林林分結構參數

3.2 次生蒙古櫟林土壤養分特征

從圖2、3可以看出，遼東山區蒙古櫟成熟林土壤養分含量均顯著高于幼齡林、中齡林，其中成熟林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土壤有機碳和全氮含量顯著高于幼、中齡林(P<0.05)，成熟林土壤中的水解性氮含量和速效鉀含量高于中齡林和幼齡林，并表現出隨著林齡的增加土壤養分含量逐漸增高。林地土壤養分的增加可能是隨著林齡增加，森林群落的樹種組成和各種凋落物歸還量增加，促進了土壤營養物質的積累；而土壤營養物質的增加有利于群落植被的生長發育，使得蒙古櫟林生態系統的養分循環過程表現為良性循環。

圖2 蒙古櫟次生林土壤有機碳和全氮含量特征

圖3 蒙古櫟次生林土壤水解性氮、速效鉀和全磷含量特征

3.3 蒙古櫟次生林林分特征指標

結合遼東山區不同林齡天然蒙古櫟林種類組成、林分結構化參數、土壤養分及地形地貌等特征，篩選出指示蒙古櫟次生林生物量(櫟樹平均胸徑DBH)、林分空間結構(徑階分布、角尺度)、群落樹種組成(混交度)和林地土壤養分等13個指標，進行主成分分析(表3)。

結果表明，第一主分量主要由土壤養分的全磷、水解性氮和反映林分結構的混交度和角尺度等構成，能夠解釋遼東山區蒙古櫟林分特征的45.16%；第二主分量主要由表示林地密集度和土壤速效磷含量構成，能夠解釋遼東山區蒙古櫟林分特征的21.61%；第三主分量由坡度和土壤含水率構成，能夠解釋遼東山區蒙古櫟林分特征的12.74%；第一主分量、第二主分量和第三主分量累計可解釋遼東山區蒙古櫟林分特征的79.50%。

表3 遼東山區典型蒙古櫟林PCA分析特征指標

4 結 論

林分的空間結構特征體現了樹木在林地上的分布格局及其在空間上的排列方式[9]，對一個發育完善的頂極群落而言，其優勢樹種總體呈現隨機分布格局，林木分布格局的隨機性是判斷森林群落發育演替階段的重要方法[8]。遼東山區蒙古櫟成熟林群落角尺度、大小比數、混交度和密集度等結構化參數的平均值分別為0.504、0.503、0.662和0.600，該結構參數可作為遼東山區大徑階蒙古櫟林定向培育的模式林分參數。森林土壤受到土壤結構、根系深度、土層特性、有效水分保持能力、土壤生物多樣性等方面的強烈影響，其N、P、K、pH值等特征指標能夠準確反映生態系統功能變異性，可反映土壤的肥力狀況和養分供給的能力[10]，遼東山區蒙古櫟林群落的土壤養分總體表現出隨林齡增加而增加，成熟林的土壤有機碳和全氮含量均顯著高于幼齡林和中齡林。基于遼東山區蒙古櫟林群落組成特征、林分結構參數和環境因子特征等觀測指標的主成分分析結果，初步將調整林分水平分布及混交度、增加林地土壤養分等技術措施作為遼東山區大徑階蒙古櫟林定向培育技術的集成措施。