費世民，蔣俊明，張旭東，周金星（.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，成都 6008；.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 0009；.北京林業(yè)大學(xué)，北京 0008）

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再論干熱河谷植被恢復(fù)過程中的“適度”造林

費世民1，蔣俊明1，張旭東2，周金星3
（1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，成都 610081；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；3.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

摘要：本文在干熱河谷植被恢復(fù)過程中的“適度”造林技術(shù)提出的基礎(chǔ)上，以干熱河谷的自然植被演替、土壤水分承載力、立地異質(zhì)性為依據(jù)，從系統(tǒng)化、定量化的研究角度，在林分結(jié)構(gòu)（微觀）上探討了造林“適度”密度，在區(qū)域景觀尺度（宏觀）上探討植被恢復(fù)的群落“適度”配置，旨在進(jìn)一步闡明“適度”造林技術(shù)與理論，以期為干熱河谷植被恢復(fù)的研究與實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：干熱河谷；植被恢復(fù)；“適度”造林；“適度”密度；群落“適度”配置

人工植被目前是我國的主要森林植被類型之一。但現(xiàn)存的大部分人工林植被由于植被類型選擇不當(dāng)、群落密度過大和群落生產(chǎn)力過高等原因，普遍存在林地地力衰退的生態(tài)問題，在廣大干旱、半干旱地區(qū)，特別是干熱河谷區(qū)，植被恢復(fù)困難，林分穩(wěn)定性差，以“土壤干化”為主的土壤退化極為嚴(yán)重，已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

多年來，干熱河谷的植被恢復(fù)策略一直以造林為主，旨在恢復(fù)或部分恢復(fù)森林植被，以現(xiàn)有植被起源于受人為干擾的原生森林植被或以局部地區(qū)種植林木生長狀況為依據(jù)。從目前看，在傳統(tǒng)的造林理念下，干熱河谷人工造林與植被恢復(fù)，在結(jié)構(gòu)、土壤等方面均表現(xiàn)出明顯的退化特征。傳統(tǒng)的造林技術(shù)與方法不但難以達(dá)到恢復(fù)生態(tài)功能的目的，而且還造成人力、物力和財力的巨大浪費（費世民等，2003，2004）。雖然干熱河谷植被恢復(fù)重建的理論和方法方面的研究雖已有所積累，但是其理論體系和技術(shù)體系尚未形成。因此，深入研究干熱河谷植被恢復(fù)的生態(tài)過程和及其機理，如何構(gòu)建科學(xué)有效的造林與植被恢復(fù)理論，依然是目前十分迫切的任務(wù)。

長期以來，干熱河谷被認(rèn)為是世界上環(huán)境最惡劣的地區(qū)，其植被恢復(fù)一直深受重視。經(jīng)長期努力，該區(qū)植被恢復(fù)在物種篩選、恢復(fù)模式、營造技術(shù)、人工植被的生態(tài)評價等方面的研究進(jìn)展迅速，已篩選出一批樹（草）種，營建了大面積的試驗示范林。雖然部分研究已取得一些突破與進(jìn)展，但干熱河谷植被恢復(fù)依然還是尚未攻克的難題，由于理論貯備及技術(shù)研究的不足，還缺乏進(jìn)一步的理論探索和系統(tǒng)研究成果，特別缺乏定量化、系統(tǒng)化、持續(xù)性的研究，理論體系仍不完善。（張信寶等，1997；李昆等，1999；楊忠等，2003；費世民等，2003，2004）。為此，本文在“適度”造林技術(shù)（費世民等，2003，2004）提出的基礎(chǔ)上，旨在從系統(tǒng)化、定量化的研究角度，進(jìn)一步闡明“適度”造林技術(shù)與理論，以期為干熱河谷植被恢復(fù)的研究與實踐提供參考。

1　“適度”造林的背景

在干旱、半干旱地區(qū)，由于以往造林多選用喬木，并且造林密度偏大，導(dǎo)致林木水分營養(yǎng)面積不足、土壤水分虧缺，從而引起林分衰退，甚至死亡。造林與土壤水分平衡的關(guān)系是現(xiàn)在和將來干熱、干旱地區(qū)植被恢復(fù)研究的重點問題之一。

在北方，許多研究結(jié)果表明，固沙林下的土壤貯水量一般低于無林地，尤其是密度偏大的林分，在林分郁閉成林后，水分供應(yīng)將十分緊張，會引起林木死亡，這是由于林分蒸騰耗水，導(dǎo)致根系分布區(qū)土壤貯水量減少，根系分布層的土壤含水量降至凋萎系數(shù)。寧夏中衛(wèi)2 a～8 a生人工林地表以下0～3 m土層含水量從1988年的2%～3%降低到1990年的1% ～2%（楊維西等，1996）；1964年營造的灌木和半灌木林地0～3 m土層含水量普遍在0.59%～1.0%之間，有的甚至降到0.59%以下，絕對含水量與無植被流沙區(qū)同一層次相差達(dá)60 mm～100 mm（郭普，1986）。1970年營造了樟子松固沙林，初植密度為4 444株·hm-2，1978年保存株數(shù)是4 000 株·hm-2，24 a后密度為2 500株·hm-2。由于該區(qū)降水年變率較大，1 a中降水又多集中于7月、8月份，如果樟子松固沙林密度偏大，將引起土壤水分虧缺，影響固沙林生態(tài)穩(wěn)定性，甚至林木死亡。在科爾沁沙地，生長季內(nèi)除差巴嘎蒿0～120 cm土層內(nèi)土水勢高于-15 bar以外，樟子松、小葉錦雞兒、小葉楊林地同一土層的土水勢均不同程度地處于- 15 bar（凋萎濕度）以下，已不能為林木所利用（（陳荷生，1993）。在民勤綠洲和河西走廊的石羊河及黑河流域下游，由于河流補給量減少以及植物的強烈蒸騰，地下水位大幅度下降，以致干枯（楊文斌，1992），造成大片人工林和天然胡楊林及檉柳生長嚴(yán)重衰退.在黃土高原的許多地區(qū)，人工灌木林地土壤水分虧缺，雖然未大片死亡，但對植物已造成嚴(yán)重的生理傷害，生長極其緩慢（徐化成，1991）。在陜西安塞，6年生刺槐林地0.6 m～4.0 m土層也存在非常明顯的水分嚴(yán)重虧缺層（徐化成，1991）。

