水土保持林的密度調(diào)控

翟 瑜

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

中國實(shí)施的天然林保護(hù)工程，將長(zhǎng)江、黃河中上游等生態(tài)環(huán)境地位重要的區(qū)域劃為由禁伐區(qū)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)組成的生態(tài)保護(hù)區(qū)。對(duì)禁伐區(qū)實(shí)行嚴(yán)格管護(hù)，堅(jiān)決禁止采伐;對(duì)生態(tài)恢復(fù)區(qū)內(nèi)的無林地和疏林地，采取封山育林、人工造林、飛播造林及撫育等多種措施，促進(jìn)其植被恢復(fù)，集中治理區(qū)域內(nèi)的水土流失。因此，水土保持林的經(jīng)營(yíng)管理是天然林保護(hù)工程的重中之重[1］，科學(xué)經(jīng)營(yíng)水土保護(hù)林是急需解決的實(shí)際問題。

1 水土保持林的定義及功能

1.1 水土保持林的定義

水土保持林是以防止與調(diào)節(jié)地表徑流，控制水土流失，保護(hù)、改良與合理利用山區(qū)、丘陵區(qū)水土資源，維護(hù)和提高土地生產(chǎn)力，保障水利設(shè)施安全，最大限度地發(fā)揮水土資源的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益為經(jīng)營(yíng)目的的森林[2］。根據(jù)不同的地形和防護(hù)要求，以及配置形式和防護(hù)特點(diǎn)，水土保持林可分為分水嶺地帶防護(hù)林、護(hù)坡林、護(hù)牧林、梯田地坎防護(hù)林、溝道防蝕林、山地池塘水庫周圍防護(hù)林和山地河川護(hù)岸護(hù)灘林等。

1.2 水土保持林的功能

水土保持林的功能表現(xiàn)在:

1)調(diào)節(jié)降水和地表徑流。通過林中喬木層、灌木層對(duì)天然降水的截留，改變降落在林地上的降水形式，削弱降雨強(qiáng)度和其沖擊地面的能量?？葜β淙~層截留作用減弱的降雨動(dòng)能達(dá)到大氣降雨總動(dòng)能的5.6% ～13.0%，透過枯枝落葉層所削弱的降雨動(dòng)能可將透過喬木層、灌木草本層的降雨動(dòng)能全部削減。同時(shí)，枯枝落葉層能以其較大的地表粗糙度降低徑流流速，減少地表徑流量，增加土壤入滲量[3］。

2)固持土壤(體)。水土保持林的根系可使土壤在外力作用下，抵抗剪切的強(qiáng)度增強(qiáng)，且因?yàn)檫@些根系在土壤中交織穿插，可提高土壤的固土抗沖能力，起到減免滑坡、崩塌等危害的作用[4］。此外，還有改善農(nóng)牧業(yè)用地小氣候和改良土壤等作用。

2 水保林密度對(duì)林分的影響

林分密度既是營(yíng)林工作中能夠有效控制的因子，也是形成合理空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，還是林木個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育空間大小的決定性因子[5］，對(duì)整個(gè)林分有著重要的影響。

2.1 密度對(duì)成活率的影響

密度與單位面積造林地上成活的絕對(duì)株數(shù)密切相關(guān)[6］。因此，通常在立地條件較差而造林成活率不高的地方，適當(dāng)增加初植密度，以保證幼林及時(shí)郁閉所必需的成活株數(shù)。

2.2 密度對(duì)林分郁閉的影響

密度直接影響幼林林冠達(dá)到郁閉的時(shí)間。為使幼林早日郁閉，應(yīng)因地制宜地進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿苤?。而幼林郁閉的早晚又與林分的穩(wěn)定性、幼林撫育的年限、第1次撫育間伐的年限和出材的尺寸等有密切關(guān)系。

2.3 密度對(duì)樹高生長(zhǎng)的影響

密度對(duì)林分平均樹高的影響比較復(fù)雜，結(jié)論也不一。綜合各國試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下一些較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí):

1)無論處于任何條件下，密度對(duì)樹高生長(zhǎng)的作用，比對(duì)其它生長(zhǎng)指標(biāo)的作用要弱，在范圍較大的一個(gè)中等密度的林分內(nèi)，密度對(duì)高生長(zhǎng)幾乎不起作用，比如楊樹。

2)不同樹種因其喜光性、分枝特性及頂端優(yōu)勢(shì)等的不同，對(duì)密度有不同的反應(yīng)。只有一些較耐陰的樹種以及側(cè)枝粗壯、頂端優(yōu)勢(shì)不旺的樹種，才有可能在一定的密度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出高生長(zhǎng)隨密度的增大而增大的作用，這類主要是連生樹種。

