宁夏六盘山华北落叶松人工林植被碳密度时空特征及其环境响应

【目的】调查分析宁夏南部六盘山区华北落叶松人工林乔木层、灌木层和草本层碳密度大小及其时空变化规律,建立考虑立地环境和林分结构等主要因子影响的碳密度模型,为我国西北山区复杂地形条件下人工林碳密度估算和可持续经营提供理论基础和决策工具。【方法】采用样地清查与数学模型相结合的方法确定研究区华北落叶松人工林乔木层和林下灌草层碳密度;应用外包线法确定各植被层碳密度对各主要因子(林龄、林分密度、年均降水量、年均气温和坡向)的响应规律及其函数形式,通过连乘耦合构建反映多因子综合影响的植被碳密度模型,并基于实测数据进行模型率定和检验。【结果】1)六盘山区华北落叶松人工林植被碳密度平均为46.82 t·hm^(-2),其中乔木层占94.92%,灌木层和草本层分别占4.76%和0.32%。2)乔木层碳密度随林龄、林分密度、年均降水量增大先快速增加、超过阈值后缓慢增加并渐趋最大值,相应阈值为林龄30年、林分密度1500株·hm^(-2)、年均降水量525 mm;随年均气温增加先增后减,6℃时达到峰值;随坡向增大(正北为0°,随向两侧偏离正北方向的角度而增大)呈近线性降低。3)林下灌草层碳密度随乔木层碳密度增加近线性减少,随年均气温、年均降水量和坡向的变化规律与乔木层相同,相应阈值同样为年均气温6℃、年均降水量525 mm。4)多因子耦合模型可较好估算乔木层和林下灌草层碳密度变化,其R^(2)分别为0.8和0.7。5)根据模型模拟结果,华北落叶松人工林植被碳密度随海拔升高先增后降,垂直差异较大,最高分布范围在海拔2200~2400 m之间;受地形和气候影响表现出一定的水平差异,西高东低、南高北低;阴坡植被碳密度高于阳坡,其中乔木层相差约20%,灌草层相差可达1倍。【结论】宁夏六盘山华北落叶松人工林植被碳密度平均为46.82 t·hm^(-2),以乔木层为主,受立地环境(年均降水量、年均气温、坡向)和林分结构(林龄、林分密度)的多因子综合影响,林下灌草层碳密度受乔木层生物量影响,应用多因子耦合模型可较好解释并预测其时空变化;合理选择造林立地类型和林分密度有利于维持较好的华北落叶松林植被碳密度和层次组成。

黄土高原和六盘山区的林水协调多功能管理

【目的】面对实施黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略、推进“山水林田湖草”系统治理的国家要求,黄土高原等旱区的林业发展和植被恢复必须改变传统方式,增加考虑水资源的限制和对水资源的影响,关注森林的多种功能优化,探索如何克服长期存在的忽视水资源承载力、造林成活率低和生长不良、减少河川径流危及区域供水安全、整体功能低下等问题,实现森林多功能性的整体提升。【方法】针对深入理解林水关系和进行森林多功能管理的科技需求,自2000年以来在黄土高原的泾河流域和作为黄土高原区域重要水源地的六盘山土石山区,围绕“结构”、“格局”、“过程”、“耦合”、“尺度”等关键内容,在从单株到区域的多个空间尺度上,采用观测对比、统计分析、模型模拟等多种手段,长期开展旱区森林生态水文和多功能管理研究。【结果】1)林业高质量发展的本质是森林多功能优化的定量精准管理,为此需深入理解和准确量化立地环境与林分结构对多种功能形成的影响,在考虑多种功能的相互作用和供需关系基础上明确各功能的重要性差异,通过科学设计和合理调控森林的数量、质量(结构)和空间格局而权衡优化相互竞争的多种功能,在保证森林本身稳定的前提下尽可能同时满足对主导功能及其他功能的需求。2)提出了旱区林水协调多功能管理的实现途径,即在管理决策时除继续考虑可造林土地面积、立地质量、可用造林苗木等限制外,增加水资源管理及多功能管理的决策内容,并嵌入到传统的森林单功能经营决策过程中,这涉及流域森林覆盖率(造多少?)、森林空间分布(在哪造?)、植被类型和树种组成(造什么?)、林分结构(怎么管?)4个决策层。3)按决策层梳理总结了相关技术成果,在确定黄土区流域合理森林覆盖率方面,将仅考虑年降水量限制的潜在森林覆盖率提升为同时考虑降水量与产流要求限制的合理森林覆盖率,这可藉助于有关统计关系及率定过的流域水文模型模拟;在确定流域内的森林合理空间分布方面,提出相关决策需增加考虑立地类型的产流差别及其造林响应,这可借助于分布式流域水文模型模拟结果或研发的区域植被承载力计算系统;在林分尺度的森林多功能管理方面,提出了5个决策步骤,即进行立地质量分类、确定各地类的主要功能及优先性、调查现有林分结构特征、诊断现有林分的结构与功能、编制面向结构与功能的管理计划;为给森林多功能管理提供参照和目标,提出了不同详细程度的多功能水源林理想结构,包括表示为“3×0.7+X”的一般化理想结构(郁闭度0.7左右,0.6~0.8;地表覆盖度0.7以上;林木高径比0.7 m/cm以下,至少不超过0.9;X表示其他要求)、通过权衡多种功能和林分稳定的需求而确定的华北落叶松中龄林多功能合理密度、基于主要功能的变化规律和重要性排序而确定的不同海拔和林龄时的华北落叶松林多功能合理密度。【结论】本文证实了林水协调多功能管理的理论先进性和技术可行性,是旱区林业高质量发展的可行途径。通过深入认识和定量分析森林多种功能的变化规律,结合应用本文提出的管理技术,就可以科学设计和合理调节森林的数量(覆盖率)、质量(结构)和分布格局,整体提升森林的多种功能,更好地满足社会发展需求。但是,现有成果还有局限性,仍需针对各地情况开展更多理论与技术研究,助力“山水林田湖草”生命共同体治理及黄河流域生态保护和高质量发展。

