本發(fā)明涉及一種山地森林生態(tài)修復(fù)方法，特別是基于樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風(fēng)林的方法。
背景技術(shù)：
我國大陸海岸線長達(dá)1.834萬㎞，海岸帶面積31億hm-2，占全國土地總面積的3.2％。海岸帶地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市化水平高，人口密度大，是帶動我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的“火車頭”。同時，該區(qū)又是自然災(zāi)害多發(fā)的區(qū)域，常面臨臺風(fēng)、鹽脅迫和風(fēng)暴潮等威脅。世界著名的風(fēng)工程專家A·GD ayenport依據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計(jì)分析指出：約50％以上的自然災(zāi)害與風(fēng)相關(guān)。尤其在我國東南沿海地區(qū)，常年受到海洋性季風(fēng)影響，夏秋季多遭受臺風(fēng)襲擊，會給沿海地區(qū)帶來經(jīng)濟(jì)損失、生態(tài)環(huán)境破壞等嚴(yán)重后果。海岸防風(fēng)林是防護(hù)林體系中的重要組成部分，不僅具有防風(fēng)固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源、過濾海鹽的功能，還可以降低風(fēng)速、抑制風(fēng)害、美化人居環(huán)境，對于維護(hù)沿海地區(qū)生態(tài)安全、人民生命財產(chǎn)安全和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全具有重要意義。
海岸山地防風(fēng)林是指巖質(zhì)海岸第一道山脊的臨海一面坡的防風(fēng)林。從平面分布上它位于海岸消浪林和泥質(zhì)海岸基干林帶之后的防護(hù)林，在垂直高度來說是第一道迎風(fēng)面的防護(hù)林。山地防風(fēng)林具有分布面積廣、立地環(huán)境多樣、生物多樣高、生產(chǎn)潛力大、滯風(fēng)削風(fēng)效果好等特點(diǎn)，它是防護(hù)林體系中的防風(fēng)主力軍，也是萬里海疆的綠色環(huán)境“過濾器”。
據(jù)大量文獻(xiàn)檢索，目前海岸防風(fēng)林的研究主要集中在防風(fēng)林的樹種篩選(李信賢，2001；李成等，2002)、林分更新與改造(許景偉等，2003a；徐俊森，2005)、生物量和生產(chǎn)力(徐叨心等，2004；許景偉等，2005；陳勝，2007)、物種多樣性(許景偉等，2004)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)(梁珍海等，1994；謝平等，2001a；張金池等，2001)、土壤理化性質(zhì)(張瑜斌等，2001)和林業(yè)經(jīng)營管理等方面，但關(guān)于浙江海岸防風(fēng)林地帶性闊葉種群結(jié)構(gòu)優(yōu)化配制尚未涉及，尤其是以樹木功能性狀篩選適生抗性物種和指示優(yōu)化結(jié)構(gòu)的防風(fēng)中幼林撫育改造技術(shù)仍為空缺。從大量海岸防護(hù)林中調(diào)查得知，現(xiàn)存防風(fēng)林樹種組成單一、結(jié)構(gòu)簡單、病蟲害多、生產(chǎn)力低下、森林防護(hù)效能弱。生態(tài)環(huán)境雖經(jīng)多年治理，但隨氣候變暖和能源、石化工業(yè)等工程建設(shè)的環(huán)境干擾，其惡化趨勢至今尚未得到根本扭轉(zhuǎn)。海岸防風(fēng)林的生態(tài)環(huán)境脆弱，營造林困難，投資大，經(jīng)營管理復(fù)雜，已成為海岸防風(fēng)林經(jīng)營的一個難點(diǎn)。因此，開展海岸防風(fēng)林生態(tài)修復(fù)工作顯得刻不容緩。
