CN106384294A - 一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，步骤为：通过空间代替时间的方法将湖库周边天然森林划分为前期、中期和后期3个演替阶段；依次测定分析不同演替阶段不同树种的功能性状特征及其各树种功能性状随演替过程土壤含水量增加的响应模式，从而筛选出具有最佳水源涵养能力的功能目标物种库。结合植物种的地形生长偏好特性，进一步筛选出适应不同立地条件的树种配置。通过抚育、间伐、林下补植、功能目标树培育管理等步骤，营造出林分结构完整、稳定、健康、高效的湖库水源涵养林；可简易准确的选取适应不同山地环境的适生植物，较常规经营具有功能目标木多、恢复快、生长好、成效高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法。
背景技术
湖库水源涵养林是指河川、水库、湖泊的上游集水区内以涵养水源、改善水文状况、调节区域水分循环、防止或减少河流、湖泊、水库淤塞，以及保护饮用水源为主要目标的防护林，是森林生态系统重要的组成部分。水源涵养林是一种复杂的森林生态系统，具有多种功能和不同效益，它不但有森林普遍具有的生态、经济和社会效益，而且最主要的是它具有涵养保护水源、调洪削峰、防止土壤侵蚀、减少水土流失、净化水质和调节气候等生态服务功能，是生物圈中最活跃的生物地理群落之一。
20世纪中期以来，随着社会经济迅猛发展和人口数量不断增加，以及区域工业化、城镇化进程的快速扩展，对森林生态系统，尤其是水源涵养林生态系统造成很大影响，群落功能不断退化，面积减少，表现出洪涝灾害频发、水土流失严重、水资源短缺等生态环境问题。相关资料表明，目前我国南方沿海山区水源涵养林森林资源树种组成简单、结构单一、森林乔、灌、草层截流效能低下、林分凋落物层截持水效能较弱、林地土壤对水分的调节能力差，间接影响到水资源安全和人类健康。此外，全球变暖、极端干旱气候的频发正在导致湖库水源涵养林和湿地生态系统的多样性丧失，严重制约社会、经济以及湖库沿岸山地生态系统的健康发展。因此，开展湖库地区水源涵养林修复工作显得刻不容缓。
据大量材料检索，CN 101433172A提供了一种低功能水源涵养林的更新改造技术，通过应用层次分析法建立目标层、策略层、措施层、子措施层四个层次结构模型，并构造判断矩阵，经过计算和调整，最终将低功能水源涵养林改造成乔、灌、草层次分明、种类多样、地被物丰厚的混交林。但该技术不能准确地筛选水源涵养功能目标树种，也无法诊断不同森林演替阶段物种的功能性状与环境的适应性，以及植物功能性状与森林土壤含水量的关联性，难以在南方水源涵养林抚育中指导作业生产。CN 10142744A提供了一种采用景观生态来规划水库集水区水源涵养林的空间配置方法，对水源涵养林的水平配置和垂直配置进行优化设计。但该方法未涉及水源涵养林的适生植物，尤其是不同立地类型上优势功能树种对森林土壤含水量的响应特征。CN 105210797A提供了一种在华北山地水源涵养林的造林整地方法，通过林分调查、清理、以等高线水平带整地与鱼鳞坑整地的交替形式，可增大土壤孔隙度，提高土壤入渗性能。但该技术不适宜我国南部山地植被较为丰厚、群落演替发育各异的作业方法，且未涉及水源涵养林改造优势功能植物选择；许洺山等(2015，植物生态学报)研究了群落演替过程中植物功能性状与土壤含水量的关系，揭示植物对水分供给变化的响应策略。但该文尚未涉及不同立地水源涵养优势植物的适生物种、空间结构配置方法，更重要的未为生产应用提出具体的抚育改造方法。因此，通过森林群落时空发展、群落结构和功能变化、植物功能性状对森林土壤含水量的响应特征三个角度研究植物的环境适应性来指示选择经营功能目标树种，来进行低功能水源涵养林的生态修复抚育技术已成为解决上述技术瓶颈问题的当务之急。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法。以提高湖库水源涵养林修复中功能目标木数量、林分结构完整性，减少病虫害，增加生物多样性，并提高生态服务功能。
为了实现上述目的，本发明所采取的措施：
一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，包括以下步骤：
步骤一：采用空间代替时间的方法，将湖库周边山地的森林按发育程度划分为演替前期、演替中期和演替后期3个区域阶段，每个区域阶段设置大于3个的样地；
