基於樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風林的方法與流程
2023-05-04 05:46:36 1
本發明涉及一種山地森林生態修複方法，特別是基於樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風林的方法。
背景技術：
我國大陸海岸線長達1.834萬㎞，海岸帶面積31億hm-2，佔全國土地總面積的3.2％。海岸帶地區經濟發達，城市化水平高，人口密度大，是帶動我國經濟社會快速發展的「火車頭」。同時，該區又是自然災害多發的區域，常面臨颱風、鹽脅迫和風暴潮等威脅。世界著名的風工程專家A·GD ayenport依據聯合國的統計分析指出：約50％以上的自然災害與風相關。尤其在我國東南沿海地區，常年受到海洋性季風影響，夏秋季多遭受颱風襲擊，會給沿海地區帶來經濟損失、生態環境破壞等嚴重後果。海岸防風林是防護林體系中的重要組成部分，不僅具有防風固沙、保持水土、涵養水源、過濾海鹽的功能，還可以降低風速、抑制風害、美化人居環境，對於維護沿海地區生態安全、人民生命財產安全和工農業生產安全具有重要意義。
海岸山地防風林是指巖質海岸第一道山脊的臨海一面坡的防風林。從平面分布上它位於海岸消浪林和泥質海岸基幹林帶之後的防護林，在垂直高度來說是第一道迎風面的防護林。山地防風林具有分布面積廣、立地環境多樣、生物多樣高、生產潛力大、滯風削風效果好等特點，它是防護林體系中的防風主力軍，也是萬裏海疆的綠色環境「過濾器」。
據大量文獻檢索，目前海岸防風林的研究主要集中在防風林的樹種篩選(李信賢，2001；李成等，2002)、林分更新與改造(許景偉等，2003a；徐俊森，2005)、生物量和生產力(徐叨心等，2004；許景偉等，2005；陳勝，2007)、物種多樣性(許景偉等，2004)、生態環境效應(梁珍海等，1994；謝平等，2001a；張金池等，2001)、土壤理化性質(張瑜斌等，2001)和林業經營管理等方面，但關於浙江海岸防風林地帶性闊葉種群結構優化配製尚未涉及，尤其是以樹木功能性狀篩選適生抗性物種和指示優化結構的防風中幼林撫育改造技術仍為空缺。從大量海岸防護林中調查得知，現存防風林樹種組成單一、結構簡單、病蟲害多、生產力低下、森林防護效能弱。生態環境雖經多年治理，但隨氣候變暖和能源、石化工業等工程建設的環境幹擾，其惡化趨勢至今尚未得到根本扭轉。海岸防風林的生態環境脆弱，營造林困難，投資大，經營管理複雜，已成為海岸防風林經營的一個難點。因此，開展海岸防風林生態修復工作顯得刻不容緩。
森林防風生態服務功能的發揮主要是通過影響地表粗糙程度和森林的群落結構特徵而起到防風的效果(陳波，2008)。即當氣流運動經過林地時，氣流被植物枝葉阻擋，它們之間產生的阻力使氣流被摩擦、碰撞、分散，從而使氣流方向改變、風的動能被削弱(Torita&Satou，2007；賀芳芳，2007)。對於人造防風林的研究發現，林帶越高，徑粗根深，樹冠高大，則林帶的防風距離越大，影響風的削弱範圍就越廣；但寬而緊密的林帶，其防風效果卻很低，但提高林冠的疏透度，可在一定程度上增加森林防風效能(李恭學等，2012)。由此可知，森林群落的結構特徵已表現出在指示森林防風生態服務功能上的意義。因此，林木功能性狀可簡便診斷森林防風功能，在實踐中可以藉助功能性狀能夠反映林木的抗環境脅迫特性，篩選適生抗性物種和指示優化結構，評價群落結構和生態系統特徵，已逐漸發展成為一個嶄新的理論和方法。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決上述現有技術的不足而提供一種基於樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風林的方法，以提高防護林中功能樹種數量、生長速率、恢復過程，減少病蟲害，並增加生物多樣性。
