辽宁省章古台从50年代中期引种樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)进行治沙造林以后, 樟子松固沙林在中幼龄林阶段表现出适应性强, 耐干旱瘠薄, 生长较快等特性; 一直到70年代后期出现了生长减缓, 80年代后期又出现了枯梢病, 林分提早衰弱。

为了探索樟子松林的生长规律与林分的稳定性, 辽宁省林业厅于1979年下达了“樟子松固沙林生态系统结构与功能的研究”课题。现在根据1979~1995年的观测资料和1996~1999年的调查资料, 对章古台樟子松固沙林提早衰弱的原因与防治措施予以分析。

1 章古台的自然条件、试验地与试验方法

辽宁省章古台位于北纬42°43′, 东经122°22′, 海拔226.5 m, 地处科尔沁沙地的东南部。这里年平均降水量为500 mm, 年均蒸发量1762 mm, 年平均气温6.2 ℃, 空气湿度59 %, 年平均风速3.8m/s, ≥10 ℃年积温2890 ℃, 历年最低气温-30.5 ℃, 无霜期154d, 植物生长期(5 ℃以上)为180d, 属于半湿润气候。土壤主要为生草固定风沙土和流动风沙土, 流动风沙土的物理性沙粒占94.7 %, 物理性粘粒占5.3 %; 养分的含量比较低, 有机质0.6~1.6g/kg, 全N 0.17~0.38g/kg, P₂O₅ 0.12~0.27g/kg。代表性植物主要有, 蒺藜梗(Agriophyllum arenarium))、小黄柳(Salix gordejevii)、差巴戈蒿(Artemisia halodendron)、拂子茅(Calamagrostis epigeios)、山杏(Armeniaca sibirica)、榆树(Ulmus pumila)等。

试验在章古台大一间房固沙造林试验地和彰武县王家村固沙造林中间试验点进行, 按照不同沙丘部位、不同林分密度和不同造林类型选设标准地9块。观测的项目与方法参照了中国科学院应用生态研究所湖南杉木人工林定位观测站的经验。主要试验地的条件与林分生长状况列入表 1。

标准地土壤含水率采用烘干法测试, 以水重比干土重表示含水率, 从0~300 cm土层, 分为8个层次, 每月取土1次。林分的水分动态因子主要观测, 林内降水, 树干迳流, 乔木和灌木的蒸腾强度, 地面迳流等。生物量测定, 按照径级选择生物量试验木, 实测重量。枯枝落叶的蓄积与分解, 设置1m ×1 m收集箱, 每月采收1次; 采用尼龙网袋装枯枝落叶, 置于枯枝落叶层中, 以减重法测量分解强度。土壤养分化验与机械成分分析参照中国科学院南京土壤研究所制定的方法进行; 土壤微生物由中国科学院应用生态研究所微生物室分析。小气候因子在林内外进行对比观测。

2 樟子松固沙林的生长状况 2.1 不同立地条件的生长状况

樟子松虽然耐干旱瘠薄, 但是在水分和养分条件比较好的沙丘中下部生长明显的高于沙丘的中上部(见表 2)。

2.2 樟子松与油松、东宁赤松、小青杨的生长比较

当地的主要造林树种除樟子松外还有油松(Pinus tabulaeformis)、东宁赤松(Pinus densiflora)和小青杨(Populus pseudo-simoni)。在造林初期, 樟子松幼林与油松、东宁赤松的生长量差异比较小。例如, 6a生樟子松的树高与基径年平均生长量分别为0.14m和0.64 cm, 油松为0.16m和0.63 cm, 东宁赤松为0.17m和0.54 cm。只是在10a生以后, 樟子松进入高峰生长阶段才逐渐超过油松和东宁赤松。与当地的乡土树种小青杨比较, 在沙丘的下部小青杨的生长量高于樟子松, 在沙丘的中上部樟子松高于小青杨(见表 3)。