黄土高原刺槐人工林立地指数变化及评价

【目的】在黄土高原研究刺槐人工林优势木平均高及立地指数(基准林龄15年时优势木平均高)对气候和立地因子的响应,建立模型评价立地质量。【方法】对样地调查及文献搜集数据,用外包线法确定优势木平均高的单因子响应规律和适宜函数形式,然后建立多因子耦合模型并用实测数据率定,籍此评价立地指数空间差异。【结果】地形部位对优势木平均高的影响差异较大,相对得分表现为沟底1.000>塬面0.906>梁坡下部0.837>梁坡中部0.438>沟坡0.210>梁坡上部0.176>梁峁顶0.000。当年均降水量小于550 mm时,优势木平均高随年均降水量升高快速增加,之后渐趋平缓;优势木平均高随年均气温升高呈先增后减,最适范围是7.5~11.0℃。建立了耦合气候和立地因子影响的优势木平均高模型,拟合度较好(R^(2)=0.72)。依据对优势木平均高的影响,将年均气温和降水量都分为4级(<6.0℃,太冷,不能生长;6.0~7.5℃,冷,不宜或较宜生长;7.5~11.0℃,温,最宜生长;>11.0℃,暖,较宜或不宜生长。<400 mm,太旱,不能生长;400~450 mm,旱,不宜生长;450~550 mm,润,较宜生长;>550 mm,湿,最宜生长),据此确定了黄土高原不能刺槐造林的区域,提出了可刺槐造林区域的气候分区,其中温湿区、温润区、暖湿区和温旱区的平均立地指数均为中等或以上(>7.5 m),宜于刺槐生长;但冷旱/润区和暖润区立地较差,整体不宜刺槐生长。对各气候分区,计算了各立地类型(地形部位与坡向的组合)的立地指数,评价了立地质量。【结论】黄土高原刺槐人工林的立地指数同时受气候和立地因子影响。综合考虑这些影响的气候分区和立地评价可以指导精细的刺槐造林立地选择和林分科学经营。

宁夏六盘山北部华北落叶松林树高与胸径生长的多因子响应耦合模型构建

【目的】分析宁夏六盘山半干旱区叠叠沟小流域华北落叶松人工林林龄、密度和主要立地因子对树高和胸径生长的影响,建立树木生长的多因子响应耦合模型,为该地区华北落叶松人工林生长预测和可持续经营提供理论依据。【方法】2018和2019年,在六盘山半干旱区叠叠沟小流域分别选择42和57块华北落叶松人工林样地,调查树高、胸径、林龄、密度等林分结构特征以及坡向、土壤厚度等立地因子,并收集2003—2017年在叠叠沟小流域调查的93块样地历史数据。基于192块样地数据,分析树高和胸径对林龄、密度、坡向、土壤厚度等因子的响应规律,利用2/3和1/3的数据建立和验证树高与胸径生长的多因子响应耦合模型。【结果】树高和胸径对林龄、密度、坡向、土壤厚度的响应规律各异;树高和胸径随林龄增加先快速增加,后在林龄超过20年时缓慢增加;树高和胸径随密度增加先表现为稳定,后在密度分别超过2000、1500株·hm^(-2)时缓慢下降,在密度超过3000、2300株·hm^(-2)时加快下降;树高和胸径随坡向偏离正北方向的角度增加先表现为稳定,后在坡向超过80°时迅速降低;树高和胸径随土壤厚度增加先表现为增加,后在土壤厚度分别超过90、80 cm渐趋稳定。基于连乘耦合、立地指数和立地因子3种林木生长模型表达式,建立树高和胸径响应林龄、密度、坡向、土壤厚度和立地指数的耦合模型并拟合模型参数;树高模型的确定系数分别为0.804、0.902、0.806,NS系数分别为0.793、0.903、0.762;胸径模型的确定系数分别为0.846、0.803、0.834,NS系数分别为0.837、0.840、0.818;3种模型拟合效果均较好。【结论】宁夏六盘山半干旱区华北落叶松人工林树高和胸径生长随林龄、密度、坡向、土壤厚度增加分别表现为先快后慢增加、先稳定后下降、先稳定后降低、先升高后稳定,建立的连乘耦合、立地指数和立地因子多因子耦合模型精度均较高,但鉴于研究区尚未确定立地指数分布规律并综合考虑各模型精度、应用难度、结构复杂程度差异,建议采用多因子连乘耦合模型预测华北落叶松人工林树高和胸径生长。