山東省側柏生態公益林區域劃分的研究

王 斐,侯立群,葛忠強,劉幸紅,曲永赟

(山東省林業科學研究院,山東 濟南250014)

山東省側柏生態公益林區域劃分的研究

王 斐,侯立群,葛忠強,劉幸紅,曲永赟

(山東省林業科學研究院,山東 濟南250014)

分門別類的研究是人們認知自然資源的一種重要途徑,樹木生物學和生態學的時空異質性則是這種分類研究的基礎。而樹種的區域劃分在一定程度上反映了人們對其生物學特性和生態適應性以及經濟利用價值等的認識,也是科學合理地利用土地資源的結果。我們在深入研究山東省側柏林分布特征、自然環境異質性以及以往的綜合農林業區域劃分的基礎上,通過典型更新調研、冠形分析進行了側柏區劃的研究。結果表明,山東省側柏林資源存在明顯的時空差異,有必要進行區域分類撫育經營的嘗試。

山東省;側柏;區劃;冠形;更新

側柏適應能力強,栽培范圍廣,而且被大量栽植在石灰性沉積巖山地上[1－3],近年來側柏也越來越多地用于城市和道路綠化之中。生態公益林木在一定時空范圍的分布和演化是自然地理和人文社會因素綜合作用的結果[4]。人們為了經營管理的需要和便利往往對相似的行政區域和自然資源等進行分類和區劃,從森林植被區系的劃分到森林類型的劃分再到林種區劃等等[5]。在農林作物栽培和經營過程中,果樹單樹種氣候區劃、氣象災害區劃并非少見[6]。而單樹種的林木栽培和經營區劃則屈指可數。

在較為理想的側柏林分環境條件下,立地條件均勻,生長發育相似,更新和栽培模式相像,可以采用統一標準和撫育經營方式對全省甚至全國的側柏林分撫育管理。然而,這種理想的撫育經營管理模式與現實存在較大的出入。就側柏主要分布區域的自然環境而言,在山地的集中栽培更為常見[7－9]。山地基巖結構和組成本身的差異、土壤保水保肥能力的不同、山體水熱資源異質性再分配、高山對于局部氣象條件的影響、季風氣候的空間異質性作用等等造成了側柏栽培立地條件的多樣性,也是側柏分類撫育經營的自然前提。

為了更加科學有效的進行側柏生態公益林分的撫育和經營,提高防災抗災的能力,本研究進行了山東省側柏生態公益林區域劃分的嘗試。

1 分區的方法

首先,應用ARCGIS地理信息系統將山東省地形地貌、基巖、土壤、氣候和側柏資源分布狀態矢量化于山東省縣界地圖之上。在此基礎上,參照降水量、干燥度及其等值線[10]、中國林業區劃線[5]、山東省林業區劃線[11]、山東省氣象災害區劃線[12]、山東省土壤區劃線[13]等。依據側柏資源分布的區域變化特征,經繪制這些因素的交集,參照各種區劃的結果,首先做出側柏生態公益林的初步區域分類方案。

數字圖像分析方法是當今大地精準測量的手段之一,我們應用該方法曾研究過銀杏等樹種遭受臺風危害后的偏冠變形特征[14－15],且有希望成為一種便捷可靠的測樹方法。而且遠距離的拍攝可以提高調研的效率,用較少的人力實現對目標樹的客觀描述,也減少不同觀測者之間存在的誤差。所謂冠形圖像分析是指應用數字圖像法對樹冠側面形狀的研究。操作方法和樣樹選擇參照作者以往公開發表研究[16]。在冠形調查研究中,分別各個分區進行典型側柏樹冠縱斷面的RGB圖像拍照。除專門研究以外,拍攝以東南、南、西南等陽坡的散生林木為主。拍攝地點主要在山東省側柏主栽區內,其中包括歷城、長清、章丘、平陰、東平、梁山、肥城、寧陽、嘉祥、泰安、萊蕪、新泰、沂源、平邑、蒙陰、曲阜、鄒城、泗水、微山、滕州、山亭、棗莊、嶧城、費縣、臨沂、五蓮、博山、臨淄、淄川、鄒平、青州、昌樂、沂水、莒縣等縣、市、區。

為了增加調查樣地的隨機性,樣地大多是調查前在Google地圖上按典型代表性和交通便利等目標預選的地點。遠距離的樹冠使用長焦鏡頭拉近后拍攝,為了避免拍攝距離的影響,本研究全部使用同一張圖像不同部位的比值構建冠形指數(CSI),以提高圖像間的可比性。冠形分析是使用Image－tool等圖像處理軟件量測不同樹冠的形狀指標,然后計算反映樹冠形狀的冠形指數。冠形指數為樹冠側面圖像最寬處的寬度與樹冠最寬部位到樹干基部的高度之比值。

