CN106171815B - 基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，首先将海岸防风林划分为击风区和阻风区两个防风区，再依次分析不同离岸距离上优势防风物种的功能性状和群落风速削减系数，通过对植物防风功能性状与群落风速削减系数的回归分析，诊断植物的防风效能，从而筛选具有防风能力的功能目标物种库，最后结合植物的生长偏好特性，进一步筛选出适应不同立地条件的防风功能目标树。通过改造、择伐、林下补植、抚育、功能目标树培育管理等步骤，最终营造出林分结构完整、稳定、健康高效的防风林。本发明可简易准确地选取不同山地环境的适生植物，减少森林经营的盲目性和营林投入，具有防风功能目标树多、生长好、恢复快、成效高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种山地森林生态修复方法，特别是基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法。
背景技术
我国大陆海岸线长达1.834万㎞，海岸带面积31亿hm-2，占全国土地总面积的3.2％。海岸带地区经济发达，城市化水平高，人口密度大，是带动我国经济社会快速发展的“火车头”。同时，该区又是自然灾害多发的区域，常面临台风、盐胁迫和风暴潮等威胁。世界著名的风工程专家A·GD ayenport依据联合国的统计分析指出：约50％以上的自然灾害与风相关。尤其在我国东南沿海地区，常年受到海洋性季风影响，夏秋季多遭受台风袭击，会给沿海地区带来经济损失、生态环境破坏等严重后果。海岸防风林是防护林体系中的重要组成部分，不仅具有防风固沙、保持水土、涵养水源、过滤海盐的功能，还可以降低风速、抑制风害、美化人居环境，对于维护沿海地区生态安全、人民生命财产安全和工农业生产安全具有重要意义。
海岸山地防风林是指岩质海岸第一道山脊的临海一面坡的防风林。从平面分布上它位于海岸消浪林和泥质海岸基干林带之后的防护林，在垂直高度来说是第一道迎风面的防护林。山地防风林具有分布面积广、立地环境多样、生物多样高、生产潜力大、滞风削风效果好等特点，它是防护林体系中的防风主力军，也是万里海疆的绿色环境“过滤器”。
据大量文献检索，目前海岸防风林的研究主要集中在防风林的树种筛选(李信贤，2001；李成等，2002)、林分更新与改造(许景伟等，2003a；徐俊森，2005)、生物量和生产力(徐叨心等，2004；许景伟等，2005；陈胜，2007)、物种多样性(许景伟等，2004)、生态环境效应(梁珍海等，1994；谢平等，2001a；张金池等，2001)、土壤理化性质(张瑜斌等，2001)和林业经营管理等方面，但关于浙江海岸防风林地带性阔叶种群结构优化配制尚未涉及，尤其是以树木功能性状筛选适生抗性物种和指示优化结构的防风中幼林抚育改造技术仍为空缺。从大量海岸防护林中调查得知，现存防风林树种组成单一、结构简单、病虫害多、生产力低下、森林防护效能弱。生态环境虽经多年治理，但随气候变暖和能源、石化工业等工程建设的环境干扰，其恶化趋势至今尚未得到根本扭转。海岸防风林的生态环境脆弱，营造林困难，投资大，经营管理复杂，已成为海岸防风林经营的一个难点。因此，开展海岸防风林生态修复工作显得刻不容缓。
