毛乌素沙地衰退人工林更新复壮技术研究项目可行性研究报告

毛乌素沙地衰退人工林更新复壮技术研究

项目可行性研究报告

一、项目摘要

森林衰退是全球生态环境退化的重大问题之一，人工林衰退又是重中之重。德国通过德国云杉纯林连栽致衰研究，提出了“近自然林业”理论，强调利用森林演替规律和自然更新经营森林，并通过引进珍贵阔叶用材树种、推行目标树单木控育技术等措施，使同龄纯林逐步向复层、异龄混交林过渡，实现了“越采越多、越采越好、青山常在、绿水长流”的经营目标。我国南方通过杉木人工林连栽研究，提出了纯林连栽致衰的“营养机制”、“毒性机制”、“化感机制”，强调养分支出大于收入、有毒物质积累、化学他感的致衰作用，倡导通过混交造林、针阔轮栽、林地施肥、保护（恢复）林下植被等措施实施人工林可持续经营。我国北方通过林地土壤干化（干层）研究，提出了“土壤水分植被承载力”学说，强调林地生产力超过土壤水分承载力的致衰作用，并根据水量平衡原理和水分运移规律估计出不同树种、不同立地所能承载的林分密度、生物量、叶面积等参数，为旱区人工林的可持续经营提供了理论依据。由此可见：引起森林衰退的因素不同，其中机制就不相同，防控（恢复）措施也就不同。

毛乌素沙地是我国“三北”防护林体系建设的关键地区和重点地区之一，已经营造了大面积的人工林，其中杨树、樟子松及多种灌木在整个人工林生态系统中的作用举足轻重。令人遗憾的是，由于多种环境胁迫，它们正在遭受着衰退或潜在衰退的威胁，杨树的“小老头林”、灌木的“早衰林”便是最为普遍的例证。同时，章古台沙地樟子松人工林的衰退也为我们敲响了警钟。由此可见：与德国云杉、杉木纯林连栽致衰相比，毛乌素沙地人工林衰退具有自身的特殊性。其一，人工林衰退涉及树种多、类型多，危及整个人工林生态系统，研究人工林生态系统功能恢复与长期维持问题迫在眉睫。其二，人工林衰退的更为复杂多样，干旱缺水、养分贫瘠、风蚀沙埋均可导致人工林衰退，构建与不同环境胁迫相适应的造林模式成为人工林功能恢复的关键问题，如混交树种、混交方式、造林密度等。其三，克隆灌木是人工林早衰的主体部分，如沙棘、沙柳、柠条、紫穗槐、花棒、踏郎等，其平茬复壮机制与技术问题亟待研究。因此，只有构建与毛乌素沙地人工林生态系统衰退特征相适应的理论和技术体系，才能为其服务功能长期维持提供依据。

鉴于以上原因，本项目试图站在毛乌素沙地人工林生态系统功能恢复的高度，在摸清衰退成因、类型的基础上，分门别类地探讨不同类型人工林衰退的防控与恢复技术，将更新造林、平茬复壮、嫁接改造等措施结合起来，为毛乌素沙地人工林生态系统服务功能的长期维持提供技术依据。同时，将理论基础研究与技术开发结合起来，争取形成毛乌素沙地人工林恢复技术与理论体系雏形。其中，更新造林以樟子松取代杨树“小老头林”为主，摸清不同立地类型的适宜混交树种、混交模式、造林密度等关键技术参数，在造林更新的同时预防樟子松人工林早衰，尤其是林地土壤水分、肥力、防风固沙能力长期维持技术；“早衰”灌木林平茬复壮以克隆植物为主，重点摸清适宜的平茬年龄、季节、方式等技术参数，为平茬林分尽快恢复其数量、结构和功能提供技术依据，真正发挥其“持续生态位”效应；嫁接改造以樟子松嫁接红松为主，将现有樟子松人工林改造成防护、产材、结实兼用的多用途林，在保证防护作用的同时提升其经济价值；克隆灌木人工林衰退的成因与平茬复壮机制以沙柳、沙棘、紫穗槐等为研究对象，试图从生理响应、生态适应等不同层次较为系统地揭示衰退人工灌木林的衰退成因与平茬复壮机制。

二、项目的意义和必要性

1、国内外技术现状和发展趋势

森林衰退是全球生态环境退化的重大问题之一，人工林衰退又是重中之重。朱教君

（2005,2007）在总结世界森林衰退研究的基础上，将沙地樟子松人工林归纳为“早衰现象”，即森林（树木）在发育过程中遇到环境胁迫出现的生理机能下降、生长滞缓或死亡、生产力降低及地力衰退等状态。在丰水地区，同一树种纯林连栽因养分支出大于收入、有毒物质积累、化学他感均可导致森林衰退，德国云杉、杉木、桉树等许多树种都存在此类问题，据此提出了人工林衰退的“营养机制”、“毒性机制”、“化感机制”等学说，倡导通过混交造林、针阔轮栽、林地施肥、保护（恢复）林下植被等措施实施人工林可持续经营（崔国发 1996,杨承栋 1997,马祥庆 1997,林思祖 1999,林开敏 2001,陈龙池 2004）。在缺水地区，土壤干化（干层）造成的地力衰退是导致森林衰退的主导因素。由于降水不足，若遇连年干旱或随着林分的生长，土壤水分便出现负平衡现象，从而造成土壤干化或形成土壤干层，致使群落生产力超过了“土壤水分植被承载力”，植物种群就会衰退。根据这一理论，学者们估计出不同树种、不同立地所能承载的林分密度、生物量、叶面积等参数（杨维西