金沙江干熱河谷區(qū)氣候干旱炎熱，降水量較少且分配不均，土壤干旱貧瘠，是我國造林極端困難的立地之一。多年來，金沙江干熱河谷區(qū)退化山地植被恢復(fù)重建一直被作為重要的研究課題。其中選擇適宜物種，優(yōu)化群落組合和配套的造林技術(shù)是植被恢復(fù)能否成功的關(guān)鍵因素。長期以來，植樹造林一直作為幾乎整個生態(tài)恢復(fù)的重要措施之一，但是效果一直不好。在干熱河谷區(qū)山地有這樣的說法“種樹不見樹，造林不見林”，許多地方出現(xiàn)的“小老頭樹”既不能發(fā)揮水土保持作用，又不產(chǎn)生經(jīng)濟效益，而且還引起以“土壤干化”為主的生態(tài)問題。

在金沙江干熱河谷，20世紀(jì)50年代、70年代直播的云南松（Pinus yunnanensis）、思茅松（Pinus langbianensis）觀測，干熱河谷中種植的松樹，第6年自然稀疏到1 050株·hm-2～6 750株·hm-2，第8年銳減到450株·hm-2～1 050株·hm-2，第13年進(jìn)一步減為450株·hm-2～600株·hm-2，直到第18年后還在繼續(xù)減少。隨時間推移而退化為疏林或散生木，最后成為稀樹草叢。攀枝花市曾在前進(jìn)鄉(xiāng)等地，采用云南松、思茅松、赤桉（Eucalyptus camaldulensis）、火繩樹（Eriolaena malvacea）、合歡（Albizia julibrissin）、鐵刀木（Cassiasiamea）等60個樹種的營養(yǎng)袋造林，次年保存率為70%，但到第3、第4年，土壤水分、養(yǎng)分得不到滿足而大量死亡。這說明：造林初期，林木水分需求量小，隨著林分的郁閉和林木的生長，林木對水分需求量增大，土壤水分不能滿足地上植物生長的需求，地上植物只有通過個體競爭，進(jìn)行自然稀疏，達(dá)到自我調(diào)節(jié)的目的。

干熱河谷人工赤桉林隨林分密度的增大，土壤水環(huán)境有進(jìn)一步惡化的趨勢。13 a生的林分旱季0 ～100 cm土層內(nèi)平均含水率6.84%～9.16%，土壤含水率普遍偏低，已均無有效水分，表現(xiàn)出嚴(yán)重的“土壤干化”（王克勤等，2004）。在較好立地條件的地帶，10 a～13 a生的赤桉純林，造林保存率達(dá)80%，在立地條件差的地帶，4 a生的赤桉純林，造林保存率僅為43%；在較好立地條件的地帶，11 a生的新銀合歡純林，造林保存率72%，而在立地條件差的地帶，11 a生的新銀合歡純林，造林保存率僅有45%（高文學(xué)等，2005）。據(jù)調(diào)查，1990年至1996年，攀枝花干熱河谷地區(qū)造林1 333余hm2，20年后保存率不足10%。

水分條件是金沙江干熱河谷植被恢復(fù)的一個主要制約因素，水分因子是影響植物生存、生長發(fā)育和環(huán)境對植被支持力的關(guān)鍵因素。上世紀(jì)70年代以來，采用提水灌溉的方法，攀枝花市在花崗巖荒山上成功營造了攀枝花公園、東區(qū)公園和攀鋼后山綠化區(qū)，其植被以闊葉林為主的常綠森林植被。主要樹種有羊蹄甲、臺灣相思、桉樹、山麻柳、櫟類等。這3處森林內(nèi)，均布設(shè)有輸水灌溉管道系統(tǒng)。據(jù)初步調(diào)查，苗期旱季每月澆水3次，以后澆水次數(shù)逐漸減少，成林后每年3月～5月，每月澆水1次，灌溉用水量差別為180 m3·hm-2·a-1。這3處人工林均抽提金沙江水灌溉，水費高昂。攀鋼后山綠化區(qū)67 hm2人工林，每年水費和維護(hù)費高約40萬元；目前，由于停止供水，已開始死亡。2000年，長江造林局在三堆子附近，抽提金沙江水，營造128 hm2人工林，水利設(shè)施投資120萬元，0.94萬元·hm-2?？梢?，大面積采用提灌造林恢復(fù)植被顯然是不現(xiàn)實的，經(jīng)濟上是不可行的。

因此，干熱河谷植被恢復(fù)應(yīng)該在區(qū)域生態(tài)環(huán)境大背景下，應(yīng)堅持科學(xué)、合理、適度、可持續(xù)的原則，不應(yīng)該盲目地追求數(shù)量和經(jīng)濟效益，試圖在短期內(nèi)使稀樹灌叢草坡變成森林，并提供木材產(chǎn)品，而忽視了其嚴(yán)酷的自然條件，超越了干熱地區(qū)的生物容量和土壤承載能力。雖然不惜一切代價，可以種植一些樹木，但最終得不償失。

2　“適度”造林的理論依據(jù)

2.1自然植被演替

自然植被是經(jīng)過漫長的地質(zhì)運動、氣候變遷和植物群落演化而形成。在干旱、半干旱地區(qū)，由于環(huán)境對植被的支持力較小，形成了獨特的區(qū)域性植被。干熱河谷植被具有獨特的群落外觀與區(qū)系組成，系世界植被中薩王納植被的干熱河谷殘存者，屬河谷型薩王納植被（Savanna of valley type），所以是我國珍稀瀕危的植被類型之一（金振洲等，2000）。