步骤二：在步骤一所述的每个区域内，根据水源涵养林树木的分布数量、结构和分布面积，选出常见树木，测定其基径、树高、树冠面积、冠长比、叶面积、比叶面积、干物质含量、最大净光合速率、气孔导度和蒸腾速率10项反映植物水分吸收、运输和利用能力的功能性状值，同时测定演替各阶段土壤的年平均含水量；
步骤三：在每个区域中，依次分析各树木水分吸收、运输和利用功能性状值随森林演替过程中土壤含水量增加的变化趋势和响应模式，以植物功能性状特征诊断土壤含水量特征；同时，利用植物功能性状数据库，采用层次分析法计算各树种的水源涵养能力特征值，按照直接排序法，从而确定湖库区具有最优水源涵养能力的物种库组成；
步骤四：综合考虑区域内物种生长特征及其环境适应性，结合各物种的生境偏好，进一步为山坡、沟谷和山脊3个不同立地环境筛选出最适生的水源涵养功能目标种：
步骤五：根据步骤四筛选的各区域水源涵养功能目标种，为不同类型区域配置合适的乔木和灌木植物组合，结合区域演替后期森林的群落建构组合，提出湖库区森林优势植物的种类配比、营造方法、种植密度、抚育和功能目的树的后期管理措施，制定出区域湖库水源涵养林的具体修复技术方案，达到生态修复水源涵养林的目的；
演替前期的灌丛群落高度≤4m，其中可分灌木高度2-4m、草本幼苗层高度＜1m；演替中期和演替后期群落结构完整，垂直结构明显，群落高度划分为乔木层＞8m，亚乔木层4-8m，灌木2-4m，草本幼苗层＜1m；
分别对演替前期、中期和后期3个阶段的区域样地进行群落学调查，每个区域样地的面积为20m×20m，每个演替阶段样地个数大于3个，调查其物种组成和垂直结构分布特征；
分别测定各样地内所有木本植物的基径、树高、树冠面积、冠长比、单叶面积、比叶面积、干物质含量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率功能性状特征；
分别在1年按4个季度测定不同区域内各演替阶段样地土壤表层土和深层土的土壤容重、含水率、饱和含水率、毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管孔隙度、土壤水分物理指标，土壤表层土的深度为0-20cm，深层土的深度为20-40cm；
根据不同区域内树木功能的形态性状和生理性状以及生物学特征指标，综合分析植物功能性状与森林土壤含水量的响应，动态生长对土壤含水量的响应模式，诊断水源涵养林演替过程中植物功能性状对土壤含水量变化的响应特征和敏感性，确定湖库区具有最优水源涵养能力的物种库组成；
采用层次分析法计算各树种的水源涵养能力特征值，按照直接排序法，对初筛物种进一步分类，筛选出山坡、坡谷和山脊三个不同立地的水源涵养功能目标种；
根据步骤五不同区域立地类型，首次抚育后乔木层的胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于1950株，灌木层每公顷密度大于900株，在林冠下补植树种均为选择的功能目标树种2年生实生壮苗，第二次抚育间伐后乔木层胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于1800株，其中功能目的树种大于乔木总株数的80％；灌木层保留每公顷密度大于1200株，留养或补植的功能目的树种大于灌木总数的60％；
结合区域演替后期森林的群落建构组合，以及小区优势植物的种类配置，确定结构调整、种植方法、初植密度、抚育管理措施，最终形成区域水源涵养林生态修复的具体育林经营技术方案，达到整个湖库水源涵养地域生态恢复的目的。
本发明的有益效果：
1、采用简单易测的植物的形态功能性状来代替难以测得的生理性状探究与土壤水分含量，可间接快速地诊断森林土壤含水量寻找适生物种；
2、准确选择不同山地立地类型(坡面、坡谷、山脊)水源涵养林的适生植物营造树种具有蓄水性能强、功能目标木多、生长好、稳定性强；
3、优化了配置物种与环境的相互适应性，经过抚育、间伐和功能目标树培育，形成乔、灌、草层次分明、结构较完整、稳定、高效的复层异龄混交林，更新幼树充沛，解决了水源涵养林森林经营中的盲目性，减少了营林投入，增加生物多样性，提高了生产力和生态服务功能等优点。
具体实施方式
一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，包括以下步骤：
