水土保持林的密度调控

翟 瑜

(山西省林业科学研究院，山西 太原 030012)

中国实施的天然林保护工程，将长江、黄河中上游等生态环境地位重要的区域划为由禁伐区和生态恢复区组成的生态保护区。对禁伐区实行严格管护，坚决禁止采伐;对生态恢复区内的无林地和疏林地，采取封山育林、人工造林、飞播造林及抚育等多种措施，促进其植被恢复，集中治理区域内的水土流失。因此，水土保持林的经营管理是天然林保护工程的重中之重[1］，科学经营水土保护林是急需解决的实际问题。

1 水土保持林的定义及功能

1.1 水土保持林的定义

水土保持林是以防止与调节地表径流，控制水土流失，保护、改良与合理利用山区、丘陵区水土资源，维护和提高土地生产力，保障水利设施安全，最大限度地发挥水土资源的经济效益和社会效益为经营目的的森林[2］。根据不同的地形和防护要求，以及配置形式和防护特点，水土保持林可分为分水岭地带防护林、护坡林、护牧林、梯田地坎防护林、沟道防蚀林、山地池塘水库周围防护林和山地河川护岸护滩林等。

1.2 水土保持林的功能

水土保持林的功能表现在:

1)调节降水和地表径流。通过林中乔木层、灌木层对天然降水的截留，改变降落在林地上的降水形式，削弱降雨强度和其冲击地面的能量。枯枝落叶层截留作用减弱的降雨动能达到大气降雨总动能的5.6% ～13.0%，透过枯枝落叶层所削弱的降雨动能可将透过乔木层、灌木草本层的降雨动能全部削减。同时，枯枝落叶层能以其较大的地表粗糙度降低径流流速，减少地表径流量，增加土壤入渗量[3］。

2)固持土壤(体)。水土保持林的根系可使土壤在外力作用下，抵抗剪切的强度增强，且因为这些根系在土壤中交织穿插，可提高土壤的固土抗冲能力，起到减免滑坡、崩塌等危害的作用[4］。此外，还有改善农牧业用地小气候和改良土壤等作用。

2 水保林密度对林分的影响

林分密度既是营林工作中能够有效控制的因子，也是形成合理空间结构的基础，还是林木个体生长发育空间大小的决定性因子[5］，对整个林分有着重要的影响。

2.1 密度对成活率的影响

密度与单位面积造林地上成活的绝对株数密切相关[6］。因此，通常在立地条件较差而造林成活率不高的地方，适当增加初植密度，以保证幼林及时郁闭所必需的成活株数。

2.2 密度对林分郁闭的影响

密度直接影响幼林林冠达到郁闭的时间。为使幼林早日郁闭，应因地制宜地进行适当的密植。而幼林郁闭的早晚又与林分的稳定性、幼林抚育的年限、第1次抚育间伐的年限和出材的尺寸等有密切关系。

2.3 密度对树高生长的影响

密度对林分平均树高的影响比较复杂，结论也不一。综合各国试验结果，可得出以下一些较为统一的认识:

1)无论处于任何条件下，密度对树高生长的作用，比对其它生长指标的作用要弱，在范围较大的一个中等密度的林分内，密度对高生长几乎不起作用，比如杨树。

2)不同树种因其喜光性、分枝特性及顶端优势等的不同，对密度有不同的反应。只有一些较耐阴的树种以及侧枝粗壮、顶端优势不旺的树种，才有可能在一定的密度范围内，表现出高生长随密度的增大而增大的作用，这类主要是连生树种。

3)不同立地条件，尤其是不同的土壤水分条件，可使树木对密度有不同的反应[7］。

2.4 密度对直径生长的作用

一般是树木胸径随密度的增大而递减，密度大株数就多，就会导致光照、营养不足，抑制生长。反之，密度小则会促进胸径生长[8］。在一定密度以上，有竞争作用的树木间密度越大，直径生长越小。密度对直径生长的作用还表现在直径分布上，直径分布是研究林木及其树种结构的基础，在林分生长量、产量测定工作中起着重要的作用。密度对直径生长的效应具有非常重要的意义，一方面它是密度对产量效应的基础，另一方面树木直径又是成材规格的重要指标。

