山东省侧柏生态公益林区域划分的研究

王 斐,侯立群,葛忠强,刘幸红,曲永赟

(山东省林业科学研究院,山东 济南250014)

山东省侧柏生态公益林区域划分的研究

王 斐,侯立群,葛忠强,刘幸红,曲永赟

(山东省林业科学研究院,山东 济南250014)

分门别类的研究是人们认知自然资源的一种重要途径,树木生物学和生态学的时空异质性则是这种分类研究的基础。而树种的区域划分在一定程度上反映了人们对其生物学特性和生态适应性以及经济利用价值等的认识,也是科学合理地利用土地资源的结果。我们在深入研究山东省侧柏林分布特征、自然环境异质性以及以往的综合农林业区域划分的基础上,通过典型更新调研、冠形分析进行了侧柏区划的研究。结果表明,山东省侧柏林资源存在明显的时空差异,有必要进行区域分类抚育经营的尝试。

山东省;侧柏;区划;冠形;更新

侧柏适应能力强,栽培范围广,而且被大量栽植在石灰性沉积岩山地上[1－3],近年来侧柏也越来越多地用于城市和道路绿化之中。生态公益林木在一定时空范围的分布和演化是自然地理和人文社会因素综合作用的结果[4]。人们为了经营管理的需要和便利往往对相似的行政区域和自然资源等进行分类和区划,从森林植被区系的划分到森林类型的划分再到林种区划等等[5]。在农林作物栽培和经营过程中,果树单树种气候区划、气象灾害区划并非少见[6]。而单树种的林木栽培和经营区划则屈指可数。

在较为理想的侧柏林分环境条件下,立地条件均匀,生长发育相似,更新和栽培模式相像,可以采用统一标准和抚育经营方式对全省甚至全国的侧柏林分抚育管理。然而,这种理想的抚育经营管理模式与现实存在较大的出入。就侧柏主要分布区域的自然环境而言,在山地的集中栽培更为常见[7－9]。山地基岩结构和组成本身的差异、土壤保水保肥能力的不同、山体水热资源异质性再分配、高山对于局部气象条件的影响、季风气候的空间异质性作用等等造成了侧柏栽培立地条件的多样性,也是侧柏分类抚育经营的自然前提。

为了更加科学有效的进行侧柏生态公益林分的抚育和经营,提高防灾抗灾的能力,本研究进行了山东省侧柏生态公益林区域划分的尝试。

1 分区的方法

首先,应用ARCGIS地理信息系统将山东省地形地貌、基岩、土壤、气候和侧柏资源分布状态矢量化于山东省县界地图之上。在此基础上,参照降水量、干燥度及其等值线[10]、中国林业区划线[5]、山东省林业区划线[11]、山东省气象灾害区划线[12]、山东省土壤区划线[13]等。依据侧柏资源分布的区域变化特征,经绘制这些因素的交集,参照各种区划的结果,首先做出侧柏生态公益林的初步区域分类方案。

数字图像分析方法是当今大地精准测量的手段之一,我们应用该方法曾研究过银杏等树种遭受台风危害后的偏冠变形特征[14－15],且有希望成为一种便捷可靠的测树方法。而且远距离的拍摄可以提高调研的效率,用较少的人力实现对目标树的客观描述,也减少不同观测者之间存在的误差。所谓冠形图像分析是指应用数字图像法对树冠侧面形状的研究。操作方法和样树选择参照作者以往公开发表研究[16]。在冠形调查研究中,分别各个分区进行典型侧柏树冠纵断面的RGB图像拍照。除专门研究以外,拍摄以东南、南、西南等阳坡的散生林木为主。拍摄地点主要在山东省侧柏主栽区内,其中包括历城、长清、章丘、平阴、东平、梁山、肥城、宁阳、嘉祥、泰安、莱芜、新泰、沂源、平邑、蒙阴、曲阜、邹城、泗水、微山、滕州、山亭、枣庄、峄城、费县、临沂、五莲、博山、临淄、淄川、邹平、青州、昌乐、沂水、莒县等县、市、区。

为了增加调查样地的随机性,样地大多是调查前在Google地图上按典型代表性和交通便利等目标预选的地点。远距离的树冠使用长焦镜头拉近后拍摄,为了避免拍摄距离的影响,本研究全部使用同一张图像不同部位的比值构建冠形指数(CSI),以提高图像间的可比性。冠形分析是使用Image－tool等图像处理软件量测不同树冠的形状指标,然后计算反映树冠形状的冠形指数。冠形指数为树冠侧面图像最宽处的宽度与树冠最宽部位到树干基部的高度之比值。

