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Indices and criteria of highly effective and multi-functional management of windbreaks/shelterbelts in northeast China

东北地区农田防护林高效多功能经营的指标体系及标准研究



全 文 :东北地区农田防护林高效多功能经营的指标
体系及标准研究 3
范志平 3 3  关文彬 曾德慧 姜凤岐 (中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
上官周平 (中国科学院2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 ,杨凌 712100)
【摘要】 从单条林带和林网两个尺度出发 ,建立了农田防护林高效多功能经营的指标体系 ,并通过分析各个指
标之间的机理关系 ,提出了 9 个主要评价指标. 对于单条林带 ,用林带疏透度、有效防护距离、初始防护成熟龄、
防护成熟期、林带产投比、更新方式等可作为度量林带经营状态的指标 ;对于林网体系 ,用林网带斑比、林网连
接度、环度、林网优势度等可作为度量林网经营状态的指标 ;依据主要指标的数量化界定 ,提出了农田防护林高
效多功能经营的标准 ,可进行综合评价. 这些评价指标及其标准 ,在宏观上确定了主要林网体系的布局 ,在微观
上确定了单条林带的结构 ,成为衡量是否可持续经营的依据 ,为其高效多功能经营提供了导向.
关键词  农田防护林  高效多功能经营  指标与标准
文章编号  1001 - 9332 (2001) 05 - 0701 - 05  中图分类号  S759. 2  文献标识码  A
Indices and criteria of highly effective and multi2functional management of windbreaks/ shelterbelts in northeast Chi2
na. FAN Zhiping , GUAN Wenbin ,ZEN G Dehui and J IAN G Fengqi ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy
of Sciences , S henyang 110016) , SHAN GGUAN Zhouping ( N ational Key L ab of Soil and W ater Erosion and A gri2
culture , Institute of Soil and W ater Conservation , Chinese Academy of Sciences and Minist ry of W ater Resources ,
Yangling 712100) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2001 ,12 (5) :701~705.
From the two scales of single shelterbelt and networks as research object , this paper constructed the indices system of
highly effective and multi2functional management of shelterbelts/ windbreaks. Through analyzing the mechanism rela2
tionship among every index , 9 main evaluation indices of shelterbelts/ windbreaks were put forward. For single shelter2
belt , there are 6 indices can be used for measuring management state of shelterbelt , such as porosity , effective protec2
tion distance , initial protection maturity age , total protection maturity period , ratio of output to invest , and regenera2
tion pattern. For networks system , there are 4 indices can be used for measuring management state of networks such
as ratio of shelterbelt to patch , networks connectivity , networks ring , and networks dominance. According to quanti2
tative boundary of main indices , the criteria of highly effective and multi2functional management of shelterbelts were
brought forward. These indices and criteria , which become as foundation of measuring sustainable management and di2
rect highly effective management of shelterbelts/ windbreaks , can be used to evaluate the management of shelterbelts ,
not only in distribution of networks but also in structure of single belt .
Key words  Windbreaks/ shelterbelts , Highly effective and multi2functional management , Indices and criteria.
  3 国家自然科学基金项目 (39870639) 、国家“九五”重点科技攻关项
目 (962007201206)及黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金
资助项目 (2000W007210501290) .
  3 3 通讯联系人.
  2001 - 03 - 12 收稿 ,2001 - 04 - 28 接受.
