沙地樟子松人工林衰退原因分析

沙地樟子松人工林衰退原因分析

1人工固沙林的选择、引种、造林樟脑松，俗称东北海拉松，是松科malta的双维管束松科aee。它来自中国大兴安岭和呼伦贝尔草原的红色金潮沙地。它具有抗寒性、抗旱性和速食性等特点。是我国北方半干旱沙地的主要树种，形成了抗风、防沙林、农业防护林、水土保持林和木材。其树干通直,材质良好,防风固沙作用显著,用途广泛。尤其自20世纪50年代在辽宁省彰武县章古台(42°43′N,122°22′E)人工引种用于固沙造林试验成功以来,人工造林发展很快,辽宁、内蒙、陕西、甘肃和新疆等三北(华北、东北、西北)13个省(自治区)300多个县(旗)先后引种栽培取得了成功,并进行了相应的引种造林和抗性试验研究。但自20世纪90年代以来,沙地樟子松人工固沙林出现了不同程度的衰退现象(叶枝变黄,进而全树枯死);更为严重的是目前我国沙地樟子松人工造林仍在北方干旱、半干旱地区大面积推广。本文重点介绍樟子松群体的天然分布及沙地樟子松的引种栽培研究现状,以期为该树种的引种及相关研究提供科学依据。2沙地樟子松天然林分布现状樟子松是欧洲赤松(Pinussylvestris)分布至远东的一个地理变种,天然分布于我国大兴安岭和呼伦贝尔沙地草原,苏联、蒙古也有分布(46°30′~53°59′N,118°00′~130°08′E),垂直分布于海拔600~2000m。赵兴梁等根据樟子松的分布生境、树干和冠形等特点将其分为2个生态型:山地樟子松和沙地樟子松。山地樟子松林分布于俄罗斯西伯利亚和我国大兴安岭,尤其集中分布呼玛河以北,在呼玛河以南呈星散状分布在较陡的阳坡或半阳坡上;沙地樟子松林主要集中分布在呼伦贝尔高原东部、海拉尔河中游及支流伊敏河、辉河流域河哈拉哈河上游一带的固定沙丘上,地理范围在47°~49°N,119°~120°E,形成了长约200km,宽在14~20km的沙地樟子松天然林带。在沙地樟子松天然分布区内,其分布是断续的,较完整的有3块:嵯岗至完工一段,海拉尔西山、北山一片和红花尔基至哈拉哈河一段。嵯岗至完工一段河岸沙丘的樟子松林带长约13~14km、宽约2km,间断分布,林分稀疏,具有小块丛林的景象,大部分为单株或数株疏生。由于放牧及人类活动频繁,林下沙土已裸露,有的已变成流动沙丘,但是更新情况较好,幼树群在大树周围随处可见,在水分较好的低地、沙丘的阴坡,幼树成丛着生,更新旺盛。海拉尔市西山和北山上的樟子松林在20世纪初还较茂盛,林相比较整齐,后来由于人为破坏,林分渐稀。红花尔基以南的樟子松林带是3片中最大的一片,最有代表性,常形成纯林为主的森林群落,这片林带长约150km、宽10~20km,由东北向西南间断分布,直至中蒙边界的哈拉哈河附近。它由无数的团状和窄带状丛林所构成,其间为较宽阔平坦的草原植被所分隔,呈一种明显的森林草原景观。3固沙造林工作樟子松首次人工栽植成林要属黑龙江省黑河市爱辉镇(49°30′N,126°5′E)附近。在清朝的某一户人家的墓地周围栽植了一片樟子松林,这应算是樟子松引种成功的首例。20世纪50年代中国科学院林业土壤研究所(现为中国科学院沈阳应用生态研究所)与辽宁省章古台固沙造林试验站(现为辽宁省固沙造林研究所)的科研人员一起,在科尔沁沙地东南缘的辽宁省彰武县章古台开展了固沙造林研究工作,并取得了成效,为半干旱沙地类型的地区引种樟子松提供了依据。