祁连山区造林地封育效果的研究

孟好军，张宏斌，徐柏林，刘建勋，李秉新，成彩霞

（1. 甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；2. 张掖市农业科学研究院，甘肃 张掖 734000； 3. 山丹县大黄山林场，甘肃 山丹 734100）

祁连山区造林地封育效果的研究

孟好军1，张宏斌1，徐柏林3，刘建勋2，李秉新1，成彩霞1

（1. 甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；2. 张掖市农业科学研究院，甘肃 张掖 734000； 3. 山丹县大黄山林场，甘肃 山丹 734100）

采用野外调查与室内分析相结合的方法，利用造林地封育试验26 a的调查资料，研究了造林地封育对物种多样性、林地生物量、封育区不同造林类型地土壤的质量状况等。结果表明：造林地封育区较对照区物种多样性指数提高31.9%；林草植被盖度＞40%、30%～40%、20%～30%的地块面积分别由原来的15.6%、18.9%和27.8%增加到21.4%、25.6%和34.9%。植被覆盖度＜20%的地块面积减少，由原来的37.7%减少为19.1%；灌木层植被盖度由30～40%提高到80～90%，平均高由40～50 cm增加到100～200 cm，林地凋落物量增大了27～43%； E、W向坡地上饲草生物量较对照分别提高2.22倍和2.14倍；青海云杉造林后种群分布逐渐呈现为群聚分布；不同造林类型的土壤质量优劣依次为青海云杉+落叶松混交林＞山丹柳灌木林＞青海云杉灌木混交林＞沙棘林＞灌木混交林；封育后衰退山丹柳灌丛每3～4 a现存生物量（standing biomass） 增大一倍，特征返回时间为3.2 a，环境容纳量达到一半时，具有最大持续年生产量3.724 t/hm2，利用量大于3.724 t/hm2时，原有稳定的灌丛生长速率就会下降。

祁连山；造林地；封育效果

祁连山区位于欧亚大陆中心，地处青藏、蒙新、黄土三大高原交汇地带。独特的地理位置和气候条件形成了多样性的生物圈，是我国西北少有的种质资源遗传基因库[1]，海拔4 400 m以上终年积雪，5 000 m以上发育着现代冰川，被誉为高山“冰原水库”[2]，是干旱区森林生态系统涵养内陆水源和保护天然固体水库的典型类型区。该区总面积为265.3万hm2，现有水源涵养林43.6万hm2。该区植被的重建与恢复，关系到河西走廊工农业生产及人民群众生活当务之急的重大问题，是西部大开发生态环境建设的重中之重。目前我国学者针对封育恢复植被研究方面开展了大量的研究[3-7]，并提出了植被恢复与重建对策[8-10]，但在祁连山造林地封育效果研究方面鲜见报道。为了探讨祁连山区造林地植被封育恢复的效益，我们以祁连山造林封育区为研究对象，利用连续26 a的观测数据和基础资料进行了研究。

1 研究区的自然条件

试验区位于甘肃省山丹县境内的大黄山林区，地理座标为东径 101°～ 101°30′，北纬 38°20′～38°30′，总的气候特点是降水量偏少又相对集中，随海拔高度的增加降水量增大，气温降低，生长期变短，属于高寒半干旱气候带。＞10 ℃的积温1 700 ℃，植物生长期 120 d左右，年降雨量 428.6 mm，常集中在6、7、8三个月内。受水热因素的综合制约，植被、土壤呈现出明显的水平带谱和垂直带谱。主要的宜林地是荒山荒地草坡、撂荒地、疏灌坡地。试验区范围内共有居民3 500多人，耕地200 hm2，有各类大小牲畜10 000多头（只），每年6～9月放牧高峰期有近5万余头（只）牲畜进入，人为活动是影响造林效果的主要因素。

2 研究内容及方法

2.1 取样方法

在全面踏查的基础上，选择在祁连山—大黄山林区的造林地，用GPS进行定位，分别造林地封育区和非封育区分别设置5 m×5 m的固定样地36个，进行植被调查。记载样地植被类型、海拔、经纬度、坡度、坡向、坡位等环境因子和土壤类型以及土壤剖面，并取土样进行土化分析；乔木测定其郁闭度，树高＜1.5 m的调查其地经，树高≥1.5 m的调查胸径；灌木和草本调查样地内的种类、平均高度、盖度、多度、生活型、物候等植被因子。在造林地封育区和非封育区分别不同的坡向设置1 m×1 m的样方64个，全部剪取样方内植物的地上部分，称取其鲜重，依此推算单位面积的生物产量。