側柏種子的萌發和幼苗的成活及保存與空氣濕度和土壤水分條件的關系較為密切[17－18]。一些干旱的陽坡側柏幼苗、幼樹難得一見,而在一些空氣濕潤、土壤水分條件優越的環境下側柏幼苗和幼樹多不勝數。所以,在側柏區域分類和劃分時,林下幼苗、幼樹更新的數量和質量也是非常重要的指標之一。因此,用Top定位和1 m2小樣方重復調查的方法統計側柏幼苗、幼樹數量。以最密(Top)定位原則[19]選擇萌生苗密度最大的地塊放置1m2樣框,并全面統計樣框內籽苗數,各重復進行5次。

在以側柏資源分布和自然條件為主線的初步分區基礎上,計算各分區的平均CSI值、平均優勢幼樹高、CSI的標準誤差、CSI的標準差、CSI的極差、平均降水量等參數,并進行歐式距離聚類分析。按側柏生長和冠形指數差異最大化的標準確認分界方案。其中幼苗和幼樹的分類標準為3年生以下為幼苗、3年以上到直徑小于成熟齡樹木40%者為幼樹。

所用的氣象資料來自于中國國家氣象局信息中心的氣象信息服務網和山東省氣象信息服務中心,土壤信息、地質地貌信息和側柏資源分布狀態等信息分別來自于相應的文獻資料[11,13]。資料和數據的統計分析分別應用了ARCGIS10.1、Imagetool 3.0、Micro office 2003等軟件系統。

2 山東省側柏生態公益林資源分布和立地條件的地域差異

2.1 山東省側柏資源分布及其地質、巖石和土壤特征

圖1是山東省側柏林分中心點位置[11]的矢量化分布圖和山東省各地海拔高度、主要土壤和巖石類型圖,該圖記載的側柏林分如今大多已經成為中齡以上的林分。鑒于絕大多數側柏林分為生態公益林,作為防護林種一般情況下相關法律法規不允許采伐,所以資源相對穩定,也更加適合側柏冠形的解析。從圖1a可見,山東省側柏生態公益林主要分布在魯中南山地。側柏因其適應能力強、病蟲危害較輕,往往是極端困難立地造林的首選樹種之一。在山東省栽培在沉積巖山地粗骨土立地之上的側柏林分居多(圖1b)。在石灰巖等沉積巖山地較為集中的濟南、棗莊、淄博、濰坊等地有集中連片的側柏生態公益林分布。在魯東丘陵一般變質巖為核心的沙石山集中分布區,臺風等自然災害發生相對頻繁,少有集中成片的側柏生態公益林栽培。

山東省地貌結構輪廓清晰、層次分明。西、北兩側分布著坦蕩的黃河沖積平原,山地丘陵集中分布在中南部和東部地區,與側柏森林資源形成鮮明的對照。魯西、魯北平原地區是楊柳類落葉闊葉樹種適生區和集中栽培區,除了少量的四旁綠化、沙丘、墓地以外,側柏成片栽培較為罕見(圖1a)。

圖1 山東省地形(a)、主要巖石類型(b)、主要土壤類型(c)和側柏林地中心點坐標(c)分布圖

魯東丘陵主要由變質巖構成(圖1b),而且以海拔200－300m的波狀緩丘為主(圖1a),氣候適宜,是溫帶落葉果樹的集中栽培地區之一。魯中南山地1000m以上的高海拔山地主峰(圖1a)主要有堅硬的花崗巖、片麻巖和花崗片麻巖組成(圖1b),如泰山、魯山、沂山、徂徠山、蒙山等,遭受地表剝蝕后常形成松散的沙礫狀物,其中粗粒片麻巖風化后結構松弛、宜于流失,俗稱“沙石山地”。海拔500m以下的丘陵常有厚層的石灰性沉積巖覆蓋。而且更多的側柏生態公益林栽培在富鈣的灰巖、砂頁巖山地集中的地域,而在石灰性沉積巖與其它類巖石復合交錯區域,側柏生態公益林呈分散栽培狀態(圖1b)。

