全 文 ：防护林阶段定向经营研究Ⅱ. 典型防护林种
———农田防护林 3
朱教君 　姜凤岐 3 3 　曾德慧
(中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 110016)
【摘要】　以防护林阶段定向经营理论为基础 ,对典型防护林种 ———农田防护林的防护成熟、经营阶段、更
新方式、方法进行了研究讨论 ;通过对东北地区农田防护林长期调查积累资料的分析 ,确定了乡土杨和杂
交杨 ( Populus spp. )农田防护林的初始防护成熟龄和终止防护成熟龄分别为 16～24 年和自然成熟龄 ,第
一代农田防护林的更新龄为 32～36 年. 以树木径级离散度、防护成熟龄和更新龄为主要依据定量划分了
杨树农田防护林的 3 个经营阶段 ,并重点讨论了不同更新方式下 3 个经营阶段的变化情况 ,给出了维持农
田防护林成熟状态的疏透度调控技术及其相关的林木分级依据与标准. 同时为实现定向经营的目标 ,提出
了各个经营阶段内应采取的系列经营管理措施.
关键词 　阶段定向经营 　农田防护林/ 林带 　防护成熟 　更新
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 10 - 1273 - 05 　中图分类号 　S727. 2 　文献标识码 　A
Phase2directional management of protective plantations Ⅱ. Typical protective plantation :farmland shelterbelt.
ZHU Jiaojun , J IAN G Fengqi , ZEN G Dehui ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences ,
S henyang 110016) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (10) :1273～1277.
This paper is the second part of the series reports on phase2directional management of protective plantations.
Based on the fundamentals of phase2directional management for protective plantations in paper Ⅰ,discussions on
protective maturity , management phase , and regeneration patterns and methods for shelterbelt or windbreak
were conducted. Firstly , the two points of protective maturity of Populus spp. i. e. , initial protective maturity
age ( IPMA) and terminal protective maturity age ( TPMA) , were determined. According to the growth pattern
of shelterbelt , the IPMA was 16 years and 24 years for local poplar and hybrid poplar shelterbelts , respectively ,
and TPMA was the natural age for both local and hybrid poplar shelterbelts , which was determined on the basis
of change pattern of porosity. Secondly , the three management phases of shelterbelts were divided quantitatively
based on the analyses of discrete degrees of diameter , IPMA and TPMA. Thirdly , the corresponding measures
for phase2directional management in each phase were also developed. In pre2maturity phase , i. e. , the period
from establishment of shelterbelt to IPMA , the measures such as soil cultivation , irrigation , fertilization , weed
clearing , intercropping and branch cutting etc. should be conducted. In maturity phase , i. e. , the period from
IPMA to TPMA in theory , but the period from IPMA to regeneration age in practice , the techniques of manag2
ing the shelterbelt porosity around 0. 25 (the best porosity value for wind protection) should be developed. In
this phase , the porosity model was constructed according to the distribution pattern of base area for the poplar
shelterbelt . The classification of shelterbelt trees , i. e. ,42grade classification , was established by considering the
contribution of trees to the shelterbelt structure , which can provide the standard for thinning and tending of shel2
terbelt . Additionally , the density controlling techniques were also discussed. In the period of regeneration , i. e. ,
from the regeneration age to the establishment of next generation shelterbelt , the techniques of regeneration such
as determination of regeneration age , arrangement of regeneration patterns should be paid great emphasis. The
influences of regeneration patterns and methods on regeneration period were specially discussed , and the changes
of three management phases were illustrated by different regeneration patterns in the end of this paper. These
results were obtained from poplar shelterbelt , but the fundamentals could be applied in any other shelterbelts.
Key words 　Phase2directional management ( PDM) , Shelterbelt or windbreak , Protective maturity , Regenera2
tion. 3 国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目、国家自然科学基金项
目 (39170632、39370578)和中国科学院沈阳应用生态研究所知识创
新工程资助项目.3 3 通讯联系人.
2002 - 05 - 23 收稿 ,2002 - 07 - 08 接受.
