杜慶松，陳 瑩，于連家*，周欣佩

（1.山東省林業(yè)保護和發(fā)展服務中心，山東 濟南250014； 2.山東省國土空間規(guī)劃院，山東 濟南250014）

刺槐（Robinia pseudoacacia）原產(chǎn)美國，為豆科蝶形花亞科落葉喬木。對環(huán)境適應性較強、生長速度快、用途較廣，許多國家廣泛的引種栽培。在中國與楊樹（Populus L.）、桉樹（Eucalyptus robusta Smith）一起被稱為引種最成功的3 大樹種，在山東有楊柳榆槐4 大用材樹種的說法。刺槐能在生態(tài)條件較差的立地條件下存活生長[1-2]，并發(fā)揮多方面生態(tài)效益，如固溝護坡、防風固沙、固碳釋氧能力等，是生態(tài)建設(shè)中的常用樹種[3-5]。

山地退化是制約山區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要因素，而退化山地面臨著適宜造林樹種少、造林成活率低等困難，這進一步加劇了山地的退化，形成惡性循環(huán)[6]。山東省內(nèi)山地約占陸地總面積的15.5%，丘陵約占13.2%，退化山地造林綠化工作十分艱巨[7]。刺槐作為保持水土、改善土壤的主要種植樹種，在山地造林工作中有較為廣泛的應用，是傳統(tǒng)四大造林樹種之一，有較強的固氮作用，改善環(huán)境作用明顯[8]。然而，目前的刺槐林多為上世紀50-60年代栽植，品種老化，生長緩慢，甚至有停止生長或死亡的現(xiàn)象。隨著人民生活水平的改善，對木材安全和生態(tài)環(huán)境的要求也日益強烈。因此，為優(yōu)化和改善退化山地生態(tài)環(huán)境，人們對造林樹種或品種以及造林模型的選擇都提出了新的更高要求。

本研究在乳山市白沙河鎮(zhèn)潘家莊小流域?qū)嵤?006年雨季以2 種刺槐品種造林，分別為石林刺槐與窄冠刺槐。之后持續(xù)6年測量林木生長量、枯落物蓄積量、土壤物理性狀、土壤水文效應和土壤養(yǎng)分含量等指標，通過分析確定優(yōu)化的造林模型及兩個品種協(xié)同作用而產(chǎn)生的差異，旨在對山東乃至全國瘠薄山地刺槐造林模型及品種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)自然條件

試驗區(qū)位于乳山市白沙河鎮(zhèn)潘家莊（東經(jīng)121°11′-121°56′，北緯36°42′-37°08′），流域面積200 hm2，海拔150 m-198 m。該區(qū)域?qū)倥瘻貛ШＱ笮约撅L氣候，表現(xiàn)為春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季雨量減少，冬季寒冷干燥。土壤為棕壤，坡度5°～10°，土壤厚度50～80 cm，年均降水量850 mm 左右，降水多集中在6-9月份，多年平均無霜期206 d。年平均日照時數(shù)2635.5 h。

1.2 試驗材料和試驗設(shè)計

造林所用品種為窄冠刺槐（Robinia pseudoacaciacl-‘Zhaiguan’） 和當年生本地石林刺槐（Robinia pseudoacaciacl-‘Shilin’）。窄冠刺槐無性系是國家林木品種審定委員會認定的國家級林木良種[9]，試驗用刺槐苗是2006年由中國林科院提供的一根一干窄冠刺槐裸根苗。石林刺槐以乳山市垛山林場適齡刺槐（15年左右）母樹林內(nèi)萌發(fā)的刺槐根蘗處，采集小根段，繁育的一根一干容器苗,容器苗與選用的刺槐品系根系發(fā)育情況一致。

本研究采用試驗區(qū)營造的2 個刺槐品種、3 種不同密度刺槐造林模型為研究對象，各模型密度分別為：833 株/hm2（3 m×4 m）、1250 株/hm2（2 m×4 m）、1667 株/hm2（2 m×3 m）。2006年春季在試驗地內(nèi)按試驗設(shè)計進行栽植，刺槐苗高為30～40 cm，根莖0.4～0.5 cm；為使2 個刺槐品種試驗苗高一致，2007年春按照離地1 cm 高處進行平茬。各造林模型設(shè)計見表1。