金振洲等（2000）研究表明，干熱河谷植被多為“稀樹灌木草叢”，以中草和禾草草叢為背景構(gòu)成大片草地植被，在草叢之上散生2 m～5 m為主的稀散喬木和0.5 m～2 m為主的稀散灌木，人為干擾下可成為“稀樹草叢”、“稀灌草叢”和草叢外貌。群落結(jié)構(gòu)上，多數(shù)分喬、灌、草3層或灌、草兩層。群落種類多為熱帶性或熱帶起源的耐旱種類，熱帶種、溫帶種和中國特有種分別占47.59%、14.88%和37.42%，具有長期適應(yīng)干熱河谷的群落特征種或區(qū)系標(biāo)志種。優(yōu)勢或常見種多數(shù)為生態(tài)適生種或耐于熱種類。草叢優(yōu)勢種如扭黃茅（Heteropogon corttortus（L.）Beauv.）、孔穎草（Bothriochloa pertusa（L.）A.Camus.）、雙花草（Dichanthium annulatum（Forsk.）Stapf.）等，稀樹灌木如滇欖仁（Terminalia franchetii Gagnep.）、石山羊蹄甲（Bauhinia comosa Craib.）、坡柳（Dodonaea viscose Jacg.）、疏序黃荊（Vitex negundo L.f.var.laxipaniculata Pei.）等。調(diào)查資料表明，1957年元謀干熱河谷區(qū)植被已為稀樹灌草叢（周麟，1996）。

在干熱河谷區(qū)，原始自然植被為南亞熱帶干性常綠闊葉林，非石灰?guī)r山地為錐連櫟林；石灰?guī)r山地為鐵橡櫟林，格里坪一帶石灰?guī)r山地分布有蘇鐵林；溝菁、陰坡等土壤水分條件較好的地段為黃櫟林。攀枝花干熱河谷現(xiàn)代自然植被以南亞熱帶干熱河谷稀樹灌叢草坡為主要類型，草本植物以扭黃茅占絕對優(yōu)勢；灌木主要為車桑子、牛筋條、余甘子等；喬木主要為滇合歡、櫟類。人為干擾少、土壤水分條件較好的地段，如陰坡（特別是土層深厚的緩坡和裂隙發(fā)育的石質(zhì)坡地）和溝菁一帶，喬木密度大，部分地段成林，多為櫟樹林。歷史時期以來的植被演變是人類活動和氣候變化的疊加結(jié)果。史前時期植被的自然演化，主要受制于氣候的變化。中更新世以來，地殼隆升，河流強烈下切，嶺谷高差增大，河谷焚風(fēng)效應(yīng)增強，干熱化是數(shù)十萬年來金沙江河谷氣候變化的總體趨勢。由于植被群落的抵抗效應(yīng)，植被的演化往往滯后于氣候的變化。人類活動，特別是近代人類活動對攀枝花市視野區(qū)植被演替的影響是不爭的事實。數(shù)百年前，區(qū)內(nèi)以櫟類為主的南亞熱帶干性常綠闊葉林廣布。森林植被砍伐后，自然植被迅速退化為干熱河谷稀樹草灌。森林植被破壞，土壤侵蝕加劇，土層變薄變瘠，持水性能降低，土壤水分狀況變差，不再適宜原生森林植被的繁衍，人類活動加速了自然植被由南亞熱帶干性常綠闊葉林向干熱河谷草灌植被演替的進(jìn)程。目前大部分坡地的自然環(huán)境，已很難恢復(fù)原始南亞熱帶干性常綠闊葉林植被，只能恢復(fù)干熱河谷稀樹灌草植被。

2.2土壤水分植被承載力與林分穩(wěn)定性

承載力（Carrying Capacity）屬于物理學(xué)的范疇，它是用以控制或限制發(fā)展的一個常用概念，是可持續(xù)發(fā)展的核心問題，最早進(jìn)行承載力研究的是群落生態(tài)學(xué)，它是指在一定環(huán)境條件下，單位面積某種生物個體存在數(shù)量的最大值（曲仲湘等，1983）。土壤水分植被承載力（Vegetation Carrying Capacity of Soil Water，VCCSW）是土地植被承載力（簡稱植被承載力）的一個特殊類型。植被承載力是指一定環(huán)境條件下單位面積某種生物個體存在數(shù)量的最大值（曲仲湘等，1983）。當(dāng)森林密度接近承載力時，林木胸高斷面積停止增加（MANION P.D.，D.H.GRIFHN，2001）。維持森林、灌叢和草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的土壤水分來自天然降雨和地下水，地下水也來自于降水。常年雨量大且季節(jié)分配合理，或是地下水位較高的地區(qū)，水分不是植物生長的限制因子。降雨量稀少、土壤水分補給能力有限的地區(qū)，土壤水分是植物生長的限制因子。在干旱、半干旱地區(qū)，土壤水分是決定植物生長的限制因子。該類地區(qū)的植被承載力實質(zhì)上由土壤水分決定。

土壤水分植被承載力是土壤水分承載植物的最大負(fù)荷，是指在較長時期（1年～多年）內(nèi)，在現(xiàn)有的條件下，當(dāng)植物根系可吸收和利用土層范圍內(nèi)土壤水分消耗量等于或小于土壤水分補給量時，所能維持特定植物群落健康生長的最大密度，即雨水資源中補給土壤的部分水量所能維持植物健康生長的最大數(shù)量。在雨養(yǎng)條件下，一定時期內(nèi)森林植被系統(tǒng)的土壤水分補給和消耗構(gòu)成一個微循環(huán)系統(tǒng)。在一個較長時期內(nèi)，雨水補給土壤水分過程和土壤水分消耗過程一般是交互進(jìn)行、相互影響的。一方面森林植物生長發(fā)育影響土壤水分補給深度和補給量，從而影響土壤水分狀況和對植物的有效性；另一方面，土壤水分消耗與森林植物生長密切相關(guān)。二者是一個有機的統(tǒng)一體。