1 　引 　　言
由于防护林种类较多 ,防护目的、目标各不相
同[9 ] ,因此 ,阶段定向经营技术体系也不一样 ,尤其
是阶段定向经营的核心 ———防护成熟的确定方法也
不相同 , 这正是防护林经营的主要特点与难
点[1 ,16 ] .农田防护林作为防护林的骨干林种之一 ,
如何从该林种的有效防护效能发挥程度上去分析确
定该林种的防护成熟 ,进而确定该林种的定向经营
阶段与相应的经营技术措施 ,一直是一个重大而又
难解的经营理论与技术问题. 通过总结国家“七五”、
“八五”、“九五”科技攻关和国家自然科学基金多项
应 用 生 态 学 报 　2002 年 10 月 　第 13 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2002 ,13 (10)∶1273～1277
有关防护林经营研究成果 ,总结提出了防护林阶段
定向经营理论基础与技术框架[10 ] (论文 Ⅰ,下同) ,
本文以农田防护林为例 (论文 Ⅱ,下同) ,以前篇阶段
定向经营理论为基础 ,通过对东北农田防护林体系
长期系统的研究 ,提出农田防护林阶段定向经营技
术体系 ,主要包括对农田防护林的防护成熟的界定
与经营阶段的划分及经营措施等.
2 　研究地区与研究方法
　　研究区域设于东北西部内蒙东部典型农田林网区 ,主要
包括吉林省农安、榆树、德惠、九台、双阳及郊区 6 县区、辽宁
省昌图县及内蒙古自治区赤峰地区 ;这些地区基本能代表现
有杨树农田防护林建设的概况 [7～9 ] . 该区域农田林网以林带
为主体、按一定格局分布在农田中. 林带设计多为 3～6 行 ,
带间距离 300～500m ,主要树种为杨树 (杂交杨占 80 %和乡
土杨占 20 %) 林龄 3～34 年[19 ,20 ] . 杂交杨 :北京杨 ( Populus
×bejingensis W. Y. Hsu) 、小钻杨 ( P. ×xiaoz huanica W. Y.
Hsu et Liang. ) 、加拿大杨 ( P ×canadensis Monech) ;乡土杨 :
小青杨 ( Populus ×pseudo2simonii Kitagawa) 、小叶杨 ( Popu2
l us ×simonii Carr. ) . 调查区域内选不同年龄、不同品种 ,具
典型密度的林带 100m 设临时或固定标淮地 ,对测树因子
(每木检尺、树高、密度、林带年龄等) 进行定期观测 ;同时对
每条林带摄取有叶期相片 ,应用“数字图象处理”法 [6 ,11 ,21 ]测
定林带疏透度 (透光疏透度 Optical porosity 下同 , 表征林带
结构的特征参数) [3 ,4 ] . 在年龄较大的林带中 ,选典型树木做
树干解析. 共设标准地 140 余块 ,摄得象片近 300 张 ,取解析
木资料 70 余株. 以树干解析及实测树高值为依据 ,应用 Lo2
gisttc 生长模型 ,模拟建立了杨树林带高生长模型.
3 　结果与讨论
311 　农田防护林防护成熟
　　根据论文 Ⅰ中对防护林防护成熟的定义 ,农田
防护林防护成熟应定义为 :农田防护林在生长发育
过程中达到全面有效的防护农田的状态 ;经营农田
防护林的主要目的就是追求有效防护的最大延续 ,
因此 ,应尽量延长林带全面、有效防护农田的时间.
防护成熟状态持续时期的两个端点 ,即初始防护成
熟龄 ( IPMA)和终止防护成熟龄 ( TPMA) [8 , 10 , 16 ]的
确定是防护成熟的核心 ;其中 ,初始防护成熟龄的确
定更有意义 ,不仅为林带的经营提供理论依据 ,同
时 ,也是林带规划设计的重要基础[22 ] .
