基于水源涵養功能的黃土高原林草植被結構調控機制

王晶　李遠航　張帆

［關鍵詞］ 林草植被結構特征；水源涵養功能；耦合機制；林草植被結構調控；黃土高原

［摘 要］ 水源涵養功能是黃土高原生態系統服務的主導功能，探究以水源涵養功能為導向的林草植被結構優化調控機制對保障該區域生態與社會經濟的可持續發展具有重要作用。通過廣泛查閱和分析國內外以水源涵養功能為導向的林草結構優化調控研究相關文獻，分析了黃土高原的林草植被結構特征及其水源涵養功能，診斷了黃土高原林草植被結構存在的問題，分析了水源涵養功能評價體系，剖析了多尺度林草植被結構與水源涵養功能耦合機制，揭示了林草植被結構優化調控機制研究的重難點問題，集成了植物種類選擇、種植密度確定與調控目標錨定等調控機制措施。未來需要進一步拓寬以多生態功能為導向的人工林評價范疇，探索不同尺度水平的耦合機制研究及轉換模式，創新黃土高原林草植被結構優化調控新方法，為黃河流域水土保持高質量發展提供理論支撐。

［中圖分類號］ S718.5 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1000－0941（2023）09－0014－06

黃土高原地區是中國乃至全球水土流失最為嚴重的地區，自然條件惡劣，植被大面積退化，生態環境極其脆弱。為了遏制黃土高原生態環境持續惡化趨勢，20世紀70年代末和90年代末我國相繼啟動了三北防護林工程和退耕還林還草工程，在黃土高原上開展封山育林、人工造林和植被恢復等工作，使其森林覆蓋率有了明顯提高，達到了65%[1]。但在實際造林過程中，為追求短期的經濟效益，采用了用材林結構設計，林分密度大、結構不合理、樹種單一，且未考慮當地降水和水資源狀況，以及造林樹種生物學、生態學特性，導致植被建設中造林成活率低、林木生長緩慢，“周期性衰退”和“小老樹”等問題普遍存在[2]，林草植被整體水源涵養功能不佳，林分難以持續發揮生態效益，同時也不利于區域生態環境的改善及水資源的優化利用。

在全球氣候變暖進一步加劇的情況下，世界上約40%的地區正在經歷植被缺水問題，尤其是干旱半干旱地區，植被的生長發育受到嚴重抑制[3]，水資源短缺已成為制約可持續發展的關鍵因素。水源涵養能力是評估森林生態系統服務功能的重要指標，植被良好的水源涵養能力可以有效緩解干旱半干旱區水土流失嚴重、水資源短缺等問題，因而如何平衡和調節林水關系成為林業生產和生態環境等研究領域關注的焦點。相關學者從林草結構和水源涵養功能特征分析著手，采用模型識別和篩選影響水源涵養功能的主要林草結構因子，構建水源涵養功能指標評價體系，全面解析典型林草結構和水源涵養功能的關系，判定可提升水源涵養功能的林草植被類型和群落結構，構建水源涵養功能提升的林分結構優化配置，并最終確定了水源涵養功能提升的穩定林草植被人工定向調控技術和措施[4-6]。然而，筆者在廣泛查閱國內外以水源涵養功能為導向的林草結構優化調控研究相關文獻后，發現現有公開報道的文獻對水源涵養功能的監測和機制研究較多，對林分空間結構關系及其配置、調控的研究尚不完善，尤其是對監測結果在林草植被經營方面的運用更少[7]。因此，加強林分空間結構與水源涵養能力關系研究，深入探討黃土高原水源涵養功能評估機制和林草結構優化調控機制研究的重難點問題，從而為確定不同林草植被的調控優化技術提供依據十分必要。

