王 斐,侯立群,葛忠強(qiáng),劉幸紅,曲永赟

(山東省林業(yè)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南250014)

山東省側(cè)柏生態(tài)公益林區(qū)域劃分的研究

王 斐,侯立群,葛忠強(qiáng),劉幸紅,曲永赟

(山東省林業(yè)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南250014)

分門別類的研究是人們認(rèn)知自然資源的一種重要途徑,樹木生物學(xué)和生態(tài)學(xué)的時(shí)空異質(zhì)性則是這種分類研究的基礎(chǔ)。而樹種的區(qū)域劃分在一定程度上反映了人們對(duì)其生物學(xué)特性和生態(tài)適應(yīng)性以及經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值等的認(rèn)識(shí),也是科學(xué)合理地利用土地資源的結(jié)果。我們?cè)谏钊胙芯可綎|省側(cè)柏林分布特征、自然環(huán)境異質(zhì)性以及以往的綜合農(nóng)林業(yè)區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上,通過典型更新調(diào)研、冠形分析進(jìn)行了側(cè)柏區(qū)劃的研究。結(jié)果表明,山東省側(cè)柏林資源存在明顯的時(shí)空差異,有必要進(jìn)行區(qū)域分類撫育經(jīng)營(yíng)的嘗試。

山東省;側(cè)柏;區(qū)劃;冠形;更新

側(cè)柏適應(yīng)能力強(qiáng),栽培范圍廣,而且被大量栽植在石灰性沉積巖山地上[1－3],近年來側(cè)柏也越來越多地用于城市和道路綠化之中。生態(tài)公益林木在一定時(shí)空范圍的分布和演化是自然地理和人文社會(huì)因素綜合作用的結(jié)果[4]。人們?yōu)榱私?jīng)營(yíng)管理的需要和便利往往對(duì)相似的行政區(qū)域和自然資源等進(jìn)行分類和區(qū)劃,從森林植被區(qū)系的劃分到森林類型的劃分再到林種區(qū)劃等等[5]。在農(nóng)林作物栽培和經(jīng)營(yíng)過程中,果樹單樹種氣候區(qū)劃、氣象災(zāi)害區(qū)劃并非少見[6]。而單樹種的林木栽培和經(jīng)營(yíng)區(qū)劃則屈指可數(shù)。

在較為理想的側(cè)柏林分環(huán)境條件下,立地條件均勻,生長(zhǎng)發(fā)育相似,更新和栽培模式相像,可以采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和撫育經(jīng)營(yíng)方式對(duì)全省甚至全國(guó)的側(cè)柏林分撫育管理。然而,這種理想的撫育經(jīng)營(yíng)管理模式與現(xiàn)實(shí)存在較大的出入。就側(cè)柏主要分布區(qū)域的自然環(huán)境而言,在山地的集中栽培更為常見[7－9]。山地基巖結(jié)構(gòu)和組成本身的差異、土壤保水保肥能力的不同、山體水熱資源異質(zhì)性再分配、高山對(duì)于局部氣象條件的影響、季風(fēng)氣候的空間異質(zhì)性作用等等造成了側(cè)柏栽培立地條件的多樣性,也是側(cè)柏分類撫育經(jīng)營(yíng)的自然前提。

為了更加科學(xué)有效的進(jìn)行側(cè)柏生態(tài)公益林分的撫育和經(jīng)營(yíng),提高防災(zāi)抗災(zāi)的能力,本研究進(jìn)行了山東省側(cè)柏生態(tài)公益林區(qū)域劃分的嘗試。

1 分區(qū)的方法

首先,應(yīng)用ARCGIS地理信息系統(tǒng)將山東省地形地貌、基巖、土壤、氣候和側(cè)柏資源分布狀態(tài)矢量化于山東省縣界地圖之上。在此基礎(chǔ)上,參照降水量、干燥度及其等值線[10]、中國(guó)林業(yè)區(qū)劃線[5]、山東省林業(yè)區(qū)劃線[11]、山東省氣象災(zāi)害區(qū)劃線[12]、山東省土壤區(qū)劃線[13]等。依據(jù)側(cè)柏資源分布的區(qū)域變化特征,經(jīng)繪制這些因素的交集,參照各種區(qū)劃的結(jié)果,首先做出側(cè)柏生態(tài)公益林的初步區(qū)域分類方案。

數(shù)字圖像分析方法是當(dāng)今大地精準(zhǔn)測(cè)量的手段之一,我們應(yīng)用該方法曾研究過銀杏等樹種遭受臺(tái)風(fēng)危害后的偏冠變形特征[14－15],且有希望成為一種便捷可靠的測(cè)樹方法。而且遠(yuǎn)距離的拍攝可以提高調(diào)研的效率,用較少的人力實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)樹的客觀描述,也減少不同觀測(cè)者之間存在的誤差。所謂冠形圖像分析是指應(yīng)用數(shù)字圖像法對(duì)樹冠側(cè)面形狀的研究。操作方法和樣樹選擇參照作者以往公開發(fā)表研究[16]。在冠形調(diào)查研究中,分別各個(gè)分區(qū)進(jìn)行典型側(cè)柏樹冠縱斷面的RGB圖像拍照。除專門研究以外,拍攝以東南、南、西南等陽(yáng)坡的散生林木為主。拍攝地點(diǎn)主要在山東省側(cè)柏主栽區(qū)內(nèi),其中包括歷城、長(zhǎng)清、章丘、平陰、東平、梁山、肥城、寧陽(yáng)、嘉祥、泰安、萊蕪、新泰、沂源、平邑、蒙陰、曲阜、鄒城、泗水、微山、滕州、山亭、棗莊、嶧城、費(fèi)縣、臨沂、五蓮、博山、臨淄、淄川、鄒平、青州、昌樂、沂水、莒縣等縣、市、區(qū)。

