全 文 ：农桐复合系统林带结构优化模式的研究*
杨 修* * 吴 刚 (中国科学院生态环境研究中心系统生态室,北京 100080)
黄冬梅 (海南大学计算中心, 海口 570228)
武本玉 (洛阳市西苑公园, 洛阳 471003)
摘要 以麦桐复合经营为例, 研究了林带的不同配置结构、林带覆盖率与小麦产量之间的关系, 并通过一系
列数学方法实现了林带结构的优化. 结果表明,在一个轮伐期内, 泡桐林带覆盖率累计均值为 10. 1% ~ 10. 9%
时,小麦相对产量累计均值最大( 105. 4) ,为最优林带覆盖率累计均值.最优林带距( D)与轮伐期( T )之间的关系
为: D= 0. 600+ 11. 042T - 0. 787T 2+ 0. 0273T 3( R2= 99. 9% ) .
关键词 麦桐复合经营 林带覆盖率 林带覆盖率累计均值 林带距 轮伐期
Structure optimization of Paulownia belt in Paulowniacrop integrated system. Yang Xiu, Wu Gang ( Resear ch
Center f or EcoEnvironmental Sciences , A cademia Sinica , Beij ing 100080) , Huang Dongmei ( Hainan University ,
Haikou 570228) . Chin. J . A ppl . Ecol. , 1999, 10( 3) : 286~ 288.
In this article, a Paulow niawheat intercropping system w as used as an example to study the relat ionships of wheat
yield with shelterbelt structure and its coverage. The optimized structur e of Paulow nia belt w as formulated t hrough a
series of mathematical models. T he results show that during one rotation of Paulow nia, the average of relativ e accu
mulative wheat yield r eached the highest ( 105. 4) when the average of accumulative shelterbelt coverage w as 10. 1~
10. 9% which is the best one. The regression equation of the optimized distance ( D ) and Paulow nia rotation period
( T ) is showed as follows: D= 0. 600+ 11. 042T - 0. 787T 2+ 0. 0273T 3( R 2= 99. 9% ) .
Key words Paulow niawheat intercropping, Shelterbelt cover age, Average of accumulative shelterbelt coverage,
Shelterbelt distance, Rotation.
* 中国科学院封丘农业生态开放实验站开放基金资助项目
( A950701) .
* * 通讯联系人.
1998- 04- 16收稿, 1998- 05- 30接受.
1 引 言
农桐复合系统是把农作物与泡桐按照一定的排列
方式种植于同一土地单元,从而形成长期共存互助的
农林复合生态系统. 它是目前我国推广面积最大的农
林复合经营类型之一[ 8] . 在广大平原地区实行农桐复
合经营,既能改善生态条件, 促进农业稳产高产,又能
解决农区木材缺乏问题. 所以,发展农桐复合经营具有
重要的理论价值和实践意义.农桐复合系统实质上是
以泡桐林带为上层, 农作物为下层组成的人工栽培群
落.在这一群落中,泡桐和农作物构成了一个人工复合
生态系统,系统中的光照、水分、温度、物质交换和养分
循环等都产生了新的变化,这种变化反过来对农作物
和泡桐生长又产生新的影响.研究农桐复合系统的结
构模式,实质就是研究系统中的生态关系,充分发挥泡
桐改善农田小气候的作用,从而保障农作物稳产、高产
和高效益.对农桐复合系统结构模式的研究至今尚未
见报道. 80 年代以来, 我国对农桐复合经营效益的研
究较多[ 1, 3~ 7, 9, 10] ,但从系统自身演变规律定量提出农
桐复合经营最优林带结构的成功实例还很少见.本文
试图通过黄淮海平原豫北地区泡桐( Paulow nia ) - 小
麦复合经营类型,不同林带配置方式下小麦产量变化
规律的研究,探讨农桐复合系统林带结构的优化模式,
为生产实践服务.
2 试验地概况与研究方法
2. 1 试验地概况
研究地区位于黄淮海平原豫北地区, 试验地设在河南省封
丘县的潘店乡和新乡县的古固寨乡, 该区属黄河冲积平原, 海
拔 64. 5~ 82. 6m 之间,暖温带季风气候, 四季分明,具有明显的
大陆性气候特征. 年均气温 14. 4 . 年均降水量 615. 1mm, 但
季节分配不均, 7~ 9 月集中了全年降水量的 58% , 9~ 11 月降
水量占全年的 22% ; 12~ 2 月降水量占全年降水量的 4% ; 3~ 5
月降水量占全年的 16% .年均无霜期 223d( 30 年平均值) .土壤
为沙壤土, 土层深厚, 结构疏松, 适耕期长, 农桐复合经营面积
占总耕地面积的 25. 7% .土壤有机质含量低,肥力中等偏下, 其
土壤耕层主要理化性质见表 1.
