黃土溝壑區(qū)刺槐人工林生長潛力分析

黃土溝壑區(qū)刺槐人工林生長潛力分析

人工植被自然發(fā)育是指人工植被建成后，建筑物和植物群可以更新。隨著時間的推移，當?shù)胤N子被入侵，灌木和草層形成，群落功能可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)過程。一般情況下,只有完成造林或播種過程,建群種達到一定成活率,當?shù)氐泥l(xiāng)土植物、動物和微生物就會很快進入,參與群落的形成與演化。黃土高原地區(qū)人工林建設(shè)應(yīng)該以生態(tài)效益為第一目標,栽植的建群種能夠通過有性或者無性繁殖,實現(xiàn)自我更新,形成可以持續(xù)利用的人工生態(tài)系統(tǒng),避免周期性衰退,就能實現(xiàn)永續(xù)利用(張文輝等,2009)。刺槐(Robiniapseudoacacia)是黃土高原地區(qū)人工林面積最大的樹種。刺槐人工群落在黃土高原地區(qū)年降水量>550mm地區(qū),通過根系萌苗、伐樁萌苗可以實現(xiàn)群種群恢復(fù)和群落更新。但在降水量<550m丘陵溝壑區(qū),有些生境自我更新困難。近年來,很多學(xué)者對刺槐在黃土高原丘陵溝壑區(qū)是否適合營造人工林提出質(zhì)疑(韓蕊蓮等,2003)。由于缺水,刺槐造林后出現(xiàn)永久性“土壤干層”(楊文治,2001),林木個體發(fā)育遲緩,形成了“小老樹”。特別是在陽坡生境問題更為嚴重,感染病蟲,自然枯死,林木幾乎沒有經(jīng)濟價值,并且惡化土壤水分條件。這些似乎表明丘陵溝壑區(qū)不適合刺槐人工林栽培。但是,據(jù)觀測,在丘陵溝壑區(qū)陰坡下部生境,刺槐人工林通過根系萌苗、伐樁萌苗等無性繁殖方式自我更新,具有天然化培育的潛力。以前對黃土高原刺槐人工群落研究主要集中在群落特征、林地土壤養(yǎng)分水分、個體生長發(fā)育等方面(曹揚等,2006),而對丘陵溝壑區(qū)陰坡陽坡不同發(fā)育階段刺槐人工林群落特征、種群年齡結(jié)構(gòu)等方面對比研究不多。針對丘陵溝壑區(qū)陰坡陽坡生境,以種群能否更新,群落能否持續(xù)發(fā)育研究未見報道,而這正是刺槐人工林能否天然化培育的關(guān)鍵。如果刺槐人工林建群種種群無性繁殖的幼苗數(shù)量足夠多,能實現(xiàn)自我更新,林內(nèi)物種多樣性和水分養(yǎng)分足夠豐富,說明其符合天然化培育條件,否則,可以考慮不再在此地營造刺槐人工林。本文選擇黃土高原丘陵溝壑區(qū)20世紀60年代以來造林的刺槐人工林,通過樣地調(diào)查,分析建群種徑級結(jié)構(gòu)、高度級結(jié)構(gòu)、林下物種多樣性、土壤養(yǎng)分水分等,比較陰坡與陽坡在不同發(fā)育階段刺槐人工種群發(fā)育及群落特征演化,目的是闡明刺槐林在不同生境條件下種群更新潛力、群落特征和生態(tài)功能發(fā)育過程,為黃土丘陵溝壑區(qū)刺槐人工林天然化發(fā)育的生境選擇及經(jīng)營管理提供依據(jù)。1研究領(lǐng)域和方法1.1陰坡厚層土草原區(qū)研究區(qū)域選擇在中國科學(xué)院水土保持研究所水土保持綜合治理試驗區(qū)陜西省安塞縣紙坊溝、延安寶塔區(qū)柳林鎮(zhèn),屬黃土高原腹地,地理位置36°51′—37°02′N,109°19′—110°07′E,海拔1010~1431m。屬暖溫帶半干旱氣候區(qū),年平均降水量為510~530mm,7—9月占全年降水的55%~58%,年均氣溫8.8℃,≥10℃年積溫2800~3500℃。本區(qū)為森林區(qū)向森林草原的過渡地段。