步骤一：采用空间代替时间的方法，将湖库周边山地的森林按发育程度划分为演替前期、演替中期和演替后期3个区域阶段，每个区域阶段设置大于3个的样地；
步骤二：在步骤一所述的每个区域内，根据水源涵养林树木的分布数量、结构和分布面积，选出常见树木，测定其基径、树高、树冠面积、冠长比、叶面积、比叶面积、干物质含量、最大净光合速率、气孔导度和蒸腾速率10项反映植物水分吸收、运输和利用能力的功能性状值，同时测定演替各阶段土壤的年平均含水量；
步骤三：在每个区域中，依次分析各树木水分吸收、运输和利用功能性状值随森林演替过程中土壤含水量增加的变化趋势和响应模式，以植物功能性状特征诊断土壤含水量特征；同时，利用植物功能性状数据库，采用层次分析法计算各树种的水源涵养能力特征值，按照直接排序法，从而确定湖库区具有最优水源涵养能力的物种库组成；
步骤四：综合考虑区域内物种生长特征及其环境适应性，结合各物种的生境偏好，进一步为山坡、沟谷和山脊3个不同立地环境筛选出最适生的水源涵养功能目标种：
步骤五：根据步骤四筛选的各区域水源涵养功能目标种，为不同类型区域配置合适的乔木和灌木植物组合，结合区域演替后期森林的群落建构组合，提出湖库区森林优势植物的种类配比、营造方法、种植密度、抚育和功能目的树的后期管理措施，制定出区域湖库水源涵养林的具体修复技术方案，达到生态抚育、改造、修复水源涵养林的目的。
演替前期的灌丛群落高度≤4m，其中可分灌木高度2-4m、草本幼苗层高度＜1m；演替中期和演替后期群落结构完整，垂直结构明显，群落高度划分为乔木层＞8m，亚乔木层4-8m，灌木2-4m，草本幼苗层＜1m。作为森林演替发育垂直结构评价指标。
分别对演替前期、中期和后期3个阶段的区域样地进行群落学调查，每个区域样地的面积为20m×20m，每个演替阶段样地个数大于3个，调查其物种组成和垂直结构分布特征。作为评价植物功能性状随森林演替的指标。
分别测定各样地内所有木本植物的基径、树高、树冠面积、冠长比、单叶面积、比叶面积、干物质含量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率功能性状特征。作为评价水源涵养林不同演替阶段群落和树种水平功能性状的变化指标。
分别在1年按4个季度测定不同区域内各演替阶段样地土壤表层土和深层土的土壤容重、含水率、饱和含水率、毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管孔隙度、土壤水分物理指标，土壤表层土的深度为0-20cm，深层土的深度为20-40cm。作为土壤含水量随森林演替的响应指标。
根据不同区域内树木功能的形态性状和生理性状以及生物学特征指标，综合分析植物功能性状与森林土壤含水量的响应，动态生长对土壤含水量的响应模式，诊断水源涵养林演替过程中植物功能性状对土壤含水量变化的响应特征和敏感性，确定湖库区具有最优水源涵养能力的物种库组成。
采用层次分析法计算各树种的水源涵养能力特征值，按照直接排序法，对初筛物种进一步分类，筛选出山坡、坡谷和山脊三个不同立地的水源涵养功能目标种。
根据步骤五不同区域立地类型，首次抚育后乔木层的胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于1950株，灌木层每公顷密度大于900株，在林冠下补植树种均为选择的功能目标树种2年生实生壮苗，第二次抚育间伐后乔木层胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于1800株，其中功能目的树种大于乔木总株数的80％；灌木层保留每公顷密度大于1200株，留养或补植的功能目的树种大于灌木总数的60％。
结合区域演替后期森林的群落建构组合，以及小区优势植物的种类配置，确定结构调整、种植方法、初植密度、抚育管理措施，最终形成区域水源涵养林生态修复的具体育林经营技术方案，达到整个湖库水源涵养地域生态恢复的目的。
在每个水库库区建立1个森林演替前期、演替中期和演替后期的3个森林演替阶段。3个系列的地带性植被均为亚热带常绿阔叶林。
