林业科学  2003, Vol. 39 Issue (1): 31-35   PDF    
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黄义雄, 郑达贤, 方祖光, 谢皎如, 沙济琴.
Huang Yixiong, Zheng Daxian, Fang Zuguang, Xie Jiaoru, Sha Jiqin.
福建滨海木麻黄防护林带的生态经济效益研究
STUDY ON THE ECOLOGICAL AND ECONOMICAL BENEFITS OF CASUARINA EQUISETIFOLIA SHELTERBELT IN THE COAST OF FUJIAN
林业科学, 2003, 39(1): 31-35.
Scientia Silvae Sinicae, 2003, 39(1): 31-35.

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收稿日期:2002-10-18

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黄义雄
郑达贤
方祖光
谢皎如
沙济琴

福建滨海木麻黄防护林带的生态经济效益研究
黄义雄, 郑达贤, 方祖光, 谢皎如, 沙济琴     
福建师范大学地理研究所 福州 350007
摘要: 通过对福建平潭岛木麻黄防护林带生物量、生产力和生态经济效益进行3 a的定位研究,结果表明,木麻黄防护林带现存生物量为350.25 t·hm-2,其净初级生产力为23.918 t·hm-2a-1。其有效防护范围为林带迎风面距林带10 H和林带背风面距林带15 H内。林带风速平均降低24.3%,土壤细沙含量平均提高1.1%,蒸发量平均降低15.7%,土壤表层含水量提高1.1%;降水量增加46.1 mm。林带防护范围内大麦产量提高15%,大麦千粒重增加7%,粗淀粉含量提高4.8%。表明木麻黄仍是目前我省沿海地区防护林的首选树种,具有较好的生态经济效益,对改善滨海地区生态环境、促进经济可持续发展有着重要意义。
关键词: 木麻黄    生物量    生产力    生态经济效益    
STUDY ON THE ECOLOGICAL AND ECONOMICAL BENEFITS OF CASUARINA EQUISETIFOLIA SHELTERBELT IN THE COAST OF FUJIAN
Huang Yixiong, Zheng Daxian, Fang Zuguang, Xie Jiaoru, Sha Jiqin     
Institute of Geography, Fujian Normal University Fuzhou 350007
Abstract: The biomass,productivity and the ecological and economical benefits of Casuarina equisetifolia shelterbelt in coastal region of Pintan in Fujian Province were determined during 3 years. The biomass and net primary productivity of the shelter belt was 350.25 t·hm-2 and 23.918 t·hm-2a-1,respectively. The effective protected range of the shelterbelt was 10 H (ten-fold of tree height) on windward side and 15 H on the leeside from the edge of the shelterbelt. In this range,the average wind speed was reduced by 24.3%,the average content of soil fine sand was increased by 1.1%,the average evaporation was reduced by 15.7%,the average precipitation was increased by an amount of 46.1 mm,and the soil moisture was increased by 1.1%. In the effective protected range,the crop yield was increased by 15%,with an increased dry weight per 1 000 kernel of barley and an enhanced coarse amylum content. The results indicated that Cauarina equisetifolia is the most effective in improving ecological environments of coastal region and contributes highly to the economic development.
Key words: Casuarina equisetifolia    Biomass    Productivity    Ecological and economical benefit    

木麻黄(Casuarina spp.)原产于大洋洲、太平洋岛屿及东南亚地区,在福建省滨海地区分布有木麻黄(Casuarina equisetifolia)、细枝木麻黄(C. cunninghamiana)和粗枝木麻黄(C. glauca)3种(福建省科学技术委员会,1991)。由于它们具有速生优质、防风固沙、抗旱的特性,近年来已成为福建省滨海地区最重要的防护林造林树种,这不仅为人民生活需要提供了急需木材和燃料,更重要的是减免了风、沙、潮水灾害造成的威胁,改善了福建省滨海地区生态环境,促进了工农业生产的发展。

