自20世纪50年代末以来, 我国东南沿海陆续营造了大面积木麻黄防护林, 从根本上改善了沿海地区的生态环境。作为沿海防护林第一道防护屏障的基干林带, 在防风固沙, 防海潮和抵御台风、风暴潮等严重自然灾害方面具有独特的功能, 发挥了巨大的生态、社会和经济效益。尤其在海岸风口生境条件十分的困难的地段, 木麻黄优良的适应性和抗逆能力, 使林带具有良好的防护功能, 产生了重大的防护效益。但是, 目前木麻黄基干林带已进入自然衰老阶段, 生长速度减慢, 林木出现枯梢、断干、枯干和风倒, 甚至全株枯死, 老林带自然死亡率平均达7.4%, 局部达30%~40%, 风口地带林木死亡尤其严重(郭瑞华, 1996), 大部分老林带已进入更新期。随着林带立木的逐渐衰老或死亡, 林带缺株严重, 立木结构和林冠结构也逐渐变得稀疏, 以至于出现林中空地, 防护功能衰退, 防护效益不断降低。为保持林带防护功能和防护效益的永续性, 当务之急是必须分期对已呈衰老的林带进行更新, 建立新一代林带替代自然衰老林带。这是当前东南沿海防护林生态工程建设中的一项紧迫而又艰巨的任务。

自1992年以来, 根据沿海木麻黄基干林带亟待更新的需要, 我们对东山县赤山林场等地海岸木麻黄基干林带的分布状况、立地条件、结构特征、生长状况和防风效能等进行调查和观测。在此基础上, 对其主要类型进行划分, 为不同类型林带更新方式、树种选择和造林关键技术提供理论依据。

根据调查和观测资料, 由于海岸地貌和微地形的分异, 在海风、土壤类型等生境条件方面存在较大差异。这些因素对林带结构特征、生长状况和防风效能等起制约作用, 使林带在这些方面呈现多样性, 从而为林带主要类型划分和更新技术的确定提供理论依据。因此, 我们在海岸木麻黄基干林带类型划分时, 依据海岸地貌、海风强弱、微地形, 土壤类型, 林带结构特征、林木生长和防风效能等多因素结合的分类方法, 进行林带主要类型划分。在这些自然因素中, 地貌类型通过海风对林带成长、结构特征和防护功能均起直接作用, 对于沙地土壤形成、机械组成、理化性状和水肥条件等均有重大影响。海风强弱在海岸前沿生境条件或立地分类中必需作为一个十分重要的因素(林文棣, 1988), 所以我们认为海风强弱是海岸木麻黄基干林带生境或立地分类的一个有决定性作用的因素, 并用于作为立地区区分因素。而沙地微地形和土壤条件差异则居次要地位, 局限于在该立地区内对林带产生影响。鉴于本项研究主要目的是进行基干林带主要类型研究, 因此, 依据海岸生境条件与林木生长和林带结构特征相互关系研究结果, 试验地点基干林带分为9种类型, 现将每种类型林带典型样地生境条件、结构特征、生长状况调查和防风效能观测结果综合如表 1。

表 1 不同类型林带生境条件、结构特征、生长状况和防风效能 Tab.1 The habitat conditions, structure feature, growth status and windproof efficacy of different-type forest strips

表 1 不同类型林带生境条件、结构特征、生长状况和防风效能 Tab.1 The habitat conditions, structure feature, growth status and windproof efficacy of different-type forest strips

由表 1可知, 不同类型林带在生长量、密度、高度、林冠层结构和防风效能等方面均存在较大差异。其生长量、林带结构特征和防风效能均以弱海风区林带较好, 高大林带有效防风距离也大, 一般可达300~400 m; 强海风区稀疏林带和低矮屋脊形林带不仅生长量低, 而且防风效能不佳, 有效防风距离仅为前者1/4~1/2。另一方面, 表中防风效能观测资料表明, 弱海风区35 a衰老基干林带的防风效能, 除部分低矮稀疏林带外, 大部分林带20H的防风效能均在50%以上, 这可能与木麻黄枝条萌生能力较强、生长速度较快, 树冠恢复潜力较大有关。而且基干林带宽度一般有200~300m, 林带防风功能远大于农田林带, 更新期的确定也应与农田林带有所区别, 不应单纯以林带年龄决定其更新与否, 而应以不同类型林带林冠层结构、长势和防风效能等综合分析, 分别确定更新期。