人工林植被的穩(wěn)定性與功能發(fā)揮必須建立在有適合水資源供應(yīng)的合理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，維持林分穩(wěn)定性的實質(zhì)是要保持一定時期內(nèi)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，其基本條件之一是保持一定時期內(nèi)土壤的水量平衡。水是土壤—植被—大氣連續(xù)系統(tǒng)（SPAC）的紐帶。在SPAC傳輸體中，森林植被生態(tài)系統(tǒng)的土壤水分與植物生長相互影響，缺一不可。在一定立地條件下，某種森林植被群落能夠生長發(fā)育，那么客觀上存在這樣一個密度，它能使一個時期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)土壤水分的補給和消耗達(dá)到平衡且植物生長正常，有利于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，也不會形成土壤旱化，此時的密度即為土壤水分植被承載力。由于在一個生長季內(nèi)，植物的生長和發(fā)育由發(fā)芽、展葉，開花、果實膨大和落葉（落葉樹種）等環(huán)節(jié)構(gòu)成，無論哪個環(huán)節(jié)遇到干旱、土壤水分脅迫都可能導(dǎo)致植物個體的死亡和種群數(shù)量的下降。一年內(nèi)，土壤水分在降雨、徑流、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰等因素影響下處于動態(tài)變化之中，因此研究土壤水分植被承載力的時消周期為“年”。由于土壤含水量必須大于或等于萎蔫系數(shù)，植物才能正常生長發(fā)育，植物生長和發(fā)育只能吸收和利用一定深度土層的土壤水分，不可能利用整個土層的土壤水分，特別是對較厚土層的土壤，如干旱地區(qū)。

干熱河谷區(qū)旱季的土壤水分狀況是影響林木生長的更關(guān)鍵的因子，決定著林分的穩(wěn)定程度。因此，干熱河谷地區(qū)營造高密度的人工喬木生態(tài)林勢必會導(dǎo)致林分微環(huán)境較差，難以形成結(jié)構(gòu)良好的林分，從而也影響生態(tài)功能的發(fā)揮。研究表明，干熱河谷土壤水分承載力較小的扭黃茅群落自然草坡的土壤水分狀況明顯優(yōu)于土壤承載量較大的喬木林和灌木林，但干熱河谷地區(qū)也存在生長良好的稀樹和散生喬木，從而證實稀疏的喬木林能夠正常生長。因此，為了維持人工生態(tài)林生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡，在干熱河谷植被恢復(fù)中應(yīng)盡量降低造林密度，減小土壤水分承載力，減少水分消耗，確定出合理、適度的造林密度（費世民等，2004，2006）。

2.3立地異質(zhì)性

制約干熱河谷植被恢復(fù)和生長的主要限制條件是不同立地條件下土壤層旱季（11月至翌年5月）的有效蓄水量和干旱后期土壤的有效含水量。陰坡和陽坡土壤含水量有很大差異。旱季含水量陰坡總的趨勢是下層（40 cm～60 cm）土壤最高。旱季6個月的4種整地方式平均含水量以上層（0～20 cm）最小，為11.98%；中層（20 cm～40 cm）次之，為16.42%；下層為18.03%；而陽坡上、中、下3層含水量分別為9.76%、13.80%、13.71%。陰陽坡旱季不同土層間的土壤水分差異導(dǎo)致了干熱河谷陰坡和陽坡間植被分布的差異（蔣俊明等，2007）。同時，不同質(zhì)地土壤水分條件差異較大。金沙江干熱河谷中沙礫石覆蓋的階地、丘陵，以沙質(zhì)土為主，及裂隙特別發(fā)育的基巖山地土壤，水分條件較好，在人工灌溉補肥條件下，植樹造林成活率較高；而第三系和第四系的粘土、亞粘土地層和泥質(zhì)巖類組成的山地發(fā)育的土壤，水分條件差，特別是燥紅土、變性土，粘粒含量高，只適宜栽種灌草；該區(qū)域環(huán)境的空間異質(zhì)性極大，具體體現(xiàn)為微地型和微氣候差異、土壤及其土壤母質(zhì)的變化.這種空間異質(zhì)性的變異極易誤導(dǎo)植被恢復(fù)的方向，也就是說，相臨地塊，由于立地條件的不同，其植被恢復(fù)所選用的樹種、模式及造林技術(shù)理應(yīng)不同，但因是規(guī)模性造林，加之立地生境的脆弱性，在生產(chǎn)上極易忽視這種差異，最終導(dǎo)致造林失敗。

因此，干熱河谷植被恢復(fù)除了“適度”林分結(jié)構(gòu)外，針對立地條件差異性和自然植被景觀多樣性，還應(yīng)該保留一定面積的自然植被，使人工林與自然植被交錯鑲嵌分布，以恢復(fù)具有生物多樣性特點和林分穩(wěn)定性人工植被。

3　“適度”造林密度

土壤的自然含水量扣除植物的凋萎系數(shù)以后，才是可供植物利用的有效水分。根據(jù)土壤供給的有效水分總量和各樹種的單株水分消耗量，可估測出土壤對各樹種的水分承載能力。根據(jù)調(diào)查，在旱季0～25 cm土層、25 cm～50 cm土層、50 cm～70 cm土層的土壤平均含水量分別為9.34%、10.24%和11.35%。林地土壤表土層（0～25 cm）水分可供地表草本植物利用；大部分根系的垂直分布在25 cm ～75 cm土壤層；在旱季降雨一般20 mm～50 mm，蒸發(fā)量為降雨量的兩倍以上，表土水分有一部分用于蒸發(fā)，則植物需從深層土壤消耗。因此，植物耗水過程水分復(fù)雜，利用Li-1600測定植物蒸騰量，不能反映土壤水分消耗的真實情況，土壤水分蒸發(fā)對土壤水分消耗影響很大。為此，采用水浮式盆栽實驗方法，以土壤水分變化為中心，把水分消耗作為整體概念來對待，通過對土壤消耗量與水面蒸發(fā)量進(jìn)行擬合，建立擬合實驗?zāi)Ｐ头匠?，再根?jù)方程，計算出各樹種在整個旱季的單株水分消耗量（旱季為11月至翌年5月，計212 d），即可估測出每公頃林地對各樹種的最大造林密度。

3.1土壤水分供應(yīng)能力

根據(jù)上述攀枝花市干熱河谷土壤水分的研究結(jié)論，為了確定土壤對植物的供水范圍，對干熱河谷現(xiàn)有主要植物根系進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果見表1。由此，本研究確定土壤有效供水的土壤深度為70 cm，以此，計算土壤的有效蓄水量作為土壤水分供應(yīng)能力。

