李振華

（新鄉(xiāng)學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)， 453003）

林分結(jié)構(gòu)是評(píng)估森林質(zhì)量和制定營(yíng)林策略的重要基礎(chǔ)，也是調(diào)控森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)固碳、保持水土、調(diào)節(jié)水文等生態(tài)服務(wù)功能的依據(jù)[1]。林冠層是林分結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)層次和經(jīng)營(yíng)調(diào)控的目標(biāo)層次，受海拔、坡位、土壤厚度、土壤含水率等立地條件影響[2-5]。生產(chǎn)上多調(diào)控林冠層密度來(lái)獲得優(yōu)質(zhì)大徑材、穩(wěn)定的林分結(jié)構(gòu)或適宜的林內(nèi)環(huán)境，特別是在水分緊缺地區(qū)[6-7]。枯落物層有調(diào)節(jié)地表溫度和蒸發(fā)、緩沖和截留降雨、調(diào)節(jié)地表徑流和控制土壤流失的功能[8]，與其厚度、儲(chǔ)量、組分、分解程度等結(jié)構(gòu)特征有關(guān)[9-12]，受郁閉度[13]及坡位、坡度、裸巖率等立地條件影響[14-15]。深入認(rèn)識(shí)林分結(jié)構(gòu)及其環(huán)境影響因素有助于制定精準(zhǔn)有效的營(yíng)林策略。

太行山是華北平原的生態(tài)屏障和重要水源地，歷史上因人類活動(dòng)及自然原因影響，其南麓河南輝縣境內(nèi)低山丘陵區(qū)植被退化、水土流失嚴(yán)重、巖石裸露，生態(tài)環(huán)境惡劣[16-18]。自20世紀(jì)70年代起，當(dāng)?shù)亻_(kāi)始大規(guī)模封山治山、造林綠化[16]。側(cè)柏（Platycladus orientalis）易發(fā)芽、側(cè)根多，耐干旱耐瘠薄，是主要的造林樹(shù)種、先鋒樹(shù)種。為保證成活數(shù)，初植密度大、一穴多株的現(xiàn)象很普遍，后經(jīng)封山育林、太行山綠化工程，一直以保護(hù)為主，未實(shí)施間伐等經(jīng)營(yíng)措施。目前，側(cè)柏純林是當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)林分，發(fā)揮了防風(fēng)滯塵、保持水土等重要的生態(tài)服務(wù)功能。但分布于惡劣生境的側(cè)柏林，其林木生長(zhǎng)、林分結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性、安全性、可持續(xù)性一直缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和定量評(píng)價(jià)，限制了其質(zhì)量效益提升及多項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能的充分發(fā)揮[19]。

因此，本研究在太行山南麓的低山丘陵石質(zhì)山區(qū)，調(diào)查分析不同坡位的側(cè)柏林的林冠層、林下層、枯落物層的結(jié)構(gòu)特征及其環(huán)境、結(jié)構(gòu)影響因素，提出相關(guān)建議，為低質(zhì)低效人工林的改造經(jīng)營(yíng)及生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)安全提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南溝小流域（113°49 E′，35°30 N′）位于河南省輝縣市方山的西南側(cè)，屬太行山南麓與華北平原結(jié)合部的低山丘陵石灰?guī)r區(qū)。海拔變化在155~384 m。溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫15℃，年均無(wú)霜期214 d，年均日照時(shí)數(shù)2 020 h，年均降水量589 mm，多在6—8月。

1.2 研究方法

在研究區(qū)選擇一片無(wú)病蟲(chóng)害感染、林相整齊的側(cè)柏純林，沿所在坡的坡底向上到坡頂、保持方位不變確定調(diào)查樣線，樣線垂直于等高線。根據(jù)樣線長(zhǎng)度，將坡長(zhǎng)等分為5段，即有5個(gè)坡位（下坡、中下坡、中坡、中上坡、上坡）。注意避開(kāi)林緣、林窗及微地形明顯異常的地方，在每個(gè)坡位的代表性地段各設(shè)置1個(gè)投影面積為100 m2的樣地，樣地間方位一致。在每個(gè)樣地的中心位置使用手持式GPS（優(yōu)利德UT379A）測(cè)定經(jīng)緯度和海拔，使用羅盤(pán)和水準(zhǔn)儀測(cè)定坡向、坡度等環(huán)境因素；然后，將樣地分為25個(gè)4 m2的正方形小格，觀測(cè)基巖裸露面積占小格面積的比率，取平均值為樣地的裸巖率；然后避開(kāi)裸巖和樹(shù)體，選取9處代表性位置，采用鋼釬和卷尺測(cè)定土壤厚度，并用鋁盒取土樣，在室內(nèi)用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定土壤自然含水率。樣地概況見(jiàn)表1。

