辽西北风蚀区4个主要造林树种防风固沙功能差异及适宜立地分析

张藤子 李亚楠 马云波

摘要：分析辽宁省森林资源二类清查数据，确定辽西北风蚀区各树种现存防风固沙林面积，并通过林分结构数据计算刺槐、杨树、油松和樟子松4个主要造林树种的防风固沙功能指数，比较各树种在不同质地土壤上的防风固沙功能差异。研究区内现存防风固沙林中楊树林面积最大，樟子松林次之。杨树和刺槐防风固沙功能随着林龄的增长先升高后降低，樟子松和油松的防风固沙功能随着林龄的增长持续增加。不同树种适合不同质地土壤立地：在沙土上，前期（约30年）杨树林防风固沙功能最强，之后樟子松的防风固沙功能最强;刺槐在沙壤上的防风固沙功能最强;轻壤和中壤立地上，杨树是防风固沙功能最强的树种。研究区后续造林过程应注重适地适树，并及时对杨树和刺槐林进行更新。

关键词：刺槐;杨树;油松;樟子松;林分结构;造林决策

中图分类号：S727.23 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0112-04

辽西北风蚀区位于内蒙古科尔沁沙地南缘，是防止内蒙古科尔沁沙地向华北侵袭的重要生态屏障区，目前辽西北风沙区人工防风固沙林面积已经超过10万hm2，发挥了重要的防风固沙功能[1]。目前森林生态功能愈加被重视，本研究对现有防风固沙区防风固沙林现状进行探讨，对防风固沙林中不同树种防风固沙功能进行对比分析，可为辽西北地区防风固沙林的进一步建设和现有防护林的更新提供科学的理论指导。

对固定林分防风固沙功能进行评价的传统方法可测定林分内外的风速及输沙量，该方法可直接反映防风固沙效果，但需要专业仪器，且无法在大尺度范围内对差异性大的林分进行评价[2]。评价较大尺度范围内植被防风固沙效益时，通常利用地理信息系统，根据研究区内的植被覆盖度，结合降水、土壤等环境因子分别计算植被的立地和裸地的风蚀量之差，对防风固沙效益进行评价，植被覆盖度作为计算防风固沙效益的指标与防风固沙效益呈正比[3-6]。以植被覆盖度计算防风固沙效益，忽略了植物林型、林分结构等因素，例如，相同盖度的荆条和白刺林的固沙能力相差较大，白刺林可固沙成丘，荆条则不可以[7]，所以大尺度范围评价防风固沙的方法无法区分物种间的防风固沙能力差异[8]。比较同一区域内不同植物的防风固沙能力时，主要通过设置固定样地测定风速和输沙量进行比较[9-10]，当研究区域较大时，样地的设置很难代表整个区域内立地条件和林分生长状况的差异。二调对森林资源进行了详细的调查，对二调数据进行分析可以很好地反映林业资源整体状态。

植物群落的防风固沙功能主要是通过减小风速（防风功能）以及增大沙粒启动的临界风速（固沙功能）实现的，不同乔木树种作为群落建群种形成乔木林时，由于树种对立地条件的适应性差异以及树种本身的特性，树高、郁闭度以及林下植被都有较大的差异。不同林分防风固沙功能与林分结构关系的研究表明，林分结构中树高和郁闭度是影响防风功能的主要结构因子[10]，郁闭度、灌木盖度和草本盖度是决定林分防风固沙功能的主要指标[11-14]。将不同林分的林分结构差异量化，可以很好地表现出不同树种的防风固沙林功能强弱[10]。因此，本研究以树高、郁闭度、灌木盖度、草本盖度为评价因子，根据前人对不同结构与防风固沙功能大小的相关关系进行分析，对因子进行分级，计算防风固沙大小的指数，对防风固沙功能进行评价。

土壤质地是判断立地质量的重要因子，是在造林中判断立地质量的重要的直观指标[15-16]，在地形以波岗状平原或低洼的冲积平原为主、地势开阔平坦的辽西北风沙区[17]，分析树种在不同立地上的防风固沙表现，对造林决策具有很好的指导作用。辽宁省森林资源二类清查调查了全省有林地的土壤质地、平均树高、郁闭度、灌木盖度和草本盖度等林分结构信息和立地信息，本研究对结构因子进行量化，以防风固沙功能指数这一数量化的指标反映防风固沙功能，分析辽西北风沙区防风固沙林建设现状，并比较不同树种在不同质地土壤的立地上防风固沙功能随林龄变化过程，为后续造林决策提供科学的指导和建议。

