沙地樟子松人工林衰退原因分析

沙地樟子松人工林衰退原因分析

1人工固沙林的選擇、引種、造林樟腦松，俗稱東北海拉松，是松科malta的雙維管束松科aee。它來自中國大興安嶺和呼倫貝爾草原的紅色金潮沙地。它具有抗寒性、抗旱性和速食性等特點。是我國北方半干旱沙地的主要樹種，形成了抗風(fēng)、防沙林、農(nóng)業(yè)防護(hù)林、水土保持林和木材。其樹干通直,材質(zhì)良好,防風(fēng)固沙作用顯著,用途廣泛。尤其自20世紀(jì)50年代在遼寧省彰武縣章古臺(42°43′N,122°22′E)人工引種用于固沙造林試驗成功以來,人工造林發(fā)展很快,遼寧、內(nèi)蒙、陜西、甘肅和新疆等三北(華北、東北、西北)13個省(自治區(qū))300多個縣(旗)先后引種栽培取得了成功,并進(jìn)行了相應(yīng)的引種造林和抗性試驗研究。但自20世紀(jì)90年代以來,沙地樟子松人工固沙林出現(xiàn)了不同程度的衰退現(xiàn)象(葉枝變黃,進(jìn)而全樹枯死);更為嚴(yán)重的是目前我國沙地樟子松人工造林仍在北方干旱、半干旱地區(qū)大面積推廣。本文重點介紹樟子松群體的天然分布及沙地樟子松的引種栽培研究現(xiàn)狀,以期為該樹種的引種及相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù)。2沙地樟子松天然林分布現(xiàn)狀樟子松是歐洲赤松(Pinussylvestris)分布至遠(yuǎn)東的一個地理變種,天然分布于我國大興安嶺和呼倫貝爾沙地草原,蘇聯(lián)、蒙古也有分布(46°30′~53°59′N,118°00′~130°08′E),垂直分布于海拔600~2000m。趙興梁等根據(jù)樟子松的分布生境、樹干和冠形等特點將其分為2個生態(tài)型:山地樟子松和沙地樟子松。山地樟子松林分布于俄羅斯西伯利亞和我國大興安嶺,尤其集中分布呼瑪河以北,在呼瑪河以南呈星散狀分布在較陡的陽坡或半陽坡上;沙地樟子松林主要集中分布在呼倫貝爾高原東部、海拉爾河中游及支流伊敏河、輝河流域河哈拉哈河上游一帶的固定沙丘上,地理范圍在47°~49°N,119°~120°E,形成了長約200km,寬在14~20km的沙地樟子松天然林帶。在沙地樟子松天然分布區(qū)內(nèi),其分布是斷續(xù)的,較完整的有3塊:嵯崗至完工一段,海拉爾西山、北山一片和紅花爾基至哈拉哈河一段。嵯崗至完工一段河岸沙丘的樟子松林帶長約13~14km、寬約2km,間斷分布,林分稀疏,具有小塊叢林的景象,大部分為單株或數(shù)株疏生。由于放牧及人類活動頻繁,林下沙土已裸露,有的已變成流動沙丘,但是更新情況較好,幼樹群在大樹周圍隨處可見,在水分較好的低地、沙丘的陰坡,幼樹成叢著生,更新旺盛。海拉爾市西山和北山上的樟子松林在20世紀(jì)初還較茂盛,林相比較整齊,后來由于人為破壞,林分漸稀。紅花爾基以南的樟子松林帶是3片中最大的一片,最有代表性,常形成純林為主的森林群落,這片林帶長約150km、寬10~20km,由東北向西南間斷分布,直至中蒙邊界的哈拉哈河附近。它由無數(shù)的團(tuán)狀和窄帶狀叢林所構(gòu)成,其間為較寬闊平坦的草原植被所分隔,呈一種明顯的森林草原景觀。3固沙造林工作樟子松首次人工栽植成林要屬黑龍江省黑河市愛輝鎮(zhèn)(49°30′N,126°5′E)附近。在清朝的某一戶人家的墓地周圍栽植了一片樟子松林,這應(yīng)算是樟子松引種成功的首例。