為了實現上述目的，本發明所設計的基於樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風林的方法，包括以下步驟：
步驟一，根據海岸山地防風林生態系統具有的典型性、脆弱性和多變性及廣泛的生物多樣性特徵，結合山地的南北走向將海岸山地首先劃分為擊風區和阻風區兩個區域，然後在阻風區中再依次劃分坡面、坡谷和山脊三個立地小區域；
步驟二，在步驟一所述的不同立地小區域內，同時測量林外和林內的日平均風速，計算不同離岸距離上的風速削減係數，定量評估各小區植物的抗風能力。
步驟三，根據各立地小區域內不同防風植物的分布數量與生長狀況，篩選出潛在優勢防風植物，然後測定各立地小區域上潛在優勢防風植物的基徑、樹高、葉片大小、葉乾物質含量、比葉面積、葉稠密度、葉片厚度、葉柄長度、乾材密度、冠長比和冠徑比11項因子來作為植物功能性狀評價指標；
步驟四，在上述步驟三中篩選出的不同立地小區域的潛在優勢防風植物中，依次分析小區域潛在優勢防風植物構型形態特徵和生理特徵與群落風速削減係數的相關性，明確不同離岸距離上植物功能性狀對防風效能的響應模式，診斷植物的防風效能；
步驟五，綜合考慮小區域中的潛在優勢防風植物，以植物的樹高、比葉面積、葉片乾物質含量、冠長比及葉稠密度作為主導功能特徵來綜合評判植物抗風能力，接著利用逐步回歸統計建立風速削減係數與群落功能性狀的耦合模型，從而篩選具有防風能力的功能目標物種庫；
步驟六，結合植物分布規律和生長偏好特徵，採用層次分析法計算各樹種的防風能力特徵值，按照直接排序法來初步篩選抗風物種，最後根據植物生長偏好特性，篩選出坡面、坡谷和山脊三個不同立地環境下的防風功能目標樹；
步驟七，根據步驟六篩選的各小區域防風功能目標樹，為不同類型小區配置合適的喬木和灌木植物組成，提出撫育、間伐、補植功能目標樹和後期功能目標樹的培育管理，最終形成海岸防風林，達到整個海岸山地防風地域生態恢復的目的。
其中步驟一所述的擊風區的年平均風速大於3.6m/s，阻風區的年平均風速小於3.5m/s。
在步驟一所述的擊風區上地段設置風障植物，對主風向處設置V型尖角和斜面種植設計。採用尖角狀密植硬木類植物以對正面逆對強風；以斜面林帶改變風向、化解風力，減少風口地段強風對防風林正面衝擊破壞，人工營造尖角小於90°或菱形狀結構。
在步驟三中分別對20m×20m樣方內樹高大於1m的所有木本植物進行每木調查，記錄物種名稱和多度，測量植株基徑、胸徑、樹高、枝下高、葉下高和冠幅構型性狀，同時調查立地的經緯度、海拔、坡向、坡度、土壤類型作為生物特徵評價指標；
在步驟四中分別測定各樣地內所有木本植物葉片厚度、葉柄長度、葉柄直徑、葉片大小、葉片質量、末梢枝幹重和葉片數、乾材密度功能性狀特徵，作為評價森林防風效能與功能性狀的變化指標。分別測定與分析隨海岸距離自然防風帶上海拔、坡向、坡度、平均風速、風速削減係數、植株密度、鬱閉度、豐富度，作為評價植物功能性狀與防風效能的特徵指標。
對於步驟七中所述的首次透光伐撫育後喬木層胸徑大於5cm的喬木植物每公頃密度大於2575株；灌木層每公頃密度大於2000株；其中防風功能目標樹的樹種密度在喬木層和灌木層中分別佔總株數的80％以上，提高防風效能。