為了增加調(diào)查樣地的隨機(jī)性,樣地大多是調(diào)查前在Google地圖上按典型代表性和交通便利等目標(biāo)預(yù)選的地點(diǎn)。遠(yuǎn)距離的樹冠使用長(zhǎng)焦鏡頭拉近后拍攝,為了避免拍攝距離的影響,本研究全部使用同一張圖像不同部位的比值構(gòu)建冠形指數(shù)(CSI),以提高圖像間的可比性。冠形分析是使用Image－tool等圖像處理軟件量測(cè)不同樹冠的形狀指標(biāo),然后計(jì)算反映樹冠形狀的冠形指數(shù)。冠形指數(shù)為樹冠側(cè)面圖像最寬處的寬度與樹冠最寬部位到樹干基部的高度之比值。

側(cè)柏種子的萌發(fā)和幼苗的成活及保存與空氣濕度和土壤水分條件的關(guān)系較為密切[17－18]。一些干旱的陽(yáng)坡側(cè)柏幼苗、幼樹難得一見,而在一些空氣濕潤(rùn)、土壤水分條件優(yōu)越的環(huán)境下側(cè)柏幼苗和幼樹多不勝數(shù)。所以,在側(cè)柏區(qū)域分類和劃分時(shí),林下幼苗、幼樹更新的數(shù)量和質(zhì)量也是非常重要的指標(biāo)之一。因此,用Top定位和1 m2小樣方重復(fù)調(diào)查的方法統(tǒng)計(jì)側(cè)柏幼苗、幼樹數(shù)量。以最密(Top)定位原則[19]選擇萌生苗密度最大的地塊放置1m2樣框,并全面統(tǒng)計(jì)樣框內(nèi)籽苗數(shù),各重復(fù)進(jìn)行5次。

在以側(cè)柏資源分布和自然條件為主線的初步分區(qū)基礎(chǔ)上,計(jì)算各分區(qū)的平均CSI值、平均優(yōu)勢(shì)幼樹高、CSI的標(biāo)準(zhǔn)誤差、CSI的標(biāo)準(zhǔn)差、CSI的極差、平均降水量等參數(shù),并進(jìn)行歐式距離聚類分析。按側(cè)柏生長(zhǎng)和冠形指數(shù)差異最大化的標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)分界方案。其中幼苗和幼樹的分類標(biāo)準(zhǔn)為3年生以下為幼苗、3年以上到直徑小于成熟齡樹木40%者為幼樹。

所用的氣象資料來自于中國(guó)國(guó)家氣象局信息中心的氣象信息服務(wù)網(wǎng)和山東省氣象信息服務(wù)中心,土壤信息、地質(zhì)地貌信息和側(cè)柏資源分布狀態(tài)等信息分別來自于相應(yīng)的文獻(xiàn)資料[11,13]。資料和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析分別應(yīng)用了ARCGIS10.1、Imagetool 3.0、Micro office 2003等軟件系統(tǒng)。

2 山東省側(cè)柏生態(tài)公益林資源分布和立地條件的地域差異

2.1 山東省側(cè)柏資源分布及其地質(zhì)、巖石和土壤特征

圖1是山東省側(cè)柏林分中心點(diǎn)位置[11]的矢量化分布圖和山東省各地海拔高度、主要土壤和巖石類型圖,該圖記載的側(cè)柏林分如今大多已經(jīng)成為中齡以上的林分。鑒于絕大多數(shù)側(cè)柏林分為生態(tài)公益林,作為防護(hù)林種一般情況下相關(guān)法律法規(guī)不允許采伐,所以資源相對(duì)穩(wěn)定,也更加適合側(cè)柏冠形的解析。從圖1a可見,山東省側(cè)柏生態(tài)公益林主要分布在魯中南山地。側(cè)柏因其適應(yīng)能力強(qiáng)、病蟲危害較輕,往往是極端困難立地造林的首選樹種之一。在山東省栽培在沉積巖山地粗骨土立地之上的側(cè)柏林分居多(圖1b)。在石灰?guī)r等沉積巖山地較為集中的濟(jì)南、棗莊、淄博、濰坊等地有集中連片的側(cè)柏生態(tài)公益林分布。在魯東丘陵一般變質(zhì)巖為核心的沙石山集中分布區(qū),臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害發(fā)生相對(duì)頻繁,少有集中成片的側(cè)柏生態(tài)公益林栽培。

山東省地貌結(jié)構(gòu)輪廓清晰、層次分明。西、北兩側(cè)分布著坦蕩的黃河沖積平原,山地丘陵集中分布在中南部和東部地區(qū),與側(cè)柏森林資源形成鮮明的對(duì)照。魯西、魯北平原地區(qū)是楊柳類落葉闊葉樹種適生區(qū)和集中栽培區(qū),除了少量的四旁綠化、沙丘、墓地以外,側(cè)柏成片栽培較為罕見(圖1a)。

圖1 山東省地形(a)、主要巖石類型(b)、主要土壤類型(c)和側(cè)柏林地中心點(diǎn)坐標(biāo)(c)分布圖

魯東丘陵主要由變質(zhì)巖構(gòu)成(圖1b),而且以海拔200－300m的波狀緩丘為主(圖1a),氣候適宜,是溫帶落葉果樹的集中栽培地區(qū)之一。魯中南山地1000m以上的高海拔山地主峰(圖1a)主要有堅(jiān)硬的花崗巖、片麻巖和花崗片麻巖組成(圖1b),如泰山、魯山、沂山、徂徠山、蒙山等,遭受地表剝蝕后常形成松散的沙礫狀物,其中粗粒片麻巖風(fēng)化后結(jié)構(gòu)松弛、宜于流失,俗稱“沙石山地”。海拔500m以下的丘陵常有厚層的石灰性沉積巖覆蓋。而且更多的側(cè)柏生態(tài)公益林栽培在富鈣的灰?guī)r、砂頁(yè)巖山地集中的地域,而在石灰性沉積巖與其它類巖石復(fù)合交錯(cuò)區(qū)域,側(cè)柏生態(tài)公益林呈分散栽培狀態(tài)(圖1b)。

