辽东山区蒙古栎次生林结构及生态因子分析

王睿照，毛沂新，张慧东，潘文利，李庆军

(1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032；2.辽宁省高速公路运营总公司葫芦岛分公司，辽宁 葫芦岛 125000)

蒙古栎Quercusmongolica，壳斗科Fagaceae栎属Quercus落叶乔木，是我国温带地区落叶阔叶林及针阔混交林的主要树种，其环境适应性强、根系发达、材质坚硬，具有很高的经济和生态价值[1-2]，是珍贵树种大径材定向培育的主要对象[3]。辽宁省栎类林资源丰富，以栎类为主体的森林资源占全省森林资源的40%左右，是构成辽宁省次生林资源的主要类型，是维护区域木材安全和生态安全的重要保障[4-5]。但是，辽东山区现有的蒙古栎林，多是以松属、冷杉属为主的针阔混交林遭受连续自然干扰和人为破坏后旱生演替形成[5]，林地生产力较低、干材形质较差，且生态功能退化，其价值没有获得充分重视。目前辽东山区蒙古栎次生林多以中、幼龄林为主[6]，种群年龄结构不合理，其生态功能发挥受到制约，如何通过合理的森林经营活动，调整林分群落结构、完善生态功能、提高蒙古栎林分质量成为当前亟待解决的科学问题[7]。本研究通过对辽东山区蒙古栎天然次生林林木生长与结构及生态因子特征的综合分析，揭示影响蒙古栎生长的关键因子，为提高该区域蒙古栎林地生产力、改善林分质量提供科学参考。

1 研究区概况

研究区位于长白山山脉向东南延伸的哈达岭(铁岭西丰县冰砬山国家森林公园)、龙岗山(本溪市桓仁县老秃顶子国家级自然保护区)以及千山(丹东市宽甸县白石砬子国家级自然保护区)山脉，该区属温带大陆性季风气候，年均气温5.2～6.0 ℃，年均降水量684～1394 mm(表1)。该区以坡地为主，且地势陡峭，土壤多为暗棕壤和棕壤，土层普遍较薄。植被属长白植物区系，地带性植被为以红松Pinuskoraiensis为主的针阔混交林，现存天然林多是经人为干扰后形成的次生阔叶林，主要树种包括蒙古栎、紫椴Tiliaamurensis、色木槭Acermono、裂叶榆Ulmuslaciniata、黄波罗Phellodendronamurense、核桃楸Juglansmandshurica、水曲柳Fraxinusmandshurica、白桦Betulaplatyphylla、硕桦B.costata、刺楸Kalopanaxseptemlobus等。

表1 研究区概况

2 研究方法

研究依托国家林业和草原局在辽东山区设立的冰砬山、白石砬子2个森林生态系统国家定位观测研究站，选取辽宁东部山区由北向南冰砬山国家森林公园、白石砬子自然保护区、辽宁老秃顶子自然保护区3处蒙古栎种群主要分布区，按照幼龄林、中龄林、成熟林设置1 200～3 600 m2的固定观测样地11块，分别对林内胸径大于5 cm的林木进行每木检尺并定位，记录树种、胸径、树高等基本数据。同时调查林分基本情况，沿每块样地的对角线均匀布点(3点)挖取土壤剖面，采集地表枯落物和0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm以及>40 cm的土壤样品，测定土壤理化性质。

2.1 土壤样品测定

用烘干法(105 ℃)测定土壤含水率。土样经杂物分离、风干、磨碎后，过2 mm筛备用。有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮采用半微量凯氏法测定；全磷采用HCl-H2SO4浸提，钼锑抗比色法测定；速效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰光度法测定；水解性氮采用碱解扩散法测定。

2.2 数据分析

采用林分平均角尺度(W)、林分平均大小比数(U)、林分平均混交度(M)、林分平均密集度(C)等参数描述林分空间结构[8]。结合3个研究区的定位监测数据，采用林分密度、平均胸径、最大胸径、径阶分布q值林分结构参数指标，土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾等土壤特征因子，对辽东山区天然蒙古栎林的林分结构特征和土壤养分特征进行分析，对影响蒙古栎生长的林分结构参数和土壤特征因子进行主成分分析。

