李元忠，馬安寶，王克枚，葛忠強，梁 燕，王清華*

(1.濟南市歷城區(qū)國有黑峪林場，山東 濟南 250103； 2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院， 山東 濟南 250014；3.諸城市林業(yè)發(fā)展中心，山東 諸城 262299)

側(cè)柏(Platycladus orientalis)是我國北方山區(qū)主要造林樹種，耐干旱瘠薄能力強，在荒山綠化中發(fā)揮了重要的生態(tài)作用。 山東省側(cè)柏分布范圍廣，造林面積大，主要集中在魯中、魯中南山地，多為20 世紀(jì)60年代營造。 這些長期側(cè)柏人工林密度普遍很大，很少進行間伐、更新等撫育措施，林分密度和郁閉度很高，造成樹木生長緩慢和林下植被稀疏，進而導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，生態(tài)穩(wěn)定性大幅降低。 本課題組前期對魯中山地側(cè)柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性進行了評價研究[1]，但沒有對其影響因素進行深入探討。 本文以不同密度的長期側(cè)柏人工林為例，系統(tǒng)研究了林木生長和林地土壤特性對側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性的影響，可為山東省側(cè)柏人工林撫育管理和可持續(xù)經(jīng)營提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于山東省濟南市歷城區(qū)國有黑峪林場，跨歷城區(qū)港溝、彩石2 個街道辦事處，南部與西營街道辦事處為鄰，地處魯中山地丘陵區(qū)。 建于1959年，林地面積540.54 hm2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°01′—117°16′，北緯36°35′—36°38′,該區(qū)屬于暖溫帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫13 ℃左右，月平均溫度最高在7月，平均氣溫為27.4℃，最低在1月，平均氣溫在-3.6℃，絕對最高氣溫42.5℃，絕對最低氣溫-22.5℃，年平均降水量696.7 mm 左右，年平均相對濕度68%，全年無霜期210 天左右，年平均日照時數(shù)2640.2 h，年平均降雪厚度20～30 cm，林場內(nèi)側(cè)柏人工林占絕對優(yōu)勢，林地土壤類型為褐土[2]。

1.1 樣地設(shè)置

在黑峪林場選取9 塊有代表性的不同密度長期側(cè)柏人工林地作為研究對象，每塊樣地面積為100～200 m2。 所有林分均于20 世紀(jì)60年代初造林，林下灌草主要有荊條 (Vitex negundo var.Heterophylla)、胡枝子 (Lespedeza bicolor)、君遷子(Diospytos lotus)、羊須草(Carex callitrichos)等。對供試林分進行立地因子調(diào)查， 主要包括林下蓋度、郁閉度、海拔、坡位、坡向、坡度、林分結(jié)構(gòu)等。 樣地基本情況見表1。

表1 供試側(cè)柏人工林樣地概況

1.2 調(diào)查、采樣及分析方法

1.2.1 林木生長指標(biāo)

對9 塊樣方中側(cè)柏的林木生長狀況進行調(diào)查，時間為2017年6月。 所調(diào)查的生長指標(biāo)為胸徑、樹高和冠幅，并根據(jù)胸徑和樹高計算出單株材積。

(1)胸徑: 采用胸徑尺進行測定，距地面1.3 m，單位為cm。

(2)樹高: 采用Vertex VL400 激光測距儀，選用其中的測角功能，分別測定觀測者與樹梢、標(biāo)桿(1.3 m)項端、樹干底端之間的水平夾角，通過公式計算側(cè)柏樹高[3]。 單位為m。