本發明得到的基於樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風林的方法，與現有經營技術相比，本發明具有如下優點：
1)採用簡單易測的植物形態和生理功能性狀，可間接快速地診斷海岸防風植物，尋找適生物種；
2)能準確選擇不同立地類型(坡面、坡谷和山脊)防風適生植物，營造林分具有抗風性能強、功能目標樹多、生長好、穩定性強；
3)有效解決了山地防風林的營林技術，杜絕和減少防風林經營技術的盲目性和無謂的營林投入，增加了生物多樣性，提高了林木生產力。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明進一步說明。
實施例：
本實施例提供的基於樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風林的方法，實施地點位於浙江省寧波市鄞州區盤山林區(290°46′N，121°48′E)，海拔400m，地帶性土壤為紅壤。該區地處亞熱帶中部東端，受海洋性季風氣候影響，溫暖溼潤，年均氣溫16.2℃，最冷1月平均溫度4.1℃，年均降水量1386mm，年相對溼度82％。每年7－10月平均遭受2－3個熱帶風暴侵害。
盤山林區在歷史上一直是當地居民伐木取薪之地，森林基本砍伐殆盡，植被退化為荒山和次生灌叢。1958年林場接管後，對荒山進行了改造，大面積種植了黑松、金錢松、柳杉、杉木、馬尾松和日本扁柏等人工林。經過近50多年的撫管，絕大部分人工林發育為中、近成熟林。近10年間，該類林分曾遭受大規模的颱風和冰凍雨雪災害，很多大徑級柳杉發生了倒伏或折斷，林分結構和功能幾乎崩潰。
在寧波市鄞州、北侖和象山沿海山地選擇成熟的常綠闊葉林，根據海岸山地防風林生態系統具有的典型性、脆弱性和多變性及廣泛的生物多樣性特徵，結合山地的南北走向將海岸山地首先劃分為擊風區和阻風區兩個區域，然後在阻風區中再依次劃分坡面、坡谷和山脊三個立地小區域；在擊風區上地段設置風障植物，對主風向處設置V型尖角和斜面種植設計。採用尖角狀密植硬木類植物以對正面逆對強風；以斜面林帶改變風向、化解風力，減少風口地段強風對防風林正面衝擊破壞，人工營造尖角小於90°或菱形狀結構。
接著進行群落學調查統計群落種類的數量、基徑、樹高、冠幅，分析其重要值、冠長比、冠徑比。再對每個種類選取典型、健康的植株3—8株，每株從樹冠四周方向依次選取生長旺盛的健康枝條，用高枝剪將其剪下，選用完好的葉片裝入自封袋中，帶回實驗室。用精度0.01mm的遊標卡尺測定葉片厚度、葉柄長度、葉柄直徑，同時，選取帶有葉片的末梢枝(根據芽鱗痕確定末梢枝)，將葉片摘下，記錄葉片數量；將無葉片的末梢枝條於75℃條件下烘乾48小時後稱其乾重，得出葉稠密度。並對以上取樣個體，截取一定斷面積的樹幹，進行樹幹密度測量。使用L1—3050C型葉面積儀對另一部分葉片測定葉面積，然後將葉片置於80℃的烘箱中48h，烘乾至恆重後測定幹質量，計標出乾物質含量(％)，最後利用單位幹質量的葉面積反映比葉面積(mm2·mg-1)。枝密度和樹幹密度利用排水法測定，每份樣品測定3次。在體積測量後，將供試樣品置於烘箱中烘乾72h，恆量後測定幹質量，標計每個樹枝和樹幹的密度(g·ml-1)，得出林木功能性狀測定的數據。
利用功能性狀群落權重均值來表示物種性狀對群落功能性狀值的貢獻，計算公式如下：
其中Traitagg是功能性狀群落權重均值，用以表示群落水平上的功能性狀值；Pi是物種i的重要值，n是群落內物種的個數，Traiti是物種i的功能性狀值。