2.5 密度对单株材积的作用

林木的单株材积决定于树高、胸高断面积和树干形指数，密度对这3个因子均有一定的影响[9］。密度对树高的作用较弱，干形指数是随密度的增加而增大，但差数不大。密度对单株材积生长的作用与直径生长的规律相同，随林分密度的增大，其平均单株材积减小，而且较平均直径降低的幅度要大得多，其原因基本上来自于个体对生活资源的竞争。

2.6 密度对林分干材产量的作用

林分干材产量有两个概念:一是现存量，也就是蓄积量;另一是总产量，也就是蓄积量和间伐量(有时还要算枯损量)之和。林分的蓄积量是其平均单株材积和株数密度的乘积。这两个因子互为消长，其乘积值取决于哪个因素居于支配地位。

2.7 密度对林分生物量的作用

林分密度是制约和决定种群生物量动态的主要因素，是水土保持林培育技术体系中最重要的技术环节之一[10］。密度对林分生物量的作用有两方面的意义。首先，对于以生物产量为收获目标的薪炭林、短轮伐期纸浆材林等来说，有明显的现实意义。其次，因生物量是林分净生产力的全面体现，更能反映林分的光合生产力。如，加杨在生长的最初时期，密度与生长无关，各密度的平均个体重几乎相等，单位面积的生物量随密度的增加而增加，随着时间的变化个体不断增大，到一定时间后，竞争首先从高密度开始，并逐渐向低密度扩展。

2.8 密度对干材质量的作用

造林密度适当增大可提高树干直度和圆满度，又能促进适当的天然整枝，培育无节和少节良材，并能增加大径级材比例。如果林分过密，干材过于纤细，树冠过于狭窄，既不符合用材要求，又不符合健康要求，应当避免这种情况出现。因此，造林密度不是一个简单的数字概念，而是保证人工林优质的一项重要技术措施。

2.9 密度对根系及林分稳定性的作用

密度对林木根系生长影响的研究材料较少，从有限的研究结果可以看到一个较为普遍的规律，林分过密会损坏林木根系发育。在密林中不但林木根系的水平分布范围小，垂直分布也较浅，且生长物质的分配似乎更偏向于供应地上部分生长。

3 林分密度控制的测算方法

林分密度控制，就是给林分创造一个适宜的生长空间，充分发挥林木在其生长空间内的生长潜力，实现速生、丰产、优质，同时发挥最大的生态效益[11］。林分生长过程中，由于自然稀疏或人工间伐，各年龄阶段都存在最佳的林分密度，它不是常数，是一个随经营目的、造林树种、立地条件和栽培技术等因素变动而变化的数量范围。因此，密度问题是最优控制问题[12］。林业工作者可以利用林分密度效应规律，通过调控林分密度，达到人工林培育目的。

3.1 基于密度生长效应的测算方法

基于林分密度与立木单株材积及单位面积产量之间的关系，即以密度效应规律为基础，建立各种数学模型编制林分密度控制图，这是目前最常用的测算方法。如，解开宏等依据杉木林生长因子的规律，编制了杉木人工林林分密度控制图[13］。人工林密度效应模型主要以林木或林分生长量与立木密度及林分优势木高度间建立数学关系式表述，但未充分考虑其它影响林木生长的因子，这是该类模型与测算方法的缺点。从目前密度模型研究进展来看，通过同一立地条件下、同龄人工林的密度控制，逐步研究建立了在不同立地条件、不同类型林分各个发育阶段的密度效应模型。尽管国内外很多学者关于人工林密度效应已经建立了多种模型，但模型机理性研究不够。传统林分密度效应研究局限于相同立地和年龄的人工纯林，而不同立地、年龄的人工林和天然林密度效应研究甚少，对混交林近似同龄林及异龄林密度效应规律等，有必要进行深入探讨。