(3)材積: 測定側(cè)柏胸徑和樹高后，通過下面公式計算側(cè)柏材積[4]：

V = 0.000091972184D1.8639778H0.83156779，

式中V、D 和H 分別為材積(m3)、胸徑(cm)和樹高(m)。

(4)冠幅: 采用皮卷尺分別測量樹冠在地面投影的東西、南北兩個方向的直線距離，計算兩者平均值作為冠幅，單位為m。

(5)造林密度：分別調(diào)查樣地中的存活株數(shù)、死亡株數(shù)和間伐株數(shù)。 采用下式計算側(cè)柏人工林的初植密度：

密度(株/hm2)=(存活株數(shù)+死亡株數(shù)+間伐株數(shù))/ 樣地面積(m2)×100

1.2.2 林地土壤采樣及分析

在每塊樣地內(nèi)隨機選點4 個，取樣層次為0—20 cm，去除石礫等雜物，混合均勻后用四分法取樣帶回實驗室，自然風(fēng)干后備測。

本研究選擇了16 個土壤理化指標(biāo)，其中土壤物理特性指標(biāo)4 個，分別為土壤硬度、土層厚度、容重和孔隙度；土壤化學(xué)指標(biāo)12 個，分別為有機質(zhì)、陽離子交換量(CEC)、有效氮、有效磷、有效鉀以及水溶性鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)。

土壤硬度和土層厚度分別采用硬度計和鋼釬直接測定，沿對角線間隔1 m 測定一次，取各點測量結(jié)果的平均值。因土壤硬度受含水量影響較大，選擇半個月內(nèi)沒有降雨的日期進行測定。容重采用環(huán)刀(100 cm3)測定，孔隙度則采用環(huán)刀浸水法測定[5]。 土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀外加熱法；CEC 采用醋酸銨交換法測定；有效氮、磷、鉀分別采用堿解擴散法、鉬藍(lán)比色法和火焰光度計法測定[6]；水溶性鈣Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn 采用1:5 土水比浸提，電感耦合等離子體(ICP)測定。

1.2.3 側(cè)柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性

供試側(cè)柏人工林的生態(tài)穩(wěn)定性以穩(wěn)定性指數(shù)表示。 首先采用因子分析法對側(cè)柏林喬木層、土壤和林下灌草層進行綜合質(zhì)量評價，然后計算得出側(cè)柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)，列于表2，具體方法和計算結(jié)果參見文獻[1]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用WPS 11.1 表格進行數(shù)據(jù)計算和圖表制作，采用Statistica 12.5 軟件計算不同指標(biāo)間的Pearson 相關(guān)系數(shù)，進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分生長對側(cè)柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性的影響

調(diào)查結(jié)果表明，供試側(cè)柏人工林造林時的初植密度較大，平均為3856 株/hm2。 各樣地林分的平均胸徑和樹高范圍分別為6.91～16.48 cm 和6.02～10.35 m， 整體長勢較差(表2)。 生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)最高的為7 號樣地，其胸徑明顯大于其他樣地人工林，樹高、材積和冠幅也相對較高。為探討林木生長對生態(tài)穩(wěn)定性的影響，分別將胸徑、樹高、材積和冠幅這4 個生長指標(biāo)分別與林分穩(wěn)定性指數(shù)進行相關(guān)性分析，同時計算各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，樹高、胸徑和材積均對林分生態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響作用，呈顯著正相關(guān)；而冠幅和造林密度對生態(tài)穩(wěn)定性的影響作用不大，未達到顯著性水平。 側(cè)柏胸徑、樹高和材積相互之間的相關(guān)性均達到顯著水平。 隨造林密度增大， 側(cè)柏胸徑、樹高、材積和冠幅均出現(xiàn)顯著下降，生態(tài)穩(wěn)定性也明顯降低，但未達到顯著性水平。

表2 供試側(cè)柏林的林木生長指標(biāo)和生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)

2.2 土壤特性對側(cè)柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性的影響

2.2.1 土壤物理特性

供試側(cè)柏林樣地的部分土壤物理指標(biāo)列于表4。 不同樣地間的土壤硬度差異較大， 最高值和最低值分別為37.67 N (樣地8)和10.63 N(樣地9)，相差近3 倍。 土層厚度界于17.2～59.8 cm 之間， 總體較淺薄，這也是魯中干旱瘠薄山地存在的普遍現(xiàn)象。 土壤容重平均值為1.13 g/cm3，根據(jù)林地土壤質(zhì)量主要指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)[7]，處于“較低”水平，而土壤孔隙度平均值(57.45%)處于“較高”水平，表明黑峪林場長期側(cè)柏林地土壤整體上較為疏松，透水透氣性較好。

表3 林木生長指標(biāo)之間以及與生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

表4 供試側(cè)柏林分的土壤物理指標(biāo)

