渾善達(dá)克沙地東南緣立地條件對(duì)樟子松人工林生長(zhǎng)影響研究

孫艷麗，黨曉宏,2，田子金

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400；3.赤峰市翁牛特旗毛山東鄉(xiāng)人民政府，內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

1 引言

渾善達(dá)克沙地位于我國(guó)北方典型草原區(qū)向旱作農(nóng)業(yè)區(qū)過渡地帶，不僅是中國(guó)北方荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，而且也是沙塵暴主要沙塵源之一。其荒漠化和沙化災(zāi)害使得草場(chǎng)資源被破壞，植被覆蓋率僅有15%，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)55675萬元/年，沙塵暴波及北京等地，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)人民的生產(chǎn)生活。為此，我國(guó)于2000年、2011年分別啟動(dòng)京津風(fēng)沙源治理工程、百萬畝樟子松造林工程，減緩渾善達(dá)克沙地荒漠化和沙化災(zāi)害對(duì)當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞[1～4]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.Mongolica)，屬松科(Pinaceae Lindl.)、松屬(PinusLinn)的常綠喬木，具有喜光性強(qiáng)、耐寒性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在我國(guó)北方沙區(qū)廣泛栽植并起到了防風(fēng)固沙、改善小氣候等顯著作用[5～7]。前人對(duì)沙地樟子松生長(zhǎng)狀況的研究包括：樟子松在榆林天然固定沙地上的長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于人工固定沙地[8]；羅玲等[9]對(duì)榆林沙區(qū)5種立地條件下樟子松生長(zhǎng)特性研究發(fā)現(xiàn)，丘間低地樹高和胸徑生長(zhǎng)狀況最好，沙丘頂部樹高和胸徑生長(zhǎng)狀況最差；在章古臺(tái)沙地丘間低地、迎風(fēng)坡、丘頂三種立地條件下，丘間低地樟子松長(zhǎng)勢(shì)最好，其余兩種立地由于水分條件的惡化，生長(zhǎng)受到抑制[10]。由此可知，立地條件是影響林木生長(zhǎng)和林分生產(chǎn)力的重要因素。樟子松作為渾善達(dá)克沙地東南緣主要防風(fēng)固沙造林樹種之一[11]。前人研究了渾善達(dá)克沙地東南緣樟子松人工林群落演替、更新狀況、土壤水分動(dòng)態(tài)對(duì)降雨入滲的響應(yīng)等內(nèi)容[11，12]，對(duì)于渾善達(dá)克沙地東南緣不同立地條件下樟子松人工林生長(zhǎng)狀況的研究相對(duì)較少。

本文通過對(duì)渾善達(dá)克沙地東南緣6種立地條件下(平坡地、陽陡坡底、陽陡坡中、坡頂、陰陡坡中、陰陡坡底)栽植的樟子松人工林生長(zhǎng)狀況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，不僅可以從宏觀上了解森林的總體生長(zhǎng)狀況，得出最適合樟子松生長(zhǎng)的立地條件，且為渾善達(dá)克沙地樟子松人工林的撫育和營(yíng)林措施提供策略，有助于今后沙地人工林的栽植[13，14]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于渾善達(dá)克沙地東南緣(115°52′～117°04′E，41°45′～42°39′N)，海拔1150～1800 m。試驗(yàn)地屬于中溫帶半干旱向半濕潤(rùn)過渡區(qū)的典型大陸性季風(fēng)氣候，具有春季多大風(fēng)(最大風(fēng)速可達(dá)24 m/s)，夏季時(shí)間短，冬季漫長(zhǎng)的氣候特征。年降水量385 mm，年均氣溫1.6 ℃，年日照時(shí)數(shù)3073 h，無霜期100 d左右。試驗(yàn)地地貌復(fù)雜多樣，土壤類型主要以栗鈣土、風(fēng)沙土為主[15～18]，栽植的人工植被包括樟子松、油松、紅松、山杏等，天然植被有沙地榆、樺樹、云杉、楊樹等[19，20]。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2011年栽植的樟子松人工林，樟子松栽植前需在苗圃適應(yīng)性撫育2～3 a，起苗前澆足水，運(yùn)苗時(shí)做到不脫杯，栽植方式為開溝栽植，株行距為1 m×3 m。

2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)試驗(yàn)地內(nèi)立地條件進(jìn)行調(diào)查并劃分，各立地條件下分別設(shè)置20 m×20 m的喬木樣方，樣方內(nèi)每隔2棵測(cè)定其生長(zhǎng)指標(biāo)，每個(gè)樣方內(nèi)共測(cè)定30株。

