马慧静

(青海省林业技术推广总站，青海西宁 810008)

2015年9月国务院印发的《生态文明体制改革总体方案》是我国生态文明建设的行动指南。习近平总书记视察青海时明确指出，今天的青海，在党和国家工作全局中占有重要地位，对国家生态安全的重要性尤其突出。青海省委省政府认真领会贯彻习近平总书记指示精神，提出坚持生态保护优先推动高质量发展创造高品质生活的“一优两高”战略部署[1]。

青海祁连山地区水源涵养功能显著、生物多样性丰富、生态保护任务繁重、生态系统敏感而脆弱，是我国重要的生态屏障区、水源涵养区。由于过去传统理念的制约、自然资源的粗放式利用和社会经济活动的加快，导致区域景观破碎、植被退化、水源涵养能力下降、各类生态服务功能降低等一系列生态环境问题。2008年3月，由青海省发展和改革委员会牵头，编制完成了《青海省祁连山水源涵养区生态环境保护和综合治理规划》。2012年12月28日，国家发展和改革委员会正式批复了《祁连山生态保护与建设综合治理规划(2012—2020年)》。因此，祁连山生态保护与建设综合治理工程是在国家生态战略层面上开展的，得到了国家领导人的高度重视和充分肯定，也是青海省在落实生态优先战略上的重大举措和重点布局、积极推动的项目。在该背景下，开展科技示范与推广项目，无疑对促进祁连山生态保护和治理，加大项目科技支撑具有重大意义。

1 研究的必要性

目前祁连山生态保护工程已取得了阶段性成果，对改善祁连山农牧区生产生活条件和促进农牧民增收以及生态环境保护与区域经济社会的可持续发展起着重要的作用，成效显著。

2017年6月26日，国家通过了《祁连山国家公园体制试点方案》，同时青海省政府批复了《青海省祁连山区山水林田湖生态保护修复试点项目实施方案》，青海省祁连山地区生态治理工作向统筹山水林田湖草等生态要素方向发展，向努力增绿扩面补齐生态短板方面持续推进。为适应形势发展对科技支撑的需求，在总体大方向不变的情况下，对形成较早的《青海省祁连山水源涵养区生态环境保护和综合治理规划》进行适度调整十分必要。

在祁连山生态治理方面取得显著成绩的基础上，为紧密配合祁连山生态保护与建设综合治理工程的实施，提高工程项目的显示度，进一步提升科技在工程项目中的支撑和引领作用，省科技厅、省发展和改革委员会和省林业和草原局等多方协调，项目研究在加速祁连山地区林草植被协调发展和解决祁连山地区森林系统在水源涵养总量估算及水源涵养功能提升潜力余量等方面具有重要意义。

森林生态系统具有重要的生态水文功能，其在保持水土、涵养水源、改善环境等方面的作用不可替代。水源涵养林作为一个复杂的生态系统，不但具有生态效益、经济效益和社会效益，而且具有涵养保护水源、调洪削峰、防止土壤侵蚀、净化水质和调节气候等生态服务功能。森林生态系统功能的价值数倍于草原生态系统。

祁连山水源涵养区主体地貌以山地为主，兼有沟谷和盆地。发育着包括森林、灌丛、草原、草甸等多样化植被类型，其中林地面积2 954.75 km2，森林覆盖率4.63%，覆盖率高于全省水平。对全省而言，具有典型性和示范意义[2]。近5年来青海省在人工林建设方面累计投资210亿元，完成营造林85.05万hm2，义务植树7 500万株。在提升森林覆盖率，保护与恢复区域生态环境方面取得了丰硕成果。但是也存在人工林建设树种单一、用材林改公益林后林分调控措施缺乏，在林地保护与恢复方面的研究力量投入不足等问题，导致在水源涵养林建设的技术集成度不高，林地整体水源涵养功能不佳，物种多样性匮乏。

综上所述，通过水源涵养林高效空间配置和结构优化调整，形成混交、稳定、异龄复层、可自然更新的近自然森林系统，可大力提升和充分发挥森林系统在祁连山地区水源涵养能力。同时，建立可量化的森林生态系统水源涵养评价体系，可为祁连山地区生态工程水源涵养总量的核算与水资源增贮潜力的评测提供技术支撑。该研究将有助于进一步推进祁连山生态保护与建设综合治理工程和祁连山国家公园(青海片区)体制试点实施的顺利开展，为落实省委省政府关于“一优两高”指示精神提供科技支持与保障。