森林防風(fēng)生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮主要是通過影響地表粗糙程度和森林的群落結(jié)構(gòu)特征而起到防風(fēng)的效果(陳波，2008)。即當(dāng)氣流運(yùn)動經(jīng)過林地時，氣流被植物枝葉阻擋，它們之間產(chǎn)生的阻力使氣流被摩擦、碰撞、分散，從而使氣流方向改變、風(fēng)的動能被削弱(Torita&Satou，2007；賀芳芳，2007)。對于人造防風(fēng)林的研究發(fā)現(xiàn)，林帶越高，徑粗根深，樹冠高大，則林帶的防風(fēng)距離越大，影響風(fēng)的削弱范圍就越廣；但寬而緊密的林帶，其防風(fēng)效果卻很低，但提高林冠的疏透度，可在一定程度上增加森林防風(fēng)效能(李恭學(xué)等，2012)。由此可知，森林群落的結(jié)構(gòu)特征已表現(xiàn)出在指示森林防風(fēng)生態(tài)服務(wù)功能上的意義。因此，林木功能性狀可簡便診斷森林防風(fēng)功能，在實(shí)踐中可以借助功能性狀能夠反映林木的抗環(huán)境脅迫特性，篩選適生抗性物種和指示優(yōu)化結(jié)構(gòu)，評價群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)特征，已逐漸發(fā)展成為一個嶄新的理論和方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風(fēng)林的方法，以提高防護(hù)林中功能樹種數(shù)量、生長速率、恢復(fù)過程，減少病蟲害，并增加生物多樣性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風(fēng)林的方法，包括以下步驟：
步驟一，根據(jù)海岸山地防風(fēng)林生態(tài)系統(tǒng)具有的典型性、脆弱性和多變性及廣泛的生物多樣性特征，結(jié)合山地的南北走向?qū)⒑０渡降厥紫葎澐譃閾麸L(fēng)區(qū)和阻風(fēng)區(qū)兩個區(qū)域，然后在阻風(fēng)區(qū)中再依次劃分坡面、坡谷和山脊三個立地小區(qū)域；
步驟二，在步驟一所述的不同立地小區(qū)域內(nèi)，同時測量林外和林內(nèi)的日平均風(fēng)速，計(jì)算不同離岸距離上的風(fēng)速削減系數(shù)，定量評估各小區(qū)植物的抗風(fēng)能力。
步驟三，根據(jù)各立地小區(qū)域內(nèi)不同防風(fēng)植物的分布數(shù)量與生長狀況，篩選出潛在優(yōu)勢防風(fēng)植物，然后測定各立地小區(qū)域上潛在優(yōu)勢防風(fēng)植物的基徑、樹高、葉片大小、葉干物質(zhì)含量、比葉面積、葉稠密度、葉片厚度、葉柄長度、干材密度、冠長比和冠徑比11項(xiàng)因子來作為植物功能性狀評價指標(biāo)；
步驟四，在上述步驟三中篩選出的不同立地小區(qū)域的潛在優(yōu)勢防風(fēng)植物中，依次分析小區(qū)域潛在優(yōu)勢防風(fēng)植物構(gòu)型形態(tài)特征和生理特征與群落風(fēng)速削減系數(shù)的相關(guān)性，明確不同離岸距離上植物功能性狀對防風(fēng)效能的響應(yīng)模式，診斷植物的防風(fēng)效能；
步驟五，綜合考慮小區(qū)域中的潛在優(yōu)勢防風(fēng)植物，以植物的樹高、比葉面積、葉片干物質(zhì)含量、冠長比及葉稠密度作為主導(dǎo)功能特征來綜合評判植物抗風(fēng)能力，接著利用逐步回歸統(tǒng)計(jì)建立風(fēng)速削減系數(shù)與群落功能性狀的耦合模型，從而篩選具有防風(fēng)能力的功能目標(biāo)物種庫；