1 黃土高原林草植被結構特征

林草植被結構研究一直是學者們關注的重點。不同經濟社會發展階段的森林利用方式不同，直接影響著穩定林草植被結構及經營目標的變化[8]。習近平生態文明思想的提出，特別是黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的確立，推動了黃土高原林草植被建設從高速發展轉為高質量發展的進程，林草植被結構調控重心發生轉移，對不同林分結構的生態功能和社會效益，特別是防治水土流失、涵養水源和固碳釋氧等生態服務功能的研究成為重點。同時，植被結構分類工作仍然作為重難點問題存在，不同學者對植被結構劃分意見不一致，且隨著研究的深入更多的林分指標被列入。孟憲宇[9]提出了林分結構規律概念，認為林分中可以表現出較為穩定的結構規律性的特征因子均為林分結構；惠剛盈[10]將林分結構細分為空間結構和非空間結構，空間結構是指林木的水平和空間上的分布格局和排列方式，非空間結構則表示林分結構靜態特征，如林齡、樹高、胸徑、密度等。

林草植被的非空間結構主要表征植被的基本生長狀況和信息，具有良好的研究基礎，通過對林木和林下植物個體的基本生長特征和分布信息調查取樣，可得到林木的樹種組成、胸徑分布、樹高分布、林齡分布及林下灌草的分布特征，結合豐富度指數、蓄積量方程、概率密度函數等可有效評估林分物種豐富度、林分生物量和林分生產力[11]。

僅從林草植被的非空間結構分析難以對林分作出整體性評估，空間信息的補充可有助于全面理解其結構特征。因此，解析林草植被空間結構已成為林草結構調控的重要步驟，學者們主要從林分空間分布格局、大小分化度及樹種空間隔離度三個方面分析，同時也有學者引入了競爭指數和林木均質指數等空間參數[12]?？臻g分布格局可以表征林木間的相互關系，評估指標主要包括聚集指數、精確最近鄰體法、平均擁擠度和角尺度等，實際應用最廣泛的指標是角尺度，通過測量相鄰樹木與參照樹的角度大小來反映林木分布格局，并且有學者構建了角尺度評價體系以判斷林分本身的分布均勻性[13]。

惠剛盈[10]通過量化參照樹與鄰近樹之間的關系，提出了大小比數指標，可以更為完善地表述林木樹高、胸徑、冠幅等在林分空間結構中的優勢程度，也是林木競爭關系的一種反映?？臻g隔離程度表征了參照樹與鄰近樹之間的空間配置關系，而常用的樹種多樣性僅表示林分中樹種豐富程度，混交比則難以表述林木間的隔離程度。湯孟平等[14]提出了在物種多樣性中使用混交度的理念，提升了樹種差異程度分析的準確性。

筆者結合相關研究分析[15-17]總結出黃土高原林草植被結構主要存在以下問題：①林分非空間結構不合理，表現為種植樹種單一、部分人工林種植未選用鄉土樹種、林分密度較大且基本為同齡林，導致資源分配不均，難以滿足林分的正常生長發育；②林分空間結構布局不合理，表現為種植模式橫平豎直，林分空間分布不均，且后期用材林改公益林后缺乏林分調控管理措施，難以形成混交、異齡、復層、可自然更新的近自然森林系統；③林下生物多樣性較低，且穩定性較差，表現為造林時多數林下灌木和草本遭到去除，且部分人工林建設選用了高耗水、高耗養分的植物，導致林下灌木和草本難以生長。以上問題嚴重制約了區域生態環境的改善和水資源的優化利用，導致了土壤干化甚至整個生態系統失衡，因此急需開展黃土高原林草植被結構優化調控的相關工作。

2 水源涵養功能作用機制及功能評價

2.1 水源涵養功能作用機制

森林水源涵養功能是指森林生態系統參與流域水文循環，保持水分、調節水文過程并產生生態效益的能力。通過探究水分在物質、能量及水質等相統一的生態水文系統循環中的動態規律，可明晰生態系統對水循環作用機制的影響，闡明不同森林作用層的水分再分配過程，最終綜合量化或評估森林水源涵養功能的作用機制。森林水源涵養生態系統由上到下可劃分為林冠層、灌草層、枯落物層和土壤層。

