CN112868489A

CN112868489A - 一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法

Info

Publication number: CN112868489A
Application number: CN202110236100.4A
Authority: CN
Inventors: 朱喜; 何志斌; 赵文智; 陈龙飞; 蔺鹏飞; 高原
Original assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: CN112868489B

Abstract

本发明公开了一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，涉及林业技术领域，包括以下步骤：以不同恢复阶段、不同配置以及不同立地条件的人工林为样本；通过取样分析的手段，获得人工林恢复过程中群落组成变化规律；通过群落组成变化规律，获得人工林发育过程中土壤水分亏缺的生态水文机理；通过土壤水分亏缺的生态水文机理，获得缓解土壤水分旱化的间伐强度阈值。本发明进行干旱区山地人工植被恢复过程中的抚育管理，增强山区人工林生态系统的稳定性，解决了干旱区山地人工植被恢复过程中深层土壤水分旱化、生长状况差、严重退化甚至大面积死亡等问题，促进干旱区山地生态文明建设和经济可持续发展。

Description

一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法

技术领域

本发明涉及林业技术领域，具体涉及一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法。

背景技术

目前，我国是全球人工林面积最大的国家，其发展速度是全球平均水平的5.7倍。人工林在我国生态文明建设和经济发展中发挥着重大作用，祁连山地区自天保工程、退耕还林（草）工程等多个项目实施以来，该地区人工植被的面积有了大幅度的增加。但是由于长期以来缺乏科学的理论指导和可持续经营技术，该地区人工林体系也出现了土壤旱化、生物多样性降低、系统稳定性差等问题。如何增强人工林系统稳定性、缓解土壤旱化对该地区人工林可持续经营具有重要的意义。

国内外的研究和实践均证明，“近自然森林经营”理论是解决人工林综合质量低、生态效益差的首选方法，也是现代林业发展的必然趋势。其中，间伐是“进自然森林管理技术”中的主要手段之一，并且已成为我国和其他地区森林生态系统中重要的、常用的造林策略，特别是人工林管理。

例如祁连山区人工林面积明显增加，其中1989—2013年间，造林面积由2995.5公顷增加至4284.8公顷，增幅达43%。然而，山区人工林恢复重建过程中出现了深层土壤水分旱化、生长状况差、严重退化甚至大面积死亡等问题，严重威胁和制约着我国山地生态文明建设和区域可持续发展。目前山区植被恢复与重建的基本思路还是从传统理念出发，进行植树造林或者圈地保护，一些重要的生态学原理，如限制因子理论、生态适宜性原理、群落演替理论、物种共生及密度效应、景观异质性原理等在实践中没有得到充分的体现。在祁连山区基于土壤水分这一主要限制因子，从生境选择、物种配置、管理方式等方面进行山区人工林的抚育管理是解决上述问题的有效手段方向，但其适宜性如何、是否有效以及如何控制间伐强度和配置比例等问题认识仍不清楚。基于以上科学发现，提出了一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，解决了如何增强人工林系统稳定性、缓解土壤旱化的问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，包括以下步骤：

S1，以不同恢复阶段、不同配置以及不同立地条件的人工林为样本；

S2，通过取样分析的手段，获得人工林恢复过程中群落组成变化规律；

S3，通过所述群落组成变化规律，获得人工林发育过程中土壤水分亏缺的生态水文机理；

S4，通过所述土壤水分亏缺的生态水文机理，获得缓解土壤水分旱化的间伐强度阈值。

其中，不同恢复阶段包括草地、灌草地、17年、23年、33年、45年。

其中，不同配置包括间伐强度、混交比例。

其中，不同立地条件包括半阳坡、半阴坡、高海拔、矿区恢复、城镇边缘。

其中，取样分析的手段包括遥感影像分析、样地调查、长期定位观测以及室内分析。

进一步地，根据不同恢复阶段人工林的林龄来配置林下植被的种类和组成，配置为通过一部分耐阴性的物种逐步替代一部分喜阳性的物种。

其中，在不同立地条件林龄为10年的人工林中，根据林地土壤水分状况而采取相应的管理措施，管理措施为围封增加或减少草本层的盖度、滴灌、土壤基质、温度。

进一步地，位于阳坡的人工林，当土壤水分含量小于10%时，保持种植密度（约3330株/hm²）不变的前提下，围封增加草本层的盖度而减少蒸散发，位于阴坡的人工林则应该减少草本盖度；位于城镇附近的人工林需要增加滴灌（每年增加3-5次，每次滴灌量150m³/亩）；位于矿区恢复的人工林需要增加土壤基质，提高人工林地土壤的保水能力；高海拔地区的人工林，需要增温。