2 近自然森林经营的概念

遵循森林的自然生长发育规律，以森林更新到稳定的森林群落为周期，设计和实施各项经营活动，充分利用影响森林的各种自然力，不断优化森林经营过程，实现森林的树种组成乡土化、林分结构多层化、综合功能最大化，从而使人工生态公益林的生态效益、经济效益和社会效益达到一种最佳结合的接近自然的森林经营模式[3]。

3 研究区概况

祁连山地区是我国西北荒漠区和青藏高原高寒区的过渡区，远离海洋，具有典型的大陆性气候和高原气候特征。该地区地势高差大，地形条件复杂，水热条件差异明显，由东向西随着干旱程度逐渐增强，植被由温带半干旱草原逐渐向温带半荒漠及荒漠过渡。

森林系统(包括常绿针叶林和落叶阔叶林)，主要分布于祁连山东段的乐都区、互助县、大通县、门源县、祁连县。灌丛系统(主要包括河谷灌丛、温性灌丛和高寒灌丛)，主要分布于祁连山东段的高山与河谷地区，祁连山中部和西部也有少量分布。

据初步调查，祁连山地区森林系统(包括乔木和灌木)总面积85万余hm2，其中，互助县、大通县、门源县和祁连县分布面积分别占总森林系统面积的18.76%、12.48%、27.36%和23.85%，研究区4个县总体占森林分布面积的82.45%。同时涵盖青海省分布的常绿针叶林、落叶阔叶林和灌丛三大森林系统。

总体上，从气候和森林类型与分布特征等方面，针对研究地区高寒贫瘠、树种单一的植被重建现状和作为区域重要水源地的环境特点，结合水文和气候等相关资料，以祁连山自然保护区试验区及其外缘的水源涵养功能区作为项目实施区，统筹不同立地植被群落结构、植被格局与水源涵养功能关系等要素，在祁连县、互助县、门源县和大通县等地展开，建立10处单项技术试验示范点和1处小流域综合试验示范点。建立具有典型性和代表性的示范区，形成可复制性、可推广的技术支撑体系，同时对全省具有很好的示范意义[4]。

4 技术措施

该项目针对研究地区高寒贫瘠、树种单一的植被重建现状和作为区域重要水源地的环境特点，以祁连山自然保护区试验区及其外缘的水源涵养功能区为项目实施区，通过不同立地植被群落结构、植被格局与水源涵养功能关系的量化分析，开展森林近自然经营水平诊断与综合评价，并据此，集成研发满足保水功能提升、林分稳定为核心的林草植被结构调整技术，集成研发近自然化理想林分结构的植被类型与结构改善的途径及流域尺度的景观格局优化配置技术，研发和集成现有植被结构调整的方法体系并开展试验示范。

4.1 基于水源涵养功能保障的林草植被群落结构综合评价体系构建

4.1.1探明林草植被区域背景，构建水源涵养功能评价体系。该项内容以祁连山自然保护区试验区及其外缘的水源涵养功能区在不同阶段建设的人工林群落/分布区作为主要研究工作区，兼顾其他植被恢复工程建设区，主要通过遥感影像及野外调查等探明林草植被区域背景，以立地环境-植被结构-空间格局与水源涵养功能的关系为研究主脉络，采用各立地类型林分相应的水源涵养功能要素，基于PSR(压力-状态-响应)模型构建区域林草植被水源涵养功能评价体系。

森林生态系统多样性调查方法：

(1)样线、样点布设。多样性调查采用地面实地调查为主，乔木林包括针叶林和阔叶林，分别设置样地5个，布设的样线与样点见图1。分别在针叶林、阔叶林设置监测样方，样方设置包括乔木层、灌木层和草本层。乔木林样方为28.28 m×28.28 m(图2)，同时采用5点取样法设置灌木层和草本层样方5个；灌木层样方设置为4 m×4 m(图3)，样方数量5个；草本层样方设置为1 m×1 m，样方数量5个。

图1 森林生态系统多样性调查样线、样点设置Fig.1 Sample line and sample point setting for forest ecosystem diversity survey

图2 乔木林样方设置Fig.2 Setting of tree forest quadrats

图3 灌木林样方设置Fig.3 Setting of shrub forest quadrats

灌木林：灌木林样地共设置8个。灌木林样方包括灌木层和草本层，确定灌木层样方为4 m×4 m，草本层样方设置为1 m×1 m，样方数量5个[5]。

(2)调查项目。林分调查：调查主要树种和林分组成、林木分布状况、林龄、株间距、树高、胸径、郁闭度、植被覆盖度、叶面积指数等，采用冠层分析仪测定不同林分的叶面积指数(LAI)，以确定林分冠层结构。立地调查包括地貌类型、海拔、坡位、坡度、坡向、腐殖质层厚度。土壤理化性质和土壤微生物群落结构的测定在室内进行，野外采样为在每块样地内随机15个点采集土样并采用四分法混匀后带回室内，按照常规试验分析方法测定土壤理化性质(土壤质地、容重、孔隙度、土壤含水量、土壤肥力等)，土壤微生物群落结构采用高通量测序MiSeq平台微生物多样性分析方法测定。将调查结果填入样地调查表(图4)。

