刺槐品种与造林模型协同作用对林分生长及生态效益的影响

杜庆松，陈 莹，于连家*，周欣佩

（1.山东省林业保护和发展服务中心，山东 济南250014； 2.山东省国土空间规划院，山东 济南250014）

刺槐（Robinia pseudoacacia）原产美国，为豆科蝶形花亚科落叶乔木。对环境适应性较强、生长速度快、用途较广，许多国家广泛的引种栽培。在中国与杨树（Populus L.）、桉树（Eucalyptus robusta Smith）一起被称为引种最成功的3 大树种，在山东有杨柳榆槐4 大用材树种的说法。刺槐能在生态条件较差的立地条件下存活生长[1-2]，并发挥多方面生态效益，如固沟护坡、防风固沙、固碳释氧能力等，是生态建设中的常用树种[3-5]。

山地退化是制约山区生态环境的重要因素，而退化山地面临着适宜造林树种少、造林成活率低等困难，这进一步加剧了山地的退化，形成恶性循环[6]。山东省内山地约占陆地总面积的15.5%，丘陵约占13.2%，退化山地造林绿化工作十分艰巨[7]。刺槐作为保持水土、改善土壤的主要种植树种，在山地造林工作中有较为广泛的应用，是传统四大造林树种之一，有较强的固氮作用，改善环境作用明显[8]。然而，目前的刺槐林多为上世纪50-60年代栽植，品种老化，生长缓慢，甚至有停止生长或死亡的现象。随着人民生活水平的改善，对木材安全和生态环境的要求也日益强烈。因此，为优化和改善退化山地生态环境，人们对造林树种或品种以及造林模型的选择都提出了新的更高要求。

本研究在乳山市白沙河镇潘家庄小流域实施。2006年雨季以2 种刺槐品种造林，分别为石林刺槐与窄冠刺槐。之后持续6年测量林木生长量、枯落物蓄积量、土壤物理性状、土壤水文效应和土壤养分含量等指标，通过分析确定优化的造林模型及两个品种协同作用而产生的差异，旨在对山东乃至全国瘠薄山地刺槐造林模型及品种选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区自然条件

试验区位于乳山市白沙河镇潘家庄（东经121°11′-121°56′，北纬36°42′-37°08′），流域面积200 hm2，海拔150 m-198 m。该区域属暖温带海洋性季风气候，表现为春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季雨量减少，冬季寒冷干燥。土壤为棕壤，坡度5°～10°，土壤厚度50～80 cm，年均降水量850 mm 左右，降水多集中在6-9月份，多年平均无霜期206 d。年平均日照时数2635.5 h。

1.2 试验材料和试验设计

造林所用品种为窄冠刺槐（Robinia pseudoacaciacl-‘Zhaiguan’） 和当年生本地石林刺槐（Robinia pseudoacaciacl-‘Shilin’）。窄冠刺槐无性系是国家林木品种审定委员会认定的国家级林木良种[9]，试验用刺槐苗是2006年由中国林科院提供的一根一干窄冠刺槐裸根苗。石林刺槐以乳山市垛山林场适龄刺槐（15年左右）母树林内萌发的刺槐根蘖处，采集小根段，繁育的一根一干容器苗,容器苗与选用的刺槐品系根系发育情况一致。

本研究采用试验区营造的2 个刺槐品种、3 种不同密度刺槐造林模型为研究对象，各模型密度分别为：833 株/hm2（3 m×4 m）、1250 株/hm2（2 m×4 m）、1667 株/hm2（2 m×3 m）。2006年春季在试验地内按试验设计进行栽植，刺槐苗高为30～40 cm，根茎0.4～0.5 cm；为使2 个刺槐品种试验苗高一致，2007年春按照离地1 cm 高处进行平茬。各造林模型设计见表1。

表1 造林模型配置表Table 1 Configuration of each afforestation model

1.3 测定方法

2007-2012年连续6年进行指标测定。在不同造林模型内各选取3 个标准地（20 m×20 m），每年10月份树木停止生长时测定林木的树高、胸径（根径）、枝下高、冠幅、郁闭度等指标。

2012年10月叶落后，测定枯枝落叶层蓄积量。沿标准地对角线均匀布设3 个样方 （1 m×1 m），用钢尺测量枯落物总厚度，以及分别测量未分解层、半分解层和已分解层厚度。收集未分解层、半分解层和已分解层枯落物，带回实验室用天平称鲜重，烘箱烘干称干重，计算积蓄量。每个林分类型重复3次。在标准地内均匀选取3 个样点，采集0-60 cm土壤样品。在实验室风干后测定土壤养分含量。测量有机质测定采用重铬酸钾法、测量速效磷采用0.5M 碳酸氢钠法、测量全磷采用氢氧化钠-钼锑抗比色法、测量速效钾采用火焰光度计法、测量土壤全氮采用凯氏仪法、测量水解氮用NaOH 扩散吸收法[10]（中国科学院南京土壤研究所，1978）。同时测定林下草本盖度、草本密度、香农指数、土壤饱和持水量、土壤含水量、平均渗透率、非毛管孔隙度、枯落层蓄积量等指标[10-11]。