3 樟子松固沙林的水、热和养分动态

试验地开始是流动沙丘, 植物覆盖度不足20 %, 灌木与草本植物20余种, 经过人工干扰作用, 演替为以樟子松为主要树种的人工林群落。25a生林分, 进入林内的灌木和草本植物达150余种, 昆虫300余种, 留鸟与候鸟65种, 动物13种。土壤中的微生物总量增加1.1~2.6倍, 形成了初步稳定的樟子松人工林生态系统。

樟子松固沙林发挥了良好的小气候效应, 在林内与林缘附近的风速比无林沙丘降低68 %~76 %, 空气湿度增加3.3 %~13.1 %, 水面蒸发降低55 %~60 %, 土壤的表面蒸发降低35 %。

3.1 固沙林的热量动态

固沙林的热量效应不在于增加空气和土壤的温度, 而在于降低一昼夜间和1a中的温差变幅, 减缓沙地骤热骤冷的不良气候变化。25a生固沙林, 在1a中的气温(白天7~19h), 除了1、2月略高于无林地外, 其余时间都低于无林地。林内7月的平均气温为24.1 ℃, 2月为-6 ℃, 年变幅为30.1 ℃, 而无林地7月与2月相差34.6 ℃, 比林地高4.5 ℃; 一昼夜间的温差变幅林地比无林地低10.8 ℃(7月)和3.1 ℃ (2月); 1a中0~320cm土层地温变幅林地比无林地低2.8 ℃。由此可知樟子松固沙林生态系统的热量状况是趋向良性发展的。

3.2 固沙林的养分动态

固沙造林以后, 随着小气候条件的改善, 枯枝落叶的积累与分解, 流动风沙土出现了明显的层次。在围封的标准地, 分解与半分解的枯枝落叶层厚达1.0~3.3 cm, 土壤腐殖质层厚达2.1~4.0cm; 表土层(0~20cm)有机质含量增加3.1~4.6倍, 而树木根栖层土壤(1.0~1.5m土层)的有机质含量出现降低趋势。但是, 上下土层的平均养分含量仍然是增加的。土壤的容重降低, 孔隙度增加, 理化性质趋于改善。

3.3 固沙林的水分动态

治理以前流动沙丘的含水率为3.9 %, 经过灌木固沙阶段到樟子松林阶段, 3~10a生林分, 含水率为3.5 %, 下降0.4 %; 10~21a生林分进入高峰生长期, 含水率为2.9 %, 比治理以前下降1.0 %; 至22~28a生达到最低, 为2.5 %, 降低了1.4 %; 28a生以后, 由于林分生长减缓, 以及当时正值湿润年, 土壤的含水率有所恢复, 为3.1 %。

林分水量的分配状态, 受当年降水量和林分的密度的影响, 例如, 标准地No.3密度为859株/hm², 标准地No.4密度为1250株/hm², 在1982~1988年期间标准地No.3平均含水率为2.9 %, 而标准地No. 4为2.5 %。降水量偏低的干旱年林地土壤水分的流入量小于流出量发生水分亏缺。1983年降水量较少, 为405.1mm, 占历年平均的81 %, 在植物生长期间0~300 cm土层的储水量减少608.4 t/hm².a(标准地4)和421.2 t/hm².a(标准地3);1984年降水量较大, 为570.7mm, 占历年平均的114 %, 水分的流入量大于流出量, 土壤的储水量增加。在当地的条件下多数年份樟子松固沙林水分的流入量小于流出量, 故土壤的储水量降低。水量流出因子中以乔木蒸腾量最大, 占60.8 %~71.0 %。因此, 适当控制林分的乔木密度和一个地区的森林面积是改善林分水量状况和当地水分平衡的关键之一。

4 樟子松固沙林提早衰弱的原因 4.1 树木自身生长规律的变化

樟子松从内蒙古呼伦贝尔地区红花尔基沙地引种到章古台地区, 跨越纬度大, 两地相差5°左右, 气候条件发生了很大变化(见表 4)。因此, 林分生长状况与生长规律也发生很大变化。由于章古台地区的水热条件比较好, 同时土壤的理化性质与原分布区差异又比较小(表 5)。因此, 樟子松从苗期到幼林阶段表现出适应性强, 生长快等特性。19a生人工林的林木根系分布深度达2.0~3.0 m。, 而在红花尔基树木的根系, 因受到永冻层的限制, 仅分布在1.0~1.2m土层以内。因而人工林的生长量也不同, 章古台19a生林分的树高达7.33m, 比红花尔基大62.9 %(见表 6)。

