黃土半干旱區(qū)林草復合優(yōu)化配置與結構調控研究進展

高路博，畢華興，云 雷，劉李霞，朱 悅

(北京林業(yè)大學水土保持學院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，北京100083)

林草復合是農林復合生態(tài)系統(tǒng)的一部分，泛指由森林和草地在空間上有機結合形成的復合人工植被或經(jīng)營方式[1]，林業(yè)上常稱之為林草混交、林草間作等，是一種工程應用技術和土地利用系統(tǒng)的復合名稱，是有目的地把多年生木本植物與農業(yè)、牧業(yè)用于同一土地經(jīng)營單位并采取時空分布或短期相間的經(jīng)營方式。林草復合能夠多層次上利用光能，充分地利用自然資源，提高初級產品的轉化率和利用率，緩解林牧矛盾，同時可以提高土壤中有機質含量，改良土壤結構，為林業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造條件。人工林草復合種植模式是林草植被恢復不可或缺的部分，在一些地區(qū)農村經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境建設中都發(fā)揮著重要的作用[2]，是我國干旱與半干旱地區(qū)陡坡農林復合的主要模式之一[3]。

近年來，隨著林草業(yè)的相互滲透及對生態(tài)環(huán)境綜合治理的需要，林草復合經(jīng)營模式越來越受到國內外的重視[4-8]。目前，林草復合系統(tǒng)研究主要集中在林草植被建設的效益評價以及環(huán)境生態(tài)影響等方面[9-11]。造林種草、植被恢復是治理黃土高原水土流失、改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質量和經(jīng)濟發(fā)展的根本措施之一。但是目前在黃土半干旱區(qū)林草植被建設中還存在著成活率低，生態(tài)效益不高等問題，究其原因一方面在于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被覆蓋率低，降水量少但蒸發(fā)量大，另一方面林草植被的種類選擇和種植結構缺乏科學的理論指導。本文在總結前人林草植被建設經(jīng)驗的基礎上，通過對現(xiàn)有林草復合系統(tǒng)的研究，以水量平衡原理為基礎，重點考慮林草復合系統(tǒng)的水土保持效益并兼顧經(jīng)濟效益，提出較為適宜黃土半干旱區(qū)林草植被建設的造林樹種和草種，確定適宜于黃土半干旱區(qū)林分的合理密度計算公式，為該地區(qū)退耕還林及水土保持工作的開展提供借鑒。

1 黃土高原發(fā)展林草復合模式的重要性及意義

黃土高原是我國水土流失最嚴重的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，嚴重制約著該地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展。黃土高原東西長約1 300 km，南北寬約800 km，其中干旱、半干旱地區(qū)占該地區(qū)總面積的68.8%[12]。長期的土壤侵蝕造成了這一地區(qū)丘陵、溝壑的侵蝕地貌。其中干旱半干旱地區(qū)，植被稀疏、生態(tài)環(huán)境惡化、水土流失極其嚴重、農業(yè)生產力低下而且不穩(wěn)定導致人民生活異常貧困，因此進行水土保持治理，改善當?shù)厣鷳B(tài)生活條件刻不容緩。

因地制宜，將治理與開發(fā)結合起來，在保持環(huán)境效益的同時，兼顧社會效益和經(jīng)濟效益是該地區(qū)水土保持工作的重中之重。降水是黃土半干旱區(qū)農林牧業(yè)發(fā)展的(天然)水分供給的唯一來源，也是土壤侵蝕發(fā)生的主要動力和影響因子。據(jù)研究[13-14]，該地區(qū)土壤坡面侵蝕，主要來源于暴雨產生的徑流，即洪水。在該地區(qū)，一年的侵蝕量常由幾次大暴雨洪水侵蝕所造成，一次大暴雨的侵蝕產沙量可占全年總產沙量的40%～86%。這主要是因為，該地區(qū)年均降水量少，但年際變化大，季節(jié)分配不均，雨量集中于夏季，易出現(xiàn)暴雨，而冬季降水少，易干旱。針對于特定的地貌特征，改善植被覆蓋情況是該地區(qū)水土流失治理的主要措施。地面植被能夠對降雨進行再分配，同時植物根系能固結土壤，提高土壤的抗蝕性和抗沖性，提高土壤的入滲性能，涵養(yǎng)水源并有效減小表面徑流的產生。因此在黃土半干旱區(qū)必須充分合理利用降水資源，發(fā)展水土保持型生態(tài)農業(yè)。

