二白杨(Populus gansuensis C. Wang et H. L.Yang)是甘肃的乡土树种, 原产于河西的高台、临泽、张掖、金塔、酒泉等县, 以金塔、高台为分布中心。二白杨树体高大, 干形通直, 生长迅速, 抗逆性强, 繁殖容易(刘榕等, 1995)。自70年代起河西人民主要用来营造农田防护林、防风固沙林和“四旁植树”。截止1985年, 河西共营造农田防护林及“四旁”植树173.47×10⁴株, 二者面积合计4.7×10⁴ hm², 其中二白杨树种就占到90 %左右, 现在的树龄在20~30 a左右, 已经到了过成熟和衰退时期, 防护效益逐年降低, 亟待更新改造。研究以二白杨树种为主的农田防护林配置模式和各种成熟龄, 确定准确、合理、科学的更新龄, 在河西大力推进农田防护林营造和更新力度, 改善生态环境, 迎接“再造河西”和“西部大开发”战略——这一历史性机遇意义重大。

经常所说的农作物成熟, 在林业上也具有同样的意义。都体现着一定的经营目的, 标志着生长发育的某一阶段或一定范围, 而且是确定最适宜于收获利用时期的主要依据。当森林在生长发育过程中达到最符合经营目的和任务状态时, 即达到了森林成熟。这个时期的年龄就称为森林成熟龄(李昕等, 1991)。但在营林活动中怎样确定林带的各种成熟或成熟龄, 并且在林带更新时期既考虑到防护效益又考虑到其本身的经济收益, 也就是让林带的生态效益和经济收益两者达到最高, 并在开始下降时作为林带更新的最佳时期, 这是我们调查研究的关键。

1 研究区概况

河西走廊是甘肃历史悠久的灌溉农业区, 属干旱荒漠气候。在诸条内陆河流域, 靠冰雪融水滋润, 经河西人民世代辛勤耕耘, 形成今天生机勃勃的18块大小“绿洲”, 总计占河西走廊面积的17.4 %。防护成熟龄是树木发育阶段的一种概念, 成熟龄来的早晚除了与树木的生物学特性相关外, 与树木所处的立地质量也关系密切, 因此, 我们在考虑到河西各研究区气候因子对树木生长量影响较相似的情况下, 将土壤因子作为主导树木生长量大小的决定因素。依据地理区划, 将河西走廊按走廊东段、中段、西段划分, 选取武威绿洲、民勤绿洲、张掖高台绿洲、酒泉绿洲、金塔绿洲、玉门绿洲6个具有代表性的类型区。又将这6块绿洲二白杨农田林网的土壤, 按质地结构、形成过程分为绿洲灌耕土、绿洲半潮灌耕土、绿洲潮灌耕土、绿洲盐化灌耕土4个类型, 这4个土壤类型的典型地段分别选在张掖市碱滩乡永星村、酒泉市临水乡、金塔县旧寺墩、民勤县黄岭林场, 然后在4个地段选取解析木调查研究。

张掖市碱滩乡位于河西走廊中部, 祁连山东北麓, 年降水量136.8mm, 蒸发量2063.7mm, 是降雨量的10倍以上, 最高气温38.6 ℃, 最低气温-38.9 ℃, 年平均气温7.0 ℃, 平均风速2.2 m/s, 大风日数14.9 d, 沙尘暴日数13.1 d。酒泉市临水乡位于酒泉地区东南部, 年平均气温7.3 ℃, 年降水量85.3mm, 年蒸发量2148.8mm, 日照时间长。干热风是主要灾害天气, 大风日数17.0 d, 最高风速达21m/s, 沙尘暴日数14.7 d。金塔县旧寺墩位于酒泉地区东部, 年降水量59.9mm, 蒸发量2538.6 mm, 年平均温度8.0 ℃, 冬季寒冷, 夏季炎热, 平均风速3.0m/s, 最大可达25 m/s, 大风日数32 d, 沙尘暴日数27 d。民勤县位于阿拉善高原的巴丹吉林与腾格里沙漠之间, 为甘肃省典型的沙漠绿洲县份, 气候特点是冬季长而寒冷, 夏季短而炎热, 风沙较大, 年均降水115.0mm, 蒸发量2643.9 mm, 年平均温度7.8 ℃, 沙尘暴日数37.3 d, 风力一般7~8级, 最大11级, 大风日数27.8 d, 无霜期179 d。

2 研究方法

在以上每个典型地段选取1~3株树龄较大、树干通直圆满、不断顶的平均木, 作为解析木。按2m一个区分段进行树干解析, 测算树高生长量, 树高定期平均生长量, 并绘制出树干纵剖面图和有关曲线图, 作为原始资料, 按各种成熟龄的不同特点具体分析。