侧柏种子的萌发和幼苗的成活及保存与空气湿度和土壤水分条件的关系较为密切[17－18]。一些干旱的阳坡侧柏幼苗、幼树难得一见,而在一些空气湿润、土壤水分条件优越的环境下侧柏幼苗和幼树多不胜数。所以,在侧柏区域分类和划分时,林下幼苗、幼树更新的数量和质量也是非常重要的指标之一。因此,用Top定位和1 m2小样方重复调查的方法统计侧柏幼苗、幼树数量。以最密(Top)定位原则[19]选择萌生苗密度最大的地块放置1m2样框,并全面统计样框内籽苗数,各重复进行5次。

在以侧柏资源分布和自然条件为主线的初步分区基础上,计算各分区的平均CSI值、平均优势幼树高、CSI的标准误差、CSI的标准差、CSI的极差、平均降水量等参数,并进行欧式距离聚类分析。按侧柏生长和冠形指数差异最大化的标准确认分界方案。其中幼苗和幼树的分类标准为3年生以下为幼苗、3年以上到直径小于成熟龄树木40%者为幼树。

所用的气象资料来自于中国国家气象局信息中心的气象信息服务网和山东省气象信息服务中心,土壤信息、地质地貌信息和侧柏资源分布状态等信息分别来自于相应的文献资料[11,13]。资料和数据的统计分析分别应用了ARCGIS10.1、Imagetool 3.0、Micro office 2003等软件系统。

2 山东省侧柏生态公益林资源分布和立地条件的地域差异

2.1 山东省侧柏资源分布及其地质、岩石和土壤特征

图1是山东省侧柏林分中心点位置[11]的矢量化分布图和山东省各地海拔高度、主要土壤和岩石类型图,该图记载的侧柏林分如今大多已经成为中龄以上的林分。鉴于绝大多数侧柏林分为生态公益林,作为防护林种一般情况下相关法律法规不允许采伐,所以资源相对稳定,也更加适合侧柏冠形的解析。从图1a可见,山东省侧柏生态公益林主要分布在鲁中南山地。侧柏因其适应能力强、病虫危害较轻,往往是极端困难立地造林的首选树种之一。在山东省栽培在沉积岩山地粗骨土立地之上的侧柏林分居多(图1b)。在石灰岩等沉积岩山地较为集中的济南、枣庄、淄博、潍坊等地有集中连片的侧柏生态公益林分布。在鲁东丘陵一般变质岩为核心的沙石山集中分布区,台风等自然灾害发生相对频繁,少有集中成片的侧柏生态公益林栽培。

山东省地貌结构轮廓清晰、层次分明。西、北两侧分布着坦荡的黄河冲积平原,山地丘陵集中分布在中南部和东部地区,与侧柏森林资源形成鲜明的对照。鲁西、鲁北平原地区是杨柳类落叶阔叶树种适生区和集中栽培区,除了少量的四旁绿化、沙丘、墓地以外,侧柏成片栽培较为罕见(图1a)。

图1 山东省地形(a)、主要岩石类型(b)、主要土壤类型(c)和侧柏林地中心点坐标(c)分布图

鲁东丘陵主要由变质岩构成(图1b),而且以海拔200－300m的波状缓丘为主(图1a),气候适宜,是温带落叶果树的集中栽培地区之一。鲁中南山地1000m以上的高海拔山地主峰(图1a)主要有坚硬的花岗岩、片麻岩和花岗片麻岩组成(图1b),如泰山、鲁山、沂山、徂徕山、蒙山等,遭受地表剥蚀后常形成松散的沙砾状物,其中粗粒片麻岩风化后结构松弛、宜于流失,俗称“沙石山地”。海拔500m以下的丘陵常有厚层的石灰性沉积岩覆盖。而且更多的侧柏生态公益林栽培在富钙的灰岩、砂页岩山地集中的地域,而在石灰性沉积岩与其它类岩石复合交错区域,侧柏生态公益林呈分散栽培状态(图1b)。

