經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)
——多目標(biāo)條件下的人工林配置研究

馬搏，畢潤(rùn)成

山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000

隨著近幾年氣候變暖，環(huán)境惡化，自然林園的破壞不斷加重.固碳是解決目前氣候變暖、環(huán)境惡化的主要手段.科學(xué)家經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)人工林的配置，可以很好地解決固碳問(wèn)題，并且彌補(bǔ)了當(dāng)前自然林園被破壞的現(xiàn)狀[1].在當(dāng)今，人工林是自然森林的一個(gè)重要組成部分，具有較高的生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但是人工林的配置在我國(guó)的研究還屬空白，全球各國(guó)對(duì)于人工林配置的研究和踐行都存在著不小的差異[2].其主要原因是我國(guó)在人工林配置方面缺乏理論指導(dǎo)，并且市場(chǎng)空白，不能發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.在此背景下，如果不進(jìn)行人工林的配置研究，會(huì)使得人工林的配置成本較大化，效益趨零化[3].

在人工林配置研究中，應(yīng)立足于多目標(biāo)的角度，發(fā)揮其社會(huì)效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益[2]，在提高固碳能力的前提下發(fā)揮其價(jià)值.但是人工林的配置受到多因素的干擾和限制，比如土壤類型、物化性質(zhì)、區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、氣候條件等.因此，在這種條件下，要進(jìn)行物種的引入以及改土工作等等[4].經(jīng)實(shí)地考察，以山西省臨汾市翼城地區(qū)為例進(jìn)行研究，詳細(xì)記錄了氣候、經(jīng)緯度、物種豐富度等多組數(shù)據(jù)，旨在為人工林配置研究提供一定的理論基礎(chǔ).

1 研究方法及材料

1.1 研究區(qū)概況

臨汾市翼城縣位于山西省南部，地處黃河流域和汾河之間，地理坐標(biāo)為北緯35°23′～35°52′，東經(jīng)111°34′～112°03′.東西跨度44 km，南北跨度大約53 km，東北南以群山地勢(shì)為主，中西部為平坦地勢(shì)，整體由東北向西南走勢(shì)傾斜，翼城地區(qū)的氣候具有一定的優(yōu)勢(shì)，主要是日照時(shí)間長(zhǎng)，緯度低，并且是四季分明的季風(fēng)氣候，同時(shí)它具有充沛的雨水量，是山西省光照和雨水最為豐富的地區(qū).地處黃河流域，水文條件較好，全年日照時(shí)間為2 400 h，無(wú)霜期為190 d左右.

1.2 調(diào)查方法

結(jié)合目前國(guó)際上對(duì)森林生態(tài)學(xué)研究的方法，選擇植被保護(hù)較好、人類干擾較少的區(qū)域，選擇具有代表性的兩個(gè)樣地：人工雜木林和側(cè)柏純林，分別設(shè)置兩塊10 m×100 m的典型樣地，采用網(wǎng)格法，將樣地劃分成10個(gè)10 m×10 m的樣方，在每個(gè)10 m×10 m的喬木樣方內(nèi)做2個(gè)5 m×5 m的灌木樣方，4個(gè)1 m×1 m的草本樣方.記錄樹(shù)種的種名、樹(shù)高和冠幅、生長(zhǎng)狀況.并調(diào)查記錄小樣方內(nèi)所有木本植物的種類，同時(shí)記錄各樣方的生境特征，如海拔、坡度、坡向、經(jīng)緯度、枯枝落葉層厚度[5]等.

1.3 數(shù)據(jù)分析

(1)辛普森多樣性指數(shù)的計(jì)算

(1)

(2)香農(nóng)-維納指數(shù)的計(jì)算

(2)

利用 Origin 軟件完成成圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 人工林的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

翼城地區(qū)的人工林覆蓋率并不是十分廣闊，人工林的建設(shè)質(zhì)量也一般，所以，人工生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性自然也是處于一般水平.在翼城地區(qū)，其人工林的構(gòu)建主要是注重木材產(chǎn)量，但經(jīng)濟(jì)效益不明顯，效益體現(xiàn)較差.翼城地區(qū)具有地理的優(yōu)勢(shì)和氣候的優(yōu)勢(shì)，土壤肥沃有力，在數(shù)據(jù)資料查閱中顯示，翼城地區(qū)的人工林在經(jīng)營(yíng)期間，土壤肥力持續(xù)下降，物種也持續(xù)減少，產(chǎn)量也隨之下降.主要原因是翼城地區(qū)的人工林配置過(guò)程中對(duì)其他物種引入的忽視，或者過(guò)度重視經(jīng)濟(jì)的收益化.在自然系統(tǒng)配置中，翼城地區(qū)的人工林主要是忽略了喬木層、灌木層和草本層之間的協(xié)調(diào)配置，導(dǎo)致物種的多樣性減少，單一物種的多年種植，肥力自然下降，穩(wěn)定性較差.當(dāng)然翼城地區(qū)的人工林的穩(wěn)定性依然受物種豐富度、林齡等因素的影響.物種豐富度用S表示，林齡用a表示[4].將林齡作為一個(gè)研究指標(biāo)，主要是因?yàn)槿斯ち謽?gòu)造初期，植被的郁閉度較小，尤其是灌木和喬木，不會(huì)因?yàn)殛?yáng)光的資源形成競(jìng)爭(zhēng)，所以整個(gè)生態(tài)體系的形成較快，但是隨著林齡增大，就會(huì)受到陽(yáng)光的一些原因，慢慢地就會(huì)出現(xiàn)多樣性下降.通過(guò)翼城地區(qū)的側(cè)柏純林相關(guān)數(shù)據(jù)，利用優(yōu)劣勢(shì)指數(shù)(SP)和香農(nóng)-維納指數(shù)(SW)進(jìn)行區(qū)域的人工生態(tài)系用多樣性研究[6，7].

