干旱瘠薄山地側柏人工林穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)構建技術

梁 燕,王 鳳，劉魯濱，呂雷昌，張?zhí)m英,張新慰,杜振宇,葛忠強*

（1.山東省林業(yè)科學研究院，山東 濟南250014； 2.淄博市張店區(qū)園林綠化服務中心，山東 淄博2550002；3.濟南市北郊國有林場，山東 濟南250119； 4.青島西海岸新區(qū)自然資源局，山東 青島266555）

側柏（Platycladus orientalis）對氣候、土壤條件有較強的適應性，抗逆性強，成為我國荒山造林時的主要造林樹種[1]。側柏人工林是山東省干旱瘠薄山地主要的生態(tài)公益林，在涵養(yǎng)水源、防風固沙、減少徑流、保持水土、凈化空氣等方面發(fā)揮了重要的生態(tài)功能[2]。但目前對側柏人工林生態(tài)效應的研究相對不足，僅有少量報道[1-4]。

課題組在對干旱瘠薄山地側柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性的初步研究中發(fā)現(xiàn)，土壤水分、林分密度、郁閉度、坡向、土壤速效鉀含量和陽離子交換量等是影響生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)的主要因素。其中，林分密度顯得尤其重要。目前，山東省山區(qū)的側柏人工林多為50年前營造，林分密度普遍過大，多數(shù)已呈現(xiàn)高度郁閉狀態(tài)，導致樹木長勢減弱，林下植被稀疏, 生物多樣性銳減，難以全面發(fā)揮其生態(tài)功能，生態(tài)穩(wěn)定性普遍較差。前人研究結果表明，密度調控是人工林撫育的重要措施，適當?shù)拿芏扔欣麄劝氐纳L和材質質量的提高[5-8]。劉啟慎等[9]編制了適宜的經營密度表，并提出了一系列改造措施，為側柏人工林的經營管理提供了理論依據(jù)。李春義等[3]對北京山區(qū)側柏人工林撫育間伐的研究結果表明，中、強度撫育有利于植物多樣性的提高。王艷等[10]研究發(fā)現(xiàn)，林分密度對林木冠幅、活枝下高、冠長和冠長率均具有顯著影響。

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性是影響森林持續(xù)發(fā)揮生態(tài)效益的重要因素。側柏人工林雖然在山東省生態(tài)建設中發(fā)揮了重要作用，但由于林分密度過大，導致生態(tài)穩(wěn)定性較差，急需采用科學有效的撫育措施，對退化林分進行合理調控，以構建穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)，這對于確定側柏林合理經營技術，全面發(fā)揮生態(tài)效益，促進山東省干旱瘠薄山地生態(tài)環(huán)境建設具有重要意義。

1 采用修枝、開林窗等措施，合理調整林分郁閉度

在位于濟南市歷下區(qū)的燕子山林場、歷城區(qū)黑峪林場和位于淄博市博山區(qū)的原山林場選擇23 塊樣地，研究了側柏人工林郁閉度與生態(tài)穩(wěn)定性之間的關系。由圖1 可以看出，林分郁閉度與穩(wěn)定性指數(shù)之間表現(xiàn)出明顯的二項式曲線關系，郁閉度太高或太低均不利于林分生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。以郁閉度為Y、穩(wěn)定性指數(shù)為X 進行非線性擬合，可得到二項式方程為：Y = 0.533 + 0.977 X - 0.969 X2，R2=0.317。經方差分析（表1），擬合方程達到顯著性水平（P<0.05）。當0.8≤X≤1.0 時，側柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性為“高度穩(wěn)定”[11]，根據(jù)方程可計算得知，則Y 的取值范圍為0.54～0.69。研究結果表明，對于山地側柏人工林而言，0.55～0.70 是比較適合的郁閉度。目前，山東省干旱瘠薄山地長期側柏人工林大多營造于50年前，郁閉度較高，很大程度上給其生態(tài)穩(wěn)定性帶來不利影響，應當采用適當措施降低郁閉度，如修枝、開林窗等，使其處于適宜范圍（圖2）。

圖1 側柏林郁閉度與穩(wěn)定性指數(shù)之間的關系

表1 非線性擬合方差分析結果

圖2 燕子山林場對郁閉側柏人工林進行修枝作業(yè)

2 采用間伐措施，降低郁閉人工側柏林的密度

側柏林密度是穩(wěn)定性評價指標集中的一個重要指標。在前述研究中發(fā)現(xiàn)林分密度與側柏林生態(tài)穩(wěn)定性表現(xiàn)為顯著負相關[11]。由圖3 可以看出，供試的23 個側柏林分中，5 個生態(tài)穩(wěn)定性為“高度穩(wěn)定”（穩(wěn)定性指數(shù)S≥0.8）的林分密度均處于1000～3000株/hm2之間，而密度最高的4 個林分，其生態(tài)穩(wěn)定性也相對較差，均為“不穩(wěn)定”等級（S < 0.4）。