側(cè)柏(Platycladusorientalis)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)林等斑塊狀分布于陰坡生境。天然灌木草本群落主要分布于人為干擾較少的溝坡、峁頂或遠離居民點石質(zhì)山地。天然灌叢群落地主要種類有達烏里胡枝子(Lespedezadahurica)、樹錦雞兒(Caraganaarborescens)、扁核木(Prinsepiauniflora)、丁香(Syzygiumaromaticum)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)。組成草地群落的主要種類有鐵桿蒿(Artemisiagemlinii)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、長芒草(Stipabungeana)、鐵線蓮(Clematisfruticosa)、艾蒿(Artemisiaargyi)等(韓蕊蓮等,2003;侯慶春等,2000;王義鳳,1991;張仰渠,1989)。人工林主要樹種有刺槐、油松(Pinustabulaeformis)。本地區(qū)土壤主要為黃綿土。1.2學(xué)習方法1.2.1補種和樣地設(shè)置在陰坡、陽坡選擇1968年(40年)、1984年(25年)和1999年(10年)3個時間段營造的刺槐人工林。造林措施及后期管理歷史清楚。當?shù)卮袒绷譅I造一般采用臺階地基礎(chǔ)上穴狀整地;當?shù)嘏嘤?年生實生苗,高度平均35cm,根系完好;春季雨后造林,造林株行距1.5m×1.5m。為了保證成活率,在造林后第2年對未成活幼苗進行補種,從而減少陽坡和陰坡造林成活率差異;造林后禁止放牧、砍伐,避免人為干擾。在每個生境和時間段選擇生長發(fā)育較好地段,設(shè)置樣地3塊,共完成樣地18塊。樣地調(diào)查時間在刺槐林生長發(fā)育旺盛的7—8月進行。樣地面積為20m×20m,每個樣地分別沿對角線設(shè)置3個5m×5m的灌木樣方和3個1m×1m的草本樣方。調(diào)查內(nèi)容包括:1)群落學(xué)特征:造林時間、造林密度、群落總郁閉度、平均高度;2)刺槐種群調(diào)查:個體坐標定位(以樣地一條邊為X軸,垂直邊為Y軸),測定高度、胸徑、冠幅、枯梢率,特別注意幼苗幼樹個體起源(根系萌苗、伐樁萌苗)及其生長狀況;3)灌木草本樣方調(diào)查:分物種測定個體數(shù)量、高度、蓋度、頻度、基徑和冠幅;4)人為干擾:包括砍伐、放牧、開墾等,記錄其伐樁數(shù)、枝條受損數(shù)占樣地總數(shù)的比例,以及地面擾動程度,強度最大賦值1,強度最小賦值0;5)土壤養(yǎng)分、水分取樣:在樣地調(diào)查結(jié)束后,選擇此前10天無雨天氣,集中在2天內(nèi)完成土壤養(yǎng)分測定取樣,4天內(nèi)完成土壤水分取樣。取樣期間無雨。1.2.2徑級結(jié)構(gòu)及高度級劃分徑級(sizeclass,SC)的劃分方法為:以胸徑(DBH)2cm為1個徑級,共劃分10個徑級,分別用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ,Ⅹ表示。然后按樣地統(tǒng)計每一徑級的個體數(shù)量(幼苗以基徑為準),將同一生境(坡向)樣地數(shù)據(jù)合并,繪制徑級結(jié)構(gòu)圖。高度級(heightclass,HC)的劃分方法為:以樹高(treeheight,TH)2m為1個高度級,共劃分10個高度級,也分別用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ,Ⅹ表示。然后按樣地統(tǒng)計每一高度級的個體數(shù)量,將同一生境樣地數(shù)據(jù)合并,繪制高度級結(jié)構(gòu)圖(張婷等,2007)。