劉 林,于博威,王小平,薛麗萍,韓國忠

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持科學(xué)研究所,山西 太原 030013; 2.山西省水土保持科學(xué)研究所,山西 太原 030013;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081;4.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)

在干旱半干旱黃土丘陵溝壑區(qū),降水是植被維持生長的主要水分來源。由于該地區(qū)降水較少且分布不均,因此水分條件極大地限制著人工林的生長,嚴(yán)重影響林木成活率和成材率[1]。刺槐(Robiniapseudoacacia)作為生態(tài)修復(fù)的先鋒樹種,自20世紀(jì)50年代以來,在黃土高原累計(jì)種植面積超過2 310 km2,占全國的20%以上。作為高耗水樹種,刺槐的生長特征是影響土壤水分時空變異的主要因素之一[2]。首先,刺槐林通過林冠層截留雨水、根系吸水、蒸散發(fā)等活動直接影響水分的再分配過程;其次,刺槐林通過改變土壤性質(zhì)間接影響土壤結(jié)構(gòu)、田間持水量、萎蔫系數(shù)等與土壤含水量相關(guān)的參數(shù),最終影響土壤含水量的時空分布規(guī)律。因此,開展刺槐林生長特征空間分布的調(diào)查,是分析土壤含水量時空變異及其關(guān)系的基礎(chǔ)。

本研究以晉西黃土丘陵溝壑區(qū)典型人工刺槐林為研究對象,通過設(shè)置不同林齡樣地調(diào)查刺槐林主要生長特征,并估算刺槐林生物量,以探討不同林齡刺槐林在不同地形條件下的主要生長特征和生物量的空間分布特征及差異性,為黃土丘陵溝壑區(qū)人工刺槐林營造工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于典型黃土丘陵溝壑區(qū)的山西省石樓縣的退耕還林試驗(yàn)區(qū)(36°56′N、110°46′E),地形破碎,溝壑縱橫,水土流失嚴(yán)重。研究區(qū)屬于半干旱溫帶大陸性氣候區(qū),80%以上的降雨集中在5—9月。為改善生態(tài)環(huán)境,香港力行植林慈善基金會于2006年起在研究區(qū)開展人工造林活動,截至2022年累計(jì)種植人工林面積超150 hm2,苗木成活率在70%以上,主要樹種為刺槐[3-4]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取

依據(jù)研究區(qū)不同林齡刺槐林樣地的面積,設(shè)置刺槐林調(diào)查樣方大小為10 m×10 m。在不同林齡、不同立地條件的人工刺槐林樣地共設(shè)置固定樣方29個,其中林齡為4、8、12、16 a的刺槐林樣地分別有樣方3、8、8、10個。調(diào)查的刺槐生長指標(biāo)主要包括樹高和胸徑。樹高采用測距儀進(jìn)行觀測,胸徑采用胸徑尺進(jìn)行觀測。調(diào)查時間分別是在2022年生長季前期(5月)和末期(9月)各1次。

為利用刺槐樹高和胸徑數(shù)據(jù)估算刺槐生物量,2020年9月在研究區(qū)采集刺槐枯木28株,分別測量刺槐枯木的樹高、胸徑,并伐倒稱其干質(zhì)量,確定了單株生物量與胸徑或樹高(或者二者)間的回歸關(guān)系。利用確定的回歸關(guān)系和所有樹木的實(shí)測胸徑或樹高,可推算樣地的生物量[5-6]。本研究區(qū)刺槐單株生物量的估算式為

W=1.858 2(D2H)0.352 7(R2=0.852 9,p<0.001)

(1)

式中:W為單株生物量,單位kg;H為樹高,單位m;D為胸徑,單位cm。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

研究區(qū)刺槐林雖是按照相同密度種植的,但成活率等因素會導(dǎo)致各樣方密度有所差異,為方便比較不同林齡、不同地形條件下刺槐林樹高、胸徑、生物量的差異性,對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行密度標(biāo)準(zhǔn)化。利用單因素方差分析方法(One-way analysis of variance,ANOVA)和最小顯著性差異法(Least significant difference,LSD),分析比較不同林齡、不同地形條件下刺槐主要生長特征和生物量平均值的差異性,顯著性水平取0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 不同林齡刺槐林生長特征

圖1顯示了不同林齡刺槐林樹高和胸徑分布特征,可以看出,16 a、12 a刺槐林樹高和胸徑顯著高于8 a和4 a刺槐林,但16 a與12 a刺槐林樹高和胸徑差異不顯著。由圖1(a)可以看出,4 a到8 a刺槐林樹高年均增長0.34 m,8 a到12 a刺槐林樹高年均增長0.12 m,12 a到16 a刺槐林樹高年均增長0.08 m,這表明隨著林齡的增加,刺槐林樹高會顯著增高,但年均增長速度會逐漸變得緩慢。由圖1(b)可以看出,4 a到8 a刺槐林胸徑年均增長0.41 cm,8 a到12 a刺槐林胸徑年均增長0.19 cm,12 a到16 a刺槐林胸徑年均增長0.11 cm,這表明隨著林齡的增加,刺槐林胸徑顯著增長,同時年均增長速度下降明顯。

