全 文 ：林 业科 学研 究 2010, 23( 3) : 472 ～ 477
Forest Research
文章编号: 1001-1498( 2010) 03-0472-06
干旱半干旱区人工林密度调控技术研究现状及趋势
玉 宝1 , 2, 王百田1* , 乌吉斯古楞3
( 1. 北京林业大学水土保持学院 , 北京 100083; 2. 国家林业局管理干部学院 , 北京 102600;
3. 北京林业大学林学院 , 北京 100083 )
关键词: 干旱半干旱区; 人工林; 密度调控
中图分类号: S728.2 文献标识码: A
收稿日期 : 2009-05-26
基金项目 : 林业公益性行业科研专项 ( 200704031)
作者简介 : 玉宝 ( 1976— ) , 男 , 蒙古族 , 内蒙古通辽人 , 博士生 , 从事生态学理论与生态控制技术研究 . E-mail: nmlyb8@ sina. com
* 通讯作者 : 王百田 ( 1958— ) , 男 , 教授 , 从事林业生态工程教学与研究 .
Research Status and Trend on Plantation Density Control Techniques
in Arid and Semi-arid Regions
YU Bao1, 2, WANG Bai-tian1 , WU Ji-si-gu-leng3
( 1. College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2. State Academy of Forestry Administration,
Beijing 102600, China; 3. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)
Abstract: This article reviewed the research status of the plantation density control techniques based on domestic
literature, and discussed the technical issues on plantation density control in the arid and semi-arid region.
Nowadays, more studies focused on modeling study, but with less mechanism; more on the pure plantation with
similar ages and site conditions, rather than mixed forests; and more on the fast-growing timber plantation in South,
but less on the plantation in arid and semi-arid regions. It was imperative to study the density control techniques
which focused on the water factors, such as the techniques of water production function in the arid and semi-arid
regions. The traditional density control techniques aimed to attain the highest production by relating the system
density and production. The density control techniques based on water production function set the point of entry with
the water factors, complied with the principle of water supporting capacity. The timely density control based on the