2.1.1 林冠層

作為森林生態系統水文效應的第一活動層，林冠層對降雨的分配作用至關重要，表現為直接影響林內降雨量、降雨強度和降雨時空分布。由于不同林分結構的林冠截留率不同（黃土高原地區的林冠截留率主要在11.4%～39.6%之間），且變異程度較大，因此該部分水量在森林生態系統水分平衡和循環中起著重要作用[18]。同時，林冠截留功能的影響機制也引起許多學者的關注，已知得到驗證的影響因素主要包括降雨強度、前期降雨、風速、林冠蒸發能力及林分結構特征等[19]。目前林冠截留量估算模型的優化和改進仍是研究的重難點，多數經驗、半經驗公式僅適用于所在研究區，并且未全面考慮林冠截留作用的影響因素，導致模型效果較差，難以推廣[20]。

2.1.2 灌草層

由于黃土高原干旱少雨且黃土難以存蓄水，因此喬灌草、灌草組合的造林模式較為常見。然而，灌草層結構的時空變異性較大，其內部水分的傳輸和運移難以測算[21]，因此研究灌草層水源涵養作用意義重大。灌草系統以其發達的根系、較大的密度、枝繁葉茂的特點起到截留降雨、減少地表徑流的作用，然而這些特點也使灌草截留量難以測量。

2.1.3 枯落物層

枯落物層在維持生態水文循環、水分運動和物質能量流動方面發揮著極其重要的作用[22]?？萋湮锏暮穸取⒔M成成分、蓄積量、分解速率等均影響著其持水能力和最大持水量。相關研究表明，不同的植被類型、林齡、密度、立地條件等，枯落物結構和組成成分存在顯著差異，導致枯落物最大持水量的巨大波動。目前建立的枯落物持水量與降雨量關系主要為經驗回歸方程，受限于地區和植被類型，難以形成統一規律。

2.1.4 土壤層

土壤層涵養水源功能主要表現在土壤的蓄水能力和滲透能力方面，這主要由土壤性質、土壤類型決定。通過入滲和蓄水能顯著減少地表徑流，起到削減洪峰的作用，同時阻滯和延緩產流過程，提升水質，促進水分在時空上的分配和再分配[23]。土壤的密度、孔隙結構、機械組成、團粒性質、導水率等決定了土壤的滲透性能，而滲透性能影響著土壤水土保持能力。但是土壤入滲過程難以有效界定，土壤水分運動方程難以解析。由于土壤滲透性能解析的復雜性、受多種因素影響的多變性，因此入滲模型的修正和入滲方程的求解仍是土壤入滲研究的未來發展方向。

2.2 水源涵養功能評價

為改善黃土高原水源涵養狀況，提升森林生態系統蓄水能力，實現水源涵養功能最大化，應確定典型林地水源涵養量，識別和篩選影響水源涵養功能的主要因子，從而構建水源涵養功能評價體系。如圖1所示，目前水源涵養功能評價方式主要分為兩種，即：計算水源涵養量進行定量分析，以評估不同生態系統水源涵養能力；以及從4個作用層（林冠層、灌草層、枯落物層和土壤層）提取相應指標構建基于綜合評價模型的水源涵養功能評價體系，從而為不同生態系統水源涵養能力賦值評估。

計算水源涵養量的方法主要有9種，包括水量平衡法、降水儲存量法、林冠截留剩余量法、土壤蓄水量法、年徑流量法、地下徑流增長法、綜合蓄水能力法、多因子回歸法及模型分析法。這些方法均得到了廣泛應用和驗證[24]，具有一定的可行性和科學性，然而由于研究區氣候、地形、林草群落類型的差異，因此應根據計算方法的特點選取合適的方法。對于大尺度下生態系統水源涵養量的計算，需結合水文模型從而精確、合理地計算水源涵養量。目前運用最廣泛的是InVEST模型，在空間格局綜合評估水源涵養量中具有數據易于獲取和操作簡單的優勢。相關研究都對水源涵養功能進行了定量評估。