1  引   言
农田防护林是在农田景观中 ,为增强农田生态系
统的抗干扰能力而建设的由树木组成的具有多种功能
的廊带网络系统 ,该系统可保护土壤免受风蚀 ,提高作
物土壤水分的利用效率 ,改善农田小气候环境 ,提高作
物产量 ,并为野生动物提供栖息环境 ,增加农田系统的
生物多样性[1 ,2 ,6 ,7 ,9 ] . 农田防护林高效多功能经营的
目标是使其持续不断地发挥最大的综合效益 ,实现永
续利用[3 ] . 衡量是否进行持续经营以及是否处于可持
续状态 ,需要制订一套标准和指标 ,体现可持续经营的
具体导向. 近年来关于森林可持续经营问题成为研究
热点[10 ] . 1993 年欧洲国家林业部长级会议在芬兰
Helsinki 召开 ,提出了欧洲森林可持续经营的标准和
指标 (草案) ,同年在加拿大 Montreal 召开了北方及温
带 (非欧洲)森林可持续发展专家研讨会 ,提出了北方
和温带森林可持续经营的标准和指标 (草案) ,1995 年
在智利圣地亚哥形成“温带和北方森林保护和可持续
经营的标准和指标”. 由于我国森林类型的多样性 ,需
要对不同类型的森林制定更为详尽的标准和指标[10 ] ,
以满足生态安全的需要. 本文探讨了我国东北地区农
田防护林高效多功能经营的指标体系与标准 ,为确定
应 用 生 态 学 报  2001 年 10 月  第 12 卷  第 5 期                                 
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2001 ,12 (5)∶701~705
林网体系发展目标和林带管理提供科学依据.
2  研究方法
以东北地区矩形林网或方形林网体系研究对象有确定 ,采
用理论与野外试验相结合的方法进行研究. 用最新摄制的航
片 ,并结合实地踏查 ,解译成图幅为 50cm ×50cm、比例尺为 1∶
10000 的图 ,划分斑块后 ,分别计数或测量现有林网数、接点数、
林带数和林带长度 ,并测定现有林网的频度 ;实地调绘林带宽
度 ,用景观生态学方法统计计算各指标值 ;用三杯式风速表测
定高度为 115m 处的林带迎风面和背风面的风速值 ;应用数字
图处理法测定林带疏透度 [13 ] ;通过林带主栽树种的树干解析
数值 ,求算林带参数 ;调查了不同年龄、不同树种、不同配置方
式林带的各个级次的易测因子参数 ,以所测定的林带数据为样
本 ,用麦夸脱迭代法模拟林带疏透度 ,依据文献 [ 13 ]中方法计
算疏透度与林带结构参数的关系.
3  结果与分析
311  林带高效多功能经营的指标与标准
31111 林带疏透度  由于树种组成以及树木各部分在
带内空间分布搭配状况的差异 ,形成了特定的林带结
构 ,决定了其透风状况和防风特性. 林带结构包括林带
疏透度、林带配置方式、林带行数、株行距、保存率、林
带树木平均胸径、冠下干径、树高、枝下高. 在这 9 个指
标中 ,各个指标之间相互联系 ,相互作用 ,形成具有特
定的结构进而发挥特定防护作用的林带. 其中除林带
疏透度之外 ,其它 8 个指标皆为易测因子. 研究结果表
明 ,林带疏透度是表征林带结构的综合因子 ,代表了其
它 8 项指标的所有信息[13 ] . 即林带配置方式、林带行
数、株行距、保存率、林带树木平均胸径、冠下干径、树
高、枝下高等易测因子决定了林带疏透度的大小 (图
1、图 2) .
对于单条林带而言 ,度量其内部结构特征的指标
用疏透度最为准确. 实地风速观测和风洞模拟实验结
果表明[1 ,2 ,3 ,7 ] ,疏透度是度量林带结构的重要指标 ,
其特征决定了林带的防护功能的强弱 (图 3) . 因此 ,以
林带疏透度为依据维持防护林带结构处于最适状态 ,
是其发挥最佳的防护效益的前提. 在评价林带结构的
优劣及防护功能的强弱时 ,用维持林带最佳状态的最
适疏透度指标至为关键.林带防风效果与林带疏透度的
关系表明[3 ] ,当疏透度为 0. 25~0. 35 时 ,减弱风速达
25 %左右 ,林带最具高效. 随着林带疏透度偏离最适疏
透度的距离增大 ,林带的防护效能逐渐降低 (表 1) .
31112 有效防护距离  评价林带防护范围的大小是以
林带降低风速至有害值时空间范围的大小为依
据[3 ,11 ] . 有效防护范围以林带有效防护距离来量化 .
图 1  林带疏透度与其平均胸径与 100m 段保存株数的关系
Fig. 1 Relationship between porosity of shelterbelts and average DBH and
tree numbers in 100m long.
北京杨林带 ,品字型配置 ,行数为 4 ,株距 115m ,相对枝下高 0125 Shel2
terbelt of Populus pekinenca , 4 rows , spacing = 115m by 210m , relative
clear2bole is 0125.