3)不同立地條件，尤其是不同的土壤水分條件，可使樹木對(duì)密度有不同的反應(yīng)[7］。

2.4 密度對(duì)直徑生長(zhǎng)的作用

一般是樹木胸徑隨密度的增大而遞減，密度大株數(shù)就多，就會(huì)導(dǎo)致光照、營(yíng)養(yǎng)不足，抑制生長(zhǎng)。反之，密度小則會(huì)促進(jìn)胸徑生長(zhǎng)[8］。在一定密度以上，有競(jìng)爭(zhēng)作用的樹木間密度越大，直徑生長(zhǎng)越小。密度對(duì)直徑生長(zhǎng)的作用還表現(xiàn)在直徑分布上，直徑分布是研究林木及其樹種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，在林分生長(zhǎng)量、產(chǎn)量測(cè)定工作中起著重要的作用。密度對(duì)直徑生長(zhǎng)的效應(yīng)具有非常重要的意義，一方面它是密度對(duì)產(chǎn)量效應(yīng)的基礎(chǔ)，另一方面樹木直徑又是成材規(guī)格的重要指標(biāo)。

2.5 密度對(duì)單株材積的作用

林木的單株材積決定于樹高、胸高斷面積和樹干形指數(shù)，密度對(duì)這3個(gè)因子均有一定的影響[9］。密度對(duì)樹高的作用較弱，干形指數(shù)是隨密度的增加而增大，但差數(shù)不大。密度對(duì)單株材積生長(zhǎng)的作用與直徑生長(zhǎng)的規(guī)律相同，隨林分密度的增大，其平均單株材積減小，而且較平均直徑降低的幅度要大得多，其原因基本上來自于個(gè)體對(duì)生活資源的競(jìng)爭(zhēng)。

2.6 密度對(duì)林分干材產(chǎn)量的作用

林分干材產(chǎn)量有兩個(gè)概念:一是現(xiàn)存量，也就是蓄積量;另一是總產(chǎn)量，也就是蓄積量和間伐量(有時(shí)還要算枯損量)之和。林分的蓄積量是其平均單株材積和株數(shù)密度的乘積。這兩個(gè)因子互為消長(zhǎng)，其乘積值取決于哪個(gè)因素居于支配地位。

2.7 密度對(duì)林分生物量的作用

林分密度是制約和決定種群生物量動(dòng)態(tài)的主要因素，是水土保持林培育技術(shù)體系中最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一[10］。密度對(duì)林分生物量的作用有兩方面的意義。首先，對(duì)于以生物產(chǎn)量為收獲目標(biāo)的薪炭林、短輪伐期紙漿材林等來說，有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。其次，因生物量是林分凈生產(chǎn)力的全面體現(xiàn)，更能反映林分的光合生產(chǎn)力。如，加楊在生長(zhǎng)的最初時(shí)期，密度與生長(zhǎng)無關(guān)，各密度的平均個(gè)體重幾乎相等，單位面積的生物量隨密度的增加而增加，隨著時(shí)間的變化個(gè)體不斷增大，到一定時(shí)間后，競(jìng)爭(zhēng)首先從高密度開始，并逐漸向低密度擴(kuò)展。

2.8 密度對(duì)干材質(zhì)量的作用

造林密度適當(dāng)增大可提高樹干直度和圓滿度，又能促進(jìn)適當(dāng)?shù)奶烊徽Γ嘤裏o節(jié)和少節(jié)良材，并能增加大徑級(jí)材比例。如果林分過密，干材過于纖細(xì)，樹冠過于狹窄，既不符合用材要求，又不符合健康要求，應(yīng)當(dāng)避免這種情況出現(xiàn)。因此，造林密度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字概念，而是保證人工林優(yōu)質(zhì)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。

2.9 密度對(duì)根系及林分穩(wěn)定性的作用

密度對(duì)林木根系生長(zhǎng)影響的研究材料較少，從有限的研究結(jié)果可以看到一個(gè)較為普遍的規(guī)律，林分過密會(huì)損壞林木根系發(fā)育。在密林中不但林木根系的水平分布范圍小，垂直分布也較淺，且生長(zhǎng)物質(zhì)的分配似乎更偏向于供應(yīng)地上部分生長(zhǎng)。

