遼西北風蝕區4個主要造林樹種防風固沙功能差異及適宜立地分析

張藤子 李亞楠 馬云波

摘要：分析遼寧省森林資源二類清查數據，確定遼西北風蝕區各樹種現存防風固沙林面積，并通過林分結構數據計算刺槐、楊樹、油松和樟子松4個主要造林樹種的防風固沙功能指數，比較各樹種在不同質地土壤上的防風固沙功能差異。研究區內現存防風固沙林中楊樹林面積最大，樟子松林次之。楊樹和刺槐防風固沙功能隨著林齡的增長先升高后降低，樟子松和油松的防風固沙功能隨著林齡的增長持續增加。不同樹種適合不同質地土壤立地：在沙土上，前期（約30年）楊樹林防風固沙功能最強，之后樟子松的防風固沙功能最強;刺槐在沙壤上的防風固沙功能最強;輕壤和中壤立地上，楊樹是防風固沙功能最強的樹種。研究區后續造林過程應注重適地適樹，并及時對楊樹和刺槐林進行更新。

關鍵詞：刺槐;楊樹;油松;樟子松;林分結構;造林決策

中圖分類號：S727.23 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0112-04

遼西北風蝕區位于內蒙古科爾沁沙地南緣，是防止內蒙古科爾沁沙地向華北侵襲的重要生態屏障區，目前遼西北風沙區人工防風固沙林面積已經超過10萬hm2，發揮了重要的防風固沙功能[1]。目前森林生態功能愈加被重視，本研究對現有防風固沙區防風固沙林現狀進行探討，對防風固沙林中不同樹種防風固沙功能進行對比分析，可為遼西北地區防風固沙林的進一步建設和現有防護林的更新提供科學的理論指導。

對固定林分防風固沙功能進行評價的傳統方法可測定林分內外的風速及輸沙量，該方法可直接反映防風固沙效果，但需要專業儀器，且無法在大尺度范圍內對差異性大的林分進行評價[2]。評價較大尺度范圍內植被防風固沙效益時，通常利用地理信息系統，根據研究區內的植被覆蓋度，結合降水、土壤等環境因子分別計算植被的立地和裸地的風蝕量之差，對防風固沙效益進行評價，植被覆蓋度作為計算防風固沙效益的指標與防風固沙效益呈正比[3-6]。以植被覆蓋度計算防風固沙效益，忽略了植物林型、林分結構等因素，例如，相同蓋度的荊條和白刺林的固沙能力相差較大，白刺林可固沙成丘，荊條則不可以[7]，所以大尺度范圍評價防風固沙的方法無法區分物種間的防風固沙能力差異[8]。比較同一區域內不同植物的防風固沙能力時，主要通過設置固定樣地測定風速和輸沙量進行比較[9-10]，當研究區域較大時，樣地的設置很難代表整個區域內立地條件和林分生長狀況的差異。二調對森林資源進行了詳細的調查，對二調數據進行分析可以很好地反映林業資源整體狀態。

植物群落的防風固沙功能主要是通過減小風速（防風功能）以及增大沙粒啟動的臨界風速（固沙功能）實現的，不同喬木樹種作為群落建群種形成喬木林時，由于樹種對立地條件的適應性差異以及樹種本身的特性，樹高、郁閉度以及林下植被都有較大的差異。不同林分防風固沙功能與林分結構關系的研究表明，林分結構中樹高和郁閉度是影響防風功能的主要結構因子[10]，郁閉度、灌木蓋度和草本蓋度是決定林分防風固沙功能的主要指標[11-14]。將不同林分的林分結構差異量化，可以很好地表現出不同樹種的防風固沙林功能強弱[10]。因此，本研究以樹高、郁閉度、灌木蓋度、草本蓋度為評價因子，根據前人對不同結構與防風固沙功能大小的相關關系進行分析，對因子進行分級，計算防風固沙大小的指數，對防風固沙功能進行評價。

土壤質地是判斷立地質量的重要因子，是在造林中判斷立地質量的重要的直觀指標[15-16]，在地形以波崗狀平原或低洼的沖積平原為主、地勢開闊平坦的遼西北風沙區[17]，分析樹種在不同立地上的防風固沙表現，對造林決策具有很好的指導作用。遼寧省森林資源二類清查調查了全省有林地的土壤質地、平均樹高、郁閉度、灌木蓋度和草本蓋度等林分結構信息和立地信息，本研究對結構因子進行量化，以防風固沙功能指數這一數量化的指標反映防風固沙功能，分析遼西北風沙區防風固沙林建設現狀，并比較不同樹種在不同質地土壤的立地上防風固沙功能隨林齡變化過程，為后續造林決策提供科學的指導和建議。

