宁夏六盘山华北落叶松人工林密度对多功能的影响

摘要

定量认识林分结构对其各种功能的影响，并在此基础上提出能同时满足多种功能需求的林分结构指标，是实现森林多功能经营的技术关键。针对我国北方山地水源涵养林经营中存在的主导功能不明确、长期注重木材数量生产单一功能、忽视流域产水功能和生物多样性保护功能等问题，探讨在保障山地林区的水源供给主导功能的同时尽可能兼顾其他多种功能需求的森林多功能经营技术，本文在宁夏六盘山香水河小流域选择当地主要造林树种华北落叶松的人工林，建立大量样地调查林分结构（以林木密度为主）与林木生长和木材生产、林下植物多样性、植物生物量和固碳量、林分水文循环和产水能力的数量关系，分析了林分结构对林木抵抗雪害能力的影响，并综合分析后确定了能减免雪灾从而保障林分结构稳定、降低蒸散耗水从而维持流域产水能力、促进大径材生长从而提高木材生产价值、维持林下植物生长从而保护植物多样性、保持较高植被生物量从而发挥固碳释氧功能的合理林分密度。此研究结果可为研究地区及其他地区的人工林多功能经营提供理论基础与技术指导。主要结论为：
　　1.林分密度与林龄共同影响林木生长。华北落叶松的生长过程分3个阶段：生长初期、快速生长期、平缓生长期。胸径和树高在这3个阶段的林龄阈值为10年和30年，单株和林分材积为14年和30年。林分密度对树高影响不大。林分的树高与胸径之比（高径比）随林分密度增大而升高。林分木材蓄积量随密度增加而增大，在密度大于1500株/hm2时，蓄积量增加速率变缓。为培育更多优质大径材和提高森林木材生产价值，将林分密度控制在1000-1500株/hm2范围内较好。
　　2.林下植物生长受到林分密度显著影响。林下植物种类的数量在密度为1300株/hm2时最大；林下植被的盖度及生物量均随密度增大而降低；但林下灌木层、草本层的物种多样性指数、优势度指数、均匀度指数的最大值都出现在1300株/hm2的密度。从提高林下植物多样性及促进林下自然更新的角度，建议将小于1300株/hm2作为华北落叶松人工林近自然改造的参照密度。
　　3.林分密度影响植被生物量及固碳量。乔木层是组成林分的植被生物量及固碳量的绝对主体；乔木层生物量在小于500株/hm2时随林分密度增加而缓慢增加；在500-1500株/hm2时增加较快；在1500株/hm2以上时增速渐缓，说明林木密度过高并不能成比例地提高林木生物量，尤其不利于生产优质大径材及维持林分稳定性，因此需将密度控制在不超过1500株/hm2。林下灌木层的生物量及固碳量在650-1500株/hm2的范围内随密度增加而急剧降低，在超过1500株/hm2后维持在很低水平并渐趋为零；林下草本层的生物量及固碳量在低于1125株/hm2的范围内缓慢降低，在大于1125株/hm2后快速降低并在2500株/hm2时趋近于零，说明如要在林下维持一定草本，需把密度控制在1125株/hm2附近。综合乔灌草各层的生物量和固碳量对林木密度的响应，从维持较高植被生物量和固碳功能的角度，需把林分密度控制在1500株/hm2范围内。
　　4.森林雪害与林分结构紧密相关。雪害程度除受气候条件影响外，还与立地特征、林分结构有密切关系。高海拔冲风地段和土层瘠薄立地的林分雪害率显著偏大；高密度林分受害率显著大于低密度林分，这是因为林分密度增高导致林分高径比增大。在高径比大于0.7后开始出现受害，但受害率随高径比增大的增幅不大；当高径比大于0.9后，林分受害率随高径比增大快速升高；当高径比大于1.0后，林分受害率随高径比增大急剧升高。未来提高森林抵抗雪灾的能力，应把林分高径比降到0.7左右并维持在不超过0.9的范围内。根据林分密度与林分高径比的关系，需要将林分密度控制在1200株/hm2以下。
　　5.林分产水功能随林分密度增加而降低。生长季内的树冠截留和林木蒸腾耗水随林分密度增大而增加；林下蒸散则随着密度增大而减小；林地产水量随林分密度减小而非线性增加，在密度为1500株/hm2以上时，产水量较低且变化很小（109.7-106.9mm）；在密度为1300-1500株/hm2时产水量随密度减小而缓慢增加，每降低100株/hm2增加产流6.6mm；在密度低于1300株/hm2后产水量随密度降低而快速增大，每降低100株/hm2增加产流11.7mm。如要通过降低林分密度增加产水量，对研究林龄而言，需在低于1300株/hm2的范围内实施。
　　6.综合来看，如要维持山地水源林的产水主导功能，需把林分密度控制在1300株/hm2以下；综合考虑其他功能需求，建议控制在1000-1200株/hm2。

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表目录

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第一章 前言

1.1 选题依据

1.2 国内外研究进展

1.3 研究目标和研究内容

第二章 研究区概况

2.1 研究区概况

2.2 试验区小流域概况

第三章 研究方法

3.1 标准样地选设及调查

3.2 气象特征监测

3.3 林分生物量测定

3.4 生长模型的选择

3.5 林冠层水文影响测定

3.6 土壤水分和土壤水文化学性质测定

第四章 华北落叶松人工林密度对林木生长的影响

4.1 华北落叶松调查样地的基本特征

4.2 不同密度林分的林木径级分布特征

4.3 林木胸径随林龄和密度的变化及模型

4.4 树高生长随林龄和林木密度的变化与模型

4.5 密度对林分高径比的影响及关系

4.6 蓄积量随林分密度的变化

4.7 小结

第五章 华北落叶松人工林密度对抗雪害能力的影响

5.1 样地基本情况调查

5.2 树木受害率统计和数据处理

5.3 受害率与林分结构和立地影响因子的关系

5.4 讨论

5.5 小结

第六章 华北落叶松林密度对林下植被多样性的影响

6.1 林下植被数量

6.2 林下植被高度与盖度

6.3 林下植被物种重要值

6.4 林下植物的物种多样性特征

6.5 小结

第七章 华北落叶松林分密度对植被生物量及植被固碳功能的影响

7.1 不同密度华北落叶松人工林的生物量及碳密度估算

7.2 乔木层生物量随林分密度和年龄的变化

7.3 林下灌木与草本层的生物量与林分密度的关系

7.4 华北落叶松林分的碳密度层次组成特征

7.5 小结

第八章 华北落叶松人工林密度的水量平衡影响

8.1 研究期间的降雨特征

8.2 不同密度华北落叶松林分的冠层水文分量特征

8.3 不同密度华北落叶松林的树木蒸腾变化

8.4 不同密度华北落叶松样地土壤蓄水量变化动态

8.5 不同密度华北落叶松样地的林下蒸散

8.6 不同密度华北落叶松样地水量平衡

8.7 小结

第九章 研究结论与讨论

9.1 研究结论

9.2 讨论

9.3 创新点

参考文献

在读期间学术研究

致谢