黄土丘陵沟壑区人工刺槐林生长特征与生物量研究

刘 林,于博威,王小平,薛丽萍,韩国忠

(1.山西农业大学 水土保持科学研究所,山西 太原 030013; 2.山西省水土保持科学研究所,山西 太原 030013;3.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所,北京 100081;4.中国科学院 地理科学与资源研究所,北京 100101)

在干旱半干旱黄土丘陵沟壑区,降水是植被维持生长的主要水分来源。由于该地区降水较少且分布不均,因此水分条件极大地限制着人工林的生长,严重影响林木成活率和成材率[1]。刺槐(Robiniapseudoacacia)作为生态修复的先锋树种,自20世纪50年代以来,在黄土高原累计种植面积超过2 310 km2,占全国的20%以上。作为高耗水树种,刺槐的生长特征是影响土壤水分时空变异的主要因素之一[2]。首先,刺槐林通过林冠层截留雨水、根系吸水、蒸散发等活动直接影响水分的再分配过程;其次,刺槐林通过改变土壤性质间接影响土壤结构、田间持水量、萎蔫系数等与土壤含水量相关的参数,最终影响土壤含水量的时空分布规律。因此,开展刺槐林生长特征空间分布的调查,是分析土壤含水量时空变异及其关系的基础。

本研究以晋西黄土丘陵沟壑区典型人工刺槐林为研究对象,通过设置不同林龄样地调查刺槐林主要生长特征,并估算刺槐林生物量,以探讨不同林龄刺槐林在不同地形条件下的主要生长特征和生物量的空间分布特征及差异性,为黄土丘陵沟壑区人工刺槐林营造工作提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于典型黄土丘陵沟壑区的山西省石楼县的退耕还林试验区(36°56′N、110°46′E),地形破碎,沟壑纵横,水土流失严重。研究区属于半干旱温带大陆性气候区,80%以上的降雨集中在5—9月。为改善生态环境,香港力行植林慈善基金会于2006年起在研究区开展人工造林活动,截至2022年累计种植人工林面积超150 hm2,苗木成活率在70%以上,主要树种为刺槐[3-4]。

1.2 试验设计及数据获取

依据研究区不同林龄刺槐林样地的面积,设置刺槐林调查样方大小为10 m×10 m。在不同林龄、不同立地条件的人工刺槐林样地共设置固定样方29个,其中林龄为4、8、12、16 a的刺槐林样地分别有样方3、8、8、10个。调查的刺槐生长指标主要包括树高和胸径。树高采用测距仪进行观测,胸径采用胸径尺进行观测。调查时间分别是在2022年生长季前期(5月)和末期(9月)各1次。

为利用刺槐树高和胸径数据估算刺槐生物量,2020年9月在研究区采集刺槐枯木28株,分别测量刺槐枯木的树高、胸径,并伐倒称其干质量,确定了单株生物量与胸径或树高(或者二者)间的回归关系。利用确定的回归关系和所有树木的实测胸径或树高,可推算样地的生物量[5-6]。本研究区刺槐单株生物量的估算式为

W=1.858 2(D2H)0.352 7(R2=0.852 9,p<0.001)

(1)

式中:W为单株生物量,单位kg;H为树高,单位m;D为胸径,单位cm。

1.3 数据分析方法

研究区刺槐林虽是按照相同密度种植的,但成活率等因素会导致各样方密度有所差异,为方便比较不同林龄、不同地形条件下刺槐林树高、胸径、生物量的差异性,对测量数据进行密度标准化。利用单因素方差分析方法(One-way analysis of variance,ANOVA)和最小显著性差异法(Least significant difference,LSD),分析比较不同林龄、不同地形条件下刺槐主要生长特征和生物量平均值的差异性,显著性水平取0.05。

2 结果分析

2.1 不同林龄刺槐林生长特征

图1显示了不同林龄刺槐林树高和胸径分布特征,可以看出,16 a、12 a刺槐林树高和胸径显著高于8 a和4 a刺槐林,但16 a与12 a刺槐林树高和胸径差异不显著。由图1(a)可以看出,4 a到8 a刺槐林树高年均增长0.34 m,8 a到12 a刺槐林树高年均增长0.12 m,12 a到16 a刺槐林树高年均增长0.08 m,这表明随着林龄的增加,刺槐林树高会显著增高,但年均增长速度会逐渐变得缓慢。由图1(b)可以看出,4 a到8 a刺槐林胸径年均增长0.41 cm,8 a到12 a刺槐林胸径年均增长0.19 cm,12 a到16 a刺槐林胸径年均增长0.11 cm,这表明随着林龄的增加,刺槐林胸径显著增长,同时年均增长速度下降明显。