3 二白杨农田防护林各种成熟龄的确定

确定防护林的成熟, 不仅要以收获木材的数量和质量作为判断的指标, 更重要的还应从它的有益性发挥程度上分析研究, 即经济效益和生态效益二者兼顾。

3.1 防护成熟龄

农田防护林的主要任务是发挥生态防护效益, 保障农牧业的稳产、高产和农区的生活环境。中国科学院沈阳应用生态研究所李昕等提出, 在网格内的所有点开始起到防护作用时的树高称为成林高度, 并将达到这一高度时的年龄称为初始防护成熟龄。当林带发挥防护效益最高时, 称这时的年龄为防护成熟龄, 研究初始成熟龄比研究防护成熟龄更有意义, 因为防护林进入防护成熟到结束(采伐)要经历几年、十几年甚至几十年的时间(李昕等, 1991)。在这一相当长的时间内林带对农田的生态环境已起着保护和调节作用, 确定更新采伐年龄必须高于防护成熟龄, 也就是防护效益开始下降时的年龄。林带间距离是根据树高H的倍数进行设计的, 防护距离一般为18 H~25 H。对于防护成熟龄的确定, 应从成林高度、带间距离和防护效益3者统一考虑。而成林高度由树种的生物学特性而定, 即树高的平均生长量与连年生长量的相交点和树高总生长量开始下降的拐点二者结合起来考虑, 多长时间达到这种成林高度, 即初始防护成熟龄。在树种相同, 气候条件相似的情况下, 会因立地条件(主要是土壤条件)不同, 初始防护成熟龄也不同, 下面按4种不同的土壤类型, 分别逐一进行分析。

(1) 绿洲灌耕土    该类型土壤发育于自成型土壤(灰钙土、灰漠土、壤质灰棕漠土、壤质棕漠土)上的古老灌溉耕作土壤, 土层深厚、人工堆垫层常在1m以上, 土壤熟化程度高, 质地适中, 常有蚯蚓活动。一般所处地形部位较高(扇形地上、中部, 干三角洲的上部的背脊部分), 无次生盐渍化的威胁。典型地段选在张掖市碱滩乡永星村, 在该地我们选择了1株解析木, 树高21.9m, 胸径38.0 cm, 树龄18 a。该土壤上生长的二白杨年生长量和平均生长量相交于14 a左右(如图 1), 树高总生长量明显下降也始于14 a, 此时树高为19.6m。带间距离若为400~600m, 其防护距离为25 H的话, 14 a生的树高也已满足这一设计要求。19.6 m高的林带也就为该土壤类型区二白杨开始进入防护成熟, 这时的年龄就为初始防护成熟龄(因为防护林是同龄人工林, 所以单株树木的年龄和高度基本能代表其林带的年龄和高度)。因此绿洲灌耕土上生长的二白杨初始防护成熟龄确定为14 a, 树高19.6m。

(2) 绿洲半潮灌耕土    该土壤发育于半水成型土壤(荒漠化草甸土)或水成型土壤(草甸土), 经长期耕垦目前地下水位已下降至4~5m的灌溉耕作土壤。主要分布于扇形地下部或干三角洲地形相对较低的部位, 几乎无盐渍化威胁。典型地段选在酒泉市临水乡, 在该地我们选取了1株解析木, 树高22.8 m, 胸径25.2 cm, 树龄21 a。连年生长量和平均生长量发生3次相交, 分别在5 a、7 a、11 a处(如图 2), 树高依次为8m、12m、18.2m, 5 a、7 a时树高总生长仍然迅速, 无明显下降, 显然都不能作为它的初始防护成熟龄, 在12 a处树高总生长发生明显下降, 出现拐点, 其防护距离为25 H的话, 该龄时的有效防护距离450m。因此将绿洲半潮灌耕土上生长的二白杨农田防护林初始防护成熟龄确定为12 a, 树高18.3m。

(3) 绿洲潮灌耕土    该土壤发育于水成型土壤(草甸土)上的灌溉耕作土壤。主要分布在扇形地中下部, 但排水仍较好的地区。典型地段选在金塔县旧寺墩。在该土壤类型区我们选择了1株解析木, 树高17.1m, 胸径33.1 cm, 树龄19 a。树高连年生长量和平均生长量在11 a处出现第1次相交, 且总生长量趋于缓和(如图 3), 应把11 a作为初始防护成熟龄, 树高16 m, 防护距离定为25 H的话, 有效防护距离为400m。