余新曉[13]等在山西吉縣對不同覆蓋度的油松林調查發(fā)現(xiàn)，林分覆蓋度越高，林地土壤入滲性能越好，土壤侵蝕量越低，水土保持效益越顯著。但由于林木生長耗水量大，受降水條件的影響，林分覆蓋度不可能達到一個很高的水平，否則就會出現(xiàn)林地土壤水分短缺干化，形成低效低產林，影響防護效益的發(fā)揮，如果降低林分覆蓋度又不能夠充分發(fā)揮出水土保持林應有的防護作用。因此純粹的發(fā)展喬木水土保持林是不可取的，而采取林草復合可以有效地解決這個矛盾。根據(jù)尹忠東的研究，黃土高原不同氣候區(qū)均存在同樣的趨勢，即草地耗水量顯著小于喬木林耗水量[15]。余新曉[13]等人的研究發(fā)現(xiàn)草地也能夠明顯改善土壤滲透性能，在干旱半干旱地區(qū)，大力種植草本植物，能起到增加入滲改善地表徑流的作用。因此在降低林分密度的同時，增加林下草本植物的種群數(shù)量，可以達到兩面兼顧。黃土半干旱區(qū)陡坡地通過林草混交經(jīng)營，可提高植被覆蓋度和林下地被物生物量，大大降低水土流失量。

采取林草復合技術，建立林草植被是黃土半干旱區(qū)發(fā)展生產，改善生態(tài)環(huán)境的必要措施，對防治土壤侵蝕、控制泥沙具有明顯的生態(tài)效益和社會經(jīng)濟效益。

2 黃土高原林草復合效益分析

黃土高原營建林草復合系統(tǒng)的主要目的就在于充分發(fā)揮土地的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益。通過調整系統(tǒng)的組成及時空結構，改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)展經(jīng)濟，進而提高人民生活水平。林草結合，林牧結合，可以有效緩解林牧矛盾，為林業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造條件。

2.1 林草復合系統(tǒng)的生態(tài)效益

2.1.1 林草復合系統(tǒng)在改善小氣候方面的效益 林草復合，由于草本植物的遮蔭及風障作用可以減少日光的直接輻射，對系統(tǒng)內風速及溫度都有不同程度的影響，可以改善局域的小氣候。小氣候的改善有益于林木生長，在林間放牧，可以調節(jié)水熱狀況[16]，促進牲畜發(fā)育。炎熱季節(jié)，林內溫度比外部低，而濕度相對較高;寒冷季節(jié)，林木可以阻擋風寒，減少畜體的熱量散失，進而保障畜牧業(yè)發(fā)展。林內小氣候的改善還可以延長牧草青綠期，減輕或防止草本植物的日灼現(xiàn)象[17]，為畜牧業(yè)提供優(yōu)質牧草。

姜艷等[18]在陜北安塞縣對林草混交林、人工灌木林、野生灌木林及林中草地4種不同類型的退耕還林還草模式進行了小氣候觀測，結果表明不同類型的退耕模式溫度要素變化趨勢基本一致。其中林草混交林在6月高溫期對空氣及地表溫度的日均值的影響最為顯著，較對照裸地可以降低1.2℃，并有效減少了土壤水分無效蒸發(fā)，增加了林下空氣濕度。

2.1.2 林草復合系統(tǒng)改良土壤的效益 林草復合生態(tài)系統(tǒng)對土壤的質地和機械組成具有較好的改善作用。

草本植物根系密集，能夠固結土壤，在腐解時提供大量有機質和氮素，改善土壤結構，從而增強土壤滲透性和蓄水能力。李會科等[19]在渭北洛川的研究發(fā)現(xiàn)，蘋果園中生草區(qū)相對于清耕區(qū)0-40 cm土壤容重下降6.5%，田間持水量增加了7.19%，土壤孔隙度顯著增加，土壤有機質含量也有所增加。林草復合可以提高林地土壤中的N、P含量而使土壤K含量有所降低[20]。國外的相關研究也表明，由于林草復合系統(tǒng)中的土壤有機質含量和土壤生物活性較高，林草復合系統(tǒng)土壤N的礦化率較對照提高了約20%[21]。