　　已有的研究表明 ,林带的防护效益主要取决于
林带削弱风速、改变气流运动形式的空气动力效应 ,
这是引起一系列小气候因素得以改善并明显减少自
然灾 害 发 生 , 保 障 农 业 安 全 生 产 的 主 导 因
子[1 ,8 , 13 , 16～18 , 22 ] . 因此 ,判断林带是否处于防护成
熟状态 ,实际上要看林带在所控制的农田空间内是
否把害风降低到临界值以下[22 ] ,从而实现全面有效
的防护. 林带对风的作用主要取决于林带本身的结
构 (疏透度) 和林带高度[7 , 8 , 10 ] . 结构由树种组成、
配置方式、密度等决定 ,因此 ,林带结构可通过调整
实现最佳 ,从而保证林带最大限度的防护效益 ;而林
带高度是决定有效防护距离的关键 ,树木高生长则
由其生物学特性决定的 ,因此 ,树木的高生长就成为
确定初始防护成熟龄的最关键因子.
　　林带树木高生长的规律表明[5 , 16 , 19 ] ,当树高生
长加速度达到极小值点时 ,树高生长基本进入稳定
状态[5 ] ,此时林木的高度正是最理想的防护成熟高
度 ,即成林高 ( Mature height ) [22 ] ,其所对应的年龄
为初始防护成熟龄.
　　以调查区杨树林带树干解析及实测树高值为依
据 ,模拟建立了杨树林带高生长模型 (式 1) ,并据此
确定了树高生长加速度达到极小值模型 (式 2) :
　　H ( X) = K/ [1 + mexp ( - rX) ] (1)
　　A ( X) = I PMA = [L n ( m ) + 1 . 317 ]/ r (2)
式中 , H ( X) 为树高生长 (m) ; K 为树高生长渐近最
大值 (m) ; X 为年龄 (yr) ; A ( X) 为树高生长加速度
达到极小值时的年龄 (年) ,其值等于初始防护成熟
龄 ( IPMA) ; m 为反映立地条件的参数 ; r 为树木高
生长的内禀增长率[16 , 20 ] . 式中参数 r、m 可依据树
高生长模型 (式 1) 确定. 由此确定的始防护成熟龄
见表 1. 杂交杨 (北京杨、小钻杨、加拿大杨) 为 15
年 ;乡土杨 (小青杨、小叶杨)为 23、24 年.
表 1 　主要杨树品种林带的初始防护成熟龄及其对应的林带高
Table 1 Model parameters , IMPA and the corresponding tree height
for major poplar windbreaks ( m)
树种
Tree
species
模型参数
Model
parameters
m r
初始防护成熟龄
IMPA (yr)
成林高
Maturity height (m)
小叶杨 8. 16 0. 142 24. 0 13. 4
Populus simonii
小青杨 9. 31 0. 151 23. 5 15. 6
P. pseudosimonii
小钻杨 5. 80 0. 206 15. 0 20. 3
P. canadensis
加拿大杨 13. 77 0. 239 15. 5 18. 0
P. xiaoz uanrica
　　农田防护林的终止防护成熟系指一代农田防护
林的防护功能及其它功能明显下降时的状态 ,即林
带开始衰弱进入不能完全保护农田的状态 ,所对应
的时间称为终止防护成熟龄 ( TMPA) . 从其特征看 ,
在自然成熟前 ,林带基本能满足防护需要 ,因此 ,林
带的终止防护成熟 (龄) 应以林带的自然成熟为标
准 ,即林带树木或整个林带开始进入衰落的状态. 虽
然树木的自然成熟是一个长期而缓慢的变化过程 ,
4721 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
图 1 　农田防护林结构变化图
Fig. 1 Sketch of shelterbelt structure during IMPA and TMPA.
很难确切判定它的到来期 ,但对于特定的林带树种
仍可以根据林带或树木的外表特征及林带结构 (疏
透度)加以判断[8 , 16 ] (图 1) . 以调查区域内杨树林带
疏透度观测值和以往研究结论[2 , 8 , 12 , 22 ]为依据 ,确
定农田防护林的自然成熟 (龄)或终止防护成熟 (龄)
为林带疏透度值大于0. 50时的状态 (图 1) .
