[01699065]川中丘陵区人工林生态系统结构优化与功能提升技术研究与示范

一、任务来源 川中丘陵区是长江上游重要的生态屏障,在面临巨大的生态保护和生态建设任务的同时,也面临着较为严重的农村贫困、人地矛盾突出、农林业发展比例失调等一系列问题。这些问题在长江上游地区乃至整个西部地区都具有较高代表性和典型性。柏木人工林作为该区主要的森林类型之一,存在林分密度大、树种单一、结构简单、生物多样性丧失、森林健康状况较差等问题,成为典型的低产低效林,其较低的生态、经济效益,使得该区呈现“山绿民不富”的发展困境,严重制约了区域经济的发展。因此,通过试验、示范和推广,构建川中丘陵区人工林生态系统结构优化与功能提升技术体系,提升低效人工林生态功能和效益,建立一批适合丘陵区生态、经济、社会效益协调发挥的生态保护和人工林生态系统结构优化与功能提升技术示范样板,提供林分改造和经济效益耦合的技术支撑,这对于长江上游生态屏障建设和区域可持续发展具重要意义。 为此,国家科技部下达了国家“十二五”科技支撑计划项目“西南生态安全屏障（一期）构建技术与示范”中课题“长江上游低山丘陵区生态综合整治技术与示范”（编号：2011BAC09B05）的子课题“川中丘陵区人工林生态系统结构优化与功能提升技术研究与示范”（编号：2011BAC09B05-03）;同时,国家林业局中央财政林业科技推广示范区域重点推广示范项目“盆中丘陵区低效林改造推广示范”（编号：[2010]TK55号）,以及四川省科技厅科技支撑计划项目“川中丘陵区柏木低产林分改造技术与示范”（编号：2010NZ0049）也纳入本课题一并进行研究。 二、应用领域和技术原理 川中丘陵区属于典型的生态交错区、生态脆弱地带,是国家生态屏障建设重点区域之一,对全省经济和社会的和谐发展起着十分重要的作用。本研究选择川中丘陵区作为具有典型代表性的生态类型区作为试验示范点,结合林业产业结构调整,以低效柏木人工林生态系统结构优化与功能提升为切入点,试验示范低效林改造技术和模式,在充分发挥森林生态效益的前提下,推进林业产业结构升级,促进森林景观多样性开发、特色经济林果、林下种养殖等相关产业链的综合发展。它的成功研究,对川内同类型的低山丘陵区、长江上游地区乃至整个西部地区的低产低效林分改造具有辐射效益和借鉴作用。 本研究在恢复生态学、水土保持学、保护生物学、近自然林业、生态系统结构理论、生物多样性、生态经济学等多种理论指导下进行试验设计和示范研究。从构建低产低效人工林改造模式的生态间伐强度、开窗面积大小的确定,适宜的乡土阔叶树种、引入经济树种以及优良草种的筛选,不同改造模式生物多样性保育、水土保持功能、土壤改良效应、生态系统碳汇功能,以及生态和经济效益的评价等多方面进行了系统研究;并建立了川中丘陵区人工林生态系统结构优化与功能提升技术研究与试验示范区,构建了低产低效人工林改造技术体系和模式,形成了林分改造、系统功能提升、特色经济林果、林下种养殖等一系列的生态产业开发链条。为类似区域低效人工林结构优化和功能提升提供技术支撑。 三、性能指标 1. 计划任务指标 （1） 柏木低产低效林分改造试验示范林面积200亩,推广面积共2000公顷; （2） 示范区人工林生态系统结构优化与功能提升技术体系与模式1-2套; （3） 编制技术规范或应用指南1-2套; （4） 示范区土壤侵蚀模数降低20-50%; （5） 示范区植物物种多样性上升30%; （6） 发表学术论文5-7篇;培养硕士、博士研究生6-8人;培训地方生态建设人才150人。 2. 实际达到指标 （1） 在国家“十二五”科技支撑项目计划的子课题执行中,在四川省德阳市旌阳区构建1个试验示范基地,共完成试验示范林面积300亩。