3 结果与分析

3.1 次生蒙古栎林结构参数

表征异龄混交林径级结构q值可作为评价林分是否需要经营的标准，一般认为q值在1.2～1.5林分为理想的异龄林年龄结构。辽东山区蒙古栎次生林较多林分的q值低于1.2，说明辽东山区蒙古栎次生林林分的直径分布需要调整。从图1可以看出，不同林龄蒙古栎次生林的株数分布特征均表现为正态分布，峰值随林龄的增加逐渐向右移动，表明辽东山区现有的蒙古栎群落仍处于正向演替。

通过角尺度可以判别林木的水平分布格局，当角尺度的平均值W取值范围属于[0.475，0.517]，为随机分布；当W>0.517，为聚集分布；当W<0.475，为均匀分布。

图1 不同林龄蒙古栎群落林分直径分布

从表2可以看出，不同地点的蒙古栎次生林林分的水平分布大多表现为随机分布，基本符合健康稳定林分的要求。然而，采用经典森林经营方法干扰后的蒙古栎林表现为均匀分布，如冰砬山X2和老秃顶子的幼龄林L4；人为活动强烈干扰的群落表现为聚集分布，如上肥地S3。对于林分水平分布格局不是随机分布的林分则需要经营干预。辽东山区蒙古栎成熟林的大小比数、混交度和密集度分别为0.466～0.508、0.444～0.681和0.505～0.854，平均角尺度、大小比数、混交度和密集度分别为0.504、0.503、0.662和0.600。

表2 辽东山区典型蒙古栎林林分结构参数

3.2 次生蒙古栎林土壤养分特征

从图2、3可以看出，辽东山区蒙古栎成熟林土壤养分含量均显著高于幼龄林、中龄林，其中成熟林0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土壤有机碳和全氮含量显著高于幼、中龄林(P<0.05)，成熟林土壤中的水解性氮含量和速效钾含量高于中龄林和幼龄林，并表现出随着林龄的增加土壤养分含量逐渐增高。林地土壤养分的增加可能是随着林龄增加，森林群落的树种组成和各种凋落物归还量增加，促进了土壤营养物质的积累；而土壤营养物质的增加有利于群落植被的生长发育，使得蒙古栎林生态系统的养分循环过程表现为良性循环。

图2 蒙古栎次生林土壤有机碳和全氮含量特征

图3 蒙古栎次生林土壤水解性氮、速效钾和全磷含量特征

3.3 蒙古栎次生林林分特征指标

结合辽东山区不同林龄天然蒙古栎林种类组成、林分结构化参数、土壤养分及地形地貌等特征，筛选出指示蒙古栎次生林生物量(栎树平均胸径DBH)、林分空间结构(径阶分布、角尺度)、群落树种组成(混交度)和林地土壤养分等13个指标，进行主成分分析(表3)。

结果表明，第一主分量主要由土壤养分的全磷、水解性氮和反映林分结构的混交度和角尺度等构成，能够解释辽东山区蒙古栎林分特征的45.16%；第二主分量主要由表示林地密集度和土壤速效磷含量构成，能够解释辽东山区蒙古栎林分特征的21.61%；第三主分量由坡度和土壤含水率构成，能够解释辽东山区蒙古栎林分特征的12.74%；第一主分量、第二主分量和第三主分量累计可解释辽东山区蒙古栎林分特征的79.50%。

表3 辽东山区典型蒙古栎林PCA分析特征指标

4 结 论

林分的空间结构特征体现了树木在林地上的分布格局及其在空间上的排列方式[9]，对一个发育完善的顶极群落而言，其优势树种总体呈现随机分布格局，林木分布格局的随机性是判断森林群落发育演替阶段的重要方法[8]。辽东山区蒙古栎成熟林群落角尺度、大小比数、混交度和密集度等结构化参数的平均值分别为0.504、0.503、0.662和0.600，该结构参数可作为辽东山区大径阶蒙古栎林定向培育的模式林分参数。森林土壤受到土壤结构、根系深度、土层特性、有效水分保持能力、土壤生物多样性等方面的强烈影响，其N、P、K、pH值等特征指标能够准确反映生态系统功能变异性，可反映土壤的肥力状况和养分供给的能力[10]，辽东山区蒙古栎林群落的土壤养分总体表现出随林龄增加而增加，成熟林的土壤有机碳和全氮含量均显著高于幼龄林和中龄林。基于辽东山区蒙古栎林群落组成特征、林分结构参数和环境因子特征等观测指标的主成分分析结果，初步将调整林分水平分布及混交度、增加林地土壤养分等技术措施作为辽东山区大径阶蒙古栎林定向培育技术的集成措施。