圖1c是以《山東省山地丘陵區土壤》為藍本矢量化而來的山東省主要山地土壤分布圖。在側柏資源分布較為集中的魯中南山地區域,酸性結晶巖與富鈣的灰巖、砂頁巖的相間分布(圖1b)成為該地域棕壤和褐土呈復區分布(圖1c)的基礎。而在泰沂山北麓、泰山山脈西側的余脈殘丘、魯南沂沭河上游的丘陵地區山頂覆蓋著厚層的石灰巖,分布著適于側柏生長的褐土,包括普通褐土、粗骨褐土以及淋溶褐土(圖1c)。側柏林的立地條件中褐土占側柏林地的89%。其中,粗骨褐土為數最多,粗骨褐土成土母質為石灰巖和鈣質砂頁巖風化后的殘積、坡積物,土層厚度一般小于30cm,并含有大量的母巖碎石,粗骨薄層特征明顯。除生長有灌木草叢的類型表層有少量的有機質累積外,一般剖面無發育,薄層土壤之下既為基巖,因土壤中大多有石灰反映,p H值呈中性至微堿性。相比之下,盡管在山東省山地棕壤和粗骨棕壤土上沒有大面積的集中側柏栽培(圖1c),局部小面積的側柏林地也時而可見,占側柏林地的11%,個別山地棕壤土地塊上栽培的側柏生長優良。

2.2 降水量和干燥度特征

作為一種暖溫帶落葉闊葉林區耐旱群落的側柏林分,常分布在其它樹種難以生存的環境中,如裸巖山地、臥牛石淺山地栽培著大面積的側柏林。然而,正常的水分代謝又是側柏林存在的基本條件,因此受降水和蒸發量平衡等氣象因素影響較大,且成為限制側柏生長和更新的重要因素。圖2a是依據山東省120多個站點常年降水量資料,應用反向插值法,繪制的降水量分布圖和600、685和770mm等雨線。圖2b是依據山東省各地蒸發量和降水量的比值計算而來的干燥度及2.4、2.8、3.2干燥度等值線。顯然,魯中南的南部和魯東南局部區域降水量相對豐沛、干燥度較小。泰沂山脈北麓的魯西北地區,位于魯中南高山地形地貌的雨影區,降水量偏少,蒸發量較大,干燥度相對較大。更加有意義的是降水和干燥度等值線也將側柏林分整體上分隔為相對濕潤的側柏林、相對干旱的側柏林及其過渡類型區域。

圖2 山東省降水量(a)、干燥度(b)及其等值線分布圖

2.3 側柏生長狀態和冠形特征

在過密的側柏林分中,側柏種內競爭激烈、個體分化嚴重。一些植株嚴重受壓而彎曲、衰退甚至枯萎。用熱紅外成像儀觀測而得的正常側柏林木邊材與心材熱溫差異顯著。而衰弱個體之邊材與心材之間往往沒有顯著的差異。側柏林分密度過大,下部枝條容易枯萎使樹冠變小,樹勢衰退。直接表現為植株的冠形指數與邊心溫比之間存在顯著的線性反相關關系[17]。這顯然與20年前Waring[20](1980)提出的活力指數相吻合。

此外,側柏適應極端干熱環境的特點比較特殊,在持續的干、熱、風襲擾下,較為常見的也是始于樹干下部的枝葉枯萎。這種由下而上的枝葉枯萎起源于木質部由內向外的栓塞[21－23],來自于植物次生生長和局部衰老[24]的過程。久而久之,使樹冠呈梭形和火炬形。側柏的樹冠形狀對環境較為敏感,相對濕潤的環境中較為常見的是塔形樹冠,并隨環境變化呈現明顯的分化。經隨機選點觀測的陽坡或半陽坡的側柏冠形指數與相應地點的降水量之間存在顯著的正相關關系(圖3a)。也就是說,在降水量較大的地域側柏遭受干旱等災害的風險相對較小,始于下部枝條的枯萎概率較低,枝葉正常生長和伸長。因此,樹冠往往呈塔形,且冠幅相對較寬。而在降水量較少、干燥度較大的地域,側柏樹冠常呈梭形、火炬形甚至倒梨形,冠幅較窄。也就是說,側柏樹冠重心的上移是持續的水分代謝失衡的結果,幼樹同樣發生冠形指數的變化(圖3b),也是長期持續的土壤干旱和大氣濕度的指示性特征。

圖3 側柏冠形指數與降水量的相關性以及不同環境下的幼樹冠形指數的比較;a.冠形指數與降水量的相關關系;b.正常側柏幼樹和遭受移植脅迫后冠形指數不同;c.普通棕壤土和粗骨棕壤土上栽培的側柏冠形指數的差異;d.青石山和沙石山上粗骨土壤條件下栽培的側柏冠形指數的差異;e.粗骨褐土地和臥牛石褐土地上栽培的側柏冠形指數的差異;f.陰坡溝谷與陽坡山脊上栽培的側柏冠形指數的差異