表1　攀枝花干熱河谷主要樹種根系分布

但是，在干熱河谷，荒山荒地的土壤層一般在50 cm，有部分水分需要來自于母質(zhì)層。根據(jù)現(xiàn)有主要林分土壤調(diào)查與測定，由表2可見，荒草坡的土壤水分供應(yīng)能力最小，達(dá)到1 143 T·hm-2，五色梅林地、臺灣相思林地、加納比松林地的土壤水分供應(yīng)能力比較高，達(dá)到1 808.8 T·hm-2、1 775.6 T·hm-2、1 725.63 T·hm-2，說明植被對土壤的良好改良作用；同時，現(xiàn)實中的林分在一定程度上已經(jīng)具有相對穩(wěn)定性。為此，為了計算“適度”造林的林分密度，考慮到土壤厚度等因素，確定以荒草坡為標(biāo)準(zhǔn)，即干熱河谷的基準(zhǔn)土壤水分供應(yīng)能力為1 143 T·hm-2。

表2　攀枝花干熱河谷主要林地土壤水分供應(yīng)能力（有效蓄水）

3.2植物耗水量的計算

在攀枝花干熱河谷由于干濕季節(jié)分明，從10月至第2年5月為旱季，長達(dá)212 d，土壤的貯水量是旱季植物耗水的唯一來源，因此，土壤在雨季貯水量的多少決定了植物能否安全渡過旱季，決定了林種結(jié)構(gòu)、組成和林分密度。對攀枝花干熱河谷主要造林樹種進(jìn)行盆栽試驗，通過測試某一時段（或某一點）的蒸騰量或蒸散量來計算植物的耗水量明顯不合理，因為植物耗水是一個連續(xù)的過程，同時蒸騰量與整個旱季的氣候狀況有關(guān)。通過整個干旱期間盆栽試驗，以Metcherlich模型擬合結(jié)果最理想，可以反映土壤水分的消退過程以及土壤的結(jié)構(gòu)等參數(shù)及土壤水分的動力學(xué)特征，擬合的數(shù)學(xué)模型在土壤學(xué)上有明確的物理意義。模型方程為：

根據(jù)方程擬合了各樹種單位水面蒸發(fā)量作用于1 cm2林冠蒸騰量（或蒸散量）的累積水面蒸發(fā)量模型。對不同種類植物，擬合方程的系數(shù)求解，得到結(jié)果見表3。

表3　擬合方程的系數(shù)

根據(jù)擬合方程1，各樹種的擬合土壤水分消退過程見圖1，來計算不同樹種旱季的耗水量。

圖1　土壤水分消退曲線

研究采用室外水浮式盆栽實驗，實際上把單株植物形成的生態(tài)空間作為一個計量單位，不同于以往研究，其結(jié)果更具有真實性。以土壤水分含量為縱坐標(biāo)，以水面累積蒸發(fā)量為橫坐標(biāo)作土壤水分遞減曲線圖（以實驗擬合的土壤水分消退模型：ET= a + b×e0- k·E），從圖1和圖2可以看出，土壤水分的遞減變化曲線較平滑，從曲線變化趨勢看，水分在前期減少較快，到后期土壤水分減少較慢，最后至穩(wěn)定，但從土壤水分消退曲線看土壤蒸發(fā)的3個階段：起始恒速階段、中期速降階段和后期的慢速階段。

圖2　土壤水分消退過程示意圖

通過對ET= a + b×e- k.E0求導(dǎo)，得出的擬合方程，按照方程的生態(tài)意義：在整個旱季，植物蒸騰耗水是一個動態(tài)變化過程，不斷消耗土壤水分，逐步累積，因此，以圖2中的陰影部分，計算出植物單株耗水量。同時，植物耗水與水面蒸發(fā)密切相關(guān)，根據(jù)前面研究結(jié)果，該區(qū)水面蒸發(fā)量為8 mm·d-1，計算結(jié)果見表4。在5個喬木樹種中，以直干藍(lán)桉的耗水量最高，達(dá)4.6 T，其次是臺灣相思，為1.2 T，加勒比松、銀合歡、印度楝分別為0.65 T、0.55 T和0.3 T。在灌木中，以五色梅為最高，達(dá)0.94T，最低是劍麻，僅為9.5 kg。

表4　攀枝花干熱河谷主要造林樹種旱季耗水量

3.3“適度”造林的密度

從干熱河谷的實際情況看，制約森林形成的主要因素是水分。旱季的土壤水分狀況和樹木的耐旱性是決定樹木能否生存的兩個因素。本文所研究的幾個樹種，經(jīng)前人研究成果和造林實踐證明都表現(xiàn)出一定的抗旱性。因而，這些樹種能否形成穩(wěn)定的人工林，主要取決于土壤的水分狀況；從土壤水分供應(yīng)能力的角度，所計算出的結(jié)果是每公頃林地對各樹種所能夠承載的最大理論株數(shù)。

根據(jù)目前該區(qū)的造林要求，其密度為3 300株· hm-2，按表5的“適度”的密度要求，如印度楝、臺灣相思、直干藍(lán)桉、銀合歡、加勒比松的林分密度分別為3 771株·hm-2、966株·hm-2、250株·hm-2、2 068株·hm-2和1 769株·hm-2，因此，印度楝的密度較合適，而臺灣相思、直干藍(lán)桉、銀合歡、加勒比松的林分密度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了，這樣，實際上造成了資金的浪費，臺灣相思、銀合歡、加勒比松造林分別浪費了約2/3、2/5和1/2的資金，而直干藍(lán)桉造林將節(jié)省更多的費用，實際上，形成了“稀樹灌草叢”，或者說，在干熱河谷，直干藍(lán)桉不適合進(jìn)行造林。按目前該區(qū)造林9 000元·hm-2計，則每hm2至少分別浪費6 000元、3 600元和4 500元。這對該區(qū)原本有限的造林經(jīng)費來說，這種浪費是非常可驚人的。大面積高密度的造林不僅引起土壤水分虧缺，而且造成生態(tài)效益與經(jīng)濟效益不統(tǒng)一、長期效益與短期效益的矛盾。