表1 造林模型配置表Table 1 Configuration of each afforestation model

1.3 測定方法

2007-2012年連續(xù)6年進行指標測定。在不同造林模型內(nèi)各選取3 個標準地（20 m×20 m），每年10月份樹木停止生長時測定林木的樹高、胸徑（根徑）、枝下高、冠幅、郁閉度等指標。

2012年10月葉落后，測定枯枝落葉層蓄積量。沿標準地對角線均勻布設(shè)3 個樣方 （1 m×1 m），用鋼尺測量枯落物總厚度，以及分別測量未分解層、半分解層和已分解層厚度。收集未分解層、半分解層和已分解層枯落物，帶回實驗室用天平稱鮮重，烘箱烘干稱干重，計算積蓄量。每個林分類型重復3次。在標準地內(nèi)均勻選取3 個樣點，采集0-60 cm土壤樣品。在實驗室風干后測定土壤養(yǎng)分含量。測量有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀法、測量速效磷采用0.5M 碳酸氫鈉法、測量全磷采用氫氧化鈉-鉬銻抗比色法、測量速效鉀采用火焰光度計法、測量土壤全氮采用凱氏儀法、測量水解氮用NaOH 擴散吸收法[10]（中國科學院南京土壤研究所，1978）。同時測定林下草本蓋度、草本密度、香農(nóng)指數(shù)、土壤飽和持水量、土壤含水量、平均滲透率、非毛管孔隙度、枯落層蓄積量等指標[10-11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對2 個品種不同造林模型的林分生長數(shù)據(jù)進行方差分析，驗證差異顯著性；對第6年林木生長數(shù)據(jù)進行降維排序，并進行環(huán)境向量擬合，確定6年生林木生長差異及對環(huán)境的影響作用；對1-6年林木生長數(shù)據(jù)進行主響應曲線分析，分析林木發(fā)育過程中不同類型的差異。通過上述分析，考察品種和模型對林分生長和環(huán)境影響的協(xié)同作用，分析在R 語言環(huán)境下進行[12]，主要采用Vegan 包[13]并采用ggplot2 包作圖[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同造林模型2 刺槐品種林木生長量

測定結(jié)果表明，窄冠刺槐生長量表現(xiàn)較好，連年樹高增幅均高于石林刺槐（圖1,a）。不同造林模型窄冠刺槐林的胸徑均大于石林刺槐，模型1 胸徑最大，6年生胸徑為9.36 cm；模型6 的胸徑最小，6年為7.16 cm。第6年的胸徑大小排序為：模型1>模型3>模型5>模型2>模型4>模型6。說明品種相同時林分密度越小胸徑生長越大；相同密度時，窄冠刺槐胸徑明顯大于石林刺槐； 林分密度為833 株/hm2的窄冠刺槐（模型1）胸徑生長量最大（圖1,b）。不同造林模型窄冠刺槐林的蓄積量生長均大于石林刺槐，模型5 蓄積量最大，6年生為42.2 m3/hm2；模型2 的蓄積量最小，6年生為18.5 m3/hm2。生長期為4～6年時，林木蓄積量生長明顯加快（圖1，c）。

圖1 不同年份各造林模型樹高、胸徑及蓄積量變化Figure 1 Tree height, DBH (Diameter at breast height)and stocking volume of each model in 6 years

2.2 不同造林模型2 個刺槐品種生態(tài)效益

2.2.1 枯落物蓄積

林下枯枝落葉層蓄積量由林分生物學特性及其生長環(huán)境所決定。本實驗不同造林模型密度、品種不同，造成林分生長、林地內(nèi)水熱條件等都產(chǎn)生差異，進而影響枯落物的輸入量、分解速度，以及林內(nèi)枯落物的蓄積量。不同造林模型下枯落物指標如表2 所示。

由表2 可見，不同造林模型窄冠刺槐與石林刺槐林下枯落物的蓄積量差異顯著。窄冠刺槐（模型5）枯枝落葉層蓄積量最大，為4.67 t/hm2，總厚度3.4 cm；石林刺槐（模型2）枯枝落葉層蓄積量最小，為2.81 t/hm2，總厚度1.8 cm。相同品種林下枯枝落葉層蓄積量隨林分密度降低而減少，蓄積量與造林密度密切相關(guān)，排序為：模型5>模型3>模型6>模型1>模型4>模型2?？梢?667 株/hm2的窄冠刺槐對林下枯枝落葉層蓄積量的增加效果最好。