图 2  林带最优疏透度与平均胸径和树木保存率间的关系
Fig. 2 Relationship between optimum porosity and average DBH and pre2
serving rates.
表 1  用疏透度度量林带结构优劣与防风效果的标准
Table 1 Criteria of protection effect and structure state measured by poros2
ity
林带疏透度
Porosity
风速降低
Decrease of
velocity ( %)
林带结构特点
Characteristics of
shelterbelt structure
林带结构优劣等次
Rating of
evaluation
< 0. 15 5~20 密度过大 低效
0. 15~0. 25 20~30 密度较大 中效
0. 25~0. 3 ±30 最适密度 高效
0. 3~0. 5 20~30 密度较小 中效
0. 5~0. 7 5~20 密度太小 低效
207 应  用  生  态  学  报                    12 卷
图 3  不同疏透度杨树林带迎风面和背风面风速降低 (测点距地面
115m)
Fig. 3 Relative wind velocities in the vicinit y of populor shelterbelts of dif2
ferent porosity (measured at 115m above ground) .
有效防护距离越大 ,林带的有效防护范围越大 ,单位林
带所保护的农田斑块则越大. 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[3 ,8 ,11 ] .
在东北地区 ,普遍研究认为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 ,8 ] . 当林
带疏透度为最适疏透度时 ,有效防护距离与林带与主
害风方向的夹角及林带树木高度有关 (图 4) . 研究表
明[3 ,8 ] ,当主害风方向与林带垂直时 ,最适结构林带的
有效防护距离 ( L ) 是树高的倍数 ( H) 和地区灾害因子
参数 (α) 的函数 : L =αH . 在东北地区 ,一般可划分为
3 类灾害区 :重风害区、中风害区和轻风害区 ,在每个
图 4  风向与林带夹角对防护效果的影响
Fig. 4 Influence of angle between wind direction and shelterbelts on protec2
tion effect .
风害类型区 ,都有确定的灾害因子参数 (表 2) . 若确定
林带树种以后 ,在某一灾害地区有效防护距离是一个
确定的数值.
表 2  有效防护距离与地区灾害类型及林带高度的关系
Table 2 Relationship bet ween effective distance of protection and area of
classif ied disaster and shelterbelts height
灾害类型区
Area of classified disaster α L H
极重风害区 15 15H
重风害区 20 20H
中风害区 25 25H
轻风害区 30 30H
林带高度与树种及林带
年龄有关 , 在计算 L
时 ,是以初始防护成熟
树高 H 为依据.
  林带防护范围的大小是以林带有效防护距离来度
量的 ,有效防护距离是评价林带防护范围大小的最关
键指标. 若带间距离大于有效防护距离 ,则有部分农田
会受到害风的侵袭 ,该间距的林带显然不能起到全面
防护的目的. 若林带间距小于有效防护距离 ,则增大了
林带的占地面积以及其胁地减产等负效应值. 故而在
确定评价标准时 ,应以有效防护距离 (L ) 与林带间距
(D)的比值为依据. 若比值为 1 ,则认为其为高效 ,否则
为中效或低效 (表 3) .