amount of available water in the plantation ecosystem could ensure the best balance among the economic, ecological
and social benefits of forests. It would be also beneficial to avoid from or reduce the problems of soil degradation,
soil drying and groundwater decreasing caused by improper afforestation, and more suitable for the density
management of plantation in the arid and semi-arid region.
Key words: arid and semi-arid region; plantation; density control
水资源日趋紧张已是全球性生态问题。我国的
干旱、半干旱、亚湿润干旱地区的面积分别为 142. 7、
113. 9、75. 1 万 km2。其总面积为 331. 7 万 km2 , 占国
土总面积的 34. 6% [ 1 ] 。这些地区降水量小, 蒸发量
大, 植被稀少, 生物量生产力低, 属我国生态建设重
点和难点地区。加强生态建设, 恢复植被, 需要实施
大面积人工造林, 提高经营管理技术, 确保高的造林
成活率和保存率。
我国人工林面积世界第一, 截至 2004 年, 已达
5 364. 99万 hm2 [ 2 ] 。但由于树种选择不科学, 密度过
大等原因, 造成人工林地力衰退、林地干化、地下水位
下降等问题日趋明显 [ 3 - 5] 。因此, 经营好人工林, 对
第 3 期 玉 宝等: 干旱半干旱区人工林密度调控技术研究现状及趋势
改善我国生态环境、生态安全及林业发展具有重要
意义。
国内学者研究发现, 目前影响我国森林生物量生
产力的主要因子是水分因子 [ 6 - 7] , 这在干旱半干旱区尤
为突出, 通过密度调控解决缺水问题已成为主要途径
之一。林分密度一直是研究的热点问题, 是林木个体
水分营养空间大小的决定因素 [ 8] 。密度是否合理, 直
接影响到人工林生产力的提高和功能的最大发挥, 所
以探索合理密度一直是森林培育研究及生产的重要课
题之一。从国内目前研究的范围和树种来看, 主要集
中在南方的马尾松( Pinus massoniana Lamb. ) [ 9 - 10] 、杉
木( Cunninghamia lanceolata( Lamb. ) Hook. ) [ 11 - 13 ] 等速
生用材林, 而对北方干旱半干旱区人工林密度调控技
术研究还不多, 也不具系统性, 有必要深入系统研究。
合理利用水分,科学调控造林密度, 深入研究林木水分
消耗与生产力的关系, 提高经济效益和生态效益, 是干
旱半干旱区人工造林和经营管理的关键。
本文主要从人工林密度效应、水分生产函数、水
分利用效率等几个方面, 总结分析了国内外人工林
密度调控研究现状及趋势, 探讨了适合干旱半干旱
区人工林密度调控技术研究方法和趋向, 旨在为干
旱半干旱区人工林经营管理提供理论依据和思路。
1 人工林密度调控研究
林分密度控制, 就是人为调控林分结构, 充分发
挥林木生长潜力, 在实现速生、丰产、优质的同时发挥
最大的生态效益。在一定立地条件下, 密度是影响林
分产量和质量的主要因子。林分生长过程中, 由于自
然稀疏或人工间伐, 各年龄阶段都存在最佳林分密
度, 它不是常数, 是一个随经营目的、造林树种、立地
条件和栽培技术等因素变动而变化的数量范围, 密度
问题是最优控制问题。密度调控技术已成为造林后
抚育间伐和森林经营管理的重要依据和关键技术。
人工林密度调控研究, 可以分为试验观测研
究 [ 14 - 1 5] 和数学模型研究 [ 16 - 1 7] 两个阶段。目前, 国
内外研究逐渐由实地观测研究转变为利用各种数学
模型测算林分不同年龄 阶段的最适密度。李梦
等 [ 18] 用动态规划法研究了长白落叶松( Larix olgen-
sis Henry) 人工林最优密度控制技术。张彩琴等 [ 19 ]
采用变分法和最优控制理论, 得出了人工林间伐强
度和蓄积密度的最优控制策略及其连续变化的数学
