王佳欢，张晨星，扈梦梅，王会岳，杨新兵,

(1 河北农业大学 林学院，河北 涞水 071000；2 河北瀚捷工程咨询有限公司，河北 石家庄 050081；3涞水县国营赵各庄林场，河北 涞水 074100)

森林蓄积量是一定林区中林木树干部位的总材积量，它反映了森林的资源总量和水平。近年来，通过探究植被蓄积量在空间分布上的特征，了解和掌握环境因子对植物的影响已成为林学、生态学等学科研究的重点。气候因子、海拔、坡向等地形因子以及土壤理化性质等对物种分布具有重要影响[1]。韩芳[2]等人研究泰山景区内油松纯林的地形分异特征，结果表示油松纯林多分布于海拔900～1 400 m地区，在坡度高于23°的山地上，海拔越高油松纯林比重越大。唐洋[3]等人分析刺槐(Robiniapseudoacacia)在黄土丘陵区不同立地条件下的适应机制，得出刺槐在阳坡和下坡位适应成本较低的结论。付晗[4]等人在应用树高生长理论方程模拟不同立地条件下树高生长过程的基础上探究得到刺槐在阳坡、半阳坡生长优于阴坡、半阴坡的结论。张江涛[5]等人研究发现豫西丘陵区刺槐无性生长率与积温呈反比，与降雨量呈正比。越来越多的学者通过分析林木生长与地形、气候等环境因子的响应关系来探寻林木适宜生境，众多研究表明不同立地条件的分析对于林木适宜生境的探寻存在一定的可研究性。

刺槐是河北省主要造林树种之一，广泛分布于燕山、太行山地区。刺槐本身具有一定的抗旱能力，对土壤要求不高，多用于绿化荒山、水土保持等工作中。基于ArcGIS软件对2016年河北省刺槐调查数据进行分类处理，分析刺槐林在不同条件下(地级市、林龄、林种、地形因子)的面积和蓄积量分布特征，探寻刺槐生长适宜的立地条件，旨在为河北省刺槐适地适树造林提供借鉴。

1 研究区概况

河北省地处华北地区，界于北纬36°05′～42°40′，东经113°27′～119°50′之间，东临渤海，西倚太行山脉，北邻内蒙古高原，南部、东南部与河南、山东接壤，总面积18.88万 km2。河北省地跨海河、滦河两大水系，境内河流多发源于燕山、太行山和冀北山区，地形结构复杂，植被种类丰富，土壤类型以褐土、潮土、栗钙土、棕壤土为主[6]。河北属温带大陆性季风气候，大部分地区四季分明，年均降水量为484.5 mm，全年平均气温介于-0.5 ℃至14.2 ℃之间。

2 研究方法

研究采用的数据为河北省刺槐资源调查数据(含地区边界数据、地形数据和刺槐相关属性信息)对河北省11个地级市、4个林种、不同龄组的单位蓄积量、总蓄积量进行统计对比。

依据刺槐蓄积量计算要求筛选胸径≥5 cm的刺槐小班。根据小班面积、株数、刺槐二元材积公式[5]计算单位蓄积量和总蓄积量,公式为：

V= 0.000 071 182 990 ×D1.941 487 4×H0.814 870 80

式中，V代表材积(m3)、D代表胸径(cm)、H代表树高(m)。

将刺槐林分为天然次生林和人工林两种，天然次生林起源于天然实生和天然萌生，人工林起源于人工萌生、植苗、飞播造林。将天然林和人工林划分为同样的5个龄组：幼龄林(≤5 a)、中龄林(6～15 a)、近熟林(16～20 a)、成熟林(21～25 a)、过熟林(≥26 a)，龄级为5 a[7]。

采用ArcGIS 10.2软件提取海拔、坡度、坡向等地形因子，将单位蓄积量和地形因子要素数据转为栅格数据并划分梯度，利用重分类功能对栅格数据进行处理，面积制表将单位蓄积量与地形因子叠加分析。海拔分为7个等级梯度(≤200、200～400、400～600、600～800、800～1 000、1 000～1 200、≥1 200 m)，坡度分为6个等级梯度：平坡(0～5°)、缓坡(5°～15°)、斜坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)、急坡(35°～45°)、险坡(≥45°)，根据国家林业调查坡向划分要求，将坡向分为9个方向：无坡向(坡度<5°)、东坡(67.5°～112.5°)、东南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)、西北坡(292.5°～337.5°)、北坡(337.5°～360°、0°～22.5°)、东北坡(方位角22.5°～67.5°)。