进行群落学调查，调查物种组成和垂直结构等，然后根据调查结果，在每个样地内，所有出现的物种随机选取3个植株(不够3株的物种，在样地周边选取)，用测高仪测定植株的树高，用皮尺测定植株的东西方向树冠长度，用胸径尺测定胸径和基径。测定结束后，从树冠四周及顶端共5个方向依次选取生长良好的枝条，用高枝剪剪下，将所有采集枝上的叶片摘下，装入自封袋中，带回实验室用于测定叶片的功能性状。待试样品带回实验室后，于12小时内，从每个自封袋中随机挑选20片成熟、完整叶片，用叶面积扫描仪测量20片叶片的总面积，后用总面积除以叶片数目得到该个体的单叶面积；之后使用精度为0.01g的托盘天平称量上述20片叶片的鲜重；放置烘箱于75℃条件下烘干48小时，取出后称量样品干重，用以得到叶片干物质含量。分别计算出单叶面积、比叶面积、叶片干物质含量，得出植物形态功能性状的数据；
用高枝剪随机剪切以上测定形态性状的植株的林冠外围枝条，放入装有水的水桶中，选择展开充分，长势较好的叶片，利用Li-6400便携式光合作用测定系统(Li-Cor.USA)测量叶片最大净光合速率(Pmax)。测量时，使用红蓝光源叶室测量，每个物种选取3个生长典型且长势一致的植株，每个植株测定3个叶片，每个叶片记录瞬时最大净光合速率10次，将计算的平均值作为该物种的净光合速率值。同时，在测定光合速率时，测量和记录植物叶片的气孔导度和蒸腾速率，得出植物的生理性状的数据，分析植物功能性状随森林演替的变化响应特征；
在9个演替系列样地中，各自采用五点取样法，用环刀采集表层土(0-20cm)、深层土(20-40cm)土壤样品，并编号，称鲜重后装入自封袋带回实验室，采用“环刀一次取样连续测定法”测定土壤容重、含水率、饱和含水率、毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管孔隙度等土壤水分物理性质，分析土壤含水量随森林演替的变化响应特征；
根据上述测出的植物形态功能、生理性状和土壤含水量3类数据，采用物种的群落加权平均值(CWM)表示各群落的功能性状。根据质量比率假说，通过各个物种的重要值来表示物种功能性状对群落功能性状的贡献作为权重值来计算群落水平上的功能性状值；统计过程中，首先用单因素方差分析检验不同演替阶段植物功能性状以及森林土壤含水量的差异性。其次，用Pearson相关分析森林土壤含水量与群落功能性状间的响应关系。再次，采用逐步回归方法建立森林土壤含水量与群落各功能性状的关系模型。最后，进行植物形态功能性状与生理功能性状的相关分析，并建立了森林土壤含水量与植物形态功能性状的关系模型。进行综合评估分析，为不同森林演替阶段的植物寻找适生植物；
在整个湖库水源涵养林山体划分为坡面、坡谷和山脊3个立地类型；
根据植物生长特性和群落演替发育以及对微地形生长的偏好性，再次选择适生物种，挑选大环境下不同立地类型的最佳物种；
根据筛选的各种立地类型中的最佳适生物种是：在坡面上乔木树种为甜槠、栲树、米槠、木荷、苦槠、赤皮青冈、青栲、柯、薯豆；小乔木除上述物种外还有浙江新木姜子、杨桐、豹皮樟等；灌木为窄基红褐柃、微毛柃、乌饭、马银花等。在坡谷上乔木树种为灰柯、红楠、浙江楠、南酸枣、华东楠、栲树、米槠、木荷、柯、苦槠、杜英；小乔木除上述物种外还有披针叶茴香、黄丹木姜子、杨梅、叶蚊母、光叶石楠等；灌木为连蕊茶、细枝柃、山矾、格药柃、白背叶等。在山脊部位乔木树种为木荷、灰柯、小叶青冈、云山青冈、米槠、柯；小乔木除上述物种外还有杨梅叶蚊母树、薄叶山矾、四川山矾、浙江新木姜子、黄牛奶树等；灌木为连蕊茶、马银花、细枝柃、窄基红褐柃、山矾。
结合上述的结论，综合考虑湖库水源涵养林的生态修复方法、种植密度、营造时间、抚育管理等，获取整个浙东山地湖库水源涵养林生态修复营造林方案。
丘陵湖库水源涵养中幼林生态修复抚育改造技术方案如表1。
表1、丘陵湖库水源涵养中幼林抚育改造技术方案
Claims (9)
1.一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，
其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采用空间代替时间的方法，将湖库周边山地的森林按发育程度划分为演替前期、演替中期和演替后期3个区域阶段，每个区域阶段设置大于3个的样地；
步骤二：在步骤一所述的每个区域内，根据水源涵养林树木的分布数量、结构和分布面积，选出常见树木，测定其基径、树高、树冠面积、冠长比、叶面积、比叶面积、干物质含量、最大净光合速率、气孔导度和蒸腾速率10项反映植物水分吸收、运输和利用能力的功能性状值，同时测定演替各阶段土壤的年平均含水量；