在防風林樣地上，分別採用2臺NK4500型風速計在同一時間測定樣地內和樣地外曠地的風速。測定中，將風速儀放置於1.5m高度的支架上，測定時間為10min。測定風速數值，並以樣地內和樣地外曠地對照點的風速值之差與樣地外曠地對照點的風速值得比值，即風速削減係數，作為森林防風生態服務功能的指標。公式如下：
Ca＝(VCK－VOB)/VCK×100％
式中，Ca—風速削減係數，Ca值越大，表徵防風效能越好；VCK—林外曠地對照點的平均風速(m/s)；VOB—林內觀測點的平均風速(m/s)。
採用已建立寧波區域常綠植物抗風功能性資料庫，以選擇植物的樹高(H)、比葉面積(SIA)、葉片乾物質含量(LDMC)、冠長比(CL/H)、葉稠密度(LI)作為抗風效能評價指標。利用逐步回歸統計建立風速削減係數與群落功能性狀的耦合模型，從而篩選出具有防風能力的功能目標物種庫。回歸方程為：
Y＝0.987+0.037H+0.001SIA-0.008LDMC-0.118CL/H-0.002LI，(R2＝0.99，P＜0.001)。式中Y為群落風速削減係數。
然後，利用層次分析法計算出各物種抗風性能的相對能力值(IE值)，並根據其值出現的頻度，排出IE值頻度加和值≥80％的物種，從而初步篩選出抗風物種。其中苗木來源小部分是林內存留的健康幼苗、幼樹；另一部分選用當地採種、繁育的2年生實生壯苗。種植前以條狀墾穴整地，墾穴規格長×寬×深為0.5m×0.5m×0.35m，表土回填穴底下部，隨機混交種植。
在抗風物種中，根據植物的生長偏好特性，再次篩選出適應不同立地條件的防風功能目標樹：
其中坡面立地上喬木為臺灣蚊母樹、小葉青岡、青栲、木荷、青岡、雷公鵝耳櫟、白櫟、樸樹、柯；灌木為濱柃、檵木、鐵冬青等。
坡谷立地上喬木為紅楠、赤皮青岡、普陀樟、舟山新木姜子、樟樹、楓香、黃連木、糙葉樹、小果冬青；灌木為化香、光葉石楠、鐵冬青等。
山脊立地上喬木為雲山青岡、小葉青岡、青岡、木荷；灌木為赤楠、烏飯、檵木等。
在2006年3月，清除風害受損地上的風倒、折斷木，清理雜灌保留實生更新的紅楠、赤皮青岡、青岡、檫木等地帶性闊葉優勢幼苗、幼樹。之後，依據上述篩選的防風功能目標樹，分別依據立地類型，按8:1:0.5:0.5的比例在坡面上種植青栲、紅楠、木荷、赤皮青岡、初植密度每公頃5000株；按4:3:2:1的比例在坡谷上種植紅楠、青栲、木荷、小果冬青；初植密度每公頃5000株。
造林後連續3年，在每年6月和9月分別除草撫育1次。5年後林分逐漸鬱閉，進入林分建群生長階段。
造林後8年，在11—12月對林分進行1次透光伐，伐取林內貶值物種、生長勢弱的幼樹，採伐強度≤10％，並清除雜灌，培育實生更新幼苗，撫育後林分喬木層和灌木層的防風功能目標樹的數量佔總株數的80％以上，使林分朝著復層、混交、穩定的結構發展。
根據以上內容，最終形成海岸山地防風林樹種配置與營林技術方法，其中浙東海岸山地防風林植配與營林技術方法見表1；海岸山地防風林改造10年後的生長效果見表2。
本發明的優點在於採用簡單易測的植物形態和生理功能性狀，可間接快速地診斷海岸防風植物，合理尋找適生的優良抗風物種，通過對不同風害區域的種植布局、營造和撫育管理技術措施，使海岸防風林林木生長明顯提高，抗風群落結構快速形成，同時防風功能目標樹的數量多，林分蓄積量較大，病蟲害危害少，顯示出良好的生長優勢和防護效能，可在生產上推廣應用。
表1丘陵山地海岸防風林中幼林撫育改造技術方法
表2浙東海岸山地不同立地防風林改造10年後的生長效果(D≥5cm)