2014, Vol. 50
文章信息
- 邢存旺, 黄选瑞, 李玉灵, 马增旺, 付晓燕
- Xing Cunwang, Huang Xuanrui, Li Yuling, Ma Zengwang, Fu Xiaoyan
- 黄羊滩人工固沙林生态稳定性评价
- Ecological Stability of Sand-Fixed Plantations in Huangyangtan
- 林业科学, 2014, 50(5): 101-108
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(5): 101-108.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140513
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文章历史
- 收稿日期：2013-03-17
- 修回日期：2014-03-28
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作者相关文章
2. 河北省林业科学研究院 石家庄 050061；
3. 河北省林木良种工程技术研究中心 石家庄 050061；
4. 河北小五台山国家级自然保护区管理局 蔚县 075700
2. Hebei Academy of Forestry Science Shijiazhuang 050061;
3. Hebei Engineering Research Center for Tree Varieties Shijiazhuang 050061;
4. Xiaowutai Mountain National Nature Reserve Management Bureau Yuxian 075700
土地沙漠化是环京津地区最主要的生态环境问题之一。大规模人工造林对于减缓土地沙化、防风固沙发挥出越来越显著的作用。然而，在造林面积不断扩大的同时，由于树种选择不当、立地条件差等因素的综合作用，人工固沙林出现了生长不良、功能低下等不稳定现象(邢存旺等，2008)。人工固沙林稳定性的实质是人工固沙林能否持续健康存在并发挥出应有的作用，表明了人工固沙林的可持续性，是评价植被恢复成功与否的主要标准之一。人类当前面临的资源与环境问题，究其本质是系统的稳定性问题; 问题的解决，在很大程度上依赖于生态系统稳定性的研究(曾德慧等，1996)。目前，森林生态系统稳定性的研究大多集中在天然林(林考焕等，2010; 郑元润，2000)，对人工林的研究甚少。针对人工固沙林的研究，着重于流动沙丘的植被重建技术(蒋高明等，2011)以及固定、半固定沙地的植被快速恢复技术(姚忠宝等，2007)，对人工固沙林的稳定性很少涉及。如何评价人工固沙林的稳定性，寻找影响与制约人工固沙林稳定性的主要因素，进而对稳定性差的林分进行调控，成为现阶段迫切需要解决的理论与技术问题。
黄羊滩位居河北省五大沙滩之首。特殊的地理位置和土壤、气候条件与不合理的土地利用相耦合，导致该地区植被严重退化、土地大面积沙化，成为直接导致洋河、官厅水库淤积以及北京地区沙尘天气的主要沙源地(肖嗣荣等，2000)。为了有效治理黄羊滩沙地，20世纪80年代以来，当地政府营造了大面积的人工固沙林，在生态环境逐步好转的同时，所营造的林分稳定性出现显著差异。为此，通过对人工固沙林稳定性的研究，构建评价指标体系，对现有的人工固沙林的生态稳定性进行评价，筛选出稳定性高的人工固沙林植被模式，为京津风沙源治理区植被恢复和重建提供理论与技术支撑。