我国在农田防护林更新方面, 已有比较丰富的成功经验, 包括其理论、方法和方式等均有较多研究(阎树文, 1993; 姜凤岐, 1992)。但是, 东南沿海木麻黄基干林带的更新理论、方式、方法、更新树种和更新造林关键技术还缺乏深入研究。我们在多年对木麻黄基干林带主要类型研究的基础上, 提出林带分类管理和更新理论, 并进行相应的关键技术研究, 其主要依据是:

首先, 由于海岸木麻黄基干林带生境条件, 包括地貌、海风、微地形和土壤条件的异质性, 使林带生长状况、结构特征和防护功能等表现出明显差异, 形成不同类型林带。需要分别确定其防护成熟更新期和更新技术, 这是林带进行分类管理和更新的理论基础。其次, 基干林带大多沿海岸带向内陆连片造林, 除毗邻农地的林带外, 林带宽度一般200~300 m, 立地条件常有较大变化, 从而形成不同类型的林带, 更新时必需因应各类林带实际情况, 分别采用不同的更新方式、树种配置和造林配套技术。第三, 木麻黄基干林带作为沿海防护林第一道防护屏障, 在防护功能方面有其独特的作用, 要保持其防护功能的连续性, 这是基干林带更新的前提条件。因此, 也只能按林带类型进行逐步更新, 以免造成破坏。第四, 根据表 1资料, 不同类型林带的生产力水平、林冠层结构、生长势和防护功能等均有重大差别, 在林带类型划分时, 依据林带外貌、生长状况、结构特征和护防功能等因子加以综合确定林带类型。在各类林带中, 更新难度最大的属于强风区低矮稀疏通风结构类型林带。这类林带的更新时间、方式、树种选择、配置模式和造林技术等应当有别于大部分弱风区生长正常的林带类型。

本研究于1997-02~05和1998-03在福建省东山县赤山林场和惠安县赤湖林场进行, 供试林带分别于1963年春和1973年春造林, 林龄35 a和25 a。试验地点均属海岸风口沙地, 风力有所差别, 包括弱海风区和强海风区2种生境条件。林带片状分布, 为低矮屋脊形紧密结构林带、低矮屋脊形稀疏通风结构林带和较低矮凹槽形稀疏通风结构林带等。密度1300~1700株·hm^-2, 高度4~8 m, 蓄积量27~30 m³·hm^-2, 生产力低下, 防风效能差, 为亟待更新的低产、低质、低效林带, 在基干林带中属于更新难度最大的类型。由于地处风口困难立地, 防护功能十分重要。本项研究的主要目的是在保持林带防护功能的前提下, 实现快速成林更新。

试验设计含带内隔带更新方式和更新带宽度试验处理, 更新带方向基本上与原林带走向一致, 在前沿保留30~50 m宽老林带, 保持基干林带的完整闭合, 保持其防护功能。进行带内隔带更新, 更新带宽度分别为10 m, 20 m和30 m, 长度30 m, 小区面积分别为300 m², 600 m²和900 m², 隔带采伐, 带间保留15 m~20 m宽老林带, 更新试验设置3次重复、随机排列。造林树种为木麻黄(Casuarina equisetifolia)优良无性系、刚果12呈桉(Eucalyptus ABLNo.12), 湿地松(Pinus elliottii)等。造林方法, 采伐迹地要挖净树桩、挖深穴整地、整地规格50 cm×50 cm×50 cm, 株行距2 m×2 m, 每穴放客土约20 kg, 拌施50 g过磷酸钙。湿地松用裸根苗造林, 造林时间2月。木麻黄和刚果12号桉用容器苗造林, 造林时间5月初。大雨天冒雨造林, 客土拌成泥浆状, 栽植深度约40~50 cm。