圖1 不同林齡刺槐林生長特征

2.2 地形條件對刺槐林生長特征的影響

分別從坡度、坡位和坡向分析地形條件對刺槐林生長特征的影響。從表1可知,同一林齡的陰坡刺槐林樹高是陽坡刺槐林的1.17～1.27倍,差異性顯著且隨著林齡增長愈發(fā)明顯;在同一坡向,不同林齡刺槐林樹高也呈顯著差異,林齡16 a和12 a的刺槐林樹高顯著高于林齡8 a和4 a的刺槐林。同一林齡的刺槐林在不同坡位上樹高也存在差異,其中林齡4 a的刺槐林下坡位樹高顯著高于中坡位和上坡位,林齡8 a、12 a和16 a的刺槐林中坡位和下坡位樹高顯著高于上坡位;同一坡位上,刺槐林樹高隨著林齡呈顯著增加趨勢。對比坡面和水平梯田,發(fā)現(xiàn)同一林齡的刺槐林在水平梯田上的樹高顯著高于坡面上的,并且隨著林齡的增加,樹高差距愈發(fā)明顯,水平梯田上的刺槐林生長速度更快。

表1 不同地形條件下刺槐林樹高分布特征

表2顯示,同一林齡陰坡刺槐林胸徑顯著大于陽坡刺槐林,兩者胸徑的平均差呈先增后減的趨勢,其中在林齡8 a時達(dá)到最大;在同一坡向上,刺槐林胸徑整體隨林齡增加而增大,陽坡各林齡間均存在顯著差異,陰坡12 a和16 a之間無顯著差異。同一林齡的刺槐林在不同坡位上胸徑也存在差異,其中4 a、8 a、12 a刺槐林胸徑在不同坡位上均存在顯著差異,且下坡位>中坡位>上坡位,16 a刺槐林下、中坡位胸徑顯著高上坡位,而下、中坡位間無顯著差異;同一坡位上,刺槐林胸徑隨著林齡的增加而顯著增長。同一林齡的刺槐林在水平梯田上的胸徑要顯著大于坡面上的,并且水平梯田上的刺槐林隨著林齡增加胸徑增長速度更快。

表2 不同地形條件下刺槐林胸徑分布特征

2.3 刺槐林生物量特征

從圖2可以看出,不同林齡刺槐林的生物量差異顯著。16 a刺槐林生物量顯著高于12 a、8 a和4 a刺槐林,平均分別高出2.26、5.85和12.72 kg。4 a至8 a刺槐林生物量平均增長速度為1.72 kg/a,8 a至12 a刺槐林生物量平均增長速度為0.90 kg/a,12 a至16 a刺槐林生物量平均增長速度為0.57 kg/a。由此表明,刺槐林生物量與林齡有關(guān),且隨著林齡的增加,生物量增長明顯,但年均增長速度呈下降趨勢。

圖2 不同林齡刺槐林生物量特征

根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析可以看出,地形條件也是影響刺槐林生物量的重要因素。同一林齡陰坡的刺槐林平均生物量為陽坡的1.32～1.73倍,同一坡向條件下隨林齡的增加刺槐林生物量增長明顯。同一林齡刺槐林生物量在上、中、下坡位差異顯著,其中4 a、8 a和12 a刺槐林的生物量在不同坡位間均存在顯著差異,且下坡位>中坡位>上坡位,16 a刺槐林的下坡位與中坡位生物量無顯著差異,但二者均顯著高于上坡位;同一坡位上,隨著林齡增加,刺槐林生物量也顯著提高。同一林齡的刺槐林在水平梯田上的生物量遠(yuǎn)高于坡面上的,并且隨林齡增加,水平梯田上刺槐林生物量增長更快。

表3 不同地形條件下刺槐林生物量特征

3 結(jié)論

1)人工刺槐林樹高、胸徑和生物量的分布與林齡有關(guān)。隨著林齡的增加,樹高、胸徑和生物量均有明顯的增長,但年均增長速度呈下降趨勢。

2)坡向顯著影響人工刺槐林樹高、胸徑和生物量的增長(p<0.05)。陰坡比陽坡更有利于促進(jìn)刺槐林樹高、胸徑與生物量的增長。

3)相同林齡的人工刺槐林在中、下坡位的樹高、胸徑和生物量整體優(yōu)于上坡位。中、下坡位的刺槐林隨著林齡的增長,林木樹高、胸徑和生物量之間的差異性減小,坡位對刺槐林生長特征的影響程度呈下降趨勢。

4 討論

不同的地形條件對刺槐人工林的生長特征和生物量有重要的影響,主要原因是刺槐作為耗水量大的樹種,土壤水分是其生長的主要限制因素,而地形條件會對土壤水分含量產(chǎn)生直接的影響[7]。在坡向上,陽坡光照時間長,獲取的太陽輻射量要遠(yuǎn)大于陰坡,地表蒸發(fā)作用強(qiáng),加之林木的蒸騰活動,使得陽坡土壤水分含量低于陰坡,從而影響刺槐林的生長;在坡位上,上坡位受太陽輻射、風(fēng)力作用強(qiáng),造成大量的土壤水分流失,而中、下坡位相對光照時間短、溫度低、風(fēng)力影響小,另外中、下坡位土壤不僅可接受降雨的水分,還有上坡位流失的水分作為補(bǔ)給,土壤水分含量要顯著高于上坡位[8],因此林木生長優(yōu)于上坡位;在坡度上,水平梯田具有保土、保水、保肥的作用,林木生長環(huán)境要明顯優(yōu)于坡面。

4)坡度同樣顯著影響人工刺槐林樹高、胸徑和生物量的增長(p<0.05)。梯田上的人工刺槐林樹高、胸徑和生物量明顯高于坡面上的,且隨著林齡增加,梯田上的刺槐林生長量增加更為明顯。