太行山南麓生态脆弱区侧柏人工林的结构特征

李振华

（新乡学院 土木工程与建筑学院，河南 新乡， 453003）

林分结构是评估森林质量和制定营林策略的重要基础，也是调控森林生态系统生产固碳、保持水土、调节水文等生态服务功能的依据[1]。林冠层是林分结构的主导层次和经营调控的目标层次，受海拔、坡位、土壤厚度、土壤含水率等立地条件影响[2-5]。生产上多调控林冠层密度来获得优质大径材、稳定的林分结构或适宜的林内环境，特别是在水分紧缺地区[6-7]。枯落物层有调节地表温度和蒸发、缓冲和截留降雨、调节地表径流和控制土壤流失的功能[8]，与其厚度、储量、组分、分解程度等结构特征有关[9-12]，受郁闭度[13]及坡位、坡度、裸岩率等立地条件影响[14-15]。深入认识林分结构及其环境影响因素有助于制定精准有效的营林策略。

太行山是华北平原的生态屏障和重要水源地，历史上因人类活动及自然原因影响，其南麓河南辉县境内低山丘陵区植被退化、水土流失严重、岩石裸露，生态环境恶劣[16-18]。自20世纪70年代起，当地开始大规模封山治山、造林绿化[16]。侧柏（Platycladus orientalis）易发芽、侧根多，耐干旱耐瘠薄，是主要的造林树种、先锋树种。为保证成活数，初植密度大、一穴多株的现象很普遍，后经封山育林、太行山绿化工程，一直以保护为主，未实施间伐等经营措施。目前，侧柏纯林是当地优势林分，发挥了防风滞尘、保持水土等重要的生态服务功能。但分布于恶劣生境的侧柏林，其林木生长、林分结构及其稳定性、安全性、可持续性一直缺乏系统认识和定量评价，限制了其质量效益提升及多项生态服务功能的充分发挥[19]。

因此，本研究在太行山南麓的低山丘陵石质山区，调查分析不同坡位的侧柏林的林冠层、林下层、枯落物层的结构特征及其环境、结构影响因素，提出相关建议，为低质低效人工林的改造经营及生态脆弱区的生态安全提供理论依据和参考数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南沟小流域（113°49 E′，35°30 N′）位于河南省辉县市方山的西南侧，属太行山南麓与华北平原结合部的低山丘陵石灰岩区。海拔变化在155~384 m。温带大陆性季风气候，年均气温15℃，年均无霜期214 d，年均日照时数2 020 h，年均降水量589 mm，多在6—8月。

1.2 研究方法

在研究区选择一片无病虫害感染、林相整齐的侧柏纯林，沿所在坡的坡底向上到坡顶、保持方位不变确定调查样线，样线垂直于等高线。根据样线长度，将坡长等分为5段，即有5个坡位（下坡、中下坡、中坡、中上坡、上坡）。注意避开林缘、林窗及微地形明显异常的地方，在每个坡位的代表性地段各设置1个投影面积为100 m2的样地，样地间方位一致。在每个样地的中心位置使用手持式GPS（优利德UT379A）测定经纬度和海拔，使用罗盘和水准仪测定坡向、坡度等环境因素；然后，将样地分为25个4 m2的正方形小格，观测基岩裸露面积占小格面积的比率，取平均值为样地的裸岩率；然后避开裸岩和树体，选取9处代表性位置，采用钢钎和卷尺测定土壤厚度，并用铝盒取土样，在室内用烘干称质量法测定土壤自然含水率。样地概况见表1。

表1 样地的环境条件

1.2.1 林冠层结构测定 采用每木检尺的方法，测定样地内所有侧柏单株的树高、胸径、东西和南北方向的冠幅；并计算林分密度、平均树高、平均胸径和平均冠幅。采用多点计数法，在样地内25个4 m2小格中央，目测正上方的树冠遮蔽比率，取平均值为样地的冠层郁闭度。

1.2.2 枯落物层结构测定 在样地内避开裸岩和树体，选择3处代表性位置，测定枯落物层厚度；采用小样方收获法，将枯落物带回室内，烘干称重，并根据样方面积换算样地枯落物储量；然后将烘干的枯落物分类，区分侧柏针叶、树枝、地衣和其他，计算枯落物各组分的储量及其占比。

1.3 数据处理统计

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理，使用SPSS18.0进行Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 侧柏林的冠层结构

由表2可知，该坡面上侧柏林的郁闭度平均为0.72，变化在0.60~0.80，沿坡向上的变化与裸岩率相反，中上坡最低，中、中下坡其次，上、下坡最高。林分密度平均为5 924株·hm-2，变化在2 800~12 420株·hm-2，沿坡向上的变化与郁闭度近似，中坡最低，下坡最高。调查时发现，100 m2的样地内树穴数量为20~28个，平均为25个，随坡位上升而先减少后增加。根据树穴的位置，在裸岩率较低的样地能够大致判断出人工种植的株行距约为2 m×2 m；由于种植后未进行间苗和间伐，目前每个树穴内不止1株侧柏，下坡处最多，平均为4.6株，整个坡面平均每穴有2.4株。平均胸径为7.07 cm，沿坡向上而先增大后减小，中坡最大，下坡最小。平均树高4.8 m，变化范围是3.9~6.2 m；平均冠幅1.18 m，变化在0.54~1.80 m，二者均随坡位上升而增加。

