林带空间配置与布局优化研究

农田防护林(林带)的空间配置与布局是影响防护林结构和防护效益发挥并持续的关键因素．为达到农田防护林防护效益最大并持续的经营目标。在保证林分多样性和稳定性的条件下．林带必须具有空间上布局的合理性和时间上的连续性．经过多年防护林营林研究实践．在对1992年于辽宁省昌图县双井子乡设计营造的试验示范林带调查的基础上．对农田防护林单条林带方向的设置、带内树木的空间搭配方式、树种组成形式,多条林带或林网的带间距离以及大面积或区域防护林体系的空间景观布局等进行了综合研究．结果表明,单条林带和林网走向都应以垂直主害风作为设计的原则;林带内树木的空间搭配以“品”字型为佳,在不同树种混交的同一条林带中,可利用“边行优势”将生长相对缓慢的树种配置于边行．生长相对迅速的树种配置于内行;多条林带或林网空间配置参数——带间距离的设计应以林带达到初始防护成熟龄时的树高作为成林高．以林带结构变化规律和降低害风比例作为林带设计关键参数;区域防护林体系的空间布局应以景观生态学原理为基础．对林网体系进行评价与调控．     

基于林网体系尺度上的农田防护林持续经营模型I——模型的构建

在农田防护林可持续经营内涵与目标分析的基础上,提出农田防护林可持续经营的理想结构;以矩(方)形林网体系作为研究对象,分析经营尺度、更新能力、林带更新年龄、更新方式等林网体系时空结构状态要素,提出农田防护林可持续经营模型构建的基本条件;根据林网体系中林带环度与林带数量的关系,标定并量化网格中林带的空间位置和年龄结构分布,定义了需要更新林带之间的距离函数,来表征各林带之间的分散程度;根据更新林带在林网体系内时空分布的均匀性,构建了农田防护林可持续经营模型。     

基于林网体系尺度上的农田防护林持续经营模型Ⅰ-模型的构建

在农田防护林可持续经营内涵与目标分析的基础上,提出农田防护林可持续经营的理想结构;以矩(方)形林网体系作为研究对象,分析经营尺度、更新能力、林带更新年龄、更新方式等林网体系时空结构状态要素,提出农田防护林可持续经营模型构建的基本条件;根据林网体系中林带环度与林带数量的关系,标定并量化网格中林带的空间位置和年龄结构分布,定义了需要更新林带之间的距离函数,来表征各林带之间的分散程度;根据更新林带在林网体系内时空分布的均匀性,构建了农田防护林可持续经营模型.     

玛纳斯河流域绿洲农田防护林景观格局评价

防护林网作为农田景观的重要廊道系统,对生物多样性以及景观连通性等具有至关重要的作用。本研究以新疆玛纳斯河流域为研究区,基于高分辨率遥感影像,计算现实状态与合理状态下农田防护林网景观指标的相对误差,对玛纳斯河流域绿洲农田防护林网景观格局进行评价。结果显示:玛纳斯县、沙湾县和团场的防护林网带斑比的相对误差分别为0.7240、0.7374和0.7579,连续度的相对误差分别为0.5307、0.5629和0.6863,环度值的相对误差分别为0.6577、0.6380和0.4945。各景观指标的相对误差均大于0.15,说明玛纳斯河流域绿洲农田防护林网尚且达不到优质标准,存在林带面积不足、林网分布不均匀、闭合网格较少,成型状况较差等问题。建议在防护林的建设和管理中,加强缺失林带的补齐工作,并增加林带密度,通过科学合理的防护林网空间配置实现绿洲农田的可持续发展。     

东北地区农田防护林结构对林网内积雪分布格局的影响

东北地区冬季降雪是农田土壤水分的重要来源．探索农田防护林结构对林网内积雪分布格局的影响,是经营实践中如何依据疏透度指标来指导农田防护林结构调控的关键问题．通过由3个不同疏透度林带组成的林网内积雪深度的测定,对农田积雪分布格局进行了研究．结果表明,林网的结构对农田积雪分布产生较大影响．疏透度不同的林网内积雪分布的空间格局有明显差别。而且疏透度差异越大。分布格局的差异越显著．其中,在疏透度为φ2w=0．579、φ2s=0．268的林网内,农田积雪分布比较均匀,总体上整个农田积雪深度较为一致．这样,可依据疏透度与积雪分布格局的这种关系。指导冬季防护林带的结构调控与优化经营．     

不同覆盖物对农田防护林防风效能影响

为揭示不同覆盖物对农田林网内风速分布及防风效能的影响, 选取4种不同覆盖物和对照(无覆盖物)林网模型, 对其防风效能进行了风洞模拟试验。结果表明: 林网中防护林带高度范围内, 覆盖物对林带前后的风速流场具有显著影响, 尤其是高大果树类作物对风速削减程度较大。8 m·s-1风速条件下, 各模式林网内平均风速排序为核桃+小麦间作模式<苹果+小麦间作模式<红枣+小麦间作模式<纯小麦模式<无覆盖物。林网中1 cm和2 cm高度处平均防效能分析表明, 3种果树模式林网防风效能最佳, 纯小麦模式防效虽弱于果树模式, 但是较对照仍有一定的防效, 表明林网内覆盖物(特别是果树类作物)对林带防风效能有明显增强作用。因此, 随着集约化和精准农业推进, 进行农田防护林网配置时, 应充分考虑林网内作物本身的防风效能, 尤其是高大果树类作物农田防护林网配置时, 可适当调整林网大小, 合理配置林带结构, 提高经济效益。     