模型。吴承祯等 [ 2 0] 以净现值最大为标准, 应用遗传
算法来实现林分经营过程中的密度优化控制。洪伟
等 [ 1 7] 以林分生长模型为基础, 将林分蓄积量年均生
长量作为目标函数, 应用三次设计的方法建立杉木
人工林经营过程控制系统。黄家荣等 [ 15] 采用林分
密度指数 SDI( Stand Density Index) 确定了马尾松纸
浆林的适宜经营密度。
干旱半干旱区人工林密度调控研究主要围绕水
分因子。集中体现在黄土高原半干旱区刺槐 ( Rob-
inia pseudoacacia L. ) 、油 松 ( Pinus tabulaeformis
Carr. ) 等人工林密度与生物量关系 [ 8 ] 、集水造林不
同密度林分生长 [ 21 - 22] 、水分平衡与生产力关系 [ 23] 、
径流林业 [ 24 ] 等。陈丽华等 [ 25 ] 根据林木水量平衡原
理, 确定了晋西地区合理的初植密度和成林密度。
张建军等 [ 2 6] 对晋西地区不同密度林地的水土保持
作用对比分析认为, 利用刺槐和油松营造水土保持
林时密度应该以 3 000 株 · hm- 2 为宜。武思宏
等 [ 2 7] 根据水量平衡原理, 确定了晋西地区主要造林
树种的合理林分密度, 并提出了其计算方法。
叶面积指数 LAI( Leave Area Index) 是群体结构
的重要参数, 也是衡量林分质量的重要指标 [ 28] 。很
多学者研究叶面积指数与林分密度、生物量及生长
的关系, 论证了叶面积指数在林分生长评价中的重
要作用 [ 2 9 - 32 ] 。赵士洞等 [ 28] 指出叶面积指数是生产
力模型尺度转换的连接点。王希群等 [ 29] 认为林业
生产中的格局和密度调控实际上主要调控的是林分
LAI, 使其达到最适的 LAI。因此, 在干旱半干旱区植
被恢复及人工林经营管理中, 除了林分密度外可应
用叶面积指数来评价其合理性。
无论采取何种方法, 人工林密度调控就是确定
不同年龄阶段的林分最优密度, 使林木在经营期内
达到收获量最大, 从而优化筛选经营过程 ( 造林密
度、间伐时间、间伐强度、主伐时间等) 的营林措施最
优组合参数, 即制定人工林经营的最优决策方案。
2 人工林密度效应模型研究
日本学者吉良竜夫 1953 年时在 1 年生草本群落
中发现了密度效应法则 [ 33 ] , 此后许多学者研究表明,
密度效应法则也适用于多年生木本植物群落。经过
大量研究提出了表述平均单株材积( v) 、平均胸高直
径( D) 、单位面积蓄积量( V) 等表示平均个体或群体
的大小与立木密度( N) 之间关系的数学模型, 即密度
效应模型。常见的有: 密度效应倒数模型 [ 9 , 34 ] 、密度
效应乘冥模型 [ 35 - 36 ] 、密度二次效应 [ 12 , 37 - 40 ] 、竞争密度
效应 [ 9 , 11, 34, 41 - 43] 、生产函数密度效应 [ 44 - 45 ] 等。
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林 业 科 学 研 究 第 23 卷
人工林密度效应研究方法主要有两种: 一是固
定样地定位观测, 该方法需要时间长、费用高, 但精
度高, 可信度大; 二是设置临时样地, 用空间代替时
间方法, 即在相同立地条件下, 形成年龄和密度梯
度, 建立林分密度效应模型, 该方法操作简单、易行、
但精度不高。无论何种研究方法, 目前国内外研究
普遍认为在一定条件和一定密度范围内, 林分单位
面积蓄积量与林分密度呈正相关。但到一定年龄
时, 高密度的林分单位面积蓄积量有下降趋势 [ 14] ;
林分密度与林木平均直径和单株材积呈负相关; 林
分密度对平均树高的影响不明显。在密度管理方法
中, 基于林分密度与立木单株材积及单位面积产量
之间的关系, 即密度效应规律为基础, 建立各种数学
模型编制了林分密度控制图 [ 37, 46 - 47 ] 。
人工林密度效应模型是将林木或林分生长量以
立木密 度 与林 分 优 势木 高 度 的数 学 关 系 式表
述 [ 12, 25 , 39 , 4 5] , 其缺点是未充分考虑影响林木生长的
因子。从目前研究进展来看, 由同一立地条件下, 同
龄人工用材林的密度控制逐步研究建立了在不同立
地条件、不同类型林分各个发育阶段的密度效应模