表1 樣地的環(huán)境條件

1.2.1 林冠層結(jié)構(gòu)測(cè)定 采用每木檢尺的方法，測(cè)定樣地內(nèi)所有側(cè)柏單株的樹(shù)高、胸徑、東西和南北方向的冠幅；并計(jì)算林分密度、平均樹(shù)高、平均胸徑和平均冠幅。采用多點(diǎn)計(jì)數(shù)法，在樣地內(nèi)25個(gè)4 m2小格中央，目測(cè)正上方的樹(shù)冠遮蔽比率，取平均值為樣地的冠層郁閉度。

1.2.2 枯落物層結(jié)構(gòu)測(cè)定 在樣地內(nèi)避開(kāi)裸巖和樹(shù)體，選擇3處代表性位置，測(cè)定枯落物層厚度；采用小樣方收獲法，將枯落物帶回室內(nèi)，烘干稱重，并根據(jù)樣方面積換算樣地枯落物儲(chǔ)量；然后將烘干的枯落物分類，區(qū)分側(cè)柏針葉、樹(shù)枝、地衣和其他，計(jì)算枯落物各組分的儲(chǔ)量及其占比。

1.3 數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS18.0進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)柏林的冠層結(jié)構(gòu)

由表2可知，該坡面上側(cè)柏林的郁閉度平均為0.72，變化在0.60~0.80，沿坡向上的變化與裸巖率相反，中上坡最低，中、中下坡其次，上、下坡最高。林分密度平均為5 924株·hm-2，變化在2 800~12 420株·hm-2，沿坡向上的變化與郁閉度近似，中坡最低，下坡最高。調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，100 m2的樣地內(nèi)樹(shù)穴數(shù)量為20~28個(gè)，平均為25個(gè)，隨坡位上升而先減少后增加。根據(jù)樹(shù)穴的位置，在裸巖率較低的樣地能夠大致判斷出人工種植的株行距約為2 m×2 m；由于種植后未進(jìn)行間苗和間伐，目前每個(gè)樹(shù)穴內(nèi)不止1株側(cè)柏，下坡處最多，平均為4.6株，整個(gè)坡面平均每穴有2.4株。平均胸徑為7.07 cm，沿坡向上而先增大后減小，中坡最大，下坡最小。平均樹(shù)高4.8 m，變化范圍是3.9~6.2 m；平均冠幅1.18 m，變化在0.54~1.80 m，二者均隨坡位上升而增加。

表2 側(cè)柏林的冠層結(jié)構(gòu)

由表3可知，與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)相同或相近林齡的側(cè)柏林相比，本研究的側(cè)柏林密度明顯更高，平均為5 924株·hm-2，其他地區(qū)的變化在1 250~3 110株·hm-2；郁閉度偏低，平均0.72，其他地區(qū)多數(shù)不低于0.80；胸徑、樹(shù)高和冠幅均低于其他地區(qū)，表現(xiàn)為樹(shù)體矮細(xì)，生長(zhǎng)狀況差。

表3 不同地區(qū)側(cè)柏林的冠層結(jié)構(gòu)比較

2.2 林地枯落物層結(jié)構(gòu)

由表4可知，枯落物厚度變化在1.7~3.5 cm，平均為2.4 cm；在風(fēng)吹和水流作用下，難以在裸巖之上長(zhǎng)時(shí)間滯留，因而基本都沿裸巖邊緣和樹(shù)體周邊分布?？萋湮飪?chǔ)量變化在1.17~7.09 t·hm-2，平均為4.52 t·hm-2；其中，側(cè)柏針葉占比最大，為41.37%；其他組分其次，包括草葉、樹(shù)皮、蟲(chóng)便、花果等，占37.06%；再次是側(cè)柏枝條，占21.33%；地衣占比最少，為0.24%，但具有粘結(jié)、固持枯落物的關(guān)鍵作用?？萋湮飪?chǔ)量隨坡位上升而減少，在中上坡達(dá)到最小后，在上坡處大幅增加；其主要組分的針葉、枝條有相似變化。

表4 側(cè)柏林的枯落物層結(jié)構(gòu)

2.3 環(huán)境影響因素分析

由表5可知，林木胸徑與林分密度、每穴株數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明種植過(guò)密有礙單株樹(shù)木的直徑增長(zhǎng)。林木冠幅與每穴株數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明每穴株數(shù)越少，側(cè)柏樹(shù)冠發(fā)育越好?？萋湮锖穸扰c各因素?zé)o顯著相關(guān)（P＞0.05），說(shuō)明枯落物的分布有很大隨機(jī)性?？萋湮锟們?chǔ)量與裸巖率呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與郁閉度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明裸巖率低、郁閉度大的林分環(huán)境，能夠產(chǎn)生或積蓄更多的枯落物。因此，枯落物組分中的針葉、枝條、其他等儲(chǔ)量均與郁閉度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。地衣與各因素?zé)o顯著相關(guān)（P＞0.05），但其分布和數(shù)量規(guī)律對(duì)于荒山生態(tài)恢復(fù)有重要意義，有待進(jìn)一步探究和解釋。