1 人工固沙林生态稳定性评价方法 1.1 对人工固沙林生态稳定性的基本认识生态学领域有关稳定性问题的研究中，因研究对象不同，研究者对于稳定性的概念与内涵的认识有一定差异，所建立的评价指标也不尽相同。人工生态系统的结构，如树种组成、种群密度、垂直结构等，是依据经营目标通过人工调控实现的，与自然生态系统的重要区别是反复的人工干预，人工林的稳定不是保持在某一平衡点，其本身具有动态与发展的特点。因此人工林生态稳定性的研究重点应针对系统功能，系统功能实现程度体现了系统结构合理程度，反映生态系统稳定程度。按照冯耀宗(2002)提出的"人工生态系统稳定性的研究应针对系统的功能而不是系统的结构"这一理念，借鉴曾德慧等(1996)和姜凤岐等(2002)关于人工固沙林稳定性研究成果，从人工固沙林的建植条件与经营目的出发，笔者将人工固沙林生态稳定性的内涵理解为: 在风蚀沙化条件下，人工固沙林处于某一稳定生长状态并且能够持续保持这种生长状态，同时具有明显的固沙、改土效果。稳定的人工固沙林应具备的3个要素: 一是能顺利完成生命周期，二是对外界不良干扰有足够强的抵抗力，三是对林内环境有明显的改善作用。即人工固沙林的生态稳定性是林分的生命周期、树种抗性以及系统防护功能等系统动态平衡状况的综合特性，是林分在世代时间尺度上与沙漠化环境相互作用的结果。
稳定性三要素分别为生物学稳定性、抵抗力稳定性和功能稳定性，它们是人工固沙林稳定性的3个重要特征。生物学稳定性是人工林稳定性的生物学基础，抵抗力稳定性是生态系统稳定性的必要条件，功能稳定性是人工固沙林的经营目标与价值体现，三者共同构成了人工固沙林的生态稳定性。生物学稳定性由林木能否顺利完成生命周期来判定，表明了林分的内在生活力与适应性。人工固沙林营建于风沙土上，普遍存在水分条件差、养分贫瘠、风蚀、沙埋等不利条件，稳定的人工固沙林，应该能够适应严酷环境，并顺利完成生命周期。在林木自然生长过程中，不发生或有少量自然死亡现象、生物量持续增加的林分，称为稳定林分。抵抗力稳定性是系统应对干扰与维持现行状态的能力。抵御不正常气候能力弱、病虫害严重是人工林生物学不稳定性的突出表现(盛炜彤，2001)，稳定的人工固沙林应具有较强的抵抗力。人工固沙林营建目的是防风固沙，是在无森林环境的沙地上建植森林，伴随着林分的建植与生长过程，自然条件向森林环境方向发展，系统内部的环境可因系统防护功能的发挥而改善，如果向良性方向转变，则说明系统稳定性高，如果向恶性方向转变，则说明系统稳定性差。
1.2 人工固沙林生态稳定性评价体系的构建人工固沙林是在沙漠化土地上建植的以防风固沙为主要经营目标的林分，稳定性评价体系必须体现林分在该环境条件下的生长状况、抵抗不良干扰能力和固沙护土等功能。以林分的生物学稳定性、抵抗力稳定性和功能稳定性等3个要素为框架，根据人工固沙林生态稳定性的内涵和实质，以如下方式将各要素指标化，构建出稳定性的评价体系，如图 1所示。
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图 1 人工固沙林生态稳定性评价体系层次结构
Fig. 1 The hierarchical structure of ecological
stability evaluation system
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1)林木保存率: 林分维持合理结构的数量基础。表明了林木内在生活力和对造林地环境的适应性，是人工林生物学稳定性的前提条件。
2)林分生长量: 评价生态系统生产力的重要指标，也是退化生态系统功能恢复的基础。应用林分生物量年增长量，可准确反映群落利用自然资源的能力，是分析人工林生物学稳定性的一项重要内容。
3)自然更新能力: 评价生态系统恢复力和持久性的重要指标。植物通过自然更新保证了种群的繁衍、持续生存及维持群落的组成与结构稳定。
4)防护期: 从发挥防护作用开始到采伐更新为止。防护期表明了系统发挥防护功能的持续时间，防护期越长，则系统的持久性越高，系统越稳定。研究以人工林郁闭度达到固定沙地下限(35％)时的年龄当作初始防护成熟龄，终止防护成熟龄是自然成熟龄或在数量成熟的基础上延长1个龄级，把防护成熟龄和终止防护成熟龄作为防护期的2个端点，得出人工固沙林的防护期(姜凤岐等，1997; 邢存旺，2012)。
5)抗旱性: 防护林抵抗力稳定性的一个重要指标，水分状况对植物生长发育进程有着重要的影响。以林木在极端干旱情况下的死亡率、落叶率和生长减缓比率构建林分抗旱指标(潘伟等，2007; 张继义等，2010)。