2.3.1 立地條件的劃分

研究區(qū)立地條件劃分遵循綜合性、主導(dǎo)因素、多級(jí)序、簡(jiǎn)明實(shí)用性原則，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)地貌特點(diǎn)，選取坡度、坡位、坡向?yàn)橹鲗?dǎo)因素，依據(jù)《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》，將研究區(qū)劃分為平坡地、陽陡坡底、陽陡坡中、坡頂、陰陡坡中、陰陡坡底6種立地條件[21]。

2.3.2 徑級(jí)的劃分

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，樟子松的徑級(jí)采用上限排外法劃分[22]，將樟子松的徑級(jí)結(jié)構(gòu)劃分為8級(jí)，Ⅰ級(jí)：<5 mm；Ⅱ級(jí)：5～10 mm；Ⅲ級(jí)：10～15 mm；Ⅳ級(jí)：15～20 mm；Ⅴ級(jí)：20～25 mm；Ⅵ級(jí)：25～30 mm；Ⅶ級(jí)：30～35 mm；Ⅷ級(jí)：>35 mm。

2.3.3 高度級(jí)的劃分

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，樟子松的高度級(jí)采用上限排外法劃分[22]，將樟子松的高度級(jí)結(jié)構(gòu)劃分為9級(jí)，Ⅰ級(jí)：<1.0 m；Ⅱ級(jí)：1.0～1.3 m；Ⅲ級(jí)：1.3～1.6 m；Ⅳ級(jí)：1.6～1.9 m；Ⅴ級(jí)：1.9～2.2 m；Ⅵ級(jí)：2.2～2.5 m；Ⅶ級(jí)：2.5～2.8 m；Ⅷ級(jí)：2.8～3.1 m；Ⅸ級(jí)：>3.1 m。

2.3.4 樹冠冠幅分級(jí)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，樟子松的冠幅級(jí)采用上限排外法劃分[22]，將樟子松的冠幅級(jí)結(jié)構(gòu)劃分為10級(jí)，Ⅰ級(jí)：<60 cm；Ⅱ級(jí)：60～70 cm；Ⅲ級(jí)：70～80 cm；Ⅳ級(jí)：80～90 cm；Ⅴ級(jí)：90～100 cm；Ⅵ級(jí)：100～110 cm；Ⅶ級(jí)：110～120 cm；Ⅷ級(jí)：120～130 cm；Ⅸ級(jí)：130～140 cm；Ⅹ級(jí)：>140 cm。

2.4 項(xiàng)目測(cè)定

用精度為0.1 cm的卷尺測(cè)量樣方內(nèi)樟子松株高、冠幅和節(jié)間距，用游標(biāo)卡尺測(cè)定其胸徑和節(jié)間直徑。節(jié)間距和節(jié)間直徑由下至上測(cè)量，最底層主枝上兩個(gè)側(cè)枝的距離為一級(jí)節(jié)間距，一級(jí)節(jié)間距的徑粗為一級(jí)節(jié)間直徑，以此類推，由于研究區(qū)樟子松人工林進(jìn)行過補(bǔ)植，所以本實(shí)驗(yàn)只選取了由下至上共7個(gè)節(jié)間距、節(jié)間直徑進(jìn)行分析。

2.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2010對(duì)樟子松生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)不同立地條件下樟子松各生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，采用SPSS 25.0軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析和單因素方差分析(One-way ANOVA)。并運(yùn)用Origin 2021對(duì)株高、冠幅、胸徑進(jìn)行回歸分析和繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同立地條件樟子松生長(zhǎng)指標(biāo)比較

如圖1所示，坡頂樟子松平均高度為1.40 m，Ⅲ級(jí)最多，占總株數(shù)的8.99%；陽陡坡中樟子松平均樹高為1.76 m，Ⅳ級(jí)最多，占比為6.11%；陽陡坡底樟子松平均樹高為2.14 m，Ⅳ、Ⅵ級(jí)最多，共占總株數(shù)的4.44%；陰陡坡中樟子松平均樹高為2.00 m，Ⅴ級(jí)最多，占比為6.11%；陰陡坡底樟子松平均樹高為1.98 m，Ⅳ級(jí)最多，占總株數(shù)的6.11%；平坡地樟子松平均樹高為1.87 m，Ⅴ級(jí)最多，占比為4.44%。由此可以看出，由于所處的立地條件不同，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分、水分、光照強(qiáng)度等產(chǎn)生差異，陽陡坡底樟子松平均樹高最大。