木麻黄在我国开始大面积推广是20世纪60年代以后,近年来相关学者对防护林的生态效益也进行了研究(张水松等,2000;李志真,1999杨玉坡等,1993康立新等,1994卢成林,1997),普遍认为防护林带具有明显的生态效益。但对木麻黄防护林体系生态经济效益进行系统的长期定位观测目前少见报道。本课题组在平潭岛国营林场一片开阔地上营造了木麻黄试验防护林带,就其生物量、净初级生产力和生态经济效益进行了多年定位观测和研究,为沿海防护林体系建设提供科学依据。

1 试验区概况

试验区位于平潭县城以北1 km国营林场的一片开阔耕地上(北纬25°32′,东经119°52′),属南亚热带海岛型季风气候,年均温19.6℃,全年≥10℃积温6 563 ℃;年平均降水量1 172 mm, 4~9月降水量占全年70%;年均蒸发量1 299.7 mm;年均风速7 m·s-1;台风活动频繁,1960~2000年的40 a间,年均受台风影响多达5次。土壤属风沙土类润沙土属,按国际土壤分类,属湿润新成土。表层土壤(0~40 cm)有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为7.6、0.51、0.15、21.7 g·kg-1

试验区观测场呈150 m×350 m的长方形状。于1984-02用2 a生木麻黄(Casuarina equisetifolia)实生苗营造10行防风林带,林带长150 m,宽13.5 m,共1 500株。林带内行距1.5 m,株距1 m,行与行的株间呈交错排列。林带迎风面(北)400 m和背风面(南)200 m内均为开阔地带。观测期间林带秋冬季透风系数为0.55,春夏季透风系数为0.48。

2 研究方法 2.1 木麻黄林带生物生产力测定

由于乔木层郁闭度较大(70%~90%),林内干燥,无灌木生长,草本地被物种类和数量极少,所以草本层生物量可忽略不计,林带生物量调查只在乔木层进行。

分别于1985-03、1988-04、1990-06、1996-01和2002-06对林带每木实测树高(H)、胸径(D),并计算平均胸径、平均树高和株数。根据林带径级分布选择标准木5株,伐倒后分别测定树干、枝、小枝鲜重,并采用全挖法测定根系鲜重,同时对各器官分别取样测定含水率,将各器官鲜重换算为干重。采用相对生长法计算林带的平均生物量。同时调查林带枯死、损耗采伐数量,并假定枯、采量树木平均株高、平均胸径同于当年平均树高和平均胸径,用相对生长法计算枯损采伐量生物量。

凋落物量用收集框测定。在林带内机械布设15个1.0 m×1.0 m×0.2 m木箱,木箱底部用孔径为0.25 mm的尼龙网做成,离地面25 cm高水平置放。分别于1985、1988、1990、1996和2002年每月收集凋落物。凋落物分为小枝、枝、皮、果,称鲜重后对各组分取样测定含水率,并换算为干重。

2.2 木麻黄林带生态经济效益测定

在田间垂直于试验林带引出一条垂线,沿垂线在林带迎风面(北侧)距林带10 H、6 H、3 H和林带背风面(南侧)距林带3 H、6 H、10 H、15 H、25 H和32 H(H为树高)处各设立1个10 m×10 m小气候观测点和3个2 m×2 m作物样方,从1990-10始,观测风速、降水、蒸发、土壤风蚀、土壤表层含水量和农作物生长状况,历经3 a观测。

采用DEM-6型轻便风向风速仪来测定2 m高度的风向风速,各测点2 m高度的风速采用同步遥控观测,即在开始观测前打开遥控开关让各个观测点的轻便风向风速仪同时工作,1 min后自行停止工作,然后逐一记录;采用口径20 cm的小型蒸发器在各测点距地面70 cm高度观测蒸发量;在旷野和林带背风面距林带6 H处设置雨量器测定降水量;在各测点右角设计一个1.0 m×1.0 m,深0.5 m的土坑,然后均匀填入混有5%直径3~5 mm的沙粒的沙土,高度与地表面持平,为防止下雨时沙粒外流,在外围铺有砖块,定期测定土壤表层(0~10 cm)细沙含量的变化,通过计算测定土壤表面的风蚀量;在各气候观测点内的3个重复作物样方土壤统一混匀后再回填,消除各样方土壤差异对作物生产的影响。采用统一的耕作措施,测定林带对作物的增产效应,并采用酸碱试剂测定粗蛋白质、粗淀粉含量。试验区内的气象观测的仪器安装及观测方法均按照国家气象局统一颁发的《地面气象观测规范》的要求进行。