由于引种的纬度跨度大, 樟子松人工林的生长规律发生了很大变化。樟子松在章古台除了幼苗期和幼林阶段生长加快以外, 高峰生长期到来得早, 为10~21a生, 峰值高, 年限短。高峰期后, 旺盛生长阶段(为22~30a)也比较短, 而且很快进入平缓生长阶段(为31~40a)。樟子松在红花尔基地区1~15a一直生长比较慢, 高峰期比章古台晚8a左右, 年限长5~10a, 高峰期间的峰值低, 而高峰期后进入旺盛生长阶段时间更长, 达60a生左右, 60~80a生进入平缓生长阶段(见图 1)。

赵兴梁先生在60年代初期研究红花尔基地区樟子松林生长过程时, 认为樟子松的生育周期, 也就是更新期为80~100a生左右。本文作者在1982年分析章古台樟子松林的生长规律和生长趋势时, 曾经预测它的生育周期为60a左右。中国科学院沈阳应用生态研究所姜风歧先生在研究章古台樟子松林生长过程时, 认为樟子松在46a生达到材积数量成熟, 终止防护成熟龄应该是在数量成熟的基础上延长10 ~20a, 即56~66a生。根据这些研究资料, 章古台引种樟子松以后, 由于树木自身生长规律变化的原因, 生育周期降低了20~40a。另外, 由于水分亏缺和枯梢病的发生, 使生育周期又缩短15~20a, 即为40~45a生, 便进入更新阶段。

4.2 水分亏缺

根据对林分水、热和养分动态因子的观测资料的分析, 樟子松固沙林生态系统的小气候条件明显改善, 林内空气与土壤中的热量状况趋向良性发展, 枯枝落叶保存良好的林地养分状况也趋向改善。只有水分条件变差, 林地土壤含水率降低, 发生水分亏缺, 成为樟子松固沙林的主要限制性因子。水分不足对樟子松生长产生很大的影响, 通过对幼林和中龄林阶段3次干旱年的降水量与干旱年前、后正常年降水量的差值与樟子松在相对应年分的生长量变化来比较, 可以获得降水量对生长量影响的数量指标。3次干旱年, 每次连续2a, 共计6a的平均降水量为385.2 mm, 与干旱年相临的正常年平均降水量为519.4 mm, 相差134.2 mm, 相应阶段樟子松的树高生长量平均降低7.1cm。

土壤含水率, 对生长的影响更显著。例如, 在1982和1983年期间, 标准地2的土壤含水率比标准地3、4分别高3.2 %和3.5 %, 树高年平均生长量则增加20cm和17cm。

水分条件对生长的影响在干旱年和半干旱地区更为明显。例如, 1982年是章古台地区降水量最低年份, 为276mm, 占历年平均的55 %。靠近标准地4上部沙丘的林分, 在樟子松高生长期的5、6月份, 0 ~300cm土层的含水率平均为1.9 %, 当年树高生长量仅为4~7cm, 基本上处于停止状态。又如, 常学礼等人在内蒙古奈曼旗的研究资料, 认为影响12~15a生樟子松树高生长的主要因子是1~5月份和5月份的降水量; 在沙丘上部12a生林分的生长量就开始减缓, 这时土壤含水率为2 %~2.5 %, 而在沙丘下部(土壤含水率为3 %~4 %)的15年生林分仍然生长旺盛。

4.3 发生枯梢病

枯梢病是一种弱寄生病害, 在高温高湿条件下发病。章古台樟子松固沙林由于1980~1983年连续干旱的影响, 以及林分生长阶段的作用, 生长减缓, 在树势减弱与当地气温高, 夏季降水量大的条件下, 到80年代后期出现了枯梢病, 而1989~1992年连续4 a又为湿润年, 年平均降水量为589.mm, 夏季的林内空气湿度提高7 %~10 %, 因而又为枯梢病迅速蔓延提供了条件, 发病率由3 %增加到28 %。树木发生病害反过来又加速了林分的衰弱过程, 树高年平均生长量由28 cm降低到16 cm。

