林木生长和土壤特性对侧柏人工林生态稳定性的影响

李元忠，马安宝，王克枚，葛忠强，梁 燕，王清华*

(1.济南市历城区国有黑峪林场，山东 济南 250103； 2.山东省林业科学研究院， 山东 济南 250014；3.诸城市林业发展中心，山东 诸城 262299)

侧柏(Platycladus orientalis)是我国北方山区主要造林树种，耐干旱瘠薄能力强，在荒山绿化中发挥了重要的生态作用。 山东省侧柏分布范围广，造林面积大，主要集中在鲁中、鲁中南山地，多为20 世纪60年代营造。 这些长期侧柏人工林密度普遍很大，很少进行间伐、更新等抚育措施，林分密度和郁闭度很高，造成树木生长缓慢和林下植被稀疏，进而导致水土流失严重，生态稳定性大幅降低。 本课题组前期对鲁中山地侧柏人工林生态稳定性进行了评价研究[1]，但没有对其影响因素进行深入探讨。 本文以不同密度的长期侧柏人工林为例，系统研究了林木生长和林地土壤特性对侧柏林生态稳定性的影响，可为山东省侧柏人工林抚育管理和可持续经营提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于山东省济南市历城区国有黑峪林场，跨历城区港沟、彩石2 个街道办事处，南部与西营街道办事处为邻，地处鲁中山地丘陵区。 建于1959年，林地面积540.54 hm2，地理坐标为东经117°01′—117°16′，北纬36°35′—36°38′,该区属于暖温带湿润气候区，年平均气温13 ℃左右，月平均温度最高在7月，平均气温为27.4℃，最低在1月，平均气温在-3.6℃，绝对最高气温42.5℃，绝对最低气温-22.5℃，年平均降水量696.7 mm 左右，年平均相对湿度68%，全年无霜期210 天左右，年平均日照时数2640.2 h，年平均降雪厚度20～30 cm，林场内侧柏人工林占绝对优势，林地土壤类型为褐土[2]。

1.1 样地设置

在黑峪林场选取9 块有代表性的不同密度长期侧柏人工林地作为研究对象，每块样地面积为100～200 m2。 所有林分均于20 世纪60年代初造林，林下灌草主要有荆条 (Vitex negundo var.Heterophylla)、胡枝子 (Lespedeza bicolor)、君迁子(Diospytos lotus)、羊须草(Carex callitrichos)等。对供试林分进行立地因子调查， 主要包括林下盖度、郁闭度、海拔、坡位、坡向、坡度、林分结构等。 样地基本情况见表1。

表1 供试侧柏人工林样地概况

1.2 调查、采样及分析方法

1.2.1 林木生长指标

对9 块样方中侧柏的林木生长状况进行调查，时间为2017年6月。 所调查的生长指标为胸径、树高和冠幅，并根据胸径和树高计算出单株材积。

(1)胸径: 采用胸径尺进行测定，距地面1.3 m，单位为cm。

(2)树高: 采用Vertex VL400 激光测距仪，选用其中的测角功能，分别测定观测者与树梢、标杆(1.3 m)项端、树干底端之间的水平夹角，通过公式计算侧柏树高[3]。 单位为m。

(3)材积: 测定侧柏胸径和树高后，通过下面公式计算侧柏材积[4]：

V = 0.000091972184D1.8639778H0.83156779，

式中V、D 和H 分别为材积(m3)、胸径(cm)和树高(m)。

(4)冠幅: 采用皮卷尺分别测量树冠在地面投影的东西、南北两个方向的直线距离，计算两者平均值作为冠幅，单位为m。

(5)造林密度：分别调查样地中的存活株数、死亡株数和间伐株数。 采用下式计算侧柏人工林的初植密度：

密度(株/hm2)=(存活株数+死亡株数+间伐株数)/ 样地面积(m2)×100

1.2.2 林地土壤采样及分析

在每块样地内随机选点4 个，取样层次为0—20 cm，去除石砾等杂物，混合均匀后用四分法取样带回实验室，自然风干后备测。

本研究选择了16 个土壤理化指标，其中土壤物理特性指标4 个，分别为土壤硬度、土层厚度、容重和孔隙度；土壤化学指标12 个，分别为有机质、阳离子交换量(CEC)、有效氮、有效磷、有效钾以及水溶性钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)。

土壤硬度和土层厚度分别采用硬度计和钢钎直接测定，沿对角线间隔1 m 测定一次，取各点测量结果的平均值。因土壤硬度受含水量影响较大，选择半个月内没有降雨的日期进行测定。容重采用环刀(100 cm3)测定，孔隙度则采用环刀浸水法测定[5]。 土壤有机质测定采用重铬酸钾外加热法；CEC 采用醋酸铵交换法测定；有效氮、磷、钾分别采用碱解扩散法、钼蓝比色法和火焰光度计法测定[6]；水溶性钙Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn 采用1:5 土水比浸提，电感耦合等离子体(ICP)测定。

1.2.3 侧柏人工林生态稳定性

供试侧柏人工林的生态稳定性以稳定性指数表示。 首先采用因子分析法对侧柏林乔木层、土壤和林下灌草层进行综合质量评价，然后计算得出侧柏人工林生态稳定性指数，列于表2，具体方法和计算结果参见文献[1]。

1.3 数据分析

利用WPS 11.1 表格进行数据计算和图表制作，采用Statistica 12.5 软件计算不同指标间的Pearson 相关系数，进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 林分生长对侧柏人工林生态稳定性的影响

