经济、生态、社会——多目标条件下的人工林配置研究

马搏，毕润成

山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041000

随着近几年气候变暖，环境恶化，自然林园的破坏不断加重.固碳是解决目前气候变暖、环境恶化的主要手段.科学家经研究发现，通过人工林的配置，可以很好地解决固碳问题，并且弥补了当前自然林园被破坏的现状[1].在当今，人工林是自然森林的一个重要组成部分，具有较高的生态效应和经济效应，但是人工林的配置在我国的研究还属空白，全球各国对于人工林配置的研究和践行都存在着不小的差异[2].其主要原因是我国在人工林配置方面缺乏理论指导，并且市场空白，不能发挥其经济效益和社会效益.在此背景下，如果不进行人工林的配置研究，会使得人工林的配置成本较大化，效益趋零化[3].

在人工林配置研究中，应立足于多目标的角度，发挥其社会效益、生态效益、经济效益[2]，在提高固碳能力的前提下发挥其价值.但是人工林的配置受到多因素的干扰和限制，比如土壤类型、物化性质、区域的生态环境、气候条件等.因此，在这种条件下，要进行物种的引入以及改土工作等等[4].经实地考察，以山西省临汾市翼城地区为例进行研究，详细记录了气候、经纬度、物种丰富度等多组数据，旨在为人工林配置研究提供一定的理论基础.

1 研究方法及材料

1.1 研究区概况

临汾市翼城县位于山西省南部，地处黄河流域和汾河之间，地理坐标为北纬35°23′～35°52′，东经111°34′～112°03′.东西跨度44 km，南北跨度大约53 km，东北南以群山地势为主，中西部为平坦地势，整体由东北向西南走势倾斜，翼城地区的气候具有一定的优势，主要是日照时间长，纬度低，并且是四季分明的季风气候，同时它具有充沛的雨水量，是山西省光照和雨水最为丰富的地区.地处黄河流域，水文条件较好，全年日照时间为2 400 h，无霜期为190 d左右.

1.2 调查方法

结合目前国际上对森林生态学研究的方法，选择植被保护较好、人类干扰较少的区域，选择具有代表性的两个样地：人工杂木林和侧柏纯林，分别设置两块10 m×100 m的典型样地，采用网格法，将样地划分成10个10 m×10 m的样方，在每个10 m×10 m的乔木样方内做2个5 m×5 m的灌木样方，4个1 m×1 m的草本样方.记录树种的种名、树高和冠幅、生长状况.并调查记录小样方内所有木本植物的种类，同时记录各样方的生境特征，如海拔、坡度、坡向、经纬度、枯枝落叶层厚度[5]等.

1.3 数据分析

(1)辛普森多样性指数的计算

(1)

(2)香农-维纳指数的计算

(2)

利用 Origin 软件完成成图.

2 结果与分析

2.1 人工林的稳定性评价

翼城地区的人工林覆盖率并不是十分广阔，人工林的建设质量也一般，所以，人工生态系统稳定性自然也是处于一般水平.在翼城地区，其人工林的构建主要是注重木材产量，但经济效益不明显，效益体现较差.翼城地区具有地理的优势和气候的优势，土壤肥沃有力，在数据资料查阅中显示，翼城地区的人工林在经营期间，土壤肥力持续下降，物种也持续减少，产量也随之下降.主要原因是翼城地区的人工林配置过程中对其他物种引入的忽视，或者过度重视经济的收益化.在自然系统配置中，翼城地区的人工林主要是忽略了乔木层、灌木层和草本层之间的协调配置，导致物种的多样性减少，单一物种的多年种植，肥力自然下降，稳定性较差.当然翼城地区的人工林的稳定性依然受物种丰富度、林龄等因素的影响.物种丰富度用S表示，林龄用a表示[4].将林龄作为一个研究指标，主要是因为人工林构造初期，植被的郁闭度较小，尤其是灌木和乔木，不会因为阳光的资源形成竞争，所以整个生态体系的形成较快，但是随着林龄增大，就会受到阳光的一些原因，慢慢地就会出现多样性下降.通过翼城地区的侧柏纯林相关数据，利用优劣势指数(SP)和香农-维纳指数(SW)进行区域的人工生态系用多样性研究[6，7].

由表1可知，在分株行距不变的情况下，随着林龄的增加，SP指数越来越高，表示该区域的物种数量减少，同林龄的前提下，SP指数值受到分株行距的影响，行距越大，指数越大.SW指数随着林龄的增加，呈现规律性的变化，即一开始逐步减少，后来逐步增加.在表1的基础上进行区域物种的SP指数比较和SW指数比较，为后文的人工林配置物种选取做理论支撑[8].