312 　农田防护林定向经营的阶段
31211 成熟前期的开始时间 (A1) 　为满足经营农
田防护林使其尽快达到全面有效的防护成熟状态 ,
根据论文 Ⅰ理论分析 ,可将农田防护林的生长发育
过程划分为 3 个经营阶段 :成熟前期 ( Ⅰ) 、防护成熟
期 ( Ⅱ)和更新期 ( Ⅲ) . 具体划分 3 个时期的关键是
确定成熟前期的开始时间 (A1) 、初始防护成熟龄和
更新的开始时间 (NMA) . 对于农田防护林 ,林带自
栽植后形成相对稳定的幼林的时间 ,即成熟前期的
开始时间可由林带在合理初植密度下林带林分基本
郁闭 (垂直)来确定 ,因为林带达到基本郁闭时 ,幼林
已基本稳定. 判断林带林分郁闭的基本指标之一是
径级离散度 (式 3) 的变化情况[20 ] ,即 ,径级离散度
大于 1 ,可以认为林带林分基本郁闭.
　　Dis = ( Dmax - Dmin) / Dmean (3)
式中 , Dis为径级离散度 , Dmax为林带林分最大直径
(cm) , Dmin为林带林分最小直径 (cm) , Dmean为林分
平均直径 (cm) .
　　以调查区域内杨树林带生长发育调查为依据 ,
确定成熟前期的开始时间 (A1) 如表 2. 由表 2 可知 ,
对于东北地区典型的杨树农田防护林成熟前期的开
始时间 (A1) ,杂交杨 (北京杨、小钻杨、加拿大杨) 为
3～5 年 (平均 4 年) ;乡土杨 (小青杨、小叶杨)为 8～
9 年 (平均 8 年) .
表 2 　不同密度林带树木径级离散度
Table 2 Discrete degrees of diameter in shelterbelt stands
树种
Tree
species
林带行数
Rows of
shelterbelt
造林密度
Density
of shelter
belt (m ×m)
径级离散度
Discrete
degrees of
diameter
年龄
Age (yr)
杂交杨 3 3. 0 ×2. 5 l. 10 5
Hybrid 3 2. 3 ×1. 8 1. 07 4
poplar 3 2. 0 ×2. 4 1. 03 3
4 1. 0 ×1. 5 l. 59 3
4 1. 5 ×2. 0 l. 36 4
4 2. 0 ×2. 3 l. 10 4
乡土杨 5 1. 5 ×1. 5 1. 10 8
Local poplar 7 2. 0 ×2. 3 1. 37 9
8 2. 0 ×1. 5 l. 15 8
31212 更新期的开始时间 (Ar) 　从理论上讲 ,农田
防护林的更新开始时间 ,即更新年龄 (Ar) 应为终止
防护成熟龄 ( TMPA) 或自然成熟龄 ( NMA) [10 ] . 这
种情况下 ,由于成熟前期的开始时间、初始防护成熟
龄都已确定 ,那么 3 个经营阶段的划分则比较简单 ,
即成熟前期 :A1～ IMPA ,防护成熟期 : IMPA～Ar 或
TMPA 或 NMA ,更新期 : Ar 或 TMPA 或 NMA～
A1 (树种不变) . 对于调查区内的杨树林带 ,杂交杨 :
成熟前期 4～15 年 ,防护成熟期 15 年～TMPA ,更
新期 TMPA～4 年. 4 种更新方式下 (全带皆伐更
新、半带皆伐更新、带内更新和带外更新) 3 个经营
阶段如图 2A、B 所示.
313 　农田防护林各经营阶段定向经营技术
31311 成熟前期阶段 　防护林定向经营的核心是
使防护林向着防护成熟状态发展或保持这一状态 ,
因此 ,一切经营技术与措施必须围绕这一目标. 定向
经营的目标是 :促进林带树木生长使之尽早达到全
面、有效的防护成熟状态. 因此 ,该阶段所有的经营
措施都应紧紧围绕加速林木生长、尽可能提前实现
防护成熟状态为中心进行. 如以除草、松土、灌溉、施
肥、间作、定株、修枝和培垄等措施为基本内容的幼
林抚育技术 ,以及其它有利于林分正常生长、发育或
尽速进入防护成熟状态的技术措施等.