本研究于1992-03、1998-05和1999-05在东山县赤山林场进行, 供试林带属于风口弱海风区高大凹槽形稀疏通风结构林带和强海风区低矮屋脊形稀疏通风结构林带。林龄35a, 林带高度14~18 m和4~8 m, 密度500~600株·hm^-2和1200~1300株·hm^-2, 郁闭度0.2~0.5之间。试验设计, 本研究分别进行3次, 3次试验造林树种分别采用木麻黄、湿地松、乌墨(Syzygium cumia)和木麻黄无性系、湿地松、厚荚相思(Acacia crassicarpa), 纹荚相思(A.aulacocarpa), 山地木麻黄(C.junghuhniana)等, 小区面积400 m², 各试验树种3次重复, 随机排列。造林方法, 在林内空隙地定点挖深穴整地, 规格50 cm×50 cm×50 cm, 株行距大致2 m×2 m, 每穴放客土15~20 kg, 拌施磷肥50 g。3~5月间雨天造林, 栽植深度40~50 cm。

本试验于1998-05在东山县赤山林场进行, 供试林带属于强海风区低矮屋脊形稀疏通风结构林带。林龄35 a, 林带高度约3~6 m, 密度1200~3800株·hm^-2, 蓄积量20~40 m³·hm^-2, 郁闭度0.3~0.6, 属于低矮残次林带。试验设计, 对现有林带进行疏伐处理, 强度为株数2/3, 郁闭度降至0.2~0.3, 但临海前尚保留30~50 m宽林带不间伐。挖净树桩, 在林下挖深穴整地, 整地规格50 cm×50 cm×50 cm, 株行距2 m×2 m, 每穴放客土20 kg、拌施过磷酸钙50 g, 2~5月间雨天深栽造林。造林树种为木麻黄无性系、刚果12号桉、湿地松、厚荚相思、纹荚相思、大叶相思(A.auricul formis)、马占相思(A.mangium)等, 每树种3次重复, 随机排列。

本试验于1992~1999年在东山县赤山林场和惠安县赤湖林场多次进行, 供试林带为海岸风口强海风区和弱海风区不同类型基干林带。采用木麻黄类、松类、桉类和相思类等10余个树种和木麻黄优良无性系进行更新造林, 并对主要更新树种多次重复和多点造林比较, 每树种试验小区面积300~800 m², 随机排列。从中筛选适宜不同类型基干林带更新树种。造林技术类似于前面几种更新试验。

自1992年以来, 我们多次在东山县赤山林场和惠安县赤湖林场等地木麻黄基干林带更新造林中进行木麻黄苗木种类、整地规格(深度分别为30 cm和50 cm)、造林时间、天气状况、每穴客土量15、20和30 kg、施过磷酸钙50 g和栽植深度20 cm和40~50 cm等不同处理的系列造林技术研究, 各种试验小区面积400~800 m², 均设置3次以上重复, 随机排列。

本研究3 a后, 更新林带已郁闭成林, 2000-05调查, 各更新造林树种幼林保存率、生长状况和防风效能如表 2。防风效能式中, u_{x, z}为距林带为x、高度为z处的平均风速; u_{0, z}为同一高度旷野的平均风速。表 2表明, 采用带内隔带更新方式, 4个造林树种均已郁闭成林, 造林保存率90%以上, 幼林生长量都比较大, 树高生长量多数已达到速生丰产林标准, 开始发挥防护功能。经测定, 木麻黄幼林内平均相对风速为12.6%, 比采伐后带内风速减少10%左右, 约为老林带的40%左右。因此, 对海岸强海风区木麻黄基干林带用带内隔带更新方式可以达到保存率高、生长快、郁闭早、短期内恢复林带和防护功能持续发挥的预期目的, 是海岸强海风区基干林带更新方式的重大突破。其主要优点: (1)在更新期间可以基本保持原林带防护功能。(2)可以利用原林带对更新幼林提供防护、减轻风沙对幼林的危害。(3)利用原林带为更新幼林生长创造较有利的生长条件, 促进更新林带快速生长, 在较短时间内形成新的林带, 这种更新方式可广泛应用于片状基干林带中不同类型林带的更新。方差分析结果表明, 更新带宽10~30 m之间木麻黄生长无明显差异, 但30 m更新带林内相对风速显著高于10~20 m更新带, 湿地松树高偏小, 木麻黄和湿地松枝叶干枯较严重。更新带宽, 视基干林带宽度、海风强弱而定, 一般强海风区较窄基干林带更新带宽10~20 m, 弱海风区较宽的基干林带更新带宽为20~30 m。更新带宽度对4个树种生长有不同影响, 就木麻黄、刚果12号桉和厚荚相思而言, 影响不明显, 但对湿地松会产生一定影响, 更新带宽度30 m时, 湿地松树高和直径生长量明显低于其他2种处理, 因秋冬季风力大, 导致部分湿地松针叶干枯, 影响生长。在强海风区用湿地松更新, 更新带宽度以10~20 m为宜。