林草復合在增加土壤肥力的同時，能提高土壤中營養(yǎng)元素的活性，有利于林木對營養(yǎng)元素的吸收，但需要注意適時對間作牧草進行刈割，以減輕林草對土壤肥力的競爭，促進林木的生長[22]。

2.1.3 林草復合系統(tǒng)保持水土方面的效益 林草復合系統(tǒng)形成的空間立體結構在水土保持方面效果明顯。研究表明[20]，林草復合系統(tǒng)在保持水土方面，同樣有著顯著的作用。林草復合能逐層截留降雨，而且草本植物生長迅速，可以盡快覆蓋地面，減輕雨滴直接擊濺，減少地面徑流的產生。劉斌[23]等對甘肅慶陽的南小河溝流域研究顯示，人工草地徑流場14 a的平均產流降雨量為174.3 mm，徑流模數(shù)為4 499.2 m3/(km2?a)，侵蝕模數(shù)為 15.2 t/(km2?a)，相對于農坡地徑流場產流降雨量減少了13.8%，徑流量減少了74.9%，侵蝕量減少了97.7%，草地對于減輕坡面土壤侵蝕的作用明顯;人工林地產生的水土流失，與同年度坡度接近的農坡地對比觀測顯示，其徑流量平均減少95%以上，侵蝕量平均減少98%以上，采取林草復合經(jīng)營可以使水土流失得到有效的控制。

2.1.4 林草復合系統(tǒng)能夠提高生物多樣性和穩(wěn)定性

林草復合能夠調整系統(tǒng)內部食物鏈結構，有效控制病蟲害的發(fā)生。林草復合不僅有效利用了空間和自然資源，增加了生物多樣性，改善了系統(tǒng)內部的生態(tài)環(huán)境，而且提高了有害昆蟲天敵的種群數(shù)量，同時增加了捕食性天敵控制害蟲的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，提高生物之間互生互利作用，增加邊際效益。國內大量的關于林草復合系統(tǒng)的研究[24-26]表明:復合系統(tǒng)中節(jié)肢動物豐富度、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)和害蟲天敵數(shù)量都明顯大于清耕對照。國外對生草果園的研究結果也表明生草能夠增加果園的生物多樣性，增加害蟲天敵數(shù)量[27]。

2.1.5 林草復合系統(tǒng)的經(jīng)濟和社會效益 林木成長周期普遍較長，短期內很難獲得較好的經(jīng)濟收益，易挫傷農民積極性，不利于黃土區(qū)退耕還林工作的開展實施。幼齡林地間作牧草能夠很好地解決這個矛盾，牧草的生長周期短，投資回報快，當年即可得到收益，且可以較快覆蓋地面，減少土壤表面侵蝕。林草復合高矮搭配，充分利用了立體空間，增加系統(tǒng)內光能利用率，減緩內部環(huán)境的劇烈變化，可以增加經(jīng)濟林的產量，促進林木生長，提高林產品的品質，為當?shù)氐陌l(fā)展創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

據(jù)研究[28-29]，林草復合系統(tǒng)中夏季生草區(qū)土壤濕度比清耕區(qū)高3%～4%，夏季0-20 cm土層土壤溫度明顯低于清耕區(qū)，冬季比清耕區(qū)溫度高1℃左右，生草區(qū)土壤溫度較清耕區(qū)變化平穩(wěn)，有效緩解了溫度的劇烈變化對林草生長的影響，為牧草的良好生長創(chuàng)造了條件，為當?shù)匦竽廉a業(yè)發(fā)展提供了良好動力，具有很好的社會效益。不僅林木對其下的牧草生長有利，而且另有部分研究表明，在幼林地或疏林地種植牧草，特別是豆科牧草，能顯著促進林木生長，縮短郁閉年限，提高林地生產力[30]。

