CN106570596A - 一种低效水源涵养林的群落优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低效水源涵养林的群落优化方法，其包括：调查乡土植物群落，确定乡土植物群落的当前和历史分布；评价植物群落，筛选出多种利于提升水源涵养功能的引种补植物种；配置景观，根据上述所筛选出的引种补植物种，对低效水源涵养林的景观配置两种或两种以上的不同树龄的树种，以增加植物群落在水平空间上的异质性程度；经营低效水源涵养林，根据低效水源涵养林的群落的主要特点和退化原因，对低效水源涵养林进行经营。本发明提高生态系统水源涵养功能，同时兼顾生物多样性保护、土壤保持等耦合功能，促进生态系统健康、稳定、长期发展。
Description
技术领域
本发明属于生态恢复技术领域，涉及一种低效水源涵养林的群落优化方法。
背景技术
随着社会经济发展和人口压力增加，我国面临着越来越严重的生态系统退化的威胁。自上世纪50年代以来，我国开展了一系列生态恢复工程，如“三北”防护林建设、京津风沙源治理工程、退耕还林工程等。但是，部分林分存在树种单一、结构脆弱、生境不适等问题，导致出现“小老树”、“林下荒漠”、森林死亡等现象，致使森林正常的生态服务功能没有得到充分发挥或自身退化而无法发挥，形成所谓的低效林。在水源涵养功能区，水源涵养功能退化或不足的林地形成低效水源涵养林。低效水源涵养林的出现严重影响了生态系统水源涵养功能的实现，不利于生物多样性保护，导致土壤的大面积流失，生态系统遭到严重破坏，同时也不利于促进水源涵养林群落的健康、稳定、长期发展，无法实现生态结构、生态功能、生态效益的综合提升。
为了提高水源涵养林的生态功能和生态效益，针对不同的植被群落，需要采取一系列森林经营和生态修复技术，对低效水源涵养林进行改造。
发明内容
鉴于部分水源涵养林存在上述问题，本发明提供一种低效水源涵养林的群落优化方法，本发明采用因地制宜、兼顾林地的改造和保护，生态效益为主经济效益为辅、长期效益结合短期效益，乡土物种为主，同时优选外来物种的手段，实现水源涵养林结构的多层化、多样化，改善生态系统结构，从而提高林地的水源涵养能力。
本发明的另一目的是通过优化低效水源涵养林群落结构，增加植物群落在垂直和平面空间结构的复杂度，达到提高林地的水源涵养能力的目的。
本发明的又一目地是通过改变土壤动物群落改良森林下垫面的物理、化学结构，达到提高林地的水源涵养能力的目的。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明的低效水源涵养林的群落优化方法利用低效水源涵养林原有植物群落的复合结构特点，综合当地气候、地形、土壤等自然地理条件，筛选适宜的乡土物种和优质外来引种，对低效水源涵养林林因地制宜地采取改造技术，增加生态系统的水源涵养功能，同时兼顾生物多样性保护、土壤保持等耦合功能，促进群落的健康、稳定、长期发展，从而实现生态结构、生态功能、生态效益的综合提升。
本发明的低效水源涵养林的群落优化方法，其包括：
调查乡土植物群落，确定乡土植物群落的当前和历史分布；
评价植物群落，筛选出利于提升水源涵养功能的引种补植物种；
配置景观，根据上述所筛选出的引种补植物种，对低效水源涵养林的景观配置两种或两种以上的不同树龄的树种，以增加植物群落在水平空间上的异质性程度；
经营低效水源涵养林，根据低效水源涵养林的群落的主要特点和退化原因，对低效水源涵养林进行经营。
进一步地，所述调查乡土植物群落的步骤中，在植被资料丰富的区域，开展实地调查确定乡土植物群落的当前分布，采用二次资源调查中的小班数据，结合文献资料，确定乡土植物群落的历史分布。
进一步地，所述调查乡土植物群落的步骤中，在植被资料缺乏的区域，通过对遥感卫片进行监督分类和实地调查进行对比校正，确定乡土植物群落的当前分布；通过对过去的遥感卫片进行监督分类，结合现代残林和种子库信息，确定乡土植物群落的历史分布。
进一步地，所述评价植物群落，筛选出利于提升水源涵养功能的引种补植物种的步骤包括，根据所述乡土植物群落的历史分布和当前分布，初步筛选生态修复中需要引种补植的物种；