圖1c是以《山東省山地丘陵區(qū)土壤》為藍(lán)本矢量化而來的山東省主要山地土壤分布圖。在側(cè)柏資源分布較為集中的魯中南山地區(qū)域,酸性結(jié)晶巖與富鈣的灰?guī)r、砂頁(yè)巖的相間分布(圖1b)成為該地域棕壤和褐土呈復(fù)區(qū)分布(圖1c)的基礎(chǔ)。而在泰沂山北麓、泰山山脈西側(cè)的余脈殘丘、魯南沂沭河上游的丘陵地區(qū)山頂覆蓋著厚層的石灰?guī)r,分布著適于側(cè)柏生長(zhǎng)的褐土,包括普通褐土、粗骨褐土以及淋溶褐土(圖1c)。側(cè)柏林的立地條件中褐土占側(cè)柏林地的89%。其中,粗骨褐土為數(shù)最多,粗骨褐土成土母質(zhì)為石灰?guī)r和鈣質(zhì)砂頁(yè)巖風(fēng)化后的殘積、坡積物,土層厚度一般小于30cm,并含有大量的母巖碎石,粗骨薄層特征明顯。除生長(zhǎng)有灌木草叢的類型表層有少量的有機(jī)質(zhì)累積外,一般剖面無發(fā)育,薄層土壤之下既為基巖,因土壤中大多有石灰反映,p H值呈中性至微堿性。相比之下,盡管在山東省山地棕壤和粗骨棕壤土上沒有大面積的集中側(cè)柏栽培(圖1c),局部小面積的側(cè)柏林地也時(shí)而可見,占側(cè)柏林地的11%,個(gè)別山地棕壤土地塊上栽培的側(cè)柏生長(zhǎng)優(yōu)良。

2.2 降水量和干燥度特征

作為一種暖溫帶落葉闊葉林區(qū)耐旱群落的側(cè)柏林分,常分布在其它樹種難以生存的環(huán)境中,如裸巖山地、臥牛石淺山地栽培著大面積的側(cè)柏林。然而,正常的水分代謝又是側(cè)柏林存在的基本條件,因此受降水和蒸發(fā)量平衡等氣象因素影響較大,且成為限制側(cè)柏生長(zhǎng)和更新的重要因素。圖2a是依據(jù)山東省120多個(gè)站點(diǎn)常年降水量資料,應(yīng)用反向插值法,繪制的降水量分布圖和600、685和770mm等雨線。圖2b是依據(jù)山東省各地蒸發(fā)量和降水量的比值計(jì)算而來的干燥度及2.4、2.8、3.2干燥度等值線。顯然,魯中南的南部和魯東南局部區(qū)域降水量相對(duì)豐沛、干燥度較小。泰沂山脈北麓的魯西北地區(qū),位于魯中南高山地形地貌的雨影區(qū),降水量偏少,蒸發(fā)量較大,干燥度相對(duì)較大。更加有意義的是降水和干燥度等值線也將側(cè)柏林分整體上分隔為相對(duì)濕潤(rùn)的側(cè)柏林、相對(duì)干旱的側(cè)柏林及其過渡類型區(qū)域。

圖2 山東省降水量(a)、干燥度(b)及其等值線分布圖

2.3 側(cè)柏生長(zhǎng)狀態(tài)和冠形特征

在過密的側(cè)柏林分中,側(cè)柏種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)激烈、個(gè)體分化嚴(yán)重。一些植株嚴(yán)重受壓而彎曲、衰退甚至枯萎。用熱紅外成像儀觀測(cè)而得的正常側(cè)柏林木邊材與心材熱溫差異顯著。而衰弱個(gè)體之邊材與心材之間往往沒有顯著的差異。側(cè)柏林分密度過大,下部枝條容易枯萎使樹冠變小,樹勢(shì)衰退。直接表現(xiàn)為植株的冠形指數(shù)與邊心溫比之間存在顯著的線性反相關(guān)關(guān)系[17]。這顯然與20年前Waring[20](1980)提出的活力指數(shù)相吻合。

此外,側(cè)柏適應(yīng)極端干熱環(huán)境的特點(diǎn)比較特殊,在持續(xù)的干、熱、風(fēng)襲擾下,較為常見的也是始于樹干下部的枝葉枯萎。這種由下而上的枝葉枯萎起源于木質(zhì)部由內(nèi)向外的栓塞[21－23],來自于植物次生生長(zhǎng)和局部衰老[24]的過程。久而久之,使樹冠呈梭形和火炬形。側(cè)柏的樹冠形狀對(duì)環(huán)境較為敏感,相對(duì)濕潤(rùn)的環(huán)境中較為常見的是塔形樹冠,并隨環(huán)境變化呈現(xiàn)明顯的分化。經(jīng)隨機(jī)選點(diǎn)觀測(cè)的陽(yáng)坡或半陽(yáng)坡的側(cè)柏冠形指數(shù)與相應(yīng)地點(diǎn)的降水量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖3a)。也就是說,在降水量較大的地域側(cè)柏遭受干旱等災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小,始于下部枝條的枯萎概率較低,枝葉正常生長(zhǎng)和伸長(zhǎng)。因此,樹冠往往呈塔形,且冠幅相對(duì)較寬。而在降水量較少、干燥度較大的地域,側(cè)柏樹冠常呈梭形、火炬形甚至倒梨形,冠幅較窄。也就是說,側(cè)柏樹冠重心的上移是持續(xù)的水分代謝失衡的結(jié)果,幼樹同樣發(fā)生冠形指數(shù)的變化(圖3b),也是長(zhǎng)期持續(xù)的土壤干旱和大氣濕度的指示性特征。

圖3 側(cè)柏冠形指數(shù)與降水量的相關(guān)性以及不同環(huán)境下的幼樹冠形指數(shù)的比較;a.冠形指數(shù)與降水量的相關(guān)關(guān)系;b.正常側(cè)柏幼樹和遭受移植脅迫后冠形指數(shù)不同;c.普通棕壤土和粗骨棕壤土上栽培的側(cè)柏冠形指數(shù)的差異;d.青石山和沙石山上粗骨土壤條件下栽培的側(cè)柏冠形指數(shù)的差異;e.粗骨褐土地和臥牛石褐土地上栽培的側(cè)柏冠形指數(shù)的差異;f.陰坡溝谷與陽(yáng)坡山脊上栽培的側(cè)柏冠形指數(shù)的差異

