黄土丘陵区柠条灌木林合理平茬期的研究

1、第 23卷 第 2期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vo. l 23N o . 2 2009年 2月 Journal ofA rid Land Resources and Env ironm ent Feb. 2009文章编号 :1003-7578(2009 02-196-05黄土丘陵区柠条灌木林合理平茬期的研究 *程积民 1, 胡相明 2, 赵艳云 2(1. 中国科学院水利部水土保持研究所 , 西北农林科技大学 杨陵 712100; 2. 滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室 滨州 256600提 要 :本文根据柠条 (Caraganakors hinskii 生长的特点 , 即生长

2、速率随灌木林龄的变化 呈近似正态分布的特征曲线 , 根据曲线的几何特征 , 提出以柠条生长速率与峰值和右拐点连线的斜率相等的点为平茬始点 , 以几何曲线的右拐点为平茬终点的平茬方案 。 长期观测结果表明 , 柠条生长指标符合 Log istic 方程 , 本文以 Log istic 生长函数为例 , 说明了柠条灌木林平茬时间确定方法的具体推导过程 。 最后结合柠条生长指标 (株高 、 分枝和生物量 , 对不同立地条件下柠条灌木林的合理平茬时间进行了探讨 , 结果表明 , 不同立地条件下柠条的合理平茬时间存在一定的差异 , 这种现象是由不同立地条件下水热环境的差异造成的 。关键词 :黄土丘陵区

3、; 柠条 ; 平茬 ; Log istic 函数中图分类号 :Q945. 32文献标识码 :A柠条 (Caraganakors hinskii 为锦鸡儿属 , 豆科灌木类植物 1, 2, 为欧亚草原亚区的典型植被 。 在我国 广泛分布于黄土高原 、 河西走廊等地 , 具有极强的生命力和抗逆性 。 其根深叶茂 , 覆盖率高 , 可防风固沙 , 保护水土 , 改良土壤 , 是北方保持水土和治沙造林的先锋 。 它发热量与煤炭不相上下 , 是可再生的理想生 物能源 ; 营养十分丰富 , 是优良饲料树 ; 枝叶富含氮 、 磷 、 钾 , 根上长有根瘤茵 , 是优质绿肥 。 同时枝条通直 、 坚韧 , 花

4、朵艳丽 , 可以养蜂 、 入药 、 观赏 、 编织 、 造纸 、 加工纤维木板 , 种子还可以榨油 , 是优良的工副业原料 , 具有较高的生态经济价值 , 是我国北方农牧交错带具有较大推广应用价值的灌木树种 3, 4。 但由于长期 以来对柠条灌木林分的生长过程缺乏定量和定性地描述 , 不能对其实行合理的经营决策 , 造成了林地生产 力低下 , 轮伐期过长 , 严重影响了其经济 、 生态和社会效益的发挥 。 为了充分发挥其生长潜力 , 弄清柠条灌 木林的合理平茬期 , 我们选择了黄土丘陵沟壑区典型地带 , 从 19852002年进行了长期定位研究 , 以野外 观测资料为依据 , 用定量分析的方法

5、探讨了柠条灌木林的合理平茬时间 , 以期为柠条灌木林资源的合理开 发利用提供理论依据 。1研究区自然概况试验区位于宁夏固原河川乡上黄村东山是中国科学院水利部水土保持研究所固原生态试验站 , 建立 17年的柠条灌木林基地 , 面积 670hm 2, 属黄土高原半 干旱区 , 海 拔 1600m 1850m, 年均降雨 量 413mm (19832006年 , 年均降水的变异系数为 0. 199, 丰水年占 25. 0%, 平水年占 37. 5%, 干旱年占 37. 5%。 降雨量少 , 且时空分布不均 , 69月份占年降雨量的 65%75%; 年均气温 67e , 10e 积温 21003 20

6、0e ; 年蒸发量为 14002065mm, 干燥度 1. 52. 0。 该区植被属森林草原向典型草原的过渡类型 , 草地 植被退化严重 , 覆盖度不足 50%, 生物量仅 1200kg /hm 2, 柠条灌木林带状配置 , 通过对坡面径流的节节拦 蓄 , 土壤水分入渗率高 , 柠条植株生长较好 , 坡面水土流失轻微 。*收稿日期 :2007-12-18。基金项目 :国家重点基础研究发展计划 973项目 (2007CB106803; 国家科技支 撑课题 (2006BAD09B08; 国家自 然科学基金重 点项 目 (30230290; 国家林业局荒漠化监测专项资助。, , s . s .图 1