1 研究地概况

研究区地处辽宁省西北部，包括康平县、新民市、法库县、昌图县、阜新蒙古族自治县、彰武县共6个县（市）（121°01′～124°26′E、40°8′～43°29′N）。该区域为辽宁省三北防护林工程建设的重点区域，属于暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，年均气温6.4～8.5 ℃，年平均降水量为174.3～737.7 mm。该地区风力较大，沙物质丰富，人类活动频繁，土壤风蚀严重，在各种风蚀及各种活动作用下，造就了该地的风沙环境。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究所用数据来自2012年辽宁省森林资源二类清查数据，对不同林分的林龄、树高、郁闭度、灌木盖度以及草本盖度等林分结构因子数据以及土壤质地数据进行分析。

2.2 数据处理

防风固沙林由多因子组成，它们互相作用、互相促进，都起着不可代替的作用。通过对防风固沙的各项组成因子的定量化分析，定性评价防风固沙林的强弱。利用辽宁省森林资源二类清查数据中不同林分的树高、郁闭度、灌木盖度以及草本盖度数据计算研究区内林分的防风固沙功能指数。本研究以小区为单位进行防风固沙指数计算，先按等级对各项因子打分，再按计算公式进行计算：

计算整个研究区或不同质地土壤立地上各树种防风固沙能力时，对相应区域内的相同树种同一林龄的各林分防风固沙功能指数求平均值，代表该树种在该林龄的防风固沙功能强弱。由于樟子松在辽西北种植历史约为50年，为了便于比较，分析数据时4个树种（刺槐、杨树、油松、樟子松）都选择 1～50年的林龄进行分析。

3 结果与分析

3.1 不同质地土壤立地上树种面积分布

研究区内现存防风固沙林面积超过12万hm2，树种面积排序为杨树>樟子松>油松>各类灌丛>刺槐，其中各类灌丛面积总和仅占全部防风固沙林面积的2.1%，同时灌木树种较多，且灌木林结构与乔木林差异较大（表2），因此本研究未将灌木纳入到数据分析中。

不同土壤质地立地上，杨树、油松和刺槐都是在沙壤质地立地上分布面积最大，而樟子松在沙土上的分布面积最大。重壤和黏土立地在研究区内分布较少，且除杨树在不同质地土壤立地上都有分布外，另3个树种在这2个质地土壤上的分布面积很小或没有分布（表2），因此本研究不分析树种在重壤和黏土质地立地上的数据。

3.2 不同树种防风固沙功能随林龄变化过程

4个树种防风固沙功能随着林龄的变化过程具有各自的特点（图1），刺槐和杨树防风固沙功能呈先升高后降低的趋势，防风固沙功能在林龄30年左右就达到最高峰，其中杨树更早达到最大。油松和樟子松在50年内防风固沙功能一直保持稳步增加的趋势，未出现明显的下降趋势。对树种间进行比较，发现杨树在初期的防风固沙功能是最高的，而防风固沙功能开始下降的时间也更早。樟子松在初期生态功能最低，在35年左右超过杨树和刺槐，成为防风固沙功能最高的树种。

3.3 各树种防风固沙功能在不同土壤上随林龄变化的差异

刺槐仅在沙壤和中壤质地土壤上有较多林龄的林分分布，在2种质地土壤上防风固沙功能随林龄变化趋势接近，在中壤上防风固沙功能略高（图2）。杨树在4种质地土壤上防风固沙功能随林龄变化趋势接近，初期在中壤上的杨树林分防风固沙略高于另3种质地土壤。油松和樟子松主要分布在沙土和沙壤质地土壤上，生长前期（约20年）油松的防风固沙功能在沙壤上更强， 不过后期沙土上的油松防风固沙功能更强;樟子松林分生长初期在沙土和沙壤上无差别，而在沙土上生长的樟子松林防风固沙功能提高得更快;在轻壤和中壤质地土壤上油松和樟子松只有部分林龄的林分分布，说明近年在这2种质地土壤上造林过程中未选择油松和樟子松，由于缺少油松和樟子松幼龄林的存在，因此无法得出防风固沙功能随林龄变化的规律。

