风沙危害一直是河北省西北部和首都北京的主要环境问题。“十五”以来，京津风沙源治理工程被列为我国六大生态工程之一，成为我国生态建设的重点工程。工程实施过程中建有大量的人工固沙林。作为防护林的一个重要种类，人工固沙林既能大面积地改造自然景观，改善人类生活环境，又能抗御或减轻自然灾害，还能够获得较好的经济效益。随着人工固沙林面积的不断扩大与林龄增加，从固沙林的生态稳定性(曹成有等，2004；杨东华等，2009)和功能可持续性(孙继周等，2003；马占琼等，2008)出发，研究合理经营的技术问题，也逐渐受到重视而成为热点问题。然而以往研究大多着重于流动沙地的植被建植技术(蒋高明等，2011；马存世等，2011)以及固定、半固定沙地的植被快速恢复技术(姚忠宝等，2007；李澍贵等，2011)，对人工固沙林的防护成熟与可持续利用研究甚少。

人工固沙林的防护期是系统发挥防护功能的持续时间，它关系到防护林总体效益的发挥，是防护林持续利用的关键。人工固沙林的防护期越长，则系统的持久性越高，系统越稳定；防护期也是固沙林经营的基础(姜凤岐等，1997；焦树仁等，2001)，是2代林分更新的主要依据(许景伟等，2003；王葆芳等，2008)。对于人工固沙林防护期与可持续性的研究，主要集中于防护成熟理论认识方面(姜凤岐等，1997；王红春等，2000；杜晓军等，2002)，仅对樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)固沙林的防护成熟龄进行了确定，对固沙林防护期的研究未见报道。因此，利用防护成熟理论，分析不同种类人工固沙林的防护期并提出相应的技术对策，使林分的生态效益得到最大的发挥，对提高风沙源治理效率具有重要的理论和现实意义。

地处北京西北部的河北省张家口市宣化县黄羊滩沙地，位居河北省五大沙滩之首，距北京市和官厅水库直线距离分别只有138 km和50 km。无论是自然经济条件、景观格局特征，还是风沙危害特点，在环京津风沙源治理工程中均具有典型性。本研究从人工固沙林防护期出发，以黄羊滩人工固沙生态系统为研究对象，通过对18个林分(草地)的标准地调查，采用系统聚类方法对林分初始防护成熟和防护期特征进行分析，为完善人工林的可持续经营理论和人工固沙林持续利用提供理论依据。

1 研究区概况

黄洋滩沙地位于宣化县东南部洋河南岸，隶属于宣化县国营林场(115°2′34″—115°12′30″E，40°25′12″—40°32′6″N)，总面积10 200 hm²。该区属坝下中低山区，地势东南高、西北低，海拔600~1 000 m。土壤以风沙土为主。年均气温7.6 ℃，极端最高气温38 ℃，极端最低气温-25.8 ℃，无霜期130天，年均降水量365 mm，年蒸发量2 000 mm，大风天数37~40天，年≥10 ℃有效积温2 368~3 573 ℃。主要灾害性天气有干旱、沙尘暴、冻害、干热风等。地带性植被为疏林草原，植被类型较单一，盖度较低。由于其独特的地理位置，形成了风多、风大、干旱等特殊的局部气候特征，区内土壤风蚀沙化严重。

2 研究方法 2.1 调查方法

依据黄羊滩人工植被类型，按照树种、年龄和配置模式等选择具有代表性的地段，设置标准地，面积为20 m × 30 m。通过查阅造林档案，以及现场清点株数、测量行间距、观察分布情况等确定造林初植密度。在乔木样地内对乔木树种进行每木检尺，测定树高、胸径、冠幅，测算林分郁闭度；在灌木林样地内分别测定灌木的丛株数、株高、冠幅，测算林分覆盖度；人工草地调查，设置3 m × 3 m的样方，5次重复，在样方内逐株测定高度、丛株冠幅、分孽枝数，记录样方内天然草本植物种类、株数、高度、盖度，测算人工种草盖度与天然生草盖度。