盡管如此,在降水量相同的地域因立地條件的差異而側柏的冠形指數存在分化現象。據大量的實地觀測表明,在同一座山體范圍內,相對于普通的棕壤土上生長的側柏而言,栽培在粗骨棕壤立地上的植株之冠形指數顯著偏小(圖3c,□─□),因為這種立地條件干旱瘠薄、漏水漏肥,土層薄、植被稀疏、水土流失嚴重,是山地丘陵最瘠薄的土壤類型。甚至可以觀測到土壤含水量的顯著差異(圖3c,●—●)。若將粗骨土觀測樣地上側柏冠形指數進行分類比較時,由石灰性沉積巖山地發育的褐土上栽培的側柏冠形指數比變質性砂巖、沙礫巖山地上發育的棕壤土上栽培的側柏冠形指數明顯較大(圖3d)。因為粗骨褐土質地多為礫質中壤土,母質中細粒部分較多,養分狀況及蓄水保肥能力均優于粗骨棕壤。在相同的富鈣灰巖、砂頁巖等沉積巖山地發育的褐土立地條件下,在臥牛石立地上栽培的側柏冠形指數明顯小于在一般粗骨土上栽培的側柏冠形指數 (圖3e),因為這種立地石芽突起、槽脊縱橫、土壤僅存留于巖石縫隙中。此外,在土壤和空氣濕度相對較大的陰坡溝谷內比陽坡山脊上側柏冠形指數更大(圖3f)。一些南北走向、窄而長的山體陽坡不明顯或者根本沒有陽坡,有利于側柏的生長。一些東西走向、同樣窄而長的山體。陰坡側柏茂密、陽坡巖石裸露的情形頗為多見。以上各種對比結果表明,在大氣環境相近的條件下,局部的立地條件差異,尤其是側柏根系生長和水分供給條件的差異,也是導致側柏冠形差異的重要因素。

盡管側柏屬于耐性樹種,大多生長在干旱貧瘠的立地上,而且生長緩慢、壽命也長,但是這并不意味著側柏對土壤和大氣的水分條件不敏感[18]。側柏之所以能夠忍耐極端干旱瘠薄的環境,主要在于其特殊的適應方式。側柏始于下部枝葉的枯萎和局部蒸騰表面的縮減,維持了樹體的水分和能量代謝平衡[17],從而避免了整株的枯萎。也就是說,梭形或倒梨形的樹冠是它們適應極端干熱環境的表現形式,是它們成為耐性群落的特殊適應特征,也是側柏林分健康狀況的重要指標之一。如前所述,側柏幼樹活力充沛、生長旺盛,冠形大多呈塔形。而老齡大樹樹勢衰弱、生長緩慢,塔形樹冠為數較少。

2.4 山東省側柏生態公益林自然更新的差異

如前所述,側柏是喜光樹種,成年大樹耐干旱能力強。幼苗、幼樹喜歡濕潤環境,在干旱山地上難以萌生和存活[19]。因此,側柏苗木和幼樹常出現在山地的溝谷、坡腳、陰坡等相對濕潤的環境。一些林地側柏更新容易,而另一些更新困難。據不完全統計,更新容易的立地大多土壤含水量較高,而更新較差的立地上土壤含水量較低。同一山體內因坡度、坡向和坡位、溝谷和山梁以及匯水面和流失面等分化較大。影響土壤含水量的因素除土壤質地、地質構造以外,補充降水的作用也至關重要,這種差異在一定程度上與冠形的地域差異有相似的變化趨勢。一些地區之所以優勢幼樹高最矮,是因為該區側柏栽培的立地以沙石山為主,且多為粗骨的棕壤性土,干旱貧瘠,少有更新幼苗,即使有苗生長也欠佳。魯南區許多側柏林分幼苗、幼樹連續不斷,一些幼樹直接成長進入主冠層,并形成復層的異齡林和優化的林分結構(圖4a)。在魯北所見到的為數不多的此類優化結構的林分常位于山地陰坡,在較為干旱的山丘立地環境中僅出現在溝谷內和匯水面(圖4b)。

圖4 典型的側柏復層優化林分結構景觀、幼苗保存及其對應的氣象環境;a.魯南一陽坡復層異齡林;b.魯北一陰坡復層異齡林;c.魯南徐莊與魯北饃饃山;2014年萌生側柏苗保存率的對比;d.魯南徐莊疏林與魯北燕子山密林環境中最集中萌發地塊側柏籽苗保存率的對比;e.棗莊與濟南各月降水量常年值對比;f.棗莊與濟南1－5月、6－9月、10－12月降水量常年值對比。