坡頂樟子松平均冠幅為78.15 cm，Ⅲ級(jí)最多，占總株數(shù)的4.44%；陽陡坡中樟子松平均冠幅為93.58 cm，Ⅴ級(jí)最多，占比為5.00%；陽陡坡底樟子松平均冠幅為108.65 cm，Ⅴ、Ⅷ級(jí)最多，共占總株數(shù)的3.33%；陰陡坡中樟子松平均冠幅為99.78 cm，Ⅴ級(jí)最多，占總株數(shù)的5.00%；陰陡坡底樟子松平均冠幅為103.07 cm，Ⅵ級(jí)最多，占比為4.44%；平坡地樟子松平均冠幅為89.93 cm，Ⅴ級(jí)最多，占總株數(shù)的3.89%。綜上可知，陽陡坡底樟子松平均冠幅最大，坡頂樟子松平均冠幅最小，相比陽陡坡底小18.72 cm。

坡頂樟子松平均胸徑為12.45 mm，Ⅲ級(jí)最多，占總株數(shù)的11.67%；陽陡坡中樟子松平均胸徑為18.72 mm，Ⅲ級(jí)最多，占比為5.56%；陽陡坡底樟子松平均胸徑為25.05 mm，Ⅲ、Ⅶ、Ⅷ級(jí)最多，共占總株數(shù)的3.33%；陰陡坡中樟子松平均胸徑為22.30 mm，Ⅴ級(jí)最多，占比為5.56%；陰陡坡底樟子松平均胸徑為22.28 mm，Ⅴ級(jí)最多，占總株數(shù)的6.11%；平坡地樟子松平均胸徑為19.51 mm，Ⅳ級(jí)最多，占比為3.89%。結(jié)果表明：不同立地條件下樟子松平均胸徑具有差異，樟子松平均胸徑呈陽陡坡底>陰陡坡中>陰陡坡底>平坡地>陽陡坡中>坡頂?shù)内厔?shì)。

3.2 不同立地條件樟子松生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性

由表1可知，各立地條件下樟子松株高、胸徑、冠幅間顯著相關(guān)，R值均在0.86以上。其中，陽陡坡底樟子松株高、胸徑、冠幅間相關(guān)系數(shù)最大，均為0.99；樟子松節(jié)間距與節(jié)間直徑間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(-0.56≤R≤-0.28)。樟子松株高、冠幅、胸徑與節(jié)間距、節(jié)間直徑之間不相關(guān)。

圖1 不同立地條件樟子松高度級(jí)、冠幅級(jí)、徑級(jí)比較

表1 不同立地條件樟子松生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性分析

對(duì)渾善達(dá)克沙地東南緣6種立地條件下樟子松株高、胸徑、冠幅分析可知(圖2)，坡頂、陽陡坡底樟子松株高、胸徑、冠幅與其它立地樟子松株高、胸徑、冠幅之間基本表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05)，陽陡坡中、陰陡坡中、陰陡坡底、平坡地樟子松株高、胸徑、冠幅之間基本表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)。

各立地條件下均表現(xiàn)為第六、七節(jié)間距最大(圖3)，第二、三、四、五節(jié)間距相對(duì)較??；6種立地條件間第一節(jié)間距均無顯著差異(P>0.05)；坡頂、陽陡坡中、陽陡坡底、陰陡坡中、陰陡坡底5種立地樟子松第一、七節(jié)間直徑差異極顯著(P<0.05)；第三、四節(jié)間直徑表現(xiàn)為陽陡坡底、陰陡坡底分別與平坡地差異顯著。各立地條件下，節(jié)間直徑由下至上呈遞減趨勢(shì)。