由表1可知，在分株行距不變的情況下，隨著林齡的增加，SP指數(shù)越來(lái)越高，表示該區(qū)域的物種數(shù)量減少，同林齡的前提下，SP指數(shù)值受到分株行距的影響，行距越大，指數(shù)越大.SW指數(shù)隨著林齡的增加，呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，即一開(kāi)始逐步減少，后來(lái)逐步增加.在表1的基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域物種的SP指數(shù)比較和SW指數(shù)比較，為后文的人工林配置物種選取做理論支撐[8].

表1 側(cè)柏純林(側(cè)柏)SP-SW指數(shù)表Tab.1 SP-SW index table of Platycladus orientalis pure forest

表2 雜木林主要物種的SW-SP指數(shù)表Tab.2 SW-SP Indices of Major species in Miscellaneous Forest

2.2 黃土溝壑地區(qū)的人工林配置

翼城地區(qū)有丘陵和平原，丘陵地區(qū)的溝壑環(huán)境導(dǎo)致的水土流失較為嚴(yán)重，海拔在900 m到1 100 m之間.基于此，雖然氣候及地形因子適合作物生長(zhǎng)，但是在地貌特點(diǎn)上，卻約束了這一點(diǎn)，所以，在15°及其以上的坡度，應(yīng)該種植大面積果樹(shù)喬木和具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的草本，將該坡度的土地設(shè)置成梯田形式，分段種植梨樹(shù)、蘋(píng)果樹(shù)、桃樹(shù)和棗樹(shù)等果樹(shù)[9].草本層種植丹參(Salviamiltiorrhiza)、黃芩(Scutellariabaicalensis)等等，起到固土固氮作用，坡下平緩地區(qū)種植農(nóng)作物，坡上的平緩地區(qū)種植刺槐(Robiniapseudoacacia)、多花胡枝子(Lespedezafloribunda)等.當(dāng)坡度在25°以上的時(shí)候，以灌木種植為主草本為輔，如沙棘、荊條(VitexnegundoL.var.heterophylla)和天門冬(Asparaguscochinchinensis)等草本.天門冬作為翼城地區(qū)較為常見(jiàn)的草本，在灌木和草本植物交錯(cuò)種植時(shí)以2 m×4 m的形式序列式展開(kāi)[10].天門冬較為高壯且枝葉發(fā)達(dá)，可以抵抗水土流失和風(fēng)沙，并且可以固土護(hù)坡.且天門冬是較好的中藥材，具有一定的市場(chǎng)前景，可以實(shí)時(shí)采挖，獲取經(jīng)濟(jì)效益.沙棘具有抗風(fēng)沙、耐旱、保土能力，在天門冬采挖后有沙棘、荊條等灌木護(hù)土可以保證次年天門冬的種植環(huán)境.在翼城地區(qū)，地勢(shì)走向多為坡度25°以上，就整體而言，應(yīng)選取沙棘等耐旱、保土能力較強(qiáng)的植物為主，同時(shí)沙棘是層下生物量豐富的一個(gè)植物，結(jié)合數(shù)據(jù)分析如圖1.

從生物多樣性的角度以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)看，隨著沙棘樹(shù)齡的增加，層下生物種類也越多，沙棘在翼城地區(qū)最具有推廣種植的價(jià)值即具有生態(tài)效益.但是沙棘在人工林的度配置過(guò)程中應(yīng)當(dāng)分情況進(jìn)行研究.本論文對(duì)處于溝底、溝坡和溝頂(梁峁頂)的沙棘進(jìn)行研究.沙棘的生長(zhǎng)條件和其層下生物量的關(guān)系見(jiàn)圖2.

從圖2中看，沙棘應(yīng)該在溝底處種植，但是從生態(tài)效益的角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)該種植于溝頂(梁峁頂)，這樣可以最大程度的保持水土不流失，然后在溝底配合其他灌木及草本一起種植對(duì)人工林進(jìn)行配置[11].