3 林分密度控制的測(cè)算方法

林分密度控制，就是給林分創(chuàng)造一個(gè)適宜的生長(zhǎng)空間，充分發(fā)揮林木在其生長(zhǎng)空間內(nèi)的生長(zhǎng)潛力，實(shí)現(xiàn)速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，同時(shí)發(fā)揮最大的生態(tài)效益[11］。林分生長(zhǎng)過程中，由于自然稀疏或人工間伐，各年齡階段都存在最佳的林分密度，它不是常數(shù)，是一個(gè)隨經(jīng)營(yíng)目的、造林樹種、立地條件和栽培技術(shù)等因素變動(dòng)而變化的數(shù)量范圍。因此，密度問題是最優(yōu)控制問題[12］。林業(yè)工作者可以利用林分密度效應(yīng)規(guī)律，通過調(diào)控林分密度，達(dá)到人工林培育目的。

3.1 基于密度生長(zhǎng)效應(yīng)的測(cè)算方法

基于林分密度與立木單株材積及單位面積產(chǎn)量之間的關(guān)系，即以密度效應(yīng)規(guī)律為基礎(chǔ)，建立各種數(shù)學(xué)模型編制林分密度控制圖，這是目前最常用的測(cè)算方法。如，解開宏等依據(jù)杉木林生長(zhǎng)因子的規(guī)律，編制了杉木人工林林分密度控制圖[13］。人工林密度效應(yīng)模型主要以林木或林分生長(zhǎng)量與立木密度及林分優(yōu)勢(shì)木高度間建立數(shù)學(xué)關(guān)系式表述，但未充分考慮其它影響林木生長(zhǎng)的因子，這是該類模型與測(cè)算方法的缺點(diǎn)。從目前密度模型研究進(jìn)展來看，通過同一立地條件下、同齡人工林的密度控制，逐步研究建立了在不同立地條件、不同類型林分各個(gè)發(fā)育階段的密度效應(yīng)模型。盡管國內(nèi)外很多學(xué)者關(guān)于人工林密度效應(yīng)已經(jīng)建立了多種模型，但模型機(jī)理性研究不夠。傳統(tǒng)林分密度效應(yīng)研究局限于相同立地和年齡的人工純林，而不同立地、年齡的人工林和天然林密度效應(yīng)研究甚少，對(duì)混交林近似同齡林及異齡林密度效應(yīng)規(guī)律等，有必要進(jìn)行深入探討。

3.2 基于現(xiàn)代科學(xué)理論與數(shù)學(xué)的測(cè)算方法

目前，基于現(xiàn)代科學(xué)理論與數(shù)學(xué)方法估計(jì)林分最適密度已成為趨勢(shì)。王承義等[14］用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法研究了長(zhǎng)白落葉松人工林最優(yōu)密度控制技術(shù)。張彩琴等[15］采用變分法和最優(yōu)控制理論，得出了人工林間伐強(qiáng)度和蓄積密度的最優(yōu)控制策略及其連續(xù)變化的數(shù)學(xué)模型。吳承禎等[16］以凈現(xiàn)值最大為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用遺傳算法來實(shí)現(xiàn)林分經(jīng)營(yíng)過程中密度優(yōu)化控制，首次提出了遺傳法。洪偉等[17］以林分生長(zhǎng)模型為基礎(chǔ)，將林分蓄積量年平均生長(zhǎng)量作為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用三次設(shè)計(jì)的方法建立杉木人工林經(jīng)營(yíng)過程控制系統(tǒng)。無論采取上述何種方法，人工林密度調(diào)控就是確定不同年齡階段的林分最優(yōu)密度，使林木在經(jīng)營(yíng)期內(nèi)達(dá)到最大收獲量，從而優(yōu)化篩選經(jīng)營(yíng)過程(造林密度、間伐時(shí)間、間伐強(qiáng)度、主伐時(shí)間等)中營(yíng)林措施的最優(yōu)組合參數(shù)，即制訂人工林經(jīng)營(yíng)的最優(yōu)決策方案。