图1c是以《山东省山地丘陵区土壤》为蓝本矢量化而来的山东省主要山地土壤分布图。在侧柏资源分布较为集中的鲁中南山地区域,酸性结晶岩与富钙的灰岩、砂页岩的相间分布(图1b)成为该地域棕壤和褐土呈复区分布(图1c)的基础。而在泰沂山北麓、泰山山脉西侧的余脉残丘、鲁南沂沭河上游的丘陵地区山顶覆盖着厚层的石灰岩,分布着适于侧柏生长的褐土,包括普通褐土、粗骨褐土以及淋溶褐土(图1c)。侧柏林的立地条件中褐土占侧柏林地的89%。其中,粗骨褐土为数最多,粗骨褐土成土母质为石灰岩和钙质砂页岩风化后的残积、坡积物,土层厚度一般小于30cm,并含有大量的母岩碎石,粗骨薄层特征明显。除生长有灌木草丛的类型表层有少量的有机质累积外,一般剖面无发育,薄层土壤之下既为基岩,因土壤中大多有石灰反映,p H值呈中性至微碱性。相比之下,尽管在山东省山地棕壤和粗骨棕壤土上没有大面积的集中侧柏栽培(图1c),局部小面积的侧柏林地也时而可见,占侧柏林地的11%,个别山地棕壤土地块上栽培的侧柏生长优良。

2.2 降水量和干燥度特征

作为一种暖温带落叶阔叶林区耐旱群落的侧柏林分,常分布在其它树种难以生存的环境中,如裸岩山地、卧牛石浅山地栽培着大面积的侧柏林。然而,正常的水分代谢又是侧柏林存在的基本条件,因此受降水和蒸发量平衡等气象因素影响较大,且成为限制侧柏生长和更新的重要因素。图2a是依据山东省120多个站点常年降水量资料,应用反向插值法,绘制的降水量分布图和600、685和770mm等雨线。图2b是依据山东省各地蒸发量和降水量的比值计算而来的干燥度及2.4、2.8、3.2干燥度等值线。显然,鲁中南的南部和鲁东南局部区域降水量相对丰沛、干燥度较小。泰沂山脉北麓的鲁西北地区,位于鲁中南高山地形地貌的雨影区,降水量偏少,蒸发量较大,干燥度相对较大。更加有意义的是降水和干燥度等值线也将侧柏林分整体上分隔为相对湿润的侧柏林、相对干旱的侧柏林及其过渡类型区域。

图2 山东省降水量(a)、干燥度(b)及其等值线分布图

2.3 侧柏生长状态和冠形特征

在过密的侧柏林分中,侧柏种内竞争激烈、个体分化严重。一些植株严重受压而弯曲、衰退甚至枯萎。用热红外成像仪观测而得的正常侧柏林木边材与心材热温差异显著。而衰弱个体之边材与心材之间往往没有显著的差异。侧柏林分密度过大,下部枝条容易枯萎使树冠变小,树势衰退。直接表现为植株的冠形指数与边心温比之间存在显著的线性反相关关系[17]。这显然与20年前Waring[20](1980)提出的活力指数相吻合。

此外,侧柏适应极端干热环境的特点比较特殊,在持续的干、热、风袭扰下,较为常见的也是始于树干下部的枝叶枯萎。这种由下而上的枝叶枯萎起源于木质部由内向外的栓塞[21－23],来自于植物次生生长和局部衰老[24]的过程。久而久之,使树冠呈梭形和火炬形。侧柏的树冠形状对环境较为敏感,相对湿润的环境中较为常见的是塔形树冠,并随环境变化呈现明显的分化。经随机选点观测的阳坡或半阳坡的侧柏冠形指数与相应地点的降水量之间存在显著的正相关关系(图3a)。也就是说,在降水量较大的地域侧柏遭受干旱等灾害的风险相对较小,始于下部枝条的枯萎概率较低,枝叶正常生长和伸长。因此,树冠往往呈塔形,且冠幅相对较宽。而在降水量较少、干燥度较大的地域,侧柏树冠常呈梭形、火炬形甚至倒梨形,冠幅较窄。也就是说,侧柏树冠重心的上移是持续的水分代谢失衡的结果,幼树同样发生冠形指数的变化(图3b),也是长期持续的土壤干旱和大气湿度的指示性特征。

图3 侧柏冠形指数与降水量的相关性以及不同环境下的幼树冠形指数的比较;a.冠形指数与降水量的相关关系;b.正常侧柏幼树和遭受移植胁迫后冠形指数不同;c.普通棕壤土和粗骨棕壤土上栽培的侧柏冠形指数的差异;d.青石山和沙石山上粗骨土壤条件下栽培的侧柏冠形指数的差异;e.粗骨褐土地和卧牛石褐土地上栽培的侧柏冠形指数的差异;f.阴坡沟谷与阳坡山脊上栽培的侧柏冠形指数的差异