同時林下草本植物可以增加土壤中鮮根量，培肥地力，增加單位面積的經(jīng)濟效益[31]。劉蝴蝶等[32]在山西萬縣的研究發(fā)現(xiàn)，蘋果生草栽培可使單位面積經(jīng)濟收益提高15.17%～36.22%。一般來說，只要種類搭配科學、設計合理，不管林分密度是否相同，均可做到林、草雙豐收。彭鴻嘉[33]在甘肅中部的研究結果也認為，林草復合的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益均高于林農復合，在黃土丘陵溝壑區(qū)具有較高的推廣價值。

3 黃土區(qū)林草復合系統(tǒng)關鍵技術研究

目前在黃土半干旱區(qū)林草復合系統(tǒng)建設中還存在著成活率低、生態(tài)效益低等問題，究其原因，主要在于林草植被的種類選擇和種植結構缺乏科學的理論指導，特別是適宜的造林密度。

黃土半干旱區(qū)人工林草植被多為一次建植，不按照植被的地帶性分布規(guī)律選擇相應的林草品種和種植結構，盲目造林種草，就會導致林草生長不良，而且會造成土壤結構的破壞，水肥狀況惡化，不能充分發(fā)揮林草復合系統(tǒng)效益，甚至于影響當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的安全。如果系統(tǒng)林木的密度過大，會導致林內光照嚴重不足，水分短缺，土壤干化，使得林下無草本及灌木出現(xiàn)而成為光板地，導致“小老樹”的形成，影響經(jīng)濟效益。如果林分密度過小，則會造成土地資源浪費，同時也會使林木樹干彎曲，降低林木出材率和材質，同樣不利于水土保持效益的發(fā)揮[34-35]。

因此對林草復合模式進行研究，尋找出適宜于黃土半干旱區(qū)的栽植的林草種類和種植結構就顯得尤為重要。

3.1 樹草種選擇

黃土高原的主要造林樹種有刺槐、油松、側柏、核桃、楊樹、遼東櫟、蘋果、杏樹、梨樹等，其中刺槐和油松等喬木樹種作為水土保持林主要造林樹種[36]，具有很強的固溝護坡、防風固沙作用，對植被的恢復、水土流失的防治和水文狀況的調節(jié)效果明顯，這已經(jīng)被眾多研究證實[37-40]，并得到了廣泛接受和普遍應用。

黃土高原草種繁多，主要草種有苜蓿(Madicago sativa)、冰草(Agropyron cristatum)、黃芩(Scutellaria baicalensis)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、紫花地丁(Viola philippica)、益母草(Leonurus artemisia)等。黃土高原草地建設的關鍵點在于篩選和培育耐牧、耐瘠、抗旱的適生草種[41]。李會科等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，在提高土壤的有機質方面，豆科牧草優(yōu)于禾本科牧草。高峻等[42]在山西中陽黃土丘陵溝壑區(qū)的研究也表明，沙打旺、草木樨及紫花苜蓿3種豆科牧草均適合于試驗區(qū)幼林地種植。孫立達等[43]對黃土高原廣泛栽種的人工水保牧草沙打旺、優(yōu)良水土保持灌木小葉錦雞兒(Caragana microphy lia Lam)的根莖對斜坡穩(wěn)定性的影響與紫花苜蓿進行比較分析，發(fā)現(xiàn)3種植物中紫花苜蓿的增強作用效果最大。苜蓿還可固定大氣中游離的氮素，提高土壤N含量，營養(yǎng)豐富，牲畜適口性好，蓄水保土能力好，抗旱耐寒能力極強，適宜栽種于水土流失嚴重的黃土高原區(qū)。在國內各地區(qū)多年、多點重復試驗表明，苜蓿產品干物質量可達10%～15%，在所有綠色飼料作物中苜蓿營養(yǎng)品質處于較高水平[46]。其春夏秋冬皆可種植，并可單種、套種、復種，再生能力特別強，可以保證畜牧業(yè)的穩(wěn)定，優(yōu)質，高產。

綜上研究表明，以苜蓿為代表的豆科類優(yōu)質牧草適宜于黃土半干旱區(qū)的林草復合系統(tǒng)的建設，應予以推廣。

3.2 林草復合系統(tǒng)林分密度調控

在黃土高原，如不考慮降水、土壤等其他因素，林草植被覆蓋度越高，其防治水土流失的效果越好。余新曉等[13]在山西吉縣蔡家川流域的研究發(fā)現(xiàn)，隨著林分覆蓋度的上升，林地土壤侵蝕量急劇下降，林地水土保持效益愈加顯著，當林分覆蓋度由10%增加為90%時，林地土壤侵蝕模數(shù)則由507 t/km2減少為29 t/km2。但受自然條件、人類生產生活需求及其他因素的影響，林草植被的覆蓋度不可能永遠是越高越好。