31312 成熟期阶段 　定向经营的目标是 :维持防护
林达到防护成熟时的结构状态 (最适疏透度) ,使全
面、有效的防护能够稳定发挥. 这一阶段的主要经营
措施应保证林分处在最佳防护状态 ,即林带结构处
于最适疏透度的范围. 因此 ,以林带疏透度调控为中
572110 期 　　　　　　　　朱教君等 :防护林阶段定向经营研究 Ⅱ. 典型防护林种 —农田防护林 　　　　　　　　　　　
图 2 　农田防护林经营阶段划分图 (终止防护成熟龄 = 更新龄)
Fig. 2 Phase division for shelterbelt in phase2directional management (Ar
= TPMA) .
　　阴影或点填充部分表示防护效益 Area filled with lines and points
represents shelter benefits. A0 :防护林初植时间 ,一般为 0 (年) Plant2
ing time of protective forest , A1 :形成相对稳定的幼林 Establishment
time of protective forest , IPMA :初始防护成熟龄 Initial protective ma2
turity age , Ar : 更新龄 Regeneration age , TPMA : 终止防护成熟龄
Terminal protective maturity age , NMA :自然成熟龄 Natural maturity
age ; Ⅰ. 第一阶段 ,成熟前期 First phase , pre - maturity period , Ⅱ. 第
二阶段 ,防护成熟期 Second phase , maturity period , Ⅲ. 第三阶段 ,更
新期 Third phase , regeneration period ; A :全带皆伐更新 Clear cut2
ting , B :半带皆伐更新或带外更新或带内更新 (人工促进天然更新)
Half2clear cutting or regeneration near the old belt , and inner regenera2
tion or artificial2natural regeneration. 下同 The same below.
心的技术是经营措施的主体 ;林带疏透度调控的主
要手段是间伐和修枝 ,即林带树木密度调控技术. 本
研究调查的东北农田防护林区内杨树林带的疏透度
调控技术可采用主导因子模型或机理模型[7 ] . 以主
导因子模型为例 ,应用已建立的疏透度模型 ,取最适
结构 0. 25 疏透度时的各林分结构因子编制成不同
林带高 ( H) 、枝下高 ( H0 ) 对应的最适胸高断面积
( Gs ,m2100m - 1) 和最适株数表[7 ] . 对于现实林带的
任一条 ,只要通过常规的林带调查、取得 100m 段林
带的胸高断面积值 ( G) 即可得到该林带的疏透度
值.若有叶期林带疏透度小于 0. 25 ,表明林带过于
紧密 ,可以通过间伐或其它措施如修枝等进行调整 ,
即改变 G值或 H0 值使林带恢复到最适结构状态.
间伐调整量可由式 (4)计算得出.
　　间伐强度 = ( G - Gs) / G ×100 % (4)
　　间伐林木的选择可按林带树木分级标准进
行[19 ,20 ] ,即以林带树木所处的位置对林带结构或防
护效能贡献的大小和林木分化状态作为林带树木分
级的依据 ;将林带树木划分为 : Ⅰ级木 (林带树木周
围 > 5m 处无树木 ,生长发育良好 :林木直径 D >
Dmean , Ⅰa , D < Dmean , Ⅰb ;生长发育不好 :林木直径
D > Dmean , Ⅰc , D < Dmean , Ⅰd = Ⅱ级木 (林带树木周
围 2. 0 - 5. 0m 处无树木 ,生长发育良好 :林木直径
D > Dmean , Ⅱa , D < Dmean , Ⅱb ;生长发育不好 :林木
直径 D > Dmean , Ⅱc , D < Dmean , Ⅱd = Ⅲ级木 (林带
树木周围 < 2. 0m 处无树木 ,生长发育良好 :林木直
径 D > Dmean , Ⅲa , D < Dmean , Ⅲb ;生长发育不好 :林
木直径 D > Dmean , Ⅲc , D < Dmean , Ⅲd) 、严重病腐木
为Ⅳ级木. 间伐对象主要为 Ⅲ级木中的 Ⅲc、Ⅲd 和 Ⅳ
级木.