2. 2 研究方法
2. 2. 1 样地选择 样地分别选取立地条件、年施肥量、灌溉次
数基本相同的农桐复合系统内 ,泡桐林带结构为5m 6m、5m
应 用 生 态 学 报 1999 年 6 月 第 10 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 1999, 10( 3)286~ 288
表 1 土壤主要理化性质
Table 1 Main chemical and physical characteristics of the soi l
土壤质地
S oil texture
pH 有机质
Organic mat ter
( % )
全 氮
N content
( % )
全 磷
P2O5 content
( % )
全 钾
K 2O content
( % )
碳酸钙
CaCO3
content ( % )
交换量
Exchange amount
( c mol( + )kg- 1)
轻壤土 Sandy loam 8. 54 0. 65 0. 040 0. 129 2. 26 6. 32 7. 73
10m、5m 20m、5m 30m、5m 40m、5m 50m 6 种复合模
式,样地各选两条林带( 1次重复) .
2. 2. 2 林带覆盖率测定 林带覆盖率是指林冠投影面积占农田
面积的百分比.测定时用一条林带的投影面积占一个林带距面
积的百分比代替.
2. 2. 3 小麦产量测定 在收获季节于不同复合经营模式下, 机
械设置 1m 1m 样方 32个, 调查小麦产量, 然后再推算单位面
积小麦产量.
3 结果与分析
3. 1 各间作年不同林带距小麦相对产量累计平均值
对于农林复合系统来说, 林带距离是林带优化设
计的关键, 林带距与农作物收成之间存在着密切的关
系.带距过小,树冠遮荫区(减产区)占农田比例大, 作
物减产,总效益不好; 带距过大, 防护作用不能充分覆
盖农田,作物增产潜力不能得到充分发挥. 所谓优化就
是要找出林带与作物配置的最佳结合点, 最大限度地
促进农作物功能的发挥.
为了探索在某一轮伐期内复合系统小麦总产量最
高,必须对轮伐期内小麦相对产量的平均值进行研究.
小麦相对产量是指把对照地的小麦产量作为 100, 复
合系统内的小麦产量与对照地小麦产量之比的百分数
作为相对产量. 只要在轮伐期内小麦相对产量各年的
平均值最大,即证明在轮伐期内小麦产量效益最高. 具
有最高小麦增产效益的农桐复合经营林带结构, 即被
认为是最优林带结构.为了找出这样一种结构,我们首
先要知道各种复合经营模式达到各间作年时的小麦相
对产量累计平均值, 同时计算出各复合经营模式达到
各间作年时的林带覆盖率累计平均值, 找出两者之间
的关系.能使小麦相对产量累计均值达到最高的林带
覆盖率累计均值就是最佳林带覆盖率累计均值. 根据
最佳林带覆盖率累计均值和轮伐期泡桐冠幅累计均值
之间的关系可求出各种轮伐期的最优林带距, 进而可
建立轮伐期与最优林带距之间的数学模型.
各种复合模式、达到某一间作年时的小麦相对产
量累计平均值及变化趋势见图 1.从图 1 可知,麦桐复
合经营,在 6m林带距下, 小麦相对产量累计均值最高
年仅为平产水平; 在林带距为 20m 时, 小麦相对产量
的累计平均值在第 5年为 102, 达到最高, 说明泡桐在
第 5年间伐或轮伐比较合适; 林带距为 30和 40m 时,
小麦相对产量的累计平均值在第 7年分别为 104. 0和
104. 6, 达到最高, 说明 30m 和 40m 林带距的复合经
营,泡桐在第 7年轮伐或间伐最好; 林带距 50m 时,小
麦相对产量累计平均值在第 7~ 8年最高,为 105. 4,说
明该带距的复合经营结构, 第 8 年进行间伐或轮伐最
合适.不同复合模式下小麦相对产量累计平均值的变
化趋势是:随着林带距的加大,小麦相对产量累计平均
值不断增高,泡桐的适宜轮伐期或间伐期也逐渐变长.
图 1 各间作年小麦相对产量累计平均值
Fig. 1 Average of accumulative w heat yields in a successive year.
3. 2 各间作年不同林带距林带覆盖率累计平均值
为了寻求某一泡桐轮伐期内复合经营的最优林带
距,必须对各复合经营年、不同复合模式下的林带覆盖
率累计平均值和作物产量累计平均值进行配套研究,
找出使作物相对产量累计平均值最高的林带覆盖率累
计平均值,进而推算出各种轮伐期内的最优林带距,实
现林带结构的优化.通过泡桐生长过程中冠幅的变化
规律,可以计算出各复合经营年、各种复合模式下的林
带覆盖率累计平均值(表 2) . 从表 2可看出, 林带覆盖
率的累计均值随林带距的增加而减小, 随树龄的增大
而增加.
3. 3 小麦相对产量累计均值与林带覆盖率累计均值
之间关系
小麦相对产量累计均值随林带覆盖率累计均值的
变化而异.从图 2可看出,在适度的林带覆盖率内, 小
麦增产; 随林带覆盖率进一步增高,小麦减产趋势逐渐
明显.为了对局部的微细变化作更深入的剖析, 找出最
优林带覆盖率累计均值, 对图 2 中的小麦增产区域放
大如图 3. 从图 3 可看出, 在林带覆盖率累计均值为
2873 期 杨 修等:农桐复合系统林带结构优化模式的研究
10. 1% ~ 10. 9% 时, 小麦相对产量累计均值最大
( 105. 4) .由此可认为, 10. 1% ~ 10. 9%的林带覆盖率
累计均值为最优林带覆盖率累计均值.