4.4 不合理的造林与营林技术措施

章古台樟子松固沙林大多为单纯林, 而且经营密度比较大, 通风透光不良, 是引起林分提早衰弱, 感染枯梢病的重要原因之一。樟子松固沙林造林密度大与经营密度高, 在10a生以前对土壤水分和林分生长影响尚不明显。但是, 进入高峰生长期以后, 随着林龄的增长, 耗水量增加, 对土壤含水率与林分生长量便产生显著影响。密度大的林分, 土壤含水率降低, 生长量下降。例如, 根据1982~1994年对两组固定标准地的观测资料, 在沙丘下部的标准地No.1(1250株/hm²)与No.2(864株/hm²)和沙丘上部标准地No.4(1250株/hm²)与No.3(859trees/hm²), 由于密度不同土壤含水率也不同, 分别为4.1 %与5.8 %和2.8 %与3.1 %, 相应的树高年平均生长量也分别为31cm与35cm和17cm与26cm。另外, 章古台及其附近地区的樟子松单纯林比混交林的发病率明显偏高, (见表 7)。

由表 7可以看出, 林龄为40a生的大一间房由于林分组成樟子松比例大(占80 %), 立地条件又为流沙, 故发病率比较大, 为49.9 %, 而同为40a生的北坨子由于林分组成樟子松比重小(占50 %), 土壤条件又比较好, 故发病率比较低为16.5 %。又如, 万亩林、王家和种子园, 同为1971~1373年所营造, 只是由于林分的组成不同, 发病率相差很大, 单纯林的万亩林和种子园发病率分别为51.3 %和36.5 %, 而王家为行间混交林, 病害很轻。再有, 章古台的三家子与内蒙古敖汉旗乌兰巴苏固沙林, 同为25a生混交林, 前者发病很轻, 后者还没有出现病害。由此可知, 营造单纯林是引起枯梢病发病率高的主要原因之一。

因此, 合理的造林与营林技术措施可以延长林分的旺盛生长期, 降低发病率。, 认为樟子松耐干旱瘠薄, 就选择不良地段造林, 粗放经营等也是引起樟子松林发生水分亏缺, 提早衰弱, 感染枯梢病的重要原因。

5 防止樟子松固沙林提早衰弱的技术措施与其它造林的途径 5.1 选育抗病型樟子松良种

章古台作为早期引种樟子松造林的示范区, 林龄已经达到40~45a, 在当地的土壤气候条件作用下, 树木的生长习性以及对环境的适应性都发生一定的变化。树木个体之间的生长表现与对环境条件的适应能力也有所差异。例如, 章古台大一间房西沙丘, 1956年营造的林分, 在1995年发病率高达70 %, 当年进行采伐更新后, 保留20余株无枯梢病感染的林木没有进行采伐, 至1998年树木恢复生长以后, 通过嫁接方法, 培育了第1代抗病型种子林。日本培育抗松材线虫的松树品种, 也是通过连续选择抗线虫强的个体, 建立无性系种子园的方法实现的。

此外, 科学实验已经证明, 不同种源的适应性与抗逆性不同, 还应该针对不同引种地区选择适应当地的优良种源, 建立种子林。

5.2 提高造林与营林技术

在沙地造林中, 空留沙丘中上部不造林, 在沙丘的中下部降低造林密度或实行带状造林, 带宽20 m, 4行或5行, 带内行距4m, 株距2m, 空留带自然生草或栽植豆科灌木和播种豆科牧草, 可以减少乔木蒸腾耗水量30 %左右, 在350mm左右降水量地区, 能够基本保持水分平衡。