盡管如此,在降水量相同的地域因立地條件的差異而側(cè)柏的冠形指數(shù)存在分化現(xiàn)象。據(jù)大量的實(shí)地觀測(cè)表明,在同一座山體范圍內(nèi),相對(duì)于普通的棕壤土上生長(zhǎng)的側(cè)柏而言,栽培在粗骨棕壤立地上的植株之冠形指數(shù)顯著偏小(圖3c,□─□),因?yàn)檫@種立地條件干旱瘠薄、漏水漏肥,土層薄、植被稀疏、水土流失嚴(yán)重,是山地丘陵最瘠薄的土壤類型。甚至可以觀測(cè)到土壤含水量的顯著差異(圖3c,●—●)。若將粗骨土觀測(cè)樣地上側(cè)柏冠形指數(shù)進(jìn)行分類比較時(shí),由石灰性沉積巖山地發(fā)育的褐土上栽培的側(cè)柏冠形指數(shù)比變質(zhì)性砂巖、沙礫巖山地上發(fā)育的棕壤土上栽培的側(cè)柏冠形指數(shù)明顯較大(圖3d)。因?yàn)榇止呛滞临|(zhì)地多為礫質(zhì)中壤土,母質(zhì)中細(xì)粒部分較多,養(yǎng)分狀況及蓄水保肥能力均優(yōu)于粗骨棕壤。在相同的富鈣灰?guī)r、砂頁(yè)巖等沉積巖山地發(fā)育的褐土立地條件下,在臥牛石立地上栽培的側(cè)柏冠形指數(shù)明顯小于在一般粗骨土上栽培的側(cè)柏冠形指數(shù) (圖3e),因?yàn)檫@種立地石芽突起、槽脊縱橫、土壤僅存留于巖石縫隙中。此外,在土壤和空氣濕度相對(duì)較大的陰坡溝谷內(nèi)比陽(yáng)坡山脊上側(cè)柏冠形指數(shù)更大(圖3f)。一些南北走向、窄而長(zhǎng)的山體陽(yáng)坡不明顯或者根本沒有陽(yáng)坡,有利于側(cè)柏的生長(zhǎng)。一些東西走向、同樣窄而長(zhǎng)的山體。陰坡側(cè)柏茂密、陽(yáng)坡巖石裸露的情形頗為多見。以上各種對(duì)比結(jié)果表明,在大氣環(huán)境相近的條件下,局部的立地條件差異,尤其是側(cè)柏根系生長(zhǎng)和水分供給條件的差異,也是導(dǎo)致側(cè)柏冠形差異的重要因素。

盡管側(cè)柏屬于耐性樹種,大多生長(zhǎng)在干旱貧瘠的立地上,而且生長(zhǎng)緩慢、壽命也長(zhǎng),但是這并不意味著側(cè)柏對(duì)土壤和大氣的水分條件不敏感[18]。側(cè)柏之所以能夠忍耐極端干旱瘠薄的環(huán)境,主要在于其特殊的適應(yīng)方式。側(cè)柏始于下部枝葉的枯萎和局部蒸騰表面的縮減,維持了樹體的水分和能量代謝平衡[17],從而避免了整株的枯萎。也就是說,梭形或倒梨形的樹冠是它們適應(yīng)極端干熱環(huán)境的表現(xiàn)形式,是它們成為耐性群落的特殊適應(yīng)特征,也是側(cè)柏林分健康狀況的重要指標(biāo)之一。如前所述,側(cè)柏幼樹活力充沛、生長(zhǎng)旺盛,冠形大多呈塔形。而老齡大樹樹勢(shì)衰弱、生長(zhǎng)緩慢,塔形樹冠為數(shù)較少。

2.4 山東省側(cè)柏生態(tài)公益林自然更新的差異

如前所述,側(cè)柏是喜光樹種,成年大樹耐干旱能力強(qiáng)。幼苗、幼樹喜歡濕潤(rùn)環(huán)境,在干旱山地上難以萌生和存活[19]。因此,側(cè)柏苗木和幼樹常出現(xiàn)在山地的溝谷、坡腳、陰坡等相對(duì)濕潤(rùn)的環(huán)境。一些林地側(cè)柏更新容易,而另一些更新困難。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),更新容易的立地大多土壤含水量較高,而更新較差的立地上土壤含水量較低。同一山體內(nèi)因坡度、坡向和坡位、溝谷和山梁以及匯水面和流失面等分化較大。影響土壤含水量的因素除土壤質(zhì)地、地質(zhì)構(gòu)造以外,補(bǔ)充降水的作用也至關(guān)重要,這種差異在一定程度上與冠形的地域差異有相似的變化趨勢(shì)。一些地區(qū)之所以優(yōu)勢(shì)幼樹高最矮,是因?yàn)樵搮^(qū)側(cè)柏栽培的立地以沙石山為主,且多為粗骨的棕壤性土,干旱貧瘠,少有更新幼苗,即使有苗生長(zhǎng)也欠佳。魯南區(qū)許多側(cè)柏林分幼苗、幼樹連續(xù)不斷,一些幼樹直接成長(zhǎng)進(jìn)入主冠層,并形成復(fù)層的異齡林和優(yōu)化的林分結(jié)構(gòu)(圖4a)。在魯北所見到的為數(shù)不多的此類優(yōu)化結(jié)構(gòu)的林分常位于山地陰坡,在較為干旱的山丘立地環(huán)境中僅出現(xiàn)在溝谷內(nèi)和匯水面(圖4b)。