表1 侧柏纯林(侧柏)SP-SW指数表Tab.1 SP-SW index table of Platycladus orientalis pure forest

表2 杂木林主要物种的SW-SP指数表Tab.2 SW-SP Indices of Major species in Miscellaneous Forest

2.2 黄土沟壑地区的人工林配置

翼城地区有丘陵和平原，丘陵地区的沟壑环境导致的水土流失较为严重，海拔在900 m到1 100 m之间.基于此，虽然气候及地形因子适合作物生长，但是在地貌特点上，却约束了这一点，所以，在15°及其以上的坡度，应该种植大面积果树乔木和具有经济价值的草本，将该坡度的土地设置成梯田形式，分段种植梨树、苹果树、桃树和枣树等果树[9].草本层种植丹参(Salviamiltiorrhiza)、黄芩(Scutellariabaicalensis)等等，起到固土固氮作用，坡下平缓地区种植农作物，坡上的平缓地区种植刺槐(Robiniapseudoacacia)、多花胡枝子(Lespedezafloribunda)等.当坡度在25°以上的时候，以灌木种植为主草本为辅，如沙棘、荆条(VitexnegundoL.var.heterophylla)和天门冬(Asparaguscochinchinensis)等草本.天门冬作为翼城地区较为常见的草本，在灌木和草本植物交错种植时以2 m×4 m的形式序列式展开[10].天门冬较为高壮且枝叶发达，可以抵抗水土流失和风沙，并且可以固土护坡.且天门冬是较好的中药材，具有一定的市场前景，可以实时采挖，获取经济效益.沙棘具有抗风沙、耐旱、保土能力，在天门冬采挖后有沙棘、荆条等灌木护土可以保证次年天门冬的种植环境.在翼城地区，地势走向多为坡度25°以上，就整体而言，应选取沙棘等耐旱、保土能力较强的植物为主，同时沙棘是层下生物量丰富的一个植物，结合数据分析如图1.

从生物多样性的角度以及生态系统稳定性来看，随着沙棘树龄的增加，层下生物种类也越多，沙棘在翼城地区最具有推广种植的价值即具有生态效益.但是沙棘在人工林的度配置过程中应当分情况进行研究.本论文对处于沟底、沟坡和沟顶(梁峁顶)的沙棘进行研究.沙棘的生长条件和其层下生物量的关系见图2.

从图2中看，沙棘应该在沟底处种植，但是从生态效益的角度来说，应该种植于沟顶(梁峁顶)，这样可以最大程度的保持水土不流失，然后在沟底配合其他灌木及草本一起种植对人工林进行配置[11].

图1 草本层下生物量与沙棘标准层下生物量比较图Fig.1 Comparisonmapofbiomassunderherblayerandlayerofseabuckthom图2 沙棘标准木层与草本层在不同立地类型上生物量对比图Fig.2 Biomasscomparisonbetweenherblayerandlayerofseabuckthornindifferentsitetypes

2.3 黄土谷底低洼地区的人工林配置

在低洼谷地地区进行人工林的配置，首先应该将低洼或者谷地处的土壤整平，然后以草本和乔木层为主进行种植，灌木的投入会使其剥夺养分，在雨季前整地为最佳时机，草本可以选取葎草(Humulusscandens)，天门冬，但是对于乔木树种要进行物种引进，不应该使用本地物种，主要原因是收益小，当然本地有特色乔木也可以大规模种植[12].葎草是一味具有较高价值的中药材，尤其果穗，具有代替啤酒花(Humuluslupulus)的效果，是市场需求的热门产品.天门冬的价值上文中已经阐述过，葎草和天门冬都是翼城的本地植物，尤其是葎草，在农药盛行的今天，已经很难见到，其大多生长在谷地和低洼处.乔木可以选择金丝垂柳，叶冠大，抗风沙能力强，市场需求高，或者选取相思树和油松.相思树是外来引进物种，在人工林配置过程中，缺乏实证的数据检验，无法研究其相关指标，如存活率，优劣势等等，所以可以考虑本土的常见乔木——油松.油松的经济效益相当可观，尤其是树干粗壮，有效抵挡风沙，喜欢扎根深土层，排水性较好，所以可以通过种植油松配合其他乔木配置人工林.一般乔木层的存在会剥夺土地养分，提高土壤容重，不利于其他草本层的生长，但是通过对土壤干湿重比，有机制含量等等几个指标的数据分析.研究发现，油松作为乔木层，层下土壤容重是一个降低的过程，并且随着树龄越大，越适宜其他草本层的生长[13](图3).所以在此模式下，可以将油松作为主要的乔木层进行人工林配置，同时以混交的种植形式进行种植，如果获取树苗收益，可以以2 m×2 m的形式种植，如果以出售树干为盈利，考虑到后期的郁闭度问题，可以放宽到2 m×4 m的种植形式.草本层如果是葎草，可以降低植株行距，葎草在背阴地区也是适合生长的，不影响其产量[14]，但是如果是天门冬，就应该适当放宽行距，如果是天门冬和葎草同时种植，就要根据种植的位置，进行变换行距[14].

图3 不同土质下油松层下的土壤容重和树龄关系图Fig.3 Relationship between soil bulk density and tree age of Pinus tabulaeformis under different soil quality

3 结论

本文以临汾翼城地区作为研究对象，进行人工林的配置研究，其主要原因是该地区具有地理、水文等方面的研究代表性，人工林作为自然森林的一个补充部分，在环境日益恶化的今天，具有不可替代的作用，人工林的配置主要要考虑区域自身的特点，物种的合理配置、种植关键的改造和种植技术的运用，在最小的投入下，发挥其特有的社会效益、经济效益和生态效益[15].

所以在人工林配置的问题研究上，并不是单一的结论性，要充分考虑到地区的环境和人文.考虑到地方的地势、水土、市场需求，甚至于技术手段等等，同时还要结合动植物的生态规律及其适应性以及自身的价值最大化，包括考虑动植物的协同作用、比例结构等多个方面综合考量才可以依据实地需求进行合理的人工林配置.