3.4 不同质地土壤上各树种防风固沙功能优劣

如图3可见，研究区内沙土上没有1～50年林龄的刺槐林，油松和樟子松在轻壤和中壤质地立地上也只有少数林龄林分分布。在不同质地土壤上，各树种防风固沙大小和随林龄变化过程也表现出很大差异：在沙土上，杨树在初期防风

固沙功能要高于樟子松和油松，但在35年左右被樟子松超过，在40年左右被油松超过;樟子松的防风固沙功能一直在油松之上。在沙壤上，刺槐与杨树防风固沙功能接近，同样在前期高于樟子松和油松，直到40年左右生态功能防风固沙功能才被樟子松和油松超过，樟子松和油松防风固沙功能接近。在轻壤和中壤上，杨树的防风固沙功能都一直显著高于其他树种。

4 讨论

在造林过程中土壤质地是判断立地质量的直观指标，不同质地土壤的机械阻力、颗粒组成和总空隙度等理化性质差别很大，这些因素通过影响水、气、热和营养在土壤中的移动和含量而影响植物的生长发育[18-19]，进而影响其上生长林分的防风固沙功能。本研究区地势开阔、平坦，以波岗状平原或低洼的冲积平原为主[17]，土壤质地的差异能够代表立地质量的差异。

研究区内现存林分全部为人工林，早期造林过程缺乏科学的指导，人为选择造林树种是决定不同树种现存面积大小的原因。早期造林时追求造林快速见效，杨树生长快、成材早、木材用途广等特点[20]，全区整体的防风固沙功能评价结果也反映了杨树在造林后的20年，其防风固沙功能相对于另3个树种表现出极大的优势，使得杨树在各种质地土壤上都是种植面积最大的树种，比例达到80.4%。水分条件好、造林成活率高的立地通常也被种植杨树[20-21]，杨树的防风固沙功能在造林后提高速度快，也和立地条件比其他树种更好有一定关系。虽然刺槐防风固沙功能与杨树接近，甚至在沙壤上略强于杨树，且改土能力更强[22-23]，但是刺槐种植面积远小于杨树，在后续造林过程中可以考虑增加刺槐的种植。

结合4个树种在不同质地土壤上防风固沙功能的大小及增长规律，沙土立地上树种种植不够合理。沙土的保水保肥能力以及养分含量是4种质地土壤中最差的[24]，而沙土质地上现存树种中杨树是面积最大的树种，其次是樟子松。由于沙土养分、水分的亏缺，杨树极易出现衰老退化[25-26]。在沙土上樟子松的防风固沙功能初期低于楊树， 不过增长速度很

快，在林龄30～40年时会超过杨树，并且在林龄50年内没有下降的趋势。营造樟子松杨树混交林是沙土上营建防风固沙林的有效途径之一，营林后利用杨树生长快速的优势提高防风固沙功能，杨树老化后将其伐除，樟子松可继续发挥生态功能。

杨树和刺槐在不同质地土壤上的防风固沙功能随林龄的增长差异不大，而樟子松和油松在条件最差的沙土上防风固沙功能增长是最快的。土壤条件更好的立地往往是处于受人类干扰更强的区域，而杨树和刺槐由于生长快、更新能力强[27-28]，抗干扰能力强于樟子松和油松，故樟子松和油松在水分、养分条件更好的质地土壤立地上的生态功能差于沙土上。

5 结论及建议

杨树在各种质地土壤上的种植面积都是最大的，沙土上杨树的种植面积过大，应增加樟子松的造林面积或营造混交林，以增加防护林的稳定性，增大防护林更新时间间隔。沙壤土上刺槐的防风固沙功能好于杨树，应增加刺槐的造林面积。轻壤土和中壤土上杨树是相对最好的防风固沙树种，人类活动干扰强烈的立地，推荐种植杨树和刺槐。

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