1.2.3物種多樣性調(diào)查以樣地為單位,分別統(tǒng)計造林10,25和40年刺槐人工林個體特征、林分特征和繁殖特性,分陽坡、陰坡,將相似生境樣地數(shù)據(jù)合并。根據(jù)樣地調(diào)查所得不同物種相對蓋度、相對多度和相對頻度計算林下物種的重要值,再統(tǒng)計出同一種群中各物種的平均重要值;分層(灌、草)計算各物種的α多樣性指數(shù),如物種豐富度指數(shù)(S)、物種多樣性指數(shù)Simpson指數(shù)(D)、ShannonWiener指數(shù)(H′)、均勻度指數(shù)Pielou指數(shù)(Jsw)和Alatalo指數(shù)(Ea),具體計算方法見文獻(蔣志剛等,1997;馬克平等,1994)。1.2.4土樣的采集和測定土壤水分、養(yǎng)分的取樣是沿樣地內(nèi)對角線各取3個0~20cm土壤混合樣品。深層土壤水分測定是在不同發(fā)育階段不同生境的樣地內(nèi),土鉆取土,分別從地表每隔20cm取1個土樣,深度取到200cm處;在200cm以下,每隔50cm取1個土樣,取到400cm處。采集的土樣帶回室內(nèi)測定分析。其中土壤水分含量的測定采用烘箱(85℃)法;土壤pH值應(yīng)用ZD-2型電位滴定計測定;有機質(zhì)用重鉻酸鉀-H2SO4容量法進行測定;有效磷應(yīng)用NaHCO3浸提-鉬藍比色法;速效氮應(yīng)用堿解擴散法(阮成江等,2002;盧金偉等,2002);速效鉀采用火焰光度法(李立平等,2003)。測定數(shù)據(jù)按不同生境進行樣地合并,取平均值。2結(jié)果與分析2.1在不同的發(fā)育階段，銀坂和陽坡槐樹種植群的動態(tài)2.1.1不同生境苗種數(shù)量對不同徑級個體數(shù)量的響應(yīng)人工林建群種種群徑級結(jié)構(gòu)可以反映種群更新潛力以及同齡個體生長分化和其對生境的適合程度(張婷等,2007)。圖1表明:造林后10,25,40年3個年齡段,陰坡刺槐種群都有一定數(shù)量萌生幼齡個體,而陽坡種群越向后期,萌生幼齡個體數(shù)量越少。人工林的種群個體是同齡的。在10年生階段,2種生境幼齡個體數(shù)量差異不大,Ⅰ,Ⅱ徑級個體數(shù)量可能是植苗造林個體生長分化,而不是萌生幼苗。經(jīng)過25年和40年生的林分發(fā)育,Ⅰ,Ⅱ徑級幼苗屬于萌生幼苗,大于Ⅳ的徑級的個體屬于植苗造林的個體。在陽坡生境,幼苗數(shù)量很少,0.5~1株·(10m)-2;Ⅵ徑級數(shù)量最多。在陰坡生境,幼苗數(shù)量較多,3~3.25株·(10m)-2;Ⅶ徑級數(shù)量最多。這說明陰坡生境有利于個體生長發(fā)育,不僅植苗造林的個體直徑大,而且種群具有一定數(shù)量的萌生幼苗;而陽坡生境刺槐人工種群更新幼苗稀少,達不到更新所需要數(shù)量。經(jīng)過25年和40年發(fā)育的人工林,大于Ⅳ的個體數(shù)量變化不大,說明刺槐種群個體直徑生長停止或者極為緩慢。2.1.2刺槐人工林密度和高度同齡條件下,林木高度能反映樹木對生境的適合程度。不同生境及年齡階段刺槐人工林高度級結(jié)構(gòu)(圖2)可以看出,造林25年和40年后,刺槐人工林陽坡的個體高度主要集中在Ⅳ級(8m),分別占總個體數(shù)的49%和44%;陰坡的個體高度主要集中在Ⅴ級(10m),占總個體數(shù)的31%和30%?？傮w看,刺槐人工林種群平均高度,陰坡>陽坡。造林25年和40年后高度級結(jié)構(gòu)差異不大,說明造林25年以后,刺槐高度生長停止或者極為緩慢。綜合徑級結(jié)構(gòu)(圖1)和高度結(jié)構(gòu)(圖2)特征,并通過樹干解析加以研究確定,可以判斷造林25年后,刺槐人工林基本達到數(shù)量成熟階段,停止生長或者生長緩慢,應(yīng)該進行適度間伐,以獲取最大經(jīng)濟效益。