表 3  用 L 度量林带防护范围大小的标准(以 25 H为例)
Table 3 Criteria of protection range measured by L ( 25 Has example)
L D L/ D 林带防护效能级次Rating level of protection effect
25H > 30H > 1. 28 低效 (至少有 5H宽的农田未受保护)
25H 28~32H 1. 12~1. 28 中效 (至少有 3H宽的农田未受保护)
25H 25 ±3H 1 ±0. 12 高效 (林带间距最佳 ,农林用地比例合理)
25H 22~18H 0. 72~0. 88 中效 (林带占地较多)
25H < 18H < 0. 72 低效 (林带占地过多)
31113 防护成熟  防护成熟是农田防护林的经营并使
之达到永续利用的基础. 当树木达到一定的年龄 ,林带
达到一定的高度 ,林带结构发育到一定的状态 ,开始将
所保护的农田全部有效地防护起来 ,进入防护成熟状
态. 在农田防护林防护成熟状态持续一段时期后 ,林带
开始衰弱 ,结构劣化 ,防护功能及其它功能明显下降 ,
不能完全有效地保护农田. 初始防护成熟龄的大小表
征了林带达到完全防护状态的时间的早晚[8 ] . 因此 ,
度量林带防护作用发挥迄止时间过程的指标之一便是
初始防护成熟龄. 同理 ,防护成熟期持续时间越长 ,林
带防护功能越大. 防护成熟可由林带高生长来确定. 当
林带树高生长加速度达到最小值时 ,林带高度基本进
入较为稳定的状态 ,这时林带被认为是进入初始防护
状态[8 ] . 林带高度等于各个树木生长高度的平均值 ,
而树高生长可以通过树干解析进行模拟. 研究表明 ,杨
树林带高生长模型为 Logistic 生长函数 ,根据此模型 ,
可以求出林带高度生长加速度公式 ,并计算出林带高
生长 A (a)的极小值即得林带防护成熟龄[8 ] . 防护成熟
期则依据林带树木的工艺成熟、数量成熟龄确定. 如东
北西部和内蒙东部主要林带树种的初始防护成熟龄和
3075 期           范志平等 :东北地区农田防护林高效多功能经营的指标体系及标准研究          
防护成熟期分别为 : 北京杨 15a 和 18a ; 双杨快杨 15a
和 17a ; 加杨 15a 和 15a ; 小叶杨 24a 和 11a ; 小青杨
23a 和 14a [8 ] . 在判断林带防护作用持续时间时 ,应综
合考虑两个方面 (表 4) .
表 4  用防护成熟度量林带防护作用迄止时间过程的标准
Table 4 Criteria of protection state measured by protection maturity of
shelterbelt
初始防护成
熟龄 IPMA(yr)
防护成熟期
TPMP(yr)
防护作用持续状态
Protection state
防护效能级次
Rating level
10~15 15~25 林带发挥有效防护作用起始时间早 ,持续时间长 高效
15~20 5~15 林带发挥有效防护作用起始较晚 ,持续时间较短 中效
> 20 < 5 林带发挥有效防护作用起始时间晚 ,持续时间短 低效
31114 更新方式  林带更新是农田防护林永续高效经
营和健康维系的关键所在. 通过半带更新、隔带更新、
断带更新等不同更新方式 ,可使林网的防护功能降低
最小[1 ,3 ,8 ] . 对于林带而言 ,采取的更新方式不同 ,林带
防护效能的延续性不同. 应用微气象学对隔带更新模
式进行效益评价和理论分析表明 ,隔带更新后的林网
仍具有较高的防风效应 ,平均为 22 % ,仍在有效防护
效能范围之内 ;隔带更新后的林风蒸散旷野差为 1 % ,
土壤热能量和湍流热能量与旷野相比仍具有显著差
异 ,前者增加约 33 % ,后者减少约 19 %[3~5 ,9 ] . 作为度
量林带效益持续发挥的延续方式指标 ,更新方式主要
取决于林带本身的树种组成和农业生产要求及土地利
用方式.综合更新方式与防护效益的关系 ,可以看出 ,半
带更新、滚带更新、带内更新能较好地连续发挥林带的
防护效益 ,使林带效益中断的程度较小 ,而隔带更新、断
带更新则比连带皆伐更新防护功能降低程度小. 所以更
新方式的选择反映了其能否连续发挥效益 (表 5) .
表 5  用更新方式度量林带效益延续方式的标准
Table 5 Criteria of sustainability of protection effect measured by regener2
ation pattern
更新方式
Regeneration pattern
连续防护效益降低程度
Decrease of protection effect
评价级次
Rating level
半带、滚带、带内更新 降低最小 ,10 %~20 % 高效
隔带更新、断带更新 降低较小 ,20 %~50 % 中效
连带皆伐全面更新 降低最大 ,50 %~100 % 低效
31115 林带经济产投比  作为多功能农田防护林 ,其
最终目标反映到经济产值的大小 ,因此用林带经济产
出来度量林带生产力水平及多功能能力的大小的指标
较为合适. 林带经济产投比作为基本评价依据 ,应根据
不同类型的地区有所差别 (表 6) .