7、 生长速率随时间的变化曲线F i g . 1G row th speed chang i ng curve w ith tim e 2 研究方法2. 1 平茬时间确定方法的探讨由于植物的生长在很大程度上受环境条件的限制 , 其生长速率是随环境条件不断变化的 。 一般来说 , 开始阶段 , 植物 个体较小 , 生长缓慢 ; 随着个体的增大 , 其利用环境资源的能力增强 , 生长速率逐渐加快 ; 当个体发育到一定程度时 , 植物的生长就会受到资源条件的限制 , 生长速率开始下降 ; 当个体发展到环境容量的最大值 , 其几乎不再发育 , 生长速率为零 。 基于 这种认识 , 我们用图 1表示植物生长

8、速率随时间变化的特点 , 提出以植物生长速率下降速率与过峰点 P m 和右拐点 P 2的直线斜率相等的点 P 1为平茬起点 , 以右拐点 P 2为平茬终点的平茬策略 。 即适宜的平茬年限为 t 1t 2, t 3为平茬时间中值 。 植物 生长速率曲线特征 主要取决于 3个点 :两个 拐点 、 一个峰点 。 峰点决定了曲线的位置 , 拐点决定了曲线的形状 。 由图可知 ,在峰点前 , 曲线递增 , 生长速率一直增加 , 不需平茬 。 过了峰点 , 虽然生长速率开始下降 , 但因林分生长有 一个峰值稳定期 , 在峰点附近的一段时间内呈缓慢下降 , 不应进行平茬 , 只有在峰值稳定期结束时 , 即生

9、长 速率开始明显下降时 , 才可考虑平茬 , 快速下降后 , 接着是缓慢下降 , 从而形成了一个拐点 , 此处 , 曲线下降 速率最快 。 拐点后 , 植物生长速率很低 , 此时平茬已很晚 。 适宜的平茬应在曲线开始明显下降至拐点出现 以前进行 。 由图 1可知 , 曲线快速下降区的始点在峰点与拐点间的凹曲线上 , 当连接峰点和拐点后 , 可明 显看出 , 曲线上点到连线 (峰拐点 距离 (点弦距 最大的点 , 就是平茬起点 , 在该点之前 , 点弦距递增 , 曲线 下降较慢 ; 在该点后 , 点弦距递减 , 曲线下降较快 , 曲线在该点的下降速率等于峰拐弦斜率 。 峰点和拐点的坐标可求 ,

10、峰拐弦斜率已知 , 从而可定平茬时间的下限 , 上下限的平均作为平茬时间的中值 5。2. 1 平茬时间确定方法的推导假设 :柠条生长模型为 Y =F(Q, T, T >0(1 式中 :Y 柠条生长指标 ; T 树龄 ; Q 模型参数假定 :(1 式 Y 对 T 的一阶 、 二阶 、 三阶倒数存在 , 依次为 :Y (1 =f 1(Q,T , T 0(2Y (2 =f 2(Q,T , T 0(3Y (3 =f 3(Q,T , T 0(4 其中 (2 表示柠条生长速率模型 , 令二阶和三阶导数为零 , 可得 :f 2(Q, T m =0(5 f 3(Q, T 2 =0(6 由 (5 和 (6

11、 可确定柠条生长速率曲线的峰值时间和右拐点时间 。设过峰点 P m 和右拐点 P 2的直线为 :Y =A 0+A 1T(7 其斜率 A 1可由 P m , P 2两点的坐标得 :A 1=(Y (1 2-Y (1 m /(T2-T m (8 根据生长速率曲线的几何特征和中值定理可知 , 在 (T m , T 2 上必有一点满足 :Y (2 1=(Y(1 2-Y (1 m /(T 2-T m (9 把式 (9 代入式 (3 得 :f 2(Q, T 1 =(Y(1 2-Y (1 m /(T 2-T m (10由此可确定平茬时间上限 。取 T 1和 T 2的平均 , 得平茬时间中值 :T 3=(T 1

12、+T 2 /2(112. 2 以 log i s tic 函数为例推导平茬时间本研究表明 , 柠条灌木林生长指标符合 Log istic 生长函数 , 下面就以 Log istic 生长函数为例 , 说明以上 平茬时间确定方法的具体推导过程 。 假定 :柠条灌木林生长过程用 Log isti c 生长函数表示 :Y =k /(1+e a-rt , t 0(12 :-t -r #197#第 2期 程积民等 黄土丘陵区柠条灌木林合理平茬期的研究求 Y 对 t 的一阶 、 二阶 、 三阶导数 :Y (1 =k r e a-rt /(1+e a-rt 2(13 Y (2 =k r 2e a-rt (e