1 研究地概況

研究區地處遼寧省西北部，包括康平縣、新民市、法庫縣、昌圖縣、阜新蒙古族自治縣、彰武縣共6個縣（市）（121°01′～124°26′E、40°8′～43°29′N）。該區域為遼寧省三北防護林工程建設的重點區域，屬于暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區，年均氣溫6.4～8.5 ℃，年平均降水量為174.3～737.7 mm。該地區風力較大，沙物質豐富，人類活動頻繁，土壤風蝕嚴重，在各種風蝕及各種活動作用下，造就了該地的風沙環境。

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究所用數據來自2012年遼寧省森林資源二類清查數據，對不同林分的林齡、樹高、郁閉度、灌木蓋度以及草本蓋度等林分結構因子數據以及土壤質地數據進行分析。

2.2 數據處理

防風固沙林由多因子組成，它們互相作用、互相促進，都起著不可代替的作用。通過對防風固沙的各項組成因子的定量化分析，定性評價防風固沙林的強弱。利用遼寧省森林資源二類清查數據中不同林分的樹高、郁閉度、灌木蓋度以及草本蓋度數據計算研究區內林分的防風固沙功能指數。本研究以小區為單位進行防風固沙指數計算，先按等級對各項因子打分，再按計算公式進行計算：

計算整個研究區或不同質地土壤立地上各樹種防風固沙能力時，對相應區域內的相同樹種同一林齡的各林分防風固沙功能指數求平均值，代表該樹種在該林齡的防風固沙功能強弱。由于樟子松在遼西北種植歷史約為50年，為了便于比較，分析數據時4個樹種（刺槐、楊樹、油松、樟子松）都選擇 1～50年的林齡進行分析。

3 結果與分析

3.1 不同質地土壤立地上樹種面積分布

研究區內現存防風固沙林面積超過12萬hm2，樹種面積排序為楊樹>樟子松>油松>各類灌叢>刺槐，其中各類灌叢面積總和僅占全部防風固沙林面積的2.1%，同時灌木樹種較多，且灌木林結構與喬木林差異較大（表2），因此本研究未將灌木納入到數據分析中。

不同土壤質地立地上，楊樹、油松和刺槐都是在沙壤質地立地上分布面積最大，而樟子松在沙土上的分布面積最大。重壤和黏土立地在研究區內分布較少，且除楊樹在不同質地土壤立地上都有分布外，另3個樹種在這2個質地土壤上的分布面積很小或沒有分布（表2），因此本研究不分析樹種在重壤和黏土質地立地上的數據。

3.2 不同樹種防風固沙功能隨林齡變化過程

4個樹種防風固沙功能隨著林齡的變化過程具有各自的特點（圖1），刺槐和楊樹防風固沙功能呈先升高后降低的趨勢，防風固沙功能在林齡30年左右就達到最高峰，其中楊樹更早達到最大。油松和樟子松在50年內防風固沙功能一直保持穩步增加的趨勢，未出現明顯的下降趨勢。對樹種間進行比較，發現楊樹在初期的防風固沙功能是最高的，而防風固沙功能開始下降的時間也更早。樟子松在初期生態功能最低，在35年左右超過楊樹和刺槐，成為防風固沙功能最高的樹種。

3.3 各樹種防風固沙功能在不同土壤上隨林齡變化的差異

刺槐僅在沙壤和中壤質地土壤上有較多林齡的林分分布，在2種質地土壤上防風固沙功能隨林齡變化趨勢接近，在中壤上防風固沙功能略高（圖2）。楊樹在4種質地土壤上防風固沙功能隨林齡變化趨勢接近，初期在中壤上的楊樹林分防風固沙略高于另3種質地土壤。油松和樟子松主要分布在沙土和沙壤質地土壤上，生長前期（約20年）油松的防風固沙功能在沙壤上更強， 不過后期沙土上的油松防風固沙功能更強;樟子松林分生長初期在沙土和沙壤上無差別，而在沙土上生長的樟子松林防風固沙功能提高得更快;在輕壤和中壤質地土壤上油松和樟子松只有部分林齡的林分分布，說明近年在這2種質地土壤上造林過程中未選擇油松和樟子松，由于缺少油松和樟子松幼齡林的存在，因此無法得出防風固沙功能隨林齡變化的規律。

