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基于水资源管理的黄土高原植被承载力确定及调控途径

2014-10-24

在我国西北尤其是黄土高原地区,为治理严重的土壤侵蚀和荒漠化,几十年来一直在大力恢复和增加森林植被,实施了“三北”防护林、退耕还林(草)、天然林保护等重大工程,而且这里也是未来我国继续整体提高森林覆盖率的关键区域。但森林恢复严重受限于水资源不足,一是干旱限制森林分布和生长,二是大规模造林明显减少河川径流从而加剧生态用水与其他各业用水的矛盾。因此,需在考虑区域供水安全条件下合理恢复森林,并从多功能管理角度实现林水协调管理。

针对上述问题,中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所的森林水文首席专家王彦辉研究员,带领其研究团队,依托宁夏六盘山森林生态站,在2000年以来连续执行了多个林业公益性行业科研专项、国家自然科学基金重点项目、国家科技部科技支撑项目课题等,围绕林水关系与其协调管理,在单株-样地-坡面-小流域-流域-区域等多级空间尺度上,开展了植被结构、蒸散耗水、径流形成、森林经营等方面的过程机理、模型预测、决策支持、技术标准等研究,积累形成了“基于水资源管理的黄土高原植被承载力确定及调控途径”的科技成果。

 

  一、总体情况

定量确定植被承载力是干旱缺水地区林水协调管理的关键。本成果的理论创新是将植被承载力概念从仅考虑植被水分稳定性扩展到了兼顾林地及流域产水需求;将局限在林分(群落)尺度的植株密度单一承载力指标扩展为从林分到区域的多层指标体系(包括森林覆盖率、植被分布格局、植被类型和树种组成、叶面积指数等林分结构)。本成果提出了分层确定植被承载力的技术途径;制定了科学、简洁、实用的山地水源林多功能经营技术规程,凝练出了多功能水源林的理想结构,创新了多功能森林合理密度确定方法;开发了“区域水资源植被承载力计算系统”决策支持工具。

 

  二、成果内容

西北地区的森林多位于水源区,因而必须与水资源协调管理,这就需定量评价森林的径流影响。大量野外监测研究发现,随植被叶面积指数增大,草地、灌丛、森林的产流量依次降低;在六盘山香水河小流域,森林覆盖率增加10%平均减少年产流16毫米;还在泾河流域干流上游分黄土区和土石山区模拟确定了主要植被的年蒸散和产流差别。

与植株密度这个实用性强但科学性和普适性不足的承载力指标相比,叶面积指数直接影响着水文循环和径流形成,并可在不同植被类型、树木种类、林木年龄间通用,是表征植被承载力的理想指标,但在生产中缺乏实用性。本成果基于水量平衡原则,确定了典型坡面上不同坡位的以叶面积指数为指标的植被承载力。同时,以华北落叶松林为例,建立了生长季内最大叶面积指数与林龄和密度的关系,藉此可方便地把以叶面积指数表示的植被承载力转换为不同林龄的林木密度,这就融合了两种植被承载力指标的优点,并克服了两者的缺点,做到了科学性和实用性的统一。

本成果提出的植被承载力多层指标确定途径为:1)在确定流(区)域的合理森林覆盖率时,除按传统考虑可用土地面积外,还要考虑森林的降水量限制和产流影响,这可籍助于一定的统计关系或流域水文模型模拟确定。2)在确定流(区)域的森林植被合理空间布局时,除按传统考虑水土灾害、土地生产力、土地利用限制和林业可用土地分布外,还需考虑不同立地的产流差别及其造林响应,这可借助分布式流域生态水文模型的多情景模拟结果对比来实现,为此本成果专门研发了区域植被承载力计算系统。3)在确定不同立地的合理植被类型和树种时,除按传统考虑立地质量、苗木供给、树木的抗旱性等外,还要考虑不同植被类型和树种的蒸散耗水差别、水分利用策略及具体立地的植被承载力。这可借助于大量实地研究结果和水量平衡模拟结果的比较来选择稳定性强、价值高、多功能、耗水少的植被类型和树种。4)在具体林分结构调控上,除按传统考虑树木空间竞争、培育优质木材要求等外,还要考虑立地植被承载力和产水要求及对应的植被叶面积指数限制,构建近自然的多功能林分,在分析现有林分结构与合理结构的差别后提出面向功能需求的针对性经营措施。

在依据统计关系确定流(区)域森林覆盖率时,可分为不考虑产流限制的潜在森林覆盖率和考虑产流限制的合理森林覆盖率。以黄土高原为例,潜在森林覆盖率在年降水量为300-450毫米变化在0-10%;在450-540毫米时从10%升到100%;在大于540毫米时的降水量限制已很弱,可达100%。可以此分区制定黄土高原森林恢复目标和管理政策。在依据产流要求确定合理森林覆盖率时,可利用黄土高原流域年均蒸散与森林覆盖率的统计关系,计算维持一定产流时的合理森林覆盖率。在年降水量低于450毫米的分区,统计确定的森林和非森林的年蒸散率为1.0640.903,即林地比非林地多耗水63毫米,森林需依靠降水以外的其它水源;在年降水量大于450毫米的分区,森林和非森林的年蒸散率为0.9620.925,即林地比非林地多耗水19毫米。