6)抗病虫能力: 病虫害发生率是林分抵抗力稳定性的另一个重要指标。感病株数与虫口密度越低，说明林分生物学抗性越强，林分的稳定性越高。
7)防护效益: 人工固沙林的首要经营目标就是控制风沙流活动。风沙流活动重要危害过程是输沙，林地输沙率是沙漠化治理效益最重要的评价指标。输沙率是指单位时间林内输沙量，测得一定时间段内输沙量，換算为日输沙量即输沙率(王继和等，2006)。
8)土壤环境: 有机质含量、机械组成和水分状况等3方面指标分别反映了土壤化学性质、物理性质以及持水性能的变化情况，能够表明沙地固定后土壤环境质量变化程度。构建干旱指数，分析林地干旱胁迫状况。测定土壤田间持水量和实际含水量，以田间持水量的65％作为毛管断裂含水量，将毛管断裂含水量与实际含水量之差做为土壤干旱指数(黄昌勇，2000; 魏胜利，2005)。
9)林内小气候: 空气相对湿度与气温日较差具有重要的生态学意义，空气相对湿度越大，气温变幅越小，森林小气候特点越明显，林分功能稳定性越高。
10)物种多样性: 鉴于研究对象是防风固沙林，是典型逆转植被，丰富的物种多样性可以增加稳定性。将Shannon-Wiener指数作为林分物种多样性指标(马克平等，1994)。
1.4 测度指标分值的确定 1.4.1 生物学稳定性与功能稳定性测度指标分值确定林木保存率、林分生长量、自然更新数量、防护期、土壤粘粒含量、土壤有机质、空气相对湿度和物种多样性等指标与稳定性成正相关，隶属函数值计算方法如下:
| $ {P_{ij}} = \frac{{{X_{ij}} - {X_{\min }}}}{{{X_{i\max }} - {X_{i\min }}}}; $ |
输沙率、干旱指数、气温日较差与稳定性成负相关，隶属函数值计算方法如下:
| $ {P_{ij}} = 1 - \frac{{{X_{ij}} - {X_{\min }}}}{{{X_{i\max }} - {X_{i\min }}}}. $ |
式中:Pij为第i个林分第j项指标的隶属函数值及得分值; Xij为第i个林分第j项指标的测定值; Ximax和Ximin为各林分中指标的最大值和最小值。
1.4.2 抵抗力稳定性测度指标分值确定将落叶率作为死亡率的延伸性指标、将生长量降低比率作为落叶率的延伸性指标，采取等分法(杨纶标，2001)来确定抗旱性隶属函数，求得各林分的抗旱性隶属函数值。具体方法: 构建3个模糊集，分别是｛死亡｝、｛落叶｝和｛生长减缓｝。再将死亡率100％与生长量100％对应的隶属函数值分别确定为0和1，以0.33与0.66为分界点三等分隶属函数值区间。对应的映射即为其隶属函数:
Y=-0.33X+0.33，X为树种死亡率;
Y=-0.33X+0.66，X为树种落叶率;
Y=0.33X+0.66，X为树种生长量比率。
1.5 评价方法采用加权平均法来进行评价。用指标分值即隶属函数值将不同度量单位的指标统一后，用分值比较不同林分的稳定性，表示为:
| $ {Z_i} = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_{ij}}{P_{ij}}} 。 $ |
式中:Zi为第i个林分的加权总分即稳定性指数，Wij为第i个林分第j项指标的权重，Pij为第i个林分第j项指标的得分值，n为评价指标的数量。
根据林分的分值(Zi)，对林分生态稳定性进行划分。1＞Zi≥0.6，高度稳定; 0.6＞Zi≥0.4，中度稳定; Zij＞0.4，低度稳定。
2 研究区概况与指标测定 2.1 研究区概况研究区隶属于张家口市宣化林场，地理坐标为115°2'34″—115°12'30″E，40°25'12″—40°32'6″N，总面积10 200 hm2。属坝下中低山区，地势东南高、西北低，海拔600~1 000 m。处于半湿润区向半干旱区的过渡地带，年均降水量365 mm，年蒸发量2 000 mm。年平均气温7.6 ℃，极端最高气温38 ℃，极端最低气温-25.8 ℃，无霜期130天，年≥10 ℃有效积温2 368~3 573 ℃。地势较平坦，土壤以风沙土为主，在强烈的风蚀与风积作用下，形成了波状起伏的沙地。地下水位20 m以下，不能被地表植物利用。年内大风天数37~40天。地带性植被为疏林草原，植被类型较单一，盖度较低。灾害性天气主要有沙尘暴、干热风、干旱、冻害等。特殊的地理位置，形成了干旱、风多、风大等独特的局部气候特征。