表 2 农桐复合经营不同林带距各间作年林带覆盖率累计均值
Table 2 Average of accumulative treebelt coverage for different belt struc
ture in each successive year
间作年
Intercr
opping
year
冠幅
Crow n
diameter
( m)
林带覆盖率累计均值
Average of accumulat ive t reebelt coverage( % )
5m
6m
5m
10m
5m
20m
5m
30m
5m
40m
5m
50m
1 1. 1 18. 3 11. 0 5. 5 3. 7 2. 8 2. 2
2 3. 0 34. 2 20. 5 10. 3 6. 9 5. 2 4. 1
3 4. 5 47. 8 28. 7 14. 3 9. 6 7. 2 5. 7
4 5. 7 59. 6 35. 8 17. 9 11. 9 9. 0 7. 2
5 6. 4 69. 0 41. 4 20. 7 13. 8 10. 4 8. 3
6 7. 0 77. 0 46. 2 23. 1 15. 4 11. 6 9. 2
7 7. 7 84. 3 50. 6 25. 3 16. 9 12. 7 10. 1
8 8. 3 91. 0 54. 6 27. 3 18. 2 13. 7 10. 9
9 9. 1 97. 8 58. 7 29. 3 19. 6 14. 7 11. 7
10 9. 8 104. 3 62. 6 31. 3 20. 9 15. 7 12. 5
11 10. 3 110. 5 66. 3 33. 1 22. 1 16. 6 13. 3
12 10. 8 116. 3 69. 8 34. 9 23. 3 17. 5 14. 0
图 2 林带覆盖率累计均值与小麦相对产量累计均值关系图
Fig. 2 Relat ionship betw een th e average of accumulat ive t reebelt coverages
and the average of accumulat ive wh eat relative yields.
图 3 林带覆盖率累计均值与小麦相对产量累计均值关系局部放大图
Fig. 3 Part enlargement f igure for the relationship betw een the average of
accumulat ive t reebelt coverage and the average of accumulat ive wheat rela
t ive yield.
根据林带最优覆盖率累计均值为 10. 1% ~
10. 9%以及泡桐冠幅各年累计均值之间的关系, 可以
建立小麦相对产量累计均值最高的林带距方程为:
最佳林带距= 林带冠幅累计均值 ( 10. 1% ~
10. 9%)
进而, 计算出的不同轮伐期最优林带距如表 3.从
表 3可知,最优林带距随泡桐轮伐期而变化,轮伐期越
长,要求的林带距越宽.
表 3 麦桐复合经营不同轮伐期最优林带距
Table 3 Best beltdistance for di fferent rotations in Paulowniawheat inter
cropping system
轮伐期
Rotat ion
( yr. )
冠幅
Crow n diameter
( m)
A B C
1 1. 1 1. 1 10. 1~ 10. 9 10. 5
2 3. 0 2. 1 19. 3~ 20. 8 20. 1
3 4. 5 2. 9 26. 6~ 28. 7 27. 7
4 5. 7 3. 6 33. 0~ 35. 6 34. 3
5 6. 4 4. 1 37. 6~ 40. 6 39. 1
6 7. 0 4. 6 42. 2~ 45. 5 43. 9
7 7. 7 5. 1 46. 8~ 50. 5 48. 7
8 8. 3 5. 5 50. 5~ 54. 5 52. 5
9 9. 1 5. 9 54. 1~ 58. 4 56. 3
10 9. 8 6. 3 57. 8~ 62. 4 60. 1
11 10. 3 6. 6 60. 6~ 65. 3 63. 0
12 10. 8 7. 0 64. 2~ 69. 3 66. 8
A.林带冠幅累计均值 Average of accumulative belt crown diam eters( m ) ,
B.最佳林带距幅度 Best range of beltdistance( m) , C.最佳林带距均值
Average of best beltdistance( m) .
根据表 3 中泡桐轮伐期与最优林带距的对应关
系,所建立的最优林带距( D )与轮伐期( T )之间的回
归方程如下:
D= 0. 600+ 11. 042T - 0. 787T 2+ 0. 0273T 3
( R 2= 99. 9%)
可以看出,该回归方程具有极端显著的相关性.通
过检验发现, 利用该回归方程计算的理论值与实际值
之间差异很小. 可以认为该回归方程是确定麦桐复合
经营林带结构模式的理想方程.
参考文献
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河南农业大学学报, 29( 4) : 303~ 318.
作者简介 杨 修, 男, 36岁, 博士后,主要从事农林复合经营、
乡村可持续发展及退化生态系统的恢复与重建研究, 发表科研
论文多篇, 并获得多项科研成果奖励. E- mail: yangxiu@ mail.
rcees. ac. cn
288 应 用 生 态 学 报 10卷