3.2 基于现代科学理论与数学的测算方法

目前，基于现代科学理论与数学方法估计林分最适密度已成为趋势。王承义等[14］用动态规划法研究了长白落叶松人工林最优密度控制技术。张彩琴等[15］采用变分法和最优控制理论，得出了人工林间伐强度和蓄积密度的最优控制策略及其连续变化的数学模型。吴承祯等[16］以净现值最大为标准，应用遗传算法来实现林分经营过程中密度优化控制，首次提出了遗传法。洪伟等[17］以林分生长模型为基础，将林分蓄积量年平均生长量作为目标函数，应用三次设计的方法建立杉木人工林经营过程控制系统。无论采取上述何种方法，人工林密度调控就是确定不同年龄阶段的林分最优密度，使林木在经营期内达到最大收获量，从而优化筛选经营过程(造林密度、间伐时间、间伐强度、主伐时间等)中营林措施的最优组合参数，即制订人工林经营的最优决策方案。

3.3 基于水量平衡与水分生产力的测算方法

我国人工林营造技术逐渐成熟，但造林后期管护和抚育滞后，造林和营林脱节。造林和地下水开采不合理，造林与用水之间矛盾突出，在干旱与半干旱地区尤为突出。因此，基于水量平衡、林地水分承载力及水分生产力函数对林分密度进行动态估算，在这些地区的林分经营中显得尤为重要。目前，测定技术能够动态地掌握树木的蒸腾耗水规律，还与生态学尺度转换方法有机结合，实现了林分尺度耗水的准确估算，为林地水量平衡、林地水分承载力的确定奠定了较好基础，继而为基于水量平衡的密度调控提供了便利。如武思宏等[18］以水量平衡原理确定了黄土区主要造林树种不同年龄阶段的合理密度，提出了“量水植树”原则，系统分析了以水分因子为基础的人工林合理密度。另有研究利用降水资源环境容量理论和水量平衡理论对黄土高原10年生侧柏的水量平衡和合理造林密度进行了分析，结果表明，目前，黄土高原10年生侧柏的造林密度不合理，大多存在着水分盈余或水分亏缺，应进行适当调整。在该地区降水资源环境容量条件下，10年生侧柏的最大造林密度为2 004株/hm2，最合理的密度应为 1 856 株/hm2，相应集水面积为 3.89 m2[19］.

水分生产函数研究较为广泛，在农业领域已经相当成熟。作物产量与水分因子之间的数学关系称为作物水分生产函数。在国外，从20世纪60年代开始，围绕小麦、玉米、棉花、洋葱等作物的水分生产函数进行了大量的研究[20］。在国内，主要对水稻、冬小麦、夏玉米、棉花、大豆、蚕豆等农作物的水分生产函数进行了研究。根据其研究方法，农作物水分生产函数可以分为两类，一类是产量与全生育期蒸发量的关系;另一类是产量与全生育期各阶段蒸发量之间的关系[21］。典型的全生育期水分生产函数有线性模型和二次函数模型，阶段性水分生产函数有加法模型和乘法模型。其中，加法模型主要有Blank模型，Stewart模型，Hiller模型，Sudar模型，D-G模型等;乘法模型主要有 Jensen模型，MinhaS模型，Rao模型，HankS模型，H-K模型等。水分生产函数在林业上的应用出现较晚，王克勤等[22］研究集水造林水分生产力认为，植物物质生产与水分的关系直接表现为生产量与蒸腾量之间的密切关系。不同的造林密度，单株林木年生物增量与其蒸腾量之间存在相应的函数关系。林分密度从高到底，林木水分生产函数曲线由直线转为对数曲线，并且年生物量增量随蒸腾量的变化由小逐渐增大。农业上应用的水分生产函数不能直接应用在林业上，尤其是生育阶段水分生产函数模型。作物与林业生产相比，具有年度1次或多次收成，生长周期、实验观测时间短，成本少等特点。通过对农业领域模型的改进，玉宝等[23］在山西省方山县和吉县，以刺槐和油松人工林为研究对象，根据调查样地、解析木和气象资料，估算气候生产力，揭示气象因子对年轮的影响机制。在全面分析不同结构林分生长、耗水及密度效应规律的基础上，建立了人工林水分生产函数，确定了这两个主要造林树种在不同生长阶段的合理密度。