东北地区农田防护林高效多功能经营的指标体系及标准研究

从单条林带和林网两个尺度出发,建立了农田防护林高效多功能经营的指标体系,并通过分析各个指标之间的机理关系,提出了9个主要评价指标,对于单条林带,用林带疏透度,有效防护距离,初始防护成熟龄,防护成熟期,林带产投比,更新方式等可作为度量林带经营状态的指标;对于林网体系,用林网带斑比,林网连接度,环度,林网优势度等可作为度量林网经营状态的指标;依据主要指标的数量化界定,提出了农田防护林高效多功能经营的标准,可进行综合评价,这些评价指标及其标准,在宏观上确定了主要林网体系的布局,在微观上确定了单条林带的结构,成为衡量是否可持续经营的依据,为其高效多功能经营提供了导向。     

三北防护林地区土壤水分动态研究

东北西部干旱、半干旱地区影响农业、畜牧业发展的关键因子之一是水分。水分在这一地区变化规律是５～６月春旱阶段,７．８、９三个月是土壤水分丰盛期,各层次水分相差不大,１０月至来年２月是土壤储水期。农田防护林的建立减少了蒸发,提高了土壤水分。但距林带不同距离调节水分幅度不同,明显出现水分最佳区和水分低谷区。根据这一规律可以调整种植结构,充分合理的利用土壤水分,为推广节水型农业提供了途径。防护林带的种类、树高、树种及林带间的距离对林网内水分的分配都有较大影响,这一结论为防护林体系的优化提供了科学依据。     

基于林网体系尺度上的农田防护林持续经营模型Ⅱ--模型的应用

基于林网体系尺度上的农田防护林持续经营模型,是以矩(方)形林网为对象,通过分析经营尺度、更新能力、林带更新年龄、更新方式等林网时空结构状态要素而建立起来的,是林网体系功能目标与时空结构状态之间的数量关系表达。本文通过有效性检验证明了该模型的实用性,并以辽宁省昌图前双井子行政村为对象,在杨树林网体系中应用该模型,计算出更新林带的空间位置和整个林网体系的结构动态变化过程,以及每个经营阶段林网体系中林带的年龄结构和空间分布状态转移序列,可形成持续经营状态林网体系,克服目前传统经营方式下林网的防护效益不能稳定维持的弊病,为优化林网配置形式和经营提供了方向。     

农田防护林的可持续经营管理

林带更新的时空布局对持续发挥林网的防护效益具有重要意义。本文提出用拟法正林思想经营农田防扩林,以行政村为组织经营单位,通过逐步更新调整组织经营单位管理的林带,使整个林网体系形成自幼龄到成熟龄各龄级林带条数基本相等,空间上均匀配置的格局,从而确保时间上农田防护林生态服务的稳定和持续发挥。     

防护林阶段定向经营研究Ⅱ. 典型防护林种--农田防护林

以防护林阶段定向经营理论为基础,对典型防护林种-农田防护林的防护成熟、经营阶段、更新方式、方法进行了研究讨论：通过对东北地区农田防护林长期调查积累资料的分析,确定了乡土杨和杂交杨（Populus spp.)农田防护林和初始防护成熟龄和终止防护成熟龄分别为16-24年和自然成熟龄,第一代农田防护要的更新龄为32-36年,以树木径级离散度,防护成熟龄和更新龄为主要依据定量划分了杨树农田防护林的3个经营阶段,并重点讨论了不同更新方式下3个经营阶段的变化情况,给出了维持农田防护林成熟状态的疏透度调控技术及其相关的林木分级依据与标准,同时为实现定向经营的目标,提出了各个经营阶段内应采取的系列经营管理措施。     

防护林阶段定向经营研究Ⅱ.典型防护林种——农田防护林

以防护林阶段定向经营理论为基础,对典型防护林种———农田防护林的防护成熟、经营阶段、更新方式、方法进行了研究讨论;通过对东北地区农田防护林长期调查积累资料的分析,确定了乡土杨和杂交杨(Populus spp.)农田防护林的初始防护成熟龄和终止防护成熟龄分别为16～24年和自然成熟龄,第一代农田防护林的更新龄为32～36年.以树木径级离散度、防护成熟龄和更新龄为主要依据定量划分了杨树农田防护林的3个经营阶段,并重点讨论了不同更新方式下3个经营阶段的变化情况,给出了维持农田防护林成熟状态的疏透度调控技术及其相关的林木分级依据与标准.同时为实现定向经营的目标,提出了各个经营阶段内应采取的系列经营管理措施.     