森林防风生态服务功能的发挥主要是通过影响地表粗糙程度和森林的群落结构特征而起到防风的效果(陈波，2008)。即当气流运动经过林地时，气流被植物枝叶阻挡，它们之间产生的阻力使气流被摩擦、碰撞、分散，从而使气流方向改变、风的动能被削弱(Torita&Satou，2007；贺芳芳，2007)。对于人造防风林的研究发现，林带越高，径粗根深，树冠高大，则林带的防风距离越大，影响风的削弱范围就越广；但宽而紧密的林带，其防风效果却很低，但提高林冠的疏透度，可在一定程度上增加森林防风效能(李恭学等，2012)。由此可知，森林群落的结构特征已表现出在指示森林防风生态服务功能上的意义。因此，林木功能性状可简便诊断森林防风功能，在实践中可以借助功能性状能够反映林木的抗环境胁迫特性，筛选适生抗性物种和指示优化结构，评价群落结构和生态系统特征，已逐渐发展成为一个崭新的理论和方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，以提高防护林中功能树种数量、生长速率、恢复过程，减少病虫害，并增加生物多样性。
为了实现上述目的，本发明所设计的基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，包括以下步骤：
步骤一，根据海岸山地防风林生态系统具有的典型性、脆弱性和多变性及广泛的生物多样性特征，结合山地的南北走向将海岸山地首先划分为击风区和阻风区两个区域，然后在阻风区中再依次划分坡面、坡谷和山脊三个立地小区域；
步骤二，在步骤一所述的不同立地小区域内，同时测量林外和林内的日平均风速，计算不同离岸距离上的风速削减系数，定量评估各小区植物的抗风能力。
步骤三，根据各立地小区域内不同防风植物的分布数量与生长状况，筛选出潜在优势防风植物，然后测定各立地小区域上潜在优势防风植物的基径、树高、叶片大小、叶干物质含量、比叶面积、叶稠密度、叶片厚度、叶柄长度、干材密度、冠长比和冠径比11项因子来作为植物功能性状评价指标；
步骤四，在上述步骤三中筛选出的不同立地小区域的潜在优势防风植物中，依次分析小区域潜在优势防风植物构型形态特征和生理特征与群落风速削减系数的相关性，明确不同离岸距离上植物功能性状对防风效能的响应模式，诊断植物的防风效能；
步骤五，综合考虑小区域中的潜在优势防风植物，以植物的树高、比叶面积、叶片干物质含量、冠长比及叶稠密度作为主导功能特征来综合评判植物抗风能力，接着利用逐步回归统计建立风速削减系数与群落功能性状的耦合模型，从而筛选具有防风能力的功能目标物种库；
步骤六，结合植物分布规律和生长偏好特征，采用层次分析法计算各树种的防风能力特征值，按照直接排序法来初步筛选抗风物种，最后根据植物生长偏好特性，筛选出坡面、坡谷和山脊三个不同立地环境下的防风功能目标树；
步骤七，根据步骤六筛选的各小区域防风功能目标树，为不同类型小区配置合适的乔木和灌木植物组成，提出抚育、间伐、补植功能目标树和后期功能目标树的培育管理，最终形成海岸防风林，达到整个海岸山地防风地域生态恢复的目的。
其中步骤一所述的击风区的年平均风速大于3.6m/s，阻风区的年平均风速小于3.5m/s。
在步骤一所述的击风区上地段设置风障植物，对主风向处设置V型尖角和斜面种植设计。采用尖角状密植硬木类植物以对正面逆对强风；以斜面林带改变风向、化解风力，减少风口地段强风对防风林正面冲击破坏，人工营造尖角小于90°或菱形状结构。
在步骤三中分别对20m×20m样方内树高大于1m的所有木本植物进行每木调查，记录物种名称和多度，测量植株基径、胸径、树高、枝下高、叶下高和冠幅构型性状，同时调查立地的经纬度、海拔、坡向、坡度、土壤类型作为生物特征评价指标；
在步骤四中分别测定各样地内所有木本植物叶片厚度、叶柄长度、叶柄直径、叶片大小、叶片质量、末梢枝干重和叶片数、干材密度功能性状特征，作为评价森林防风效能与功能性状的变化指标。分别测定与分析随海岸距离自然防风带上海拔、坡向、坡度、平均风速、风速削减系数、植株密度、郁闭度、丰富度，作为评价植物功能性状与防风效能的特征指标。