在国家林业局、四川省科技厅的重点项目执行过程中,已在梓潼县豢龙乡、广汉市莲山镇、旌阳区水库和罗江县蟠龙镇建立4个试验示范基地,柏木低产低效林分改造试验示范林面积达5600亩,德阳市旌阳区、罗江县、什邡市、广汉市、中江县等县的林分改造与抚育工程、森林城市建设、天然林保护工程、退耕还林工程中推广应用,营建（改建）珍贵乡土阔叶树人工林（香樟、楠木、香椿等）、巨桉林、杨树林等商品林11万亩,慈竹、杂交竹等竹林5万亩,核桃、枣、花椒、丹参等经济林15万亩。梓潼县紧紧围绕全县纤维林基地建设目标,以建丰、新锐等企业为龙头,建设桤木、杨树、臭椿、巨桉（或邓恩桉）为主的短期工业原料林基地13.6万亩。以若源公司、添宝柑桔协会等为重点,围绕特色经果林基地建设和新品种引进两条主线,已发展特色经果林核桃、柚子基地5.9万亩,林下种植粉葛、丹参、小柴胡2.1万亩,林下养殖野鸡、野猪和家禽210万只（头）,建协会（或专业合作社）9个,可实现年收入13900万元。2011-2015年共计应用推广52.6万亩。上述产业化基地已经产生了巨大的生态效益、经济效益和社会效益,对当地农业产业结构调整、农业产业化的推进和农民的增收起到了示范带动作用。 （2） 筛选与引进适宜于川中丘陵区低效人工林改造的经济植物达40余个,并对HD杨树（优良美洲黑杨新品种）开展了快繁技术的研究。构建人工林生态系统结构调控模式改造模式30余个。 （3）研制出川中丘陵区柏木低效人工林生态采伐技术体系。根据生态系统服务功能的差异,高密度的柏木人工林实行生态间伐技术,促进林木生长和蓄积量增加的株数间伐强度为25%,提高林下灌草层多样性的株数间伐强度为50%,改善林地土壤理化性状的株数间伐强度为35%,提高林分碳储量的株数间伐强度为35～50%。采用团块状采伐构建人造林窗方式,200m2林窗采伐可以更有效的促进林窗边界木的生长;林窗内部的生物多样性恢复则在150m2表达最优;林窗内土壤有机碳及碳库指标分别在50m2与150m2林窗表现最优。从而探寻出人工林林分结构与景观结构量化表达与优化技术与模式。 （4） 编制技术规范和应用指南共8套。分别是：川中丘陵区柏木人工林生态间伐与灌草恢复技术规程、川中丘陵区柏木人工林林窗改造模式技术规程、川中丘陵区柏木低效林改造多树种配置及协调共生技术规程、川中丘陵柏木人工林区台地经济树种引入与集约栽培技术规程、核桃高接换种技术规程、川中丘陵区人工林生态系统结构优化与功能提升科技成果推广技术指南、德阳示范点主要造林树种栽培技术要点、德阳示范点油橄榄栽培及管理技术方案。 （5） 开展了改造模式的生态系统功能的评价研究。与对照柏木纯林相比,宽带造林（宽带采伐后多树种配置）、林窗改造（200m2林窗内引入乡土阔叶树种）、花椒地（采伐后种植花椒,无地被）、花椒地（有地被）、抚育间伐（间伐强度50%）、林窗改造（200m2 自然更新）土壤侵蚀模数分别减少53.11%、74.0%、89.26%、76.90%、34.55%和18.68%,表明以上改造模式可以显著提升林地的水文涵养和水土保持效益。与对照相比,15%、25%、35%和50%间伐后林下植物种类分别增加了3种、2种、7种和4种;土壤种子库物种分别增加6、8、10和12种;林窗改造后,50 m2、100 m2、150 m2和200 m2林窗内土壤种子库物种增加9、15、12和11种。抚育间伐、林窗式疏伐、人工开窗后土壤种子库和灌草层物种多样性均有不同程度提高,土壤有机碳储量增加1.56-18.23 MgC·hm-2。 （6） 在国内外相关学科公开发表论文37篇,获得的国家发明专利和实用新型专利10个、计算机软件著作权2项,出版学术专著1部;培养本科生46人,毕业硕士研究生28人,博士研究生7人;同时,为地方培训技术骨干1500人次,分发技术规程800余份。 四、与国内外同类技术比较 迄今为止,国内外在低产低效林分改造过程中取得了不少成果,但大多注重木材生产和系统生态功能上的恢复方面,而忽视了人工林生态系统整体功能效益的提升和发挥,忽视农民、业主的经济利益与林分改造工程的有机结合,很难被人们普遍接受。