表 2 基干林带内隔带更新方式和更新带效果比较^① Tab.2 The comparison of effects of regeneration modes and regeneration strip width within backbone forest strips

表 2 基干林带内隔带更新方式和更新带效果比较① Tab.2 The comparison of effects of regeneration modes and regeneration strip width within backbone forest strips

本试验先后进行2次, 现将2次试验各参试树种幼林生长状况和更新效果列于表 3。从2次试验结果来看, 在所有参试树种中, 除山地木麻黄、乌墨外, 大部分树种保存率较高, 尤其是木麻黄、厚荚相思保存率和生长量都比较大。但与带内隔带更新方式比较, 生长量偏小, 林木生长纤细, 如木麻黄径高比高达1:185.9, 湿地松也出现顶端向透光处偏斜。由于幼林处于林冠下层, 受林带中大树遮荫而光照不足所致。研究表明, 林带郁闭度 < 0.4时, 木麻黄和湿地松幼林生长较好(林武星等, 1999)。我们曾将部分林冠下造林湿地松示范林, 在5 a生时伐除上层林木, 增加光照, 3 a后直径生长量可增加47%。这种更新方式, 可在不破坏前沿基干林带的前提下进行, 逐步改造成多树种组成的异龄复层林带, 适用于前沿稀疏基干林带原带更新。

表 3 基干林带林下套种造林更新方式的效果 Tab.3 Effects of regeneration by interplanting plantation under forest of backbone forest strips

表 3 基干林带林下套种造林更新方式的效果 Tab.3 Effects of regeneration by interplanting plantation under forest of backbone forest strips

1998-05对东山县赤山林场海岸风口强海风区低矮屋脊形通风结构和疏透结构林带, 采用疏伐套种木麻黄、湿地松、刚果12号桉、厚荚相思、大叶相思、马占相思和纹荚相思等7个树种, 造林2 a后调查, 各树种的造林保存率和生长情况如表 4。

表 4 疏伐套种更新方式试验结果 Tab.4 Experimental results of thinning and interplanting regeneration modes

表 4 疏伐套种更新方式试验结果 Tab.4 Experimental results of thinning and interplanting regeneration modes

表 4表明, 在海岸风口强海风区不良生境基干林带中, 采用疏伐降低郁闭度至0.2~0.3后, 林下套种更新方式的造林效果是令人满意的。在套种的7个树种中, 造林保存率均在90%以上, 早期生长迅速, 如木麻黄优良无性系、湿地松、刚果12号桉、厚荚相思、纹荚相思等, 均表现出对强海风区不良生境条件的适应性。究其原因, 主要是更新林带外侧有老林带保护, 上方保留适量大树遮荫和防风, 林中风力小、光照适中, 林内湿度较大、土壤温度较低、水分含量较高, 较适宜幼林生长。试验结果表明, 通过这种更新方式, 可将木麻黄基干林带改造成为多树种组成的小块状混交配置的异龄复层林带。

