祁连山水源林经营模式研究

李金良，郑小贤，陆元昌，刘 波

（1.中国绿色碳汇基金会，北京100714；2.北京林业大学 林学院，北京 100083；3.中国林业科学研究院 资源信息研究所 北京 100091；4.山东省东平县园林绿化局，山东 东平 271500）

被称为“21世纪的科学”的复杂性科学是研究复杂系统的科学。复杂系统的内涵，科技界尚未统一。中国科学院戴汝为院士认为，复杂系统是具有复杂行为的系统，表现在系统的部件之间有着很强的耦合关系，具有难以线性化的非线性性质，系统具有高度的不确定性和实时性，而且难以用传统的方法建立系统的数学模型。其整体功能不等于部分功能之和。如生物系统、经济系统等属于复杂系统，而一般人造系统属于简单系统［1－14］。水源林经营管理系统涉及以人为核心的，有思维的所有者和经营者等利益相关方，还涉及乔木、灌木、草本、动物、微生物等生命系统以及与其相关的太阳辐射、温度、水分、土壤、风、火等自然环境系统，以及社会经济发展对水源林多功能和服务的需求。可见，水源林经营管理系统涉及生物系统、自然环境系统、经济系统和社会系统等，是一个开放的复杂系统。所以，水源林经营管理的改革与创新，要在方法论上突破“还原论”。水源林经营关系着国家的水资源安全和生态安全。然而，国内对水源林经营理论和技术体系的研究整体上还比较薄弱，尚处在试验探索阶段，且已有研究多数为自然科学或社会科学的单项研究［9－25］，难以满足当前水源林经营实践的需求。实践中，因缺乏科学可行的经营模式，水源林经营通常比较粗放，其功能也较低下。因此，为了满足新时期中国建设现代林业，促进绿色增长和水源林经营实践的需要，迫切需要开展水源林经营模式的改革创新和研究实践。本研究定义水源林经营模式是根据需求和条件，以人为本，融合了经营理论、经营目标、经营原则、目标结构与经营技术措施等与水源林经营有关的要素的有机系统。水源林经营模式，应考虑水源林经营管理系统的复杂性，对水源林经营应具有全面指导意义。水源林经营的理论和技术，最终由它来体现，通过其在生产经营中的实践应用来转变为现实生产力，发挥水源林的主导功能和多重效益。祁连山区土地总面积约7.00×106hm2，其中祁连山国家级自然保护区土地总面积2.65×106hm2。现有水源林面积为4.316×105hm2，活立木蓄积量为2.3×107m3，森林覆盖率16.5%。水源林树种的面积组成为：青海云杉Picea crassifolia林占24.8%，祁连圆柏Sabina przewallkii林占3.7%,灌木林占67.4%，其他类型占4.1%。该水源林区关系着中国西北河西走廊绿洲的水资源及生态安全，是400多万河西人的生命线。国内有些学者对该区水源林开展了植被分布、经营现状、效益评价、功能与结构等方面的研究［12－14，21－23］。但是在水源林经营中仍然缺乏科学、实用的经营模式。本研究的目的，在于尝试采用复杂性科学的理论与方法，基于实地调查资料，研究提出祁连山水源林的经营目标、经营原则、经营技术等经营模式要素，进而构建适合祁连山实际的水源林经营模式，为该区水源林经营提供理论依据和方法论基础。

1 研究方法

复杂系统研究方法论突破了在科技界长期占统治地位的“还原论”，强调要把复杂性当作复杂性来研究和处理，提出了“从定性到定量的综合集成”的方法论为代表的处理复杂系统的新理论与方法。为提出科学、合理、可操作的祁连山水源林经营模式，本研究采用复杂性科学的理论与方法对水源林经营这个复杂系统进行整合研究，注重社会需求和人在水源林经营管理系统中的重要性。具体采用理论与实践经验相结合，定性判断与定量化相结合，微观分析与宏观综合相结合，还原论与整体论相结合，野外调查与科学推理、专家咨询相结合等复杂性科学研究的综合集成法［1－8，10］。

2 祁连山水源林经营目标与经营原则的确定

2.1 经营目标

根据祁连山水源林实际情况和社会经济发展的实际需求，研究确定祁连山区水源林经营的总目标和3个子目标。

总目标：通过科学经营管理，逐步调整、优化该区水源林结构，以充分发挥该区水源林经营的生态效益、社会效益和经济效益等多重效益，实现该区水源林的可持续经营管理，为中国河西走廊社会—经济—生态复合系统提供稳定的优质水资源，促进该复合系统的健康稳定和可持续发展，增强应对全球气候变化的能力。