本成果创新提出了多功能森林经营密度的确定方法。以六盘山华北落叶松中龄林28年生)为例,首先建立了林分密度与木材生产、植物多样性、生长固碳、产水能力等森林功能的数量关系,以及与抵抗雪害能力的关系,确定了各功能需要的密度范围,然后综合确定了能减免雪灾以保障林分稳定、降低蒸散以维持产水、促进目标树生长以提高木材收入、维持林下植物生长以保护多样性、保持较高生物量以发挥固碳功能的合理密度(1000-1200/公顷),从而能在保障水源供给主导功能的同时尽量兼顾其他功能,最大限度地满足社会经济发展对林业的多功能需求。

本成果基于分布式生态水文模型SWIM,开发了区域植被承载力计算系统软件。可对不同降水丰富程度年份的日、月、季和年的多个径流指标,采用图形直观分析不同植被恢复方案的径流影响。可根据需考虑的流域产流指标及优先级别和产流数量,形成产流指标组合要求,用于优选植被恢复或管理方案。已登记为国家计算机软件著作权“区域水资源植被承载力计算系统(V1.0)”。利用该系统,在泾河干流上游模拟分析了森林覆盖率和其空间分布及林分结构的径流影响,确定了满足不同产流要求的植被承载力。

本成果以六盘山水源林为例,制定了宁夏地方标准《土石山区水源涵养林多功能经营技术规程》(DB64/T 809-2012),奠定了多功能水源林构建与经营的技术基础。其主要内容包括:1)基本原则:合理划分立地类型并确定对应的多种功能,提出多功能森林的理想结构要求,在不同发育阶段采取针对性经营措施促成多功能森林的理想结构,同时充分利用森林多种服务和水文功能。2)多功能水源林理想结构:遵从多树种、多世代、多层次的稳定高效的森林结构要求;充分考虑森林多功能利用和流域产水功能的刚性需求。此外还对林分结构有明确的定量要求:林冠郁闭度在0.7左右,以维持天然更新和控制杂草的平衡及维持生物多样性;地表覆盖度在0.7以上,以有效控制土壤侵蚀;林木高径比(m/cm)在0.7左右,以避免林木遭受冰雪灾害。任何阶段的所有经营措施都要利于加快形成和良好维持这个理想结构。3)多功能水源林构建技术:树种选择需符合多功能、抗旱、节水、抗雪灾、改良土壤等要求;考虑不同立地的水分植被承载力,合理密度造林;提倡多树种混交,模拟天然林树种组成;整地时尽量少干扰地表。4)多功能水源林经营技术:在森林建群阶段,加强管护,松土除草,保障林木生长,促进幼林郁闭;在郁闭阶段,加强管护,保障生长,促进尽快郁闭和分化,避免不必要的择伐、修枝、间伐,充分利用自然整枝,形成良好树干。在分化阶段,保护幼苗幼树,促进形成混交异龄复层结构,选择并标记和培育目标树;若林冠郁闭度大于0.8,需及时适当间伐,使伐后林冠郁闭度维持在0.7左右;有条件时可对目标树进行修枝等抚育。在恒续阶段,保持良好林分结构,防止过度采伐;选择并标记目标树,开展近自然经营,单株采伐利用径级成熟的目标树;对郁闭度较大林分及时进行间伐,其强度控制在伐后林冠郁闭度为0.6左右。

 

  三、应用情况

本成果已首先用于研究区的宁夏六盘山林业局和原州区林业局,也已作为技术指南的核心内容用于在北京执行的中德财政合作首个森林经营项目,并在2013年北京举行的京津冀辽蒙德援林业项目联席会、2014年延安举行的黄土高原生态恢复植被构建技术培训班上进行了推介。本成果可直接用于黄土高原及北方其他干旱缺水区,并可为其他气候类型区的森林多功能经营提供技术途径借鉴。

 

  四、应用效益

本成果的技术经济指标先进,如依据承载力进行低密度造林,比传统的高密度造林可节约造林投入34-50%;以合理密度经营的华北落叶松林产流能力比过密林分提高25%;还利于培育优质大径材增加营林收入、增强森林抵抗冰雪灾害能力、发挥森林多种功能,实现森林的整体价值优化。推广应用本成果,利于推进林水协调管理和森林多功能经营的理念更新与技术进步,增强区域供水安全,提高林业对区域生态文明建设和可持续发展的实质性贡献。