注：圖中標(biāo)不同小寫字母表示各立地條件間株高、胸徑、冠幅差異顯著

注：圖中標(biāo)不同大寫字母表示同一立地不同指標(biāo)間差異顯著，不同小寫字母表示不同立地同一指標(biāo)間差異顯著

3.3 不同立地條件樟子松生長(zhǎng)指標(biāo)回歸分析

各立地條件下樟子松株高與胸徑、株高與冠幅、胸徑與冠幅間相關(guān)關(guān)系較高(圖4)，其中，陽陡坡底樟子松株高與胸徑間相關(guān)系數(shù)R2=0.98，為最大值，比平坡地樟子松株高與胸徑間相關(guān)系數(shù)最小值R2=0.68大0.2；各立地條件下樟子松株高與冠幅間相關(guān)系數(shù)(R)呈陽陡坡底R(shí)2=0.98>陰陡坡底R(shí)2=0.97>陽陡坡中R2=0.95>坡頂R2=0.91>陰陡坡中R2=0.90>平坡地R2=0.67的趨勢(shì)；各立地條件下樟子松胸徑與冠幅間相關(guān)系數(shù)(R)值由大到小的排序?yàn)椋宏柖钙碌識(shí)2=0.98>平坡地R2=0.97>坡頂(R)R2=0.96>陰陡坡底、陽陡坡中R2=0.93>陰陡坡中R2=0.75。結(jié)果表明，樟子松株高、胸徑、冠幅間相互制約，共同成長(zhǎng)。

4 討論

4.1 不同立地條件下樟子松人工林長(zhǎng)勢(shì)

本研究顯示，樟子松人工林坡頂?shù)拈L(zhǎng)勢(shì)最差，坡底的長(zhǎng)勢(shì)最好。在干旱、半干旱地區(qū)，水分是影響植被生存和生長(zhǎng)的重要因素[23，24]，土壤含水量與植被的生長(zhǎng)呈正相關(guān)關(guān)系[25]，由于重力作用，坡頂儲(chǔ)存雨水量較小，大部分雨水順流而下，儲(chǔ)存在坡底，這就造成了不同立地水分空間分布的差異性[26]。經(jīng)實(shí)地調(diào)查后可知，坡頂植被蓋度為39.20%，陽陡坡中植被蓋度為49.28%，陽陡坡底植被蓋度為59.92%，陰陡坡中植被蓋度為56.00%，陰陡坡底植被蓋度為55.44%，平坡地植被蓋度為52.36%，坡頂植被蓋度最低，對(duì)雨水?dāng)r截作用小，陽陡坡底植被蓋度最高，對(duì)雨水?dāng)r截作用很大，這可能是導(dǎo)致樟子松在坡底長(zhǎng)勢(shì)好、坡頂長(zhǎng)勢(shì)差的原因之一。

圖4 不同立地條件下樟子松株高與胸徑、株高與冠幅、胸徑與冠幅擬合關(guān)系

4.2 不同立地條件下樟子松人工林節(jié)間距

各立地條件下樟子松第二、三、四節(jié)間距相對(duì)較短，第七節(jié)間距較長(zhǎng)，主枝節(jié)間距代表1年的生長(zhǎng)量，第二、三、四、七節(jié)間距分別對(duì)應(yīng)代表2012、2013、2014、2017年樟子松的生長(zhǎng)量。降水作為植被生長(zhǎng)的主要限制因子，對(duì)植被生長(zhǎng)影響作用較大，植被的光合作用、蒸騰作用等生理生化過程需要水分參與，水分減少會(huì)導(dǎo)致植被光合速率下降，有機(jī)物產(chǎn)量降低[27～30]。由圖5可知，2012、2013、2014年多倫縣降水量較其它年份低，2017年降水量為歷年最高，這可能是導(dǎo)致樟子松由下至上第二、三、四節(jié)間距最短，第七節(jié)間距最長(zhǎng)的原因之一。6種立地條件間第一節(jié)間距均無顯著差異(P>0.05)，經(jīng)實(shí)地調(diào)查并訪問當(dāng)?shù)丶夹g(shù)員，樟子松在栽植第一年，為保證其成活，會(huì)根據(jù)當(dāng)年的降雨決定是否澆水，所以可能會(huì)導(dǎo)致栽植第一年各立地間樟子松生長(zhǎng)量無顯著差異。

圖5 多倫縣2011～2019年均降水量

5 結(jié)論

(1)各立地條件下樟子松人工林平均株高、胸徑、冠幅均表現(xiàn)為陽陡坡底最大，坡頂最小，樟子松節(jié)間直徑由下至上呈遞減趨勢(shì)，且坡底直徑最大，坡頂最小。

(2)各立地條件下樟子松株高、胸徑、冠幅間呈顯著正相關(guān)(0.86≤R2≤0.99)，節(jié)間距、節(jié)間直徑間呈顯著負(fù)相關(guān)(-0.56≤R2≤-0.28)。

(3)綜合分析認(rèn)為，陽陡坡底樟子松人工林相比于其他立地條件長(zhǎng)勢(shì)最好，坡頂樟子松人工林長(zhǎng)勢(shì)最差，從人工林撫育和營(yíng)林措施角度，建議加強(qiáng)對(duì)坡頂樟子松的撫育營(yíng)林措施。