在黃土高原半干旱區(qū)，養(yǎng)分和光照熱量相對充足，水分是制約植物生長的最關鍵因素，降水是維持植物生長的唯一水分來源。土壤水分不足是林木正常生長發(fā)育及水土保持效益發(fā)揮的主要限制因子[45-46]。合理利用水分，科學調控造林密度，深入研究林木水分消耗與生產力的關系，提高經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，是半干旱區(qū)人工造林和經(jīng)營管理的關鍵。如何有效利用有限降水條件，提高造林的成活率，提高林草植被覆蓋度，充分發(fā)揮其水土保持作用，并盡可能提高經(jīng)濟效益，滿足當?shù)鼐用裆a生活的需要，這是黃土高原林草復合系統(tǒng)建設中必須解決的首要問題。要解決該問題，植被的建設就必須以水量平衡為基礎，進而確定林草復合系統(tǒng)中合理的林分密度。合理的林分密度是指林木整個生長過程中在滿足人們生產生活需要的同時，不會造成土壤水分虧缺的經(jīng)營密度[47]。林分密度合理與否，直接影響著林分質量、穩(wěn)定性、健康狀況、生產結構和林分的生產力，同時也是影響投資和撫育管理強度的重要因素[48]。

武思宏[40]等依據(jù)水量平衡原理，綜合考慮林木生長季耗水量及土壤水分動態(tài)變化對黃土丘陵溝壑區(qū)林分的合理密度進行了研究，其林分密度計算公式表述為

式中:N——單位面積林地林木株數(shù)(株/hm2);P——降雨量(mm);E——林地土壤蒸發(fā)量(mm);T——單株林木蒸騰需水量(m3/株);A——單位林地面積(m2)，通常A取1 hm2。

其連續(xù)兩年對林齡為13 a的不同密度刺槐純林和林齡為17 a的不同密度油松純林林地進行了觀測，數(shù)據(jù)與公式(1)計算數(shù)據(jù)基本一致，由此認為該公式對于計算黃土地區(qū)的刺槐及油松林的合理林分密度具有較好適用性。根據(jù)此原理推算出，2 a生刺槐林分密度應為15 569株/hm2，3 a生刺槐林分密度應為8 254株/hm2，5 a生刺槐林分密度應為4 214株/hm2，7 a生刺槐林分密度應為2 049株/hm2，13 a生刺槐林分密度應為876株/hm2;17～19 a生油松林分密度應為1 497株/hm2，19～20 a生油松林分密度應為1 284株/hm2，25～28 a生油松林分密度應為874株/hm2。此方法參數(shù)的獲取較為方便，計算過程簡單，但由于其假定條件為無地表徑流，無土壤的深層滲漏，降水資源得以充分利用，因此所得到的數(shù)據(jù)不夠準確。另外只考慮了水分的利用，沒有綜合考慮林木的生長情況、水土保持及經(jīng)濟效益，應用條件具有局限性，較適宜于進行粗略估算。

余新曉等[13]從水土保持林減小坡面徑流及侵蝕產沙作用方面，以林分郁閉度為主要因子，對林分適宜密度進行了研究。收集了不同郁閉度林分2001-2003年20場侵蝕性降雨的產流產沙資料，分別作出其產沙量、產流量的回歸方程，并另行選擇了不同密度刺槐和油松林地人工降雨進行了土壤滲透測定。研究發(fā)現(xiàn)林分覆蓋度越高，土壤侵蝕量越小，當超過40%時，侵蝕量小于坡面允許侵蝕量(200 t/km2)，因此從水土保持而言，林分的有效覆蓋度可定為40%。刺槐和油松林地林分密度越大，其穩(wěn)滲速率越高，但兩者并不成正比關系。當刺槐、油松林成林密度超過3 000株/hm2時，林地穩(wěn)滲速率增加緩慢，從改良土壤滲透性能和土壤防蝕的角度來說，可將3 000株/hm2作為油松林和刺槐林的成林密度上限。此研究以減流減沙為主要出發(fā)點，主要考慮的是在強降雨期林草植被的水土保持效益的充分發(fā)揮，沒有考慮枯水期林木的生長及水分利用情況，因此其適用條件有一定的局限。