调查结果表明，供试侧柏人工林造林时的初植密度较大，平均为3856 株/hm2。 各样地林分的平均胸径和树高范围分别为6.91～16.48 cm 和6.02～10.35 m， 整体长势较差(表2)。 生态稳定性指数最高的为7 号样地，其胸径明显大于其他样地人工林，树高、材积和冠幅也相对较高。为探讨林木生长对生态稳定性的影响，分别将胸径、树高、材积和冠幅这4 个生长指标分别与林分稳定性指数进行相关性分析，同时计算各指标间的相关系数。结果表明，树高、胸径和材积均对林分生态稳定性产生了显著影响作用，呈显著正相关；而冠幅和造林密度对生态稳定性的影响作用不大，未达到显著性水平。 侧柏胸径、树高和材积相互之间的相关性均达到显著水平。 随造林密度增大， 侧柏胸径、树高、材积和冠幅均出现显著下降，生态稳定性也明显降低，但未达到显著性水平。

表2 供试侧柏林的林木生长指标和生态稳定性指数

2.2 土壤特性对侧柏人工林生态稳定性的影响

2.2.1 土壤物理特性

供试侧柏林样地的部分土壤物理指标列于表4。 不同样地间的土壤硬度差异较大， 最高值和最低值分别为37.67 N (样地8)和10.63 N(样地9)，相差近3 倍。 土层厚度界于17.2～59.8 cm 之间， 总体较浅薄，这也是鲁中干旱瘠薄山地存在的普遍现象。 土壤容重平均值为1.13 g/cm3，根据林地土壤质量主要指标的分级标准[7]，处于“较低”水平，而土壤孔隙度平均值(57.45%)处于“较高”水平，表明黑峪林场长期侧柏林地土壤整体上较为疏松，透水透气性较好。

表3 林木生长指标之间以及与生态稳定性指数间的相关系数

表4 供试侧柏林分的土壤物理指标

相关分析结果表明(表5)，这4 个土壤物理指标中，仅有土壤硬度与林分生态稳定性指数之间存在显著性相关。 随着林地土壤硬度增加，林分生态稳定性出现显著性降低。 土层厚度、土壤容重和孔隙度三者之间均存在显著相关性，但对林分生态稳定性均没有明显影响作用。

表5 林地土壤物理指数与稳定性指数之间的相关性

2.2.1 土壤化学特性

(1)有机质、CEC 和有效氮磷钾

土壤有机质含量、CEC 和有效氮、磷、钾含量均是重要的土壤化学指标，很大程度上反映了土壤的肥力状况。 土壤有机质含量和CEC 的平均值分别为74.20 g/kg和32.73 cmol/kg；根据林地土壤质量主要指标的分级标准[7]，均属于“很高”水平；土壤有效氮、有效磷和有效钾平均值分别为50.86 mg/kg、4.27 mg/kg 和136.80 mg/kg，其中有效氮含量为“较低”水平，有效磷为“很低”，而有效钾处于“较高”水平。 分析结果表明，供试侧柏人工林土壤缺磷较为严重，这是由于鲁中山地土壤发育于碱性基岩，含钙量高，可溶性磷容易与钙生成难溶性磷酸盐而被土壤固定，从而降低了移动性和有效性。

表6 侧柏林地土壤的有机质、CEC 和有效氮磷钾含量

相关分析结果表明(表7)，侧柏林地土壤有效氮与有机质、CEC 均具有显著正相关， 有效钾也与CEC 呈显著正相关；有机质、CEC 和有效氮、磷、钾这5 个土壤化学指标均与侧柏林生态稳定性指数呈正相关性，但只有CEC 和有效钾对生态稳定性产生了显著影响作用。

表7 土壤有机质、CEC、有效氮磷钾之间以及与稳定性指数间的相关系数

(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， 虽然植物对其吸收量不及氮、磷、钾等大量元素，但均是植物生长所必需的营养元素。 分析结果表明， 供试侧柏人工林土壤中的水溶性Ca 含量远大于其它中微量元素，其次为水溶性Mg 和S，含量较低的是水溶性Mn 和Cu(表8)。相关分析表明，土壤中的水溶性Ca 和Mg、S 和Zn、Fe 和Cu 之间的相关性达到显著水平；7 种中微量元素中仅有水溶性Cu 含量与侧柏生态稳定性表现出显著性负相关。 从整体上看，林地土壤中的水溶性中微量元素对侧柏林生态稳定性未产生明显影响作用。

表8 侧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间以及与稳定性指数间的相关系数

3 结论

(1)树高、胸径和材积均对侧柏人工林的生态稳定性产生了显著影响，林木生长状况越好，林分的生态稳定性也越高。 随林分密度增大， 侧柏胸径、树高、材积和冠幅均出现显著下降，生态稳定性也明显降低。

(2)随着林地土壤硬度增加，侧柏人工林生态稳定性出现显著降低；土层厚度、土壤容重和孔隙度对生态稳定性均没有明显影响作用。

(3)侧柏人工林土壤有机质、CEC 和有效氮、磷、钾含量增加会有利于林分生态稳定性的增强，但其中只有CEC 和有效钾会对生态稳定性产生显著影响作用。 林地土壤水溶性Cu 含量与侧柏生态稳定性之间表现出显著负相关，但从整体上看，水溶性中微量元素未对侧柏林生态稳定性产生明显影响作用。