在相對干旱的魯中南低山丘陵的北部,適宜的年份種子可大量萌發,一些年份在局部地塊萌生籽苗數量之多甚至超過魯南區。但是氣候相對干旱、籽苗的保存率明顯低于魯南區(圖4c),尤其是在過密林分中,集中而大量萌發的溝谷和坡腳凹地內(圖4d)。就濟南和山亭相比雨季的8月降雨量相差無幾(圖4e),而旱季的1－5月降水量相差明顯(圖4f)。魯南區種子成熟落地的9月份降雨量的增多為種子萌發、籽苗建立和生長創造適宜的條件。盡管2014年71.2mm的降雨量是濟南相對豐沛的9月降水量之一,但與棗莊132.6mm的降雨量相比明顯偏少。顯然,2014年9月下旬到10月初魯南地區多出的一到兩場中到大雨或許奠定了該地2014年籽苗保存率高的基礎。尤其是在降水量僅是常年的6成左右的2014干旱年份。其實,較為豐沛的降水也是該地淋溶褐土發育的基礎。當溫度保持不變和其他條件類似的情況下,溫帶土壤隨降水量的增加有機質含量增加,土壤陽離子交換量增加,土壤鹽基飽和度降低和酸度增加[25－26]。在魯中南低山丘陵的西、北側能保存下來的籽苗大多位于溝谷兩旁、匯水面、陰坡和坡腳土層較厚的部位。地形通過物質和能量的再分配影響土壤環境條件,由于降水的再分配,山脊的淋洗程度低于坡腳,而坡腳的水分狀況好于山脊,山地陰坡的水分條件一般比陽坡更加優越[25]。在極端的情況下,陽坡巖石裸露少有植被、陰坡側柏郁郁蔥蔥、生長旺盛,盡管陰坡和陽坡一般情況下土壤類型差別并不大。在林冠下層缺苗、少幼樹的前提下,由于荊條等灌木的大量出現,進一步限制了側柏籽苗的萌生和生長。因此,維持單層純林的概率更大,復層異齡林較為少見。

3 山東省側柏生態公益林區域劃分及其檢驗

在山東省側柏林區域分類的過程中,首先依據側柏資源分布狀況分為三類,其一是集中成片栽培區,該區位于《中國林業區劃》的魯中南低山丘陵內石灰性沉積巖山地集中分布的地域,即魯中南低山丘陵的南北兩側,約占側柏林面積的78.0%;其二是分散成片栽培區,位于魯中南低山丘陵區的中部,約占側柏林面積的20.3%;其三是零星綠化栽培區,包括魯東丘陵和魯西、魯北平原地區,約占側柏林資源面積1.7%。魯東丘陵區基本上與《中國林業區劃》的魯東丘陵區吻合,而魯西、魯北平原區,除了有孤立殘丘的嘉祥和梁山以外,與《中國林業區劃》內華北平原區的山東部分相吻合。

在側柏集中成片栽培地區之中,位于魯中南低山丘陵南側的魯南低山丘陵與其北部的泰沂山脈北麓的石灰性沉積巖山地集中栽培區相比降水量最高,平均降水量超過800mm,土壤的淋溶性特征明顯,以及南北兩個集中栽培區在地理上的分離,將魯南單獨分為第I區,即魯南低山丘陵集中栽培區(簡稱魯南,I)。在魯中南低山丘陵北側的側柏集中栽培區劃分為第II區,其中,西部多為泰山余脈殘丘,集中分布眾多的石灰巖山地,降水量小(＜650mm),單獨劃分為一亞區,即魯西泰山余脈殘丘集中栽培亞區(簡稱魯西,II－1)。在魯北泰沂山北麓石灰巖山丘集中分布地域,氣候、土壤、植被等受泰魯沂山地的影響較大,溝壑較為集中,有別于上述兩個分區,因此劃分為另一亞區,即泰沂山北麓集中栽培亞區(簡稱魯北,II－2)。