2.2 数据处理方法

2.2.1 物种丰富度测度方法[11-13]

物种丰富度指数：

Margalef指数：DM=(s-1)/hS。

式中，s为样地内物种数，S为群落物种数。

2.2.2 造林树种的空间分布格局

采用S2=[Σ(x-m)2/(n-1)][14]进行分析。

式中x、m、n、分别代表样方实际个体数、样方个体平均数和调查样方数。

当分散度S2＝0时为均匀分布，S2＞m时，为群居分布，S2＜m时，为随机分布。

2.2.3 衰退群落的恢复模拟

利用连续26 a的样地调查资料，以山丹柳灌丛为例，采用Logistic方程探讨造林地封育后对衰退灌丛恢复研究与数学模型建立，并进行其最大持续产量的模型分析。

2.2.4 植被盖度的计算

植被盖度通常采用样方内植物遮盖地面的面积与该样地面积的百分比，即植被盖度＝样方内植物遮盖地面的面积/样地面积×100%[15]。

2.2.5 造林地土壤质量的评价

利用对不同造林样地的土壤含水量、有机质、pH值、全氮、全磷和全钾等6项指标的测定值，采用隶属函数评分法，对祁连山典型生态退化区区域主要植被生态恢复类型的土壤质量进行综合评价。

3 试验结果

3.1 造林封育区植被盖度变化分析

3.1.1 植被盖度变化下的土地面积变化比例

造林封育区植被覆盖度面积及比例变化见图1。由图1可以看出，封育区植被盖度＞40%、30%～40%、20%～30%的地块面积分别由原来的15.6%、18.9%和27.8%增加到21.4%、25.6%和34.9%。其中30%～40%的增长最大为7.1%。植被覆盖度＜20%的地块面积减少，由原来的37.7%减少为19.1%。这表明造林封育可以极大地提高植被覆盖度。

3.1.2 不同立地类型生态恢复区的植被盖度变化

不同立地条件类型的区域，造林封育区的植被盖度都有大幅度的提高。由图2可以看出，提高幅度以干旱石砾河滩沙棘生态经济林营造区的最大，盖度提高了81.8%，弃耕地次之，干旱荒坡最小。

图1 植被盖度变化下的土地面积变化比例Fig.1 Changes of forest land area with changes of vegetation coverage

图2 不同立地类型植被盖度变化Fig. 2 Changes of vegetation coverage with variation of site type

3.2 造林地封育对物种变化的影响

祁连山自然保护区地处林牧、农牧交错带，湿寒与干热的过渡带，是一个典型的抗干扰能力弱、改变速度快和恢复原状可能性小的生态环境脆弱带。物种更替或群落更替是一个不间断的逐步替代过程,旧物种(或群落)尚未完全被取代之前,新物种（或群落）早已在其中出现[16-17]；在演替过程中，物种多样性（丰富度）总是在不断变化的，物种多样性随演替逐步增加[18]。经对26 a的造林地封育效果调查，造林地封育有利于增加物种多样性，在相同立地条件下造林地封育区与对照区相比较，造林地封育区造林前被挖尽的黄芪 Astragalus membranaceus (Fisch)）、远志Polygala tenuifolia Willd、羌活Notopterygium incisum等物种相继出现。利用调查资料通过物种丰富度计算得知，造林地封育区较对照区物种多样性指数可提高31.9%。由此说明，造林地封育能够增加物种多样性。

3.3 造林地封育对主要造林树种的空间格局与种群更新动态的影响

以祁连山区主要造林树种青海云杉Picea crassifolia为例进行了分析，利用调查资料计算得知，S2＝17.3，M＝11.4，故S2＞m，说明青海云杉种群造林封育后，随着时间的延长，其种群分布逐渐呈现为群聚分布，这样证实了理论结果与自然分布结果的一致性。

3.4 造林地封育对林地生产力的影响

植被观测因子（如盖度、生物量等）的动态变化是植被生产力变化的重要反映[19]，通过对造林封育区连续的调查，在造林地封育20 a时，封育区营造的乔灌混交林已基本郁闭，形成了良好的复层结构，极大地提高了森林的生态功能。乔木层的青海云杉、华北落叶松平均高180～300 cm，年新梢生长量20～100 cm；灌木层的高山绣线菊Spiraea alpina Pall.、灰栒子Cotoneaster acutifolius Turcz.、 鲜 黄 小 檗 Berberis diaphana Maxin.、银露梅 Potentilla glabra Lodd.等分别由造林前盖度30～40%，平均高40～50 cm提高到盖度80～90%，平均高100～200 cm，林地凋落物量增大了27～43%。