3.4 基于允许流失量的测算方法

国外和国内的研究结果表明[24］，土壤流失量随着森林覆盖率的提高而下降，且两者为非线性关系。当森林覆盖率较小时，单位覆盖率(用百分数表示)的递增就会促使土壤流失量(或侵蚀模数)锐减，效益非常明显。之后随着森林覆盖率的增大，覆盖率的递增所引起的土壤流失量递减速率逐渐下降，效益的增加程度逐渐减弱。王秋生[25］通过对调查、观测资料的分析研究，从定量角度探讨了植被控制土壤侵蚀的规律。通过指数回归分析，建立了不同类型区的侵蚀模数与植被覆盖度的关系方程为M=ae－bF，目前该式被广泛应用。可见，水土保持林有效覆盖率首先应满足控制土壤流失的最低要求，即保持防护林防护范围内土地生产潜力的持续稳定和水土保持林系统的长期稳定。另外，从众多的研究结果来看，土壤流失量等于允许流失量时的森林覆盖率，在一般情况下是易于实现的。据此可定义在一定的防护范围内(土壤流失量随森林植被覆盖率的提高而降低)，当土壤流失量等于允许流失量时的森林植被覆盖率，及森林覆盖率大于土壤流失量时统称有效覆盖范围[26］。

刘启慎等[27］根据侧柏人工林胸径和冠幅的相关关系，编制了适宜经营密度表。通过10年观测，建立了侵蚀模数与植被覆盖率的定量关系，石灰岩低山区土壤允许流失量60 t/(km2·a)作为无明显侵蚀的界限。当水土保持林覆盖率为49.3%时，土壤流失量等于允许流失量，此时径阶为4 cm，6 cm，8 cm，10 cm，12 cm，14 cm，16 cm，18 cm，20 cm 的侧柏，每666.7 m2保留株数分别为295株，186株，121株，87株，62株，51株，41株，34株，28株。

4 山西省水保林密度调控对策

山西省纵跨暖温带和温带，横跨半湿润和半干旱区，东经 110°15'～114°32'，北纬 34°31'～40°44'.水土流失面积高达10.8×104km2，占全省国土面积的69.2%，占全省山区、丘陵区总面积的88%，111个县(市、区)几乎均存在水土流失问题[28］。全省平均土壤侵蚀模数为3000 t/km2，最高达30000 t/km2.每年向黄河、海河的输沙量为4.56×108t，占黄河年泥沙输入总量的1/4.每年因水土流失损失的表土达2 ×108t，N，P，K 流失 1 000 ×104t之多，致使绝大部分耕地的有机质含量(0.5%)远低于全国平均水平(1.5%)，损失十分严重。在此背景下，水土保持林在山西省生态环境修复与治理中具有举足轻重的地位。

控制水土流失，科学、高效地利用天然降水是山西省水土保持林必须具备的特色，也是其密度调控的目标所在。因此，在对林地水分长期、动态监测的基础上，基于水量平衡、林地水分承载力与水分生产力函数，综合应用树木生理学、水分生理学、森林生态学等多学科知识与最优控制理论，采用动态规划等现代数学手段，以“量水造林、量水管理”为目标，提出主要造林树种不同生长阶段的合理密度是今后山西省水保林密度调控与科学经营的关键所在。因此，在山西省利用密度实现经营目标，必须注意以下问题:

1)密度是一个非空间结构参数，需要与地理信息系统等学科知识结合，达到定位调控的效果，以更好地实现经营目标。

2)要与其它林分空间结构参数(如聚集度、角尺度与混交度等)相结合，以更好地控制林分结构。

3)要将先进的科学理念、现代科学理论、最新研究成果及密度模拟手段融入密度调控参数的分析中，提高密度调控的技术含量。

4)因密度调控理论的专业性和合理密度测算的复杂性，要注重密度调控辅助决策系统的开发应用。该系统是复杂的专业理论与便捷化应用之间的桥梁，既能保证密度调控的技术含量，又能将这些科学成果较好地应用于生产实践中。

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