3 结果与分析

3.1 不同地级市刺槐林蓄积量分布

不同地级市刺槐林蓄积量分布研究结果见表1。

表1 各地级市刺槐蓄积量分布表Table 1 Distribution of Robinia pseudoacacia accumulations by city level

由表1可知，河北省刺槐林总面积为18.222 3万 hm2，总蓄积量为384.721 5万 m3，单位蓄积量为21.112 7 m3/ hm2。结合图1、图2可知，刺槐林面积承德最大(6.683 4 万 hm2)，其次是石家庄(5.034 3 万 hm2)、保定(3.938 1 万 hm2)，张家口刺槐林面积最小(0.011 5 万 hm2)。刺槐蓄积量承德地区最大(111.775 9 万 m3)，廊坊地区最小(0.452 8 万m3)。单位蓄积量依照不同地级市大小排序为：沧州(62.102 4 m3/hm2)>衡水(61.212 8 m3·hm2)>张家口(43.570 2 m3/hm2)>邯郸(41.186 0 m3/hm2)>唐山(39.062 7 m3/hm2)>邢台(36.646 5 m3/hm2)>秦皇岛(35.159 3 m3/hm2)>廊坊(28.882 2 m3/hm2)>石家庄(20.842 2 m3/hm2)>保定(17.884 6 m3/hm2)>承德(16.724 4 m3/hm2)。

3.2 不同龄组刺槐林蓄积量分析

不同龄组刺槐林蓄积量分布研究结果见表2。

表2 不同龄组刺槐蓄积量分布现状Table 2 Distribution of Robinia pseudoacacia in different age groups

由表2可知，河北省刺槐林面积主要以中龄林(6.890 3 万 hm2)和近熟林(6.112 8 万hm2)为主，二者占刺槐林总面积的71.36 %，面积最小为幼龄林(0.204 7 万 hm2)，仅占刺槐林总面积的1.12%。刺槐林蓄积量近熟林最大(119.191 3 万 m3)，幼龄林最小(2.373 1 万 m3)。刺槐林单位蓄积量大小排序为：过熟林(41.782 0 m3/hm2)>成熟林(26.722 0 m3/hm2)>近熟林(19.498 8 m3/hm2)>中龄林(14.415 3 m3/hm2)>幼龄林(11.591 2 m3/hm2)，随着树龄的增加单位蓄积量逐渐增大。随着林龄的增长，龄组平均胸径差分别为0.60 cm、1.28 cm、1.20 cm、1.82 cm，平均树高差分别为0.51 m、0.30 m、0.55 m、0.50 m。

3.3 不同林种刺槐林蓄积量分析

不同林种刺槐林蓄积量分布研究结果见表3。

表3 不同林种刺槐蓄积量分布现状Table 3 Distribution of Robinia pseudoacacia in different forest species

根据2011年实施的森林资源规划设计调查技术规程(GB/T 26424-2010)[8]，将刺槐分为4个林种(13个亚林种)：防护林(水源涵养林、水土保持林、防风固沙林、农田牧场防护林、护岸林、护路林、其他防护林)、特殊用途林(国防林、风景林、环境保护林、自然保护区林)、用材林和薪炭林。由表3可知，刺槐林亚林种最大为水土保持林(11.051 4万hm2)，其次为水源涵养林(3.437 6 万 hm2)，防风固沙林最小(0.000 9 万 hm2)。总蓄积量最大为水土保持林(220.474 0 万 m3)，最小为防风固沙林(0.043 9 万 m3)。单位蓄积量大小排序为：护岸林(82.404 1 m3/hm2)>防风固沙林(50.721 3 m3/hm2)>风景林(40.755 2 m3/hm2)>环境保护林(39.762 1 m3/hm2)>自然保护区林(35.213 8 m3/hm2)>其他防护林(33.755 1 m3/hm2)>护路林(33.426 5 m3/hm2)>农田牧场防护林(25.965 2 m3/hm2)>国防林(22.190 2 m3/hm2)>用材林(20.391 5 m3/hm2)>水土保持林(19.949 8 m3/hm2)>水源涵养林(18.182 8 m3/hm2)>薪炭林(9.375 3 m3/hm2)。