13、 a-r t -1 /(1+e a-rt 3(14 Y (3 =k r 3e a-rt (e 2(a-rt -4e a-rt +1 /(1+e a-rt 4(15 令二阶导数为零 , 得柠条生长速率的峰值时间 :t m =a /r(16 令三阶导数为零 , 得平茬时间下限 :t 2=(a- (2-K 3 /r(17 由式 (13 得 T m , T 2对应的生长速率 :Y (1 m =kr/4(18 Y (12=kr /6(19由式 (14 得柠条生长速率在 T 1处的变化速率 :Y (21=k r 2/(12 (2-K 3 (20 代 (18, (19, (20 入 (9 或 (10, 得k

14、 r 2e a-rt1(e a-rt1-1 /(1+e a-rt1 3=k r 2/(12 (2-K 3 (21由此可求解 t 1, t 1=(a- (0. 57037 /r (22 平茬时间中值 :t 3=(t 1+t 2 /2=(2a- (2-K 3 - (0. 57037 /2r=(a+0. 93921 /r(23所以 , 适宜平茬期为 :t 1t 2, 即 :(a- (0. 57037 /r(a- (2-K 3 /r(24 3 结果与分析表 1为柠条灌木林生长的拟合函数和平茬时间 。 从表中可以看出 , 在不同立地条件和整地方式下柠 条生长指标 (株高 、 分枝 、 生物量 的变化符合

15、 Log istic 曲线 , 其拟合程度均达到显著性水平 。 将方程中拟 合出的参数代入式 (16 和式 (24, 即可得到不同条件下柠条灌木林各个生长指标出现的峰值时间和适宜 平茬时间 , 从表 1可以看出柠条灌木林各个指标出现峰值的时间基本一致 , 最后根据各个生长指标的生长表 1不同立地条件下柠条灌木林生长的拟合函数和平茬时间 T ab . 1T he fitti ng equati ons and cutti ng ages o f Caragana k or shinsk ii i n different hab itats 立地类型生长指标 拟合方程 峰值时间 平茬时间 坡上部水

16、平阶 株高 分枝生物量Y H =350/(1+e , R =0. 991Y R =35/(1+e 2. 121-0. 229t , R 2=0. 973Y B =4/(1+e 2. 73-0. 208t , R 2=0. 992109131417坡中部水平阶 株高 分枝 生物量 Y H =370/(1+e , R =0. 950Y R =35/(1+e 1. 906-0. 233t , R 2=0. 921Y B =3/(1+e 2. 524-0. 284t , R 2=0. 98610891214坡上部水平沟 株高 分枝 生物量 Y H =300/(1+e 1. 944-0. 186t ,

17、R 2=0. 988Y R =30/(1+e 1. 956-0. 233t , R 2=0. 962Y B =3. 3/(1+e 3. 24-0. 276t , R 2=0. 994108121316坡中部水平沟 株高 分枝 生物量 Y H =320/(1+e 1. 974-0. 208t , R 2=0. 993Y R =35/(1+e 2. 001-0. 215t , R 2=0. 940Y B =2. 8/(1+e 2. 546-0. 282t , R 2=0. 9729991215坡上部鱼鳞坑 株高 分枝 生物量 Y H =230/(1+e , R =0. 985Y R =26/(1+

18、e 2. 196-0. 274t , R 2=0. 974Y B =2. 3/(1+e 3. 183-0. 327t , R 2=0. 99388101114坡中部鱼鳞坑 株高 分枝 生物量 Y H =280/(1+e , R =0. 996Y R =35/(1+e 1. 793-0. 176t , R 2=0. 883Y B =2. 6/(1+e 2. 825-0. 315t , R 2=0. 99091091215坡上部荒山不整地 株高 分枝 生物量 Y H =185/(1+e , R =0. 982Y R =23/(1+e 2. 495-0. 283t , R 2=0. 989Y B =

19、2/(1+e 3. 219-0. 295t , R 2=0. 993109111215坡中部荒山不整地 株高 分枝 Y H =180/(1+e , R =0. 986Y R =21/(1+e 1. 933-0. 256t , R 2=0. 939981114#198#干 旱 区 资 源 与 环 境 第 23卷状况进行综合分析 , 得出柠条灌木林合理平茬时间 。 从表中可以看出柠条灌木林合理平茬时间在 1115 a 之间变化 , 在不同环境条件下柠条灌木林的平茬时间存在一定的差异 。 不同坡位而言 , 坡上部柠条灌木 林的合理平茬时间普遍比坡下部要推迟 12a ; 就不同整地方式来看 , 合理平

20、茬时间的大致顺序为 :荒山 不整地 >鱼鳞坑 >水平沟 >水平阶 。 这种现象是由不同立地条件和整地方式引起的环境条件的差异造成 的 (本研究所选柠条灌木林密度基本一致 。 在水分光照较充足的条件下 , 柠条灌木林个体持续快速生长 的时间会长一些 , 因此 , 合理平茬时间相对较晚 ; 相反 , 在水分条件较差的环境下 , 柠条生长经常受到不同 程度的限制 , 持续快速生长的时间较短 , 平茬时间相对较早 。4结果与讨论本文根据柠条生长变化规律 , 明确柠条灌木林生长速率变化曲线主要取决于三个点 , 即两个拐点 、 一 个峰点 , 提出以柠条灌木林生长速率下降速率与过峰点 P