20世紀(jì)50年代中國科學(xué)院林業(yè)土壤研究所(現(xiàn)為中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)與遼寧省章古臺固沙造林試驗站(現(xiàn)為遼寧省固沙造林研究所)的科研人員一起,在科爾沁沙地東南緣的遼寧省彰武縣章古臺開展了固沙造林研究工作,并取得了成效,為半干旱沙地類型的地區(qū)引種樟子松提供了依據(jù)。近50年以來,我國非常重視沙地造林工程建設(shè),特別是1978年“三北”防護(hù)林體系建設(shè)以來,推動了沙地樟子松引種、造林工作;據(jù)統(tǒng)計,到1995年為止,樟子松人工林面積已達(dá)4.0×106hm2,其中,較早引種的有遼寧、吉林、黑龍江三省。樟子松現(xiàn)已成為我國三北防護(hù)林工程和防沙治沙工程的主要喬木造林樹種之一。3.1種子萌發(fā)與生態(tài)因子聚類關(guān)系種源是指在種內(nèi)由于特殊生境作用,經(jīng)過長期選擇形成一個比較穩(wěn)定的亞群體。不同的種源,由于其生境的不同,品質(zhì)間會有很大差異。樟子松的種源試驗是20世紀(jì)70年代末和80年代初開始的,其目的之一是為各造林地區(qū)選擇生產(chǎn)力高、適應(yīng)性強(qiáng)的最佳種源。20世紀(jì)90年代的一系列種源試驗研究表明[4,11,12,13,14,16,23,24,32,34,36,46],各地種子及其幼苗形狀存在顯著差異,種子的大小、重量與經(jīng)緯度呈極顯著的負(fù)相關(guān),從西南到東北,種子有越來越小越輕的變化趨勢,即種子大小輕重呈緯向經(jīng)向雙重變異;種子萌發(fā)能力與緯度呈極顯著的正相關(guān),高緯度地區(qū)種子萌發(fā)的適應(yīng)能力高;根系長度與經(jīng)度呈顯著的負(fù)相關(guān);各地生態(tài)因子聚類與種子及其幼苗形狀聚類基本吻合,并初步將樟子松的種源劃分為:大興安嶺北部種源區(qū),包括漠河(53°29′N,122°21′E)、圖強(qiáng)(53°20′N,122°50′E)、塔河(52°19′N,124°23′E)、金山(52°7′N,126°29′E);呼盟高原干旱種源區(qū),包括紅花爾基(48°16′N,120°01′E)、阿爾山(47°10′N,119°57′E)、罕達(dá)蓋(47°31′N,119°25′E);小興安嶺種源區(qū),即卡倫山(50°15′N,127°17′E)。劉桂豐等在20世紀(jì)90年代初分析的基礎(chǔ)上,再一次對東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場的17年生樟子松種源試驗林進(jìn)行了調(diào)查分析,結(jié)果驗證了其1991年種源區(qū)劃的合理性,并確定帽兒山(45°20′N,127°22′E)及其毗鄰地區(qū)的最佳種源(產(chǎn)地)為高峰(49°10′N,125°14′E)、卡倫山和紅花爾基種源。另外,劉桂豐等還認(rèn)為高峰和章古臺是產(chǎn)地而不是種源,因為高峰的造林用種子來自金山,而章古臺造林用種子來自紅花爾基。同時還指出,歐洲赤松共分5個亞種,其中庫侖達(dá)亞種(Pinussylvestrissubsp.kulundensis),尤其是赤塔區(qū)阿穆爾河流域的帶狀歐洲赤松庫侖達(dá)亞種林可能是我國呼倫貝爾沙地樟子松的祖先。3.2樟子松種子的質(zhì)量和遺傳特性3.2.1各無性系間種子產(chǎn)量及與種子關(guān)系樟子松是雌雄同株異花授粉的常綠喬木樹種,但是林分內(nèi)個體之間存在著明顯的偏雌、偏雄現(xiàn)象,從而使結(jié)實量變異性十分明顯。