步驟六，結(jié)合植物分布規(guī)律和生長偏好特征，采用層次分析法計(jì)算各樹種的防風(fēng)能力特征值，按照直接排序法來初步篩選抗風(fēng)物種，最后根據(jù)植物生長偏好特性，篩選出坡面、坡谷和山脊三個不同立地環(huán)境下的防風(fēng)功能目標(biāo)樹；
步驟七，根據(jù)步驟六篩選的各小區(qū)域防風(fēng)功能目標(biāo)樹，為不同類型小區(qū)配置合適的喬木和灌木植物組成，提出撫育、間伐、補(bǔ)植功能目標(biāo)樹和后期功能目標(biāo)樹的培育管理，最終形成海岸防風(fēng)林，達(dá)到整個海岸山地防風(fēng)地域生態(tài)恢復(fù)的目的。
其中步驟一所述的擊風(fēng)區(qū)的年平均風(fēng)速大于3.6m/s，阻風(fēng)區(qū)的年平均風(fēng)速小于3.5m/s。
在步驟一所述的擊風(fēng)區(qū)上地段設(shè)置風(fēng)障植物，對主風(fēng)向處設(shè)置V型尖角和斜面種植設(shè)計(jì)。采用尖角狀密植硬木類植物以對正面逆對強(qiáng)風(fēng)；以斜面林帶改變風(fēng)向、化解風(fēng)力，減少風(fēng)口地段強(qiáng)風(fēng)對防風(fēng)林正面沖擊破壞，人工營造尖角小于90°或菱形狀結(jié)構(gòu)。
在步驟三中分別對20m×20m樣方內(nèi)樹高大于1m的所有木本植物進(jìn)行每木調(diào)查，記錄物種名稱和多度，測量植株基徑、胸徑、樹高、枝下高、葉下高和冠幅構(gòu)型性狀，同時調(diào)查立地的經(jīng)緯度、海拔、坡向、坡度、土壤類型作為生物特征評價指標(biāo)；
在步驟四中分別測定各樣地內(nèi)所有木本植物葉片厚度、葉柄長度、葉柄直徑、葉片大小、葉片質(zhì)量、末梢枝干重和葉片數(shù)、干材密度功能性狀特征，作為評價森林防風(fēng)效能與功能性狀的變化指標(biāo)。分別測定與分析隨海岸距離自然防風(fēng)帶上海拔、坡向、坡度、平均風(fēng)速、風(fēng)速削減系數(shù)、植株密度、郁閉度、豐富度，作為評價植物功能性狀與防風(fēng)效能的特征指標(biāo)。
對于步驟七中所述的首次透光伐撫育后喬木層胸徑大于5cm的喬木植物每公頃密度大于2575株；灌木層每公頃密度大于2000株；其中防風(fēng)功能目標(biāo)樹的樹種密度在喬木層和灌木層中分別占總株數(shù)的80％以上，提高防風(fēng)效能。
本發(fā)明得到的基于樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風(fēng)林的方法，與現(xiàn)有經(jīng)營技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1)采用簡單易測的植物形態(tài)和生理功能性狀，可間接快速地診斷海岸防風(fēng)植物，尋找適生物種；
2)能準(zhǔn)確選擇不同立地類型(坡面、坡谷和山脊)防風(fēng)適生植物，營造林分具有抗風(fēng)性能強(qiáng)、功能目標(biāo)樹多、生長好、穩(wěn)定性強(qiáng)；
3)有效解決了山地防風(fēng)林的營林技術(shù)，杜絕和減少防風(fēng)林經(jīng)營技術(shù)的盲目性和無謂的營林投入，增加了生物多樣性，提高了林木生產(chǎn)力。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
實(shí)施例：
本實(shí)施例提供的基于樹木功能性狀改造浙東海岸低效防風(fēng)林的方法，實(shí)施地點(diǎn)位于浙江省寧波市鄞州區(qū)盤山林區(qū)(290°46′N，121°48′E)，海拔400m，地帶性土壤為紅壤。該區(qū)地處亞熱帶中部東端，受海洋性季風(fēng)氣候影響，溫暖濕潤，年均氣溫16.2℃，最冷1月平均溫度4.1℃，年均降水量1386mm，年相對濕度82％。每年7－10月平均遭受2－3個熱帶風(fēng)暴侵害。