在魯中南山地丘陵的中部石灰性沉積巖山地和變質砂巖、沙粒巖山地的交錯出現和相應的土壤復區分布,集中連片的側柏栽培地域并不多見,而劃分為第III區。其中,魯沂山東側低山丘陵地區自然環境條件較為復雜,其地質、氣候和土壤類型與膠東丘陵地區更為接近,與泰沂山西、北兩側存在明顯的差異,因此單獨劃分為一亞區,即魯沂山東側分散栽培亞區(簡稱沂東,III－1)。在尼山及其周邊同樣的側柏非集中連片的栽培地區,由于地理位置接近魯西平原,降水偏少(平均713.9mm),遭受干熱風襲擊的幾率偏大,與魯沂山東側側柏栽培區相比遭受臺風襲擊的概率較小,在山東省氣象災害區劃中屬于魯西南災害分區,所以單獨劃分為尼山周邊分散栽培亞區(簡稱魯尼,III－2)。在泰沂山脈南側的泰萊山麓平原周邊的山地丘陵地區,石灰巖山地分布分散,降水量較多,集中連片的側柏林分也不多見,構成另一亞區的基本條件,即泰徂蒙山地分散栽培亞區 (簡稱泰徂蒙,III－3)。

在魯東丘陵和魯西、魯北平原側柏零星栽培區域,魯東丘陵區的土壤、氣候和常見氣象災害都有別于魯西、魯北平原地區,單獨劃分為第IV區,即魯東丘陵側柏零星栽培區(簡稱魯東,IV);在魯西、魯北平原地區地勢相對低洼,雨澇災害相對頻繁,也是側柏生存的限制因素之一,因此劃分為第V區,即魯西、魯北平原區(簡稱魯西北,V)。

從生態環境的空間異質性出發,以上各個分區和亞區整體上存在明顯的差異,尤其是降水量、干燥度以及土壤類型和土壤質地的不同,勢必影響側柏樹冠生長和發育以及健康狀態,其中冠形差異更為明顯。按照研究方法中所述的隨即、便利的選擇標準在側柏的集中成片栽培區、分散栽培區的各亞區內進行成熟林木樹冠側面圖像的拍攝和分析,結果表明在魯南低山丘陵集中栽培區、魯西泰沂山余脈殘丘集中栽培區、泰沂山北麓集中栽培區、魯沂山東側分散栽培區、尼山周邊分散栽培區、泰徂蒙山地分散栽培區之間整體上存在顯著差異,詳見表1。最為突出的是魯南低山丘陵集中栽培區與魯西泰山余脈殘丘集中栽培區之間差異更加明顯,前者冠形指數分布在0.86～1.34之間(表1),平均1.07,而后者為分布在0.48～0.94之間,平均0.75。因此,在魯南低山丘陵集中栽培區經常看到是塔形或近似塔形樹冠。而在魯西泰沂山余脈殘丘集中栽培區許多林分內梭形和火炬形樹冠居多,尤其是在干熱的陽坡環境下。

表1 山東省側柏集中和分散栽培區陽坡半陽坡側柏冠形指數和優勢幼樹高的分布范圍

各分區之間除了冠形存在差異以外,優勢幼樹的高度也呈現明顯的異質性。在魯南區許多側柏林分幼苗、幼樹連續不斷,一些幼樹直接成長進入主冠層,并形成復層的異齡林、具有優化的林分結構。而在魯西、魯北或魯尼亞區盡管在適宜的年份種子大量萌發,一些年份在局部地塊萌生籽苗數量之多甚至超過魯南區,但是氣候相對干旱、籽苗的保存率明顯低于魯南區,尤其是在過密林分中集中大量萌發的局部地塊。如前所述,側柏種子的萌發于秋季降水有關,在相對干旱的年份尤為突出。2014年就是較為典型的事例。這年九月初和中旬偏多的降水,為側柏種子萌發奠定了基礎,而9月下旬的補充降水對籽苗萌發和存活至關重要。這時降水的時空異質性經常是側柏籽苗分布不均的限制性因素。2014年9月27－30日的降水過程表明,與常年降水分布趨勢非常相似,山東省東南半壁降水偏多,而西北半壁偏少。其中,與3個側柏集中栽培區相對應的平均降水量呈現出魯北區明顯偏低的結果(圖5a),2015年春調查的該區側柏籽苗非常少,許多地點沒有發現新生的籽苗,當年籽苗數的最大值/m2也很小。而魯南、魯西的最大側柏籽苗數量/m2幾乎與這次過程降水量的變化趨勢吻合(圖5b)。

圖5 山東省秋季降水差異、側柏當年出苗量、生態公益林區劃圖及聚類檢驗結果;a.2014年9月27－30日降水過程期間山東省各地降水量;b.魯北、魯西和魯南分區側柏當年籽苗數量的小樣方調查數據;c.山東省側柏生態公益林撫育經營區域分類圖;d.魯中南山地丘陵各分區的CSI平均值、CSI標準誤差、CSI區域、CSI標準差、降水量和優勢幼樹高值的聚類分析;e.魯中南山地丘陵各分區的CSI標準誤差、CSI區域、CSI標準差值的聚類分析。

