内蒙古大青山前坡油松人工林生长特征研究

齐向东，王昭才，弓 瑞

(1.呼和浩特市赛罕区黄合少林场，内蒙古 呼和浩特 010076；2.内蒙古自治区天然林资源保护管理局，内蒙古 呼和浩特 010020；3.内蒙古自治区林业监测规划院，内蒙古 呼和浩特 010020)

内蒙古大青山属于阴山山脉，是土默川平原的天然生态安全屏障，在山前城市、农田、湿地生态系统的水源涵养、调节气候、水土保持、生物多样性保育以及农业生产方面发挥重要的生态服务功能[1-2]。我国自20世纪70年代开始启动三北地区生态防护林建设，阴山山脉作为内蒙古中西部半干旱地区最大的山地林区，是三北防护林体系建设的重要区段，营造了大面积的人工油松林，在防治水土流失、提高水源涵养方面发挥着重要的生态防护功能。油松(Pinustabuliformis)作为我国北方地区的重要造林树种，由于其耐干旱贫瘠，适应性和抗逆性较强[3]，同时具有多种生态效益，在水土保持、水源涵养、碳汇造林中广泛应用。在大青山，油松造林后受微地形等立地条件和造林密度的影响较大，即使是在同一气候区，在不同坡位、坡向立地条件下油松的生长量差异较大[4]。本文以大青山前坡38 a生和17 a生油松人工林为研究对象，对不同坡位、坡向及不同密度条件下的林分生长特征进行调查研究，阐明了地形因子、土壤因子和密度对油松林生长的影响规律，为下一步人工林结构优化、质量提升等可持续经营管理提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于大青山南麓低海拔山地，呼和浩特市古路板林场雅马图作业区内，地理坐标为40°51′—41°57′ N，111°53′—111°58′ E，平均海拔1 340 m，属于典型的中温带大陆性季风气候，年均降水量400 mm，主要集中在7、8、9月，占全年降水量的60%～70%。年均蒸发量1 707.4 mm，无霜期130～140 d。山体地形起伏较大，坡度有陡有缓，地势由北向南倾斜，山脊处岩石裸露，土壤条件差，且多为砾质粗沙壤栗钙土，土层薄，肥力差，水土流失较严重[5-6]。主要天然植被有白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等天然乔木，山杏(Armeniacasibirica)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、土庄绣线菊(Spiraeapubescens)、长柄扁桃(Amygdaluspedunculata)、黄刺玫(Rosaxanthina)、胡枝子(Lespedezabicolor)等常见灌木，铁杆蒿(Tripoliumpannonicum)、黄蒿(Artemisiagmelinii)、苔草(Carexspp.)等蒿类和禾本科类多年生草本植物。

2 研究方法

2.1 样地设置

2018年6—9月，以不同坡位(上坡位、下坡位)、不同坡向(东坡、西坡、南坡、北坡)、不同林分密度为选择样地依据，共设置了18块标准样地，其中38 a生(1982年造林，2 a生裸根苗)油松林样地15块，郁闭度在 0.55～0.70 之间，17 a生(2006年造林，5 a生容器苗)油松林样地3块，样地大小均为20 m × 20 m，所有调查样地的坡度在13°～20°之间，海拔在1 280～1 408 m之间，坡向用GPS确定，林分密度通过实地调查后确定。

2.2 样地调查

2.2.1乔木每木检尺

对每块样地内的所有立木进行检尺，内容包括树高、胸径、冠幅、第一活枝高等，并详细记录林分健康状况、郁闭度、造林信息等。

2.2.2土壤物理性质测试

①土壤发生层厚度：简称土层厚度，是土壤母岩层以上的结构层，树木根系能够分布在其中并吸收养分和水分，用直接挖取剖面法测量厚度。

②土壤含水率测试：从2018年5月下旬至6月底，连续40余d没有有效降水，造成持续干旱。对不同坡向、不同坡位人工林土壤0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤含水量进行了采样测试。

③土壤粗砂含量测试：用环刀对0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤进行取样，带回实验室后置于烘箱，在105 ℃下烘干至恒重，然后用干筛法挑出其中粒径≥2 mm的粗砂和根系等杂物，通过重量比计算出粗砂含量百分比。

2.3 数据处理分析

用Excel 2010进行数据整理并制图，用SPSS 25.0 软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，用Duncan法检验显著性。