2.2 初始防护成熟龄的确定

通过对影响人工固沙林防护成熟各个因素进行综合分析，本文延用姜凤岐等(1997)的观点，把乔木林的郁闭度和灌木林(草地)的盖度作为人工固沙林防护期界定的指标。按全面控制风蚀、有效覆盖地面的要求，林分初始防护成熟龄对应的是林分在株间、行间均达到造林设计郁闭度时的林龄。具体操作方法是：人工植被覆盖度超过半固定沙地下限(15%)时的林龄当作发挥防护年龄，覆盖度达到固定沙地下限(35%)时的林龄当作初始防护成熟龄。

灌木林与人工草地盖度通过实地调查直接获得，或者通过冠幅年平均生长量测算。

乔木林郁闭度如果通过实地调查无法直接获得，那么通过以下公式，结合冠幅生长模型推算。

式中，K为冠幅直径，C为林分郁闭度(或盖度)，N为单位面积上的株数。通过调查冠幅直径生长情况确定成熟年龄。

2.3 自然防护成熟龄的确定

当林分或树木生长到开始枯萎阶段时的状态称为自然成熟(亢新刚，2011)。自然防护成熟龄是指固沙林达到总体郁闭无法维持的时间，此时林木进入过熟状态，进入更新龄。把初始防护成熟龄和自然防护成熟龄作为防护期的2个端点，进而得出人工固沙林的防护期。黄羊滩林场现有的人工林多数处于中、幼林阶段，通过现场调查无法确定自然防护成熟龄时，通过借用立地条件较相似地区该树种相关成熟年龄或生长模型间接得出：

1) 白榆(Ulmus pumila)采用中国树木志编委会(1981)的资料，白榆在华北、西北地区的自然成熟龄为40年。

2) 樟子松采用辽宁省章固台的研究成果(姜凤岐等，1997)，沙地樟子松人工林的材积在46年达到数量成熟，在数量成熟的基础上延长1个龄级(10年)，即56年时林分进入过熟状态，进入更新龄。

3) 侧柏(Platycladus orientalis)采用中国树木志编委会(1981)的资料，侧柏在华北等适生地区的自然成熟龄为100年。

4) 新疆杨(Populus bolleana)在民勤绿洲研究的结果(张锦春等，2000)表明：新疆杨林带在24年生时材积平均生长量和连年生长量相交，确定新疆杨数量成熟龄为24年。在此基础上延长1个龄级(5年)，新疆杨自然防护成熟龄为29年。

5) 柠条(Caragana korshinskii) 治沙造林学编委会(1981)的技术材料显示：柠条在西北、华北地区，经过平茬复壮，可存活80年。

6) 沙地柏(Sabina vulgaris)通过研究年轮形态特征得出，沙地柏在毛乌素沙地65年左右进入衰老期(黄荣凤等，2005)，在此基础上再加1个龄级(10年)，即75年为沙地柏的自然防护成熟龄。

7) 沙枣(Elaeagnus angustifolia)采用治沙造林学编委会(1981)的技术材料，沙枣60年以后冠幅和干径生长趋于缓慢，生长势逐渐趋于衰老，在此基础上延长1个龄级(5年)，将沙枣自然防护成熟龄确定为65年。

8) 黄柳(Salix gordejevii)正式发表的科技文献中没有查找到有关黄柳成熟与寿命方面的资料。但相关科技人员的经验数据与网页数据都较为一致，认为黄柳寿命为30年左右。本文采用30年作为黄柳的自然防护成熟龄。

2.4 防护期类型划分

试验数据运用DPS 3.01软件系统聚类法进行聚类分析。将林分的发挥防护年龄、初始防护成熟龄、自然防护成熟龄和防护期作为聚类指标，以欧氏距离作为林分间距离，以最短距离法为聚类方法，结果用树状图表示。