尤其是在发展中国家巨大的人口压力下,生存和发展是根本性问题,提高森林质量必须与经济发展有机结合,才能促进经济社会的可持续发展,有利于生态文明成果建设。国家实施的各项林业生态工程计划,没有群众的参与是难以实现的,若不考虑经济利益,群众没有积极性,林业生态工程建设任务就难以完成。从我国林业生态工程建设历史来看,要么以生态型植被恢复如长江中上游防护林工程建设、水源涵养林建设;要么以经济型植被为目标,如各种速生丰产林、用材林、经济林等,造成环境保护与经济发展矛盾突出,不能很好解决当前面临的人地矛盾、农林牧矛盾,不利于区域生态和经济持续发展。本项目与国内外同类研究相比,有如下特点： （1） 结合林业产业结构升级,以人工林生态系统结构优化与功能提升为切入点,坚持生态优先、绿色发展的战略定位,试验示范柏木低产低效林改造技术和模式,在树种结构、林种结构、林分结构和景观结构调控的基础上,引进与筛选川中丘陵区适宜的经济植物,构建生态经济型的改造模式,研究与示范力求有所创新,以林业和农村社会经济的可持续发展为目标,体现了森林保护与利用的林分改造理念,为同类型区生态保护和低产低效林分改造树立了良好的样板。 （2） 项目从构建低产低效人工林改造模式的间伐强度、开窗面积的确定,适宜的乡土阔叶树种、以及经济树种的筛选等方面入手,通过定点定位观测,研究不同改造模式森林生产力形成特征、生物多样性保育、水土保持功能、土壤改良效应和土壤碳储量,最后对改造模式的生态服务功能进行系统的评价。整个试验项目设计和研究、推广实施具有明显的递进层次性、较高的科学性和系统性;研究结果也具有较高成果转化性,为长江上游生态屏障建设提供十分重要的理论和技术支撑。 五、成果的创新性和先进性 1.在川中丘陵区人工林生态系统结构调整与功能提升的过程中,坚持生态优先,绿色发展的战略定位,遵循保护与利用结合的森林质量提升理念,以水土保持学、保护生物学、近自然林业、生态系统与生物多样性经济学相关理论为指导,优化与调整现有人工林大面积纯林的经营模式,构建高效的生态经济型人工林生态系统,为提高川中丘陵区人工林生态系统生产力,缩小经济高速发展与人工林产品供给间的巨大差距提供理论支撑,为实现人工林生态系统功能可持续发挥提供理论基础,为满足国家对林业产品生产、生态服务功能和碳汇谈判的战略需求提供科学支撑。 2.筛选与引进适宜于川中丘陵区低效人工林改造的经济植物达40余个,并对HD杨树（优良美洲黑杨新品种）开展了快繁技术的研究,为人工林生态系统结构调控提供了充足的物种资源储备。从林分、生态系统和景观不同尺度,构建人工林生态系统结构调控生态经济型改造模式30余个,形成了一批技术模式和相应的经营体系,并开展了相关基础理论研究。 3.研制出川中丘陵区低效人工林生态采伐技术体系。根据生态系统服务功能的差异,高密度的柏木人工林实行生态间伐技术,促进林木生长和蓄积量增加的株数间伐强度为25%,提高林下灌草层多样性的株数间伐强度为50%,改善林地土壤理化性状的株数间伐强度为35%,提高林分碳储量的株数间伐强度为35-50%。采用团圈状采伐构建人造林窗方式,200m2林窗采伐可以更有效的促进林窗边界木的生长;林窗内部的生物多样性恢复则在150m2达到最优;林窗内土壤有机碳及碳库指标分别在50m2与150m2林窗表现最优,初步探寻出人工林林分结构与景观结构量化表达与优化技术。 4.提出了川中丘陵区人工林生态系统养分自维持管理技术。人工林树种凋落物和细根分解、林窗改造对引入阔叶树种细根生产和周转,细根分解和养分释放对人工林地长期生产力维持具有重要的贡献。树种混交、林草复合模式与其它人工纯林相比,由于混交树种和牧草的植入,改善了林地土壤环境,提高了土壤活性有机碳及土壤有机质含量,有利于混交林和林草模式土壤肥力的维持。 5.研究了人工林生态系统的林种、树种、林分和景观结构调控对水土保持效益、生物多样性保育、生态系统碳储量与林业产品权衡关系的影响机制,为评价人