對于灌木來說，小桐子、車桑子和五色梅的造林密度分別為3 161株·hm-2、6 371株·hm-2和1 220株·hm-2，劍麻的造林密度為40 000株· hm-2，由于劍麻抗旱性能比較強，其根系一般在20 cm的土層中，因此，在實際造林中，應(yīng)以其1/3來造林，即40 000株·hm-2，比較合適。

在實際生產(chǎn)中，還要考慮到其他的立地條件，如土壤肥力、坡位和坡向等，以及林地灌木和草本層等等。因此，如果大于這個造林密度，就會造成旱季土壤供水不足。當(dāng)然，為了提早郁閉，盡早發(fā)揮林分的防護(hù)效果，造林的初植密度可以適當(dāng)大于這個密度。從樹木個體發(fā)育角度看，當(dāng)樹木地上部分達(dá)到一定的生物量，總?cè)~面積的耗水量超過土層的供水能力時，會促使植株生長停止。雖然在以后的雨季里有比較充足的水分供應(yīng)，也不能恢復(fù)其旺盛的生長，因土壤水分脅迫導(dǎo)致林木生長衰退，從而形成“小老頭樹”，甚至成片死亡。這種現(xiàn)象在我國干旱地區(qū)相當(dāng)普遍。從林分角度來看，同一樹種隨著森林生物量的增加，樹木對水分的消耗加大，有可能因為對水分的競爭加劇而導(dǎo)致林分的自然稀疏，從而無法形成穩(wěn)定的人工林，林木因為水分營養(yǎng)面積不足而導(dǎo)致部分林木死亡。一方面，從人工林的長期穩(wěn)定性和改善林地小環(huán)境這兩方面來考慮，造林初期為了迅速覆蓋林地，盡早地形成森林環(huán)境，仍需要適當(dāng)密植。但隨著林木的生長，對水分的消耗增大，為保持林分的相對穩(wěn)定，保證林木的存活與生長并逐步提高林地的生產(chǎn)力，應(yīng)人為調(diào)節(jié)其密度，預(yù)防林木大范圍的死亡而導(dǎo)致人工林的衰退。

因此，“適度”造林的林分即可充分利用水分資源，又不會造成土壤干旱脅迫現(xiàn)象，此時的林分應(yīng)屬于“疏林”（注：指密度低、郁閉度小于0.3的林分）。在干旱區(qū)，在選擇節(jié)水、耐旱樹種的前提下，應(yīng)該在生態(tài)、經(jīng)濟和生態(tài)經(jīng)濟上可行的考慮，進(jìn)行適度造林，以維護(hù)林分的持續(xù)穩(wěn)定性。

表5　不同樹種的適度造林密度估算

4　植被恢復(fù)的“適度”配置

20世紀(jì)90年代初，中國林科院資源昆蟲研究所、四川省林業(yè)科學(xué)研究院、中科院等科研單位在四川、云南金沙江干熱河谷開展植被恢復(fù)與造林技術(shù)研究，營造大面積人工林，推動了干熱河谷的植被恢復(fù)工作。“十五”以來，恢復(fù)模式逐漸向喬、灌、草結(jié)合的多層次立體恢復(fù)模式過渡，植被恢復(fù)取得較好效果。

目前，根據(jù)掌握的文獻(xiàn)資料，金沙江干熱河谷退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建模式的試驗示范研究還停留在一些小的、局部的區(qū)域范圍內(nèi)或單一的群落或植被類型，缺乏從區(qū)域景觀水平或整體系統(tǒng)的區(qū)域尺度的綜合研究與示范，也缺乏對已有微觀的具體模式的宏觀配置研究。已有植被恢復(fù)技術(shù)或成果由點至面的尺度轉(zhuǎn)化過程準(zhǔn)確性缺乏，而不能大量被采納和推廣，個別成功案例推廣放大后難以適應(yīng)而失敗。自然植被與人工植被景觀的結(jié)構(gòu)、動態(tài)、功能和相互作用的資料缺乏，它們的適應(yīng)性難以判斷（楊振寅等，2007）。

4.1從植被景觀的多樣性探討區(qū)域植被群落分布的“適度”格局

據(jù)調(diào)查研究（費世民等，2004，2006），攀枝花市景觀的鑲嵌結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變。20世紀(jì)50年代初期，稀疏灌草叢和干熱河谷禾草灌草叢大約在海拔1 300 m左右一帶，木棉和紅椿在沿江河兩岸還比較多。后來，由于1958年的“大躍進(jìn)”、人口增長迅猛、建市以來的近700次森林火災(zāi)和20世紀(jì)60年代～70年代擴建渡口鋼鐵基地和成昆鐵路等，使得整個植被資源遭受巨大破壞和損失，次生植被越來越多，森林覆蓋率下降很快。從20世紀(jì)70年代至90年代，森林植被的覆蓋率下降了4.44%。而同期的陡坡和一些宜林地紛紛被辟為耕地，造成自然植被面積減少，原生植被退縮到高山或陡峻偏遠(yuǎn)的地方，次生植被擴展，干熱河谷線上升；植被鑲嵌體的鑲嵌關(guān)系發(fā)生很大變化。而且，就每種鑲嵌體而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在這幾十年間也發(fā)生較為明顯的變化，森林結(jié)構(gòu)日趨簡單化，喬木減少，灌木、草本植物增多。最破碎的植被景觀出現(xiàn)在人類活動最劇烈的兩江（金沙江和雅礱江）、兩河（安寧河和大河）干熱河谷地區(qū)。干熱河谷區(qū)占優(yōu)勢的植被為草叢、灌草叢、稀樹草叢、稀樹灌草叢。

據(jù)楊振寅（2007）對元謀干熱河谷植被景觀動態(tài)與植被恢復(fù)研究表明，元謀干熱河谷車桑子灌木林和稀樹灌草叢占明顯優(yōu)勢，為元謀干熱河谷景觀的基質(zhì)，其面積和斑塊數(shù)達(dá)540.60 km2和339.51個，分別占干熱河谷區(qū)景觀總面積和總斑塊數(shù)的40.52%和25.45%。植被斑塊為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，以中小斑塊為主，小于50 hm2的斑塊占植被斑塊數(shù)的91.58%。其中，稀樹灌草叢和車桑子灌木林的小斑塊數(shù)量最多，占植被景觀小斑塊總數(shù)的75.15%。植被景觀面積主要集中在中、小斑塊，稀樹灌草叢和車桑子灌木林中、小斑塊的面積占植被總面積的41.94%。