3.3 基于水量平衡與水分生產(chǎn)力的測(cè)算方法

我國人工林營(yíng)造技術(shù)逐漸成熟，但造林后期管護(hù)和撫育滯后，造林和營(yíng)林脫節(jié)。造林和地下水開采不合理，造林與用水之間矛盾突出，在干旱與半干旱地區(qū)尤為突出。因此，基于水量平衡、林地水分承載力及水分生產(chǎn)力函數(shù)對(duì)林分密度進(jìn)行動(dòng)態(tài)估算，在這些地區(qū)的林分經(jīng)營(yíng)中顯得尤為重要。目前，測(cè)定技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)地掌握樹木的蒸騰耗水規(guī)律，還與生態(tài)學(xué)尺度轉(zhuǎn)換方法有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了林分尺度耗水的準(zhǔn)確估算，為林地水量平衡、林地水分承載力的確定奠定了較好基礎(chǔ)，繼而為基于水量平衡的密度調(diào)控提供了便利。如武思宏等[18］以水量平衡原理確定了黃土區(qū)主要造林樹種不同年齡階段的合理密度，提出了“量水植樹”原則，系統(tǒng)分析了以水分因子為基礎(chǔ)的人工林合理密度。另有研究利用降水資源環(huán)境容量理論和水量平衡理論對(duì)黃土高原10年生側(cè)柏的水量平衡和合理造林密度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，目前，黃土高原10年生側(cè)柏的造林密度不合理，大多存在著水分盈余或水分虧缺，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在該地區(qū)降水資源環(huán)境容量條件下，10年生側(cè)柏的最大造林密度為2 004株/hm2，最合理的密度應(yīng)為 1 856 株/hm2，相應(yīng)集水面積為 3.89 m2[19］.

水分生產(chǎn)函數(shù)研究較為廣泛，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)成熟。作物產(chǎn)量與水分因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)系稱為作物水分生產(chǎn)函數(shù)。在國外，從20世紀(jì)60年代開始，圍繞小麥、玉米、棉花、洋蔥等作物的水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行了大量的研究[20］。在國內(nèi)，主要對(duì)水稻、冬小麥、夏玉米、棉花、大豆、蠶豆等農(nóng)作物的水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行了研究。根據(jù)其研究方法，農(nóng)作物水分生產(chǎn)函數(shù)可以分為兩類，一類是產(chǎn)量與全生育期蒸發(fā)量的關(guān)系;另一類是產(chǎn)量與全生育期各階段蒸發(fā)量之間的關(guān)系[21］。典型的全生育期水分生產(chǎn)函數(shù)有線性模型和二次函數(shù)模型，階段性水分生產(chǎn)函數(shù)有加法模型和乘法模型。其中，加法模型主要有Blank模型，Stewart模型，Hiller模型，Sudar模型，D-G模型等;乘法模型主要有 Jensen模型，MinhaS模型，Rao模型，HankS模型，H-K模型等。水分生產(chǎn)函數(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用出現(xiàn)較晚，王克勤等[22］研究集水造林水分生產(chǎn)力認(rèn)為，植物物質(zhì)生產(chǎn)與水分的關(guān)系直接表現(xiàn)為生產(chǎn)量與蒸騰量之間的密切關(guān)系。不同的造林密度，單株林木年生物增量與其蒸騰量之間存在相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。林分密度從高到底，林木水分生產(chǎn)函數(shù)曲線由直線轉(zhuǎn)為對(duì)數(shù)曲線，并且年生物量增量隨蒸騰量的變化由小逐漸增大。農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的水分生產(chǎn)函數(shù)不能直接應(yīng)用在林業(yè)上，尤其是生育階段水分生產(chǎn)函數(shù)模型。作物與林業(yè)生產(chǎn)相比，具有年度1次或多次收成，生長(zhǎng)周期、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間短，成本少等特點(diǎn)。通過對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域模型的改進(jìn)，玉寶等[23］在山西省方山縣和吉縣，以刺槐和油松人工林為研究對(duì)象，根據(jù)調(diào)查樣地、解析木和氣象資料，估算氣候生產(chǎn)力，揭示氣象因子對(duì)年輪的影響機(jī)制。在全面分析不同結(jié)構(gòu)林分生長(zhǎng)、耗水及密度效應(yīng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了人工林水分生產(chǎn)函數(shù)，確定了這兩個(gè)主要造林樹種在不同生長(zhǎng)階段的合理密度。