3.4 不同質地土壤上各樹種防風固沙功能優劣

如圖3可見，研究區內沙土上沒有1～50年林齡的刺槐林，油松和樟子松在輕壤和中壤質地立地上也只有少數林齡林分分布。在不同質地土壤上，各樹種防風固沙大小和隨林齡變化過程也表現出很大差異：在沙土上，楊樹在初期防風

固沙功能要高于樟子松和油松，但在35年左右被樟子松超過，在40年左右被油松超過;樟子松的防風固沙功能一直在油松之上。在沙壤上，刺槐與楊樹防風固沙功能接近，同樣在前期高于樟子松和油松，直到40年左右生態功能防風固沙功能才被樟子松和油松超過，樟子松和油松防風固沙功能接近。在輕壤和中壤上，楊樹的防風固沙功能都一直顯著高于其他樹種。

4 討論

在造林過程中土壤質地是判斷立地質量的直觀指標，不同質地土壤的機械阻力、顆粒組成和總空隙度等理化性質差別很大，這些因素通過影響水、氣、熱和營養在土壤中的移動和含量而影響植物的生長發育[18-19]，進而影響其上生長林分的防風固沙功能。本研究區地勢開闊、平坦，以波崗狀平原或低洼的沖積平原為主[17]，土壤質地的差異能夠代表立地質量的差異。

研究區內現存林分全部為人工林，早期造林過程缺乏科學的指導，人為選擇造林樹種是決定不同樹種現存面積大小的原因。早期造林時追求造林快速見效，楊樹生長快、成材早、木材用途廣等特點[20]，全區整體的防風固沙功能評價結果也反映了楊樹在造林后的20年，其防風固沙功能相對于另3個樹種表現出極大的優勢，使得楊樹在各種質地土壤上都是種植面積最大的樹種，比例達到80.4%。水分條件好、造林成活率高的立地通常也被種植楊樹[20-21]，楊樹的防風固沙功能在造林后提高速度快，也和立地條件比其他樹種更好有一定關系。雖然刺槐防風固沙功能與楊樹接近，甚至在沙壤上略強于楊樹，且改土能力更強[22-23]，但是刺槐種植面積遠小于楊樹，在后續造林過程中可以考慮增加刺槐的種植。

結合4個樹種在不同質地土壤上防風固沙功能的大小及增長規律，沙土立地上樹種種植不夠合理。沙土的保水保肥能力以及養分含量是4種質地土壤中最差的[24]，而沙土質地上現存樹種中楊樹是面積最大的樹種，其次是樟子松。由于沙土養分、水分的虧缺，楊樹極易出現衰老退化[25-26]。在沙土上樟子松的防風固沙功能初期低于楊樹， 不過增長速度很

快，在林齡30～40年時會超過楊樹，并且在林齡50年內沒有下降的趨勢。營造樟子松楊樹混交林是沙土上營建防風固沙林的有效途徑之一，營林后利用楊樹生長快速的優勢提高防風固沙功能，楊樹老化后將其伐除，樟子松可繼續發揮生態功能。

楊樹和刺槐在不同質地土壤上的防風固沙功能隨林齡的增長差異不大，而樟子松和油松在條件最差的沙土上防風固沙功能增長是最快的。土壤條件更好的立地往往是處于受人類干擾更強的區域，而楊樹和刺槐由于生長快、更新能力強[27-28]，抗干擾能力強于樟子松和油松，故樟子松和油松在水分、養分條件更好的質地土壤立地上的生態功能差于沙土上。

5 結論及建議

楊樹在各種質地土壤上的種植面積都是最大的，沙土上楊樹的種植面積過大，應增加樟子松的造林面積或營造混交林，以增加防護林的穩定性，增大防護林更新時間間隔。沙壤土上刺槐的防風固沙功能好于楊樹，應增加刺槐的造林面積。輕壤土和中壤土上楊樹是相對最好的防風固沙樹種，人類活動干擾強烈的立地，推薦種植楊樹和刺槐。

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