3 结果与分析 3.1 林分防护期分析

从表 1可知：小叶杨与刺槐营造的固沙林，不能实现防护成熟，防护期为零。以小叶杨为主要经营树种的林分涉及3个造林模式，其中2个纯林的初植密度分别是1 667株·hm^-2(1号)和883株·hm^-2(2号)，混交林由山杏(Armeniaca vulgaris)隔行混交而成，初植密度同1号林分；由于保存率低、生长停止以及提前衰退等原因，都没形成有效防护结构，即林分郁闭度都未达到固定沙地植被覆盖标准的下限值，不能形成地面有效覆盖，无法实现防护成熟。刺槐同样由于保存株数下降和冠幅生长停止，林分郁闭度最大值为0.2，没有实现防护成熟。

白榆是乡土阔叶树种中营造防风固沙林防护期最长的一个树种。白榆具有根性较深、适应性强、能适应干冷气候等特点，经合理配置，在不同立地条件下林分都可达到防护成熟，并稳定地发挥固沙护土的作用。保存密度为1 100株·hm^-2的林分(5号)，造林第4年发挥防护作用，第9年达到初始防护成熟龄，自然防护成熟龄以40年计，防护期为31年。在水肥条件较好地段，造林配置模式为2 m × 3 m的林分(2号)，第2年郁闭度就可达到0.2，开始发挥防护作用，第4年为初始防护成熟龄，防护期是36年。

侧柏与其他乔、灌木相比其生长过程中占据空间速度慢，所以发挥防护年龄与初始防护成熟龄来的较晚。但具有自然成熟过程持续时间长，自然防护成熟龄来的晚等特点，具有最长的防护期。通过冠幅与郁闭度关系公式可以推得，保存密度为883株·hm^-2的林分(7号林分)，初始防护成熟龄为26年，保存密度为1 516株·hm^-2的林分(8号林分)，进入初始防护成熟龄也需要20年。侧柏自然成熟龄为100年，林分对应的防护期分别是74年和80年。

研究区营造的樟子松固沙林纯林，当前郁闭度都在0.4以下，未进入防护成熟阶段。以保存密度为517株·hm^-2的林分为例，按章固台的计算方法(姜凤岐等，1997)，林分初始防护成熟是23年，防护期是33年。樟子松与紫穗槐混交林，初植密度为6 337株·hm^-2(混交比为1:3)的林分，实地调查结果显示：造林后第3年地面覆盖度就达到0.4，达到了防护成熟标准，与樟子松纯林相比，大大提前了初始防护成熟龄，防护期为53年。林内地表输沙量实测值为每日2.5 g，表明只有轻微风蚀现象，固沙目标接近完成。

新疆杨是黄羊滩林场能够进入防护成熟阶段少数杨树种类之一。现场调查显示：保存密度为1 366株·hm^-2的林分，造林第4年郁闭度达到半固定沙地下限，开始发挥防护功能，第8年达到固定沙地下限，进入初始防护成熟期，推算得该林分防护期为21年。

柠条属深根性树种，造林初期以地下部分生长为主，地上部分生长相对比较慢，冠幅与高度生长受初植密度影响较小，林分结构及变化情况主要由造林配置模式决定。采用1年生容器苗造林，在初植密度为7 800株·hm^-2的情况下，实地调查结果显示：第2年郁闭度达到0.2，第5年初始防护成熟；当初植密度为2 500株·hm^-2时，根据营林档案提供冠幅生长量推算，第4年郁闭度达到0.2，第9年初始防护成熟。这2种模式之间初植密度虽然相差很大，但初始防护成熟龄只差5年，在柠条80年生命进程中占比例较小。沙地柏具有匍匐生长的特性，虽然枝条长度年生长量只有20 cm左右，但枝条很容易形成地面覆盖。保存率为2 930株·hm^-2的纯林，造林第4年开始发挥防护作用，第8年初始防护成熟。沙地柏与紫穗槐混交林，第4年实现初始防护成熟。自然防护成熟以75年计算，纯林和混交林防护期分别是67和71年。