張瑞等[39]從林分的生長狀況，生物多樣性及土壤性狀的改良等方面對林分合理密度進行了研究。研究地位于山西省吉縣，樣地根據(jù)林木密度和栽植類型進行劃分，調查林地的林齡均為15 a，主要調查內容為采用樣方法測定地塊內喬木的樹高、胸徑、枝下高、冠幅、密度、郁閉度、生物量、枯落物等參數(shù);采用土壤剖面法測定容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等土壤物理參數(shù)。對數(shù)據(jù)進行研究分析發(fā)現(xiàn)，林齡在15 a左右的刺槐林、油松林的密度分別控制在1 325株/hm2、1 733株/hm2左右，對林木生長狀況，林地草本植物多樣性的增加和土壤物理性狀的改良更為有利;但是從防治土壤表層濺蝕、控制水土流失的角度考慮，林齡在15 a左右的刺槐林、油松林密度應分別控制在2 133株/hm2、2 222株/hm2左右，其中營造刺槐林更加有益于增強土壤水源涵養(yǎng)能力。該研究充分考慮了林草生物量、生物多樣性、土壤水分利用、土壤物理性狀等各個方面，且從不同方向出發(fā)，提出了相對應的適宜密度，研究要素較為全面。但研究方法需要對研究流域不同林齡的林地進行大量調查，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，工作量大，投入多，實際推廣操作起來有一定的困難。

孫中鋒等[49]以土壤水分機制及林水關系為研究出發(fā)點，對晉西黃土丘陵區(qū)刺槐林土壤水分狀況進行了定位觀測。其研究方法為對選取樣地的降雨量進行觀測，并將1 m深的土層平均劃分為5個層次，采用烘干法測定不同土層的含水量，并選取40-60 cm的土壤標定土壤水分曲線進行擬合計算。研究結果表明刺槐及其混交林適宜廣泛栽種于較干旱區(qū)域，當刺槐林成林的密度為1 200～2 000株/hm2時，生長季末土壤水分可以得到有效補充，12 a生密度為2 250株/hm2的刺槐林出現(xiàn)了土壤水分虧缺，林分生長受限，可將此密度作為12 a生刺槐林的臨界密度。此研究方法的主要考慮因素僅為土壤的水分利用狀況，沒有考慮林草植被的水土保持效益和經(jīng)濟社會效益。

張建軍等[47]在晉西黃土丘陵區(qū)對刺槐水土保持林進行了林分密度研究，根據(jù)水量平衡和徑流林業(yè)的基本原理，提出了利用胸徑計算刺槐林合理密度的公式。他根據(jù)研究區(qū)枯枝落葉層分解快、攔蓄水量少的情況，將林地水量平衡方程改寫為:

式中:Q——林地缺水量(mm);S——單株樹木的水分營養(yǎng)面積(m2);a——平均徑流系數(shù)(%);G——所需集水面積(指樹木營養(yǎng)面積以外需要增加的集水面積)(m2);P——符合某一頻率的降水量(mm)。

根據(jù)調查，經(jīng)回歸分析，可以得到刺槐水分營養(yǎng)面積與胸徑之間的關系式:

式中:D ——樹的胸徑(cm);a1，b——待定系數(shù)。單株樹所需總水分營養(yǎng)面積為:

綜合以上研究，我們推導出了晉西黃土區(qū)刺槐的合理密度公式:

公式中各符號意義同前。

根據(jù)式(6)，計算出以水土保持為目的的刺槐林成林的密度應該控制在700株/hm2以內，幼林的密度應該控制在2 300株/hm2以內，最大不應超過3 000株/hm2，同時應當采取適宜的集水措施，并對林木進行適時間伐，以保證土壤不會干化和水保效益的持續(xù)發(fā)揮，張建軍進行的人工模擬降水實驗也支持該結論[50]。此方法從土壤的有效性出發(fā)，充分考慮了影響林木水分利用的各個要素，不僅適用于刺槐樹種也適用于其他樹種的計算，計算結果較為準確，適宜于有長期觀測條件的地區(qū)推廣應用。如果將此方法與水土保持及經(jīng)濟效益進行綜合研究分析，得到的數(shù)據(jù)將更具有普遍性和指導意義。

