上世纪50、60年代以来, 福建省在其东南沿海沙地上营建了大量的木麻黄(Casuarina equisetifolia)防护林, 在防风固沙、改善生态环境以及促进当地社会经济发展等方面起到了十分重要的作用, 特别是木麻黄基干林带, 它处于防护林最前沿, 起着第一道屏障的作用。关于木麻黄防护林基干林带的防护效能, 大多研究只作过定性的描述, 而定量的研究未见报道。数量化理论Ⅰ在研究林木与环境因子的关系、立地质量评价以及在各种森林调查中均已广泛应用。本文在调查不同沿海木麻黄防护林结构与防风效能的基础上, 试图用数量化理论Ⅰ找出木麻黄基干林带防风效能定量评价的方法, 其结果将对林带结构类型的划分, 防护成熟期的确定及林带的更新改造提供依据。

1 研究区概况

试验点选择在福建省东山县赤山林场, 位于福建沿海南部, 东经118°18′, 北纬23°40′。属亚热带海洋性气候, 干、湿季节明显, 年平均降水量945 mm, 大部分降水集中于5 —9月, 11月至翌年2月为旱季, 年平均蒸发量1 056 mm, 年平均气温为20.8 ℃, 极端最高气温36.6 ℃, 极端最低气温3.8 ℃。主要自然灾害为台风和干旱, 台风多发生在7 —8月, 年平均5.1次。土壤为滨海沙土, 肥力较低。天然植被稀少, 林下常见零星植被有木豆(Cajanus cajan)、鼠刺(Spinifex littoreus)和牡荆(Verbena negando)等, 主要适合栽植木麻黄、湿地松(Pinus elliottii)、厚荚相思(Acacia crassicarpa)、刚果桉(Eucalyptus 12 ABL)等树种。

2 材料与方法 2.1 材料

选择从东山岛的乌焦湾到大帽山沿海最前沿的木麻黄基干林带, 林龄为40 a。

2.2 方法 2.2.1 结构的调查

沿海岸线基干林带选设20 m ×20 m标准地22块, 分别调查各标准地的地貌类型、树高、胸径、枝下高、冠幅、林分密度和林带宽度等指标。

2.2.2 防风效能的测定

用DEM -6型三杯风向风速仪, 在主害风向与林带垂直处, 分别设置与以上22块标准地相对应的22条测线, 于1998年和1999年风害严重的秋、冬季节分别测定林带前沿空旷地和林带背风面10、20倍树高处的风速, 用多次测定的林带背风面10、20倍树高处降低风速之平均值占林带前沿空旷地风速之平均值的比值来表示基干林带的防风效能(卫林, 1985)。

2.2.3 防风效能的定量评价

运用数量化理论Ⅰ确定基干林带的防风效能与地貌类型和林带结构因子间的定量关系, 并据此对其防风效能的定量评价(张尧庭等, 1982; 张康健等, 1988; 袁志发等, 1992)。

3 结果与分析 3.1 数量化林带防风效能预测方程的建立及其检验

沿海木麻黄防护林基干林带的结构决定着林带防风效能的发挥。根据长期的调查和观测, 影响林带结构的因子主要有树高、胸径、冠幅、林分密度、枝下高、林带宽度等。另外, 地貌类型的差异, 会造成林分生境上的不同(张水松等, 2000), 从而影响林分的生长状况、结构特征和防风效能, 因此, 也将林带前地貌作为影响基干林带防风效能的因子而引入。基干林带的防风效能用多次测定的10、20倍树高处降低风速的平均值与空旷地平均风速之比值表示, 比值越大, 说明防风效能越高。以基干林带的防风效能为因变量, 树高、胸径、冠幅、林分密度、枝下高、林带宽度和地貌类型等7个项目作为自变量, 每个项目分为2 ~ 3个类目, 引入示性函数(即0 ~ 1化数量方法), 得到木麻黄基干林带防风效能反应表(表 1)。通过计算得到木麻黄防护林基干林带防风效能的预测方程为:

式中为预测值, δ_i(j, k)表示样本在类目中的落入与否:

预测方程的复相关系数R =0.982 5, 经F检验表明(F =55.637^**, F_0.05 =2.46, F_0.01 =3.59), 所选择的各变量对基干林带防风效能的影响达极显著水平。为了说明各个变量对基准变量影响的显著性, 需进行偏相关系数的显著性检验(表 2)。表 2表明, 各变量因子对基干林带防风效能的贡献大小依次为:胸径>冠幅>树高>林带前地貌>林分密度>枝下高>林带宽度。其中胸径、冠幅和树高与防风效能的相关达极显著水平, 林带前地貌和林分密度达显著水平, 而枝下高和林带宽度对基干林带防风效能的影响很小。胸径、冠幅、树高是影响林分结构的3大主要因子, 地貌类型的差异, 会造成林分生境的不同, 如林带前方有小沙丘阻挡, 在林带前沿形成弱风区, 土壤为潮积细沙土或泥炭土, 立地质量较好, 有利于促进林分生长和林分结构的维持; 而林带前方为开阔海岸, 海风直接作用于林带, 形成强风区, 土壤为潮积沙土或风积沙土, 立地质量较差, 不利于林分生长和结构的维持, 因此, 地貌类型是通过对林分生长的影响而间接影响林带结构的。林分密度影响着林带的通透性, 是影响基干林带防风效能的又一因子。在林带宽度较窄时, 枝下高和林带宽度是决定通透性的重要因子, 林带宽度的增加, 实际上是增加了林带纵切面上的林木个体密度, 但是当林带宽度增加到一定程度, 林木个体在林带纵切面上紧密排列, 这时再增加林带宽度对林带的通透性就不会有显著的影响了。本研究的林带宽度均在40 m以上, 宽度较大, 当进一步增大林带的宽度时对防风效能就没有显著的影响了, 枝下高也就显得并不重要了。据此, 在营建和划分基干林带的保护范围时, 基干林带的宽度不应小于40 m。

3.2 数量化基干林带防风效能得分表的编制

把预测方程变换为表 3, 即为数量化基干林带防风效能得分表(张康健等, 1988)。

3.3 数量化基干林带防风效能得分表的应用

沿海木麻黄防护林基干林带的结构决定着它的防风效能(叶功富等, 2000), 通过调查基干林带的结构因子和它所处立地的地貌类型, 运用数量化防风效能得分表, 可以预测基干林带的防风效能。

在基干林带数量化防风效能得分表的基础上, 编制基干林带防风效能评价表(表 4)。该表的编制是将数量化防风效能得分表中各类目得分值代数和的极差(最大代数和-最小代数和)5等分, 将最大代数和与常数项(0.442)之和逐渐降低, 组合为6个数值范围, 即6个基干林带类型, 并将6个类型的防风效能分别评定为优、良、中、差、很差和极差(张康健等, 1988; 魏佳宁等, 1997)。

结合实践经验和数量化防风效能评价表, 可以认为一代木麻黄防护林基干林带的得分值小于0.441, 即得分值落入差、很差和极差的范围内时, 林分的生长已经停止, 而且在风的危害下, 出现枯梢断枝现象, 林带防风效能低下, 这种基干林带即为低效防风林带, 应及时进行更新改造, 如本次调查的第1 ~ 9、11条样线所在的林带(表 5)。另外, 运用数量化防风效能评价表, 可帮助确定基干林带的防护成熟期。张水松等(2000)提出的木麻黄的成熟期概念, 是指林分防护成熟初期到防护成熟末期的这段时间, 即防护林进入防护成熟所能持续的时间。通过对基干林带结构因子的调查, 预测林带的防风效能, 当防风效能预测值大于0.613, 即防风效能开始落入良级水平时, 认为林带进入防护成熟初期, 随着林分的生长, 基干林带的结构日趋完善, 防风效能会逐渐增强, 达到数量成熟时进入防风效能盛期, 即效能值落入优级水平, 之后, 随着林分生长的停止, 林带的防风效能反而会逐渐减弱, 当效能值小于0.613, 即开始落入中级水平时, 为林带的防护成熟末期。对进入防护成熟末期的基干林带应采措施及时进行更新。对22个测定标准地所在基干林带防风效能的评价表明, 从第1到第16条测线所在林带的防风效能较低, 为中到差级的水平, 已进入更新期。

4 小结与讨论

运用数量化理论Ⅰ得到的沿海木麻黄基干林带防风效能预测方程, 经复相关系数的F检验表明预测精度较高。但是, 由于本研究的样本均来自第一代基干老林带, 因此, 对后沿木麻黄防护林, 不一定适合用本方程, 而应在调查的基础上建立相应的防风效能预测方程。在福建省沿海地区, 影响木麻黄防护林基干林带防风效能的主要因子依次为胸径、冠幅和树高, 地貌类型和林分密度对基干林带的防风效能有显著影响, 而枝下高的影响很小。因此, 在进行基干林带的结构类型划分时, 主要考虑林带的冠幅、胸径、树高、以及地貌类型和林分密度就足够了。木麻黄基干林带数量化防风效能得分表和数量化防风效能评价表可用于沿海木麻黄防护林基干林带防风效能的预测、评价以及木麻黄基干林带防护成熟期的确定。