圖3 側柏林密度與穩(wěn)定性指數(shù)之間的關系

依據(jù)上述分析結果，為提高山東省郁閉側柏林生態(tài)穩(wěn)定性，通過間伐降低林分密度是一項可行的撫育技術措施，適宜的密度為1000～3000 株/hm2。

3 高效利用雨水，提高林地土壤含水量

3.1 土壤含水量對側柏林穩(wěn)定性的影響

林地土壤水分含量是影響林分生長的重要因素，特別是對于生長在干旱瘠薄山地的側柏人工林，土壤含水量對其生長和系統(tǒng)穩(wěn)定顯得更為重要。課題組在燕子山林場、黑峪林場和原山林場分別對23 塊樣地的土壤取樣，研究了土壤含水量與側柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性之間的關系。由于3 個試驗地點的調查時間并不相同，土壤含水量受氣溫、降水等因素影響較大，必須保證同一地點的樣地是同一天取樣測定，這樣才能使土壤含水量具有可比性。因此，分別研究比較了同一地點各側柏林地土壤含水量對側柏林穩(wěn)定性的影響。

將同一試驗點各樣地土壤含水量（Y）與側柏林穩(wěn)定性指數(shù)（X）進行線性擬合，回歸分析結果表明（圖4～圖6），3 個調查點不同樣地的林地土壤含水量與側柏人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)之間均呈線性正相關，擬合P 值分別為：0.010 （燕子山林場）、0.034（原山林場）、0.022（黑峪林場），均達到顯著性水平（P < 0.05），說明土壤水分可給側柏林穩(wěn)定性帶來顯著影響，適當提高林地土壤含水量可增加林分的生態(tài)穩(wěn)定性。

圖4 燕子山林場側柏人工林穩(wěn)定性與土壤含水量的關系

圖5 原山林場側柏人工林穩(wěn)定性與土壤含水量的關系

3.2 通過建造集雨池，高效利用雨水，提高側柏林生態(tài)穩(wěn)定性

山東省側柏人工林多營造在干旱瘠薄山坡地帶，離水源較遠，一般沒有采用灌溉措施，林分生長對水分攝取基本全部依靠自然降水。如若采用工程技術在林地附近修建集雨池等水利設施，可在雨季將雨水收集起來，將其在干旱季節(jié)應用于側柏人工林（圖7）。通過澆水提高林地土壤含水量，從而促進側柏生長，改善土壤物理性質，進而提高側柏林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 魯中山地營造側柏人工林時，選擇適宜坡向

將林地坡向進行數(shù)字化處理，分別計算出林分的朝北指數(shù)和朝東指數(shù)[11]。回歸分析結果表明，朝東指數(shù)與側柏林穩(wěn)定性成顯著線性關系（圖8），也是評價側柏人工林穩(wěn)定性的重要指數(shù)之一。根據(jù)擬合方程計算得知，當側柏林穩(wěn)定性達到高度穩(wěn)定時（S≥0.8 時），朝東指數(shù)≥1.356，此時的坡向度（β）介于21°～159°之間。因此，適宜的坡向度范圍是：20°≤β≤160°（表2）。結果表明，在魯中干旱瘠薄山地營造側柏人工林地，在綜合考慮其它立地因子的同時，應優(yōu)先選擇坡向處于北偏東20°與南偏東20°之間的坡地。

圖8 側柏林坡向與穩(wěn)定性指數(shù)之間的關系

表2 坡向度與對應的朝東指數(shù)

5 合理施肥，提高土壤陽離子交換量和速效鉀含量

相關分析結果表明，林地土壤陽離子交換量和土壤速效鉀含量亦是影響側柏林生態(tài)穩(wěn)定性的顯著性因子，均入選干旱瘠薄山地側柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性評價指標集。前人研究表明，施用有機肥可提高土壤陽離子交換量[12-13]。因此，可根據(jù)具體側柏林地的土壤化學性質，施用適量的有機肥料和速效鉀肥。有機肥料可選用腐熟后的畜禽糞、桔桿漚肥、腐殖酸肥，等； 鉀肥可選用氯化鉀、硫酸鉀、含鉀量較高的復合肥，等。

6 結語

側柏人工林在山東省生態(tài)建設中發(fā)揮了重要作用，但目前多數(shù)長期林分由于密度大、郁閉度高，導致生態(tài)穩(wěn)定性較差，急需采用科學有效的撫育措施進行合理調控，以構建穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)。本課題組在針對干旱瘠薄山地側柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤水分、林分密度、郁閉度、坡向、土壤速效鉀含量和陽離子交換量等因子對側柏林生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)具有顯著影響作用。因此，綜合提出了間伐、修枝、建造集雨池、選擇適宜坡向、合理施肥等多項措施作為側柏人工林穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)構建技術，主要措施已在燕子山林場等試驗基地進行了推廣應用。