翟 瑜

(山西省林業(yè)科學研究院，山西 太原 030012)

中國實施的天然林保護工程，將長江、黃河中上游等生態(tài)環(huán)境地位重要的區(qū)域劃為由禁伐區(qū)和生態(tài)恢復區(qū)組成的生態(tài)保護區(qū)。對禁伐區(qū)實行嚴格管護，堅決禁止采伐;對生態(tài)恢復區(qū)內(nèi)的無林地和疏林地，采取封山育林、人工造林、飛播造林及撫育等多種措施，促進其植被恢復，集中治理區(qū)域內(nèi)的水土流失。因此，水土保持林的經(jīng)營管理是天然林保護工程的重中之重[1］，科學經(jīng)營水土保護林是急需解決的實際問題。

1 水土保持林的定義及功能

1.1 水土保持林的定義

水土保持林是以防止與調(diào)節(jié)地表徑流，控制水土流失，保護、改良與合理利用山區(qū)、丘陵區(qū)水土資源，維護和提高土地生產(chǎn)力，保障水利設施安全，最大限度地發(fā)揮水土資源的經(jīng)濟效益和社會效益為經(jīng)營目的的森林[2］。根據(jù)不同的地形和防護要求，以及配置形式和防護特點，水土保持林可分為分水嶺地帶防護林、護坡林、護牧林、梯田地坎防護林、溝道防蝕林、山地池塘水庫周圍防護林和山地河川護岸護灘林等。

1.2 水土保持林的功能

水土保持林的功能表現(xiàn)在:

1)調(diào)節(jié)降水和地表徑流。通過林中喬木層、灌木層對天然降水的截留，改變降落在林地上的降水形式，削弱降雨強度和其沖擊地面的能量?？葜β淙~層截留作用減弱的降雨動能達到大氣降雨總動能的5.6% ～13.0%，透過枯枝落葉層所削弱的降雨動能可將透過喬木層、灌木草本層的降雨動能全部削減。同時，枯枝落葉層能以其較大的地表粗糙度降低徑流流速，減少地表徑流量，增加土壤入滲量[3］。

2)固持土壤(體)。水土保持林的根系可使土壤在外力作用下，抵抗剪切的強度增強，且因為這些根系在土壤中交織穿插，可提高土壤的固土抗沖能力，起到減免滑坡、崩塌等危害的作用[4］。此外，還有改善農(nóng)牧業(yè)用地小氣候和改良土壤等作用。

2 水保林密度對林分的影響

林分密度既是營林工作中能夠有效控制的因子，也是形成合理空間結(jié)構(gòu)的基礎，還是林木個體生長發(fā)育空間大小的決定性因子[5］，對整個林分有著重要的影響。

2.1 密度對成活率的影響

密度與單位面積造林地上成活的絕對株數(shù)密切相關(guān)[6］。因此，通常在立地條件較差而造林成活率不高的地方，適當增加初植密度，以保證幼林及時郁閉所必需的成活株數(shù)。

2.2 密度對林分郁閉的影響

密度直接影響幼林林冠達到郁閉的時間。為使幼林早日郁閉，應因地制宜地進行適當?shù)拿苤病６琢钟糸]的早晚又與林分的穩(wěn)定性、幼林撫育的年限、第1次撫育間伐的年限和出材的尺寸等有密切關(guān)系。

2.3 密度對樹高生長的影響

密度對林分平均樹高的影響比較復雜，結(jié)論也不一。綜合各國試驗結(jié)果，可得出以下一些較為統(tǒng)一的認識:

1)無論處于任何條件下，密度對樹高生長的作用，比對其它生長指標的作用要弱，在范圍較大的一個中等密度的林分內(nèi)，密度對高生長幾乎不起作用，比如楊樹。

2)不同樹種因其喜光性、分枝特性及頂端優(yōu)勢等的不同，對密度有不同的反應。只有一些較耐陰的樹種以及側(cè)枝粗壯、頂端優(yōu)勢不旺的樹種，才有可能在一定的密度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出高生長隨密度的增大而增大的作用，這類主要是連生樹種。