近50年以来,我国非常重视沙地造林工程建设,特别是1978年“三北”防护林体系建设以来,推动了沙地樟子松引种、造林工作;据统计,到1995年为止,樟子松人工林面积已达4.0×106hm2,其中,较早引种的有辽宁、吉林、黑龙江三省。樟子松现已成为我国三北防护林工程和防沙治沙工程的主要乔木造林树种之一。3.1种子萌发与生态因子聚类关系种源是指在种内由于特殊生境作用,经过长期选择形成一个比较稳定的亚群体。不同的种源,由于其生境的不同,品质间会有很大差异。樟子松的种源试验是20世纪70年代末和80年代初开始的,其目的之一是为各造林地区选择生产力高、适应性强的最佳种源。20世纪90年代的一系列种源试验研究表明[4,11,12,13,14,16,23,24,32,34,36,46],各地种子及其幼苗形状存在显著差异,种子的大小、重量与经纬度呈极显著的负相关,从西南到东北,种子有越来越小越轻的变化趋势,即种子大小轻重呈纬向经向双重变异;种子萌发能力与纬度呈极显著的正相关,高纬度地区种子萌发的适应能力高;根系长度与经度呈显著的负相关;各地生态因子聚类与种子及其幼苗形状聚类基本吻合,并初步将樟子松的种源划分为:大兴安岭北部种源区,包括漠河(53°29′N,122°21′E)、图强(53°20′N,122°50′E)、塔河(52°19′N,124°23′E)、金山(52°7′N,126°29′E);呼盟高原干旱种源区,包括红花尔基(48°16′N,120°01′E)、阿尔山(47°10′N,119°57′E)、罕达盖(47°31′N,119°25′E);小兴安岭种源区,即卡伦山(50°15′N,127°17′E)。刘桂丰等在20世纪90年代初分析的基础上,再一次对东北林业大学帽儿山实验林场的17年生樟子松种源试验林进行了调查分析,结果验证了其1991年种源区划的合理性,并确定帽儿山(45°20′N,127°22′E)及其毗邻地区的最佳种源(产地)为高峰(49°10′N,125°14′E)、卡伦山和红花尔基种源。另外,刘桂丰等还认为高峰和章古台是产地而不是种源,因为高峰的造林用种子来自金山,而章古台造林用种子来自红花尔基。同时还指出,欧洲赤松共分5个亚种,其中库仑达亚种(Pinussylvestrissubsp.kulundensis),尤其是赤塔区阿穆尔河流域的带状欧洲赤松库仑达亚种林可能是我国呼伦贝尔沙地樟子松的祖先。3.2樟子松种子的质量和遗传特性3.2.1各无性系间种子产量及与种子关系樟子松是雌雄同株异花授粉的常绿乔木树种,但是林分内个体之间存在着明显的偏雌、偏雄现象,从而使结实量变异性十分明显。研究表明,林内的结实量与偏雌株的多少直接相关;偏雌的母树结实量高、结实层厚、结实枝多、主杆节间距大。刘录等认为,对球果、种子进行优劣判别时,不能以大小而决定取舍;各无性系结实量的多少主要受单个球果重、球果数、出种率及千粒重等因子的制约。不同无性系间的千粒重、发芽率及发芽势相差较大;在留优去劣、淘汰不良无性系时,应根据对种子品质测定的结果,全面、综合地加以衡量考虑。徐树堂对章古台樟子松种子园21个无性系主要性状、开花习性及产种量进行的调查分析结果表明,各无性系间种子产量有明显差异,树高、胸径、冠幅与产种量间相关极显著。同时该研究还指出降雨量大、低温、高湿影响花粉正常飞散,进而影响无性系出种率及种子产量。许广岐等认为,疏伐可有效的促进母树林的开花结实,疏伐强度与母树林单位面积产种量密切相关,疏伐促进林木结实的主要原因是疏伐改变了林内的光照、地面温度等气象因子。