2.2 标准地基本情况依据造林树种、林龄和配置模式，选择典型林分类型18种，在代表性地段分别设置面积为20 m×30 m的标准地各1块。黄羊滩人工固沙林全都处于中幼林阶段，林分郁闭度低，未进行过抚育间伐。所调查的林分基本情况见表 1。
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2008年3—9月，采用标准地和典型调查方法，对相关指标进行调查。
1)林分因子调查在乔木样地内进行每木检尺，测定胸径、冠幅、树高。在灌木林样地内分别测定灌木的冠幅、株高、丛株数; 选取标准样木(株)采用收获法进行生物量的测定; 调查更新情况，统计标准地内全部萌生幼树与种子繁殖的2年生以上幼树; 在样地内分别选取5个1 m×1 m的草本样方进行物种多样性调查，用公式 ${S_w} = - \sum\limits_{i = 1}^s {{P_i}\ln {P_i}} $计算多样性指数。
2)土壤理化性质的测定选择无降水时段集中进行土壤取样，深度为30 cm。有机质采用重铬酸钾容量法测定，水分常数用环刀取固定土样，结合烘干法测定; 机械组成用筛分法结合吸管法测定。
3)林分的抗旱性与功能因子调查利用2009年发生的极端干旱事件，在标准地内统计林木死亡株数，采用标准树法测定落叶量，观测枯梢、生长量等树木外部形态变化; 采用10孔阶梯式集沙仪观测林内输沙量，利用公式Q=W2×ΔT计算输沙率; 利用便携式气象仪器测定相关气象因子。选择气压较稳定时段内，连续几天测得林内空气湿度与温度，按气象统计方法得出相对湿度与温度日较差的平均值作为林分小气候的特征值。
不同林分生态稳定性各评价指标的特征值见表 2。
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运用层次分析法(AHP)对构建的人工固沙林生态稳定性评价体系进行权重赋值。本研究认为约束层的生物学稳定性权重高于抵抗力稳定性和功能稳定性，抵抗力稳定性权重高于功能稳定性; 生物学稳定性指标中树种保存率具有较高的权重，林分生长量与防护期贡献相同，自然更新贡献较低; 功能稳定性指标中固沙功能和土壤效应的权重高于小气候和物种多样性。土壤效应指标中机械组成与有机质含量直接影响土壤的持水性能，权重高于土壤水分。空气湿度与温度在小气候效应中具有相同的权重。研究数据运用软件MCESS V1.0进行层次分析。表 3为各指标经一致性检验后的权重值。
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以林分评价指标的特征值为基础数据，利用隶属函数求得各指标的隶属度，结合各因子的权重，求得因子分值，进一步求得林分稳定性各要素分值与林分生态稳定性总分值。不同林分各要素状态及稳定性如表 4所示。
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评价结果显示，生态稳定性高的林分依次是沙地柏林、柠条林、樟子松林、沙地柏×紫穗槐林、17年生侧柏林、7年生侧柏林、樟子松×紫穗槐林、13年生白榆林、沙枣林9个林分，包括沙地柏、柠条、樟子松、侧柏、白榆、沙枣和紫穗槐7个树种。该类林分的特点是: 选择的树种做到了适地适树，完全适应造林地环境条件; 对极端干旱等不良干扰因素有足够强的抵抗力; 形成了有效的防护结构，发挥了固沙林的基本防护功能。经营对策是: 采取封禁措施，减少外界干扰，利用林分的自然恢复能力，实现林分尽快发育成熟。