3 结果和分析 3.1 木麻黄防护林带生物量及生产力 3.1.1 相对生长方程

相对生长法用法是目前计算林木生物量最为通用的方法,并已有多种生长模型(张水松等,2000)。根据野外各径级标准木测得的各器官干重数据,通过运用不同模型进行回归分析,发现以幂函数式W=a(D2H)b的拟合效果最好,相关系数R均达0.92以上,回归关系均达显著水平(P<0.01)表 1

表 1 木麻黄标准木各器官干重与D2H的回归方程(n=300) Tab.1 The regression equation of dry weights of various organs and D2H
3.1.2 林带生物生产力动态变化趋势

植物个体的净生产量是单位时间内在植物组织内合成和积累的有机物质量;它是植物光合作用后的净收益,等于总生产量减去呼吸量。植物净生产量的某些部分可以由于组织的死亡和脱落而损失,在测定生产量时这种丧失必需计算在内。森林群落的净生产力通常用单位面积单位时间内森林植物光合作用实际产生有机物质(除去呼吸消耗)的速度来表示,即年净生产量作为净生产力的标志(李文华等,1985冯宗炜等,1999)。木麻黄生产力研究对综合评价木麻黄防护林生态经济效益具有重要意义。

将野外5次测定的平均树高、平均胸径代入表 1回归方程即得平均木各器官生物量及其比例关系,依据调查年份的林带密度计算林带生物量,再根据林带年龄计算林带年平均生物量生长量。并根据凋落物量、枯损采伐量求得林带净初级生产力。结果如表 2

表 2 木麻黄防护林带不同年龄阶段生物量和净初级生产力 Tab.2 The biomass and net primary productivity of C.equisetifolia shelter belt at different ages

林分密度在幼林期变化较大,3 a生时年减少株数1 384株·hm-2,3 a生至6 a生期间年均减少株数425株·hm-2,6 a生至8 a生期间年均减少30株·hm-2,8 a生至14 a生期间年均减少株数160株·hm-2,14 a生至20 a生期间年均减少株数70株·hm-2,林分密度之所以出现这种动态变化与本地生境有关。在平潭风大的情况下,幼林阶段木麻黄抗风沙能力较弱,导致幼树死亡率较高。进入中龄阶段后随着抗风沙能力增强,死亡率降低。这种变化规律与一般林分密度变化所遵循的生理生态学规律有所差异。

林带生物量是有机质多年积累的指标。随着树木年龄增长,林带生物量也随之增大,20 a生时达350.25 t·hm-2,超过弱风区潮积沙土上25 a林生木麻黄林分生物量335.43 t·hm-2(张水松等,2000),这可能与本研究木麻黄林带种植在农田上,具有较高的土壤肥力有关。

木麻黄林带净初级生产力随林带年龄增长呈现明显的动态变化,3 a生时净初级生产力为19.977 t·hm-2a-1,6 a生至14 a生净初级生产力均超过24.3 t·hm-2 a-1,到14 a生达到25.000 t·hm-2a-1,以后逐渐减少,到20 a生时降到23.918 t·hm-2a-1。净初级生产力的这种变化与福建滨海木麻黄生长规律在3 a生前生长缓慢,6到15 a生为木麻黄高速生长期,进入16 a后生长逐渐减缓的报道较一致(郑达贤等,1994)。本研究的木麻黄防护林带的生物量和净生产力均超过我国亚热带其它森林乔木层的生物生产力(冯宗炜等,1999),表明福建滨海木麻黄防护林是一个高生产力的森林生态系统。