綜上關于合理林分密度的研究，不難發(fā)現(xiàn)其特點，首先是研究涉及面廣，其次是目前的研究方法還不統(tǒng)一，研究要素不盡全面。目前的研究都是針對于某幾個要素進行分析，沒有系統(tǒng)的對水分、土壤、生物量、水土保持效益并耦合社會效益、經(jīng)濟效益等進行綜合研究。林分密度管理是一項系統(tǒng)工程，涉及因素復雜多樣。在對人工林的耗水特性及水土保持作用進行研究的同時，如何結合社會的發(fā)展，對社會及經(jīng)濟效益進行耦合分析，建立林分密度的綜合調控模型，在今后還需要進行深入研究。

4 結論與討論

林草復合系統(tǒng)作為農林復合生態(tài)系統(tǒng)的一種，能充分利用自然資源和能源，緩解林牧矛盾，創(chuàng)造良好的生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益。在黃土區(qū)的退耕還林工作中，林草復合系統(tǒng)能發(fā)揮出積極的作用，對當?shù)氐耐寥狼治g和土壤水分的流失起到良好的改善作用，促進牧業(yè)的發(fā)展，增加農民收入水平，提高農民對退耕還林工作的支持度和積極性，因此適宜于大力推廣實施。

黃土半干旱區(qū)水土保持林草復合系統(tǒng)的主要造林樹種為刺槐和油松，造林草種應優(yōu)先選取以苜蓿為代表的豆科類牧草。一方面能夠和林木配合發(fā)揮優(yōu)良的水土保持作用，覆蓋地表，減少土壤侵蝕和水分蒸發(fā)散;另一方面可以提高土壤中各種營養(yǎng)元素的含量，且再生能力特別強，能保證當?shù)匦竽翗I(yè)的穩(wěn)定、優(yōu)質、高產，促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。

由于黃土半干旱區(qū)氣候及地形的特殊性，為使林草復合經(jīng)營能達到最好的生態(tài)和社會經(jīng)濟效益，需要對林草復合系統(tǒng)種植結構進行調控。在對目前的研究成果進行了分析后，得到了較適宜于黃土半干旱區(qū)的林分密度計算公式。以山西省吉縣為例，幼齡的刺槐和油松林林分密度以保持在2 300株/hm2以下為宜，最高不能超過3 000株/hm2;成材林的密度最好保持在700株/hm2左右。此公式所計算得到的數(shù)據(jù)為正常造林條件下的指導數(shù)據(jù)，如果能夠采取較好的集水措施，或肥力灌溉條件良好，則在此基礎上可以適當?shù)卦黾用芏?。在具體的實施過程中，當?shù)貞摮浞挚紤]到水肥條件的差異性，在實踐過程中進行檢驗調整。在以后的研究進程中，應更加注重于多要素的綜合分析，以建立環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟、社會兼顧的林分密度綜合調控模型，為退耕還林還草政策的順利實施服務。

目前關于林草復合生態(tài)系統(tǒng)內部的物質循環(huán)和能量循環(huán)及系統(tǒng)的動態(tài)研究方面還存在著很多不足，林草復合生態(tài)系統(tǒng)的各種效益的綜合評價指標體系還不夠健全。在今后應加強這方面的研究，在目前的基礎上，更進一步的對評價標準、評價方法和評價模型進行完善。

縱觀黃土高原林草復合研究的進展情況，可看出林草復合模式優(yōu)化研究可以為政府科學決策提供有力依據(jù)，對于解決我國可持續(xù)發(fā)展及建設中面臨的諸多生態(tài)環(huán)境問題顯得尤其重要。未來黃土高原林草復合將采取理論與實踐相結合，多學科交叉、多方位、多層次的研究手段，以優(yōu)化土地資源配置，為我國的人口、社會、經(jīng)濟和資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

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