3.5 造林地封育对林地生物产量的影响

为了探讨造林后封育对生物多样性的影响，在封育和未封育的造林地上，按照随机抽样法，布点设置1 m×1 m的样方，为保护原有植被采用人工剪取植物地上部分枝叶的办法，进行了不同立地条件下的饲草生物量调查，结果表明，E、W向坡在封育与半封育条件下饲草生物产量差异较大，分别是对照的2.22倍和2.14倍。因此，造林后封育可极大地提高造林地的生物量。

3.6 造林地封育后衰退灌丛群落的恢复分析

造林地实行封育，利于促进造林树种的生长发育，加速衰败灌丛群落的进展演替，提高林地生物量。为探讨造林地封育后对衰退灌丛恢复的影响，我们以山丹柳灌丛为例，进行了封育后山丹柳灌丛的恢复研究与数学模型建立，并进行了最大持续产量的模型分析。

3.6.1 山丹柳灌丛的恢复与模型建立

利用山丹柳灌丛封育区与对照区设置的固定样地连续观测资料，进行了恢复模型的建立和分析。

在山丹柳灌丛中，假定萌生率B与枯死率D二者与种群大小成正比，即r＝B－D为种群纯自然增长率，则可得到：dm/dt=rm[20]。

上式为环境条件不影响柳灌丛增长率时的种群增长连续时间模型。在实际中随种群水平的增加，环境变量会迫使自然增长下降，为了模拟此过程，上式可以改写为：

dm/dt=r(m)t。（1）

式（1）中r(m)t是m的减函数，自然增长率r(m)=F(m)/m， 当 r(m)=r(1-m/k)时，（1） 式可 变 为： dm/dt=rm(1-m/k)=F(m)。 对 上 式 通 过分离变量并积分：得，两边取对数并令得：m=(k-m)en/C，移项得出：

式(2)就是Logistic方程，因此我们可以用式(2)模拟山丹柳灌丛封育后连续生物量。式中K为环境容纳量，利用样地资料回归计算得出： K＝47 897 kg/hm2，对样地观测值用计算机处理后得到山丹柳灌丛封育后生物量变化的Logistic模型：m(t)=47 898/(1+e2.647 5-0.321t) ，R2=0.97。m(t) 为 封 育后第t年时山丹柳灌丛地上部分生物量总和，t为封育年限，R为相关系数，根据模型运算结果，衰败山丹柳灌丛的特征返回时间为3.2 a，封育后15 a内每3～4 a现存生物量增大一倍。

3.6.2 最大持续产量模型分析

衰败灌丛恢复最大持续产量的分析，对于生物多样性的保护、利用是有及其重要的作用。

根据生态数学原理对式（2）求导得： F′(m)=r(1-2m/k)，令 F′(m)=0 得再对式（2）求二次导数，得。由极值判断法可知，环境容纳量达到一半时（即）时，有极大的持续产量与实测值 4.05 t/hm2基本相符。由此说明，山丹柳灌丛的利用量大于3.724 t/hm2时，原有稳定的灌丛生长速率就会下降，群落也会随之退化。

3.7 造林封育区土壤质量评价

土壤质量密度是土壤物理性质一个重要指标[21]。土壤质量是受多种因素影响的较为复杂的综合性状。本研究对土壤质量评价具体计算公式见下：

A：如果指标与土壤质量成正相关，则x(u)＝（x － xmin）/（xmax－ xmin）；

B：如果指标与土壤质量成负相关，则x(u)＝1 －（x － xmin）/（xmax－ xmin）。

式中：x为各指标的实测值；xmax和xmin分别为5个样地的土壤对应指标的最大值和最小值。

将各指标的土壤质量隶属函数值累加起来，求其平均值，平均数越大，土壤质量越好。

从表1可以看出，不同造林类型土壤综合评价排序为①＞③＞②＞④＞⑤。即青海云杉＋落叶松混交林＞山丹柳灌木林＞青海云杉灌木混交林＞沙棘林＞灌木混交林。由此说明，不同造林类型对于土壤质量的影响是不同的，同时与土壤分布的生境和自然植被的分布有很大的关系。

表1 不同造林类型土壤质量综合评价（隶属函数法）Table 1 Overall evaluation of soil quality with afforestation types by subordinate function

4 结论与讨论

（1）造林地封育可以增加和促进物种多样性的良性发展，增加植物种群数量,封育区较对照区物种多样性指数可提高31.9%。造林封育区内林草植被盖度＞40%、30%～40%、20%～30%的地块面积分别由原来的15.6%、18.9%和27.8%增加到21.4%、25.6%和34.9%。植被覆盖度＜20%的地块面积减少，由原来的37.7%减少为19.1%；不同立地条件下封育后植被盖度明显提高，干旱荒坡、石砾河滩、疏灌坡和弃耕地植被盖度分别提高了75.3%、48.8%、15.6%和12.2%。