3)不同立地條件，尤其是不同的土壤水分條件，可使樹木對密度有不同的反應[7］。

2.4 密度對直徑生長的作用

一般是樹木胸徑隨密度的增大而遞減，密度大株數(shù)就多，就會導致光照、營養(yǎng)不足，抑制生長。反之，密度小則會促進胸徑生長[8］。在一定密度以上，有競爭作用的樹木間密度越大，直徑生長越小。密度對直徑生長的作用還表現(xiàn)在直徑分布上，直徑分布是研究林木及其樹種結(jié)構(gòu)的基礎，在林分生長量、產(chǎn)量測定工作中起著重要的作用。密度對直徑生長的效應具有非常重要的意義，一方面它是密度對產(chǎn)量效應的基礎，另一方面樹木直徑又是成材規(guī)格的重要指標。

2.5 密度對單株材積的作用

林木的單株材積決定于樹高、胸高斷面積和樹干形指數(shù)，密度對這3個因子均有一定的影響[9］。密度對樹高的作用較弱，干形指數(shù)是隨密度的增加而增大，但差數(shù)不大。密度對單株材積生長的作用與直徑生長的規(guī)律相同，隨林分密度的增大，其平均單株材積減小，而且較平均直徑降低的幅度要大得多，其原因基本上來自于個體對生活資源的競爭。

2.6 密度對林分干材產(chǎn)量的作用

林分干材產(chǎn)量有兩個概念:一是現(xiàn)存量，也就是蓄積量;另一是總產(chǎn)量，也就是蓄積量和間伐量(有時還要算枯損量)之和。林分的蓄積量是其平均單株材積和株數(shù)密度的乘積。這兩個因子互為消長，其乘積值取決于哪個因素居于支配地位。

2.7 密度對林分生物量的作用

林分密度是制約和決定種群生物量動態(tài)的主要因素，是水土保持林培育技術(shù)體系中最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一[10］。密度對林分生物量的作用有兩方面的意義。首先，對于以生物產(chǎn)量為收獲目標的薪炭林、短輪伐期紙漿材林等來說，有明顯的現(xiàn)實意義。其次，因生物量是林分凈生產(chǎn)力的全面體現(xiàn)，更能反映林分的光合生產(chǎn)力。如，加楊在生長的最初時期，密度與生長無關(guān)，各密度的平均個體重幾乎相等，單位面積的生物量隨密度的增加而增加，隨著時間的變化個體不斷增大，到一定時間后，競爭首先從高密度開始，并逐漸向低密度擴展。

2.8 密度對干材質(zhì)量的作用

造林密度適當增大可提高樹干直度和圓滿度，又能促進適當?shù)奶烊徽?，培育無節(jié)和少節(jié)良材，并能增加大徑級材比例。如果林分過密，干材過于纖細，樹冠過于狹窄，既不符合用材要求，又不符合健康要求，應當避免這種情況出現(xiàn)。因此，造林密度不是一個簡單的數(shù)字概念，而是保證人工林優(yōu)質(zhì)的一項重要技術(shù)措施。

2.9 密度對根系及林分穩(wěn)定性的作用

密度對林木根系生長影響的研究材料較少，從有限的研究結(jié)果可以看到一個較為普遍的規(guī)律，林分過密會損壞林木根系發(fā)育。在密林中不但林木根系的水平分布范圍小，垂直分布也較淺，且生長物質(zhì)的分配似乎更偏向于供應地上部分生長。

3 林分密度控制的測算方法

林分密度控制，就是給林分創(chuàng)造一個適宜的生長空間，充分發(fā)揮林木在其生長空間內(nèi)的生長潛力，實現(xiàn)速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，同時發(fā)揮最大的生態(tài)效益[11］。林分生長過程中，由于自然稀疏或人工間伐，各年齡階段都存在最佳的林分密度，它不是常數(shù)，是一個隨經(jīng)營目的、造林樹種、立地條件和栽培技術(shù)等因素變動而變化的數(shù)量范圍。因此，密度問題是最優(yōu)控制問題[12］。林業(yè)工作者可以利用林分密度效應規(guī)律，通過調(diào)控林分密度，達到人工林培育目的。