尽管如此,在降水量相同的地域因立地条件的差异而侧柏的冠形指数存在分化现象。据大量的实地观测表明,在同一座山体范围内,相对于普通的棕壤土上生长的侧柏而言,栽培在粗骨棕壤立地上的植株之冠形指数显著偏小(图3c,□─□),因为这种立地条件干旱瘠薄、漏水漏肥,土层薄、植被稀疏、水土流失严重,是山地丘陵最瘠薄的土壤类型。甚至可以观测到土壤含水量的显著差异(图3c,●—●)。若将粗骨土观测样地上侧柏冠形指数进行分类比较时,由石灰性沉积岩山地发育的褐土上栽培的侧柏冠形指数比变质性砂岩、沙砾岩山地上发育的棕壤土上栽培的侧柏冠形指数明显较大(图3d)。因为粗骨褐土质地多为砾质中壤土,母质中细粒部分较多,养分状况及蓄水保肥能力均优于粗骨棕壤。在相同的富钙灰岩、砂页岩等沉积岩山地发育的褐土立地条件下,在卧牛石立地上栽培的侧柏冠形指数明显小于在一般粗骨土上栽培的侧柏冠形指数 (图3e),因为这种立地石芽突起、槽脊纵横、土壤仅存留于岩石缝隙中。此外,在土壤和空气湿度相对较大的阴坡沟谷内比阳坡山脊上侧柏冠形指数更大(图3f)。一些南北走向、窄而长的山体阳坡不明显或者根本没有阳坡,有利于侧柏的生长。一些东西走向、同样窄而长的山体。阴坡侧柏茂密、阳坡岩石裸露的情形颇为多见。以上各种对比结果表明,在大气环境相近的条件下,局部的立地条件差异,尤其是侧柏根系生长和水分供给条件的差异,也是导致侧柏冠形差异的重要因素。

尽管侧柏属于耐性树种,大多生长在干旱贫瘠的立地上,而且生长缓慢、寿命也长,但是这并不意味着侧柏对土壤和大气的水分条件不敏感[18]。侧柏之所以能够忍耐极端干旱瘠薄的环境,主要在于其特殊的适应方式。侧柏始于下部枝叶的枯萎和局部蒸腾表面的缩减,维持了树体的水分和能量代谢平衡[17],从而避免了整株的枯萎。也就是说,梭形或倒梨形的树冠是它们适应极端干热环境的表现形式,是它们成为耐性群落的特殊适应特征,也是侧柏林分健康状况的重要指标之一。如前所述,侧柏幼树活力充沛、生长旺盛,冠形大多呈塔形。而老龄大树树势衰弱、生长缓慢,塔形树冠为数较少。

2.4 山东省侧柏生态公益林自然更新的差异

如前所述,侧柏是喜光树种,成年大树耐干旱能力强。幼苗、幼树喜欢湿润环境,在干旱山地上难以萌生和存活[19]。因此,侧柏苗木和幼树常出现在山地的沟谷、坡脚、阴坡等相对湿润的环境。一些林地侧柏更新容易,而另一些更新困难。据不完全统计,更新容易的立地大多土壤含水量较高,而更新较差的立地上土壤含水量较低。同一山体内因坡度、坡向和坡位、沟谷和山梁以及汇水面和流失面等分化较大。影响土壤含水量的因素除土壤质地、地质构造以外,补充降水的作用也至关重要,这种差异在一定程度上与冠形的地域差异有相似的变化趋势。一些地区之所以优势幼树高最矮,是因为该区侧柏栽培的立地以沙石山为主,且多为粗骨的棕壤性土,干旱贫瘠,少有更新幼苗,即使有苗生长也欠佳。鲁南区许多侧柏林分幼苗、幼树连续不断,一些幼树直接成长进入主冠层,并形成复层的异龄林和优化的林分结构(图4a)。在鲁北所见到的为数不多的此类优化结构的林分常位于山地阴坡,在较为干旱的山丘立地环境中仅出现在沟谷内和汇水面(图4b)。

图4 典型的侧柏复层优化林分结构景观、幼苗保存及其对应的气象环境;a.鲁南一阳坡复层异龄林;b.鲁北一阴坡复层异龄林;c.鲁南徐庄与鲁北馍馍山;2014年萌生侧柏苗保存率的对比;d.鲁南徐庄疏林与鲁北燕子山密林环境中最集中萌发地块侧柏籽苗保存率的对比;e.枣庄与济南各月降水量常年值对比;f.枣庄与济南1－5月、6－9月、10－12月降水量常年值对比。