处于中度生态稳定状态的林分是7年生白榆林、黄柳林、新疆杨林。新疆杨在水分供应充足的地段能达到中度生物学稳定，极端干旱发生时有较低的死亡率。白榆和黄柳完全适应风蚀沙地环境，在极端干旱发生时林分未产生结构性毀坏，抵抗力稳定性达到中度水平。该类林分多数功能指标较突出，只有2~3个指标偏低，基本上发挥了改善环境的功能。应针对特征因子分别采取不同营林措施: 白榆幼林应加强抚育促进林分郁闭;黄柳林通过引进樟子松、侧柏等乔木树种，形成复层混交林，全面提高各项稳定因子的指标;新疆杨林通过抚育间伐结合引入沙地柏等非竞争灌木，以提高林分的抵抗力稳定性。
生态稳定性低的林分是以小美旱杨、小叶杨、刺槐等3个树种为主要经营对象的林分。小美旱杨在水分条件较好地段能形成有效防护结构，但生长和抵抗力指标均处于低水平状态; 小叶杨抵抗力稳定性指标低，不能适应风蚀沙地干旱贫瘠的环境; 刺槐不能完成生命周期，生物学、抵抗力和功能等各项指标都处于较低水平。该类林分是改造对象，风蚀沙地不能满足其所需要的养分和水分，生长发育受限，抗旱能力差，已失去经营价值，选择适应性强的树种加以代替。
4 结论与讨论 4.1 人工固沙林生态稳定性的内涵针对人工固沙林的特殊性，本着充分体现人工固沙林的建植条件与经营目标的原则，提出了新的人工固沙林生态稳定性的概念: 在风蚀沙化条件下，人工林处于某一稳定生长状态并且能够继续保持这种生长状态，同时具有明显的固沙、改土效果，是林分在世代时间尺度上与沙漠化环境相互作用的结果。稳定的人工固沙林应具备的3个基本要素是: 一能顺利完成生命周期，二是对外界不良干扰的抵抗力，三是对林内环境有明显的改善作用。将稳定3要素概念化后分别表述为人工固沙林的生物学稳定性、抵抗力稳定性和功能稳定性，即生物学稳定性、抵抗力稳定性和功能稳定性是反映人工固沙林的重要特征，进一步将3个要素指标化，构建了人工固沙林生态稳定性评价体系。
4.2 黄羊滩人工固沙林生态稳定性的评价处于高度生态稳定的林分依次是，沙地柏林、柠条林、樟子松林、沙地柏×紫穗槐林、17年生侧柏林、7年生侧柏林、樟子松×紫穗槐林、13年生白榆林、沙枣林。该类林分完全适应造林地环境条件，对于干旱条件具有较强的抵抗能力，并充分发挥了固沙林的基本防护功能。7年生白榆林、黄柳林、新疆杨林3种人工林表现为中度生态稳定; 低度生态稳定的林分是以小美旱杨、小叶杨、刺槐3个树种为经营对象的林分。
4.3 黄羊滩主要固沙树种对极端干旱的反应基于树种死亡率的抗旱排序从高到低依次为: 新疆杨(4.7)>小美旱杨(8.0)＞小叶杨(12.0)＞刺槐(17.3)。这4个树种在幼林期就出现了生长衰退，小美旱杨在生长季当无效降水日数超过25天时大量落叶或死亡，小叶杨和刺槐则在常规降雨年份也会出现整株死亡。
基于落叶率的抗旱排序从高到低依次为: 沙枣(6.6)＞紫穗槐(7.4)＞黄柳(8.4)＞白榆(9.4)。与紫穗槐相比，黄柳有较高的落叶率，但落叶枝段不失水，干旱胁迫结束后仍然能够重新萌芽，树体少见枯死枝; 反观紫穗槐，落叶枝段失水严重，梢头枯死量大，干旱胁迫结束后当年难以萌发。综合考虑这些症状，将黄柳抗旱排序移至紫穗槐前。调整后的抗旱排序从高到低依次为: 沙枣＞黄柳＞紫穗槐＞白榆。
将落叶率和生长量作为死亡率的延伸性指标，结合枯梢等其他症状，对树木抗旱性进行综合评估，由高到低依次是沙地柏＞樟子松＞侧柏＞柠条＞沙枣＞黄柳＞紫穗槐＞白榆＞新疆杨＞小美旱杨＞小叶杨＞刺槐。
4.4 不同类型人工固沙林经营策略从评价结果来看，不同稳定类型应分别采取相应的经营措施。处于高度生态稳定状态的林分，采取封禁措施，减少外界干扰，利用林分的自然恢复能力，实现林分快速发育成熟; 中度生态稳定的林分，针对特征因子分别采取不同营林措施。7年生白榆幼林，通过抚育促进林分郁闭。黄柳林通过引进樟子松、侧柏等乔木树种，形成复层混交林，达到全面提高稳定因子的目标。新疆杨林通过抚育间伐结合引入沙地柏等非竞争灌木，以提高林分的抵抗力稳定性。低度生态稳定类型是改造对象，该类林分已失去经营价值，应选择适应性强的树种加以代替。
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