1996,陈云明 2002,程积民 2003,郭忠升 2003,王国梁 2003）。由此可见：人工林衰退实际上包括林分生产力下降和林地土壤肥力减退两个相互关联的过程（Leopold1961,Engvild1989）。同时，引起森林衰退的因素不同，其中机理就不同，防控措施也就不同。

目前，关于纯林连栽导致地力、生产力衰退的机理仍是相关领域的主要研究内容，但研究层次依然局限于生理、生态方面（朱教君 2007,Hinrichsen1987）。关于土壤干化问题，形成原因及其防止措施的讨论比较多，而对其反馈作用（即植被效应）缺乏全面系统的阐述（杨维西 1996,郭忠升 2003,王国梁 2003,王青宁 2004,王晗生 2007）。另一方面，人工林衰退是一个复杂的过程。对此，人们曾提出了许多假说。随着分子生物学的发展，自由基伤害学说和细胞程序性死亡得到公认（Olsson1995, Pennel1997,

Micheal1998,Yen1998,Xu2000, Savitch2000, 翟中和 1998,林依倔 2009）。不管是自由基伤害还是细胞程序性死亡，植物衰老的起始、伴随衰老发生的生化代谢和生理过程变化，以及随植物衰老进程发生的外部形态特征改变，均是由一群衰老相关基因的特异性有序表达及其协同作用的结果（张海娜 2009）。也就是说，植物体内生理、生化的变化源于环境胁迫导致的基因表达的改变（Bray 1993）。因此，只有将生态、生理及基因调控作为一个整体加以研究，才能系统了解植物种群衰退的环境胁迫机制（师晨娟 2006,邵麟惠 2007,唐承财 2008,张海娜 2009）。

综上所述，目前的研究涉及具体树种多、而区域性的研究少，生理生态层次的研究多、而分子层次的研究少，今后的研究应该将宏观与微观结合起来，从而为既定区域整个森林生态系统的功能恢复提供技术依据和理论基础。其一，恢复技术研究应根据当地人工林退化类型进行分门别类的研究，提出与之相适应的改造、更新、复壮措施，从而恢复和提升整个森林生态系统的生产和防护能力。其二，衰退机制研究应将环境胁迫与衰退规律结合起来，将激素调控、生理（生化）响应、生态适应结合起来，揭示衰退规律和衰退过程，为恢复技术的制定提供理论依据。其三，在干旱、半干旱地区，在重视林地生产力恢复的同时，应该将群落的稳定性长期维持放在首位，高效低成本地发挥森林生态系统的服务功能。

2、项目的意义和必要性

毛乌素沙地是我国四大沙地之一，地处北纬 37°27.5′～39°22.5′、东经 107°20′～111°30′，包括内蒙古自治区的南部、陕西的北部风沙区和宁夏回族自治区盐池县东北部，总面积为 4.22 万 km2，其中榆林沙区面积 2.4 万 km2，约占毛乌素沙地的 57.8%，是全国生态脆弱区之一，也是三北防护林体系和京津风沙源工程的重点建设地区。据统计，目前榆林沙区造林保存面积 1364 万亩，森林覆盖率 43.5%，其中灌木林面积 1000 多万亩，

树种主要有沙柳、沙棘、紫穗槐、柠条、花棒、踏榔、沙地柏等；乔木面积 300 多万亩，除近年栽植的 100 万亩樟子松外，其余主要为上世纪七八十年代栽植的杨柳树，植被的增加使沙区的生态环境明显改善。但是，从总体发展趋势看，沙区的生态环境仍然很脆弱， 已经固定的沙地以灌木为主，防护效能极不稳定，林分质量低下、林种结构简单，老化