其中，以天然林土壤水分作为模板，获得不同间伐程度的深层土壤水分的占比，通过占比获得适度的间伐强度减缓深层土壤水分旱化或者消除旱化。

进一步地，间伐强度为（20%~40%）可以减缓深层土壤水分旱化。

本发明的优点：

本发明提供了一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，进行干旱区山地人工植被恢复过程中的抚育管理，增强山区人工林生态系统的稳定性，解决了干旱区山地人工植被恢复过程中深层土壤水分旱化、生长状况差、严重退化甚至大面积死亡等问题，促进干旱区山地生态文明建设和经济可持续发展，不仅能够促进山区人工林系统的正向演替发展，而且对山区人工林的恢复和建设具有重要的指导意义。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的技术路线图；

图2是本发明的不同林龄人工林林下草本层植物科属种的变化；

图3是本发明的不同林龄的人工林物种丰富度的变化；

图4是本发明的林下草本层生物量的动态变化特征；

图5是本发明的生长季节日降水量和不同林地各层土壤水分的动态变化：

图6是本发明的生长季节各林地土壤水分的垂直变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2是本发明的不同林龄人工林林下草本层植物科属种的变化，（左边为半阴坡不同林龄阶段，右边为半阳坡不同林龄阶段）；

图3是本发明的不同林龄的人工林物种丰富度的变化，（上边为半阴坡不同林龄阶段，下边为半阳坡不同林龄阶段）；

图4是本发明的林下草本层生物量的动态变化特征，（a和b图分别代表半阴坡和半阳坡不同林龄人工林林下草本层生物量干重；c和d图分别代表半阴坡和半阳坡不同林龄人工林林下草本层生物量干重在不同物种间的分配比例）；

图5是本发明的生长季节日降水量和不同林地各层土壤水分的动态变化，（第一幅图代表研究区内生长季节（6月1日-9月30日）的日降水量；后面第二幅至第六副依次为天然林（NF）和不同间伐强度人工林（HD、MD、LD）10、20、40、60和80cm生长季节期间土壤水分动态变化）；

图6是本发明的生长季节各林地土壤水分的垂直变化，（分别代表2012、2013、2014及2015年间，天然林（NF）和不同间伐强度人工林（HD、MD、LD）土壤水分的垂直变化特征）。

参考图1至图6，一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，包括以下步骤：

S1，以不同恢复阶段、不同配置以及不同立地条件的人工林为样本，调查不同恢复阶段的作用是在于调查了一个林龄序列，可以分析不同林冠郁闭度下林下植被组成以及土壤养分和水分等的变化规律，其中，不同恢复阶段包括草地、灌草地、17年、23年、33年、45年，其作用是因为基本上间隔在10年左右，而且在研究区有代表性的调查样地，基本能代表这一区域造林的情况；不同配置包括间伐强度、混交比例，不同立地条件包括半阳坡、半阴坡、高海拔、矿区恢复、城镇边缘；

S2，通过取样分析的手段，取样分析的手段包括遥感影像分析、样地调查、长期定位观测以及室内分析，获得人工林恢复过程中群落组成变化规律；

S3，通过所述群落组成变化规律，且结合样地定位观测试验，获得人工林发育过程中土壤水分亏缺的生态水文机理，土壤水分亏缺的生态水文机理主要是人工林深层土壤水分占到同一土层深度天然林的占比。

本发明提供了一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，以祁连山区不同恢复阶段、不同配置以及不同立地条件（坡向、立地条件、管理措施等）的青海云杉人工林为研究对象，借助遥感影像分析、样地调查、长期定位观测以及室内分析等手段，阐明人工林恢复过程中群落组成变化规律，揭示人工林发育过程中土壤水分亏缺的生态水文机理，提出缓解土壤水分旱化的间伐强度阈值，为山区人工林的抚育管理提供理论依据。