圖4 典型的側(cè)柏復(fù)層優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)景觀、幼苗保存及其對(duì)應(yīng)的氣象環(huán)境;a.魯南一陽(yáng)坡復(fù)層異齡林;b.魯北一陰坡復(fù)層異齡林;c.魯南徐莊與魯北饃饃山;2014年萌生側(cè)柏苗保存率的對(duì)比;d.魯南徐莊疏林與魯北燕子山密林環(huán)境中最集中萌發(fā)地塊側(cè)柏籽苗保存率的對(duì)比;e.棗莊與濟(jì)南各月降水量常年值對(duì)比;f.棗莊與濟(jì)南1－5月、6－9月、10－12月降水量常年值對(duì)比。

在相對(duì)干旱的魯中南低山丘陵的北部,適宜的年份種子可大量萌發(fā),一些年份在局部地塊萌生籽苗數(shù)量之多甚至超過魯南區(qū)。但是氣候相對(duì)干旱、籽苗的保存率明顯低于魯南區(qū)(圖4c),尤其是在過密林分中,集中而大量萌發(fā)的溝谷和坡腳凹地內(nèi)(圖4d)。就濟(jì)南和山亭相比雨季的8月降雨量相差無幾(圖4e),而旱季的1－5月降水量相差明顯(圖4f)。魯南區(qū)種子成熟落地的9月份降雨量的增多為種子萌發(fā)、籽苗建立和生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的條件。盡管2014年71.2mm的降雨量是濟(jì)南相對(duì)豐沛的9月降水量之一,但與棗莊132.6mm的降雨量相比明顯偏少。顯然,2014年9月下旬到10月初魯南地區(qū)多出的一到兩場(chǎng)中到大雨或許奠定了該地2014年籽苗保存率高的基礎(chǔ)。尤其是在降水量?jī)H是常年的6成左右的2014干旱年份。其實(shí),較為豐沛的降水也是該地淋溶褐土發(fā)育的基礎(chǔ)。當(dāng)溫度保持不變和其他條件類似的情況下,溫帶土壤隨降水量的增加有機(jī)質(zhì)含量增加,土壤陽(yáng)離子交換量增加,土壤鹽基飽和度降低和酸度增加[25－26]。在魯中南低山丘陵的西、北側(cè)能保存下來的籽苗大多位于溝谷兩旁、匯水面、陰坡和坡腳土層較厚的部位。地形通過物質(zhì)和能量的再分配影響土壤環(huán)境條件,由于降水的再分配,山脊的淋洗程度低于坡腳,而坡腳的水分狀況好于山脊,山地陰坡的水分條件一般比陽(yáng)坡更加優(yōu)越[25]。在極端的情況下,陽(yáng)坡巖石裸露少有植被、陰坡側(cè)柏郁郁蔥蔥、生長(zhǎng)旺盛,盡管陰坡和陽(yáng)坡一般情況下土壤類型差別并不大。在林冠下層缺苗、少幼樹的前提下,由于荊條等灌木的大量出現(xiàn),進(jìn)一步限制了側(cè)柏籽苗的萌生和生長(zhǎng)。因此,維持單層純林的概率更大,復(fù)層異齡林較為少見。

3 山東省側(cè)柏生態(tài)公益林區(qū)域劃分及其檢驗(yàn)

在山東省側(cè)柏林區(qū)域分類的過程中,首先依據(jù)側(cè)柏資源分布狀況分為三類,其一是集中成片栽培區(qū),該區(qū)位于《中國(guó)林業(yè)區(qū)劃》的魯中南低山丘陵內(nèi)石灰性沉積巖山地集中分布的地域,即魯中南低山丘陵的南北兩側(cè),約占側(cè)柏林面積的78.0%;其二是分散成片栽培區(qū),位于魯中南低山丘陵區(qū)的中部,約占側(cè)柏林面積的20.3%;其三是零星綠化栽培區(qū),包括魯東丘陵和魯西、魯北平原地區(qū),約占側(cè)柏林資源面積1.7%。魯東丘陵區(qū)基本上與《中國(guó)林業(yè)區(qū)劃》的魯東丘陵區(qū)吻合,而魯西、魯北平原區(qū),除了有孤立殘丘的嘉祥和梁山以外,與《中國(guó)林業(yè)區(qū)劃》內(nèi)華北平原區(qū)的山東部分相吻合。

在側(cè)柏集中成片栽培地區(qū)之中,位于魯中南低山丘陵南側(cè)的魯南低山丘陵與其北部的泰沂山脈北麓的石灰性沉積巖山地集中栽培區(qū)相比降水量最高,平均降水量超過800mm,土壤的淋溶性特征明顯,以及南北兩個(gè)集中栽培區(qū)在地理上的分離,將魯南單獨(dú)分為第I區(qū),即魯南低山丘陵集中栽培區(qū)(簡(jiǎn)稱魯南,I)。在魯中南低山丘陵北側(cè)的側(cè)柏集中栽培區(qū)劃分為第II區(qū),其中,西部多為泰山余脈殘丘,集中分布眾多的石灰?guī)r山地,降水量小(＜650mm),單獨(dú)劃分為一亞區(qū),即魯西泰山余脈殘丘集中栽培亞區(qū)(簡(jiǎn)稱魯西,II－1)。在魯北泰沂山北麓石灰?guī)r山丘集中分布地域,氣候、土壤、植被等受泰魯沂山地的影響較大,溝壑較為集中,有別于上述兩個(gè)分區(qū),因此劃分為另一亞區(qū),即泰沂山北麓集中栽培亞區(qū)(簡(jiǎn)稱魯北,II－2)。