型。但主要研究南方马尾松、杉木等速生用材林, 而
北方干旱半干旱区人工林密度效应研究不多。尽管
国内外学者已经研究建立了多种模型, 但模型机理
性研究不够, 传统林分密度效应研究局限于相同立
地的同龄人工纯林, 而不同立地、年龄的人工林和天
然林密度效应研究甚少, 对混交林的近似同龄林及
异龄林的密度效应规律等, 有必要深入探讨。
3 水分利用效率研究
由于林业生产主要依靠天然降水的特殊性, 对
水分利用效率研究起步较晚。王斌瑞等 [ 2 4] 关于集
水造林技术研究认为, 随着林分密度增大, 树高生长
量和蓄积量减小与常规造林及天然林的研究结果有
较大差别 [ 8 , 2 1, 34 , 38, 4 8 - 49 ] 。从而进一步证明了干旱半
干旱区林木生长主要与水分的时空分配有关。
干旱 半 干 旱 区 的 林 木 生 长 与 水 分 关 系 研
究[ 50 - 51] , 主要应用生物量 [ 8 ] 、蓄积量 [ 8 ] 、蒸腾耗水
量[ 48 - 49, 51 - 53 ] 、水分有效利用率 [ 49 ] 、水分利用效率 [ 54] 、
水分生产效率、蒸腾系数 [ 55 ] 、耗雨系数 [ 23] 等指标。而
林分生长与水分关系 [ 23, 56] , 尤其林分生长、密度与水
分关系研究甚少。在测算林木蒸腾耗水方面, 国内外
开展了许多研究 [ 57 - 63] 。其测定技术不但能够动态地
掌握单株树木的蒸腾耗水规律, 还与生态学尺度转换
方法有机结合, 为实现直接测定林分的蒸腾耗水量提
供了条件, 并为自然条件尤其是降水量不同的地区适
宜耗水量的树种选择提供了重要的理论依据[ 64 - 6 7] 。
尽管很多学者运用彭曼公式( Penman formula) 和桑斯
维特公式( Thornthwaite formula) 研究了黄土高原主要
造林树种耗水量, 但单株和林分耗水量的研究不够系
统性, 只测算需水量, 未结合林分密度对其同等水分
情况下生物量生产力进行评价 [ 50 - 51, 68 - 70 ] 。因此, 不
同年龄阶段单株耗水特性, 不同年龄、密度的林分耗
水特性等方面, 还需深入研究。
在干旱半干旱区, 满足水量平衡的造林密度和后
期适宜的林分密度调控, 是保持防护林林分生长稳定
的关键。武思宏等 [ 27] 以降水量平衡原理确定了黄土
区主要造林树种不同年龄阶段的合理密度, 提出了
“量水植树”原则, 首次比较系统地提出水分因子为基
础的人工林合理密度问题。郭忠升等 [ 71 ] 认为, 土壤
水分植被承载力为土壤水分承载植物的最大负荷, 是
指在较长时期内, 当根层土壤水分消耗量等于或小于
降水补给量时, 所能维持特定植物群落健康生长的最
大密度。曹军胜等 [ 72 ] 认为, 土壤水分植被承载力是
黄土高原地区土壤水分与植物生长关系调控、合理利
用水土资源和生态植被建设的核心问题之一, 必须优
先考虑。张永涛等 [ 73 ] 用水量平衡理论研究认为, 目
前黄土高原 10 年生侧柏 ( Platycladus orientalis( L. )
Franco) 的造林密度不合理, 应进行适当调整。王力
等 [ 74] 认为, 黄土高原降水稀少, 水资源贫乏, 水分承
载力处于较低的水平, 实际栽植密度超出了水分承载
力。陈洪松等 [ 75] 认为, 有必要深入开展植被的生态
需水和土壤水分的植被承载力等方面的研究, 制定合
理的退耕还林还草措施, 才能避免干燥化土层的形
成。刘晨峰等 [ 76] 认为, 每一种林分都应根据当地环
境的水分承载力, 保持适度的密度。
4 水分生产函数研究
在农业领域, 关于作物水分生产函数 ( Crop wa-
ter production function) 的研究广泛, 已经逐渐成熟。
作物产量与水分因子之间的数学关系称为作物水分
生产函数 [ 7 7] 。在国外, 从 20 世纪 60 年代以来围绕
小麦( Triticum aestivum L. ) 、玉米( Zea mays L. ) 、棉
花( Gossypium hirsutum L. ) 、洋葱 ( Allium cepa L. ) 等
作物水分生产函数进行了大量的研究 [ 78 - 79 ] 。在国
内, 主要对水稻 ( Oryza sativa L. ) 、冬小麦、夏玉米、
棉花、大豆 ( Glycine max( Linn. ) Merr. ) 、蚕豆 ( Vicia