312  林网体系高效多功能经营的指标与标准
31211 林网体系高效多功能经营的指标  林网经营的
总目标是不断地调整农田林网体系的布局、树种组成
及年龄结构 ,使其常处于发挥最大综合效益的理想状
态 ,亦即在最小重合度下 ,以较小占地面积 ,使景观中
表 6  用林带产投比度量林带生产力水平及多功能价值标准
Table 6 Criteria of production and multi2value measured by O/ I of shelter2
belt
林带产投比
O/ I of shelterbelt
多功能价值产出
Output of multi2value 评价级次Rating level
> 1∶7 间作作物、绿化大苗、小径材、农用产品原料及林木材产出 高
1∶4~1∶7 林带木材生产及间伐小径材生产 中
< 1∶4 单一林带木材生产 低
林带投入 :按材料费、用工费、管理费计算.
农田需要被保护斑块的各部位全部且恰好处于林带有
效防护距离之内 (使抗风害干扰在正边缘效应带内) ,
从而能最大限度地提高农田生态系统的稳定性和生产
力. 1) 林网带斑比. 在农田生态系统中 (假设总面积为
S ) ,林带和被保护的农田分别被认为是相互镶嵌的廊
道和斑块. 其中林带的条数 ( N b0) 及其所占有的面积
( S b0) 表征了林网数量的大小 , 将林带条数和林带面
积结合起来 ,则可用带丰度 ( R0) 来综合度量林带数量
的大小 : R0 = S b0 [1 - 1/ ( N b0 + 1) ]/ S ;同样 ,需被防
护的斑块数 ( n) 和斑块面积 ( A ) 表征了斑块数量的大
小 ,将二者结合起来用斑丰度 ( B ) 综合度量斑块数量
的大小 : B = A [1 - 1 ( n + 1) ]/ S . 由于林网分布在需
要保护的农田斑块 ,当斑块数量较大时 ,林网数量也较
大 ,也就是说林网数量与斑块数量成正比例相关. 因此
综合带丰度和斑丰度 ,用带斑比 ( F0 = R0/ B ) 度量林
网在景观中的数量较稳定而准确 ,其含义相当于林网
在所庇护的农田斑块上的覆被率[5 ,6 ,12 ] . 2) 林网连接
度 ( Q0) 和环度 ( R0) . 林网在农田景观中网络化状态
及成型状况 ,表达了农田防护林体系网络完整与否 ,也
是农田防护林能否高效的一个决定因素. 描述林网体
系网络化状态的参数很多 ,如林网节点数 ( V b0) 、林网
最多林带连边数 ( L max ( V b0) ) 、林网连接度 ( Q0) 、林网
最大可能有的环路 (闭合网格) 数 ( Hmax ( V b0) ) 及林网
环度 ( R0) 等都可度量林网网络化状态. 以上这些指标
从景观生态学角度分析 ,会发现林网连接度是林网节
点数、林网最多林带连边数的函数 ,而林网环度是林网
节点数、林网环路 (闭合网格) 数的函数[5 ,6 ,12 ] (表 7) .
因此 ,从这些指标中可以选取林网连接度和林网环度作
为林网成型状况和完整程度的评价指标. 3) 林网优势度
( D0 ) .林网建设不仅增加了农田景观中的廊带数量 ,而
且因林网对较大农田斑块的分割 ,也增加了景观中的斑
块数量.因此 ,林网在农田景观中的地位、均匀程度以及
对农田景观基质的影响程度是评价高效农田防护林的
一个重要方面.林网的相对多度、频度、盖度及优势度则
能很好地确定林网在农田景观中的地位及分布[5 ,6 ,12 ] .
这里 ,林网优势度是一个综合指标 ,可将前 3 个指标综
合起来 ,来表征林网体系的地位及分布 (表 7) .