2.2在不同的發(fā)育階段，陰板和陽板槐樹人工林的重要性和多樣性2.2.1密度對刺槐生長的影響從表1丘陵溝壑區(qū)不同生境及年齡階段刺槐人工林林分特征可以看到,在造林10年后,林分郁閉度基本達到較高水平,無枝條枯死;在10~25年階段,種群密度、蓋度以及平均個體基徑、冠幅、高度等參數(shù)增長很快,說明刺槐在此期間為速生期。從造林后25~40年階段,各類參數(shù)增長幅度減緩,大部分差異不顯著。種群平均個體生長發(fā)育參數(shù)在前期(25年前)增長快,主要是由于刺槐個體較小,林地內(nèi)的水、肥、空間能夠滿足其需求。25年以后各參數(shù)增長趨緩,表明隨著群落發(fā)育,種群個體對水、肥、光需求更大,不能滿足生長發(fā)育所需,已經(jīng)達到林地最大的承載能力(張文輝等,2004)。比較不同生境群落特征,陰坡明顯優(yōu)于陽坡。以25年刺槐樣地為例,生長在陽坡的刺槐林平均高度為7.62m,平均個體枯梢率達到29.6%,發(fā)育不良,出現(xiàn)小老樹現(xiàn)象;由于個體死亡,密度降低為27株·(10m)-2。生長在陰坡的刺槐林平均高度為8.53m,枯梢率只有13%,小老樹現(xiàn)象不明顯,造林后死亡量少,平均密度為33株·(10m)-2,群落具有持續(xù)發(fā)育潛力。2.2.2不同立地條件下灌木、草本植物物種組成的變化人工林地不同發(fā)育時期物種重要值反映群落演化和物種替代的過程。表2不同生境及年齡階段刺槐人工林物種的重要值表明,造林10年后,進入群落的鄉(xiāng)土植物,多數(shù)是1年生草本,并且能很快增加林內(nèi)總蓋度,提高林分防護效益。造林25年后,進入群落的鄉(xiāng)土植物,多數(shù)是多年生草本或者灌木。鄉(xiāng)土植物進入或者退出群落是自然發(fā)生的,對群落總蓋度影響不大。林下的灌、草植物組成差異在一定程度上反映林地生境狀況。陰坡與陽坡林分中物種差異,主要是生境條件對物種的選擇,如懸鉤子、披針苔草(Carexlanceolata)、艾蒿、長芒草等物種在陰坡樣地中分布較多;而達烏里胡枝子、扁核木、鐵桿蒿、披堿草(Elymusdahuricus)等則大多分布在陽坡樣地中。無論哪種生境,刺槐人工林造林后,隨著當?shù)剜l(xiāng)土植物種類侵入,形成具有喬、灌、草復(fù)層結(jié)構(gòu)的林分,都能發(fā)揮防護功能。表2表明,隨著發(fā)育時間的改變,灌木、草本植物組成有明顯差異:同一發(fā)育階段的群落物種組成,陰坡物種多于陽坡物種。從各物種重要值的排序結(jié)果可以看出,不同發(fā)育階段的刺槐人工林林下植被草本植物相對都較發(fā)達,且灌-草植物中物種多為中生植物,形成相對濃密的灌木樹種和草本植物,發(fā)揮著保持水土的功能,群落有持續(xù)發(fā)育潛力(張長慶等,2009;張文輝等,2004)。表2也展示不同發(fā)育階段種類組成的變化情況:在發(fā)育初期刺槐人工林群落的灌木物種郁閉度較小時,陽性物種出現(xiàn)的頻度高,隨著灌木蓋度增加,陽性物種減少,偏中生性的物種逐漸出現(xiàn),1年生草本如堿蓬(Suaedaglauca)、茜草(Rubiacordifolia)等總是處于主要種群的地位。發(fā)育一段時間后,多年生草本如鐵桿蒿、披堿草等出現(xiàn),頻度增加,1年生草本植物生長受到抑制,頻度逐漸減少,同時達烏里胡枝子、懸鉤子等灌木幼苗也開始出現(xiàn)。隨著群落發(fā)育,灌叢在整個群落中占到相當?shù)谋壤?