全 文 ：农田防护林可持续集约经营模型的应用*
范志平* *
曾德慧
姜凤岐
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
关文彬
(北京林业大学, 北京 100083)
上官周平
(中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,咸阳 712100)
摘要
选择具有典型代表的辽宁北部平原区、河北坝上农牧交错区和渭北旱塬区农田防护林为研究对象, 以
主栽树种杨树林带为研究材料, 针对每个特定类型区的主要自然灾害因子和防护目的, 统计分析调查研究数
据, 确定了辽宁北部、河北坝上和渭北旱塬 3类型区农田防护林可持续集约经营模型的最优经营参数.其中林
带最适疏透度分别为 0
25~ 0
35、0
20~ 0
30 和 0
275~ 0
375;主林带间距分别为 450~ 500m、200m 和 200~
250m; 副林带间距分别为 500~ 1000m、500m 和 350~ 450m; 林带带面宽度分别为 8m、9m 和 4
5~ 8m; 林带行
数分别为 3~ 4、6和 2~ 4;林带树木株行距分别为 2m ! 1
5~ 3m、1
5m ! 1
5m 和 1
5~ 3m ! 1
5~ 3m, 主栽树
种的防护成熟龄分别为 15~ 16a、14~ 15a和 12~ 14a; 防护成熟期分别为 10a、10~ 11a和 12~ 14a;最佳更新方
式分别为隔带更新、半带嫁接更新和隔带更新.
关键词
农田防护林
持续集约经营
模型
应用
文章编号
1001- 9332( 2001) 06- 0811- 04
中图分类号
S759
2
文献标识码
A
Application of sustainable and intensive management model of windbreaks/ shelterbelts. FAN Zhiping , ZENG Dehui
and JIANG Fengqi ( I nstitute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences , Shenyang 110016) , GUAN Wen
bin( Beij ing For estry Univer sity , Beij ing 100083) , SHANGGUAN Zhouping ( National K ey L ab of Soil and Water
Erosion and Agr icultur e, I nstitute of Soil and Water Conser vation, Chinese A cademy of Sciences and M inistry of
Water Resour ces , Xianyang 712100) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2001, 12( 6) : 811~ 814.
In this paper, w ith Populus in w indbreaks/ shelterbelts as study plants in three regions such as plain region of northern
part of L iaoning , ecoton region of Bashang, Hebei Province, and semiar id tableland region of Weibei, Shanx i
Prov ince, and based on t he main natural disaster facto rs and protection objective in these three regions, the data inves
tigated in the study area w ere analyzed t hrough statistics methods. The optimization management par ameters were put
forward fo r the sustainable and intensive management model of windbreaks/ shelterbelts in three reg ions. The opti
mization porosity o f shelterbelts/ windbreaks in nor thern par t of L iaoning , Bashang and Weibei should be 0
25~ 0
35,
0
20~ 0
30, and 0
275~ 0
375 respectively. The distance between main belts should be 450~ 500m, 200m, and
200~ 250m respectively , and the distance betw een lateral belts should be 500~ 1000m, 500m, and 350~ 450m. The
belt w idt h should be 8m, 9m, and 4
5~ 8m respectively, w ith 3~ 4, 6, and 2~ 4 rows respectively. T he spacing of
trees should be 2m ! 1
5~ 3m, 1
5m ! 1
5m, and 1
5~ 3m ! 1
5~ 3m respect ively. The protection mature age
should be 15~ 16yr, 14~ 15yr and 12~ 14yr respectively. The protection mature time should be 10yr. 10~ 11yr .
and 12~ 14yr r espectiv ely. The regeneration mode should be alternate stripfelling model, half str ipfelling and en
grafting model, and alternate str ipfelling model r espectiv ely.
Key words
Windbreaks/ shelterbelts, Sustainable and intensive management, Model, Application.


* 国家自然科学基金( 39870639)、黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国
家重点实验室基金(2000W0071050190)及国家∀ 九五#重点科技攻关资
助项目( 960070106) .


* * 通讯联系人.


2001- 03- 12收稿, 2001- 04- 20接受.
1
引

言
在各种类型的农田防护林体系中, 由于林带树木
生命进程中时空状态不断变化, 因此其功能与结构之
间的关系多变而复杂[ 1] , 以致于长期以来我国农田防
护林规划设计和经营处于定性或半定量的静态水平
上.本文针对∀三北#地区典型类型区的自然灾害因子
和防护目的, 将农田防护林可持续集约经营模
型[ 4, 6, 7, 11]应用到不同类型区, 建立林网体系功能、目
标与时空状态之间的数量关系, 确定各类型区的最优
经营参数,通过诸时空状态要素作为调节变量,为农田
防护林科学经营提供依据.
2
研究地区与方法
2
1
自然概况
2
1
1
辽宁北部农田防护林区自然概况
该区属于东北西部
内蒙古东部农田防护林区( ∃ )松辽亚区( ∃ 2) , 大部分为平原,
平均海拔 100m 左右, 是我国主要的商品粮基地. 年均降水量
650mm,无霜期 128~ 159d,年均气温 6
7% , 土壤为草甸棕壤;
全年盛行南南西风,年均风速 4
5m&s- 1 ,最大风速 30
5m&s- 1,
应 用 生 态 学 报
2001 年 12 月
第 12 卷
第 6 期
































CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2001, 12( 6)∋811~ 814
(8 级大风日 76d, 主要灾害因子为风害. 降低风速、保持土壤
水分、减少蒸发是该地区营造农田防护林的主要目的.
2
1
2
河北坝上农田防护林区自然概况
该区属于华北北部
农田防护林区())坝上亚区()2 ) , 地处内蒙古南缘, 属于森林草
原向荒漠过渡的半干旱农牧交错带,海拔 1300m 以上, 年均气温
2 % ,年降水量 340mm,地带性土壤为沙壤质或砂砾栗钙土, 为沙
漠化的发生发展提供了物质基础.年均风速(5m&s- 1, 最大风速
一般在 20m&s- 1以上, 极值风速可达 40m&s- 1 ,年平均大风日数
( (8级) 50~ 100d,大风和干旱构成了风蚀沙化的动力条件. 沙
暴是该地区危害农业生产的主要灾害因子.农田防护林在控制
风沙干旱、保证农业稳定高产方面发挥了重要作用[ 2, 3] .
2
1
3
陕西渭北农田防护林区自然概况
该区属于华北中部
农田防护林区( ∗ )渭汾亚区( ∗2) , 位于黄土高原残塬沟壑区,
属于温带干旱半干旱气候, 海拔 900~ 1300m, 年均气温 10% ,
极度最高温度 39 % ,年降水量 500~ 600mm, 干燥度 1
25,无霜
期 180~ 220d, 土壤以黄绵土、黄土善土为主, 水土流失比较严
重,干热风、干旱为主要农业灾害因子[ 3] .
2
2
研究方法
2
2
1
林带调查
研究对象确定为矩形林网或方形林网体
系,采用理论与野外试验相结合的方法, 于∀ 三北#地区(主要在
辽宁北部、河北坝上和渭北旱塬 3 个典型代表地区)进行林带
调查.用数字化相机摄取林带照片 300 张,用于应用数字图处
理法测定林带疏透度[ 4] ; 选取成熟林带做树干解析 30 株(样本
数) ,通过林带主栽树种的树干解析数值, 求算林带生长参数,
运用数理统计检验确定林带树木生长模型及精度, 确定林带树
木的生长发育规律;测定各种林带结构参数(林带宽度、树木株
行距、林带行数、林带高度 ) , 依据文献[ 4]中具体方法计算疏透
度与林带结构参数的关系.
2
2
2
林带防风效应观测
用 DEM6 三杯式风速表分别测定
不同疏透度林带迎风面和背风面的风速值,观测高度为 1
5m,
分别于迎风面 10H 至背风面 30H 设置测点 20 个,对照点设在
空旷地.在各测风点用广口杯测定不同时段(每 5min)的盛沙重
量,用以推算输沙率.
2
2
3
林带持续集约经营模型
农田防护林可持续集约经营
模型(亦即效益连续模型或永续经营模型 )是以防护效益的连
续性为核心构建而成[ 6, 7] , 体现了农田防护林经营中的各个指
标的最佳参数以及维持农田防护林效益降低到最小或中断而
进行的更新时间或更新方式的选择, 进而达到调控的目
的[ 4, 6, 7] .根据该模型, 依据 3 个地区的调查数据 , 综合前期研
究基础,来统计分析农田防护林可持续集约经营模型的各项参
数.
3
结果与分析
3
1
最适林带疏透度的确定
林带最适疏透度是依据不同疏透度林带的风速降
低效果比较而确定的[ 3, 8] .对于某一特定的地区来说,
林带最适疏透度依灾害因子和防护目的的特殊性有所
不同.辽宁北部地区、河北坝上地区和渭北旱塬地区各
种疏透度林带背风面风速降低观测结果表明,林带最
适疏透度区间值分别为 0
25~ 0
35, 0
20~ 0
30 和
0
275~ 0
375(图 1) . 林带结构与防风效果的关系研
究表明,在最适疏透度前提下,对林带实际结构要求有
所不同.辽宁北部地区, 林带应进行适当修枝( 1
0~
1
5m) ,保证干部较大的疏透度,形成透风结构, 林带
防护效果最好, 可使冬季积雪均匀分布于农田;河北坝
上地区,林带结构应上下均匀一致,保证从下到上都有
侧枝,形成均匀栅状疏透结构,防止风蚀农田土壤或在
林带两侧形成积沙堆积垄;渭北地区林带结构应以乔
灌复合为主,保护作物免受干热风的危害.
图 1
辽北、坝上和渭北地区不同疏透度林带防风效果
Fig. 1 Comparison of protect ion effect among different porosity of shelter
belt s in the north of Liaoning, Bashang and Weibei.
∃
辽宁北部 North of Liaoning, )
河北填上 Bashang region, Hebei
province, ∗
陕西渭北 Weibai region, S hanxi Province.
3
2
林带防护成熟龄的确定
辽宁北部主栽树种以北京杨、小钻类杨为主, 根据
树干解析资料, 利用树高生长模型Log ist ic 生长曲线
模拟北京杨林带高度( H )随年龄( a)的变化模型[ 5, 12]
图 2
辽宁地区北京杨树种生长模型
Fig. 2 H eight grow th model of Populus beij ingensi s in north of Liaoning
Province.
812 应
用
生
态
学
报


