自1992-03以来, 在东山县赤山林场多次用10余个树种和木麻黄优良无性系, 于海岸风口不同类型基干林带采用不同更新方式进行更新造林, 并对更新树种进行筛选, 试验结果如表 5。表 5表明, 所有造林树种除乌墨和山地木麻黄外, 其余树种保存率均在90%以上。根据各树种的适应性和生长表现, 筛选出木麻黄701^#、东1^#无性系、厚荚相思、纹荚相思、刚果12号桉、湿地松等作为海岸风口不同类型基干林带主要更新树种。但是, 刚果12号桉实生苗造林后生长分化比较严重, 应选择优良家系或无性系苗造林, 湿地松在海岸风口强风区造林, 若更新带过宽且缺乏老林带有效防护秋冬针叶容易发生干枯, 影响幼树生长, 用于更新造林需有老林带保护, 不宜在最前沿造林。厚荚相思具有抗风耐盐较耐荫蔽和根瘤量多、枯枝落叶量大等适应性强、改良土壤的优点, 但其树冠庞大, 根系浅, 容易风折和风倒(潘志刚等, 1994)。更新造林时, 应与木麻黄、刚果12号桉、湿地松等混交配置, 在风口地带不宜营造大面积纯林。

表 5 不同类型林带多树种造林更新效果比较 Tab.5 The comparison of regeneration effects of different forest belts planted with multiple tree species

表 5 不同类型林带多树种造林更新效果比较 Tab.5 The comparison of regeneration effects of different forest belts planted with multiple tree species

海岸风口木麻黄基干林带更新造林难度大的原因除秋冬季东北风盛行、强海风挟带盐雾对木麻黄幼苗造成伤害外, 秋冬季长期干旱少雨, 土壤缺水贫瘠常导致更新幼林大量干枯死亡。我们于1998-10下旬和1999-12下旬对东山县赤山林场海岸风口基干林带更新幼林土壤含水率用环刀法进行采样测定, 发现风积粗沙地20 cm土层含水率为0.9%~1.1%, 40 cm土层含水率2.1%, 有少量木麻黄和湿地松幼树枯死, 12月下旬20 cm土层含水率为0.27%~0.57%, 40 cm土层为0.30%~0.76%, 3 a生木麻黄和湿地松幼林大量干枯死亡。老林带木麻黄大树也大量死亡。因此, 在海岸风口风积粗沙地基干林带更新造林时, 进行抗旱造林配套技术研究显得十分重要, 并在不同类型林带更新造林中发挥了重大作用, 取得了明显效果(表 6)。以上试验结果表明, 基干林带更新造林, 广泛采用抗逆性强的木麻黄种源和优良无性系, 如澳15198种源和东1无性系, 挖深穴(50 cm)整地, 每穴放适量客土(20 kg), 施过磷酸钙(50 g), 提早造林季节, 春天雨季造林, 抓住大雨天水分充足天气、客土拌泥浆冒雨造林和容器苗大苗深栽40~50 cm等抗旱造林技术, 造林保存率大致可提高10%~20%。湿地松造林时放客土与不放客土处理比较, 3 a中保存率提高20%, 幼林生长量提高近1倍。

表 6 木麻黄和湿地松抗旱造林效果比较 Tab.6 The comparison of drought-resistant planting effects of Casuarina equisetifolia and Pinus elliottii

表 6 木麻黄和湿地松抗旱造林效果比较 Tab.6 The comparison of drought-resistant planting effects of Casuarina equisetifolia and Pinus elliottii

我国东南沿海木麻黄基干林带的更新问题, 在理论上和技术上长期不能取得突破, 多年来一直成为一个颇受关注的热点和难点。由于基干林带构成沿海防护林体系防风固沙的第一道防护屏障, 其重要性不言而喻。且基干林带大多处于海岸风口地带, 强海风、盐雾、秋冬季干旱缺水等恶劣的生境条件, 对林带更新造林产生制约和影响。为了从林带更新的理论和造林关键技术上取得突破, 在林文棣等海岸护林造林立地分类研究的基础上, 我们提出把林带生境条件(立地分类基础)与林木生长、结构特征和防风效能相结合的林带分类依据和方法, 建立海岸风口木麻黄基干林带类型分类系统, 并把当地木麻黄基干林带划分为9个主要类型。在确定主要林带类型的基础上, 又提出林带分类更新的理论和不同立地区主要类型林带的更新期及更新造林技术。由于在林带分类理论研究上的突破, 以及林带更新方式、树种选择和造林技术的不断创新, 从而有力地推动了木麻黄基干林带更新造林的顺利发展。