3.2 木麻黄防护林带的生态效益分析

防护林带的最基本作用是降低了林带防护范围内的风速和改变了气流的性质,也间接的影响其它气候因子、土壤因子,改善了林带防护范围内的生物生长环境。木麻黄防护林带的防风效益明显,在林带迎风面10H、6H、3H处风速比旷野分别降低了5%、8%和12%;在背风面3H、6H、10H、15H、25H和32H(已进入副林带防护范围)处风速分别降低了36%、49%、39%、32%、18%和20%,表明林带迎风面15H处风速可代表旷野风速。这与林带迎风面10~6H范围内相对风速之差不大于5%,林带迎风面10H处风速可代表旷野风速的报道有一定差异,而与林带背风面风速降低的最大值出现在5~8H处的报道较一致(徐浚森等,2001陈远生等,2000宫伟光,1997;周心澄等,1995;李志真等,2000)。林带降低风速的作用还随着风速的增大而提高(图 1),当风速小于2 m·s-1时,林带最大降低风速约为3%,而当风速大于10 m·s-1时,林带最大降低风速可达52%。

表 3 亚热带地区森林乔木层生物量和生产力比较 Tab.3 Comparison among the biomass and net primary productivity of forest tree stratum in subtropic region
图 1 防护林带对不同风速的减速效应 Fig. 1 Effect of shelterbelt on reducing speed of winds with different speeds 风速图列The cutline of windspeed (m·s-1)
①—◆—0~2.0;②—■—2.0~4.0;③—▲—4.0~6.0;④—×—6.0~8.0;⑤—*—8.0~10.0;⑥—●— >10.0;⑦—+—平均(Average);⑧旷野 Field.

由于林带降低风速的作用,对林带防护范围内土壤细沙含量、蒸发量、土壤表层含水量、降水量都有较大改善作用(表 4)。在林带迎风面6 H处和林带背风面后各观测点土壤细沙含量都较旷野高,表明林带固沙效果明显;林带迎风面10 H处的蒸发量降低了5%,在林带背风面6 H处蒸发量降低了25%、降水量增加了4.63%,土壤表层含水量增加了27.47%,表明林带防护范围内对减少土壤蒸发、增加降水、增加土壤含水量和增加空气湿度有重要作用。

表 4 防护林带前后各测点气象和土壤因子的变化 Tab.4 Changes in weather and soil factors on the windward side and leeside of the shelterbelt
3.3 木麻黄防护林带对作物增产效应

通过对各气候观测点大麦产量、千粒重、粗蛋白和粗淀粉含量进行分析表明林带具有明显的增产效益和提高作物品质的作用(表 5)。大麦产量、千粒重和粗淀粉含量在林带迎风面10 H内和林带背风面15 H内较旷野均有明显提高,其中林带迎风面距林带10~30 H约增产24%,林带背风面距林带3~15 H约增产54%,25 H处减产12%。扣除林带前后3 H范围内造成的胁地效应和林带本身占地无法种植大麦,林带对大麦增产可达15%;按同样方法分析,林带可提高大麦千粒重7%,增加粗淀粉含量4.8%;但粗蛋白含量与上述3项指标正好相反,即旷野大麦样地粗蛋白含量较林带防护范围内各样地的含量高,此原因还有待于进一步研究。方差分析表明,不同测点的大麦产量、千粒重、粗蛋白含量和粗淀粉含量差异均达到极端显著水平(P<0.01)。林带对作物增产效应的范围(迎风面10 H内和背风面15 H内)与林带的防护效益范围相一致,亦充分说明了木麻黄防护林带的生态经济效益。根据林带的防风固沙、改善小气候及作物增产效益范围,木麻黄防护林带间距应以150~200 m为宜。

表 5 防护林带对大麦的增产效应 Tab.5 Effect of shelterbelt on increasing production of barley
5 结论

福建省平潭滨海木麻黄防护林带具有比同气候区森林更高的生物量和净初级生产力,具有明显的降低风速、固沙、降低蒸发量、增加表层土壤含水量和降雨等生态效益,同时对农作物具有明显的增产效益,并可提高作物品质,表明木麻黄仍是目前我省沿海地区防护林的首选树种。木麻黄防护林最佳林带间距应以150~200 m为宜。在福建滨海地区大力营造木麻黄防护林改善当地生态环境,保障农业生产,促进滨海地区经济的可持续发展有重要意义。

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