对所述引种补植的物种进行群落生态学调查，获取群落生态学调查参数；
根据所述群落生态学调查参数，采用主成分分析法和层次分析法对乡土植物群落进行综合评价，筛选出利于提升水源涵养功能的引种补植物种。
进一步地，所述群落生态学调查包括调查植物的群落结构参数、水源涵养参数、土壤保持参数以及固碳释氧参数。
进一步地，所述配置景观的步骤中，采取斑块状、交错状、棋盘状、带状两种或两种以上组合的分布方式，各景观单元之间设置生态廊道，保证动植物在生境上的连通性。
进一步地，所述经营低效水源涵养林的步骤包括，
根据所述景观配置的结果和所筛选出的引种补植物种，对低效水源涵养林进行补植改造；
调查低效水源涵养林所在地植物群落的演替阶段，对处于更新中的幼龄林进行抚育处理；对处于建群阶段的低效水源涵养林，或者立地坡度较大和不易更新的低效水源涵养林采取封育措施；对恒续阶段的低效水源涵养林进行采伐、修枝的经营措施。
进一步地，所述经营低效水源涵养林的步骤还包括，翻耕低效水源涵养林，并在翻耕土壤层中拌入富含土壤动物的土壤基质，引入土壤动物。
进一步地，所述经营低效水源涵养林的步骤还包括，在鸟类、小型哺乳动物的栖息地的低效水源涵养林进行经营时，采伐作业应保留1/3的枯木、自然死亡的腐树；在干旱区的林间低洼处，开辟饮水区，为其栖息繁育提供生境。
进一步地，所述低效水源涵养林进行补植改造的步骤中，所述低效水源涵养林的郁闭度低于0.4且发育良好的低效水源涵养林可直接进行补植；郁闭度高于0.7的低效水源涵养林先进行间伐处理，使郁闭度低于0.6以下再进行补植；补植后的郁闭度应高于0.6。
进一步地，对所述低效水源涵养林进行补植改造前，伐除所述低效水源涵养林中的应死木、病木、折木等不良树木，进行局部整地，在林窗或林冠下进行补植。
进一步地，对于干旱区域的幼龄林，在树木根系四周填埋保水剂，提高土壤的保水能力。
进一步地，对于洪涝区域的幼龄林地，在土层开沟，沟内铺设防水膜，促进排涝。
进一步地，对于土壤贫瘠区域的幼龄林地，施用化肥或腐熟的绿肥。
进一步地，所述封育措施包括划定封育区域边界，杜绝采伐、修枝、垦荒、畜牧等人为干扰活动，加强森林火灾预防工作，封育措施的期限通常为5-10年。
进一步地，对恒续阶段的低效水源涵养林采取经营措施时，所述低效水源涵养林的林分郁闭度应不低于0.7，经营后的林分密度不低于0.6。
进一步地，对于林分结构单一的所述低效水源涵养林，在引种补植前，对林地进行间伐处理，伐去林地中的死、病、伤树，间伐后郁闭度应不小于0.6。在引种物种中选取适生耐阴灌木，在林窗或冠层下透光处补植，密度低于乔木密度的1/2。
进一步地，对于所述低效水源涵养的干旱区域人工灌木林或种植密度过大的人工灌木林，采取带状割灌法，每隔一段距离，清理出带状区域，仅保留该区域内的母树、幼树、幼苗和草本层。
进一步地，对于原生生态系统为草原的灌木林，分两次或两次以上对灌木林进行带状割灌，每次割灌间隔1-2年，每次割灌仅保留灌层下草本层。
通过上述技术方案，本发明能够达到以下技术效果：
本发明的低效水源涵养林的群落优化方法，选取乡土植物品种，恢复乡土群落，契合近自然生态恢复理论，遵循生态系统自然发展规律，使人为干扰对系统的破坏风险降低到最小程度；从动植物群落复合体出发，全面提高生态系统的结构、功能、效益，运用恢复生态学与森林经营技术，强调修复过程中生态系统服务功能的综合提升；本发明的低效水源涵养林的群落优化方法可大幅度地降低生态修复费用，改善生态环境。
附图说明
图1为本发明低效水源涵养林的优化方法的植物群路筛选示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的低效水源涵养林的群落的优化方法包括：
调查乡土植物群落。在植被资料丰富的区域开展实地调查，在研究区域随机选取50个样地进行采样，确定本区域乡土植物群落的当前分布；对于植被资料丰富的区域，采用该区域近三十年二次资源调查中的小班数据，结合文献资料，确定本区域乡土植物群落的历史分布。