刘恩海等研究指出,樟子松是一个变异水平较高的树种,不仅冠型、干型、皮包型、分枝角、侧枝粗度普遍存在变异,而且球果大小、颜色和球果表面鳞盾形状以及种子的颜色、大小也发生变异。在同一林分中,千粒重重的种子空粒率低、出种率高,其综合指数指标远远超过千粒重轻的种子品质;而且种子颜色与种子品质也有关,从出种率、空粒率、千粒重3个指标的综合指数值而言,红花尔基地区以黑色种子品质最好,棕色第二,褐色第三;同时还指出,同一林分不同母树之间球果的个体差异非常显著,球果的长、宽、重量相差悬殊,同一母树球果的形状、颜色和大小是相对稳定的。不同年度母树的结实发生周期性变化,不仅表现单株结实量的丰歉变化,而且种子品质也与丰歉年密切相关,丰年球果产量高,种子品质好。庞志慧等认为,樟子松最佳种源(产地)为章古台、红花尔基和罕达盖。徐树堂等对樟子松14个种源(产地)[高峰、错海(47°23′N,123°55′E)、青山(45°16′N,130°16′E)、石河(45°50′N,127°21′E)、净月潭(43°52′N,125°51′E)、章古台、卡伦山、逊克(49°35′N,128°27′E)、十八站(52°25′N,125°16′E)、塔河、呼玛(51°43′N,126°39′E)、西林吉(52°28′N,122°22′E)、嵯岗(49°05′N,118°07′E)、红花尔基]试验研究表明,不同种源(产地)种子造林的成活率、幼树保存率及抗虫性不同;净月潭、章古台种源造林成活率、幼树保存率较高;抗虫性以章古台和青山最强。3.2.2不同种源间的生长和分布差异樟子松种子及其幼苗性状的地理变异规律研究是种源试验研究的组成部分,多数研究表明,樟子松地理种源间的遗传变异十分明显[5,13,16,22,26,34,36,38,39,47]。庞志慧等认为樟子松在主要性状上差异显著或极显著,苗期和造林后的高生长大多呈紧密相关,苗期生长好的种源,造林后也较好;生长量与纬度呈显著负相关,与年均温度呈显著正相关,偏相关分析也证明了这一变异规律。刘永红等对樟子松在五台(39°09′N,108°55′E)、宁东(33°25′N,108°36′E)、太白(34°04′N,107°19′E)三个地点的苗期和幼林期的生长性状进行分析,所得结论与上述结论基本一致。解奇明等运用同工酶-电泳技术对樟子松天然群体的遗传结构的研究表明,樟子松群体具有较高的变异水平,樟子松群体内分化程度较大,群体间分化较小。并且指出漠河群体、十八站群体、高峰群体与红花尔基群体间的遗传分化明显。刘桂丰等研究表明,不同种源(产地)间胸径、树高、材积的差异极显著;干形、分枝夹角的差异不明显。高峰、卡伦山、红花尔基种源(产地)的生长量最大,而分布于呼伦贝尔沙地的罕达盖、阿尔山种源的生长量较小,种源选择十分有效。地理变异呈纬度单向、负向渐变的趋势,经度则呈随机的变异规律,即山地樟子松分布区(大兴安岭)东部偏南的种源生长量较大,靠近分布区西北的种源生长量较小;沙地樟子松分布区(呼伦贝尔沙地草原)北部的高纬度、低海拔种源生长量较大,靠近分布区南部的低纬度、高海拔的种源,生长量较小。并指出影响种源间变异的主要因子是光照、温度、湿度和无霜期。李爱平等在内蒙古呼和浩特市郊区黄合少林场(40°36′N,112°E)对樟子松种源(产地)二年生苗期性状进行了系统研究,结果表明,各个性状(苗高、地径、针叶长、针叶密度、根系长、茎根比、保存率)种源(产地)间均存在显著差异。