31313 更新期阶段 　定向的目标是 :根据农田防护
林种的特点 ,通过选择适当的更新方式、方法 ,尽早
恢复由于一代防护林的自然成熟或采伐利用而间断
/ 或降低的防护效益 ,使下一代防护林尽早形成. 对
于单一杨树林带 ,主要更新方式有全带皆伐更新、半
带皆伐更新、带内更新和带外更新. 从理论上讲 ,如
前所述 ,农田防护林的更新开始时间应为终止防护
成熟龄 ( TMPA) 或自然成熟龄 (NMA) . 但是 ,如果
到了自然成熟龄再行更新无论从防护效益连续上还
从农田防护林木材利用上考虑都有不妥之处 ;因此 ,
对于第一代农田防护林的更新龄 ,除了主要依据防
护成熟龄外 ,还要兼顾数量和工艺成熟而综合予以
确定 ;以后各代农田防护林可通过选择适当的更新
方式、方法 ,确保农田防护林防护效益的不间断.
　　数量成熟是由平均生长量来表征的 ,通常出现
在初始防护成熟之后 ,其变化具有缓慢的特点 ,最高
值能维持相当长的时间 (对于阔叶树可维持 10
年) [5 ] ,在此期间 ,林带不仅在木材数量上有所增
加 ,其质量也有所提高. 因此 ,确定杨树林带的更新
龄时以其数量成熟维持其最高生长时间的末端为主
要依据. 对于阔叶树种杨树 ,更新龄 = 数量成熟龄 +
10 年. 据此 ,确定调查区杨树林带的更新龄 (平均
值) :杂交杨 32 年 ,乡土杨 36 年. 更新龄确定后 ,更
新期则主要取决于更新方式、方法. 农田防护林 ,尤
其是杨树农田防护林的更新一般采用人工植苗更
新 ;就一条林带而言 ,主要更新方式有全带皆伐更
新、半带皆伐更新、带内更新和带外更新[1 , 16 , 17 ] . 4
种更新方式下 3 个经营阶段如图 3A、B 所示.
6721 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
图 3 　农田防护林经营阶段划分图 (终止防护成熟龄≠更新龄)
Fig. 3 Phase division for shelterbelt in phase2directional management (Ar
≠TPMA) .
4 　结 　　论
　　以防护林阶段定向经营理论为基础 ,讨论了典
型防护林种 ———农田防护林的防护成熟和经营阶
段 ;以东北地区杨树农田林带为研究对象 ,确定了初
始防护成熟龄和终止防护成熟龄 ,乡土杨 (小青杨、
小叶杨)为 24 年和自然成熟龄 ,杂交杨 (北京杨、小
钻杨、加拿大杨)为 15 年和自然成熟龄. 根据林带树
木的生长发育状况 (径级离散度)确定了成熟前期的
开始时间为 :乡土杨 8 年 ,杂交杨 4 年. 图示了 4 种
更新方式下 3 个经营阶段 ,讨论了不同更新方式、方
法对更新期的影响 ;分析了 3 个经营阶段所需采用
的经营措施 ,并给出了杨树林带成熟期的结构调控
技术.
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作者简介 　朱教君 ,男 ,1965 年生 ,博士 ,研究员 ,博士研究
生导师. 主要从事森林生态与经营 ,防护林生态 ,林业生态工
程等研究 ,发表论文 50 余篇. E2mail : jiaojunzhu @iae. ac. cn ,
zrms29 @yahoo. com
772110 期 　　　　　　　　朱教君等 :防护林阶段定向经营研究 Ⅱ. 典型防护林种 —农田防护林