在此基礎上,應用反映側柏生長和更新狀態的平均冠形指數、優勢幼樹高,反映側柏冠形差異的冠形指數標準誤和標準差以及冠形指數的極差和平均降水量等指標,對側柏栽培區進行聚類分析,結果在平方距離在2200處可以分為三類(圖5d),即冠形指數最大、冠形指數分化較小、優勢幼樹樹高最高、降水量最多的魯南低山丘陵集中栽培區(I);冠形指數較小、冠形指數分化也小、優勢幼樹高較矮、降水量最少的魯西(II1)和魯北(II2)集中栽培區;冠形指數、優勢幼樹高和降水量居中、冠形分化嚴重的魯中南山地丘陵中部分散栽培區(III1,III2和III3)。若只使用反映側柏冠形差異的冠形指數標準誤和標準差以及冠形指數的極差進行聚類分析,結果可以在平方距離在0.06處分為二類(圖5e),即側柏冠形指數分化較小的側柏集中成片栽培區(I、II1和II2),占山東省側柏林分面積的78.0%,以及側柏冠形指數分化較大的側柏分散成片栽培區(III1,III2和III3),占山東省側柏林分面積的20.3%。這與前述初步分區相吻合,也驗證了初步分區結果的合理性。

4 山東省側柏生態公益林的分區和描述

Ⅰ 魯南低山丘陵集中栽培區(圖5c,Ⅰ):包括棗莊市中區、山亭區、薛城區、嶧城區、臺兒莊區、臨沂市、蘭陵縣、費縣以及滕州市、平邑縣、沂南縣、蒙陰縣和莒縣的局部。

該區地處魯南低山丘陵區域,除中、南部有變質巖山地以外,以沉積巖丘陵為主,側柏林地土壤主要有粗骨褐土、淋溶褐土和粗骨棕壤,降水量大多在750～850mm,最高可達900mm以上,水熱資源豐富,≥10℃積溫在4300～4600℃之間,宜于植被生長。側柏生長較好、冠形重心偏下,冠形指數范圍0.86～1.34。林地更新苗和幼樹數量一般較多、生長較好,占山東省側柏林分面積的19.8%。

Ⅱ－1 魯西泰山余脈殘丘集中栽培區(圖5c,Ⅱ1):包括平陰縣、肥城縣、東平縣、汶上縣、嘉祥縣、兗州市、梁山縣以及寧陽縣、濟南市長清區局部

該區地處魯西泰山山脈的余脈、殘丘和黃泛平原交錯區,以沉積巖殘丘為主,零星鑲嵌著海拔400～500m的中低山,側柏林地土壤以普通褐土和粗骨褐土為主,≥10℃積溫在4300～4500℃之間,降水量大多在650mm以下,相對干旱、常有干熱風發生。側柏栽培集中、資源數量較多。但側柏生長較慢、冠形重心偏上、冠形指數范圍0.48～0.94。林地更新苗數量偏少、生長相對偏弱,占山東省側柏林分面積的20.9%。

Ⅱ－2 泰沂山北麓集中栽培區(圖5c,Ⅱ2):包括濟南市歷城區、章丘市、淄博市周村區、張店區、淄川區、博山區、臨淄區,鄒平縣、青州市以及濟南市長清區局部

該區以石灰巖山地丘陵為主,側柏林地主要土壤類型是普通褐土和粗骨褐土,≥10℃積溫在4200～4300℃之間,降水量大多在600～700mm,暴雨次數少或較少,大風日數相對較少,受臺風影響的幾率較低。入春后回溫很快,濟南、淄博一帶是山東省內的高溫區,熱量條件與魯西南相似。該區是山東省側柏最為密集的栽培區,受干旱等環境條件的影響側柏生長相對較慢、冠形重心偏上、冠形指數范圍0.59～1.18。林地更新苗數量偏少、生長偏弱,占山東省側柏林分面積的37.4%。

Ⅲ－1 魯沂山東側分散栽培區(圖5c,Ⅲ1):包括臨朐縣、昌樂縣、安丘市、沂水縣和維城區、坊子區局部

地形從山地到丘陵以及局部剝蝕殘丘,穿插以山麓平原。自然條件復雜多樣,基巖以中生界白堊系的中酸性巖石為主,伴有前震旦系巖石、第三系巖石以及少量石灰巖余脈殘丘,與魯東丘陵局部區域相近。側柏林地土壤以褐土為主和少量棕壤土。降水量大多在650～800mm,暴雨次數多、強度大,干旱幾率較小,≥10℃積溫在4000～4100℃之間。該區自然條件較為復雜,側柏資源稀少,集中成片栽培并不多見。側柏生長分化嚴重,在土壤濕潤的淋溶褐土和深厚棕壤土立地上,生長優良、冠形優美,而在粗骨棕壤和褐土立地上生長和更新欠佳。冠形指數范圍0.55～1.275,占山東省側柏林分面積的4.7%。