对于步骤七中所述的首次透光伐抚育后乔木层胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于2575株；灌木层每公顷密度大于2000株；其中防风功能目标树的树种密度在乔木层和灌木层中分别占总株数的80％以上，提高防风效能。
本发明得到的基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，与现有经营技术相比，本发明具有如下优点：
1)采用简单易测的植物形态和生理功能性状，可间接快速地诊断海岸防风植物，寻找适生物种；
2)能准确选择不同立地类型(坡面、坡谷和山脊)防风适生植物，营造林分具有抗风性能强、功能目标树多、生长好、稳定性强；
3)有效解决了山地防风林的营林技术，杜绝和减少防风林经营技术的盲目性和无谓的营林投入，增加了生物多样性，提高了林木生产力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例：
本实施例提供的基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，实施地点位于浙江省宁波市鄞州区盘山林区(290°46′N，121°48′E)，海拔400m，地带性土壤为红壤。该区地处亚热带中部东端，受海洋性季风气候影响，温暖湿润，年均气温16.2℃，最冷1月平均温度4.1℃，年均降水量1386mm，年相对湿度82％。每年7－10月平均遭受2－3个热带风暴侵害。
盘山林区在历史上一直是当地居民伐木取薪之地，森林基本砍伐殆尽，植被退化为荒山和次生灌丛。1958年林场接管后，对荒山进行了改造，大面积种植了黑松、金钱松、柳杉、杉木、马尾松和日本扁柏等人工林。经过近50多年的抚管，绝大部分人工林发育为中、近成熟林。近10年间，该类林分曾遭受大规模的台风和冰冻雨雪灾害，很多大径级柳杉发生了倒伏或折断，林分结构和功能几乎崩溃。
在宁波市鄞州、北仑和象山沿海山地选择成熟的常绿阔叶林，根据海岸山地防风林生态系统具有的典型性、脆弱性和多变性及广泛的生物多样性特征，结合山地的南北走向将海岸山地首先划分为击风区和阻风区两个区域，然后在阻风区中再依次划分坡面、坡谷和山脊三个立地小区域；在击风区上地段设置风障植物，对主风向处设置V型尖角和斜面种植设计。采用尖角状密植硬木类植物以对正面逆对强风；以斜面林带改变风向、化解风力，减少风口地段强风对防风林正面冲击破坏，人工营造尖角小于90°或菱形状结构。
接着进行群落学调查统计群落种类的数量、基径、树高、冠幅，分析其重要值、冠长比、冠径比。再对每个种类选取典型、健康的植株3—8株，每株从树冠四周方向依次选取生长旺盛的健康枝条，用高枝剪将其剪下，选用完好的叶片装入自封袋中，带回实验室。用精度0.01mm的游标卡尺测定叶片厚度、叶柄长度、叶柄直径，同时，选取带有叶片的末梢枝(根据芽鳞痕确定末梢枝)，将叶片摘下，记录叶片数量；将无叶片的末梢枝条于75℃条件下烘干48小时后称其干重，得出叶稠密度。并对以上取样个体，截取一定断面积的树干，进行树干密度测量。使用L1—3050C型叶面积仪对另一部分叶片测定叶面积，然后将叶片置于80℃的烘箱中48h，烘干至恒重后测定干质量，计标出干物质含量(％)，最后利用单位干质量的叶面积反映比叶面积(mm2·mg-1)。枝密度和树干密度利用排水法测定，每份样品测定3次。在体积测量后，将供试样品置于烘箱中烘干72h，恒量后测定干质量，标计每个树枝和树干的密度(g·ml-1)，得出林木功能性状测定的数据。
利用功能性状群落权重均值来表示物种性状对群落功能性状值的贡献，计算公式如下：
其中Traitagg是功能性状群落权重均值，用以表示群落水平上的功能性状值；Pi是物种i的重要值，n是群落内物种的个数，Traiti是物种i的功能性状值。