蓋度上升,一些典型喜光草本受到抑制,種類繼續(xù)減少,茜草、甘草(Radixglycyrrhizae)、二裂葉委陵菜(Potentillabifurca)的頻度下降,一些偏中生性的草本植物如艾蒿、對光要求不嚴格的披針苔草等開始出現(xiàn)。在40年以后陰坡生境,刺槐林中的中性草本和灌木樹種仍然占主導(dǎo)地位,隨著群落發(fā)育,灌木樹種蓋度增加,養(yǎng)分、水分等生境將得到改善,群落內(nèi)發(fā)生物種間重組,整體向中生性方向發(fā)展。林地物種多樣性是評價林地生境的重要指標。表3是不同生境及年齡階段刺槐人工林灌、草層的物種多樣性指數(shù)。在造林10~25年階段,豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)增加很快,說明刺槐在此期間為速生期;灌、草層的物種多樣性指數(shù)在前期(25年前)增長快,主要是由于林地內(nèi)的水、肥、空間能夠滿足其需求。從造林后25~40年階段,各指數(shù)增長趨緩,大部分差異不顯著;表明隨著群落發(fā)育,灌、草層對水、肥、光需求更大,不能滿足生長發(fā)育所需,已經(jīng)達到林地最大的承載能力。比較不同生境林內(nèi)物種多樣性指數(shù),生長在陰坡的刺槐人工林灌木層,其物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)大多較對應(yīng)的陽坡高;草本層不同發(fā)育階段比較大致呈現(xiàn)出陰坡>陽坡的趨勢,生長在陰坡的刺槐人工林草本層,其物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)大多較陽坡高;表明在黃土高原以干旱為主的生境中,隨著群落發(fā)育,灌木層蓋度增加,群落豐富度、多樣性、均勻度等在逐步改善。陰坡生長狀況相對較好,群落具有持續(xù)發(fā)育潛力。2.3不同布局的銀坂和陽坡槐樹種植土壤水分和養(yǎng)分的條件2.3.1蝗蟲人工林的水分效果2.3.2不同立地條件下土壤養(yǎng)分分布情況林地養(yǎng)分反映林地生境條件。從不同生境及年齡階段刺槐人工林地土壤0~20cm養(yǎng)分特征(表5)來看,在刺槐人工林群落發(fā)育的前25年中,土壤肥力增加明顯,有機質(zhì)、速效氮、有效磷、速效鉀均有明顯增加,在25~40年階段增加不明顯。在不同生境條件下,陰坡和陽坡土壤養(yǎng)分差異顯著,陽坡的土壤養(yǎng)分含量偏低,陰坡土壤養(yǎng)分含量較高。這表明土壤養(yǎng)分水分條件與林分生長狀況是相互聯(lián)系的。陰坡水分條件相對較好,地上喬灌草生長旺盛,枯枝落葉量大,水保功能強,土壤水肥條件自然也就好(張婷等,2007)。這可能也是導(dǎo)致陽坡與陰坡刺槐林個體生長發(fā)育、種群徑級結(jié)構(gòu)和群落特征差異的原因。3結(jié)論和討論3.1陽坡立地條件下刺槐生長狀況的穩(wěn)定性不同發(fā)育階段刺槐人工林種群統(tǒng)計表明,密度、基徑、冠幅、高度、多樣性指數(shù)等指標等均呈現(xiàn):40年>25年>10年的趨勢,但40年與25年林分差異不顯著。造林后的中前期階段,多樣性增加,群落生態(tài)功能增加,對群落天然化發(fā)育有利。造林后25年階段陰坡生境的種群萌生幼苗數(shù)量增加,種群呈現(xiàn)可以自然更新的趨勢。從不同發(fā)育階段和不同立地條件就可以看出,盡管陽坡刺槐人工林胸徑、樹高均達到最大值,并產(chǎn)生少量萌生幼苗,但數(shù)量相當有限,很難使刺槐人工林種群持續(xù)發(fā)育。這說明在陰坡生境,刺槐種群通過天然化培育,實現(xiàn)生態(tài)功能持續(xù)增強,不會出現(xiàn)周期性衰退現(xiàn)象。3.2陰坡人工刺槐林的優(yōu)勢刺槐人工林在造林經(jīng)過25年發(fā)育,林木