在相对干旱的鲁中南低山丘陵的北部,适宜的年份种子可大量萌发,一些年份在局部地块萌生籽苗数量之多甚至超过鲁南区。但是气候相对干旱、籽苗的保存率明显低于鲁南区(图4c),尤其是在过密林分中,集中而大量萌发的沟谷和坡脚凹地内(图4d)。就济南和山亭相比雨季的8月降雨量相差无几(图4e),而旱季的1－5月降水量相差明显(图4f)。鲁南区种子成熟落地的9月份降雨量的增多为种子萌发、籽苗建立和生长创造适宜的条件。尽管2014年71.2mm的降雨量是济南相对丰沛的9月降水量之一,但与枣庄132.6mm的降雨量相比明显偏少。显然,2014年9月下旬到10月初鲁南地区多出的一到两场中到大雨或许奠定了该地2014年籽苗保存率高的基础。尤其是在降水量仅是常年的6成左右的2014干旱年份。其实,较为丰沛的降水也是该地淋溶褐土发育的基础。当温度保持不变和其他条件类似的情况下,温带土壤随降水量的增加有机质含量增加,土壤阳离子交换量增加,土壤盐基饱和度降低和酸度增加[25－26]。在鲁中南低山丘陵的西、北侧能保存下来的籽苗大多位于沟谷两旁、汇水面、阴坡和坡脚土层较厚的部位。地形通过物质和能量的再分配影响土壤环境条件,由于降水的再分配,山脊的淋洗程度低于坡脚,而坡脚的水分状况好于山脊,山地阴坡的水分条件一般比阳坡更加优越[25]。在极端的情况下,阳坡岩石裸露少有植被、阴坡侧柏郁郁葱葱、生长旺盛,尽管阴坡和阳坡一般情况下土壤类型差别并不大。在林冠下层缺苗、少幼树的前提下,由于荆条等灌木的大量出现,进一步限制了侧柏籽苗的萌生和生长。因此,维持单层纯林的概率更大,复层异龄林较为少见。

3 山东省侧柏生态公益林区域划分及其检验

在山东省侧柏林区域分类的过程中,首先依据侧柏资源分布状况分为三类,其一是集中成片栽培区,该区位于《中国林业区划》的鲁中南低山丘陵内石灰性沉积岩山地集中分布的地域,即鲁中南低山丘陵的南北两侧,约占侧柏林面积的78.0%;其二是分散成片栽培区,位于鲁中南低山丘陵区的中部,约占侧柏林面积的20.3%;其三是零星绿化栽培区,包括鲁东丘陵和鲁西、鲁北平原地区,约占侧柏林资源面积1.7%。鲁东丘陵区基本上与《中国林业区划》的鲁东丘陵区吻合,而鲁西、鲁北平原区,除了有孤立残丘的嘉祥和梁山以外,与《中国林业区划》内华北平原区的山东部分相吻合。

在侧柏集中成片栽培地区之中,位于鲁中南低山丘陵南侧的鲁南低山丘陵与其北部的泰沂山脉北麓的石灰性沉积岩山地集中栽培区相比降水量最高,平均降水量超过800mm,土壤的淋溶性特征明显,以及南北两个集中栽培区在地理上的分离,将鲁南单独分为第I区,即鲁南低山丘陵集中栽培区(简称鲁南,I)。在鲁中南低山丘陵北侧的侧柏集中栽培区划分为第II区,其中,西部多为泰山余脉残丘,集中分布众多的石灰岩山地,降水量小(＜650mm),单独划分为一亚区,即鲁西泰山余脉残丘集中栽培亚区(简称鲁西,II－1)。在鲁北泰沂山北麓石灰岩山丘集中分布地域,气候、土壤、植被等受泰鲁沂山地的影响较大,沟壑较为集中,有别于上述两个分区,因此划分为另一亚区,即泰沂山北麓集中栽培亚区(简称鲁北,II－2)。

在鲁中南山地丘陵的中部石灰性沉积岩山地和变质砂岩、沙粒岩山地的交错出现和相应的土壤复区分布,集中连片的侧柏栽培地域并不多见,而划分为第III区。其中,鲁沂山东侧低山丘陵地区自然环境条件较为复杂,其地质、气候和土壤类型与胶东丘陵地区更为接近,与泰沂山西、北两侧存在明显的差异,因此单独划分为一亚区,即鲁沂山东侧分散栽培亚区(简称沂东,III－1)。在尼山及其周边同样的侧柏非集中连片的栽培地区,由于地理位置接近鲁西平原,降水偏少(平均713.9mm),遭受干热风袭击的几率偏大,与鲁沂山东侧侧柏栽培区相比遭受台风袭击的概率较小,在山东省气象灾害区划中属于鲁西南灾害分区,所以单独划分为尼山周边分散栽培亚区(简称鲁尼,III－2)。在泰沂山脉南侧的泰莱山麓平原周边的山地丘陵地区,石灰岩山地分布分散,降水量较多,集中连片的侧柏林分也不多见,构成另一亚区的基本条件,即泰徂蒙山地分散栽培亚区 (简称泰徂蒙,III－3)。