表2 不同造林模型枯枝落葉層蓄積量ANOVA 比較Table 2 ANOVA comparison of different litter layer volume of each model

2.2.2 土壤養(yǎng)分含量

林下有機質(zhì)含量對2 個品種均以1667 株/hm2最大，說明林分密度增加，林下土壤有機質(zhì)含量隨之增加。林下土壤速效鉀含量也隨密度增加，1667株/hm2的窄冠刺槐 （C5） 土壤中速效鉀含量最高（40.8 mg/kg）。

土壤水解氮含量增減趨勢按照從大到小的順序排列為： 模型5>模型2>模型1>模型4>模型3>模型6。林分密度為1667 株/hm2的窄冠刺槐（C5）土壤中水解氮含量最高（44.2 mg/kg）。

土壤有效磷含量也隨林分密度增加而增加，林分密度為1667 株/hm2的窄冠刺槐（C5）土壤中有效磷含量最高（7.1 mg/kg），全磷含量以833 株/hm2石林刺槐（C2）林下土壤最大（0.16%）。

土壤全氮含量在一定程度上可以代表土壤的供氮水平。不同造林模型均對0-20 cm 土層全氮含量影響較大，對20-40 cm 土層全氮含量影響較小。在6年間的測定內(nèi)，不同造林模型同一品種條件下，密度越大，對林下土壤全氮含量增加效果越大。林分密度為1667 株/hm2的窄冠刺槐（C5）土壤全氮含量最大（0.28%）。

2.3 品種與模型協(xié)同作用對林分生長和環(huán)境的影響

以上分析了不同造林模型窄冠刺槐和石林刺槐的多個生長指標，以及其對環(huán)境的影響。但這種多指標之間的對比，只側(cè)重于對某一指標的描述及解釋，缺少整體定量分析。因此采用冗余分析（Redundancy analysis，RDA） 對林分生長指標進行直接梯度分析，從多維統(tǒng)計角度來評價一方面（生長狀態(tài)、多個）變量與另一方面變量（環(huán)境指標、多個）數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從而對生長狀態(tài)和對環(huán)境指標產(chǎn)生影響有一個整體的把握，分析不同品種和造林模型協(xié)同作用對林分生長及對環(huán)境的影響。

選取2012年測定生長數(shù)據(jù)（冠幅、胸徑、樹高、郁閉度、枝下高）進行RDA 分析，結(jié)果如圖2。

圖2 不同刺槐品種造林模型生長情況冗余分析結(jié)果（RDA）Figure 2 Redundancy analysis of Robinia pseudoacacia growth indices

由結(jié)果可知，分析結(jié)果能清楚的區(qū)分窄冠刺槐和石林刺槐的生長特點。在胸徑和樹高的維度上，窄冠刺槐生長情況占優(yōu)，而在冠幅、郁閉度、枝下高方面，石林刺槐占優(yōu)。而兩個品種相同的特點是，在郁閉度和枝下高的維度上，密度越大，郁閉度和枝下高越大。這表明了密度大，郁閉快，而且郁閉度高了以后，自然整枝好，因此枝下高普遍較高。

降維之后采用環(huán)境變量進行擬合[13]，即把林內(nèi)的環(huán)境因子與其進行關(guān)聯(lián)分析。經(jīng)篩選，擬合變量包括草本蓋度、土壤飽和持水量、香農(nóng)指數(shù)、草本密度、土壤含水量、平均滲透率、非毛管孔隙度、枯落層蓄積量等，擬合結(jié)果如圖3。

圖3 不同品種刺槐造林模型環(huán)境變量擬合結(jié)果Figure 3 Environmental factors fitting to the ordination of Robinia pseudoacacia growth

由結(jié)果可知，在上述環(huán)境變量的維度上，窄冠刺槐整體均表現(xiàn)優(yōu)于石林刺槐，表現(xiàn)出更好的生態(tài)效益。其中模型1、模型3、模型5 在草本蓋度、土壤孔隙度、枯落物蓄積量等向量方向有更好地表現(xiàn)，也從另一個角度印證了窄冠刺槐造林模型生態(tài)效益較好的結(jié)論。