3 结果与分析

3.1 坡位对油松人工林生长的影响

38 a生油松人工林在山体的东坡、西坡、南坡及北坡均有分布，由于大青山前坡油松造林地坡面较小，本研究选择的试验样地的坡长在50～70 m之间，因此只分上、下坡位设置样地调查油松生长指标。从表1可知，在东、南、西、北4个坡向的上、下坡位油松平均树高和胸径之间存在显著差异(P<0.05)，冠幅在下坡位生长量略大于上坡位，但差异不显著。不同坡向的下坡位平均树高、胸径、冠幅区间分别为 7.16～8.63 m、9.1～11.9 cm和 244.5～294.5 cm，上坡位分别为 6.73～7.76 m、8.0～10.5 cm和 226.5～262.3 cm。总体上，下坡位油松树高、胸径、冠幅比上坡位高 6.39%～11.21%、13.33%～13.75% 和 7.95%～12.27%。

表1 大青山前坡38 a生不同坡位油松人工林生长特征

表2为该试验区内位于山体南坡的2006年营造的17 a生油松人工林生长量调查结果。下坡位和上坡位油松平均树高分别是 2.65 m和 2.43 m，平均胸径为 5.8 cm和 5.1 cm，平均冠幅为 215.7 cm和 192.2 cm，下坡位油松的树高、胸径、冠幅分别比上坡位高 9.1%、13.7%和 12.3%。方差分析结果表明，上、下坡位油松各项生长指标之间均差异显著(P<0.05)。

表2 大青山前坡17 a生不同坡位油松人工林生长特征

3.2 坡向对油松人工林生长的影响

由表3可知，不同坡向38 a生油松林平均树高、胸径、冠幅大小表现为：北坡>东坡>西坡>南坡，平均树高分别是 8.19 m、7.26 m、7.07 m和 6.95 m，平均胸径分别是 11.3 cm、10.1 cm、9.3 cm和 8.8 cm，平均冠幅分别是 277.3 cm、273.5 cm、271.0 cm和 232.0 cm。方差分析结果表明，树高和胸径在西坡和南坡之间无显著差异，其他坡向之间差异显著(P<0.05)，冠幅在南坡和其他坡向之间差异显著(P<0.05)，其他坡向之间无显著差异。由此可知，坡向对油松高生长和径生长的影响较大，对冠幅的影响不明显。

表3 大青山前坡38 a生不同坡向油松人工林生长特征

不同坡向17 a生油松人工林生长量调查结果见表4。北坡和南坡油松树高分别是 3.07 m和 2.63 m，胸径分别是 10.4 cm和 5.8 cm，冠幅分别是 216 cm和 203 cm，北坡油松各项生长指标均大于南坡。方差分析结果表明，南北坡向油松林平均树高、胸径差异显著(P<0.05)，冠幅无显著差异。

表4 大青山前坡17 a生不同坡向油松人工林生长特征

3.3 林分密度对油松人工林生长的影响

在38 a生油松人工林内，选择生长在相同坡向坡位的不同林分密度样地进行生长量调查。由表5可知，在南坡(阳坡)上坡位3种林分密度中，当密度为2 300株·hm-2时，油松平均树高和胸径最大，冠幅居中；当密度达到3 000株·hm-2时，平均树高、胸径和冠幅均小于其他林分密度；当密度为1 570株·hm-2时，油松平均冠幅最大，树高和胸径居中。在南坡下坡位和北坡上、下坡位的2种林分密度油松林中，密度在2 325～2 700株·hm-2时，平均树高、胸径均高于密度2 000株·hm-2的林分。方差分析结果表明，不同密度油松人工林的平均树高、胸径和冠幅之间差异显著(P<0.05)。因此，除了坡向、坡位等立地因子外，林分密度是影响油松生长的重要林分因子。

表5 大青山前坡38 a生不同林分密度油松人工林生长特征

4 讨论

4.1 坡位和坡向对油松人工林生长的影响

在林分密度一致的条件下，导致山体坡面上、下坡位油松生长量有差异的原因是坡面水、土、热、气等环境因子的空间异质性，对树木的生长产生了影响。特别是在半干旱地区，土壤水分是影响树木生长的关键因子之一[7-9]。在坡面尺度上，由于阴、阳坡面以及上、下坡位土壤结构和热量分配不同，土壤保水能力和水分蒸发量也不同[10]。通常，南坡和西坡等阳坡、半阳坡光照强烈，土层发育薄，土壤砂砾含量高，土壤水分蒸发量大；而北坡和东坡等阴坡、半阴坡则相反，保水性相对好，砂砾含量低。在同一坡面上，因海拔高度和长期的坡面水土流动作用，下坡位的土壤含水率和土层厚度、土壤密度相对高于中、上坡位。由图1可见，大青山油松人工林不同坡位土壤水分总体上是下坡位大于上坡位，下坡位土壤平均含水率为 22.60%～29.34%，上坡位为 17.60%～23.76%。方差分析结果表明，上、下坡位土壤含水率差异显著(P<0.05)。图2为不同坡向土壤含水率测试结果，其大小为：北坡(26.55%)>东坡(23.63%)>西坡(20.54%)>南坡(17.60%)，山地阴坡的水分条件最好，阳坡水分条件最差，差异显著(P<0.05)。根据油松生长量调查结果，土壤水分和油松生长量大小变化规律是一致的，这与陈聪等[10]对木荷人工林生长特征进行研究的结果一致。