图4 样地调查表设计Fig.4 Design of sample plot survey

4.1.2判定可提升多种服务功能的林草植被类型和群落结构。综合评估现有林草植被类型和群落结构在基本满足其主导服务功能条件下的林分稳定性及可持续性，评估其提升多种服务功能的空间适宜性和可提升余地，判定立地-坡面-小流域等不同尺度可调整与提升林草植被类型和群落结构，提出调整或改造的等级。在现有林草植被类型和群落结构在基本满足其主导服务功能条件的基础上，评估影响林分稳定性及可持续性的林草植被类型及环境变量。林分的稳定值采用每公顷林木株数和蓄积量的乘积再除以1 000的值得出，利用多元回归法及SPSS分析林草植被类型(林分多样性、郁闭度、枯落物量等)和环境变量(坡度、坡向、坡位、海拔)与林分稳定性的关系，从而评估林分稳定性。林草植被资源消耗的增长率不超过林草植被资源的增长率是可持续利用的必要条件，利用Logistic曲线，根据林草植被资源增长变化趋势与林草植被资源消耗的变化趋势的匹配程度来判断资源变化的宏观趋势，可得出4种模型来判断这种关系，即可持续模型、不可持续模型、先期可持续而后期不可持续模型、先期不可持续而后期可持续模型，继而评估林分的可持续性。综合评估林分稳定性和可持续性，得出影响林分稳定性及可持续性的林草植被类型及环境变量指标[6]。

主要观测指标：在调查样地确定后，按区域归类开展相关林地小气候(自动小气候工作站)、林冠截留降水量、枯落物持水量、土壤渗透性及蒸发量等定位观测，以获取现场第一手水文效应数据；水文观测主要集中在5—8月进行，按照地形因地制宜布设/构筑简易测流堰，并配套自压式水位计开展集水区径流观测和小流域径流观测。

树冠截留量按前期积累数据建立的数学模型计算。

基于已有数据，采用专家信息法、回归分析法等数学方法，应用EXCEL、SPSS统计软件对调查数据进行标准化处理和归一化处理，利用综合评判模型进行计算并排序，对人工植被生态系统主要服务功能进行综合评价，基于前述得出的影响林分稳定性及可持续性的林草植被类型及环境变量指标，评估其提升多种服务功能的空间适宜性，并利用专家信息法对其可提升余地进行评估[7]。

结合树种或植物群落的优化调控措施，影响林分稳定性与可持续性的林草植被类型及环境变量指标，对林草植被类型和环境变量指标的现状进行研究，最终提出调整或改造的等级。结合模型将研究区内典型林草植被功能划分高、中、低3级或高、较高、中、较中、低、较低6级水平的类型，以期为低效林评价及功能提升提供科学依据。

4.1.3构建水源涵养功能提升的林分结构优化配置与调整试验示范的综合评价标准体系。从系统工程的角度出发，以基于InVEST模型评估的林草植被多种服务功能和基于PSR模型构建的林草植被群落健康评价体系为研究对象，应用层次分析法(AHP)构建水源涵养功能提升的林分结构优化配置与调整试验示范的综合评价标准体系[8]。

通过理论分析和专家咨询，将该体系分为目标层、中间层和指标层3个层次，其中，目标层为综合评价标准体系，中间层为多种服务功能提升和林分结构优化配置与调整试验示范，并将其逐一分层细化，形成由13个评价指标组成的指标层(图5)，在评价过程中可根据实际情况选择或增加相应指标。

图5 层次结构模型Fig.5 Hierarchy model

由于各指标的作用不同，最终综合评价标准体系的影响程度也有一定差异，为了区分各指标间的差异性，采用层次分析法(AHP)确定各指标的权重值。将这些指标按照隶属关系的不同分为2个层次，利用数学分析方法及专家咨询，给出各层次各目标的相对权重值。最终构建多种服务功能提升的林分结构优化配置与调整试验示范的综合评价标准体系[9]。