营造樟子松混交林, 对保持贫瘠沙地林分的稳定性具有重要意义。杨树与胡枝子能够改善樟子松林腐殖酸的含量与组成。例如, 对23~25a生的樟子松纯林, 樟子松与小青杨行间混交林和樟子松与胡枝子(Lespedeza bicolor)行间混交林进行的测试, 0~27cm土层的腐殖酸含量分别为0.17 %、0.28 %和0. 36 %; 胡敏酸分别为0.044 %、0.098 %和0.137 %; 碳、氮比值分别为4.0、6.3和8.4。由此可知, 樟子松混交林与单纯林改良土壤作用的差异是显著的。适应当地的阔叶树种有, 杨树(Populus ssp.)、榆树(Ulmus pumila)、色木(Acer mono)、怀槐(Maackia amurensis)等; 灌木有, 胡枝子、锦鸡儿(Caragana microphylla)、山竹子(Hedysarum fruticosum)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)等。还应对幼林加强扶育管理, 对中龄林, 适当疏伐, 加强病虫害防治, 实行集约化经营等。

5.3 选育其他针叶树种

在当地30~40a生的油松和东宁赤松都没有发生枯梢病, 应该选择优树, 营造这两个树种无性系种子园; 另外, 在赤峰市松树山附近沙地, 降水量为350mm左右地区分布着天然油松林, 从这里选择耐旱型优树营造沙地油松种子林, 适当增加油松和东宁赤松的造林比例。此外, 还应该从北美洲中西北部引种小干松(Pinus contorta)、斑克松(Pinus banksiana)、铅笔柏(Juniperus virginiana)、洛矶山园柏(Juniperus scopularum)、兰云杉(Picea pungens)等树种进行引种驯化与选择, 增加针叶树造林树种。

5.4 营造刺槐混交林

风沙土贫瘠, 有机质含量低, 是造成一些树种生长缓慢, 难于成林的主要原因之一。豆科树种刺槐(Robinia pseudo-acacia), 根系发达, 适应性强, 生长比较快, 只是由于在当地有干梢现象, 对它的生物产量高, 改良土壤作用强等特性才被忽视。刺槐能和樟子松进行带状混交, 又能与杨树、榆树混交; 刺槐林可以采取灌丛状经营方式, 3~5a平茬1次, 平茬下来的枝叶还是优良的饲料。由于采取灌丛状经营方式, 还造成主乔木侧方通风透光的良好条件, 促进林分稳定生长。

6 结论与讨论

樟子松从内蒙古呼伦贝尔地区红花尔基沙地引种到章古台地区, 由于跨越纬度大, 水热条件变化大, 引起生长规律改变, 生育期提前, 生长周期缩短。由80~100年缩短为60年左右; 又由于当地的气候5、6月干旱, 出现水分亏缺, 导致树势减弱, 7、8月降水又集中, 湿度大, 造成高温高湿的感染枯梢病的条件, 使生育周期再缩短15~20a。樟子松引种到章古台地区, 一般生育周期为40~45a, 立地条件比较差的林分为35~40a。

合理的造林与经营技术措施可以延长樟子松的旺盛生长期。通过实行带状造林, 正确选择造林地, 营造混交林, 选育抗病型良种, 合理的经营密度, 集约化经营等措施, 能够改善林分的生长条件, 增强抗病力, 减轻枯梢病的危害。

三北防护林工程启动以来樟子松作为沙地造林的主要树种, 已经在三北地区营造了大面积防风固沙林, 对三北防护林建设发挥了巨大作用。樟子松比油松、东宁赤松生长量大, 防护作用强; 在沙丘的中上部比杨树生长量也大。在章古台地区虽然防护期缩短, 但是, 仍然是当地的主要造林树种。20~30a生的樟子松林, 乔木层的平均生物产量干物质为2.7~3.4 t/hm²·a, 油松为1.09~2.10 t/hm²·a, 小青杨为1.2~5.6 t/hm²·a。樟子松固沙林的总经济效益为总投资的5.8~7.4倍, 其中投资直接效益系数为1.4~2.1, 间接效益系数为4.4~5.3, 间接效益与直接效益的比值为2.5~3.0。