12卷
为: H = 22( 1+ 12
55e- 0
239a) , r= 0
920,从林带高生
长模型可以求出农田防护林带初始防护成熟年龄为
15
5a,此时林带所达到的高度即为林带有效防护高度
17
45m(图 2) ,林带有效防护距离的确定和林带间距
设计应以此为依据.


同理,根据小钻杨林带高度( H)随年龄( a)的变化
模型: H = 23( 1+ 14
55e- 0
242a ) , r = 0
974,求出林带
初始防护成熟年龄为 16a, 所对应的林带高度即有效
防护高度为 17
65m.因此,该地区杨树林带初始防护
成熟龄 15~ 16a. 防护成熟期以树木生理成熟、工艺成
熟以及疏透度变化来确定. 该地区防护成熟期为 10a,
更新龄 25~ 26a.
根据河北坝上主栽树种小叶杨(图 3)、北京杨树
干解析数值及林带高生长模型分析, 确定该地区主栽
树种小叶杨、北京杨初始防护成熟龄分别为 15、14a,
防护成熟期分别为 10、11a,更新龄 25a. 渭北地区农田
防护林主栽树种为大官杨、新疆杨,其初始防护成熟龄
为 14、12a, 防护成熟期 12、14a, 更新龄 26a.
图 3
河北坝上小叶杨林带树木树高、胸径生长
Fig. 3 Grow th of DBH and height of Populus simonii in the region of
Bashang,Hebei Province.
3
3
林带合理间距的确定
农田防护林带的带间距确定是以有效防护距离为
依据的,有效防护距离与区域性灾害因子强度和农作
物对风速的忍受度有关[ 10] . 研究表明,在辽北地区将
平均害风风速降低 20% ~ 30%时可认为害风已减弱
至有害值以下[ 3] .当林带结构为最适疏透度且主害风
方向与林带垂直时, 林带的有效防护距离( L )是林带
高度 ( H ) 的 25 倍. 该地区杨树林带成林树高可达
18m,因此主林带间距应为 450m, 再计算林带迎风面
风速降低范围为 2~ 3H, 则主林带间距以 500m 为宜;
副林带间距根据耕作要求, 可为 500~ 1000m.考虑到
当地农民多年耕作习惯, 以与林带主害风方向垂直的
方向设置主林带,与主林带垂直的方向设置副林带.
处于向荒漠化过渡的干旱草原和荒漠草原等半干
旱农牧交错地带的河北坝上地区, 农田防护林最主要
的作用是防止风蚀对农田的侵害, 因而林带间距的设
计除了按照初始防护成熟所确定的树高为依据外, 还
要考虑初始防护成熟龄的大小和起沙风速的大小. 研
究表明,发生风沙灾害的临界风速与沙粒的起动风速
一致, 松散沙物质的起动风速与粒径有关[ 9] . 野外观
测得到, 10
5m 气象观测高度上的起沙风速临界值为
6
9m&s- 1.关于风沙起动规律的研究[ 9] , 拜格诺和伊
万诺夫从流体力学理论研究得到风沙二相流的输沙率
与风速之间存在幂函数关系: Q= A ( v - v 0) b
式中, Q 为输沙率, A 、b 为经验系数, v 为实际风速,
v 0为临界风速.
参数 A、b 可通过统计方法在野外实验支持下获
得.在该地区,实测得到输沙率与风速值, 通过回归分
析(图 4) ,得到输沙率与风速之间的关系为:
Q = 0
0314( v - 6
9) 3
r = 0
9787
图 4
输沙率与风速的关系
Fig. 4 Relat ionship betw een rates of sediment discharge w ith w ind speed.