在鲁东丘陵和鲁西、鲁北平原侧柏零星栽培区域,鲁东丘陵区的土壤、气候和常见气象灾害都有别于鲁西、鲁北平原地区,单独划分为第IV区,即鲁东丘陵侧柏零星栽培区(简称鲁东,IV);在鲁西、鲁北平原地区地势相对低洼,雨涝灾害相对频繁,也是侧柏生存的限制因素之一,因此划分为第V区,即鲁西、鲁北平原区(简称鲁西北,V)。

从生态环境的空间异质性出发,以上各个分区和亚区整体上存在明显的差异,尤其是降水量、干燥度以及土壤类型和土壤质地的不同,势必影响侧柏树冠生长和发育以及健康状态,其中冠形差异更为明显。按照研究方法中所述的随即、便利的选择标准在侧柏的集中成片栽培区、分散栽培区的各亚区内进行成熟林木树冠侧面图像的拍摄和分析,结果表明在鲁南低山丘陵集中栽培区、鲁西泰沂山余脉残丘集中栽培区、泰沂山北麓集中栽培区、鲁沂山东侧分散栽培区、尼山周边分散栽培区、泰徂蒙山地分散栽培区之间整体上存在显著差异,详见表1。最为突出的是鲁南低山丘陵集中栽培区与鲁西泰山余脉残丘集中栽培区之间差异更加明显,前者冠形指数分布在0.86～1.34之间(表1),平均1.07,而后者为分布在0.48～0.94之间,平均0.75。因此,在鲁南低山丘陵集中栽培区经常看到是塔形或近似塔形树冠。而在鲁西泰沂山余脉残丘集中栽培区许多林分内梭形和火炬形树冠居多,尤其是在干热的阳坡环境下。

表1 山东省侧柏集中和分散栽培区阳坡半阳坡侧柏冠形指数和优势幼树高的分布范围

各分区之间除了冠形存在差异以外,优势幼树的高度也呈现明显的异质性。在鲁南区许多侧柏林分幼苗、幼树连续不断,一些幼树直接成长进入主冠层,并形成复层的异龄林、具有优化的林分结构。而在鲁西、鲁北或鲁尼亚区尽管在适宜的年份种子大量萌发,一些年份在局部地块萌生籽苗数量之多甚至超过鲁南区,但是气候相对干旱、籽苗的保存率明显低于鲁南区,尤其是在过密林分中集中大量萌发的局部地块。如前所述,侧柏种子的萌发于秋季降水有关,在相对干旱的年份尤为突出。2014年就是较为典型的事例。这年九月初和中旬偏多的降水,为侧柏种子萌发奠定了基础,而9月下旬的补充降水对籽苗萌发和存活至关重要。这时降水的时空异质性经常是侧柏籽苗分布不均的限制性因素。2014年9月27－30日的降水过程表明,与常年降水分布趋势非常相似,山东省东南半壁降水偏多,而西北半壁偏少。其中,与3个侧柏集中栽培区相对应的平均降水量呈现出鲁北区明显偏低的结果(图5a),2015年春调查的该区侧柏籽苗非常少,许多地点没有发现新生的籽苗,当年籽苗数的最大值/m2也很小。而鲁南、鲁西的最大侧柏籽苗数量/m2几乎与这次过程降水量的变化趋势吻合(图5b)。

图5 山东省秋季降水差异、侧柏当年出苗量、生态公益林区划图及聚类检验结果;a.2014年9月27－30日降水过程期间山东省各地降水量;b.鲁北、鲁西和鲁南分区侧柏当年籽苗数量的小样方调查数据;c.山东省侧柏生态公益林抚育经营区域分类图;d.鲁中南山地丘陵各分区的CSI平均值、CSI标准误差、CSI区域、CSI标准差、降水量和优势幼树高值的聚类分析;e.鲁中南山地丘陵各分区的CSI标准误差、CSI区域、CSI标准差值的聚类分析。