2.4 品種與模型協(xié)同作用下林分發(fā)育不同階段特征變化

以上分析均為在一個時間點上進行考量，對發(fā)育過程的特征考慮不足。為了更全面的分析各造林模型在6年的發(fā)育過程中各自展現(xiàn)了什么特點，使用主響應曲線分析方法（Principal response curves），對6年的各造林模型生長指標（冠幅、胸徑、樹高、郁閉度、枝下高）進行分析[15]。分析結(jié)果見圖4：

圖4 主變量響應曲線分析結(jié)果Figure 4 Principal response curves analysis of afforestation models growth process

圖中橫軸是年份，從第1年到第6年；縱軸是不同的因素在刻畫造林模型差異中發(fā)揮的作用。從右面可以看到分析采用的幾個因素，冠幅、郁閉度、枝下高、胸徑、樹高等5 項。隨著林木的生長，窄冠刺槐和石林刺槐特征能清晰的區(qū)分開。很顯然，在生長特征上，石林刺槐冠幅相對較大，而窄冠刺槐的胸徑、樹高表現(xiàn)較為突出。在郁閉度和枝下高方面，窄冠刺槐稍稍占優(yōu)。

而對不同造林模型，石林刺槐不同造林密度前3年的生長狀態(tài)基本趨同，也就是說，不同密度林分在前3年沒有太大的影響。這是因為前3年苗木根系發(fā)育還不完全，沒有較為強烈的養(yǎng)分、光照的爭奪，僅能體現(xiàn)樹種之間的差異，樹木之間的相互作用還沒有顯現(xiàn)出來，到了第4年，開始出現(xiàn)競爭，各模型均出現(xiàn)了差異，第6年的特征與RDA分析結(jié)果一致。刺槐生長特性與桉樹相似，在造林當年生長相對緩慢，第2年進入速生期，并持續(xù)3年[16]。

3 討論

刺槐在不同立地條件對土壤的改良作用已經(jīng)有不少研究[17-18]，但不同造林模型中刺槐品種、密度對林分發(fā)育和生態(tài)效益均有不同影響，過大的造林密度甚至會對水土保持、土壤改良產(chǎn)生負面作用[19]。在杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana) 等樹種密度效應研究中發(fā)現(xiàn)密度與胸徑生長相關(guān)顯著，單株材積隨株行距的增大而增大，每公頃蓄積量隨株行距的增大而減小[20-21]。本研究中林分密度越小胸徑越大，樹高與胸徑顯著相關(guān)，1250 株/hm2的窄冠刺槐生長量最大，較為適宜當?shù)貧夂颦h(huán)境。

在以生態(tài)效益為主要考量的通過RDA 和環(huán)境變量擬合，綜合分析了不同造林模型的生長特點?？梢源_定，從第6年的生長情況看，窄冠刺槐比石林刺槐表現(xiàn)優(yōu)異，材積大，且能產(chǎn)生更好地生態(tài)環(huán)境效益。1250 株/hm2的窄冠刺槐林下土壤毛管孔隙度最大，改善滲透速率效果最好。模型5 林分類型對林下土壤化學性質(zhì)改良效果最好。在時間維度上（PRC）研究5 種生長指標表明，窄冠刺槐生長比石林刺槐冠幅小、材積大。但從時間序列上整體看來，不同模型及品種的生長特點和相對優(yōu)勢在6年的時間內(nèi)有所變化，長期發(fā)展趨勢還需要進一步測量。這2 種方法的結(jié)果與單項分析的結(jié)果一致，且從整體上對不同造林模型之間差異有了清晰明確的刻畫。待數(shù)據(jù)積累更多，變量更加復雜時，這2 種方法能更好更方便地對不同造林模型發(fā)育差異進行分析。

不同造林模式對生態(tài)的影響差異較大[21-22]。在要求生態(tài)效益的造林工作中，應充分考慮不同密度、品種、樹種配置對林分生長和生態(tài)環(huán)境的協(xié)同作用。本研究僅從刺槐在瘠薄山地不同品種、密度出發(fā)對造林的林分生長、生態(tài)效益進行分析，在下一步工作中，應進一步對不同立地條件下不同樹種、品種、密度、配置的協(xié)同作用進行持續(xù)深入研究。