综上，刺槐防护林面积(14.604 2 万 hm2)、蓄积量(291.978 2 万 m3)最大，薪炭林面积(0.068 6 万 hm2)、蓄积量(0.643 6 万 m3)最小，单位蓄积量排序为：特殊用途林(36.706 7 m3/hm2)>用材林(20.391 5 m3/hm2)>防护林(19.992 8 m3/hm2)>薪炭林(9.375 3 m3/hm2)。

3.4 地形因子与刺槐林蓄积量关系分析

3.4.1 海拔与刺槐林蓄积量关系分析 不同海拔梯度刺槐林蓄积量分布研究结果见表4和图1。

表4 海拔-单位蓄积量面积统计表Table 4 Altitude-unit accumulation area statistics

图1 刺槐林面积与海拔的关系Figure 1 The relationship between the area of Robinia pseudoacacia forest and altitude

将刺槐单位蓄积量与海拔进行数据叠加，得到不同等级单位蓄积量沿海拔梯度分布情况。由表4和图1可知，随着海拔的不断升高，刺槐分布呈现出先增后减的趋势。海拔400～600 m刺槐总面积最大，为5.794 2 万hm2，其次是海拔600～800 m范围，为5.194 2万hm2，二者占统计面积的60.30%。单位蓄积量≤5 m3/hm2的刺槐主要分布在海拔400～600 m之间，面积为0.679 1 万hm2；单位蓄积量5～10 m3/hm2、10～15 m3/hm2、15～20 m3/hm2、20～25 m3/hm2、≥25 m3/hm2的刺槐均主要分布在海拔400～800 m之间。在各等级单位蓄积量中，分布在海拔400～600 m地区的刺槐面积均是最大(除单位蓄积量≥25 m3/hm2的排第2)。

3.4.2 坡度与刺槐林蓄积量关系分析 不同坡度梯度刺槐林蓄积量分布研究结果见图2和表5。

图2 刺槐林面积与坡度的关系Figure 2 Relationship between the area of Robinia pseudoacacia forest and slope

表5 坡度-单位蓄积量面积统计表Table 5 Slope-statistics of unit storage area

将刺槐单位蓄积量与坡度进行数据叠加，得到不同等级单位蓄积量沿坡度等级分布情况。由表5和图2可知，随着坡度的不断升高，刺槐的分布呈现出先增后减的趋势。坡度15°～25°的地区刺槐面积最大(10.066 3 万 hm2)，占总面积的55.24%。其次是坡度5°～15°的地区。单位蓄积量≤5、5～10、10～15 m3/hm2的刺槐主要分布在坡度5°～25°之间，面积分别为1.565 6 万hm2、4.529 5 万hm2、2.420 9 万hm2；单位蓄积量15～20、20～25、≥25 m3/hm2的刺槐主要分布在坡度15°～25°之间，面积分别为1.267 9万hm2、0.905 6万hm2、2.316 1万hm2。各等级单位蓄积量刺槐面积随着坡度的不断增大呈现出先增后降的趋势，且在坡度上的面积分布由大到小：斜坡(15°～25°)、缓坡(5°～15°)、陡坡(25°～35°)、平坡(0°～5°)、急坡(35°～45°)、险坡(≥45°)。

3.4.3 坡向与刺槐林蓄积量关系分析 不同坡向刺槐林蓄积量分布研究结果见表6和图3。

表6 坡向-单位蓄积量面积统计表Table 6 Statistics of aspect-unit storage area

图3 刺槐林面积与坡向的关系Figure 3 Relationship between the area of Robinia pseudoacacia forest and aspect

将刺槐单位蓄积量与坡向进行数据叠加，得到不同等级单位蓄积量在不同坡向上的分布情况。由表6和图3可知，不同坡向上刺槐面积由大到小排序为：东、东南、西南、南、东北、西、西北、北、无坡向，分布在东、东南、南、西南4个坡向的刺槐面积较大(9.841 2 万 hm2)，占总面积54%；分布在西、西北、北、东北4个坡向的刺槐面积较小(8.381 1 万 hm2)，占总面积46%。各等级单位蓄积量刺槐面积由南向北分布上呈现出先增后降的趋势，且在东、东南2个坡向上的面积分布多于其他坡向。