本发明的一实施例中，通过群落组成变化规律，可在不同恢复阶段人工林的林龄来配置林下植被的种类和组成，配置为通过一部分耐阴性的物种逐步替代一部分喜阳性的物种，具体地，随着人工林的演替一些喜阳性的物种（委陵菜、长柱沙参、长梗蝇子草等）逐渐被一些耐阴性的物种（红棕苔草、毛果荨麻等）所替代；

相较于草地/灌丛草地，随着人工林的发展物种丰富度逐渐呈增加的趋势，生物量呈减小趋势但趋于在各物种之间分配均匀。

经过样地调查分析，其中，草地主要物种为圆柱披碱草、青海苜蓿、芨芨草、蒙古蒿等，平均物种丰富度为7.6种；17a—33a年人工林林下植被主要和草地物种相似，多了委陵菜、青海苜蓿等，平均物种丰富度为15.2种，35a—45a的人工林林下草本层多了红棕苔草和毛果荨麻等耐阴性物种，平均物种丰富度达19.6种。草地生物量（124.74±55.46 g/m²）显著高于林地，其干重分别为19a、35a、45a和45a混交林的1.8、1.6、3.3和1.9倍；草地中生物量主要集中在圆柱披碱草、青海苜蓿、芨芨草等4个种，其生物量占总生物量的92.2%，而45年人工林中生物量主要集中在红棕苔草、蒙古蒿、圆柱披碱草3个种，其生物量占总生物量的63.3%，其它28种占36.7%。由于这个年龄序列的人工林长势基本良好，土壤水分也没有出现旱化现象。因此，该结果也可以作为祁连山区其它气候、土壤条件类似的人工林林下植被种类的配置参考。

本发明的一实施例中，在不同立地条件林龄为10年的人工林中，根据林地土壤水分状况而采取相应的管理措施，优选地，管理措施为围封增加或减少草本层的盖度、滴灌、土壤基质、温度。其中，位于阳坡的人工林，当土壤水分含量小于10%时，应在保持种植密度（约3330株/hm²）不变的前提下，围封增加草本层的盖度而减少蒸散发，而位于阴坡的人工林则应该减少草本盖度；位于城镇附近的人工林需要增加滴灌（每年增加3-5次，每次滴灌量150m³/亩）；位于矿区恢复的人工林需要增加土壤基质，提高人工林地土壤的保水能力；高海拔地区的人工林，土壤水分不是主要限制因子，生长季前的低温可能是限制其生长的主要因子，考虑增温设施。

本发明的一实施例中，以天然林土壤水分作为模板，获得不同间伐程度的深层土壤水分的占比，通过占比获得适度的间伐强度减缓深层土壤水分旱化或者消除旱化。其中，在未间伐的人工林（4458棵/hm²）深层土壤水分仅占到同一土层深度天然林的65%左右，当间伐强度为20%~40%（约3139棵/hm²）时，深层土壤水分（60cm左右）却占到天然林的80%以上。因此，对于40年左右的青海云杉人工林，适度的间伐强度（20%~40%）可以有效的减缓深层土壤水分旱化，甚至可以消除这种现象。

具体实验方案

不同林龄青海云杉人工林群落组成变化规律，具体实验如下所示：

该样地位于祁连山焉支山自然保护区境内，在山丹县焉支山人工林进行了实地调查。调查过程中分不同坡向（半阳坡、半阴坡）和林龄选取具有代表性的人工林样地(草地、灌草地、17a、19a、23a、33a、35a、45a和45a青海云杉华北落叶松混交林)，在每一种林地上设置3个20 m×20 m样方调查林分密度、胸径、树高、叶面积指数、冠幅等，每个样方内挖3个80cm深的土壤剖面，分别在0~5、5~10、15~20、30~35、和50~55 cm处用环刀采集土壤样品测量其土壤容重。再在每一个样方四角和中央分别设置5个1 m×1m的草本样方，调查各草本的种类、株高、数量、盖度、生物量等指标。各样地基本情况见表1。

