太行山南麓生態脆弱區側柏人工林的結構特征

李振華

（新鄉學院 土木工程與建筑學院，河南 新鄉， 453003）

林分結構是評估森林質量和制定營林策略的重要基礎，也是調控森林生態系統生產固碳、保持水土、調節水文等生態服務功能的依據[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質大徑材、穩定的林分結構或適宜的林內環境，特別是在水分緊缺地區[6-7]。枯落物層有調節地表溫度和蒸發、緩沖和截留降雨、調節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植被退化、水土流失嚴重、巖石裸露，生態環境惡劣[16-18]。自20世紀70年代起，當地開始大規模封山治山、造林綠化[16]。側柏（Platycladus orientalis）易發芽、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，初植密度大、一穴多株的現象很普遍，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，側柏純林是當地優勢林分，發揮了防風滯塵、保持水土等重要的生態服務功能。但分布于惡劣生境的側柏林，其林木生長、林分結構及其穩定性、安全性、可持續性一直缺乏系統認識和定量評價，限制了其質量效益提升及多項生態服務功能的充分發揮[19]。

因此，本研究在太行山南麓的低山丘陵石質山區，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脆弱區的生態安全提供理論依據和參考數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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巖區。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 數據處理統計

采用Microsoft Excel 2010進行數據整理，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。調查時發現，100 m2的樣地內樹穴數量為20~28個，平均為25個，隨坡位上升而先減少后增加。根據樹穴的位置，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，其他地區的變化在1 250~3 110株·hm-2；郁閉度偏低，平均0.72，其他地區多數不低于0.80；胸徑、樹高和冠幅均低于其他地區，表現為樹體矮細，生長狀況差。

表3 不同地區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。枯落物儲量隨坡位上升而減少，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呈顯著負相關（P＜0.05），說明每穴株數越少，側柏樹冠發育越好。枯落物厚度與各因素無顯著相關（P＞0.05），說明枯落物的分布有很大隨機性。枯落物總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），說明裸巖率低、郁閉度大的林分環境，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），但其分布和數量規律對于荒山生態恢復有重要意義，有待進一步探究和解釋。

表5 林分結構與環境、結構因素的相關關系

3 討論與結論

本研究區在太行山南麓的低山丘陵石質山區，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，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%，可見本研究區的側柏林結構較差，林木生長狀況有待改善。

研究區的林分密度過高、單株生長發育差，與從未間苗和間伐從而每穴株數過高有關。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。通過相關分析發現，胸徑、冠幅均與每穴株數呈顯著負相關（P＜0.05）。每穴株數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量。但隨著林齡增加，林木種內競爭必然加劇，再加上當地脆弱的生態環境條件，土壤水分養分匱乏，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]，也是森林養分循環的重要環節[30-31]。研究發現，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]。與這些數據相比，本研究區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個不同地區的森林枯落物儲量，發現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。

研究區位于太行山南麓低山丘陵區的石質山地，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，促進林下灌草發育，增加枯落物儲量。