干旱瘠薄山地侧柏人工林稳定生态系统构建技术

梁 燕,王 凤，刘鲁滨，吕雷昌，张兰英,张新慰,杜振宇,葛忠强*

（1.山东省林业科学研究院，山东 济南250014； 2.淄博市张店区园林绿化服务中心，山东 淄博2550002；3.济南市北郊国有林场，山东 济南250119； 4.青岛西海岸新区自然资源局，山东 青岛266555）

侧柏（Platycladus orientalis）对气候、土壤条件有较强的适应性，抗逆性强，成为我国荒山造林时的主要造林树种[1]。侧柏人工林是山东省干旱瘠薄山地主要的生态公益林，在涵养水源、防风固沙、减少径流、保持水土、净化空气等方面发挥了重要的生态功能[2]。但目前对侧柏人工林生态效应的研究相对不足，仅有少量报道[1-4]。

课题组在对干旱瘠薄山地侧柏人工林生态稳定性的初步研究中发现，土壤水分、林分密度、郁闭度、坡向、土壤速效钾含量和阳离子交换量等是影响生态稳定性指数的主要因素。其中，林分密度显得尤其重要。目前，山东省山区的侧柏人工林多为50年前营造，林分密度普遍过大，多数已呈现高度郁闭状态，导致树木长势减弱，林下植被稀疏, 生物多样性锐减，难以全面发挥其生态功能，生态稳定性普遍较差。前人研究结果表明，密度调控是人工林抚育的重要措施，适当的密度有利侧柏的生长和材质质量的提高[5-8]。刘启慎等[9]编制了适宜的经营密度表，并提出了一系列改造措施，为侧柏人工林的经营管理提供了理论依据。李春义等[3]对北京山区侧柏人工林抚育间伐的研究结果表明，中、强度抚育有利于植物多样性的提高。王艳等[10]研究发现，林分密度对林木冠幅、活枝下高、冠长和冠长率均具有显著影响。

生态系统稳定性是影响森林持续发挥生态效益的重要因素。侧柏人工林虽然在山东省生态建设中发挥了重要作用，但由于林分密度过大，导致生态稳定性较差，急需采用科学有效的抚育措施，对退化林分进行合理调控，以构建稳定的森林生态系统，这对于确定侧柏林合理经营技术，全面发挥生态效益，促进山东省干旱瘠薄山地生态环境建设具有重要意义。

1 采用修枝、开林窗等措施，合理调整林分郁闭度

在位于济南市历下区的燕子山林场、历城区黑峪林场和位于淄博市博山区的原山林场选择23 块样地，研究了侧柏人工林郁闭度与生态稳定性之间的关系。由图1 可以看出，林分郁闭度与稳定性指数之间表现出明显的二项式曲线关系，郁闭度太高或太低均不利于林分生态系统的稳定。以郁闭度为Y、稳定性指数为X 进行非线性拟合，可得到二项式方程为：Y = 0.533 + 0.977 X - 0.969 X2，R2=0.317。经方差分析（表1），拟合方程达到显著性水平（P<0.05）。当0.8≤X≤1.0 时，侧柏人工林生态稳定性为“高度稳定”[11]，根据方程可计算得知，则Y 的取值范围为0.54～0.69。研究结果表明，对于山地侧柏人工林而言，0.55～0.70 是比较适合的郁闭度。目前，山东省干旱瘠薄山地长期侧柏人工林大多营造于50年前，郁闭度较高，很大程度上给其生态稳定性带来不利影响，应当采用适当措施降低郁闭度，如修枝、开林窗等，使其处于适宜范围（图2）。

图1 侧柏林郁闭度与稳定性指数之间的关系

表1 非线性拟合方差分析结果

图2 燕子山林场对郁闭侧柏人工林进行修枝作业

2 采用间伐措施，降低郁闭人工侧柏林的密度

侧柏林密度是稳定性评价指标集中的一个重要指标。在前述研究中发现林分密度与侧柏林生态稳定性表现为显著负相关[11]。由图3 可以看出，供试的23 个侧柏林分中，5 个生态稳定性为“高度稳定”（稳定性指数S≥0.8）的林分密度均处于1000～3000株/hm2之间，而密度最高的4 个林分，其生态稳定性也相对较差，均为“不稳定”等级（S < 0.4）。