表1 焉支山保护区青海云杉人工林样地概况

注：17a、19a、23a、33a、35a、45a分别为平均林龄为17、19、23、33、35和45年的青海云杉人工林；45a混为平均林龄为45年的青海云杉-华北落叶松混交林。

在半阳坡，林下草本层的科属种随着林龄的增加逐渐增大，33年人工林林下草本层植物组成达到最大值，共计24种，分属11科17属；在半阴坡，45年人工林林下草本层植物组成达到最大值，共计30种，分属14科23属（图2）。林龄较大的人工林林下草本层组成较为丰富的原因为，在由草地向人工林转变的过程中，原来在草地中的优势种随着人工林林龄的增加逐渐转变为一般种，而且随着林冠层的郁闭许多耐荫性的物种逐渐增加，因此随着人工林林龄的增加，林下草本层的物种组成逐渐增加但其生物量却显著减少。

在半阳坡，林下草本层的物种丰富度随着林龄的增大逐渐增大，草地的物种丰富度最小为7.6，33年人工林最大为16.7种。而在半阴坡，林下草本层物种丰富度表现为19年人工林最大为20，45年青海云杉落叶松混交林和45年青海云杉纯林物种丰富度基本一致，均为19.6种。总的来讲青海云杉人工林林下草本层物种丰富度随着林龄的增加呈波动变化，并且半阴坡人工林林下草本层的物种丰富度显著高于半阳坡人工林（图3）。

造林对草本层的生物量具有显著的影响。随着人工林的发展，林下草本层的生物量总体上呈下降的趋势（图4）。在半阳坡，各样地平均生物量干重为86.2 g.m^-2，草地生物量显著高于林地草本层的生物量；林地草本层生物量在23年时最小，为77.1 g.m^-2，除了33年人工林林下草本层的生物量，林下草本层的生物量随着人工林的发展呈显著的下降趋势（P< 0.05），P代表了显著性检验，如果小于0.05表示差异显著。

在半阴坡，各样地平均生物量为89.0 g.m^-2，草地生物量显著高于林地；林龄较小的人工林林下草本层生物量高于林龄较大的人工林，如：45年人工林林下草本层的生物量仅为35年的35.2%；林地在35年时林下草本层生物量最大，为93.8 g.m^-2。总体来说，随着林龄的增加，林下草本层的生物量逐渐减小，但半阳坡和半阴坡不同林龄的人工林林下草本层植被的平均生物量差异不显著（P > 0.05）。

不同坡向不同林龄的人工林林下草本层的生物量主要集中在个别植物种上（图4）。在半阴坡，草地、19年、35年和45年人工林林下植被生物量主要集中在圆柱披碱草、青海苜蓿、芨芨草、蒙古蒿红棕苔草等物种上，占各林地林下植被总生物量的比例在63.9%~92.2%之间，而其它物种所占比例在7.8%~36.1%之间。在半阳坡，草地中生物量主要集中在圆柱披碱草、芨芨草、蒙古蒿3个种，其生物量占总生物量的85.5 %，其它9种占14.5 %；在33年人工林中，生物量主要集中圆柱披碱草、蒙古蒿、芨芨草等5个种，其生物量占总生物量的80.3%，其它22种占19.7%。不同林龄阶段，林下草本层的生物量主要集中在不同的物种上，其原因是这些植物种自身生长特性（如喜光、耐阴等）以及林下微环境等有关。

不同间伐强度青海云杉人工林土壤水分动态变化规律，具体实验设计如下所示：

该观测样地位于祁连山西水自然保护区观台人工林内，采用固定样地的方法连续监测了不同间伐强度（未间伐、间伐强度为20%、间伐强度为40%）的青海云杉人工林和天然林地10、20、40、60和 80 cm的土壤水分，以期分析不同间伐强度下各层土壤水分时空动态及其对不同降水事件的响应过程，研究结果可为干旱区人工种植云杉林密度的选择提供理论依据。样地内青海云杉人工林平均林龄为35年，天然林平均林龄为48年，样地具体情况如表2所示。各样地土壤容重、土壤有机碳、土壤总氮和土壤pH间的变化规律如表3所示。