1.4 数据处理

对2 个品种不同造林模型的林分生长数据进行方差分析，验证差异显著性；对第6年林木生长数据进行降维排序，并进行环境向量拟合，确定6年生林木生长差异及对环境的影响作用；对1-6年林木生长数据进行主响应曲线分析，分析林木发育过程中不同类型的差异。通过上述分析，考察品种和模型对林分生长和环境影响的协同作用，分析在R 语言环境下进行[12]，主要采用Vegan 包[13]并采用ggplot2 包作图[14]。

2 结果与分析

2.1 不同造林模型2 刺槐品种林木生长量

测定结果表明，窄冠刺槐生长量表现较好，连年树高增幅均高于石林刺槐（图1,a）。不同造林模型窄冠刺槐林的胸径均大于石林刺槐，模型1 胸径最大，6年生胸径为9.36 cm；模型6 的胸径最小，6年为7.16 cm。第6年的胸径大小排序为：模型1>模型3>模型5>模型2>模型4>模型6。说明品种相同时林分密度越小胸径生长越大；相同密度时，窄冠刺槐胸径明显大于石林刺槐； 林分密度为833 株/hm2的窄冠刺槐（模型1）胸径生长量最大（图1,b）。不同造林模型窄冠刺槐林的蓄积量生长均大于石林刺槐，模型5 蓄积量最大，6年生为42.2 m3/hm2；模型2 的蓄积量最小，6年生为18.5 m3/hm2。生长期为4～6年时，林木蓄积量生长明显加快（图1，c）。

图1 不同年份各造林模型树高、胸径及蓄积量变化Figure 1 Tree height, DBH (Diameter at breast height)and stocking volume of each model in 6 years

2.2 不同造林模型2 个刺槐品种生态效益

2.2.1 枯落物蓄积

林下枯枝落叶层蓄积量由林分生物学特性及其生长环境所决定。本实验不同造林模型密度、品种不同，造成林分生长、林地内水热条件等都产生差异，进而影响枯落物的输入量、分解速度，以及林内枯落物的蓄积量。不同造林模型下枯落物指标如表2 所示。

由表2 可见，不同造林模型窄冠刺槐与石林刺槐林下枯落物的蓄积量差异显著。窄冠刺槐（模型5）枯枝落叶层蓄积量最大，为4.67 t/hm2，总厚度3.4 cm；石林刺槐（模型2）枯枝落叶层蓄积量最小，为2.81 t/hm2，总厚度1.8 cm。相同品种林下枯枝落叶层蓄积量随林分密度降低而减少，蓄积量与造林密度密切相关，排序为：模型5>模型3>模型6>模型1>模型4>模型2。可见1667 株/hm2的窄冠刺槐对林下枯枝落叶层蓄积量的增加效果最好。

表2 不同造林模型枯枝落叶层蓄积量ANOVA 比较Table 2 ANOVA comparison of different litter layer volume of each model

2.2.2 土壤养分含量

林下有机质含量对2 个品种均以1667 株/hm2最大，说明林分密度增加，林下土壤有机质含量随之增加。林下土壤速效钾含量也随密度增加，1667株/hm2的窄冠刺槐 （C5） 土壤中速效钾含量最高（40.8 mg/kg）。

土壤水解氮含量增减趋势按照从大到小的顺序排列为： 模型5>模型2>模型1>模型4>模型3>模型6。林分密度为1667 株/hm2的窄冠刺槐（C5）土壤中水解氮含量最高（44.2 mg/kg）。

土壤有效磷含量也随林分密度增加而增加，林分密度为1667 株/hm2的窄冠刺槐（C5）土壤中有效磷含量最高（7.1 mg/kg），全磷含量以833 株/hm2石林刺槐（C2）林下土壤最大（0.16%）。

土壤全氮含量在一定程度上可以代表土壤的供氮水平。不同造林模型均对0-20 cm 土层全氮含量影响较大，对20-40 cm 土层全氮含量影响较小。在6年间的测定内，不同造林模型同一品种条件下，密度越大，对林下土壤全氮含量增加效果越大。林分密度为1667 株/hm2的窄冠刺槐（C5）土壤全氮含量最大（0.28%）。

2.3 品种与模型协同作用对林分生长和环境的影响

以上分析了不同造林模型窄冠刺槐和石林刺槐的多个生长指标，以及其对环境的影响。但这种多指标之间的对比，只侧重于对某一指标的描述及解释，缺少整体定量分析。因此采用冗余分析（Redundancy analysis，RDA） 对林分生长指标进行直接梯度分析，从多维统计角度来评价一方面（生长状态、多个）变量与另一方面变量（环境指标、多个）数据之间的关系，从而对生长状态和对环境指标产生影响有一个整体的把握，分析不同品种和造林模型协同作用对林分生长及对环境的影响。