Ⅲ－2 尼山周邊分散栽培區(圖5c,Ⅲ2):包括泗水縣、曲阜市、鄒城市以及微山縣、滕州市、平邑縣局部

地勢為低山丘陵地區,側柏林地土壤復雜多樣包括褐土、粗骨褐土、棕壤和粗骨棕壤。降水量大多在650～750mm,平均降水量700mm左右,暴雨次數少但強度大,大風日數和臺風影響次數少,≥10℃積溫在4300～4600℃之間。側柏同樣生長分化嚴重,在深厚褐土和棕壤土立地上,生長優良、冠形優美,而在粗骨棕壤和褐土立地上生長和更新欠佳、火炬形樹冠較為常見。冠形指數范圍0.58～1.55,占山東省側柏林分面積的5.2%。

Ⅲ－3 泰徂蒙山地分散栽培區(圖5c,Ⅲ3):包括泰安市區、萊蕪市、新泰市、沂源縣以及蒙陰縣、寧陽縣局部

山東境內地勢最高的山地丘陵地區,山丘之間還有泰萊山麓平原。區內變質性花崗巖和石灰性沉積巖山地穿插鑲嵌。側柏林地以棕壤和褐土交錯分布還有少量的淋溶褐土。降水量大多在700～800mm,暴雨多且強度大,≥10℃積溫在4200～4300℃之間。側柏生長分化嚴重,在淋溶褐土和深厚棕壤土立地上,生長優良、冠形優美,而在粗骨棕壤和粗骨褐土立地上生長和更新欠佳、火炬形樹冠較為常見。冠形指數范圍0.58～1.37,占山東省側柏林分面積的10.4%。

Ⅳ 魯東丘陵區(圖5c,Ⅳ):包括煙臺市、威海市、青島市、日照市大部以及臨沂市的臨沭縣

該區除嶗山、昆崳山、艾山、大澤山、牙山、羅山以外,以變質巖為主體構成的渾圓丘陵地為主,俗稱“沙石山”,土壤主要是普通棕壤和粗骨棕壤,海洋性氣候明顯,降水量分布于600～900mm,大多在700～850mm之間,平均暴雨次數較多,≥10℃積溫在4300℃以下,大風日數相對較多、受臺風影響的幾率較高。側柏資源數量較少,只是有局部、零星的栽培。

Ⅴ 魯西、魯北平原區(圖5c,Ⅴ):包括菏澤市、聊城市、濱州市、東營市全部以及濟寧市、濟南市、淄博市和濰坊市局部市、縣

該區以黃泛沖擊平原為主,主要土壤類型為潮土,典型的大陸性氣候,降水量大多在550～750mm,氣候干旱,平均暴雨次數在魯西南地域較多,魯西北地區最少,≥10℃積溫在4200～4700℃之間,大風日數相對較多、受臺風的影響較小,干熱風發生次數較多。側柏資源數量很少,在局部地勢較高排水良好的地塊有少量而零星的觀賞性或特種用途的栽培。

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Regionalization of non－commercial plantations ofPlatycladus orientalisin Shandong province

WANG Fei,HOU li qun,GE Zhong qiang,LIU Xing hong,Qu Yong yun
(Shandong Forestry Research Academy,Jinan,China,250014)

Classifying study is one of the important ways for mankind to know the nature.The spatiotemporal heterogeneity of the biological and ecological properties as well as their social utilization made the foundation of forest classification.In some extent,the common regionalization of the crops of agriculture and forestry respond the knowledge of natural resources and their useful values.It is the rational result in developing land.In this study,we studied the regionalization of non－commercial plantationsofPlatycladus orientalisin Shandong Province by typical regeneration investigation and crown shape analysis,on the bases of the studies of distribution of resources ofPlatycladus orientalis,natural environmental characteristics and past comprehensive regionalization in agriculture and forest.It reveals that there is a significantly spatiotemporal difference in resources ofPlatycladus orientalisin Shandong Province and it is necessary to try to make a regionally tending plan for the non－commercial plantationsofPlatycladus orientalis.

Shandong province;Platycladus orientalis;regionalization;crown shape;regeneration

S757.4＋3;S750

A

1002－2724(2016)05－0001－09

2016－08－09

山東省科學研究計劃項目(2012GNC11107);國家自然科學基金(31170671)。