沙枣枝条开张角度大，冠幅与高度同步增长，林分地面覆盖能力极强。保存率1 750株·hm^-2的林分，第3年开始发挥防护作用，第7年初始防护成熟，防护期为58年。

黄柳造林后第3~5年是冠幅生长的速生期，此后冠幅增长明显减缓。根据标准地调查结果，此时单株冠幅平均值为1.2 m。以防护成熟要求的最低郁闭度，可推算得出，此时合理的密度应该是2 500株·hm^-2左右。低于此密度的林分，防护成熟年龄就要明显推迟，甚至不能达到防护成熟所要求的最低郁闭度。黄柳固沙林要求兼顾经济收益时，在此基础上要提高生物量与郁闭度，适宜的配置模式应该为2 m × 2 m左右。

人工草地具有发挥防护功能年龄早但退化也早的特点。沙打旺人工草地，播种第2年地面覆盖度就达到了0.4，进入防护成熟期。随着分蘖和单株个体体积增大，第4年时地面覆盖度达到0.6，此时植被发展达到顶峰，并开始自然稀疏。第7年时覆盖度下降到0.3，达到自然防护成熟，维持有效防护时间为5年。

3.2 林分防护期类型划分

采用系统聚类方法对18个林分的成熟龄和防护期进行归类整理，结果见图 1。根据类间距离与临界近似值变动情况，结合林分防护效益的现实状况，可将人工固沙林防护期分为4个类型，即防护期类型Ⅰ(无防护期与极短防护期类型)、防护期类型Ⅱ(短防护期类型)、防护期类型Ⅲ(中防护期类型)、防护期类型Ⅳ(长防护期类型)。

小叶杨、刺槐和沙打旺建植的人工植被，为防护期类型Ⅰ。该类植被特点是，乔木林能部分发挥防护功能但不能达到防护成熟，人工草地防护效果见效快但退化也早。该林分没有经营的价值，依照适地适树的原则，应该选择一些适应性强的树种加以代替。人工草地，在生长高峰过后，流动沙面已经固定，及时引进功能更强的灌木树种进行改良，以进一步增强系统防护期和生态功能；白榆、新疆杨、黄柳、樟子松建植的林分，为防护期类型Ⅱ。该类型以乔木林分为主，具有初始防护成熟慢、生命周期短的特点，防护期较灌木林分短；樟子松 × 紫穗槐、沙枣、柠条、沙地柏、沙地柏 × 紫穗槐等林分，为防护期类型Ⅲ。该类型以灌木林分为主，具有较长的生命周期与较快的地面覆盖速度，有效防护期较乔木林分长；侧柏林自成一类，为防护期类型Ⅳ。侧柏林的特点是，林分初始防护成熟来的最晚，但林分有最长的防护期。该类林分可以通过引入非竞争灌木或草本与之混交，提早实现初始防护成熟期。

4 结论与讨论

由于树木各自生物学特性不同，营建的林分初始防护成熟年龄与防护期表现出不同特点：小叶杨、刺槐和沙打旺建植的人工植被，为无防护期与极短防护期类型。小叶杨与刺槐建植的林分，防护期为零，沙打旺人工草地防护期5年；白榆、新疆杨、黄柳、樟子松建植的林分，为短防护期类型。该类型以乔木林分为主，防护期21~36年，初始防护成熟慢、防护期较短；樟子松 × 紫穗槐、沙枣、柠条、沙地柏、沙地柏 × 紫穗槐等林分为中防护期类型。该类型以灌木林分为主，防护期53~75年，初始防护成熟早，防护期较乔木林分长；侧柏林为长防护期类型，防护期74~80年。林分初始防护成熟来的最晚，但林分有最长的防护期。