研究表明,林內(nèi)的結(jié)實量與偏雌株的多少直接相關(guān);偏雌的母樹結(jié)實量高、結(jié)實層厚、結(jié)實枝多、主桿節(jié)間距大。劉錄等認(rèn)為,對球果、種子進(jìn)行優(yōu)劣判別時,不能以大小而決定取舍;各無性系結(jié)實量的多少主要受單個球果重、球果數(shù)、出種率及千粒重等因子的制約。不同無性系間的千粒重、發(fā)芽率及發(fā)芽勢相差較大;在留優(yōu)去劣、淘汰不良無性系時,應(yīng)根據(jù)對種子品質(zhì)測定的結(jié)果,全面、綜合地加以衡量考慮。徐樹堂對章古臺樟子松種子園21個無性系主要性狀、開花習(xí)性及產(chǎn)種量進(jìn)行的調(diào)查分析結(jié)果表明,各無性系間種子產(chǎn)量有明顯差異,樹高、胸徑、冠幅與產(chǎn)種量間相關(guān)極顯著。同時該研究還指出降雨量大、低溫、高濕影響花粉正常飛散,進(jìn)而影響無性系出種率及種子產(chǎn)量。許廣岐等認(rèn)為,疏伐可有效的促進(jìn)母樹林的開花結(jié)實,疏伐強(qiáng)度與母樹林單位面積產(chǎn)種量密切相關(guān),疏伐促進(jìn)林木結(jié)實的主要原因是疏伐改變了林內(nèi)的光照、地面溫度等氣象因子。劉恩海等研究指出,樟子松是一個變異水平較高的樹種,不僅冠型、干型、皮包型、分枝角、側(cè)枝粗度普遍存在變異,而且球果大小、顏色和球果表面鱗盾形狀以及種子的顏色、大小也發(fā)生變異。在同一林分中,千粒重重的種子空粒率低、出種率高,其綜合指數(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過千粒重輕的種子品質(zhì);而且種子顏色與種子品質(zhì)也有關(guān),從出種率、空粒率、千粒重3個指標(biāo)的綜合指數(shù)值而言,紅花爾基地區(qū)以黑色種子品質(zhì)最好,棕色第二,褐色第三;同時還指出,同一林分不同母樹之間球果的個體差異非常顯著,球果的長、寬、重量相差懸殊,同一母樹球果的形狀、顏色和大小是相對穩(wěn)定的。不同年度母樹的結(jié)實發(fā)生周期性變化,不僅表現(xiàn)單株結(jié)實量的豐歉變化,而且種子品質(zhì)也與豐歉年密切相關(guān),豐年球果產(chǎn)量高,種子品質(zhì)好。龐志慧等認(rèn)為,樟子松最佳種源(產(chǎn)地)為章古臺、紅花爾基和罕達(dá)蓋。徐樹堂等對樟子松14個種源(產(chǎn)地)[高峰、錯海(47°23′N,123°55′E)、青山(45°16′N,130°16′E)、石河(45°50′N,127°21′E)、凈月潭(43°52′N,125°51′E)、章古臺、卡倫山、遜克(49°35′N,128°27′E)、十八站(52°25′N,125°16′E)、塔河、呼瑪(51°43′N,126°39′E)、西林吉(52°28′N,122°22′E)、嵯崗(49°05′N,118°07′E)、紅花爾基]試驗研究表明,不同種源(產(chǎn)地)種子造林的成活率、幼樹保存率及抗蟲性不同;凈月潭、章古臺種源造林成活率、幼樹保存率較高;抗蟲性以章古臺和青山最強(qiáng)。3.2.2不同種源間的生長和分布差異樟子松種子及其幼苗性狀的地理變異規(guī)律研究是種源試驗研究的組成部分,多數(shù)研究表明,樟子松地理種源間的遺傳變異十分明顯[5,13,16,22,26,34,36,38,39,47]。龐志慧等認(rèn)為樟子松在主要性狀上差異顯著或極顯著,苗期和造林后的高生長大多呈緊密相關(guān),苗期生長好的種源,造林后也較好;生長量與緯度呈顯著負(fù)相關(guān),與年均溫度呈顯著正相關(guān),偏相關(guān)分析也證明了這一變異規(guī)律。