表5 林分結(jié)構(gòu)與環(huán)境、結(jié)構(gòu)因素的相關(guān)關(guān)系

3 討論與結(jié)論

本研究區(qū)在太行山南麓的低山丘陵石質(zhì)山區(qū)，坡面裸巖率平均為71%，土壤平均厚度僅2.2 cm，且主要沿裸巖和樹(shù)穴周圍集聚分布，土壤含水率僅5.8%，屬側(cè)柏能利用的低產(chǎn)低效水（4.0%～8.5%）[27]。坡面上側(cè)柏林齡約50年，未完全郁閉，目前郁閉度平均為0.72；林分密度偏高，平均為5 924株·hm-2，在下坡處高達(dá)12 420株·hm-2，遠(yuǎn)高于北京、徐州、濟(jì)源的30~53年生側(cè)柏純林的保留密度。胸徑、樹(shù)高、冠幅則明顯低于其他地區(qū)，特別是與北京海淀妙峰山[20]、北京門(mén)頭溝鷲峰[21]、江蘇徐州九里山[24]相比，其胸徑、樹(shù)高的差距高達(dá)1倍左右；即使與同處南太行地區(qū)的濟(jì)源小浪底30年生側(cè)柏林[26]相比，胸徑也低于后者47%，樹(shù)高低于后者102%，可見(jiàn)本研究區(qū)的側(cè)柏林結(jié)構(gòu)較差，林木生長(zhǎng)狀況有待改善。

研究區(qū)的林分密度過(guò)高、單株生長(zhǎng)發(fā)育差，與從未間苗和間伐從而每穴株數(shù)過(guò)高有關(guān)。目前坡面上每個(gè)樹(shù)穴平均有2.4株側(cè)柏；下坡最高，平均有4.6株。通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，胸徑、冠幅均與每穴株數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。每穴株數(shù)多即林分初植密度大，其好處是確保困難立地的苗木成活數(shù)量。但隨著林齡增加，林木種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)必然加劇，再加上當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境條件，土壤水分養(yǎng)分匱乏，共同導(dǎo)致林木生長(zhǎng)狀況差，急需進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控[7]。

枯落物層是森林水文功能的第二作用層[28-29]，也是森林養(yǎng)分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[30-31]。研究發(fā)現(xiàn)，蘭州市側(cè)柏林枯落物厚度為3.93 cm[32]、北京寨兒峪側(cè)柏林枯落物厚度為3.61 cm[33]、北京西山側(cè)柏林枯落物厚度變化在3.9~4.4 cm[11]。與這些數(shù)據(jù)相比，本研究區(qū)側(cè)柏林的枯落物厚度略低，變化在1.7~3.5 cm，平均為2.4 cm。王佑民[34]比較了國(guó)內(nèi)11個(gè)不同地區(qū)的森林枯落物儲(chǔ)量，發(fā)現(xiàn)喬木林枯落物儲(chǔ)量一般在10 t·hm-2，生長(zhǎng)良好的林分可達(dá)20~40 t·hm-2。而本研究區(qū)側(cè)柏林地的枯落物儲(chǔ)量變化在1.17~7.09 t·hm-2，平均為4.52 t·hm-2，遠(yuǎn)低于上述平均水平。這可能與林分生長(zhǎng)受到環(huán)境制約、生產(chǎn)力較低而凋落量有限有關(guān)。此外，本研究中枯落物儲(chǔ)量與裸巖率呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與郁閉度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與密度正相關(guān)但不顯著（P＞0.05），表明在裸巖率低的地方，適當(dāng)提高林分郁閉度，將有助于產(chǎn)生或積蓄更多的枯落物。

研究區(qū)位于太行山南麓低山丘陵區(qū)的石質(zhì)山地，坡面立地條件困難，裸巖率高，土層薄，含水率低。側(cè)柏純林密度過(guò)大，一穴多株現(xiàn)象嚴(yán)重，單株生長(zhǎng)狀況差，枯落物儲(chǔ)存量小，以側(cè)柏針葉、枝條為主要組分。冠層結(jié)構(gòu)與密度、每穴株數(shù)顯著相關(guān)，枯落物層結(jié)構(gòu)與裸巖率、郁閉度顯著相關(guān)。因此，建議依據(jù)水資源植被承載力適當(dāng)降低林分密度、提高郁閉度，改善林木的生長(zhǎng)狀況，促進(jìn)林下灌草發(fā)育，增加枯落物儲(chǔ)量。