4.2 基于水源涵养功能提升与稳定性维持的近自然林分结构调整试验示范

4.2.1筛选确认符合项目区实践的近自然化理想林草结构经营类型。

4.2.1.1不同立地试验林分选择。依据可提升多种服务功能的林草植被类型和群落结构判定以及历史调查研究资料，根据遥感判读、森林资源二类调查和水源涵养功能提升建议，通过现场踏查，选定典型代表林分类型进行林分稳定性及可持续性综合评估，筛选出不同立地条件下(阴坡、阳坡和半阴半阳坡)的代表林分类型，主要涉及青海云杉纯林、青海油松纯林、祁连圆柏纯林、华北落叶松纯林、白桦华北落叶松混交林、华北落叶松青海云杉混交林、青海云杉白桦混交林、青海云杉白桦青杨混交林、青杨纯林、沙棘、金露梅小檗灌丛和柠条灌丛等。

4.2.1.2近自然理想林分的筛选。根据近自然林应具有的林分异龄、复层和自然更新的结构特征，采用林下植被生物多样性、林分空间结构、林分生产力、林分健康和土壤水分5类评价指标。

4.2.1.3评价指标测定方法。在前述的调查样地确定后，在标准样地开展林下植被生物多样性(丰富度、多样性Shannon diversity和均匀度Pielou’s evenness指数)、林分空间结构(树龄分布、蓄积量、水平结构、垂直结构)和林分生产力(年树干生长率)现场调查；采用叶绿素荧光仪和植物水势仪分别测定叶绿素荧光动力参数和水势，得出林分健康指标；利用便携式土壤水分速测仪现场测定土壤水分。

4.2.2确定水源涵养功能提升的稳定林草植被人工定向调控目标。研究影响其自然更新、群落正向演替的环境因素与林分结构和森林可持续经营技术等调控因素的关系。通过对不同植被类型的对比，采用参评因素因子分值量化方法进行近自然化理想林草植被和其他类型林草植被如人工纯林和低效林的功能差异分析，开展近自然林和人工纯林功能差异分析[10]。

通过研究分析水源涵养功能和植被结构的关系以及不同树种的生长对环境因子以及立地条件的响应，采用统计学方法，对限制因子进行排序并识别出对树木生长和实现自然演替的一些关键环境和立地条件因子，从而为设计因地制宜的多树种在空间和时间上的配置提供支撑，为确定不同林草植被类型的调控目标和调控改造技术提供依据。最终，从生态服务、遗传生物多样性保护和游憩景观等功能提升角度确定稳定林草植被人工定向调控综合目标。

4.2.3形成祁连山水源涵养林区林草植被维稳、提升改造关键技术体系，开展试验示范。探讨近自然林草结构环境因素与经营管理调控之间的关系：依据调查和试验结果，筛选可满足近自然的林草植被结构稳定的林分样地，推演其植被自然演替的关键因子和经营策略。集成祁连山地区近自然林分结构调整和经营调控项目成果：总结近自然林业理论进入我国近20年来在国内的实践成果，分析近自然林分自然更替的树种选择与调控技术。该项目初步筛选的祁连山区主要造林树种见表1。

表1 项目区主要造林林草筛选结果

综合上述研究，集成综合成果开展试验示范，构建近自然林草植被维稳，提升改造关键技术体系，形成6种技术模式共10项技术，并开展试验示范(表2)。表2中序号1～8为以水源涵养功能提升为导向的林草植被结构调整技术示范，序号9～10为以水源涵养功能为主的生态功能进一步提升技术示范。

表2 单项技术试验示范林汇总

续表2

5 效益分析

5.1 社会经济效益通过项目实施，在水源涵养林建设中建立近自然林改造的理念；引导农牧民在生产、生活及旅游中提高对生物多样性保护的意识，减少对生物的破坏，改善生物环境；有利于树立民众尊重自然、保护自然、顺应自然的科学观，营造全社会关心支持饮水水源林保护的良好氛围，形成全社会共建生态文明的格局，最终实现人与自然和谐发展。在水源涵养林为导向的近自然林改造中，建立的景观格局营建模式，可为当地旅游业的提质增效奠定基础，为旅游业持续稳定的发展建立技术支撑。在项目实施过程中，需要聘用当地农牧民参加野外调查和植被补植建植工作，直接增加农牧民的可支配收入[11]。

5.2 生态效益该项目研究坚持以水源涵养和生物多样性保护为核心的生态功能定位，所形成的优化组合构建的各类低效人工水源涵养林结构调控应用技术模式与运作方式，可为祁连山地区未来的水源涵养林近自然可持续经营提供可借鉴的参考依据和示范案例。通过项目实施，试验示范区水源涵养功能得到明显提高，植物资源种类和遗传多样性明显提高[12]。