选取2012年测定生长数据（冠幅、胸径、树高、郁闭度、枝下高）进行RDA 分析，结果如图2。

图2 不同刺槐品种造林模型生长情况冗余分析结果（RDA）Figure 2 Redundancy analysis of Robinia pseudoacacia growth indices

由结果可知，分析结果能清楚的区分窄冠刺槐和石林刺槐的生长特点。在胸径和树高的维度上，窄冠刺槐生长情况占优，而在冠幅、郁闭度、枝下高方面，石林刺槐占优。而两个品种相同的特点是，在郁闭度和枝下高的维度上，密度越大，郁闭度和枝下高越大。这表明了密度大，郁闭快，而且郁闭度高了以后，自然整枝好，因此枝下高普遍较高。

降维之后采用环境变量进行拟合[13]，即把林内的环境因子与其进行关联分析。经筛选，拟合变量包括草本盖度、土壤饱和持水量、香农指数、草本密度、土壤含水量、平均渗透率、非毛管孔隙度、枯落层蓄积量等，拟合结果如图3。

图3 不同品种刺槐造林模型环境变量拟合结果Figure 3 Environmental factors fitting to the ordination of Robinia pseudoacacia growth

由结果可知，在上述环境变量的维度上，窄冠刺槐整体均表现优于石林刺槐，表现出更好的生态效益。其中模型1、模型3、模型5 在草本盖度、土壤孔隙度、枯落物蓄积量等向量方向有更好地表现，也从另一个角度印证了窄冠刺槐造林模型生态效益较好的结论。

2.4 品种与模型协同作用下林分发育不同阶段特征变化

以上分析均为在一个时间点上进行考量，对发育过程的特征考虑不足。为了更全面的分析各造林模型在6年的发育过程中各自展现了什么特点，使用主响应曲线分析方法（Principal response curves），对6年的各造林模型生长指标（冠幅、胸径、树高、郁闭度、枝下高）进行分析[15]。分析结果见图4：

图4 主变量响应曲线分析结果Figure 4 Principal response curves analysis of afforestation models growth process

图中横轴是年份，从第1年到第6年；纵轴是不同的因素在刻画造林模型差异中发挥的作用。从右面可以看到分析采用的几个因素，冠幅、郁闭度、枝下高、胸径、树高等5 项。随着林木的生长，窄冠刺槐和石林刺槐特征能清晰的区分开。很显然，在生长特征上，石林刺槐冠幅相对较大，而窄冠刺槐的胸径、树高表现较为突出。在郁闭度和枝下高方面，窄冠刺槐稍稍占优。

而对不同造林模型，石林刺槐不同造林密度前3年的生长状态基本趋同，也就是说，不同密度林分在前3年没有太大的影响。这是因为前3年苗木根系发育还不完全，没有较为强烈的养分、光照的争夺，仅能体现树种之间的差异，树木之间的相互作用还没有显现出来，到了第4年，开始出现竞争，各模型均出现了差异，第6年的特征与RDA分析结果一致。刺槐生长特性与桉树相似，在造林当年生长相对缓慢，第2年进入速生期，并持续3年[16]。

3 讨论

刺槐在不同立地条件对土壤的改良作用已经有不少研究[17-18]，但不同造林模型中刺槐品种、密度对林分发育和生态效益均有不同影响，过大的造林密度甚至会对水土保持、土壤改良产生负面作用[19]。在杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana) 等树种密度效应研究中发现密度与胸径生长相关显著，单株材积随株行距的增大而增大，每公顷蓄积量随株行距的增大而减小[20-21]。本研究中林分密度越小胸径越大，树高与胸径显著相关，1250 株/hm2的窄冠刺槐生长量最大，较为适宜当地气候环境。

在以生态效益为主要考量的通过RDA 和环境变量拟合，综合分析了不同造林模型的生长特点。可以确定，从第6年的生长情况看，窄冠刺槐比石林刺槐表现优异，材积大，且能产生更好地生态环境效益。1250 株/hm2的窄冠刺槐林下土壤毛管孔隙度最大，改善渗透速率效果最好。模型5 林分类型对林下土壤化学性质改良效果最好。在时间维度上（PRC）研究5 种生长指标表明，窄冠刺槐生长比石林刺槐冠幅小、材积大。但从时间序列上整体看来，不同模型及品种的生长特点和相对优势在6年的时间内有所变化，长期发展趋势还需要进一步测量。这2 种方法的结果与单项分析的结果一致，且从整体上对不同造林模型之间差异有了清晰明确的刻画。待数据积累更多，变量更加复杂时，这2 种方法能更好更方便地对不同造林模型发育差异进行分析。

不同造林模式对生态的影响差异较大[21-22]。在要求生态效益的造林工作中，应充分考虑不同密度、品种、树种配置对林分生长和生态环境的协同作用。本研究仅从刺槐在瘠薄山地不同品种、密度出发对造林的林分生长、生态效益进行分析，在下一步工作中，应进一步对不同立地条件下不同树种、品种、密度、配置的协同作用进行持续深入研究。