对于植被资料缺乏的区域，在ENVI(The Environment for Visualizing Images)平台上对该区域当前的遥感卫片进行监督分类，并开展实地调查，在研究区域随机选取50个样地进行采样，获取其地理位置信息并与监督分类数据进行对比校正，确定本区域乡土植物群落的当前分布。对上世纪八十年代的遥感卫片进行监督分类，结合现代残林和种子库信息，补足历史图中已完全退化或人为改造的植物群落信息，在此基础上确定植被资料缺乏区域的乡土植物群落的历史分布。
评价与筛选植物群落。根据上述乡土植物群落的当前分布图和历史分布图，初步筛选生态修复中需要引种补植的物种。
在另一实施例中可选用适宜当地气候与生境的外来植物物种。
对选用的乡土植物物种和外来植物物种进行群落生态学调查。如图1所示，群落生态学调查包括调查植物的群落结构参数、水源涵养参数、土壤保持参数以及固碳释氧参数，其中植物的群落结构参数包括净初级生产力(NPP)、生物多样性、生态系统活力；水源涵养参数包括径流系数、林冠截留率、枯落物有效持水量和土壤有效蓄水量；土壤保持参数包括土壤侵蚀模数、土壤肥力；固碳释氧系数包括固碳量和释氧量。
以下描述为群落生态学调查的各种参数的获取方法，其中，为获取净初级生产力参数，对低效水源涵养林区域特定植物群落，选取三个30m×30m的代表样地，进行生物量调查。测量样地内乔本植物的胸径和高度，利用单木乔木模型计算其生物量；在样地内随机选取3-5个灌木、草本和苔藓样方，全部收集其地上生物体，采用烘干称量法测定灌木层、草本层和苔藓层的生物量。利用所调查的该区域乔木层、灌木层、草本层和苔藓层的生物量数据并结合净初级生产力经验模型，获得林地各分层的净初级生产力，将低效水源涵养林中乔木层、灌木层、草本层和苔藓层中一层或多层的净初级生产力求和即获得该低效水源涵养林的净初级生产力。
将低效水源涵养林中乔木层、灌木层、草本层和苔藓层中一层或多层的净初级生产力无量纲化后计算加权平均值，即为生态系统活力参数。
利用Patrick指数、香农－威纳指数(Shannon－Wiener Index)、香农－威纳均匀度指数、Simpson指数分别计算低效水源涵养林区域的物种数、物种多样性、群落均匀度、优势度，并将四类指数无量纲化后求加权平均值，即获得生物多样性参数。
获取径流系数：α＝R/P，其中，α为径流系数(％)，R为地表径流量(mm)，P为降雨量(mm)。
获取林冠截留率：β＝I/P，其中，β为冠层截留率(％)，I为林冠截留量量(mm)，P为降雨量(mm)。
获取枯落物有效持水量：Wi＝(0.85Rm-Ro)×Li，式中：Wi为有效拦蓄量(t/hm2)；Rm为最大持水率(％)；R0为平均自然含水率(％)；Li为枯落物累积量(t/hm2)。
获取土壤有效蓄水量：土壤有效蓄水量(t/hm2)＝1.0g/cm3×10000m2×非毛管孔隙度(％)×土壤深度(m)。
获取土壤侵蚀模数：在生长季开始前，在每块样地布设100根标尺，记录标尺度数，第二年再次记录，计算土壤的平均侵蚀厚度。土壤侵蚀模数计算公式：式中，DS为输沙模数(kg·a-1·m-2)，H为平均侵蚀厚度(mm)，ρ为土壤密度(kg/m3)，T年为1a。
获取土壤肥力：测定土壤中有机质、总氮、总磷、总钾含量，四者无量纲化后取加权平均值。
获取固碳量：G植被固碳＝1.63R碳AB年，G植被固碳为植被年固碳量(t/a)，R碳为CO2中碳的含量(27.27％)，A为林分面积(hm2)，B年为林分单位净生产力(t/hm2·a)。
获取释氧量：G氧气＝1.19AB年，G氧气为林分年释氧量(t/a)，A为林分面积(hm2)，B年为林分单位净生产力(t/hm2·a)。
根据所获取的群落生态学调查参数，采用主成分分析法和层次分析法对乡土植物群落进行综合评价，筛选出多种利于提升以水源涵养功能的引种补植物种。
配置景观
根据上述所筛选出的引种补植物种，对低效水源涵养林的景观进行配置，至少配置两种或两种以上的不同树龄的树种，采取斑块状、交错状、棋盘状、带状两种或两种以上组合的分布方式，以增加植物群落在水平空间上的异质性程度，保证林地结构的稳定和生态功能的优化。