在魯中南山地丘陵的中部石灰性沉積巖山地和變質(zhì)砂巖、沙粒巖山地的交錯(cuò)出現(xiàn)和相應(yīng)的土壤復(fù)區(qū)分布,集中連片的側(cè)柏栽培地域并不多見,而劃分為第III區(qū)。其中,魯沂山東側(cè)低山丘陵地區(qū)自然環(huán)境條件較為復(fù)雜,其地質(zhì)、氣候和土壤類型與膠東丘陵地區(qū)更為接近,與泰沂山西、北兩側(cè)存在明顯的差異,因此單獨(dú)劃分為一亞區(qū),即魯沂山東側(cè)分散栽培亞區(qū)(簡(jiǎn)稱沂東,III－1)。在尼山及其周邊同樣的側(cè)柏非集中連片的栽培地區(qū),由于地理位置接近魯西平原,降水偏少(平均713.9mm),遭受干熱風(fēng)襲擊的幾率偏大,與魯沂山東側(cè)側(cè)柏栽培區(qū)相比遭受臺(tái)風(fēng)襲擊的概率較小,在山東省氣象災(zāi)害區(qū)劃中屬于魯西南災(zāi)害分區(qū),所以單獨(dú)劃分為尼山周邊分散栽培亞區(qū)(簡(jiǎn)稱魯尼,III－2)。在泰沂山脈南側(cè)的泰萊山麓平原周邊的山地丘陵地區(qū),石灰?guī)r山地分布分散,降水量較多,集中連片的側(cè)柏林分也不多見,構(gòu)成另一亞區(qū)的基本條件,即泰徂蒙山地分散栽培亞區(qū) (簡(jiǎn)稱泰徂蒙,III－3)。

在魯東丘陵和魯西、魯北平原側(cè)柏零星栽培區(qū)域,魯東丘陵區(qū)的土壤、氣候和常見氣象災(zāi)害都有別于魯西、魯北平原地區(qū),單獨(dú)劃分為第IV區(qū),即魯東丘陵側(cè)柏零星栽培區(qū)(簡(jiǎn)稱魯東,IV);在魯西、魯北平原地區(qū)地勢(shì)相對(duì)低洼,雨澇災(zāi)害相對(duì)頻繁,也是側(cè)柏生存的限制因素之一,因此劃分為第V區(qū),即魯西、魯北平原區(qū)(簡(jiǎn)稱魯西北,V)。

從生態(tài)環(huán)境的空間異質(zhì)性出發(fā),以上各個(gè)分區(qū)和亞區(qū)整體上存在明顯的差異,尤其是降水量、干燥度以及土壤類型和土壤質(zhì)地的不同,勢(shì)必影響側(cè)柏樹冠生長(zhǎng)和發(fā)育以及健康狀態(tài),其中冠形差異更為明顯。按照研究方法中所述的隨即、便利的選擇標(biāo)準(zhǔn)在側(cè)柏的集中成片栽培區(qū)、分散栽培區(qū)的各亞區(qū)內(nèi)進(jìn)行成熟林木樹冠側(cè)面圖像的拍攝和分析,結(jié)果表明在魯南低山丘陵集中栽培區(qū)、魯西泰沂山余脈殘丘集中栽培區(qū)、泰沂山北麓集中栽培區(qū)、魯沂山東側(cè)分散栽培區(qū)、尼山周邊分散栽培區(qū)、泰徂蒙山地分散栽培區(qū)之間整體上存在顯著差異,詳見表1。最為突出的是魯南低山丘陵集中栽培區(qū)與魯西泰山余脈殘丘集中栽培區(qū)之間差異更加明顯,前者冠形指數(shù)分布在0.86～1.34之間(表1),平均1.07,而后者為分布在0.48～0.94之間,平均0.75。因此,在魯南低山丘陵集中栽培區(qū)經(jīng)?？吹绞撬位蚪扑螛涔凇６隰斘魈┮噬接嗝}殘丘集中栽培區(qū)許多林分內(nèi)梭形和火炬形樹冠居多,尤其是在干熱的陽(yáng)坡環(huán)境下。

表1 山東省側(cè)柏集中和分散栽培區(qū)陽(yáng)坡半陽(yáng)坡側(cè)柏冠形指數(shù)和優(yōu)勢(shì)幼樹高的分布范圍

各分區(qū)之間除了冠形存在差異以外,優(yōu)勢(shì)幼樹的高度也呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)性。在魯南區(qū)許多側(cè)柏林分幼苗、幼樹連續(xù)不斷,一些幼樹直接成長(zhǎng)進(jìn)入主冠層,并形成復(fù)層的異齡林、具有優(yōu)化的林分結(jié)構(gòu)。而在魯西、魯北或魯尼亞區(qū)盡管在適宜的年份種子大量萌發(fā),一些年份在局部地塊萌生籽苗數(shù)量之多甚至超過魯南區(qū),但是氣候相對(duì)干旱、籽苗的保存率明顯低于魯南區(qū),尤其是在過密林分中集中大量萌發(fā)的局部地塊。如前所述,側(cè)柏種子的萌發(fā)于秋季降水有關(guān),在相對(duì)干旱的年份尤為突出。2014年就是較為典型的事例。這年九月初和中旬偏多的降水,為側(cè)柏種子萌發(fā)奠定了基礎(chǔ),而9月下旬的補(bǔ)充降水對(duì)籽苗萌發(fā)和存活至關(guān)重要。這時(shí)降水的時(shí)空異質(zhì)性經(jīng)常是側(cè)柏籽苗分布不均的限制性因素。2014年9月27－30日的降水過程表明,與常年降水分布趨勢(shì)非常相似,山東省東南半壁降水偏多,而西北半壁偏少。其中,與3個(gè)側(cè)柏集中栽培區(qū)相對(duì)應(yīng)的平均降水量呈現(xiàn)出魯北區(qū)明顯偏低的結(jié)果(圖5a),2015年春調(diào)查的該區(qū)側(cè)柏籽苗非常少,許多地點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)新生的籽苗,當(dāng)年籽苗數(shù)的最大值/m2也很小。而魯南、魯西的最大側(cè)柏籽苗數(shù)量/m2幾乎與這次過程降水量的變化趨勢(shì)吻合(圖5b)。