可见,降低风速可有效地减少风沙流强度.该地区
初始防护成熟时林带高度为 13m ,在风速 8~ 10m&s- 1
时,经测定林带前迎风面 3~ 5H 和林带背风面 18H 范
围内, 可降低风速 20% ~ 30%, 起沙风速为 6
9m&
s- 1,结合林带树高、起沙风速以及作物对风害的耐受
力,可确定有效防护距离为 200m ,副带间距 500m.
在渭北旱塬地区, 多年害风风速在 15
5m&s- 1以
上,而农作物能够忍受的最大风速界限为 10
7m&s- 1,
超过这个风速值,会影响到农作物正常的生长发育.因
此, 农田防护林的风速降低 31% 时即可达到防护要
求. 林带防护效果测定表明, 当疏透度为 0
275 ~
0
375时, 在风速降低 25%、30%、31%和 35% 时, 林
带有效防护距离分别为 23、21、20和 18H,故该地区最
适结构林带有效防护距离为 20H. 这一地区林带主栽
8136 期














范志平等:农田防护林可持续集约经营模型的应用









树种为杨树,尤以大官杨最多, 根据解析木资料分析,
林带平均高度为 10~ 13m, 因此主林带间距应为 200
~ 250m.副带间距的确定主要参考主带有效防护距离
和当地农业耕作习惯、机械化作业水平、水利灌溉工程
等条件而定,这里取 350~ 450m 最佳.
3
4
林带最适宽度、行数、株行距的确定
根据林带疏透度与其易测因子的相关模型[ 11] ,可
以计算出林带最适宽度、行数、株距和行距.该模型为:

= h 0(1- 2C1D
t
) [ 1 - exp(
- C2
np
) ]
+
C 3(1 - h 0)
C4[ np (1 + C 6D 1
3) 2/ T ] C5+ C3
式中, C1、C 2、C3、C4、C5、C6 为待定数,
为林带疏透
度, h0 为林带枝下高, D 为林带冠下平均干径, t 为株
距, D1
3为胸径, n 为林带行数, p 为林带保存率.
在辽宁北部地区,根据模型计算,可得到林带最适
疏透度下林带最佳结构各项参数值分别为: 林带宽度
8m, 3~ 4行, 株距 2m,外行距 1
5, 内行距 3m ;在河北
坝上地区,各项参数值分别为主林带宽 9m, 6行,副带
10m, 4~ 6行,株行距为 1
5m ! 1
5m;在渭北旱塬地
区根据林带疏透度机理模型计算, 林带宽度 4
5~ 8m,
林带行数 2~ 4行,株行距 1
5~ 3m 为最佳.
3
5
林带更新方式
多年实践证明, 在辽北地区农田防护林更新以隔
带更新为好,以苗根造林效果最佳. 在林网内,隔带伐
除第一代林带, 进行全面整地. 在 4 月初, 将杨树试验
枝条剪成 15~ 20cm 左右的插穗, 在苗圃地扦插育苗.
当插穗长成当年生苗时, 于当年 11 月初全部截干后,
用母根随即建立林带. 造林方法为穴状整地, 整地规
格: 30cm ! 30cm ! 30cm.苗根造林和植苗造林 2种方
法对比试验, 结果表明苗根造林成活率高达 97%, 比
植苗造林成活率提高 14%; 2年内胸径、树高平均生长
分别提高 71
1%和 83% .
河北坝上地区不同更新方式、不同更新方法试验
结果表明[ 2] , 半带嫁接更新最为理想, 即先将林带背
风侧一半行数的树木伐除,在根桩上采用插皮嫁接的
方法, 建立第 2代林带, 待新生树木生长到 3~ 4a 时,
以同样方法更新迎风侧树木. 嫁接部位, 以根桩高度 3
~ 5cm 为最佳,嫁接时间在树木∀离皮#期为宜. 嫁接更
新成活率可达 95%以上,嫁接更新苗 3年生北京杨高
可达 6
2m,胸径 4
8cm.实行半带嫁接更新,在风沙较
大的旱作农区, 能发挥林带防护作用的连续性.在渭北
旱塬地区以隔带更新为好,扦插造林效果最佳.先穴状
整地或犁沟整地,选用当年壮条,截取基部段 50cm,小
头直径 1cm, 造林成活率可达 80%以上.
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凤岐) ed. T heory Foundat ion an d Management T echnologies of Shel
t erbelt s. Beijing: Chinese Forest ry Publishing House. 195~ 204( in Chi
nese)
作者简介
范志平,男, 1970 年生,副研究员, 从事防护林生态、
水土保持与林业生态工程研究,发表论文 33 篇.
814 应
用
生
态
学
报


















12卷