刘桂丰等认为,各种源(产地)幼苗的根系长度与经度呈显著负相关,即与降水量呈负相关,茎根比与降水量呈显著正相关。在樟子松自然分布区内,存在着多种遗传差异,这种差异经内蒙古中西部干旱风沙区表现得尤为突出。因此,在不同的生长环境条件下,选择适宜的樟子松种源(产地)就显得更加重要了。在樟子松引种栽培过程中,人工林存在有选优、驯化栽培等过程,可提高种源优良特性及其遗传稳定性,人工林种源有很大的发展前途。但是目前的种源试验研究都是基于1~6年生左右的幼苗生长情况得出的结论,由于树木尚处在幼龄阶段,研究结果仅可为今后相关地区筛选出更适宜的最佳种源提供参考。近年来由于大气干旱,树势衰老,有些种源(产地)部分林分已出现逐渐衰亡的迹象,而且目前我国樟子松人工林仍在北方干旱、半干旱地区大面积推广,所用种源有很大一部分是来自这些已经出现衰退现象的种源地(产地),以衰退人工林种源(产地)发展的二代、三代林分是否有问题,这种衰退是否也具有遗传特性,以及如何培养出抗病虫性强的优良品系,更新樟子松人工林等,已成为当前和今后樟子松种源试验研究的重要课题。3.3引种区气候、降水量的影响樟子松在自然分布区内存在着丰富的变异,影响山地樟子松变异的主要气候因子是日照时数和蒸发量,而影响沙地樟子松变异的主要气候因子则是水分和热量。山地樟子松和沙地樟子松的地理变异都与纬度呈随机变化。由于樟子松分布区环境条件的影响,导致樟子松分布的不连续性,进而引起了其变异的多样性。因此,樟子松引种应以种源试验的结果为依据进行选择。刘桂丰等认为东北的大部分地区可采用高峰、卡伦山、金山种源的种子;大、小兴安岭过渡带-黑龙江沿岸种源区是优良基因资源富集区,除大兴安岭西北部以外,东北地区均可以采用大、小兴安岭过渡带-黑龙江沿岸种源区的种子;在三北干旱和半干旱地区,樟子松引种应以红花尔基的沙地种源为主;对于水分条件较好的地区,采用黑龙江南岸黑河市附近的卡伦山种源。根据气候生态特征,樟子松引种区域可划分为容易引种的气候生态区、适宜引种的气候生态区和难于引种的气候生态区。随着年平均降水量的减少,年平均蒸发量的增加,即年平均蒸发量与年均降水量之比值的增大,引种樟子松的难度也越来越大。樟子松引种到三北地区,降水量将成为其在全区大面积引种的限制因子。一般地说,在降水量不足250(有时300)mm,蒸发量与降水量比值较高(一般在10以上)的半荒漠和荒漠地带,在没有灌溉的条件下,不宜引种樟子松。在半干旱的草原地带,降水量一般在300~500mm,存在着引种樟子松的潜力,但也存在着自东向西引种难度逐渐增大的趋势。在草原沙地上,栽植樟子松前的人工固定流沙和栽植初期的适当灌溉,无疑对樟子松的成活和以后的稳定生长是有好处的。在森林草原带,引种樟子松成功的可能性最大。3.4樟子松在沙地生长和生长中的作用适应是生物对环境变化所做的调节,适应能使植物通过多种途径增加其生存的可能。适应的途径和方式有多种多样,如逃避、忍耐、抵抗、调整、竞争等。因此,樟子松能在不同地区生长,必须具有很强的对环境变化的调节能力,即适应能力;这种适应能力主要表现在形态、生态和生理特征的变化上。樟子松属于喜光树种,深根性,主根、侧根均发达,全光条件下天然更新良好。在风积沙土、砾质粗沙土、黑钙土、栗钙土、淋溶黑土、白浆土上均能生长。