劉永紅等對樟子松在五臺(39°09′N,108°55′E)、寧東(33°25′N,108°36′E)、太白(34°04′N,107°19′E)三個地點的苗期和幼林期的生長性狀進(jìn)行分析,所得結(jié)論與上述結(jié)論基本一致。解奇明等運用同工酶-電泳技術(shù)對樟子松天然群體的遺傳結(jié)構(gòu)的研究表明,樟子松群體具有較高的變異水平,樟子松群體內(nèi)分化程度較大,群體間分化較小。并且指出漠河群體、十八站群體、高峰群體與紅花爾基群體間的遺傳分化明顯。劉桂豐等研究表明,不同種源(產(chǎn)地)間胸徑、樹高、材積的差異極顯著;干形、分枝夾角的差異不明顯。高峰、卡倫山、紅花爾基種源(產(chǎn)地)的生長量最大,而分布于呼倫貝爾沙地的罕達(dá)蓋、阿爾山種源的生長量較小,種源選擇十分有效。地理變異呈緯度單向、負(fù)向漸變的趨勢,經(jīng)度則呈隨機(jī)的變異規(guī)律,即山地樟子松分布區(qū)(大興安嶺)東部偏南的種源生長量較大,靠近分布區(qū)西北的種源生長量較小;沙地樟子松分布區(qū)(呼倫貝爾沙地草原)北部的高緯度、低海拔種源生長量較大,靠近分布區(qū)南部的低緯度、高海拔的種源,生長量較小。并指出影響種源間變異的主要因子是光照、溫度、濕度和無霜期。李愛平等在內(nèi)蒙古呼和浩特市郊區(qū)黃合少林場(40°36′N,112°E)對樟子松種源(產(chǎn)地)二年生苗期性狀進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)果表明,各個性狀(苗高、地徑、針葉長、針葉密度、根系長、莖根比、保存率)種源(產(chǎn)地)間均存在顯著差異。劉桂豐等認(rèn)為,各種源(產(chǎn)地)幼苗的根系長度與經(jīng)度呈顯著負(fù)相關(guān),即與降水量呈負(fù)相關(guān),莖根比與降水量呈顯著正相關(guān)。在樟子松自然分布區(qū)內(nèi),存在著多種遺傳差異,這種差異經(jīng)內(nèi)蒙古中西部干旱風(fēng)沙區(qū)表現(xiàn)得尤為突出。因此,在不同的生長環(huán)境條件下,選擇適宜的樟子松種源(產(chǎn)地)就顯得更加重要了。在樟子松引種栽培過程中,人工林存在有選優(yōu)、馴化栽培等過程,可提高種源優(yōu)良特性及其遺傳穩(wěn)定性,人工林種源有很大的發(fā)展前途。但是目前的種源試驗研究都是基于1~6年生左右的幼苗生長情況得出的結(jié)論,由于樹木尚處在幼齡階段,研究結(jié)果僅可為今后相關(guān)地區(qū)篩選出更適宜的最佳種源提供參考。近年來由于大氣干旱,樹勢衰老,有些種源(產(chǎn)地)部分林分已出現(xiàn)逐漸衰亡的跡象,而且目前我國樟子松人工林仍在北方干旱、半干旱地區(qū)大面積推廣,所用種源有很大一部分是來自這些已經(jīng)出現(xiàn)衰退現(xiàn)象的種源地(產(chǎn)地),以衰退人工林種源(產(chǎn)地)發(fā)展的二代、三代林分是否有問題,這種衰退是否也具有遺傳特性,以及如何培養(yǎng)出抗病蟲性強(qiáng)的優(yōu)良品系,更新樟子松人工林等,已成為當(dāng)前和今后樟子松種源試驗研究的重要課題。3.3引種區(qū)氣候、降水量的影響樟子松在自然分布區(qū)內(nèi)存在著豐富的變異,影響山地樟子松變異的主要氣候因子是日照時數(shù)和蒸發(fā)量,而影響沙地樟子松變異的主要氣候因子則是水分和熱量。山地樟子松和沙地樟子松的地理變異都與緯度呈隨機(jī)變化。