3.1 基于密度生長效應的測算方法

基于林分密度與立木單株材積及單位面積產(chǎn)量之間的關(guān)系，即以密度效應規(guī)律為基礎，建立各種數(shù)學模型編制林分密度控制圖，這是目前最常用的測算方法。如，解開宏等依據(jù)杉木林生長因子的規(guī)律，編制了杉木人工林林分密度控制圖[13］。人工林密度效應模型主要以林木或林分生長量與立木密度及林分優(yōu)勢木高度間建立數(shù)學關(guān)系式表述，但未充分考慮其它影響林木生長的因子，這是該類模型與測算方法的缺點。從目前密度模型研究進展來看，通過同一立地條件下、同齡人工林的密度控制，逐步研究建立了在不同立地條件、不同類型林分各個發(fā)育階段的密度效應模型。盡管國內(nèi)外很多學者關(guān)于人工林密度效應已經(jīng)建立了多種模型，但模型機理性研究不夠。傳統(tǒng)林分密度效應研究局限于相同立地和年齡的人工純林，而不同立地、年齡的人工林和天然林密度效應研究甚少，對混交林近似同齡林及異齡林密度效應規(guī)律等，有必要進行深入探討。

3.2 基于現(xiàn)代科學理論與數(shù)學的測算方法

目前，基于現(xiàn)代科學理論與數(shù)學方法估計林分最適密度已成為趨勢。王承義等[14］用動態(tài)規(guī)劃法研究了長白落葉松人工林最優(yōu)密度控制技術(shù)。張彩琴等[15］采用變分法和最優(yōu)控制理論，得出了人工林間伐強度和蓄積密度的最優(yōu)控制策略及其連續(xù)變化的數(shù)學模型。吳承禎等[16］以凈現(xiàn)值最大為標準，應用遺傳算法來實現(xiàn)林分經(jīng)營過程中密度優(yōu)化控制，首次提出了遺傳法。洪偉等[17］以林分生長模型為基礎，將林分蓄積量年平均生長量作為目標函數(shù)，應用三次設計的方法建立杉木人工林經(jīng)營過程控制系統(tǒng)。無論采取上述何種方法，人工林密度調(diào)控就是確定不同年齡階段的林分最優(yōu)密度，使林木在經(jīng)營期內(nèi)達到最大收獲量，從而優(yōu)化篩選經(jīng)營過程(造林密度、間伐時間、間伐強度、主伐時間等)中營林措施的最優(yōu)組合參數(shù)，即制訂人工林經(jīng)營的最優(yōu)決策方案。

3.3 基于水量平衡與水分生產(chǎn)力的測算方法

我國人工林營造技術(shù)逐漸成熟，但造林后期管護和撫育滯后，造林和營林脫節(jié)。造林和地下水開采不合理，造林與用水之間矛盾突出，在干旱與半干旱地區(qū)尤為突出。因此，基于水量平衡、林地水分承載力及水分生產(chǎn)力函數(shù)對林分密度進行動態(tài)估算，在這些地區(qū)的林分經(jīng)營中顯得尤為重要。目前，測定技術(shù)能夠動態(tài)地掌握樹木的蒸騰耗水規(guī)律，還與生態(tài)學尺度轉(zhuǎn)換方法有機結(jié)合，實現(xiàn)了林分尺度耗水的準確估算，為林地水量平衡、林地水分承載力的確定奠定了較好基礎，繼而為基于水量平衡的密度調(diào)控提供了便利。如武思宏等[18］以水量平衡原理確定了黃土區(qū)主要造林樹種不同年齡階段的合理密度，提出了“量水植樹”原則，系統(tǒng)分析了以水分因子為基礎的人工林合理密度。另有研究利用降水資源環(huán)境容量理論和水量平衡理論對黃土高原10年生側(cè)柏的水量平衡和合理造林密度進行了分析，結(jié)果表明，目前，黃土高原10年生側(cè)柏的造林密度不合理，大多存在著水分盈余或水分虧缺，應進行適當調(diào)整。在該地區(qū)降水資源環(huán)境容量條件下，10年生側(cè)柏的最大造林密度為2 004株/hm2，最合理的密度應為 1 856 株/hm2，相應集水面積為 3.89 m2[19］.