單獨對任何一個作用層的指標進行評價都難以表明森林生態系統水源涵養能力的強弱，因此國內外學者開發了眾多綜合評價方法。綜合評價方法較為復雜，應根據研究區氣候條件和林草結構特征選取評價指標，然后通過綜合評價方法對水源涵養能力進行得分對比和分級評價。目前主要的方法有專家打分法、熵權法、模糊物元模型、層次分析法、主成分分析法、最大模糊熵原則等[15]。專家打分法通過咨詢和總結相關領域專家對評價對象的主觀判斷和經驗賦分，具有較強主觀性；熵權法采用熵權確定指標權重，并對評價指標進行加權計算得到綜合得分；層次分析法需要結合專家打分，基于各指標得分情況進行量化分析，從而獲得較為客觀的權重系數，最終得到綜合得分；最大模糊熵原則是基于層次分析法和模糊數學法而提出的定量、定性相結合的方法；主成分分析法可以降低維數，解析各個指標間的相關關系，通過篩選出幾個主成分來揭示多個變量間的內部結構，并重新組合為幾個線性方程，最終得到綜合得分；模糊物元模型基于水源涵養指標的實測數據，采用歐氏貼近度計算不同生態系統的歐氏貼近度，從而判斷水源涵養能力強弱。

3 黃土高原林草植被結構與水源涵養功能耦合機制

根據相關研究得知，水源涵養能力主要受下墊面情況、降雨和蒸發等因素影響，而從可調控和經營角度來看，良好的林草植被結構可以穩定發揮水源涵養功能，因此林草植被結構對水源涵養功能影響機制的研究愈發受到重視。通過對黃土高原林草植被結構與水源涵養功能耦合機制研究，可掌握兩者的相互關系和產生機制，指導以水源涵養功能為導向的人工林植被配置和合理經營，從而達到調控水文過程、提升流域產流水平、改善區域水文條件的目的[25]。

3.1 林草植被非空間結構對水源涵養功能的影響機制

國內外有關林草植被非空間結構對水源涵養功能影響機制的研究較多且成果豐富。目前關于樹種配置方面的研究結果較為一致，均表明鄉土速生樹種具有較好的適應性、成活率，其生態效益和經濟效益顯著，應優先被選用。同時，林草植被配置應避免純林造林模式，這是由于其穩定性和生物多樣性較低，不利于水源涵養功能發揮效益。李金良等[26]發現林分結構越復雜，穩定性越高，水源涵養能力越強。在林齡結構方面，研究表明水源涵養能力隨林齡增大而提高。有關林分密度對水源涵養能力的影響機制，不同學者的研究結果不同，王永安[27]認為森林水源涵養功能大小是由森林密集程度決定的，而其他研究則提出了應根據立地條件等將林分調整至合理密度，才能使水源涵養功能發揮最大效益[28]。侯貴榮[5]探討了晉西黃土區刺槐林葉面積指數、樹高、胸徑、郁閉度、冠幅等因素對水源涵養功能的影響，表明不同的林分結構因子重要程度不同，在進行林分結構調控時應對各因子進行識別、篩選和分類分級。

3.2 林草植被空間結構對水源涵養功能的影響機制

林木間的空間位置與林分的結構和功能關系密切，林木的分布、生長規律取決于林木之間的競爭勢態及其空間生態位。林分空間結構對林木分布的影響，間接影響著林冠層發展、林下灌草發育和枯落物蓄積量，從而影響土壤的理化性質和根系的分布，這也直接決定了森林生態系統的水源涵養能力，因此探討林分空間結構對水源涵養功能的影響機制具有重要意義。目前國內外學者對林分結構與水源涵養功能的耦合機制研究一般以構建水源涵養功能評價體系和研究林分非空間結構與功能的影響機制為主，也有相關研究利用模型評估林分空間結構和非空間結構與水源涵養的反饋作用，然而根據林分空間結構因子對林分水源涵養效果進行評價的研究較少，尚不清楚各個林分空間結構因子與水源涵養功能的相互關系和互饋機制。