步骤三：在每个区域中，依次分析各树木水分吸收、运输和利用功能性状值随森林演替过程中土壤含水量增加的变化趋势和响应模式，以植物功能性状特征诊断土壤含水量特征；同时，利用植物功能性状数据库，采用层次分析法计算各树种的水源涵养能力特征值，按照直接排序法，从而确定湖库区具有最优水源涵养能力的物种库组成；
步骤四：综合考虑区域内物种生长特征及其环境适应性，结合各物种的生境偏好，进一步为山坡、沟谷和山脊3个不同立地环境筛选出最适生的水源涵养功能目标种：
步骤五：根据步骤四筛选的各区域水源涵养功能目标种，为不同类型区域配置合适的乔木和灌木植物组合，结合区域演替后期森林的群落建构组合，提出湖库区森林优势植物的种类配比、营造方法、种植密度、抚育和功能目的树的后期管理措施，制定出区域湖库水源涵养林的具体修复技术方案，达到生态修复水源涵养林的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：演替前期的灌丛群落高度≤4m，其中可分灌木高度2-4m、草本幼苗层高度＜1m；演替中期和演替后期群落结构完整，垂直结构明显，群落高度划分为乔木层＞8m，亚乔木层4-8m，灌木2-4m，草本幼苗层＜1m。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：分别对演替前期、中期和后期3个阶段的区域样地进行群落学调查，每个区域样地的面积为20m×20m，每个演替阶段样地个数大于3个，调查其物种组成和垂直结构分布特征。
4.根据权利要求3所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：分别测定各样地内所有木本植物的基径、树高、树冠面积、冠长比、单叶面积、比叶面积、干物质含量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率功能性状特征。
5.根据权利要求4所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：分别在1年按4个季度测定不同区域内各演替阶段样地土壤表层土和深层土的土壤容重、含水率、饱和含水率、毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管孔隙度、土壤水分物理指标，土壤表层土的深度为0-20cm，深层土的深度为20-40cm。
6.根据权利要求5所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：根据不同区域内树木功能的形态性状和生理性状以及生物学特征指标，综合分析植物功能性状与森林土壤含水量的响应，动态生长对土壤含水量的响应模式，诊断水源涵养林演替过程中植物功能性状对土壤含水量变化的响应特征和敏感性，确定湖库区具有最优水源涵养能力的物种库组成。
7.根据权利要求6所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：采用层次分析法计算各树种的水源涵养能力特征值，按照直接排序法，对初筛物种进一步分类，筛选出山坡、坡谷和山脊三个不同立地的水源涵养功能目标种。
8.根据权利要求7所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：根据步骤五不同区域立地类型，首次抚育后乔木层的胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于1950株，灌木层每公顷密度大于900株，在林冠下补植树种均为选择的功能目标树种2年生实生壮苗，第二次抚育间伐后乔木层胸径大于5cm的乔木植物每公顷密度大于1800株，其中功能目的树种大于乔木总株数的80％；灌木层保留每公顷密度大于1200株，留养或补植的功能目的树种大于灌木总数的60％。
9.根据权利要求8所述的一种基于树木功能性状抚育改造低效湖库水源涵养林的方法，其特征在于：结合区域演替后期森林的群落建构组合，以及小区优势植物的种类配置，确定结构调整、种植方法、初植密度、抚育管理措施，最终形成区域水源涵养林生态修复的具体育林经营技术方案，达到整个湖库水源涵养地域生态恢复的目的。
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