图1 不同林龄刺槐林生长特征

2.2 地形条件对刺槐林生长特征的影响

分别从坡度、坡位和坡向分析地形条件对刺槐林生长特征的影响。从表1可知,同一林龄的阴坡刺槐林树高是阳坡刺槐林的1.17～1.27倍,差异性显著且随着林龄增长愈发明显;在同一坡向,不同林龄刺槐林树高也呈显著差异,林龄16 a和12 a的刺槐林树高显著高于林龄8 a和4 a的刺槐林。同一林龄的刺槐林在不同坡位上树高也存在差异,其中林龄4 a的刺槐林下坡位树高显著高于中坡位和上坡位,林龄8 a、12 a和16 a的刺槐林中坡位和下坡位树高显著高于上坡位;同一坡位上,刺槐林树高随着林龄呈显著增加趋势。对比坡面和水平梯田,发现同一林龄的刺槐林在水平梯田上的树高显著高于坡面上的,并且随着林龄的增加,树高差距愈发明显,水平梯田上的刺槐林生长速度更快。

表1 不同地形条件下刺槐林树高分布特征

表2显示,同一林龄阴坡刺槐林胸径显著大于阳坡刺槐林,两者胸径的平均差呈先增后减的趋势,其中在林龄8 a时达到最大;在同一坡向上,刺槐林胸径整体随林龄增加而增大,阳坡各林龄间均存在显著差异,阴坡12 a和16 a之间无显著差异。同一林龄的刺槐林在不同坡位上胸径也存在差异,其中4 a、8 a、12 a刺槐林胸径在不同坡位上均存在显著差异,且下坡位>中坡位>上坡位,16 a刺槐林下、中坡位胸径显著高上坡位,而下、中坡位间无显著差异;同一坡位上,刺槐林胸径随着林龄的增加而显著增长。同一林龄的刺槐林在水平梯田上的胸径要显著大于坡面上的,并且水平梯田上的刺槐林随着林龄增加胸径增长速度更快。

表2 不同地形条件下刺槐林胸径分布特征

2.3 刺槐林生物量特征

从图2可以看出,不同林龄刺槐林的生物量差异显著。16 a刺槐林生物量显著高于12 a、8 a和4 a刺槐林,平均分别高出2.26、5.85和12.72 kg。4 a至8 a刺槐林生物量平均增长速度为1.72 kg/a,8 a至12 a刺槐林生物量平均增长速度为0.90 kg/a,12 a至16 a刺槐林生物量平均增长速度为0.57 kg/a。由此表明,刺槐林生物量与林龄有关,且随着林龄的增加,生物量增长明显,但年均增长速度呈下降趋势。

图2 不同林龄刺槐林生物量特征

根据表3数据分析可以看出,地形条件也是影响刺槐林生物量的重要因素。同一林龄阴坡的刺槐林平均生物量为阳坡的1.32～1.73倍,同一坡向条件下随林龄的增加刺槐林生物量增长明显。同一林龄刺槐林生物量在上、中、下坡位差异显著,其中4 a、8 a和12 a刺槐林的生物量在不同坡位间均存在显著差异,且下坡位>中坡位>上坡位,16 a刺槐林的下坡位与中坡位生物量无显著差异,但二者均显著高于上坡位;同一坡位上,随着林龄增加,刺槐林生物量也显著提高。同一林龄的刺槐林在水平梯田上的生物量远高于坡面上的,并且随林龄增加,水平梯田上刺槐林生物量增长更快。

表3 不同地形条件下刺槐林生物量特征

3 结论

1)人工刺槐林树高、胸径和生物量的分布与林龄有关。随着林龄的增加,树高、胸径和生物量均有明显的增长,但年均增长速度呈下降趋势。

2)坡向显著影响人工刺槐林树高、胸径和生物量的增长(p<0.05)。阴坡比阳坡更有利于促进刺槐林树高、胸径与生物量的增长。

3)相同林龄的人工刺槐林在中、下坡位的树高、胸径和生物量整体优于上坡位。中、下坡位的刺槐林随着林龄的增长,林木树高、胸径和生物量之间的差异性减小,坡位对刺槐林生长特征的影响程度呈下降趋势。

4 讨论

不同的地形条件对刺槐人工林的生长特征和生物量有重要的影响,主要原因是刺槐作为耗水量大的树种,土壤水分是其生长的主要限制因素,而地形条件会对土壤水分含量产生直接的影响[7]。在坡向上,阳坡光照时间长,获取的太阳辐射量要远大于阴坡,地表蒸发作用强,加之林木的蒸腾活动,使得阳坡土壤水分含量低于阴坡,从而影响刺槐林的生长;在坡位上,上坡位受太阳辐射、风力作用强,造成大量的土壤水分流失,而中、下坡位相对光照时间短、温度低、风力影响小,另外中、下坡位土壤不仅可接受降雨的水分,还有上坡位流失的水分作为补给,土壤水分含量要显著高于上坡位[8],因此林木生长优于上坡位;在坡度上,水平梯田具有保土、保水、保肥的作用,林木生长环境要明显优于坡面。

4)坡度同样显著影响人工刺槐林树高、胸径和生物量的增长(p<0.05)。梯田上的人工刺槐林树高、胸径和生物量明显高于坡面上的,且随着林龄增加,梯田上的刺槐林生长量增加更为明显。