3.3 流域尺度上的林草植被結構與水源涵養功能耦合機制

為了闡述林分尺度上林分結構對水源涵養功能影響的規律，需要大量繁復的樣地調查、監測和試驗數據，然而這難以應用于規模化造林規劃和林分管理中，因此有必要結合新技術、新理念、新方法揭示流域尺度上的林草植被結構與水源涵養功能的耦合機制。隨著技術手段不斷提高，一些研究通過遙感衛星、無人機等獲取高分辨率遙感影像，掌握研究區域森林資源分布情況，并通過遙感圖像解譯的方式獲得林分結構信息。如：劉宥延等[29]通過InVEST模型解析來源于地面監測和地理空間數據云的影像數據，評估了黃土高原水源涵養功能及其空間分布特征；汪曉珍等[30]基于CASA、InVEST和RUSLE模型分析了黃土高原水源涵養、土壤保持等生態服務功能的時空分布特征，并提出了生態系統可持續管理方面的建議，即在土地規劃過程中考慮生態系統服務之間的相互關系，盡可能減少權衡，增加協同。然而這種評估流域尺度上林分結構與水源涵養功能關系的方法雖可以為區域的森林資源配置提供一定的決策依據，但由于林分結構的復雜性和難以預測性，還遠未達到實際林業生產和經營活動的要求。

4 以水源涵養功能為導向的林草植被結構優化調控

以水源涵養功能為導向的林草結構優化調控研究始于對人工林樹種的篩選及林分非空間結構優化調整等方面的研究[31-32]。研究者結合黃土高原自然條件和造林實際情況，對單一樹種配置和多種混交配置進行了對比研究，采用了喬、灌、草結合和針闊混交的配置模式，最終發現水源涵養效果最好的是基于適地適樹原則的異齡復層針闊混交天然林，其有效避免了單一樹種、簡單結構、不合理樹種組成造成的林分退化、病蟲鼠害等問題。同時，林分密度、胸徑、樹高、森林覆蓋率等對水源涵養功能的影響機制也得到進一步探討，并因此構建了以密度調控為理論基礎的經營措施，對人工林的科學經營具有指導意義。在此基礎上，相關學者又提出通過合理的撫育間伐措施來改善林分結構，彌補了密度調控理論在具體實踐中難以應用的缺陷。然而確定密度和撫育間伐措施僅為人工林調控提供了思路和方向，大部分研究提出的典型林分合理密度調控措施難以在實際林業生產中應用，或者僅籠統提出擇伐一定數量長勢較差、不健康、穩定性較低的林木，難以給出具體的調控技術和確切的擇伐更新對象。因此，對林分空間結構的優化調控技術研究同樣至關重要。目前常用的方法是采用目標量化函數計算林木的均質性指數，根據林木均質性指數大小來判定是否為擇伐木，再按照林分經營原則選擇具體的調控措施?？傮w上看，國內外學者提出的林分結構模式主要是由單一喬木向喬灌草相結合方向發展，從單層次純林向多層次混交林方向發展，在林齡分布上由同齡林木向多元化異齡林方向發展，在造林密度上由高密度或低密度向合理密度方向發展。

4.1 植物選擇與配置

樹是構成森林空間結構的基本要素，合理進行樹種選擇和配置有利于林木自身更新和森林生態系統的健康，因此樹種選擇及其配置工作是人工林建設和改造的基礎工作[33]。不同的樹種組成和配置方式導致森林生態系統水源涵養功能存在顯著差異，因此低效人工林改造工作應根據可持續原則和近自然經營原則進行樹種選擇和配置。研究表明，多樹種、多層次、多元化的復層異齡混交林林分空間復雜、物種多樣性豐富、林分穩定性高，在實際林業生產植被配置中應優先考慮。黃土高原地區水土保持植物配置主要是基于氣候帶與植被帶的對應關系、小流域地形小氣候特征與植物措施配置、小流域植物措施的對位配置，以及水分條件下的植被地帶性分布等研究進行的，同時根據適地適樹原則盡量選擇鄉土樹種，并對不同植被配置的林分與純林開展健康、穩定性及生態功能評價，篩選出樹種配置最優組合類型。