退化现象严重，林木生长不良、群落稳定性差，从而形成了大面积早衰林、低效林分、

“小老头”树。如何解决沙区林分结构不合理、大量防护林开始老化枯死、建立稳定可

持续的防护效林体系等问题，是摆在我们面前刻不容缓的课题。

樟子松作为榆林沙区引种成功的唯一常绿乔木适生树种，于 1957 年开始从红花尔基引入，先后经过引种试验、扩大造林试验，最终获得了成功，根据调查，目前保存的树木已经郁闭成林，三十年树龄的樟子松平均树高 10m，最高可达 12m，平均胸径为 20cm，最大达 25 cm。目前榆林沙区樟子松栽植面积达到了 100 万亩，为改善当地的生态景观发挥了重要的作用。但至今在榆林沙区还未形成一套完整的、健康、可持续的樟子松营林技术措施，因此，研究各种因素对樟子松防护林衰退的影响，确定主要衰退因素，针对主要衰退因素对症下药开展合理的营林措施的研究是很有必要的。而樟子松嫁接红松的成功，为樟子松人工林更新改造提供新的解决思路、丰富了沙区造林树种选择、提高了沙区造林利用率，不仅可以发挥樟子松适应性强、生长迅速的优良习性，而且可以使樟子松人工生态林逐步改造为生态型经济林，达到生态、经济双赢的目的，从而提高樟子松生态产业发展的可持续性。

三、现有工作基础

本项目由榆林市林业科学研究所负责，西南林业大学、定边县林业工作站、榆阳区林业工作站作为协作单位,挑选技术骨干组成实施团队。西南林业大学作为主要的技术支撑单位，承担着项目整个过程的技术顾问、各种指标测试、化验、鉴定等系列工作。定边县林站和榆阳区林站作为我市林业基层技术推广单位，在沙区第一线承担着林业科技成果转化和技术推广任务，先后获得多项科技成果和荣誉称号，拥有了优越的地理条件和强大的业务骨干，负责定边县、榆阳区试验示范点的建设和野外调查工作。

作为技术支撑单位的西南林业大学，在沙棘人工林衰退与恢复方面，曾承担国家自然科学基金项目“中国沙棘克隆生长调节机制”（30371193）、“中国沙棘人工林衰退的干旱胁迫机制”（31070551），均已通过基金委结题验收。西南林业大学拥有“西南山地森林资源保育与利用省部共建教育部重点实验室”、“西南山地生物多样性保育国家林业局重点实验室”等科研平台，大型仪器设备有液相色谱仪、PCR 仪、光合测定系统等，可完成激素、生理、基因表达等的测定工作，为本课题的顺利实施提供了强有力的技术支撑。

榆林市林科所从 2011 年至今，开展了樟子松嫁接红松技术研究，多次带着问题深入考察学习，基本掌握了红松嫁接配套技术、红松接穗长途运输关键措施、最佳组合试验方案等。榆林市科技创新示范园为市林科所主要科研基地，面积 500 亩，现代温棚 5 座，办公设施齐全，整体规划科学、先进，为课题顺利开展奠定了基础。

四、项目总体目标，实施年限，年度计划安排与阶段目标，具体考核指标。

1、项目总体目标：

（1）通过研究摸清毛乌素沙地主要衰退人工林的树种及环境要因，进而提出合理的更新复壮措施，为旱区衰退人工林的更新复壮提供理论依据；另一方面，通过试验，摸清沙区人工灌木林的萌蘖能力（萌蘖数量和萌蘖质量）、萌蘖方式、萌蘖发育对平茬高度的响应规律，用植苗更新和平茬复壮两种方式，初步探索人工林的更新复壮技术，为旱区衰退人工林的更新复壮提供技术依据。

（2）本次研究，旨在摸索出毛乌素沙地樟子松防护林科学的营林措施，调查研究得出当地不同地下水位状况下适宜的造林密度和适宜的林分结构及树种配置模式，从而为毛乌素沙地大面积栽植樟子松提供科学的理论依据。同时利用沙地樟子松嫁接红松技术，为樟子松生态防护林、经济林等多功能人工林的营造和更新改建提供技术支撑，示范营造红松混交林50公顷，把毛乌素沙地樟子松人工生态林逐步改造为生态型经济林。

2、年度计划安排与阶段目标

项目期限为 4 年，即 2017—2020 年

（1）2017 年：在榆阳区、定边县展开野外踏查，选择典型样方 60 块，样方规格为

5mx5m，通过典型抽样调查，摸清人工灌木林衰退成因及特征；依据不同类型衰退灌木林的更新复壮途径布设田间试验，设置不同平茬高度（不平茬为对照）进行平茬试验；在榆阳区嫁接红松混交林20公顷。

（2）2018 年：在毛乌素沙地榆林沙区开展踏查，全面了解毛乌素沙地榆林沙区樟子松的分布状况，设置样地对樟子松进行调查，得出在不同地下水位最优造林密度和最优林分树种配置的结论；对上一年平茬试验进行调查测定，重复灌木林平茬试验；在定边县嫁接红松混交林20公顷。

（3）2019 年：依据不同地下水位最优造林密度和最优林分树种配置的结论，在榆阳区营造樟子松混交林30公顷；调查测定上一年灌木林平茬试验，根据两年的测定数据，确定不同类型衰退灌木林更新复壮技术参数，平茬衰退灌木林100公顷；在榆阳区嫁接红松混交林10公顷。

（4）2020 年：在定边县营造樟子松混交林20公顷；对田间试验观测资料进行完善；整理资料、撰写论文，撰写结题报告。

五、项目的研究内容，课题设置方案，课题考核指标及承担单位选择方式。