可見，在干熱河谷區(qū)，植被恢復(fù)除了按自然植被演替規(guī)律營建“適度”林分結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)該從區(qū)域尺度上，依據(jù)自然植被景觀格局，不宜實施大規(guī)模的人工造林，因地制宜地營建塊狀人工林，形成人工植被與自然植被交錯鑲嵌分布的“適度”格局，以恢復(fù)具有景觀多樣性特點的區(qū)域性植被生態(tài)系統(tǒng)。

4.2從立地條件的空間異質(zhì)性探討區(qū)域植被群落的“適度”配置

在干熱河谷區(qū)，同一區(qū)域的降雨差異不大，但由于地形和下墊面的差異，導(dǎo)致植物水分供應(yīng)的較大差異，從而決定了干熱河谷區(qū)植被群落的空間格局。影響干熱河谷區(qū)植被生長與分布的主要因素有海拔高度、坡向、母巖類型、坡度、土層厚度等（費世民，2004）。

目前，攀枝花干熱河谷整體上屬于稀樹草原類型，但在地勢較低、水源條件和土壤條件較好的地段仍有很多林木生長，在非石灰?guī)r山地為錐連櫟（Quercus fianchetii）林；石灰?guī)r山地為鐵橡櫟（Quercus cocciferoides）林；目前格里坪一帶石灰?guī)r山地分布有蘇鐵（Cycas revoluta）林；溝菁、陰坡等土壤水分條件較好的地段為黃櫟林。

據(jù)楊忠（2003）研究，在金沙江干熱河谷區(qū)，泥巖坡地土體黏重板結(jié)，入滲能力弱，天然降水入滲少，對土壤水分的有效補充較少。在干旱季節(jié)土體極其干旱，林木生長停止，甚至受到干旱的生理傷害枯死，林分生產(chǎn)力低，極難恢復(fù)森林植被。片巖坡地礫石層坡地砂礫層坡地等石質(zhì)山地土體裂隙發(fā)育，入滲能力強，天然降水入滲多，對土體水分的有效補充較多，在干旱季節(jié)巖土深層有少量有效儲水供林木吸收利用，維持其正常生理活動的水分需要，林木生長較泥巖坡地上的林木生長快，林分生產(chǎn)力高。

據(jù)研究（費世民，2004；蔣俊明等，2204，2005，2007），攀枝花干熱河谷的四種土壤中以山地粗骨質(zhì)紅壤全年含水率最低，含水率在5%以下的時間長達(dá)5月。因此，造林十分困難，深墾整地，作好蓄水保墑工作是提高造林成效的關(guān)鍵措施。山地碳酸鹽紅褐土是本區(qū)土壤含水率最高的一種土壤，全年變動幅度不大，且較穩(wěn)定，一年中除旱季3月～5月表土層（9 cm～10 cm）含水率在5%～10%以外，其余時間各層土壤含水率都＞20%。這種土壤造林效果較好，陰坡撒播云南松可以成功。山地紅色石灰土，含水率雖然也高，但是由于土壤物理性粘粒含量較大，水分多以束縛水的形式保存于土壤之中，可供植物利用部分較少，因此，植物生長差，造林仍很困難。山地黃紅壤，含水率僅次于山地碳酸鹽紅褐土，干濕季明顯，一年之中只有兩個月時間（4月、5月）表土層（0～20 cm）比較干燥，含水率在9%左右，其余時間都處于潮潤狀態(tài)，插花性干旱對土壤含水率影響不大，造林比較容易成功。

從不同地形條件土壤含水率的觀測來看，由于蒸發(fā)量大于降雨量，地形因素對土壤水分再分配的影響特別明顯。山地粗骨質(zhì)紅壤，雖然含水率很低，若分布在海拔1 500 m以上，土壤仍較潮濕；山地碳酸鹽紅褐土含水率雖然較高，若處于陽坡，土壤仍很干燥。上述研究說明，在研究金沙江河谷荒山造林的時候，不僅要注意到不同質(zhì)的土壤含水率的差異，而且還必須考慮到，由于地形條件引起的土壤水分變化，只有這樣，才能做到因地制宜，區(qū)別對待。

可見，干熱河谷植被恢復(fù)除了“適度”林分結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)針對立地條件的差異，考慮不同立地類型生境的土壤水分條件，依靠優(yōu)勢生活型植物種類，宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草，適地適樹，在不同立地條件的地塊上，營建“適度”密度的不同類型人工植被，進(jìn)行灌草叢、稀樹草叢、稀樹灌草叢等植被的“適度”配置，構(gòu)建不同植被與生境條件相協(xié)調(diào)、穩(wěn)定的群落生態(tài)關(guān)系，形成不同植被景觀交錯鑲嵌分布的干熱河谷區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定格局。

因此，在干熱河谷植被恢復(fù)過程中，應(yīng)充分考慮區(qū)域空間尺度的不同植被類型“適度”配置，是確立科學(xué)的植被恢復(fù)目標(biāo)、提高植被恢復(fù)與造林成效的關(guān)鍵。

5　結(jié)果與討論

（1）過去北方干旱地區(qū)的樟子松、干熱河谷的云南松、思茅松等造林的教訓(xùn)，由于造林密度偏大，將引起土壤水分虧缺，影響固沙林生態(tài)穩(wěn)定性，甚至林木死亡。因此，在干熱河谷地區(qū)，大氣水熱條件的不平衡，生境對植被的支持力較低，植被恢復(fù)要從自然植被演替規(guī)律、土壤水分承載力等方面，參照地帶性和隱域性原生植被的特征，根據(jù)土壤水分承載力與植物水分需求的水分平衡，從林分結(jié)構(gòu)上確定林分生態(tài)穩(wěn)定的“適度”造林密度，適地適樹，宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草，進(jìn)行不同生活型植物類型的合理配置，構(gòu)建干熱河谷的稀樹灌草叢植被，避免進(jìn)入人工造林的林分密度過大、盲目追求生產(chǎn)力的誤區(qū)。