盤山林區(qū)在歷史上一直是當(dāng)?shù)鼐用穹ツ救⌒街?，森林基本砍伐殆盡，植被退化為荒山和次生灌叢。1958年林場接管后，對荒山進(jìn)行了改造，大面積種植了黑松、金錢松、柳杉、杉木、馬尾松和日本扁柏等人工林。經(jīng)過近50多年的撫管，絕大部分人工林發(fā)育為中、近成熟林。近10年間，該類林分曾遭受大規(guī)模的臺風(fēng)和冰凍雨雪災(zāi)害，很多大徑級柳杉發(fā)生了倒伏或折斷，林分結(jié)構(gòu)和功能幾乎崩潰。
在寧波市鄞州、北侖和象山沿海山地選擇成熟的常綠闊葉林，根據(jù)海岸山地防風(fēng)林生態(tài)系統(tǒng)具有的典型性、脆弱性和多變性及廣泛的生物多樣性特征，結(jié)合山地的南北走向?qū)⒑０渡降厥紫葎澐譃閾麸L(fēng)區(qū)和阻風(fēng)區(qū)兩個區(qū)域，然后在阻風(fēng)區(qū)中再依次劃分坡面、坡谷和山脊三個立地小區(qū)域；在擊風(fēng)區(qū)上地段設(shè)置風(fēng)障植物，對主風(fēng)向處設(shè)置V型尖角和斜面種植設(shè)計(jì)。采用尖角狀密植硬木類植物以對正面逆對強(qiáng)風(fēng)；以斜面林帶改變風(fēng)向、化解風(fēng)力，減少風(fēng)口地段強(qiáng)風(fēng)對防風(fēng)林正面沖擊破壞，人工營造尖角小于90°或菱形狀結(jié)構(gòu)。
接著進(jìn)行群落學(xué)調(diào)查統(tǒng)計(jì)群落種類的數(shù)量、基徑、樹高、冠幅，分析其重要值、冠長比、冠徑比。再對每個種類選取典型、健康的植株3—8株，每株從樹冠四周方向依次選取生長旺盛的健康枝條，用高枝剪將其剪下，選用完好的葉片裝入自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。用精度0.01mm的游標(biāo)卡尺測定葉片厚度、葉柄長度、葉柄直徑，同時，選取帶有葉片的末梢枝(根據(jù)芽鱗痕確定末梢枝)，將葉片摘下，記錄葉片數(shù)量；將無葉片的末梢枝條于75℃條件下烘干48小時后稱其干重，得出葉稠密度。并對以上取樣個體，截取一定斷面積的樹干，進(jìn)行樹干密度測量。使用L1—3050C型葉面積儀對另一部分葉片測定葉面積，然后將葉片置于80℃的烘箱中48h，烘干至恒重后測定干質(zhì)量，計(jì)標(biāo)出干物質(zhì)含量(％)，最后利用單位干質(zhì)量的葉面積反映比葉面積(mm2·mg-1)。枝密度和樹干密度利用排水法測定，每份樣品測定3次。在體積測量后，將供試樣品置于烘箱中烘干72h，恒量后測定干質(zhì)量，標(biāo)計(jì)每個樹枝和樹干的密度(g·ml-1)，得出林木功能性狀測定的數(shù)據(jù)。
利用功能性狀群落權(quán)重均值來表示物種性狀對群落功能性狀值的貢獻(xiàn)，計(jì)算公式如下：
其中Traitagg是功能性狀群落權(quán)重均值，用以表示群落水平上的功能性狀值；Pi是物種i的重要值，n是群落內(nèi)物種的個數(shù)，Traiti是物種i的功能性狀值。
在防風(fēng)林樣地上，分別采用2臺NK4500型風(fēng)速計(jì)在同一時間測定樣地內(nèi)和樣地外曠地的風(fēng)速。測定中，將風(fēng)速儀放置于1.5m高度的支架上，測定時間為10min。測定風(fēng)速數(shù)值，并以樣地內(nèi)和樣地外曠地對照點(diǎn)的風(fēng)速值之差與樣地外曠地對照點(diǎn)的風(fēng)速值得比值，即風(fēng)速削減系數(shù)，作為森林防風(fēng)生態(tài)服務(wù)功能的指標(biāo)。公式如下：
Ca＝(VCK－VOB)/VCK×100％
式中，Ca—風(fēng)速削減系數(shù)，Ca值越大，表征防風(fēng)效能越好；VCK—林外曠地對照點(diǎn)的平均風(fēng)速(m/s)；VOB—林內(nèi)觀測點(diǎn)的平均風(fēng)速(m/s)。