樟子松适生于严寒干旱的气候,能忍耐-40℃以下的低温和干燥瘠薄的土壤,如在海拉尔红花尔基一带贫瘠的沙丘上,大兴安岭北部多石砾的山地上,以及呼伦贝尔盟和陕西榆林等地樟子松都生长良好。在20世纪90年代,对三北地区部分沙地引种的樟子松中幼龄林树木生长情况调查表明樟子松在这些地方表现出广泛的适应性。引种樟子松对沙地的适应性与其在形态、生态和生理上的特征有关。在形态上,樟子松的针叶具有一定的旱生叶特征(叶片有发达的角质层、密度小且深陷的气孔、致密的表皮细胞),根系发达;在生态上,樟子松是阳性、耐寒、耐旱、耐瘠薄树种;在生理上,樟子松表现出较高的蒸腾强度(与油松相比),较高的水势和持水力,较低的束缚水/自由水和束缚水含量低等特点。樟子松的上述特征,有利于其在沙地上生长和适应。张锦春等通过民勤(38°34′N,102°59′E)樟子松根系分布及生长调查分析表明:樟子松根系分布集中,在250cm范围内0~20cm土壤层中根量占调查根系总量的50%~60%。樟子松生长迅速,10龄树年高生长量达60cm,粗生长量达1.0cm,移栽苗木2~3年后可达到原地苗的生长速度,樟子松适应性强,同时对温度、光照和水分等因子的敏感性较强,充足的光照、水分,有利于其生长,干旱、低温条件下,生长速度明显减缓。樟子松最早从内蒙古呼伦贝尔地区的红花尔基沙地引种到科尔沁沙地/辽宁省彰武县章古台,至今已有50多年的历史。焦树仁等对章古台地区引种的樟子松生长调查研究得出:樟子松在中幼龄林阶段一直表现稳定,生长较快,但到35~40年以后则出现提早衰弱、生育周期缩短等问题。ZHU等通过对章古台樟子松固沙林与红花尔基沙地樟子松生长的比较研究指出:人工林总的树高和胸径生长以及林分蓄积生长量比天然林增长的快。但是,人工林的生长期短,在章古台樟子松人工固沙林的成熟年龄平均比天然林短60年左右。最主要的原因是由于纬度、海拔和温湿度指数等生态环境的剧烈变化以及造林密度过大和受人为活动的影响。引种地区纬度跨越大,章古台引种区水分、热量比原分布区充足,引起了樟子松自身生长规律的变化,高峰生长期提前、峰值高、峰期短,旺盛生长期缩短等。另外,由于章古台5、6月份降水量少,在干旱年使林分出现水分亏缺;7、8月份降水集中,又造成林分高温高湿的环境条件,在这种水热条件作用下,当林分生长势降低时,便感染枯梢病。由于干旱和枯梢病的影响,林分进一步提早衰弱。高崇华等从20多年的引种结果看,在毛乌素沙地种植樟子松效果良好,其生长情况良好,胸径、树高、蓄积生长量均优于当地乡土树种油松,且抗病虫能力强,是干旱少雨的毛乌素沙地造林较有前途的优良树种。焦树仁等对内蒙古赤峰市敖汉旗(41°42′~43°01′N,119°32′~120°54′E)24年生樟子松林生长情况进行了调查,结果表明,樟子松生长表现基本稳定,生长较快、年平均树高生长量达0.22~0.38m,年平均胸径生长量达0.34~0.59cm,比油松和小叶杨的生长量都高,在沙丘的中上腹比小钻杨也高。干旱瘠薄立地的阳坡、半阳坡宜林荒山上樟子松造林后的前期生长比油松快,效果优于油松。王继和等认为樟子松能适应甘肃干旱区气候的自然生态环境条件,同时长势也优于原产地,是优良的防风固沙造林树种,而且该树种在试验地能抗病虫害、可作为用材林树种,改造当地“小老树”防护林等,其发展潜力大。周晋基等通过对内蒙古黄土高原凉城县六苏木乡(40°30′N,112°31′E)的80年代初引种栽植的樟子松和油松的生长量进行对比分析,结果表明樟子松