3.4 基于允許流失量的測(cè)算方法

國外和國內(nèi)的研究結(jié)果表明[24］，土壤流失量隨著森林覆蓋率的提高而下降，且兩者為非線性關(guān)系。當(dāng)森林覆蓋率較小時(shí)，單位覆蓋率(用百分?jǐn)?shù)表示)的遞增就會(huì)促使土壤流失量(或侵蝕模數(shù))銳減，效益非常明顯。之后隨著森林覆蓋率的增大，覆蓋率的遞增所引起的土壤流失量遞減速率逐漸下降，效益的增加程度逐漸減弱。王秋生[25］通過對(duì)調(diào)查、觀測(cè)資料的分析研究，從定量角度探討了植被控制土壤侵蝕的規(guī)律。通過指數(shù)回歸分析，建立了不同類型區(qū)的侵蝕模數(shù)與植被覆蓋度的關(guān)系方程為M=ae－bF，目前該式被廣泛應(yīng)用。可見，水土保持林有效覆蓋率首先應(yīng)滿足控制土壤流失的最低要求，即保持防護(hù)林防護(hù)范圍內(nèi)土地生產(chǎn)潛力的持續(xù)穩(wěn)定和水土保持林系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。另外，從眾多的研究結(jié)果來看，土壤流失量等于允許流失量時(shí)的森林覆蓋率，在一般情況下是易于實(shí)現(xiàn)的。據(jù)此可定義在一定的防護(hù)范圍內(nèi)(土壤流失量隨森林植被覆蓋率的提高而降低)，當(dāng)土壤流失量等于允許流失量時(shí)的森林植被覆蓋率，及森林覆蓋率大于土壤流失量時(shí)統(tǒng)稱有效覆蓋范圍[26］。

劉啟慎等[27］根據(jù)側(cè)柏人工林胸徑和冠幅的相關(guān)關(guān)系，編制了適宜經(jīng)營(yíng)密度表。通過10年觀測(cè)，建立了侵蝕模數(shù)與植被覆蓋率的定量關(guān)系，石灰?guī)r低山區(qū)土壤允許流失量60 t/(km2·a)作為無明顯侵蝕的界限。當(dāng)水土保持林覆蓋率為49.3%時(shí)，土壤流失量等于允許流失量，此時(shí)徑階為4 cm，6 cm，8 cm，10 cm，12 cm，14 cm，16 cm，18 cm，20 cm 的側(cè)柏，每666.7 m2保留株數(shù)分別為295株，186株，121株，87株，62株，51株，41株，34株，28株。

4 山西省水保林密度調(diào)控對(duì)策

山西省縱跨暖溫帶和溫帶，橫跨半濕潤(rùn)和半干旱區(qū)，東經(jīng) 110°15'～114°32'，北緯 34°31'～40°44'.水土流失面積高達(dá)10.8×104km2，占全省國土面積的69.2%，占全省山區(qū)、丘陵區(qū)總面積的88%，111個(gè)縣(市、區(qū))幾乎均存在水土流失問題[28］。全省平均土壤侵蝕模數(shù)為3000 t/km2，最高達(dá)30000 t/km2.每年向黃河、海河的輸沙量為4.56×108t，占黃河年泥沙輸入總量的1/4.每年因水土流失損失的表土達(dá)2 ×108t，N，P，K 流失 1 000 ×104t之多，致使絕大部分耕地的有機(jī)質(zhì)含量(0.5%)遠(yuǎn)低于全國平均水平(1.5%)，損失十分嚴(yán)重。在此背景下，水土保持林在山西省生態(tài)環(huán)境修復(fù)與治理中具有舉足輕重的地位。

控制水土流失，科學(xué)、高效地利用天然降水是山西省水土保持林必須具備的特色，也是其密度調(diào)控的目標(biāo)所在。因此，在對(duì)林地水分長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，基于水量平衡、林地水分承載力與水分生產(chǎn)力函數(shù)，綜合應(yīng)用樹木生理學(xué)、水分生理學(xué)、森林生態(tài)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)與最優(yōu)控制理論，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃等現(xiàn)代數(shù)學(xué)手段，以“量水造林、量水管理”為目標(biāo)，提出主要造林樹種不同生長(zhǎng)階段的合理密度是今后山西省水保林密度調(diào)控與科學(xué)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵所在。因此，在山西省利用密度實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，必須注意以下問題:

1)密度是一個(gè)非空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要與地理信息系統(tǒng)等學(xué)科知識(shí)結(jié)合，達(dá)到定位調(diào)控的效果，以更好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)。

2)要與其它林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)(如聚集度、角尺度與混交度等)相結(jié)合，以更好地控制林分結(jié)構(gòu)。

3)要將先進(jìn)的科學(xué)理念、現(xiàn)代科學(xué)理論、最新研究成果及密度模擬手段融入密度調(diào)控參數(shù)的分析中，提高密度調(diào)控的技術(shù)含量。

4)因密度調(diào)控理論的專業(yè)性和合理密度測(cè)算的復(fù)雜性，要注重密度調(diào)控輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。該系統(tǒng)是復(fù)雜的專業(yè)理論與便捷化應(yīng)用之間的橋梁，既能保證密度調(diào)控的技術(shù)含量，又能將這些科學(xué)成果較好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。

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