在防风林样地上，分别采用2台NK4500型风速计在同一时间测定样地内和样地外旷地的风速。测定中，将风速仪放置于1.5m高度的支架上，测定时间为10min。测定风速数值，并以样地内和样地外旷地对照点的风速值之差与样地外旷地对照点的风速值得比值，即风速削减系数，作为森林防风生态服务功能的指标。公式如下：
Ca＝(VCK－VOB)/VCK×100％
式中，Ca—风速削减系数，Ca值越大，表征防风效能越好；VCK—林外旷地对照点的平均风速(m/s)；VOB—林内观测点的平均风速(m/s)。
采用已建立宁波区域常绿植物抗风功能性数据库，以选择植物的树高(H)、比叶面积(SIA)、叶片干物质含量(LDMC)、冠长比(CL/H)、叶稠密度(LI)作为抗风效能评价指标。利用逐步回归统计建立风速削减系数与群落功能性状的耦合模型，从而筛选出具有防风能力的功能目标物种库。回归方程为：
Y＝0.987+0.037H+0.001SIA-0.008LDMC-0.118CL/H-0.002LI，(R2＝0.99，P＜0.001)。式中Y为群落风速削减系数。
然后，利用层次分析法计算出各物种抗风性能的相对能力值(IE值)，并根据其值出现的频度，排出IE值频度加和值≥80％的物种，从而初步筛选出抗风物种。其中苗木来源小部分是林内存留的健康幼苗、幼树；另一部分选用当地采种、繁育的2年生实生壮苗。种植前以条状垦穴整地，垦穴规格长×宽×深为0.5m×0.5m×0.35m，表土回填穴底下部，随机混交种植。
在抗风物种中，根据植物的生长偏好特性，再次筛选出适应不同立地条件的防风功能目标树：
其中坡面立地上乔木为台湾蚊母树、小叶青冈、青栲、木荷、青冈、雷公鹅耳栎、白栎、朴树、柯；灌木为滨柃、檵木、铁冬青等。
坡谷立地上乔木为红楠、赤皮青冈、普陀樟、舟山新木姜子、樟树、枫香、黄连木、糙叶树、小果冬青；灌木为化香、光叶石楠、铁冬青等。
山脊立地上乔木为云山青冈、小叶青冈、青冈、木荷；灌木为赤楠、乌饭、檵木等。
在2006年3月，清除风害受损地上的风倒、折断木，清理杂灌保留实生更新的红楠、赤皮青冈、青冈、檫木等地带性阔叶优势幼苗、幼树。之后，依据上述筛选的防风功能目标树，分别依据立地类型，按8:1:0.5:0.5的比例在坡面上种植青栲、红楠、木荷、赤皮青冈、初植密度每公顷5000株；按4:3:2:1的比例在坡谷上种植红楠、青栲、木荷、小果冬青；初植密度每公顷5000株。
造林后连续3年，在每年6月和9月分别除草抚育1次。5年后林分逐渐郁闭，进入林分建群生长阶段。
造林后8年，在11—12月对林分进行1次透光伐，伐取林内贬值物种、生长势弱的幼树，采伐强度≤10％，并清除杂灌，培育实生更新幼苗，抚育后林分乔木层和灌木层的防风功能目标树的数量占总株数的80％以上，使林分朝着复层、混交、稳定的结构发展。
根据以上内容，最终形成海岸山地防风林树种配置与营林技术方法，其中浙东海岸山地防风林植配与营林技术方法见表1；海岸山地防风林改造10年后的生长效果见表2。
本发明的优点在于采用简单易测的植物形态和生理功能性状，可间接快速地诊断海岸防风植物，合理寻找适生的优良抗风物种，通过对不同风害区域的种植布局、营造和抚育管理技术措施，使海岸防风林林木生长明显提高，抗风群落结构快速形成，同时防风功能目标树的数量多，林分蓄积量较大，病虫害危害少，显示出良好的生长优势和防护效能，可在生产上推广应用。
表1丘陵山地海岸防风林中幼林抚育改造技术方法
表2浙东海岸山地不同立地防风林改造10年后的生长效果(D≥5cm)
Claims (5)
1.一种基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，首先将海岸山地防风林划分为击风区和阻风区两个区域，然后在阻风区中再依次划分坡面、坡谷和山脊三个立地小区域；