图1 同一坡向不同坡位土壤含水率 图2 不同坡向土壤含水率

4.2 土壤物理结构与油松生长量关系

土壤发育层及其砂砾化程度是影响油松生长的间接指标之一，它主要是通过改变土壤养分状况间接地影响树木的生长。内蒙古大青山属于石质山地，土层较薄。如图3、图4所示，在南坡(阳坡)调查样地内，上坡位平均土层厚度 54.4 cm，粒径>2 mm的粗砂含量为 67.2%，下坡位平均土层厚度 75.8 cm，砂砾含量为 50.6%。而北坡(阴坡)上坡位平均土层厚度 70.5 cm，砂砾含量为 41.3%，下坡位平均土层厚度97.3 cm，砂砾含量为 45.6%，不同坡位之间的 差异极显著(P<0.01)。另外，由图5可见，土壤含水率和砂砾含量的变化表现出相反的趋势，即砂砾含量的提高会降低土壤含水率，二者之间存在显著的负相关关系(P<0.05)。由此可知，总体上以南坡为代表的阳坡土层薄，粗砂砾含量高，土壤养分物质储量相对低；与此相反，以北坡为代表的阴坡土层发育较厚，砂砾含量低，养分物质储量高，为油松生长提供丰富的营养物质和水分。本研究结果与魏志恒等[8]对樟树的研究结果相似。

图3 不同坡位土层厚度 图4 不同坡位土壤砂砾含量

图5 土壤砂砾含量与土壤含水率的关系

4.3 林分密度与油松生长量关系

林分密度是指林木生长过程中单位面积上的立木株数[11]。林分密度大小影响林内光照、水分及养分分配，进而引起林分生产力、林下植被物种多样性[12-13]。合理的密度对于促进林分良好生长发育、提高生物产量具有重要作用。当林分密度适宜时，树木生长空间分配合理，光照充足，种内竞争较小，养分及水分供应充足。当密度较高时树木个体之间对水、热资源和养分的竞争加剧，同时可能会发生机械作用，从而影响树木的正常生长。当密度稀疏时，成林困难，树木的径生长、高生长和冠幅发育不协调，林分生产力和生态服务功能降低[14-20]。从林分蓄积量角度分析，胸径和树高是2个重要指标。在本研究中的阳坡、阴坡调查样地内，林分密度<2 000株·hm-2或>2 700株·hm-2时，油松树高、胸径均有所下降；当林分密度在2 300株·hm-2左右时生长量最大(表5)，也就是说密度过大或者过小都不利于油松材积的增长。

5 结论

本研究将内蒙古大青山前坡不同坡位、坡向、林分密度的38 a生和17 a生油松人工林作为研究对象，对其生长特征进行了调查研究，得出以下结论：

(1)该地区38 a生油松人工林平均树高、胸径和冠幅分别为 7.36 m、9.8 cm和 261.1 cm；17 a生油松人工林平均树高、胸径和冠幅分别是 2.86 m、8.1 cm和 209.5 cm。

(2)山体坡向和坡位是影响该地区油松生长的重要地形因子。38 a生油松人工林不同坡位平均树高、胸径、冠幅大小顺序均为下坡位大于上坡位。在不同坡向，油松林平均树高、胸径、冠幅大小为：北坡>东坡>西坡>南坡，且相互之间差异显著。

(3)土壤含水率是影响半干旱区山地人工林生长量的重要生态因子。阳坡土壤含水率普遍低于阴坡，其大小变化与油松生长量大小正相关。土层厚度和土壤砂砾含量通过改变含水率和养分物质储量对油松生长产生影响。随土层厚度减少和土壤中砂砾含量的提高，油松生长量有所降低。

(4)适宜的林分密度可促进油松生长。在大青山前坡现有的油松人工林中，密度为2 300株·hm-2左右时，林分高生长和径生长最好，有利于林分材积增长。