407 应  用  生  态  学  报                    12 卷
表 7  林网体系高效多功能经营的指标
Table 7 Indices of highly effective and multi2functional management of
net works
评价指标
Evaluation
index
指标数学表达
Mathematic formula of index
度量对象
Object of
measurement
带斑比 Ratio of
belt to patch F0 =
R 0
B =
S b0[1 - 1/ ( N b0 + 1) ]
A [1 - 1 ( n + 1) ] 在景观中丰盛程度
连接度
Connectivity Q0 = [ N b0 - ( n - 1) ]/ L max( V b0) 林网成型状况
林网环度
Networks ring
R 0 =
( N b0 + n - V b0/ Hmax
( V b0) ⋯⋯( V b0 ≥4)
0 ⋯⋯( V b0 = 2 ,3)
网格完整程度
优势度
Dominance D0 =
R d0 + R f 0/ 2 + Rc0
2 数量及分布均匀度
指标模型中参数的含义 : R 0 :林网合理带丰度 , S b0 :合理占地面积 , A :
防护斑块的面积 , B :林网中被防护斑块的斑丰度 , N b0 :林网合理主副带
数之和 , n :防护斑块的数目 , V b0 :林网节点数 , R d0 :林网合理相对多度 ,
L max( V b0) :林网最多林带 (连边) 数 , R f 0 :林网合理频度 , Hmax ( V b0) :林
网最大环路 (闭合网格) 数 , Rc0 :林网合理盖度.
31212 林网体系高效多功能经营的标准  上述指标的
数学表达式计算出的结果是指林网的合理指标 ,将林
网合理景观指标值与相应的现有林网实际景观指标值
进行比较 ,对现有林网在景观中的布局进行评价. 在实
际中 ,如果用林网带斑比、优势度、连接度和环度这 4
个指标对现有林网在农田景观中的布局进行评价 ,当
F = F0 , D = D0 , Q = Q0 和 R = R0 时 ,现有林网布
局处于合理状态. 然而 ,在实际中这种状态的林网几乎
不存在. 从景观生态学原理出发 ,计算现实林网的实际
指标值与合理林网指标值的距离系数 ( D) ,将距离系
数分为不同的数量界限 ,来界定林网布局的合理性[12 ]
(表 8) .
表 8  林网体系高效多功能经营的标准
Table 8 Criteria of highly effective and multi2functional management of
net works
评价指标
Evaluation
indices
D D 的区间值
Range of D
布局评价
Evaluation
林网带斑比
Ratio of
belt to patch
θF = | F - F0 | / F0 0 . 85 < θF < 1 . 15
θF < 0 . 85
θF > 1 . 15
合理
不合理
不合理
林网连接度
Networks
connectivity
θQ = | Q - Q0| / Q0 0 . 85 <θF < 1 . 15
θF < 0 . 85
θF > 1 . 15
合理
不合理
不合理
林网环度
Networks
ring
θR = | R - R 0| / R | 0 0 . 85 <θF < 1 . 15
θF < 0 . 85
θF > 1 . 15
合理
不合理
不合理
林网优势度
Networks
dominance
θD = | D - D0| / D0 0 . 85 <θF < 1 . 15
θF < 0 . 85
θF > 1 . 15
合理
不合理
不合理
4  结   语
对于单条林带而言 ,用疏透度能够度量单条林带
内部结构指标 ;有效防护距离是度量林带防护范围的
指标 ;以初始防护成熟龄、防护成熟期等林带防护成熟
参数来度量林带防护作用迄止时间过程的指标 ;以林
带产投比来度量林带多功能经营及生产力水平的指
标 ;以更新方式来度量林带效益持续发挥的延续方式
指标 ;这些指标构成度量林带防护状态及功能的指标
体系及主要指标.
对于林网而言 ,以林网带斑比度量林网在农田景
观中丰盛程度的指标 ;以林网连接度和环度度量林网
成型状况及网格完整程度的指标 ;以林网优势度度量
林网在景观中数量及分布均匀度 ;这些指标构成度量
林网在农田景观中布局合理性的指标体系.
依据两个尺度上提出的主要指标体系的数量化界
定 ,可以对农田防护林进行综合评价. 关于农田防护林
高效多功能经营的标准和指标体系在林网布局宏观度
量与评价及林带结构微观度量与评价方面的案例研
究 ,因篇幅所限 ,另文报道.
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作者简介  范志平 ,男 ,1970 年生 ,助理研究员 ,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.
5075 期           范志平等 :东北地区农田防护林高效多功能经营的指标体系及标准研究