4 结论与讨论

河北省刺槐林面积18.222 3万hm2，总蓄积量384.721 5万m3，单位蓄积量21.112 7 m3/hm2，从结果分析看刺槐存在明显的空间分布格局。有研究表示，刺槐生长与土壤质地、温度、气候等自然条件存在不同程度的关系，韦景树[9]在黄土高原人工刺槐林生长退化研究中表明增温少雨的气候条件是限制林木生长的主要因素之一；基于张艺[10]对北京山区刺槐林的研究，刺槐净初级生产力与降水量(300～800 mm内)呈正相关关系，与平均温度的年变化无明显相关关系。结合省内自然条件，燕山——太行山迎风坡、承德南部地区年降水量较大，坝上高原、冀中南平原年降水量偏低[11]，全省年平均气温11.8 ℃，北部、中部偏低，东部、南部偏高，唐山、承德、秦皇岛3地和张家口部分地区为土壤半湿润区，其余为土壤半干旱区[12]。本研究中河北省刺槐林集中分布于承德、石家庄、保定地区，丰沛的降水、适宜的温度和土壤干湿度满足了刺槐对适宜生境的要求，研究结果与上述学者表述具有一定相似性。刺槐面积、蓄积量较大地区单位蓄积量小，抚育管理措施有待提高。

作为速生树种的刺槐，罗军伟[13]研究发现鲁中山区不同立地条件下10 a、20 a、30 a生刺槐平均树高、平均胸径、平均材积量均差异显著；郭建斌[14]研究刺槐种植密度对植被生长的影响，表示高密度林分林木树高、胸径、冠幅均小于低密度林分的林木。研究结果中，河北省刺槐林以中龄林、近熟林为主体，不同林龄在平均胸径、平均树高均存在不同程度的差异，单位蓄积量逐龄递增，其中中龄林较近熟林面积大、蓄积量小，中龄林时期为刺槐的速生时期，通过抚育间伐来降低林分密度，创造适宜生境促进林木生长，与罗军伟、郭建斌研究表述相似。

在景观尺度上，不同林种的刺槐产生不同的生态效益，李慧茹[15]等人研究发现在陕北县南沟流域刺槐多用于生态防护；段媛媛[16]等人通过研究陕北丘陵区不同植被的景观效益，发现人工刺槐林的土壤改善和水土保持作用明显。本研究结果中，河北省刺槐林多用于水土保持、护岸、护路等防护用途，在京津冀一体化区域生态防护中，燕山-太行山生态涵养区[17]刺槐林多用于防护用途，且面积、蓄积量均大于其他刺槐林种，与李慧茹、段媛媛研究结果一致。因用途和栽植地区差异，不同林种刺槐受到的干扰以及生存环境大相径庭，特殊用途林、用材林人为保护力度远大于自然干扰；防护林生存环境相对较差，林木生存以防御为主要策略；薪炭林因生产生活需求定期采伐，林种的不同造成单位蓄积量的巨大差异。

河北省刺槐适宜生境为海拔400～800 m、坡度15°～25°、坡向为阳坡和半阳坡地区，在刺槐林适宜生境的探索中，地形因子作为影响刺槐蓄积量大小的重要因素，往往受到学者们的关注。陈海燕[18]探究山东徂徕山林场刺槐林空间分布特征，研究表示刺槐人工林胸径、冠幅、材积随坡向由阳转阴呈先增后减趋势，坡度通过影响土壤水分、养分间接影响刺槐生长，坡度越大长势越差。本研究中海拔400～800 m为刺槐适宜区，随着海拔的升高或降低刺槐分布缓慢减少，海拔对刺槐影响性较低；本研究中坡度15°～25°为刺槐适宜区，随着坡度的升高或降低刺槐分布快速减少，坡度小影响太阳辐射量，坡度大水土流失严重，与陈海燕研究结果一致。刘宁侠[19]等人探究北京山区刺槐造林适宜性，研究发现土壤厚度、坡度对刺槐的影响大于坡位、土壤类型，海拔对刺槐影响最小。本研究中刺槐林多分布于阳坡、半阳坡地区，较阴坡、半阴坡地区光照充足、温度高、水分蒸发大，刺槐适宜性较好，随着坡向的由阳转阴呈现先增后降的规律且增降幅度小，坡向对刺槐影响性较小，与刘宁侠研究结果一致。在与前人研究成果对比分析的情况下，表明本研究成果具有一定的准确性，可为河北省刺槐林栽植提供科学借鉴，但基于自然条件的物种适宜生境探究离不开人为影响，刺槐原产北美，作为外来物种，林木的育种、更新都掺杂人为因素，刺槐对于环境的适应并不单单是自然形成，适宜生境探究有待进一步加强。