由于樟子松分布區(qū)環(huán)境條件的影響,導(dǎo)致樟子松分布的不連續(xù)性,進(jìn)而引起了其變異的多樣性。因此,樟子松引種應(yīng)以種源試驗的結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行選擇。劉桂豐等認(rèn)為東北的大部分地區(qū)可采用高峰、卡倫山、金山種源的種子;大、小興安嶺過渡帶-黑龍江沿岸種源區(qū)是優(yōu)良基因資源富集區(qū),除大興安嶺西北部以外,東北地區(qū)均可以采用大、小興安嶺過渡帶-黑龍江沿岸種源區(qū)的種子;在三北干旱和半干旱地區(qū),樟子松引種應(yīng)以紅花爾基的沙地種源為主;對于水分條件較好的地區(qū),采用黑龍江南岸黑河市附近的卡倫山種源。根據(jù)氣候生態(tài)特征,樟子松引種區(qū)域可劃分為容易引種的氣候生態(tài)區(qū)、適宜引種的氣候生態(tài)區(qū)和難于引種的氣候生態(tài)區(qū)。隨著年平均降水量的減少,年平均蒸發(fā)量的增加,即年平均蒸發(fā)量與年均降水量之比值的增大,引種樟子松的難度也越來越大。樟子松引種到三北地區(qū),降水量將成為其在全區(qū)大面積引種的限制因子。一般地說,在降水量不足250(有時300)mm,蒸發(fā)量與降水量比值較高(一般在10以上)的半荒漠和荒漠地帶,在沒有灌溉的條件下,不宜引種樟子松。在半干旱的草原地帶,降水量一般在300~500mm,存在著引種樟子松的潛力,但也存在著自東向西引種難度逐漸增大的趨勢。在草原沙地上,栽植樟子松前的人工固定流沙和栽植初期的適當(dāng)灌溉,無疑對樟子松的成活和以后的穩(wěn)定生長是有好處的。在森林草原帶,引種樟子松成功的可能性最大。3.4樟子松在沙地生長和生長中的作用適應(yīng)是生物對環(huán)境變化所做的調(diào)節(jié),適應(yīng)能使植物通過多種途徑增加其生存的可能。適應(yīng)的途徑和方式有多種多樣,如逃避、忍耐、抵抗、調(diào)整、競爭等。因此,樟子松能在不同地區(qū)生長,必須具有很強(qiáng)的對環(huán)境變化的調(diào)節(jié)能力,即適應(yīng)能力;這種適應(yīng)能力主要表現(xiàn)在形態(tài)、生態(tài)和生理特征的變化上。樟子松屬于喜光樹種,深根性,主根、側(cè)根均發(fā)達(dá),全光條件下天然更新良好。在風(fēng)積沙土、礫質(zhì)粗沙土、黑鈣土、栗鈣土、淋溶黑土、白漿土上均能生長。樟子松適生于嚴(yán)寒干旱的氣候,能忍耐-40℃以下的低溫和干燥瘠薄的土壤,如在海拉爾紅花爾基一帶貧瘠的沙丘上,大興安嶺北部多石礫的山地上,以及呼倫貝爾盟和陜西榆林等地樟子松都生長良好。在20世紀(jì)90年代,對三北地區(qū)部分沙地引種的樟子松中幼齡林樹木生長情況調(diào)查表明樟子松在這些地方表現(xiàn)出廣泛的適應(yīng)性。引種樟子松對沙地的適應(yīng)性與其在形態(tài)、生態(tài)和生理上的特征有關(guān)。在形態(tài)上,樟子松的針葉具有一定的旱生葉特征(葉片有發(fā)達(dá)的角質(zhì)層、密度小且深陷的氣孔、致密的表皮細(xì)胞),根系發(fā)達(dá);在生態(tài)上,樟子松是陽性、耐寒、耐旱、耐瘠薄樹種;在生理上,樟子松表現(xiàn)出較高的蒸騰強(qiáng)度(與油松相比),較高的水勢和持水力,較低的束縛水/自由水和束縛水含量低等特點。樟子松的上述特征,有利于其在沙地上生長和適應(yīng)。