圖1 草本層下生物量與沙棘標(biāo)準(zhǔn)層下生物量比較圖Fig.1 Comparisonmapofbiomassunderherblayerandlayerofseabuckthom圖2 沙棘標(biāo)準(zhǔn)木層與草本層在不同立地類型上生物量對(duì)比圖Fig.2 Biomasscomparisonbetweenherblayerandlayerofseabuckthornindifferentsitetypes

2.3 黃土谷底低洼地區(qū)的人工林配置

在低洼谷地地區(qū)進(jìn)行人工林的配置，首先應(yīng)該將低洼或者谷地處的土壤整平，然后以草本和喬木層為主進(jìn)行種植，灌木的投入會(huì)使其剝奪養(yǎng)分，在雨季前整地為最佳時(shí)機(jī)，草本可以選取葎草(Humulusscandens)，天門冬，但是對(duì)于喬木樹(shù)種要進(jìn)行物種引進(jìn)，不應(yīng)該使用本地物種，主要原因是收益小，當(dāng)然本地有特色喬木也可以大規(guī)模種植[12].葎草是一味具有較高價(jià)值的中藥材，尤其果穗，具有代替啤酒花(Humuluslupulus)的效果，是市場(chǎng)需求的熱門產(chǎn)品.天門冬的價(jià)值上文中已經(jīng)闡述過(guò)，葎草和天門冬都是翼城的本地植物，尤其是葎草，在農(nóng)藥盛行的今天，已經(jīng)很難見(jiàn)到，其大多生長(zhǎng)在谷地和低洼處.喬木可以選擇金絲垂柳，葉冠大，抗風(fēng)沙能力強(qiáng)，市場(chǎng)需求高，或者選取相思樹(shù)和油松.相思樹(shù)是外來(lái)引進(jìn)物種，在人工林配置過(guò)程中，缺乏實(shí)證的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，無(wú)法研究其相關(guān)指標(biāo)，如存活率，優(yōu)劣勢(shì)等等，所以可以考慮本土的常見(jiàn)喬木——油松.油松的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，尤其是樹(shù)干粗壯，有效抵擋風(fēng)沙，喜歡扎根深土層，排水性較好，所以可以通過(guò)種植油松配合其他喬木配置人工林.一般喬木層的存在會(huì)剝奪土地養(yǎng)分，提高土壤容重，不利于其他草本層的生長(zhǎng)，但是通過(guò)對(duì)土壤干濕重比，有機(jī)制含量等等幾個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析.研究發(fā)現(xiàn)，油松作為喬木層，層下土壤容重是一個(gè)降低的過(guò)程，并且隨著樹(shù)齡越大，越適宜其他草本層的生長(zhǎng)[13](圖3).所以在此模式下，可以將油松作為主要的喬木層進(jìn)行人工林配置，同時(shí)以混交的種植形式進(jìn)行種植，如果獲取樹(shù)苗收益，可以以2 m×2 m的形式種植，如果以出售樹(shù)干為盈利，考慮到后期的郁閉度問(wèn)題，可以放寬到2 m×4 m的種植形式.草本層如果是葎草，可以降低植株行距，葎草在背陰地區(qū)也是適合生長(zhǎng)的，不影響其產(chǎn)量[14]，但是如果是天門冬，就應(yīng)該適當(dāng)放寬行距，如果是天門冬和葎草同時(shí)種植，就要根據(jù)種植的位置，進(jìn)行變換行距[14].

圖3 不同土質(zhì)下油松層下的土壤容重和樹(shù)齡關(guān)系圖Fig.3 Relationship between soil bulk density and tree age of Pinus tabulaeformis under different soil quality

3 結(jié)論

本文以臨汾翼城地區(qū)作為研究對(duì)象，進(jìn)行人工林的配置研究，其主要原因是該地區(qū)具有地理、水文等方面的研究代表性，人工林作為自然森林的一個(gè)補(bǔ)充部分，在環(huán)境日益惡化的今天，具有不可替代的作用，人工林的配置主要要考慮區(qū)域自身的特點(diǎn)，物種的合理配置、種植關(guān)鍵的改造和種植技術(shù)的運(yùn)用，在最小的投入下，發(fā)揮其特有的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[15].

所以在人工林配置的問(wèn)題研究上，并不是單一的結(jié)論性，要充分考慮到地區(qū)的環(huán)境和人文.考慮到地方的地勢(shì)、水土、市場(chǎng)需求，甚至于技術(shù)手段等等，同時(shí)還要結(jié)合動(dòng)植物的生態(tài)規(guī)律及其適應(yīng)性以及自身的價(jià)值最大化，包括考慮動(dòng)植物的協(xié)同作用、比例結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面綜合考量才可以依據(jù)實(shí)地需求進(jìn)行合理的人工林配置.