步骤二，在步骤一所述的不同立地小区域内，同时测量林外和林内的日平均风速，计算不同离岸距离上的风速削减系数；
步骤三，根据各立地小区域内不同防风植物的分布数量与生长状况，筛选出潜在优势防风植物，然后测定各立地小区域上潜在优势防风植物的基径、树高、叶片大小、叶干物质含量、比叶面积、叶稠密度、叶片厚度、叶柄长度、干材密度、冠长比和冠径比11项因子来作为植物功能性状评价指标；
步骤四，在上述步骤三中筛选出的不同立地小区域的潜在优势防风植物中，依次分析不同小区域上潜在优势防风植物形态构型特征和生理特征与群落风速削减系数的相关性，诊断植物的防风效能；
步骤五，综合考虑小区域中的潜在优势防风植物，以植物的树高、比叶面积、叶片干物质含量、冠长比及叶稠密度作为主导功能特征来综合评判植物抗风能力，接着利用逐步回归统计建立风速削减系数与群落功能性状的耦合模型，从而筛选具有防风能力的功能目标物种库；
步骤六，结合植物分布规律和生长偏好特征，采用层次分析法计算各树种的防风能力特征值，按照直接排序法来初步筛选抗风物种，最后根据植物生长偏好特性，筛选出坡面、坡谷和山脊三个不同立地环境下的防风功能目标树；
步骤七，根据步骤六筛选的各小区域防风功能目标树，为不同类型小区配置合适的乔木和灌木植物组成，提出抚育、间伐、补植功能目标树和后期功能目标树的培育管理，最终形成海岸防风林；
其中：以选择植物的树高(H)、比叶面积( SIA )、叶片干物质含量( LDMC )、冠长比(CL/H )、叶稠密度( LI )作为抗风效能评价指标；利用逐步回归统计建立风速削减系数与群落功能性状的耦合模型，从而筛选出具有防风能力的功能目标物种库；回归方程为：
Y＝0 .987+0 .037H+0 .001SIA-0 .008LDMC-0 .118CL/H-0 .002LI，( R2＝0 .99，P＜0 .001 )；式中Y为群落风速削减系数。
2.根据权利要求1所述的基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，其特征在于：步骤一所述的击风区的年平均风速大于3.6m/s，阻风区的年平均风速小于3.5m/s。
3.根据权利要求1或2所述的基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，其特征在于：在步骤一所述的击风区上地段设置风障植物，对主风向处设置V型尖角和斜面种植设计。
4.根据权利要求1所述的基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，其特征在于：在步骤三中分别对20m×20m样方内树高大于1m的所有木本植物进行每木调查，记录物种名称和多度，测量植株基径、胸径、树高、枝下高、叶下高和冠幅构型性状，同时调查立地的经纬度、海拔、坡向、坡度、土壤类型作为生物特征评价指标；
在步骤四中分别测定各样地内所有木本植物叶片厚度、叶柄长度、叶柄直径、叶片大小、叶片质量、末梢枝干重和叶片数、干材密度功能性状特征，作为评价森林防风效能与功能性状的变化指标；分别测定与分析随海岸距离自然防风带上海拔、坡向、坡度、平均风速、风速削减系数、植株密度、郁闭度、丰富度，作为评价植物功能性状与防风效能的特征指标。
5.根据权利要求1所述的基于树木功能性状改造浙东海岸低效防风林的方法，其特征在于：对于步骤七中首次透光伐抚育后乔木层胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于2575株；灌木层每公顷密度大于2000株；其中防风功能目标树的树种密度在乔木层和灌木层中分别占总株数的80%以上。
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