在此基础上,应用反映侧柏生长和更新状态的平均冠形指数、优势幼树高,反映侧柏冠形差异的冠形指数标准误和标准差以及冠形指数的极差和平均降水量等指标,对侧柏栽培区进行聚类分析,结果在平方距离在2200处可以分为三类(图5d),即冠形指数最大、冠形指数分化较小、优势幼树树高最高、降水量最多的鲁南低山丘陵集中栽培区(I);冠形指数较小、冠形指数分化也小、优势幼树高较矮、降水量最少的鲁西(II1)和鲁北(II2)集中栽培区;冠形指数、优势幼树高和降水量居中、冠形分化严重的鲁中南山地丘陵中部分散栽培区(III1,III2和III3)。若只使用反映侧柏冠形差异的冠形指数标准误和标准差以及冠形指数的极差进行聚类分析,结果可以在平方距离在0.06处分为二类(图5e),即侧柏冠形指数分化较小的侧柏集中成片栽培区(I、II1和II2),占山东省侧柏林分面积的78.0%,以及侧柏冠形指数分化较大的侧柏分散成片栽培区(III1,III2和III3),占山东省侧柏林分面积的20.3%。这与前述初步分区相吻合,也验证了初步分区结果的合理性。

4 山东省侧柏生态公益林的分区和描述

Ⅰ 鲁南低山丘陵集中栽培区(图5c,Ⅰ):包括枣庄市中区、山亭区、薛城区、峄城区、台儿庄区、临沂市、兰陵县、费县以及滕州市、平邑县、沂南县、蒙阴县和莒县的局部。

该区地处鲁南低山丘陵区域,除中、南部有变质岩山地以外,以沉积岩丘陵为主,侧柏林地土壤主要有粗骨褐土、淋溶褐土和粗骨棕壤,降水量大多在750～850mm,最高可达900mm以上,水热资源丰富,≥10℃积温在4300～4600℃之间,宜于植被生长。侧柏生长较好、冠形重心偏下,冠形指数范围0.86～1.34。林地更新苗和幼树数量一般较多、生长较好,占山东省侧柏林分面积的19.8%。

Ⅱ－1 鲁西泰山余脉残丘集中栽培区(图5c,Ⅱ1):包括平阴县、肥城县、东平县、汶上县、嘉祥县、兖州市、梁山县以及宁阳县、济南市长清区局部

该区地处鲁西泰山山脉的余脉、残丘和黄泛平原交错区,以沉积岩残丘为主,零星镶嵌着海拔400～500m的中低山,侧柏林地土壤以普通褐土和粗骨褐土为主,≥10℃积温在4300～4500℃之间,降水量大多在650mm以下,相对干旱、常有干热风发生。侧柏栽培集中、资源数量较多。但侧柏生长较慢、冠形重心偏上、冠形指数范围0.48～0.94。林地更新苗数量偏少、生长相对偏弱,占山东省侧柏林分面积的20.9%。

Ⅱ－2 泰沂山北麓集中栽培区(图5c,Ⅱ2):包括济南市历城区、章丘市、淄博市周村区、张店区、淄川区、博山区、临淄区,邹平县、青州市以及济南市长清区局部

该区以石灰岩山地丘陵为主,侧柏林地主要土壤类型是普通褐土和粗骨褐土,≥10℃积温在4200～4300℃之间,降水量大多在600～700mm,暴雨次数少或较少,大风日数相对较少,受台风影响的几率较低。入春后回温很快,济南、淄博一带是山东省内的高温区,热量条件与鲁西南相似。该区是山东省侧柏最为密集的栽培区,受干旱等环境条件的影响侧柏生长相对较慢、冠形重心偏上、冠形指数范围0.59～1.18。林地更新苗数量偏少、生长偏弱,占山东省侧柏林分面积的37.4%。

Ⅲ－1 鲁沂山东侧分散栽培区(图5c,Ⅲ1):包括临朐县、昌乐县、安丘市、沂水县和维城区、坊子区局部

地形从山地到丘陵以及局部剥蚀残丘,穿插以山麓平原。自然条件复杂多样,基岩以中生界白垩系的中酸性岩石为主,伴有前震旦系岩石、第三系岩石以及少量石灰岩余脉残丘,与鲁东丘陵局部区域相近。侧柏林地土壤以褐土为主和少量棕壤土。降水量大多在650～800mm,暴雨次数多、强度大,干旱几率较小,≥10℃积温在4000～4100℃之间。该区自然条件较为复杂,侧柏资源稀少,集中成片栽培并不多见。侧柏生长分化严重,在土壤湿润的淋溶褐土和深厚棕壤土立地上,生长优良、冠形优美,而在粗骨棕壤和褐土立地上生长和更新欠佳。冠形指数范围0.55～1.275,占山东省侧柏林分面积的4.7%。