采用已建立寧波區(qū)域常綠植物抗風(fēng)功能性數(shù)據(jù)庫，以選擇植物的樹高(H)、比葉面積(SIA)、葉片干物質(zhì)含量(LDMC)、冠長比(CL/H)、葉稠密度(LI)作為抗風(fēng)效能評價指標(biāo)。利用逐步回歸統(tǒng)計(jì)建立風(fēng)速削減系數(shù)與群落功能性狀的耦合模型，從而篩選出具有防風(fēng)能力的功能目標(biāo)物種庫?；貧w方程為：
Y＝0.987+0.037H+0.001SIA-0.008LDMC-0.118CL/H-0.002LI，(R2＝0.99，P＜0.001)。式中Y為群落風(fēng)速削減系數(shù)。
然后，利用層次分析法計(jì)算出各物種抗風(fēng)性能的相對能力值(IE值)，并根據(jù)其值出現(xiàn)的頻度，排出IE值頻度加和值≥80％的物種，從而初步篩選出抗風(fēng)物種。其中苗木來源小部分是林內(nèi)存留的健康幼苗、幼樹；另一部分選用當(dāng)?shù)夭煞N、繁育的2年生實(shí)生壯苗。種植前以條狀墾穴整地，墾穴規(guī)格長×寬×深為0.5m×0.5m×0.35m，表土回填穴底下部，隨機(jī)混交種植。
在抗風(fēng)物種中，根據(jù)植物的生長偏好特性，再次篩選出適應(yīng)不同立地條件的防風(fēng)功能目標(biāo)樹：
其中坡面立地上喬木為臺灣蚊母樹、小葉青岡、青栲、木荷、青岡、雷公鵝耳櫟、白櫟、樸樹、柯；灌木為濱柃、檵木、鐵冬青等。
坡谷立地上喬木為紅楠、赤皮青岡、普陀樟、舟山新木姜子、樟樹、楓香、黃連木、糙葉樹、小果冬青；灌木為化香、光葉石楠、鐵冬青等。
山脊立地上喬木為云山青岡、小葉青岡、青岡、木荷；灌木為赤楠、烏飯、檵木等。
在2006年3月，清除風(fēng)害受損地上的風(fēng)倒、折斷木，清理雜灌保留實(shí)生更新的紅楠、赤皮青岡、青岡、檫木等地帶性闊葉優(yōu)勢幼苗、幼樹。之后，依據(jù)上述篩選的防風(fēng)功能目標(biāo)樹，分別依據(jù)立地類型，按8:1:0.5:0.5的比例在坡面上種植青栲、紅楠、木荷、赤皮青岡、初植密度每公頃5000株；按4:3:2:1的比例在坡谷上種植紅楠、青栲、木荷、小果冬青；初植密度每公頃5000株。
造林后連續(xù)3年，在每年6月和9月分別除草撫育1次。5年后林分逐漸郁閉，進(jìn)入林分建群生長階段。
造林后8年，在11—12月對林分進(jìn)行1次透光伐，伐取林內(nèi)貶值物種、生長勢弱的幼樹，采伐強(qiáng)度≤10％，并清除雜灌，培育實(shí)生更新幼苗，撫育后林分喬木層和灌木層的防風(fēng)功能目標(biāo)樹的數(shù)量占總株數(shù)的80％以上，使林分朝著復(fù)層、混交、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)發(fā)展。
根據(jù)以上內(nèi)容，最終形成海岸山地防風(fēng)林樹種配置與營林技術(shù)方法，其中浙東海岸山地防風(fēng)林植配與營林技術(shù)方法見表1；海岸山地防風(fēng)林改造10年后的生長效果見表2。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用簡單易測的植物形態(tài)和生理功能性狀，可間接快速地診斷海岸防風(fēng)植物，合理尋找適生的優(yōu)良抗風(fēng)物種，通過對不同風(fēng)害區(qū)域的種植布局、營造和撫育管理技術(shù)措施，使海岸防風(fēng)林林木生長明顯提高，抗風(fēng)群落結(jié)構(gòu)快速形成，同時防風(fēng)功能目標(biāo)樹的數(shù)量多，林分蓄積量較大，病蟲害危害少，顯示出良好的生長優(yōu)勢和防護(hù)效能，可在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。
表1丘陵山地海岸防風(fēng)林中幼林撫育改造技術(shù)方法
表2浙東海岸山地不同立地防風(fēng)林改造10年后的生長效果(D≥5cm)