（2）在干熱河谷植被恢復(fù)過程中，從區(qū)域空間尺度的植被景觀多樣性、立地條件的空間異質(zhì)性方面，進(jìn)行在區(qū)域尺度上不同植被類型的“適度”配置，構(gòu)建不同植被類型與生境條件相協(xié)調(diào)、穩(wěn)定的“板塊鑲嵌”群落配置結(jié)構(gòu)，形成干熱河谷區(qū)不同植被景觀交錯鑲嵌分布的自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定格局，避免進(jìn)入不切實際的大規(guī)模成片造林而成效難以鞏固的誤區(qū)。

（3）上述分析表明，以干熱河谷的自然植被演替、土壤水分承載力、立地異質(zhì)性為依據(jù)，實施“適度”造林，在微觀上，構(gòu)建“適度”密度的林分結(jié)構(gòu)，建立適地、適樹、適度結(jié)構(gòu)的植被恢復(fù)技術(shù)；在宏觀上，構(gòu)建區(qū)域植被群落“適度”配置模式，建立區(qū)域尺度的不同植被景觀“板塊鑲嵌”空間格局；從而提高與鞏固干熱河谷植被恢復(fù)與造林的成效。因此，干熱河谷植被恢復(fù)的目標(biāo)應(yīng)以“適度”造林為恢復(fù)策略，進(jìn)行人工促進(jìn)恢復(fù)，與封山、禁伐、禁牧等自然恢復(fù)相結(jié)合，建立群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、植被景觀配置多樣的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。

（4）以往研究多以植物蒸騰來計算，而且以某段時間的測定結(jié)果為依據(jù)，計算出來的結(jié)果往往偏小，與實際情況差異大。本研究參照蒸滲儀法，采取室外自然條件下的水浮式盆栽試驗，提出的耗水量是一個綜合概念，是地表的蒸發(fā)和植物蒸騰的總和，即蒸發(fā)散，就是植物在地表所占的空間內(nèi)總的水分消耗；通過整個干旱期間的連續(xù)測定，由于干旱期間基本沒有降雨，土壤得不到水分補充，土壤水分越來越少，不可能象正常水分供應(yīng)條件下的一次性消耗，土壤水分消退呈冪指數(shù)函數(shù)遞減，所以，比較切合實際情況。在計算耗水量時，以擬合方程為基礎(chǔ)，進(jìn)行冪指數(shù)求解計算出來，實際上是水分消耗的不斷積累，對于以土壤水分平衡為中心的水分消耗來說，更加符合實際情況。目前，植物耗水量的測定主要有植物蒸騰儀、蒸滲儀、樹干莖流儀等方法，但難以代表植被的耗水量。植被耗水量受不同植物、地表覆蓋、土壤等諸多因子的影響，準(zhǔn)確測定植被的實際耗水量很難。本研究采取的室外盆栽試驗，而且在實驗中主要以苗木或幼樹為對象，取得的試驗數(shù)據(jù)偏小，以此計算出的林分密度偏大，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況降低林分密度。隨著林木的生長，林木對水分的消耗增大，而地表覆蓋程度也增大，蒸發(fā)散是增大，還是減小，還需要進(jìn)一步深入研究。

（5）本研究采用同一土壤、同一環(huán)境條件下進(jìn)行測定不同植物的耗水量，是以土壤水分消耗來說明的，主要滿足于不同植物的比較，但不同土壤、立地、微環(huán)境等不同，存在諸多差異，還需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究。

（6）本研究盡管考慮了植被恢復(fù)的空間尺度，但還應(yīng)考慮時間尺度的植被恢復(fù)問題，可根據(jù)植被演替進(jìn)程，調(diào)整改造人工植被建設(shè)的可適度，進(jìn)行“漸進(jìn)式”的植被恢復(fù)，加快干熱河谷植被恢復(fù)的進(jìn)程。（7）本研究立足于自然條件下植被恢復(fù)的生物措施，但干熱河谷植被恢復(fù)是一項生態(tài)治理的系統(tǒng)工程，涉及環(huán)境、經(jīng)濟、社會諸因素，涉及多部門配合、多學(xué)科研究，在制定植被恢復(fù)方案時，必須把生物措施與水土流失治理、荒漠化治理、國土整治等工程措施相結(jié)合，才能有效推進(jìn)干熱河谷生態(tài)建設(shè)，加快植被恢復(fù)進(jìn)程。因此，應(yīng)多方面考慮植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)方案的現(xiàn)實性和操作性，根據(jù)不同區(qū)域的特點，制定可行的技術(shù)路線，開展對恢復(fù)結(jié)果的預(yù)測和評價，在完整的科學(xué)體系下進(jìn)行有序、合理的干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)。

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A discussion on“Moderation”Afforestation in the Process of Vegetation Restoration in the Dry-hot Valley

FEI Shi-min1JIANG Jun-ming1ZHANG Xu-dong2ZHOU Jing-xing3
（1.Sichuan Academy of Forestry，Chengdu 610081；2.Research Institute of Forestry，CAF，Beijing 100091；3.Beijing Forestry University，Beijing 100083）

Abstract：In this paper，on the basis of the“moderate”afforestation technology proposed in the process of vegetation restoration in the dry hot valley，and according to the natural vegetation succession，soil water carrying capacity and site heterogeneity，discussion was made on the“moderation”density of afforestation in stand structure and the“moderation”community allocation of vegetation restoration on the regional landscape scale from the perspective of systematic and quantitative research.The“moderation”afforestation techniques and theories were further illustrated in order to provide reference for research and practice of vegetation restoration in the dry hot valley.

Key words：Dry-hot Valley，Vegetation restoration，“Moderation”afforestation，“Moderation”density of afforestation，“Moderation”community allocation

作者簡介：費世民（1966-），男，博士，研究員，主要從事森林生態(tài)，森林培育研究工作。

基金項目：國家林業(yè)局“四川森林生態(tài)與資源環(huán)境重點實驗室”資助項目。

收稿日期：2015-12-10

doi：10.16779/ j.cnki.1003-5508.2016.01.003

中圖分類號：S728

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5508（2016）01-0013-10