对于多种植被类型的低效水源涵养林所在区域，景观配置优选多种分布方式组合的分布方式进行布局。
各景观单元之间设置生态廊道，保证动植物在生境上的连通性。
低效水源涵养林的经营
根据低效水源涵养林的主要特点和退化原因，对低效水源涵养林进行经营。在本发明的一个实施例中，根据上述景观配置的结果和所筛选出的引种补植物种，对低效水源涵养林进行补植改造，低效水源涵养林的郁闭度低于0.4且发育良好的低效水源涵养林可直接进行补植；郁闭度高于0.7的低效水源涵养林先进行间伐处理，使郁闭度低于0.6以下再进行补植。补植后的郁闭度应高于0.6。伴随林分的演替过程，间伐和补植可分2-3次进行，使人为干扰尽量处于适当程度内。
本发明中混交补植时优先选取耐阴物种，以提高补植物种的成活率。
在另一实施例中，对低效水源涵养林进行补植改造前，伐除低效水源涵养林中的应死木、病木、折木等不良树木，进行局部整地，在林窗或林冠下进行补植，
调查低效水源涵养林所在地植物群落的演替阶段，对处于更新中的幼龄林进行抚育处理，加快低效水源涵养林的更新速度。对于萌蘖能力较强的林分，在其休眠期进行平茬处理，促进植株萌发。
在本发明的另一实施例中，对于干旱区域的幼龄林，在树木根系四周填埋保水剂，提高土壤的保水能力，进一步地可采取灌溉抗旱。
在本发明的又一实施例中，对于洪涝区域的幼龄林地，在土层开沟，沟内铺设防水膜，促进排涝。
在本发明的又一实施例中，对于土壤贫瘠区域的幼龄林地，施用化肥或腐熟的绿肥。
对于处于建群阶段的低效水源涵养林，或者立地坡度较大及位于山脊、裸岩地等不易更新的低效水源涵养林采取封育措施。封育措施包括划定封育区域边界，杜绝采伐、修枝、垦荒、畜牧等人为干扰活动，加强森林火灾预防工作，封育措施的期限通常为5-10年。
对恒续阶段的低效水源涵养林进行采伐、修枝等经营措施，促进其向接近自然的乡土植物群落演替。采取经营措施时，该低效水源涵养林的林分郁闭度应不低于0.7，经营后的林分密度不低于0.6。
具体经营措施为：选取乡土植物或引种物种为目标植物，当目标植物出现死枝时进行剪枝处理。对于非目标植物，当其出现濒死、枯折、病害或植株过密时进行采伐处理，采伐时避免出现林窗。除病害木外，采伐修枝后的残余物尽量进行粉碎留在地表，在进行采伐、拖拽等作业时避免伤害更新幼苗。
翻耕恒续阶段的低效水源涵养林区域的土壤时适当进行浇水施肥，保证土壤的水肥特性良好，并在翻耕土层中拌入富含土壤动物的土壤基质。土壤动物的采集可直接从附近发育良好无病虫害的成熟林挖掘动物巢穴或从实验室内育种引入。引入低效水源涵养林土壤中的动物可以为蜣螂、蚯蚓和食细菌线虫等益虫，以增加土壤孔隙，提升土壤层储气和蓄水的能力，消灭土壤中的病原体，防治植物病害。
优选地是，在鸟类、小型哺乳动物的栖息地的低效水源涵养林进行经营时，采伐作业应适当保留1/3的枯木、自然死亡的腐树等。在干旱区的林间低洼处，适当面积的开辟饮水区，为其栖息繁育提供生境。
本发明的又一实施例中，对于林分结构单一的低效水源涵养林，由于乔木层郁闭度过高，导致林下光照不足，抑制了灌草层的发育。引种补植前，对林地进行间伐处理，伐去林地中的死、病、伤树，间伐后郁闭度应不小于0.6。根据景观的配置和所筛选的引种物种，在引种物种中选取适生耐阴灌木，在林窗或冠层下透光处补植，密度低于乔木密度的1/2。在林下补植灌木或播撒草种，促进林分层次分化，以提高其水源涵养和生境维持能力；若低效水源涵养林附近土壤有草本种子库，可进行封育促进草本层自然发育。
特别地，对于低效水源涵养的干旱区域人工灌木林或种植密度过大的人工灌木林，此两种类型的灌木林实际蒸腾较大，树木可能因水分供给不足枯死或生长受限，采取带状割灌法，每隔一段距离，清理出带状区域，仅保留该区域内的母树、幼树、幼苗和草本层。
对于原生生态系统为草原的灌木林，分两次或两次以上对灌木林进行带状割灌，每次割灌间隔1-2年，每次割灌仅保留灌层下草本层。