表2 侧柏林的冠层结构

由表3可知，与国内其他地区相同或相近林龄的侧柏林相比，本研究的侧柏林密度明显更高，平均为5 924株·hm-2，其他地区的变化在1 250~3 110株·hm-2；郁闭度偏低，平均0.72，其他地区多数不低于0.80；胸径、树高和冠幅均低于其他地区，表现为树体矮细，生长状况差。

表3 不同地区侧柏林的冠层结构比较

2.2 林地枯落物层结构

由表4可知，枯落物厚度变化在1.7~3.5 cm，平均为2.4 cm；在风吹和水流作用下，难以在裸岩之上长时间滞留，因而基本都沿裸岩边缘和树体周边分布。枯落物储量变化在1.17~7.09 t·hm-2，平均为4.52 t·hm-2；其中，侧柏针叶占比最大，为41.37%；其他组分其次，包括草叶、树皮、虫便、花果等，占37.06%；再次是侧柏枝条，占21.33%；地衣占比最少，为0.24%，但具有粘结、固持枯落物的关键作用。枯落物储量随坡位上升而减少，在中上坡达到最小后，在上坡处大幅增加；其主要组分的针叶、枝条有相似变化。

表4 侧柏林的枯落物层结构

2.3 环境影响因素分析

由表5可知，林木胸径与林分密度、每穴株数呈显著负相关（P＜0.05），说明种植过密有碍单株树木的直径增长。林木冠幅与每穴株数呈显著负相关（P＜0.05），说明每穴株数越少，侧柏树冠发育越好。枯落物厚度与各因素无显著相关（P＞0.05），说明枯落物的分布有很大随机性。枯落物总储量与裸岩率呈显著负相关（P＜0.05），与郁闭度呈极显著正相关（P＜0.01），说明裸岩率低、郁闭度大的林分环境，能够产生或积蓄更多的枯落物。因此，枯落物组分中的针叶、枝条、其他等储量均与郁闭度呈显著正相关（P＜0.05）。地衣与各因素无显著相关（P＞0.05），但其分布和数量规律对于荒山生态恢复有重要意义，有待进一步探究和解释。

表5 林分结构与环境、结构因素的相关关系

3 讨论与结论

本研究区在太行山南麓的低山丘陵石质山区，坡面裸岩率平均为71%，土壤平均厚度仅2.2 cm，且主要沿裸岩和树穴周围集聚分布，土壤含水率仅5.8%，属侧柏能利用的低产低效水（4.0%～8.5%）[27]。坡面上侧柏林龄约50年，未完全郁闭，目前郁闭度平均为0.72；林分密度偏高，平均为5 924株·hm-2，在下坡处高达12 420株·hm-2，远高于北京、徐州、济源的30~53年生侧柏纯林的保留密度。胸径、树高、冠幅则明显低于其他地区，特别是与北京海淀妙峰山[20]、北京门头沟鹫峰[21]、江苏徐州九里山[24]相比，其胸径、树高的差距高达1倍左右；即使与同处南太行地区的济源小浪底30年生侧柏林[26]相比，胸径也低于后者47%，树高低于后者102%，可见本研究区的侧柏林结构较差，林木生长状况有待改善。

研究区的林分密度过高、单株生长发育差，与从未间苗和间伐从而每穴株数过高有关。目前坡面上每个树穴平均有2.4株侧柏；下坡最高，平均有4.6株。通过相关分析发现，胸径、冠幅均与每穴株数呈显著负相关（P＜0.05）。每穴株数多即林分初植密度大，其好处是确保困难立地的苗木成活数量。但随着林龄增加，林木种内竞争必然加剧，再加上当地脆弱的生态环境条件，土壤水分养分匮乏，共同导致林木生长状况差，急需进行结构调控[7]。

枯落物层是森林水文功能的第二作用层[28-29]，也是森林养分循环的重要环节[30-31]。研究发现，兰州市侧柏林枯落物厚度为3.93 cm[32]、北京寨儿峪侧柏林枯落物厚度为3.61 cm[33]、北京西山侧柏林枯落物厚度变化在3.9~4.4 cm[11]。与这些数据相比，本研究区侧柏林的枯落物厚度略低，变化在1.7~3.5 cm，平均为2.4 cm。王佑民[34]比较了国内11个不同地区的森林枯落物储量，发现乔木林枯落物储量一般在10 t·hm-2，生长良好的林分可达20~40 t·hm-2。而本研究区侧柏林地的枯落物储量变化在1.17~7.09 t·hm-2，平均为4.52 t·hm-2，远低于上述平均水平。这可能与林分生长受到环境制约、生产力较低而凋落量有限有关。此外，本研究中枯落物储量与裸岩率呈显著负相关（P＜0.05），与郁闭度呈极显著正相关（P＜0.01），与密度正相关但不显著（P＞0.05），表明在裸岩率低的地方，适当提高林分郁闭度，将有助于产生或积蓄更多的枯落物。

研究区位于太行山南麓低山丘陵区的石质山地，坡面立地条件困难，裸岩率高，土层薄，含水率低。侧柏纯林密度过大，一穴多株现象严重，单株生长状况差，枯落物储存量小，以侧柏针叶、枝条为主要组分。冠层结构与密度、每穴株数显著相关，枯落物层结构与裸岩率、郁闭度显著相关。因此，建议依据水资源植被承载力适当降低林分密度、提高郁闭度，改善林木的生长状况，促进林下灌草发育，增加枯落物储量。