水分生產(chǎn)函數(shù)研究較為廣泛，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)相當成熟。作物產(chǎn)量與水分因子之間的數(shù)學關(guān)系稱為作物水分生產(chǎn)函數(shù)。在國外，從20世紀60年代開始，圍繞小麥、玉米、棉花、洋蔥等作物的水分生產(chǎn)函數(shù)進行了大量的研究[20］。在國內(nèi)，主要對水稻、冬小麥、夏玉米、棉花、大豆、蠶豆等農(nóng)作物的水分生產(chǎn)函數(shù)進行了研究。根據(jù)其研究方法，農(nóng)作物水分生產(chǎn)函數(shù)可以分為兩類，一類是產(chǎn)量與全生育期蒸發(fā)量的關(guān)系;另一類是產(chǎn)量與全生育期各階段蒸發(fā)量之間的關(guān)系[21］。典型的全生育期水分生產(chǎn)函數(shù)有線性模型和二次函數(shù)模型，階段性水分生產(chǎn)函數(shù)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。水分生產(chǎn)函數(shù)在林業(yè)上的應用出現(xiàn)較晚，王克勤等[22］研究集水造林水分生產(chǎn)力認為，植物物質(zhì)生產(chǎn)與水分的關(guān)系直接表現(xiàn)為生產(chǎn)量與蒸騰量之間的密切關(guān)系。不同的造林密度，單株林木年生物增量與其蒸騰量之間存在相應的函數(shù)關(guān)系。林分密度從高到底，林木水分生產(chǎn)函數(shù)曲線由直線轉(zhuǎn)為對數(shù)曲線，并且年生物量增量隨蒸騰量的變化由小逐漸增大。農(nóng)業(yè)上應用的水分生產(chǎn)函數(shù)不能直接應用在林業(yè)上，尤其是生育階段水分生產(chǎn)函數(shù)模型。作物與林業(yè)生產(chǎn)相比，具有年度1次或多次收成，生長周期、實驗觀測時間短，成本少等特點。通過對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域模型的改進，玉寶等[23］在山西省方山縣和吉縣，以刺槐和油松人工林為研究對象，根據(jù)調(diào)查樣地、解析木和氣象資料，估算氣候生產(chǎn)力，揭示氣象因子對年輪的影響機制。在全面分析不同結(jié)構(gòu)林分生長、耗水及密度效應規(guī)律的基礎上，建立了人工林水分生產(chǎn)函數(shù)，確定了這兩個主要造林樹種在不同生長階段的合理密度。

3.4 基于允許流失量的測算方法

國外和國內(nèi)的研究結(jié)果表明[24］，土壤流失量隨著森林覆蓋率的提高而下降，且兩者為非線性關(guān)系。當森林覆蓋率較小時，單位覆蓋率(用百分數(shù)表示)的遞增就會促使土壤流失量(或侵蝕模數(shù))銳減，效益非常明顯。之后隨著森林覆蓋率的增大，覆蓋率的遞增所引起的土壤流失量遞減速率逐漸下降，效益的增加程度逐漸減弱。王秋生[25］通過對調(diào)查、觀測資料的分析研究，從定量角度探討了植被控制土壤侵蝕的規(guī)律。通過指數(shù)回歸分析，建立了不同類型區(qū)的侵蝕模數(shù)與植被覆蓋度的關(guān)系方程為M=ae－bF，目前該式被廣泛應用。可見，水土保持林有效覆蓋率首先應滿足控制土壤流失的最低要求，即保持防護林防護范圍內(nèi)土地生產(chǎn)潛力的持續(xù)穩(wěn)定和水土保持林系統(tǒng)的長期穩(wěn)定。另外，從眾多的研究結(jié)果來看，土壤流失量等于允許流失量時的森林覆蓋率，在一般情況下是易于實現(xiàn)的。據(jù)此可定義在一定的防護范圍內(nèi)(土壤流失量隨森林植被覆蓋率的提高而降低)，當土壤流失量等于允許流失量時的森林植被覆蓋率，及森林覆蓋率大于土壤流失量時統(tǒng)稱有效覆蓋范圍[26］。