本发明的低效水源涵养林的群落优化方法遵循生态系统自然发展规律，使人为干扰对系统的破坏风险降低到最小程度；从动植物群落复合体出发，全面提高生态系统的结构、功能、效益，大幅度地降低生态修复费用，改善生态环境。
以上所述仅仅是本发明的优选实施方式，仅用于说明本发明的技术方案，而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的情形下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低效水源涵养林的群落优化方法，其包括：
调查乡土植物群落，确定乡土植物群落的当前和历史分布；
评价植物群落，筛选出利于提升水源涵养功能的引种补植物种；
配置景观，根据上述所筛选出的引种补植物种，对低效水源涵养林的景观配置两种或两种以上的不同树龄的树种，以增加植物群落在水平空间上的异质性程度；
经营低效水源涵养林，根据低效水源涵养林的群落的主要特点和退化原因，对低效水源涵养林进行经营。
2.根据权利要求1所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述调查乡土植物群落的步骤中，在植被资料丰富的区域，开展实地调查确定乡土植物群落的当前分布，采用二次资源调查中的小班数据，结合文献资料，确定乡土植物群落的历史分布。
3.根据权利要求1所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述调查乡土植物群落的步骤中，在植被资料缺乏的区域，通过对遥感卫片进行监督分类和实地调查进行对比校正，确定乡土植物群落的当前分布；通过对过去的遥感卫片进行监督分类，结合现代残林和种子库信息，确定乡土植物群落的历史分布。
4.根据权利要求2或3所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述评价植物群落，筛选出利于提升水源涵养功能的引种补植物种的步骤包括：
根据所述乡土植物群落的当前分布和历史分布，初步筛选生态修复中需要引种补植物种；
对所述引种补植的物种进行群落生态学调查，获取群落生态学调查参数；
根据所述群落生态学调查参数，采用主成分分析法和层次分析法对乡土植物群落进行综合评价，筛选出所述利于提升水源涵养功能的引种补植物种。
5.根据权利要求4所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述群落生态学调查包括调查植物的群落结构参数、水源涵养参数、土壤保持参数以及固碳释氧参数。
6.根据权利要求5所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述配置景观的步骤中，采取斑块状、交错状、棋盘状、带状两种或两种以上组合的分布方式，各景观单元之间设置生态廊道，保证动植物在生境上的连通性。
7.根据权利要求6所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述经营低效水源涵养林的步骤包括：
根据所述景观配置的结果和所筛选出的引种补植物种，对所述低效水源涵养林进行补植改造；
调查所述低效水源涵养林所在地植物群落的演替阶段，对处于更新中的幼龄林进行抚育处理；对处于建群阶段的低效水源涵养林，或者立地坡度较大和不易更新的低效水源涵养林采取封育措施；对恒续阶段的低效水源涵养林进行采伐、修枝的经营措施。
8.根据权利要求7所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述经营低效水源涵养林的步骤还包括，翻耕所述低效水源涵养林，并在翻耕土壤层中拌入富含土壤动物的土壤基质，引入土壤动物。
9.根据权利要求8所述的一种低效水源涵养林的群落优化方法，其特征在于，所述经营低效水源涵养林的步骤还包括，对鸟类、小型哺乳动物的栖息地的低效水源涵养林进行经营时，采伐作业保留1/3的枯木、自然死亡的腐树；在干旱区的林间低洼处，开辟饮水区，为其栖息繁育提供生境。
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