4.2 林分密度確定

林分密度是影響林木生長、生物量、蓄積量、土壤性質和生態功能等的重要因子，林分密度通過調節林內光、水、肥、熱等環境資源的配置，影響著林木本身及林下植被群落的組成和結構特征，同時也影響著枯落物和土壤層的水分運移和養分輸出，因而林分密度的確定是林草結構優化調控的核心。適宜的密度是林分形成合理結構及發揮高效功能的基礎。在黃土高原地區，土壤水分不足是限制林木正常生長發育及水土保持效益發揮的主要原因，確定適宜的林分密度有助于降低和緩解植被對深層土壤水分的消耗，促進植被的良性發展和森林生態的恢復。因此，合理利用水分科學調控造林密度，深入研究林木水分消耗與生產力的關系，提高經濟效益和生態效益，是黃土高原地區人工造林和經營管理的關鍵。目前關于林分密度調控的研究較多，常用的方法是通過水資源承載力計算合理密度，量化模型包括經典承載力模型、種群增長通用模型、密度-土壤水分模型和基于物理過程的土壤水分植被承載力確定模型[34]。同時，相關學者引入了密度效應模型確定林分密度，其中應用最為廣泛的是密度效應倒數模型，該模型通過解析林分中單個林木的個體大小，以及該林分在單位面積上的總收獲量與林分密度之間的關系來確定林分的合理密度[35]。未來在水源涵養林結構配置研究中，根據研究目標和技術水平合理確定林分密度是充分發揮林分水源涵養功能的重要保障。

4.3 調控目標確定

林草植被結構優化調控的前提就是調控目標的確定，只有確定調控目標林木，才能更為精確地進行撫育和擇伐、補植等經營措施。首先根據空間結構參數進行特征分析，通過建立Voronoi圖來確定結構單元，并進行邊緣矯正及相關空間結構參數分析；然后進行林草空間結構優化，通過使用目標量化函數確定均質性指數，并根據不同地區的特點進行約束性分析。目前調控目標確定方法僅適用于樣地、樣方等小規模的林分改造，對于區域尺度的多變地形、多林分類型的調控尚需進一步研究。

目前，大多數林草植被調控研究提出了適用于不同氣候區、不同立地條件和不同森林類型的林草植被選育和配置模式，并從土壤水分承載力的角度進行了適宜林分密度的研究，但是這些研究都只提出了砍伐、間伐、補植等簡單的政策性建議，并未深入探討具體的實施步驟。同時還有部分研究構建了森林服務功能評價體系，對森林結構配置提出建議，但這些研究方法得出的建議也僅僅停留在政策性上，或者只提出對林草植被結構的寬泛性修正建議（如合理密度、最佳森林覆蓋率及混交比等），并未對林草植被結構精準調控進行理論分析和指導，依然沒有解決林草植被結構配置的根本問題。

5 討論

針對黃土高原人工林建設樹種單一、林分密度普遍偏大、植被退化嚴重、綜合生態服務功能較低等問題，總結了國內外林草植被結構調控機制的相關研究，從生態系統結構特征分析出發，診斷了各個結構層次的缺陷，解析了生態系統的組織形式和運作機制；通過闡述水源涵養功能作用規律，對比不同水源涵養評價方法的優缺點，對適宜黃土高原的評價體系進行了系統性分析；剖析了不同尺度上林草植被結構與水源涵養功能的耦合機制，為開展森林生態系統整體性管理奠定了基礎；集成植物種選擇、林分密度確定與調控目標錨定等調控措施，為以水源涵養功能為導向的林草結構優化調控提供了思路和依據。

未來的研究可以在生態功能評價方面進一步拓展，將固碳與提升生物多樣性保護和游憩景觀功能等納入評價體系，使林草結構調控技術研究從單一的水源涵養功能目標逐漸向多功能目標轉變；此外，黃土高原不同類型區的自然稟賦和環境條件差異顯著，其林草植被調控模式呈現多樣化特征，未來需要按照分區進一步闡述林草結構優化調控模式及技術；同時針對不同尺度上林草結構優化調控技術不完善的問題，需要探索不同尺度水平的耦合機制及轉換模式，創新黃土高原林草植被結構優化調控方法，為黃河流域水土保持高質量發展提供理論支撐。

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收稿日期： 2023-05-11

基金項目： 黃河勘測規劃設計研究院有限公司自主研究開發項目（2021KY052）

第一作者： 王晶（1981—），男，山西運城人，正高級工程師，博士，主要從事水土保持規劃設計管理工作。

E-mail： wangjing@yrec.cn

（責任編輯 徐素霞）