按经营目的，不同类型应采取不同的经营对策。防护期类型Ⅰ是改造对象。以小叶杨和刺槐为主要树种的林分，抗旱性差，风蚀沙地不能满足其生长所需要的养分和水分，生长发育受限，不能形成有效的防护结构。该类林分已失去经营价值，选择适应性强的树种加以代替。沙打旺是流动、半流动沙地无可替代的先锋物种，受生物学特性限制，植被退化较快，防护功能也远不如乔、灌木林分。人工草地，在生长高峰过后，流动沙面已经固定，适时引进功能更强的灌木树种进行改造。防护期类型Ⅱ和防护期类型Ⅳ，以乔木树种为主，经营对策是促进生长、加速郁闭；引入非竞争灌木树种，以高密度灌木植株快速覆盖地面，同时可形成复层混交林。防护期类型Ⅲ，为处在进展演替阶段的灌木林分，应减少人为干扰，充分发挥林分的自我恢复能力；采取封禁措施，促使林分尽快发育成熟。

20世纪80年代末90年代初，黄羊滩林场典型的小叶杨固沙林营造模式为株行距2 m × 3 m(1号林分)。该模式营造的林分生物学稳定性极差，林分生命周期不能顺利完成，具体表现为高生长停止、枯稍、落叶、整株死亡等，郁闭度最大时不足0.3。该模式失败后对其进行改进，在林分株行距保持不变的条件下，按混交比1：1用山杏隔行混交(3号样地)。与纯林相比较，混交后小叶杨的保存率、冠幅、枯梢等不适应症状没有实质性改变。山杏虽然有56.7%的保存率，对风蚀沙地有很好的适应性，但林分的总郁闭度最大时只达到0.3，也没能达到防护成熟所需的郁闭度。混交模式没有达到预期的改造效果后，再进一步降低密度以增加单株树木的营养面积，以单株营养面积扩大1倍即以株行距3 m × 4 m的模式(2号林分)营建纯林。该模式，从林木生长状况来看，保存率、枯梢率等生长指标没有因扩大营养面积而改善，反而因总株数降低致使林分郁闭度进一步下降为0.1，没有起到覆盖地面与防护作用，甚至发挥防护作用的标准都没达到。

刺槐是浅根性树种，风蚀沙地不能满足其正常生长对水肥的需求，生长衰退出现早，日灼严重，幼树暑期死亡率高，造林5年后林分郁闭度停止增长，不能达到防护成熟。

侧柏和樟子松生长速度慢，形成地面有效覆盖所用时间较长。研究区典型配置模式是2 m × 3 m，在全部成活的理想状态下，初始防护成熟年龄分别是20年和11年。如果以提早进入防护成熟为着力点，对这2类林分进行改造，引入非竞争灌木紫穗槐实施混交，以行间加1行结合株间加1株的模式进行改造。高密度紫穗槐可提早占据空间，造林后第3年林分总覆盖度就可达到固定沙地下限，达到初始防护成熟，防护期预计分别延长17年和8年。在自然防护成熟龄一定的条件下，初始防护成熟提早年度就是延长防护期。因此，与紫穗槐混交，是延长侧柏和樟子松固沙林防护期的有效途径。

柠条、沙地柏和沙枣，具有生命周期长、水平方向占据空间速度快等特点，初植密度对林分地面覆盖度的影响持续时间很短，没必要通过加大密度延长防护期。柠条干基萌生能力强，造林后第3年出现干基萌生苗，还有一小部分根蘖苗，可快速填补因初植密度低所剩余的空间。柠条初植密度为2 500株·hm^-2和7 692株·hm^-2的2块林分，初始防护成熟年龄分别是9年和5年，二者防护期仅相差4年；沙地柏枝条生长到一定年龄后，由于枝条的重力大于向上生长的力而形成匍匐茎，匍匐茎遭沙埋后生根变成独立植株。初植密度为3 333株·hm^-2的沙地柏纯林和6 666株·hm^-2的沙地柏 × 紫穗槐林，防护成熟年龄分别是第8年和第4年，二者防护期也仅相差4年；沙枣表现为枝条开张角度大，冠幅与高度同步增长，占据空间能力强。沙枣林分，以单株实测树冠年增加值推算，初植密度为2 500株·hm^-2的林分，全部成活情况下，第5年达到初始防护成熟龄，防护期为60年。在成活率为70%情况下，7年时初始防护成熟，防护期为58年，仅比理想值小2年。