表2 青海云杉人工林林地基本情况

表3 各样地间土壤容重、土壤有机碳、土壤总氮和土壤pH间的差异

注： NF、HD、MD和LD分别代表青海云杉天然林、未间伐、间伐强度为20%和40%的青海云杉人工林。

各林地土壤含水量的时间动态变化表明：不同土层土壤体积含水量差异显著，HD表层10 cm处的土壤水分显著高于其它林地，而除了10 cm外，其余各层土壤水分表现为NF显著高于其它林地（图5）。在2012—2015年生长季节期间，HD表层10 cm处土壤水分一直最高，而对于深层（60和80 cm）土壤水分来讲，NF的显著高于人工林。HD 60和80 cm处的土壤水分仅为同层次NF的64.4%和66.1%；60 cm处四个样地生长季平均土壤水分的大小次序为：NF>LD>MD>HD，并且LD、MD和HD该层土壤水分仅占到天然林同层次的64.6%、84.2%和 81.1%；80 cm处各样地平均土壤含水量的大小排序和60 cm土层一样，并且LD、MD和HD土壤水分仅占到天然林同层次的66.7%、75.6%和 87.6%。

生长季节不同林地各层土壤含水量剖面特征如图6所示。各林地0~80 cm的平均土壤含水量大小与土壤蓄水量大小一致，表现为NF>LD>MD>HD（表 4）。MD和LD 0~80 cm处的年平均土壤水分差异不显著，但两者均与HD和NF达到显著性的差异（P < 0.05）。表层10 cm处土壤水分四个林地大小顺序为：HD>MD >NF>LD，而深层则为：NF>LD>MD>HD。间伐显著的提高了深层的土壤水分含量，却使得表层土壤水分降低。研究期间，每年0~80 cm的土壤储水量在均值上下波动，其中HD、MD、LD和NF的平均土壤储水量分别为156.55 ± 12.58、165.20± 14.91、169.07 ± 10.11和194.69 ± 15.35 mm（表 4）。

表4.

年生长季节不同林地不同土层的平均土壤含水量

本发明提供了一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，进行干旱区山地人工植被恢复过程中的抚育管理，增强山区人工林生态系统的稳定性，解决干旱区山地人工植被恢复过程中深层土壤水分旱化、生长状况差、严重退化甚至大面积死亡等问题，促进干旱区山地生态文明建设和经济可持续发展，不仅能够促进山区人工林系统的正向演替发展，而且对山区人工林的恢复和建设具有重要的指导意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，不同恢复阶段包括草地、灌草地、17年、23年、33年、45年。

3.根据权利要求1所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，不同配置包括间伐强度、混交比例。

4.根据权利要求1所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，不同立地条件包括半阳坡、半阴坡、高海拔、矿区恢复、城镇边缘。

5.根据权利要求1所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，取样分析的手段包括遥感影像分析、样地调查、长期定位观测以及室内分析。

6.根据权利要求2所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，根据不同恢复阶段人工林的林龄来配置林下植被的种类和组成，配置为通过一部分耐阴性的物种逐步替代一部分喜阳性的物种。

7.根据权利要求4所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，在不同立地条件林龄为10年的人工林中，根据林地土壤水分状况而采取相应的管理措施，管理措施为围封增加或减少草本层的盖度、滴灌、土壤基质、温度。

8.根据权利要求7所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，位于阳坡的人工林，当土壤水分含量小于10%时，保持种植密度（约3330株/hm²）不变的前提下，围封增加草本层的盖度而减少蒸散发，位于阴坡的人工林则应该减少草本盖度；位于城镇附近的人工林需要增加滴灌（每年增加3-5次，每次滴灌量150m³/亩）；位于矿区恢复的人工林需要增加土壤基质，提高人工林地土壤的保水能力；高海拔地区的人工林，需要增温。

9.根据权利要求1所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，以天然林土壤水分作为模板，获得不同间伐程度的深层土壤水分的占比，通过占比获得适度的间伐强度减缓深层土壤水分旱化或者消除旱化。

10.根据权利要求9所述的基于土壤水分的山区人工林抚育管理方法，其特征在于，间伐强度为（20%~40%）可以减缓深层土壤水分旱化。