由于基干林带的重要地位和独特的防护功能, 对其更新方式必需十分慎重。以往有的生产单位多采用由林带内侧向林带外沿连片采伐更新方式。不仅更新效果差, 而且, 往往破坏了林带结构, 形成新的断带和风口。我们认为, 在确定海岸强海风区木麻黄基干林带更新方式时, 首先, 必需要有一个前提条件, 这就是不论采取何种更新方式, 林带前沿应保留一定宽度(50 m左右)的老林带, 保持林带闭合状态和整体性, 保持林带永续防护功能。其次, 林带中更新带不宜过宽, 且更新带中需保留部分老林带和大树, 在新林带尚不具备防护功能时, 让其继续发挥防护作用, 促进新林带成长。待新林带形成并发挥防护功能后, 才可将保留的老林带逐步进行更新, 也就是要保证林带更新和防护功能永续发挥。在此基础上, 我们研制出根据2种立地区、林带类型和更新期分别采用相应的更新方式, 如连片林带采用与林带走向相同的带内隔带更新方式, 更新带间保留15~20 m宽老林带。更新带宽度控制, 强海风区的各类林带10~20 m, 弱海风区20~30 m。也可采用疏伐套种更新方式, 但更新林带外侧和更新带中仍需保留一定数量大树, 让其继续发挥防护作用, 强度控制为株数2/3左右, 疏伐后林带郁闭度控制在0.2~0.3。而基干林带前沿各类稀疏通风结构林带则采用林冠下造林更新方式, 待更新幼林树高长至2~3 m后, 再逐步伐除原带老树, 培育成多树种多层次疏透结构林带, 林带郁闭度控制在0.3~0.4。有些基干林带前沿尚存有沙滩地, 也可重新造林, 待其形成新的接班林带后, 再对老林带进行更新。按照海岸带立地区和林带类型分别采取不同更新方式, 大部分更新林带各种造林树种保存率高、生长迅速, 造林后3 a内可郁闭成林, 并发挥防护功能。其中, 带内隔带更新方式2 a新林带的防风功能, 林内相对风速由更新开始时的20%左右降至约10%。在海岸带风口木麻黄基干林带更新方式研究领域有重大创新。这些更新方式已被生产单位认同并普遍采用。

我们在基干林带更新造林试验中, 先后应用10多个树种和多种木麻黄优良种源和无性系造林。根据树种适应性、速生性和防护功能相结合的原则, 从中筛选出木麻黄澳15198种源、东1、701^#, 501^#无性系和厚荚相思、纹荚相思、刚果12号桉、湿地松、火炬松等作为基干林带更新造林树种, 增加了基干林带更新造林树种。为防止或减轻湿地松在秋冬季因风害枯梢, 更新带宽度以10~20 m为宜。用这些树种进行多树种造林, 对改变木麻黄防护林树种单一化有重大作用。同时可以增加防护林生物多样性、遗传多样性、景观多样性, 改善基干林带结构和提高防护功能。

我国东南沿海在木麻黄防护林苗木规格、造林季节和造林技术等方面, 已经积累了较丰富的经验, 取得了十分显著的效果(中国树木志编委会, 1978)。但在基干林带更新造林关键技术方面, 我们则因应其秋冬季大风、干旱少雨、土壤缺水贫瘠等不良生境条件, 经多年攻关研究, 总结提出挖深穴整地、放适量客土、施磷肥、拌泥浆、春季雨天冒雨造林、用容器苗大苗深栽和幼林培土保墒抚育等系列化抗旱造林技术。经多年来造林实践证明, 应用这套技术, 一般可使多数造林树种造林保存率达到90%左右, 且早期生长迅速, 较好地解决了沿海木麻黄基干林带更新造林保存率低、幼林生长不良的技术难题。这一技术已为当地生产单位普遍采用, 并取得良好效果。