Ⅲ－2 尼山周边分散栽培区(图5c,Ⅲ2):包括泗水县、曲阜市、邹城市以及微山县、滕州市、平邑县局部

地势为低山丘陵地区,侧柏林地土壤复杂多样包括褐土、粗骨褐土、棕壤和粗骨棕壤。降水量大多在650～750mm,平均降水量700mm左右,暴雨次数少但强度大,大风日数和台风影响次数少,≥10℃积温在4300～4600℃之间。侧柏同样生长分化严重,在深厚褐土和棕壤土立地上,生长优良、冠形优美,而在粗骨棕壤和褐土立地上生长和更新欠佳、火炬形树冠较为常见。冠形指数范围0.58～1.55,占山东省侧柏林分面积的5.2%。

Ⅲ－3 泰徂蒙山地分散栽培区(图5c,Ⅲ3):包括泰安市区、莱芜市、新泰市、沂源县以及蒙阴县、宁阳县局部

山东境内地势最高的山地丘陵地区,山丘之间还有泰莱山麓平原。区内变质性花岗岩和石灰性沉积岩山地穿插镶嵌。侧柏林地以棕壤和褐土交错分布还有少量的淋溶褐土。降水量大多在700～800mm,暴雨多且强度大,≥10℃积温在4200～4300℃之间。侧柏生长分化严重,在淋溶褐土和深厚棕壤土立地上,生长优良、冠形优美,而在粗骨棕壤和粗骨褐土立地上生长和更新欠佳、火炬形树冠较为常见。冠形指数范围0.58～1.37,占山东省侧柏林分面积的10.4%。

Ⅳ 鲁东丘陵区(图5c,Ⅳ):包括烟台市、威海市、青岛市、日照市大部以及临沂市的临沭县

该区除崂山、昆嵛山、艾山、大泽山、牙山、罗山以外,以变质岩为主体构成的浑圆丘陵地为主,俗称“沙石山”,土壤主要是普通棕壤和粗骨棕壤,海洋性气候明显,降水量分布于600～900mm,大多在700～850mm之间,平均暴雨次数较多,≥10℃积温在4300℃以下,大风日数相对较多、受台风影响的几率较高。侧柏资源数量较少,只是有局部、零星的栽培。

Ⅴ 鲁西、鲁北平原区(图5c,Ⅴ):包括菏泽市、聊城市、滨州市、东营市全部以及济宁市、济南市、淄博市和潍坊市局部市、县

该区以黄泛冲击平原为主,主要土壤类型为潮土,典型的大陆性气候,降水量大多在550～750mm,气候干旱,平均暴雨次数在鲁西南地域较多,鲁西北地区最少,≥10℃积温在4200～4700℃之间,大风日数相对较多、受台风的影响较小,干热风发生次数较多。侧柏资源数量很少,在局部地势较高排水良好的地块有少量而零星的观赏性或特种用途的栽培。

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Regionalization of non－commercial plantations ofPlatycladus orientalisin Shandong province

WANG Fei,HOU li qun,GE Zhong qiang,LIU Xing hong,Qu Yong yun
(Shandong Forestry Research Academy,Jinan,China,250014)

Classifying study is one of the important ways for mankind to know the nature.The spatiotemporal heterogeneity of the biological and ecological properties as well as their social utilization made the foundation of forest classification.In some extent,the common regionalization of the crops of agriculture and forestry respond the knowledge of natural resources and their useful values.It is the rational result in developing land.In this study,we studied the regionalization of non－commercial plantationsofPlatycladus orientalisin Shandong Province by typical regeneration investigation and crown shape analysis,on the bases of the studies of distribution of resources ofPlatycladus orientalis,natural environmental characteristics and past comprehensive regionalization in agriculture and forest.It reveals that there is a significantly spatiotemporal difference in resources ofPlatycladus orientalisin Shandong Province and it is necessary to try to make a regionally tending plan for the non－commercial plantationsofPlatycladus orientalis.

Shandong province;Platycladus orientalis;regionalization;crown shape;regeneration

S757.4＋3;S750

A

1002－2724(2016)05－0001－09

2016－08－09

山东省科学研究计划项目(2012GNC11107);国家自然科学基金(31170671)。