图3 侧柏林密度与稳定性指数之间的关系

依据上述分析结果，为提高山东省郁闭侧柏林生态稳定性，通过间伐降低林分密度是一项可行的抚育技术措施，适宜的密度为1000～3000 株/hm2。

3 高效利用雨水，提高林地土壤含水量

3.1 土壤含水量对侧柏林稳定性的影响

林地土壤水分含量是影响林分生长的重要因素，特别是对于生长在干旱瘠薄山地的侧柏人工林，土壤含水量对其生长和系统稳定显得更为重要。课题组在燕子山林场、黑峪林场和原山林场分别对23 块样地的土壤取样，研究了土壤含水量与侧柏人工林生态稳定性之间的关系。由于3 个试验地点的调查时间并不相同，土壤含水量受气温、降水等因素影响较大，必须保证同一地点的样地是同一天取样测定，这样才能使土壤含水量具有可比性。因此，分别研究比较了同一地点各侧柏林地土壤含水量对侧柏林稳定性的影响。

将同一试验点各样地土壤含水量（Y）与侧柏林稳定性指数（X）进行线性拟合，回归分析结果表明（图4～图6），3 个调查点不同样地的林地土壤含水量与侧柏人工林生态系统稳定性指数之间均呈线性正相关，拟合P 值分别为：0.010 （燕子山林场）、0.034（原山林场）、0.022（黑峪林场），均达到显著性水平（P < 0.05），说明土壤水分可给侧柏林稳定性带来显著影响，适当提高林地土壤含水量可增加林分的生态稳定性。

图4 燕子山林场侧柏人工林稳定性与土壤含水量的关系

图5 原山林场侧柏人工林稳定性与土壤含水量的关系

3.2 通过建造集雨池，高效利用雨水，提高侧柏林生态稳定性

山东省侧柏人工林多营造在干旱瘠薄山坡地带，离水源较远，一般没有采用灌溉措施，林分生长对水分摄取基本全部依靠自然降水。如若采用工程技术在林地附近修建集雨池等水利设施，可在雨季将雨水收集起来，将其在干旱季节应用于侧柏人工林（图7）。通过浇水提高林地土壤含水量，从而促进侧柏生长，改善土壤物理性质，进而提高侧柏林生态系统稳定性。

4 鲁中山地营造侧柏人工林时，选择适宜坡向

将林地坡向进行数字化处理，分别计算出林分的朝北指数和朝东指数[11]。回归分析结果表明，朝东指数与侧柏林稳定性成显著线性关系（图8），也是评价侧柏人工林稳定性的重要指数之一。根据拟合方程计算得知，当侧柏林稳定性达到高度稳定时（S≥0.8 时），朝东指数≥1.356，此时的坡向度（β）介于21°～159°之间。因此，适宜的坡向度范围是：20°≤β≤160°（表2）。结果表明，在鲁中干旱瘠薄山地营造侧柏人工林地，在综合考虑其它立地因子的同时，应优先选择坡向处于北偏东20°与南偏东20°之间的坡地。

图8 侧柏林坡向与稳定性指数之间的关系

表2 坡向度与对应的朝东指数

5 合理施肥，提高土壤阳离子交换量和速效钾含量

相关分析结果表明，林地土壤阳离子交换量和土壤速效钾含量亦是影响侧柏林生态稳定性的显著性因子，均入选干旱瘠薄山地侧柏人工林生态稳定性评价指标集。前人研究表明，施用有机肥可提高土壤阳离子交换量[12-13]。因此，可根据具体侧柏林地的土壤化学性质，施用适量的有机肥料和速效钾肥。有机肥料可选用腐熟后的畜禽粪、桔杆沤肥、腐殖酸肥，等； 钾肥可选用氯化钾、硫酸钾、含钾量较高的复合肥，等。

6 结语

侧柏人工林在山东省生态建设中发挥了重要作用，但目前多数长期林分由于密度大、郁闭度高，导致生态稳定性较差，急需采用科学有效的抚育措施进行合理调控，以构建稳定的森林生态系统。本课题组在针对干旱瘠薄山地侧柏人工林生态稳定性的研究中发现，土壤水分、林分密度、郁闭度、坡向、土壤速效钾含量和阳离子交换量等因子对侧柏林生态稳定性指数具有显著影响作用。因此，综合提出了间伐、修枝、建造集雨池、选择适宜坡向、合理施肥等多项措施作为侧柏人工林稳定生态系统构建技术，主要措施已在燕子山林场等试验基地进行了推广应用。