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第 3 期 玉 宝等: 干旱半干旱区人工林密度调控技术研究现状及趋势
faba L. ) 等 农 作 物 的 水 分 生 产 函 数 进 行 了
研究 [ 77, 80 - 83 ] 。
在林业上, 关于水分生产函数的研究几乎空白,
直接应用“水分生产函数”名称少见 [ 56 ] 。王克勤
等 [ 56] 关于集水造林 [ 2 4] 水分生产力的研究认为, 植
物物质生产与水分关系直接表现为生产量与蒸腾量
间的密切关系; 不同造林密度, 单株林木年生物增量
与其蒸腾量之间存在相应的函数关系; 林分密度从
高到低, 林木水分生产函数曲线由直线转为对数曲
线, 并且年生物量增量随蒸腾量的变化量由小逐渐
增大 [ 5 6] 。关于林木与水分生产力关系研究, 更多地
体现在气候生产力 [ 6 - 7, 84 - 87 ] , 但气候生产力主要依
靠各种模型, 针对某一地区的生产力大范围估算, 误
差较大, 与林木实际生长要素相结合的较少, 对于具
体小范围地区来说欠适用。
5 讨论与结论
在全球气候变化中, 最明显的为温度和降水量
的变化, 不久的将来对人工林的影响也会逐渐突出。
如对造林树种选择、引种、造林密度、生物多样性、生
产力的影响等等。现阶段我国人工林经营中, 造林
后期管护和抚育滞后, 造林和营林环节脱节, 造林和
地下水资源开采不合理, 造林和用水矛盾突出, 这些
现象在西部干旱半干旱区更明显。尽管一些地区已
经具备了密度控制图 [ 47] 等密度管理技术, 但不具普
遍性, 适用性不强等缺点。密度管理技术中未考虑
到当地造林成活和林木生长限制因子, 仅按照生产
木材的培育目的进行密度管理, 造林和成林关键问
题未得到解决。在干旱半干旱区一切林业活动均要
围绕水分因子, 若初植密度不合理, 虽然在成活初期
影响不明显, 但随着林分年龄增大, 密度效应随之显
现出来。
笔者认为, 在干旱半干旱区有必要深入研究“水
分生产函数”等围绕水分因子的密度调控技术。水
分生产函数也属于气候生产力范畴, 直接引入关键
生长影响因子, 可弥补气候生产力模型和传统密度
调控技术中的不足。传统的密度调控技术( 图 1) 是
以产量最高为目标, 为处理密度和产量( 胸径、树高、
材积和蓄积) 关系的控制系统。而以水分生产函数
为基础的密度调控技术( 图 2) 是以限制林木生长的
水分因子为切入点, 遵守水资源环境容量 [ 22] 原则,
根据林地水量适时调控密度, 使经济、生态和社会效
益达到最佳状态的控制系统, 是属于生态控制系
统 [ 8 8] 范畴, 能够缓解现阶段人工造林当中普遍存在
的地力衰退、土壤干化、地下水位下降等诸多生态问
题的加剧 [ 8 9] 。虽然两种方法在形式上具有相似性,
但追求的目标不同, 传统密度调控技术是以最高收
获量为目标, 基于水分生产函数的密度调控技术则
以综合效益最佳为目标, 有了本质上的区别。因此,
以水分生产函数为基础的密度调控技术更适合于干
旱半干旱区的人工林密度管理。以水分承载力为依
据的水分生产函数密度调控技术是今后干旱半干旱
区人工林密度调控研究发展趋势, 具有广泛的应用
前景。同时, 在干旱半干旱区植被恢复及人工林经
营管理中, 除了林分密度外还可应用叶面积指数来
评价其合理性。
图 1 传统密度调控技术流程 图 2 以水分生产函数为基础的密度调控技术流程
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林 业 科 学 研 究 第 23 卷
对人工林经营, 笔者认为不能仅以产量和速度
来衡量, 应从森林生态系统的高度看待人工林经营
问题, 充分发挥其生态效益为主的各种效益更为重
要。林分密度管理是一项系统工程, 从幼林到成林
的整个过程中, 动态调控林分密度, 生态控制林分结
构, 根据经营目的在不同生长阶段确定合理的经营
密度, 促进养分、光照和水分等生长因子由不平衡达
到平衡状态, 提高人工林生态系统的生物多样性、稳
定性、健康性, 充分发挥其生态、经济和社会效益, 这
是人工林经营所面临的一项重要课题。
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