21、 m 和右拐点 P 2的直线斜率相等的点 P 1为平茬起 点 , 以右拐点 P 2为平茬终点的平茬策略 。 用这种方法来确定柠条灌木林的合理平茬时间具有高度的精确 性和很强的科学性 。 一般乔木间伐时间的判断依靠的生长指标为断面积和株高 , 而本文选取的指标为株 高 、 分枝和生物量 , 这是因为柠条是一种灌木 , 其分枝较多 , 断面积较小且随灌木林龄的变化不很明显 , 其 分枝能力能较好的反映柠条灌木林的生长活性 , 因此本文选取分枝数作为确定柠条灌木林合理平茬时间 的重要指标之一 , 研究结果表明株高 、 分枝和生物量三个生长指标生长速率随灌木林龄的变化基本一致 , 这说明我们选取的指标

22、具有较强的代表性 , 以此判断柠条的平茬时间比较合理 。生长行为是植物受多种环境因子综合作用的最终表现 , 黄土高原地貌类型复杂多样 , 立地条件复杂多 变 , 地形条件的差异对柠条灌木林的生长过程产生重要影响 6。 本研究表明 , 柠条灌木林的合理平茬时 间在 1115a 之间变化 , 不同坡位 、 整地方式间存在一定差异 , 这种现象主要是由立地条件下水分环境的 差异造成的 , 在水分状况相对较好的条件下 , 柠条灌木林合理平茬时间相对较迟 ; 环境条件较差的条件下 , 柠条灌木林合理平茬时间较早 。 水分条件在柠条灌木林的生长过程中起着关键性作用 , 决定了其合理平 茬的早晚 。 由于黄

23、土高原生态环境脆弱 , 水分条件极不稳定 , 人工草林地常出现土壤干化现象 7-8, 因此 , 对柠条灌木林选定合理的平茬时间显得尤为重要 。 我们在进行柠条灌木林的平茬时 , 要注意不同立地条 件的差异 , 根据环境条件确定合理的平茬时间 , 一方面使柠条灌木林的生长潜力得到最大发挥 , 同时还可 避免柠条灌木林地土壤干层的发生 。参考文献1牛西午 . 柠条的栽培与利用 M.太原 :山西科学教育出版社 , 1998.2贾丽 , 曲式曾 . 豆科锦鸡儿属研究进展 J.植物研究 , 2001, 21(4:515518.3牛西午 . 广植柠条恢复植被 -关于在我国西北地区大力发展柠条灌木林的建议

24、J.科技导报 , 1999, 2:34.4牛西午 . 我国锦鸡儿属植物资源研究 -分布与分种描述 J .西北植物学报 , 1999, 19(5:107133.5黄家荣 . 人工林合理平茬时间确定方法的探讨 J.北京林业大学学报 , 1994, 16(4:7579.6魏宇昆 , 梁宗锁 , 崔浪军 , 韩蕊莲 . 黄土高原不同立地条件下沙棘的生产力与水分关系研究 J.应用生态学报 . 2004, 15(2:195200. 7李洪建 , 王孟本 , 柴宝峰 . 黄土高原北部河北杨林的土壤水分特征 J.山地学报 , 2002, 20(5:606610.8程积民 , 万惠娥 , 王静 . 黄土丘陵区山

25、桃灌木林地土壤水分过耗与调控恢复 J.土壤学报 , 2003, 40(5:691696.Study on t he Reasonable Cutti ng Ages of Caragana korshi nskii i n the Loess H illy and Gull y Region CHENG Ji-m i n 1, HU X i ang-m i n g 2, Z HAO Y an-yun 2(1. I n stitute of So il and W ater C onservation , Ch i n ese Acade m y of Sciences and M i n is

26、try ofW ater Res ou rces , N orthw estern S ci -Tech U n i vers it y of Agri cu lt u re and Forestry , Y angli ng 712100;2. Key Laboratory of Eco-envi ron m en t Sci en ces ofYello w R iver Del ta of Shandong Provi n ce , B i n Zhou Un i vers it y , B i n z hou 256600, Ch i naA bstractBased on the g

27、ro w th characteristics o f Caragana kors h i n skii , gro w t h speed changing w ith tree age fitti n g the approx i m ate characteristic cur ve o f nor m al d istri b uti o n. The descent velocity of g ro w th speed curve is equa l to the sl o pe o f the stra i g ht li n e t h rough peak and ri g ht turning po i n t in the curve , t h e first i n ter