（2）造林极大地提高了林地生产力。造林地封育区灌木层植被盖度由造林前的30～40%提高到80～90%，平均高由造林前的40～50 cm增加到100～200 cm，林地凋落物量增大了27～43%。造林地封育有利于提高林地饲草生物量，E、W向坡造林后封育，地上饲草生物量较对照分别提高2.22倍和2.14倍。青海云杉造林封育后，随着时间的延长，其种群分布逐渐呈现为群聚分布。

（3）以山丹柳为主要建群种的衰败灌木林地，造林封育后灌丛迅速恢复，封育后3～4 a增大一倍，特征返回时间为3.2 a。环境容纳量达到一半时，具有最大的持续年生产量3.724 t/hm2，与实测值基本相符；利用量大于3.724 t/hm2时，原有稳定的灌丛生长速率就会下降，群落也会随之退化。

（4）采用隶属函数评价法对祁连山造林封育区不同植被类型的土壤质量评价结果表明，不同造林类型的土壤质量按优劣顺序排列依次为青海云杉+落叶松混交林＞山丹柳灌木林＞青海云杉灌木混交林＞沙棘林＞灌木混交林。

综上所述，造林地封育具有改善环境、提高林地生产力的作用，但由于祁连山浅山区干旱的气候环境和人为活动频繁，极大地抑制了林地生物量增大和生产力的提高。为了有效提高林地生产力，减少不利因素的影响，封育措施既能提高造林地生产力又可是自然植被恢复速度加快。本项研究虽然只涉及了林地生物量、生物多样性和土壤质量等方面，但其研究成果对于研究人工林的空间结构、涵蓄水源、健康评价等方面提供了参考，也有待于日后进一步探讨和研究。

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Effects of closing hillsides for forestation in Qilian mountain area

MENG Hao-jun1, ZHANG Hong-bin1, XU Bo-lin3, LΙU Jian-xun2, LΙ Bing-xin1, CHENG Cai-xia1
(1. Academy of Water Resource Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China; 2. Zhangye Academy of Agricultural Sciences, Zhangye 734000, Gansu, China; 3.Shandan Country Dahuangshan Forest Farm, Shandan 734100, Gansu, China)

By adopting the method combining f i eld investigation and indoor analysis, using the 26 years survey data of closing hillsides for forestation in Qilian Mountains, the effects of forestation land enclosure on species diversity, forest biomass, soil quality with different afforestation types of the studied area. The results indicate that the species diversity index of land-closed for forestation was higher than the control by 31.9%; the forest land areas with forest-grass cover degree larger than 40%, 30% ～ 40% and 20% ～ 30% increased from the original 15.6%, 18.9% and 27.8% to present 21.4%, 25.6% and 34.9%, respectively; the forest land areas with vegetation coverage less than 20% decreased from the original 37.7% to present19.1%; the vegetation coverage of shrub layer rose from 30%～40% to 80%～90%, the average height of shrub increased from 40～50 cm to 100～200 cm, the amount of litters in woodland increased by 27% ～ 43%; the forage biomass on east and west slopes increased 2.22 and 2.14 times than the control, respectively; After the plantation of Picea crassifolia, the population showed an aggregated distribution; The soil quality with different planting types ordered as foloowings∶ Picea crassifolia + mixed forests of larch > Willow shrub > mixed forests of Picea crassifolia and shrubs > seabuckthorn forest > mixed forests of shrubs; After closing hillsides for forestation, the Salix shrubs stand increased biomass 1 time per 3～4 years, the characteristic return time was 3.2 years, when the carrying capacity was up to half, the maximum continuous annual production capacity appeared being 3.724 t/hm2; when the utilization quantity was larger than3.724 t/hm2, the original stable shrub growth rates would fall.

Qilian Mountains; forestation f i eld; land-closing; effects of closing hillsides for afforestation

S718.54+1

A

1673-923X(2013)12-0022-05

2013-04-11

国家科技支撑计划课题“祁连山水源涵养林生态系统保育技术试验示范（2012BAC08B02）”和“山前脆弱生态系统恢复与水土保持技术示范（2012BAC08B05）”共同资助

孟好军（1964-），男，甘肃张掖人，高级工程师，主要从事森林生态和湿地生态恢复等方面的研究；

E-mail：shymenghj5619@126.com

[本文编校：文凤鸣]