圖5 山東省秋季降水差異、側(cè)柏當(dāng)年出苗量、生態(tài)公益林區(qū)劃圖及聚類檢驗(yàn)結(jié)果;a.2014年9月27－30日降水過程期間山東省各地降水量;b.魯北、魯西和魯南分區(qū)側(cè)柏當(dāng)年籽苗數(shù)量的小樣方調(diào)查數(shù)據(jù);c.山東省側(cè)柏生態(tài)公益林撫育經(jīng)營(yíng)區(qū)域分類圖;d.魯中南山地丘陵各分區(qū)的CSI平均值、CSI標(biāo)準(zhǔn)誤差、CSI區(qū)域、CSI標(biāo)準(zhǔn)差、降水量和優(yōu)勢(shì)幼樹高值的聚類分析;e.魯中南山地丘陵各分區(qū)的CSI標(biāo)準(zhǔn)誤差、CSI區(qū)域、CSI標(biāo)準(zhǔn)差值的聚類分析。

在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用反映側(cè)柏生長(zhǎng)和更新狀態(tài)的平均冠形指數(shù)、優(yōu)勢(shì)幼樹高,反映側(cè)柏冠形差異的冠形指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤和標(biāo)準(zhǔn)差以及冠形指數(shù)的極差和平均降水量等指標(biāo),對(duì)側(cè)柏栽培區(qū)進(jìn)行聚類分析,結(jié)果在平方距離在2200處可以分為三類(圖5d),即冠形指數(shù)最大、冠形指數(shù)分化較小、優(yōu)勢(shì)幼樹樹高最高、降水量最多的魯南低山丘陵集中栽培區(qū)(I);冠形指數(shù)較小、冠形指數(shù)分化也小、優(yōu)勢(shì)幼樹高較矮、降水量最少的魯西(II1)和魯北(II2)集中栽培區(qū);冠形指數(shù)、優(yōu)勢(shì)幼樹高和降水量居中、冠形分化嚴(yán)重的魯中南山地丘陵中部分散栽培區(qū)(III1,III2和III3)。若只使用反映側(cè)柏冠形差異的冠形指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤和標(biāo)準(zhǔn)差以及冠形指數(shù)的極差進(jìn)行聚類分析,結(jié)果可以在平方距離在0.06處分為二類(圖5e),即側(cè)柏冠形指數(shù)分化較小的側(cè)柏集中成片栽培區(qū)(I、II1和II2),占山東省側(cè)柏林分面積的78.0%,以及側(cè)柏冠形指數(shù)分化較大的側(cè)柏分散成片栽培區(qū)(III1,III2和III3),占山東省側(cè)柏林分面積的20.3%。這與前述初步分區(qū)相吻合,也驗(yàn)證了初步分區(qū)結(jié)果的合理性。

4 山東省側(cè)柏生態(tài)公益林的分區(qū)和描述

Ⅰ 魯南低山丘陵集中栽培區(qū)(圖5c,Ⅰ):包括棗莊市中區(qū)、山亭區(qū)、薛城區(qū)、嶧城區(qū)、臺(tái)兒莊區(qū)、臨沂市、蘭陵縣、費(fèi)縣以及滕州市、平邑縣、沂南縣、蒙陰縣和莒縣的局部。

該區(qū)地處魯南低山丘陵區(qū)域,除中、南部有變質(zhì)巖山地以外,以沉積巖丘陵為主,側(cè)柏林地土壤主要有粗骨褐土、淋溶褐土和粗骨棕壤,降水量大多在750～850mm,最高可達(dá)900mm以上,水熱資源豐富,≥10℃積溫在4300～4600℃之間,宜于植被生長(zhǎng)。側(cè)柏生長(zhǎng)較好、冠形重心偏下,冠形指數(shù)范圍0.86～1.34。林地更新苗和幼樹數(shù)量一般較多、生長(zhǎng)較好,占山東省側(cè)柏林分面積的19.8%。

Ⅱ－1 魯西泰山余脈殘丘集中栽培區(qū)(圖5c,Ⅱ1):包括平陰縣、肥城縣、東平縣、汶上縣、嘉祥縣、兗州市、梁山縣以及寧陽(yáng)縣、濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)局部

該區(qū)地處魯西泰山山脈的余脈、殘丘和黃泛平原交錯(cuò)區(qū),以沉積巖殘丘為主,零星鑲嵌著海拔400～500m的中低山,側(cè)柏林地土壤以普通褐土和粗骨褐土為主,≥10℃積溫在4300～4500℃之間,降水量大多在650mm以下,相對(duì)干旱、常有干熱風(fēng)發(fā)生。側(cè)柏栽培集中、資源數(shù)量較多。但側(cè)柏生長(zhǎng)較慢、冠形重心偏上、冠形指數(shù)范圍0.48～0.94。林地更新苗數(shù)量偏少、生長(zhǎng)相對(duì)偏弱,占山東省側(cè)柏林分面積的20.9%。

Ⅱ－2 泰沂山北麓集中栽培區(qū)(圖5c,Ⅱ2):包括濟(jì)南市歷城區(qū)、章丘市、淄博市周村區(qū)、張店區(qū)、淄川區(qū)、博山區(qū)、臨淄區(qū),鄒平縣、青州市以及濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)局部

該區(qū)以石灰?guī)r山地丘陵為主,側(cè)柏林地主要土壤類型是普通褐土和粗骨褐土,≥10℃積溫在4200～4300℃之間,降水量大多在600～700mm,暴雨次數(shù)少或較少,大風(fēng)日數(shù)相對(duì)較少,受臺(tái)風(fēng)影響的幾率較低。入春后回溫很快,濟(jì)南、淄博一帶是山東省內(nèi)的高溫區(qū),熱量條件與魯西南相似。該區(qū)是山東省側(cè)柏最為密集的栽培區(qū),受干旱等環(huán)境條件的影響側(cè)柏生長(zhǎng)相對(duì)較慢、冠形重心偏上、冠形指數(shù)范圍0.59～1.18。林地更新苗數(shù)量偏少、生長(zhǎng)偏弱,占山東省側(cè)柏林分面積的37.4%。