相關(guān)分析結(jié)果表明(表5)，這4 個土壤物理指標(biāo)中，僅有土壤硬度與林分生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)之間存在顯著性相關(guān)。 隨著林地土壤硬度增加，林分生態(tài)穩(wěn)定性出現(xiàn)顯著性降低。 土層厚度、土壤容重和孔隙度三者之間均存在顯著相關(guān)性，但對林分生態(tài)穩(wěn)定性均沒有明顯影響作用。

表5 林地土壤物理指數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)之間的相關(guān)性

2.2.1 土壤化學(xué)特性

(1)有機質(zhì)、CEC 和有效氮磷鉀

土壤有機質(zhì)含量、CEC 和有效氮、磷、鉀含量均是重要的土壤化學(xué)指標(biāo)，很大程度上反映了土壤的肥力狀況。 土壤有機質(zhì)含量和CEC 的平均值分別為74.20 g/kg和32.73 cmol/kg；根據(jù)林地土壤質(zhì)量主要指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)[7]，均屬于“很高”水平；土壤有效氮、有效磷和有效鉀平均值分別為50.86 mg/kg、4.27 mg/kg 和136.80 mg/kg，其中有效氮含量為“較低”水平，有效磷為“很低”，而有效鉀處于“較高”水平。 分析結(jié)果表明，供試側(cè)柏人工林土壤缺磷較為嚴(yán)重，這是由于魯中山地土壤發(fā)育于堿性基巖，含鈣量高，可溶性磷容易與鈣生成難溶性磷酸鹽而被土壤固定，從而降低了移動性和有效性。

表6 側(cè)柏林地土壤的有機質(zhì)、CEC 和有效氮磷鉀含量

相關(guān)分析結(jié)果表明(表7)，側(cè)柏林地土壤有效氮與有機質(zhì)、CEC 均具有顯著正相關(guān)， 有效鉀也與CEC 呈顯著正相關(guān)；有機質(zhì)、CEC 和有效氮、磷、鉀這5 個土壤化學(xué)指標(biāo)均與側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)呈正相關(guān)性，但只有CEC 和有效鉀對生態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響作用。

表7 土壤有機質(zhì)、CEC、有效氮磷鉀之間以及與穩(wěn)定性指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

(2)水溶性中微量元素

土壤中的中微量元素主要包括Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn 等， 雖然植物對其吸收量不及氮、磷、鉀等大量元素，但均是植物生長所必需的營養(yǎng)元素。 分析結(jié)果表明， 供試側(cè)柏人工林土壤中的水溶性Ca 含量遠(yuǎn)大于其它中微量元素，其次為水溶性Mg 和S，含量較低的是水溶性Mn 和Cu(表8)。相關(guān)分析表明，土壤中的水溶性Ca 和Mg、S 和Zn、Fe 和Cu 之間的相關(guān)性達到顯著水平；7 種中微量元素中僅有水溶性Cu 含量與側(cè)柏生態(tài)穩(wěn)定性表現(xiàn)出顯著性負(fù)相關(guān)。 從整體上看，林地土壤中的水溶性中微量元素對側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性未產(chǎn)生明顯影響作用。

表8 側(cè)柏林地土壤中的水溶性中微量元素含量

表9 土壤水溶性中微量元素之間以及與穩(wěn)定性指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

(1)樹高、胸徑和材積均對側(cè)柏人工林的生態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響，林木生長狀況越好，林分的生態(tài)穩(wěn)定性也越高。 隨林分密度增大， 側(cè)柏胸徑、樹高、材積和冠幅均出現(xiàn)顯著下降，生態(tài)穩(wěn)定性也明顯降低。

(2)隨著林地土壤硬度增加，側(cè)柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性出現(xiàn)顯著降低；土層厚度、土壤容重和孔隙度對生態(tài)穩(wěn)定性均沒有明顯影響作用。

(3)側(cè)柏人工林土壤有機質(zhì)、CEC 和有效氮、磷、鉀含量增加會有利于林分生態(tài)穩(wěn)定性的增強，但其中只有CEC 和有效鉀會對生態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響作用。 林地土壤水溶性Cu 含量與側(cè)柏生態(tài)穩(wěn)定性之間表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，但從整體上看，水溶性中微量元素未對側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響作用。