張錦春等通過民勤(38°34′N,102°59′E)樟子松根系分布及生長調(diào)查分析表明:樟子松根系分布集中,在250cm范圍內(nèi)0~20cm土壤層中根量占調(diào)查根系總量的50%~60%。樟子松生長迅速,10齡樹年高生長量達(dá)60cm,粗生長量達(dá)1.0cm,移栽苗木2~3年后可達(dá)到原地苗的生長速度,樟子松適應(yīng)性強(qiáng),同時對溫度、光照和水分等因子的敏感性較強(qiáng),充足的光照、水分,有利于其生長,干旱、低溫條件下,生長速度明顯減緩。樟子松最早從內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)的紅花爾基沙地引種到科爾沁沙地/遼寧省彰武縣章古臺,至今已有50多年的歷史。焦樹仁等對章古臺地區(qū)引種的樟子松生長調(diào)查研究得出:樟子松在中幼齡林階段一直表現(xiàn)穩(wěn)定,生長較快,但到35~40年以后則出現(xiàn)提早衰弱、生育周期縮短等問題。ZHU等通過對章古臺樟子松固沙林與紅花爾基沙地樟子松生長的比較研究指出:人工林總的樹高和胸徑生長以及林分蓄積生長量比天然林增長的快。但是,人工林的生長期短,在章古臺樟子松人工固沙林的成熟年齡平均比天然林短60年左右。最主要的原因是由于緯度、海拔和溫濕度指數(shù)等生態(tài)環(huán)境的劇烈變化以及造林密度過大和受人為活動的影響。引種地區(qū)緯度跨越大,章古臺引種區(qū)水分、熱量比原分布區(qū)充足,引起了樟子松自身生長規(guī)律的變化,高峰生長期提前、峰值高、峰期短,旺盛生長期縮短等。另外,由于章古臺5、6月份降水量少,在干旱年使林分出現(xiàn)水分虧缺;7、8月份降水集中,又造成林分高溫高濕的環(huán)境條件,在這種水熱條件作用下,當(dāng)林分生長勢降低時,便感染枯梢病。由于干旱和枯梢病的影響,林分進(jìn)一步提早衰弱。高崇華等從20多年的引種結(jié)果看,在毛烏素沙地種植樟子松效果良好,其生長情況良好,胸徑、樹高、蓄積生長量均優(yōu)于當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土樹種油松,且抗病蟲能力強(qiáng),是干旱少雨的毛烏素沙地造林較有前途的優(yōu)良樹種。焦樹仁等對內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗(41°42′~43°01′N,119°32′~120°54′E)24年生樟子松林生長情況進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果表明,樟子松生長表現(xiàn)基本穩(wěn)定,生長較快、年平均樹高生長量達(dá)0.22~0.38m,年平均胸徑生長量達(dá)0.34~0.59cm,比油松和小葉楊的生長量都高,在沙丘的中上腹比小鉆楊也高。干旱瘠薄立地的陽坡、半陽坡宜林荒山上樟子松造林后的前期生長比油松快,效果優(yōu)于油松。王繼和等認(rèn)為樟子松能適應(yīng)甘肅干旱區(qū)氣候的自然生態(tài)環(huán)境條件,同時長勢也優(yōu)于原產(chǎn)地,是優(yōu)良的防風(fēng)固沙造林樹種,而且該樹種在試驗地能抗病蟲害、可作為用材林樹種,改造當(dāng)?shù)亍靶±蠘洹狈雷o(hù)林等,其發(fā)展?jié)摿Υ?。周晉基等通過對內(nèi)蒙古黃土高原涼城縣六蘇木鄉(xiāng)(40°30′N,112°31′E)的80年代初引種栽植的樟子松和油松的生長量進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明樟子松