林带疏透度数字化测度方法的改进及其应用研究

在大量野外调查基础上,用数码相机拍摄林带相片,采用CIAS软件测定林带疏透度,对已有“数字图像处理法”进行了改进,并对疏透度的变化规律进行了深入研究。结果表明,用改进的数字化方法测定林带的疏透度,比用光学相机所进行的“数字图像处理法”精度高,更经济,简捷;林带疏透度β与相对枝下高x(枝下高／林带平均高）的关系无叶期可表达为β＝1.0681x^0.4304(r=0.9763,r0.01=0.4073);有叶期可表达为β＝0。672^0.469(=0.9851,0.01=0.4073)(0≤β≤1）;β随着林龄α呈抛物线式变化,β＝0.0009α^2-0.0364α 0.6828(0≤β≤1);提出的林带断面疏透度β0是定量反映林带断面结构的定量评价指标,同时可作为评价林带结构的辅助指标;提出混交林带的疏透度计算式β＝（β1n1 β2n2)/(n1 n2);在相同配置不同树种的纯杨,柳,榆林带结构以杨树林带结构较好,柳树林带结构次之,疏透度值βPPP＜βSSS＜βUUU;在树种相同,配置不同时,品字形优于矩形;杨柳榆的混交林带中杨榆株间,杨柳对称式行间SPPS混交方式结构防护效果较好。     

林带疏透度模型及其应用

在应用数字图象处理法测定东北西部典型杨树林带疏透度的基础上,采用逐步回归分析和推理方法分别构筑了疏透度与林带结构因子相关的主导因子模型和因配置方式和树种而异的机理模型,并阐述了两种模型在林带结构调控中的作用．     

Modification of water flows and nitrogen fluxes by shelterbelts

The introduction of shelterbelts (mid-field trees linear structures) in a uniform agricultural landscape composed mainly of cultivated fields is one of the best tools for managing heat balance and water regime in the landscape. Evapotranspiration rates, surface runoff and percolation of water across a soil profile are controlled by shelterbelts. The heat transfers from cultivated fields to shelterbelts by advection processes enhance evapotranspiration rates from trees. Depth of groundwater table and thermal conditions have important bearing on the uptake of groundwater by trees. The studies showed that in the Turew agricultural landscape, located near Poznan, Poland, shelterbelts use for evapotranspiration 40 percent more water than cultivated fields. For air heating cultivated fields use 280 percent of solar energy more than shelterbelts. The shelterbelts limit N-NO₃⁻ spreading with groundwater very effectively. Concentrations of inflowing nitrates with groundwater dropped to 2.3–24.4 percent of the input from fields. In contrast to nitrate ions the ammonium behave entirely different. Often concentration of ammonium increased in groundwater under shelterbelts. Higher concentrations of N-NH₄⁺ under shelterbelts than under field indicated that ammonium ions were released during decomposition of organic matter. This supposition was directly proved by estimates of very high rates of urease activity which enzyme converts urea nitrogen into NH₃ in the final stages of protein decomposition. It was estimated that N₂O fluxes from soil of shelterbelts are much smaller than from cultivated fields. The balance of nitrogen inputs and outputs in a shelterbelt indicated that the internal recycling of this element is of crucial importance for the controlling efficiency of nitrogen compounds spreading in an environment.     

基于东北漫岗黑土区坡耕地沟蚀防治的防护林带布局优化

防护林带体系是东北漫岗黑土区坡耕地的重要组成部分,对坡耕地上侵蚀沟的发生、发展具有重要影响.本文以黑龙江省鹤山农场典型小流域为研究对象,基于Quickbird高精度遥感影像和数字高程模型,结合实地调查结果,分析防护林带分布对坡耕地侵蚀沟发生、发展的影响,并根据坡耕地沟蚀特点及其与防护林带分布的相关关系,提出防护林带分布的优化方案.结果表明:当前不合理的防护林带布局,直接或间接地促进了坡耕地浅沟和切沟的发生和发展.优化方案包括:调整防护林带走向为横坡林带,加强林带维护和更新,以减少林带间断,增加林带条数,减小林带间距等,同时提出了坡面林带条数和林带间距的计算方法.研究结果可为典型漫岗黑土区坡耕地的沟蚀防治和防护林带规划提供科学依据.     

防护林阶段定向经营研究I.理论基础

基于多年防护林经营研究与实践,在分析防护林经营目的的基础上,提出了防护林阶段定向经营理论基础,以防护林的防护成熟为核心,将防护林经营阶段划分为成熟前期,即从栽植后形成相对稳定的幼林到初始防护成熟龄;防护成熟期,防护成熟状态持续的时期,即从初始防护成熟龄到终止防护成熟龄;更新期,林木接近自然成熟开始更新直到更新结束并形成相对稳定的幼林,防护林经营的定向是指在任何经营阶段内,一切经营技术与措施都是为了使防护林向着成熟的状态发展,即防护成熟是防护林经营的方向,是最终目的,为尽量维持防护林的成熟状态并使防护效益不间断,针对发育正常与低质衰退的林分,在各个经营阶段内采取相应的系列经营管理与改造措施。