劉啟慎等[27］根據(jù)側(cè)柏人工林胸徑和冠幅的相關(guān)關(guān)系，編制了適宜經(jīng)營密度表。通過10年觀測，建立了侵蝕模數(shù)與植被覆蓋率的定量關(guān)系，石灰?guī)r低山區(qū)土壤允許流失量60 t/(km2·a)作為無明顯侵蝕的界限。當水土保持林覆蓋率為49.3%時，土壤流失量等于允許流失量，此時徑階為4 cm，6 cm，8 cm，10 cm，12 cm，14 cm，16 cm，18 cm，20 cm 的側(cè)柏，每666.7 m2保留株數(shù)分別為295株，186株，121株，87株，62株，51株，41株，34株，28株。

4 山西省水保林密度調(diào)控對策

山西省縱跨暖溫帶和溫帶，橫跨半濕潤和半干旱區(qū)，東經(jīng) 110°15'～114°32'，北緯 34°31'～40°44'.水土流失面積高達10.8×104km2，占全省國土面積的69.2%，占全省山區(qū)、丘陵區(qū)總面積的88%，111個縣(市、區(qū))幾乎均存在水土流失問題[28］。全省平均土壤侵蝕模數(shù)為3000 t/km2，最高達30000 t/km2.每年向黃河、海河的輸沙量為4.56×108t，占黃河年泥沙輸入總量的1/4.每年因水土流失損失的表土達2 ×108t，N，P，K 流失 1 000 ×104t之多，致使絕大部分耕地的有機質(zhì)含量(0.5%)遠低于全國平均水平(1.5%)，損失十分嚴重。在此背景下，水土保持林在山西省生態(tài)環(huán)境修復與治理中具有舉足輕重的地位。

控制水土流失，科學、高效地利用天然降水是山西省水土保持林必須具備的特色，也是其密度調(diào)控的目標所在。因此，在對林地水分長期、動態(tài)監(jiān)測的基礎上，基于水量平衡、林地水分承載力與水分生產(chǎn)力函數(shù)，綜合應用樹木生理學、水分生理學、森林生態(tài)學等多學科知識與最優(yōu)控制理論，采用動態(tài)規(guī)劃等現(xiàn)代數(shù)學手段，以“量水造林、量水管理”為目標，提出主要造林樹種不同生長階段的合理密度是今后山西省水保林密度調(diào)控與科學經(jīng)營的關(guān)鍵所在。因此，在山西省利用密度實現(xiàn)經(jīng)營目標，必須注意以下問題:

1)密度是一個非空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要與地理信息系統(tǒng)等學科知識結(jié)合，達到定位調(diào)控的效果，以更好地實現(xiàn)經(jīng)營目標。

2)要與其它林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)(如聚集度、角尺度與混交度等)相結(jié)合，以更好地控制林分結(jié)構(gòu)。

3)要將先進的科學理念、現(xiàn)代科學理論、最新研究成果及密度模擬手段融入密度調(diào)控參數(shù)的分析中，提高密度調(diào)控的技術(shù)含量。

4)因密度調(diào)控理論的專業(yè)性和合理密度測算的復雜性，要注重密度調(diào)控輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)應用。該系統(tǒng)是復雜的專業(yè)理論與便捷化應用之間的橋梁，既能保證密度調(diào)控的技術(shù)含量，又能將這些科學成果較好地應用于生產(chǎn)實踐中。

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