(4) 绿洲盐化灌耕土    该土壤发育于盐渍土壤上的灌溉耕作土。耕层盐分含量一般在0.5 %~1.0 %之间, 在河流下游、扇缘洼地分布较多, 土壤生产力低下。典型地段选在民勤黄岭林场。在该地我们选取了1株解析木, 测得树高14.7m, 胸径27.0 cm, 树龄23 a, 树高总生长量开始呈现明显下降在10 a处(如图 4), 树高11m, 平均生长量和连年生长量出现3次相交, 前两次分别在5 a、7 a处相交, 均不能作为它的初始防护成熟龄, 只有10 a处的第3次相交才合理, 所以我们把10 a作为绿洲盐化灌耕土上二白杨的初始防护成熟龄, 树高11m, 如果防护距离为25 H的话, 其有效防护距离为275m。

3.2 工艺成熟龄

工艺成熟龄是指培育目的材种的材积最大时的年龄, 它是用材林确定伐期年龄的主要依据, 把这一概念引入防护林十分必要。目前, 河西走廊平原农村建房等用材, 主要来源于防护林, 因此, 农田防护林在抵御风沙改善生态环境的同时, 对缓解平原地区农村“四料”缺乏问题也起着重要作用。这种木材主要用作建房的梁材和檩材。不同地区规格也有所不同:梁材小头直径18 cm, 材长8.5m, 相应的二白杨胸径为26.2 cm, 檩材的小头直径为14 cm, 材长5.5m, 相应的二白杨胸径为18.7 cm(张宝春等, 1992)。当林木达到了这种长度和粗度时就为工艺成熟, 这时的年龄就称为工艺成熟龄。假如对防护林既有防护效益的要求, 又有一定的材种要求, 这种林带就应以工艺材种的经营为主, 只要这种林带的二白杨达到工艺成熟就可以主伐利用, 进行林带更新。这样虽然有时对防护效益的发挥受到一定损失, 但防护林本身的经济效益却得到及时收益, 这样就补偿了一些防护效益的损失。各种工艺材要求有一定的长度, 还要有一定的小头直径, 同一树种的二白杨达到这一要求时的年龄因土壤条件不同或迟或早, 根据绘制的不同土壤类型上二白杨解析木的剖面图, 分别测算出它们的工艺成熟龄, 如表 1所示。

3.3 更新龄

防护林一般采用人工造林和根蘖的方法进行更新。所以防护林的更新应从它的防护效益和工艺成熟进行分析。如前所述, 同一树种, 由于立地条件不同, 以及对防护林本身的利用目的不同, 其更新龄就会有较大差异。

(1) 以防护效益为主的防护林更新龄的确定    对以防护效益为主的防护林, 就应以防护成熟龄来分析, 初始成熟龄是达到一定设计高度时的年龄, 是防护成熟的开始, 其高度还随着林木年龄的增加而增加, 防护效益也会随之提高。因此, 当防护林的防护效益开始下降, 林木生长衰退, 并开始进入自然成熟, 这时就可以进行及时更新。

(2) 兼顾防护效益和木材经济效益防护林更新龄的确定    木材的经济收益, 由于对材种要求较严格, 所以更新龄就应以工艺成熟龄来确定, 此外二白杨农田防护林除进行人工更新外, 还可以进行根蘖更新, 这种更新对树龄要求不严, 但年龄也不能太大, 如果树木已达到或超过自然成熟龄, 出现枯梢、心腐和烂根现象, 这时进行根蘖更新效果肯定不理想, 所以根蘖更新的年龄和防护成熟龄或工艺成熟龄是一致的。

4 结论与建议

二白杨防护林的初始成熟岭因立地条件尤其土壤条件不同而异, 它们的初始成熟龄及其相应的树高分别为:绿洲灌耕土为14 a, 树高19.4m;绿洲半潮灌耕土为12 a, 树高18.3 m; 绿洲潮灌耕土为11 a, 树高16m;绿洲盐化灌耕土为10 a, 树高11m。

土壤条件的好坏, 直接影响农田防护林的配置, 防护距离一般按树高H的18~25倍进行设计, 建议在河西走廊不同土壤类型区营建二白杨农田防护林时, 应充分考虑不同土壤类型上二白杨的初始防护成熟龄和此时的成林高度, 因此按以上结论, 绿洲灌耕土上二白杨林带配置距离一般为350~500 m, 绿洲半潮灌耕土320~450m, 绿洲潮灌耕土280~400m, 绿洲盐化灌耕土200~270m。

二白杨工艺成熟龄也因土壤条件不同而异。各个土壤类型上二白杨檩材和梁材工艺成熟龄和对应的胸高直径分别为:绿洲灌耕土为11 a和14 a, 胸径为19.1 cm和26.2 cm; 绿洲半潮灌耕土为13 a和17 a, 胸径为19.4 cm和25.2 cm; 绿洲潮灌耕土为15 a和19 a, 胸径为19.7 cm和26.3 cm; 绿洲盐化灌耕土为19 a和23 a, 胸径为19.0 cm和26.5 cm。

防护林成熟后要考虑它的更新。林带的更新龄要依其防护效益和林带自身的经济效益而定。