Ⅲ－1 魯沂山東側(cè)分散栽培區(qū)(圖5c,Ⅲ1):包括臨朐縣、昌樂縣、安丘市、沂水縣和維城區(qū)、坊子區(qū)局部

地形從山地到丘陵以及局部剝蝕殘丘,穿插以山麓平原。自然條件復(fù)雜多樣,基巖以中生界白堊系的中酸性巖石為主,伴有前震旦系巖石、第三系巖石以及少量石灰?guī)r余脈殘丘,與魯東丘陵局部區(qū)域相近。側(cè)柏林地土壤以褐土為主和少量棕壤土。降水量大多在650～800mm,暴雨次數(shù)多、強(qiáng)度大,干旱幾率較小,≥10℃積溫在4000～4100℃之間。該區(qū)自然條件較為復(fù)雜,側(cè)柏資源稀少,集中成片栽培并不多見。側(cè)柏生長(zhǎng)分化嚴(yán)重,在土壤濕潤(rùn)的淋溶褐土和深厚棕壤土立地上,生長(zhǎng)優(yōu)良、冠形優(yōu)美,而在粗骨棕壤和褐土立地上生長(zhǎng)和更新欠佳。冠形指數(shù)范圍0.55～1.275,占山東省側(cè)柏林分面積的4.7%。

Ⅲ－2 尼山周邊分散栽培區(qū)(圖5c,Ⅲ2):包括泗水縣、曲阜市、鄒城市以及微山縣、滕州市、平邑縣局部

地勢(shì)為低山丘陵地區(qū),側(cè)柏林地土壤復(fù)雜多樣包括褐土、粗骨褐土、棕壤和粗骨棕壤。降水量大多在650～750mm,平均降水量700mm左右,暴雨次數(shù)少但強(qiáng)度大,大風(fēng)日數(shù)和臺(tái)風(fēng)影響次數(shù)少,≥10℃積溫在4300～4600℃之間。側(cè)柏同樣生長(zhǎng)分化嚴(yán)重,在深厚褐土和棕壤土立地上,生長(zhǎng)優(yōu)良、冠形優(yōu)美,而在粗骨棕壤和褐土立地上生長(zhǎng)和更新欠佳、火炬形樹冠較為常見。冠形指數(shù)范圍0.58～1.55,占山東省側(cè)柏林分面積的5.2%。

Ⅲ－3 泰徂蒙山地分散栽培區(qū)(圖5c,Ⅲ3):包括泰安市區(qū)、萊蕪市、新泰市、沂源縣以及蒙陰縣、寧陽(yáng)縣局部

山東境內(nèi)地勢(shì)最高的山地丘陵地區(qū),山丘之間還有泰萊山麓平原。區(qū)內(nèi)變質(zhì)性花崗巖和石灰性沉積巖山地穿插鑲嵌。側(cè)柏林地以棕壤和褐土交錯(cuò)分布還有少量的淋溶褐土。降水量大多在700～800mm,暴雨多且強(qiáng)度大,≥10℃積溫在4200～4300℃之間。側(cè)柏生長(zhǎng)分化嚴(yán)重,在淋溶褐土和深厚棕壤土立地上,生長(zhǎng)優(yōu)良、冠形優(yōu)美,而在粗骨棕壤和粗骨褐土立地上生長(zhǎng)和更新欠佳、火炬形樹冠較為常見。冠形指數(shù)范圍0.58～1.37,占山東省側(cè)柏林分面積的10.4%。

Ⅳ 魯東丘陵區(qū)(圖5c,Ⅳ):包括煙臺(tái)市、威海市、青島市、日照市大部以及臨沂市的臨沭縣

該區(qū)除嶗山、昆崳山、艾山、大澤山、牙山、羅山以外,以變質(zhì)巖為主體構(gòu)成的渾圓丘陵地為主,俗稱“沙石山”,土壤主要是普通棕壤和粗骨棕壤,海洋性氣候明顯,降水量分布于600～900mm,大多在700～850mm之間,平均暴雨次數(shù)較多,≥10℃積溫在4300℃以下,大風(fēng)日數(shù)相對(duì)較多、受臺(tái)風(fēng)影響的幾率較高。側(cè)柏資源數(shù)量較少,只是有局部、零星的栽培。

Ⅴ 魯西、魯北平原區(qū)(圖5c,Ⅴ):包括菏澤市、聊城市、濱州市、東營(yíng)市全部以及濟(jì)寧市、濟(jì)南市、淄博市和濰坊市局部市、縣

該區(qū)以黃泛沖擊平原為主,主要土壤類型為潮土,典型的大陸性氣候,降水量大多在550～750mm,氣候干旱,平均暴雨次數(shù)在魯西南地域較多,魯西北地區(qū)最少,≥10℃積溫在4200～4700℃之間,大風(fēng)日數(shù)相對(duì)較多、受臺(tái)風(fēng)的影響較小,干熱風(fēng)發(fā)生次數(shù)較多。側(cè)柏資源數(shù)量很少,在局部地勢(shì)較高排水良好的地塊有少量而零星的觀賞性或特種用途的栽培。

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Regionalization of non－commercial plantations ofPlatycladus orientalisin Shandong province

WANG Fei,HOU li qun,GE Zhong qiang,LIU Xing hong,Qu Yong yun
(Shandong Forestry Research Academy,Jinan,China,250014)

Classifying study is one of the important ways for mankind to know the nature.The spatiotemporal heterogeneity of the biological and ecological properties as well as their social utilization made the foundation of forest classification.In some extent,the common regionalization of the crops of agriculture and forestry respond the knowledge of natural resources and their useful values.It is the rational result in developing land.In this study,we studied the regionalization of non－commercial plantationsofPlatycladus orientalisin Shandong Province by typical regeneration investigation and crown shape analysis,on the bases of the studies of distribution of resources ofPlatycladus orientalis,natural environmental characteristics and past comprehensive regionalization in agriculture and forest.It reveals that there is a significantly spatiotemporal difference in resources ofPlatycladus orientalisin Shandong Province and it is necessary to try to make a regionally tending plan for the non－commercial plantationsofPlatycladus orientalis.

Shandong province;Platycladus orientalis;regionalization;crown shape;regeneration

S757.4＋3;S750

A

1002－2724(2016)05－0001－09

2016－08－09

山東省科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012GNC11107);國(guó)家自然科學(xué)基金(31170671)。