子目标：①生态服务功能目标。长期维持和增强祁连山区水源林的健康和活力；保护森林生物多样性；增强森林碳汇功能；提升涵养水源、保持水土、改善水质等主导功能，为河西走廊长期提供稳定的优质水资源，并为减缓与适应全球气候变暖做贡献。②社会服务功能目标。长期满足社会对该区水源林的生态旅游、休闲保健、森林文化与森林美学、环保教育、科学研究、就业等多种社会服务和福利的需求。③经济功能目标：在不影响主导功能发挥的同时，为河西走廊社会经济发展和当地居民生活提供优质的木材和林副特产品，促进绿色增长，提高水源林经营者的经济效益、生存质量和适应气候变暖的能力。

2.2 经营原则

根据该区水源林经营目标和实地条件，研究确定该区水源林经营中应遵循的主要原则：①以天然更新为主；②选择乡土树种进行树种结构调整；③采用单株择伐；④封山禁牧，以保护亚高山灌木林和促进森林的天然更新。

3 祁连山水源林关键经营技术措施的确定

根据实地调查结果和条件，整合水源林经营理论，该区水源林经营目标、经营原则以及有关水源林结构与功能、结构调整的研究基础［10］，确定以下水源林关键经营技术措施，用于制定该区水源林经营技术体系以指导生产实践。

3.1 更新造林技术措施

总则：以天然更新为主，注重采用人工促进天然更新和封山禁牧育林技术措施，确保祁连山水源林的更新，实现多种功能的延续。①树种选择：鉴于祁连山属于高寒干旱半干旱地区，目前生态环境条件整体上脆弱和恶劣的实际，在更新树种选择时更加强调因地制宜，优先选择耐高寒、抗干旱、低耗水、耐瘠薄的乔灌木乡土树种。根据实地调查和已有资料［21－23］，适合海拔2 300～2 500 m的阴坡、半阴坡、半阳坡灌丛带的灌木树种主要有狭叶锦鸡儿Caragana stenophilla，中亚紫宛木Astero thamnus，灌木亚菊Ajania fruticulosa等；适合干热河谷地带的灌木树种有沙棘Hippophae rheamnoides和旱柳Salix matsudana等；适合海拔2 500～3 300 m的中山区的阴坡、半阴坡常绿针叶林带的乔木乡土树种主要有青海云杉Picea crassifolia。此外，还有祁连圆柏Sabina przewalskii，山杨Populus davidiana和白桦Betula platyphylla等，适合林下的乡土灌木树种主要有山生柳Salix oritrepha，吉拉柳Salix gilasnanica，鬼箭锦鸡儿Caragana jubata，银露梅Dasiphora clavurica，鲜黄小檗Berberis diaphana，叉子圆柏Sabina vulgaris和沙棘Hippophae rheamnoides等，另外，适合河谷地带的乔木乡土树种有小叶杨Populus simonii和白榆Ulmus pumila等；适合海拔3 300～3 800 m亚高山湿性灌丛林草甸带的乡土灌木树种，在阴坡和半阴坡主要有百里香杜鹃Rhododendron thymifolium，青海杜鹃Rhododendron przewalskii，吉拉柳，山生柳Salix oritrepha，鬼箭锦鸡儿和高山绣线菊Spiraea alpine等，阳坡、半阳坡主要有金露梅Dasiphora fruticosa。②森林更新：本研究提出“单株择伐—小面积林隙—天然更新”技术，对青海云杉林采用单株择伐，将林分郁闭度调控在0.4～0.7，造就一些小面积的林隙（林隙面积＜200 m2），以改善林内光环境，促进森林的天然更新，局部条件恶劣的地段辅以其他人工促进措施。③宜林地及疏林地造林：鉴于祁连山的森林覆盖率低，超载放牧严重，生态环境脆弱的实际情况，强调封山禁牧育林的突出重要性。以封山禁牧育林为主，局部立地条件恶劣的地段辅以人工更新或人工促进天然更新。④保障措施：封山禁牧或围栏封育，确保森林更新成功。该措施，特别符合祁连山水源林更新的现实需要。调查表明，过度放牧、牛羊群践踏啃食是造成该区水源林造林失败的主要原因。因此，在该区要严格实施封山禁牧育林或围栏封育等更新造林保障措施，以保证森林植被人工更新和天然更新成功。

3.2 林分抚育技术措施

鉴于该区水源林的自然环境条件和主要树种的特殊性，确定密度调整的抚育技术措施如下：①综合抚育措施。为了改善林内光环境，优化现有林分的结构，培育符合目标结构的水源林，充分发挥其多种功能，对中幼龄林采用打枝、间伐、单株木利用等多种技术措施，调控树冠结构与林分空间结构，使林分郁闭度、冠高比维持在目标结构范围，增大林分的混交度，缓和林木间的竞争，使林木分布格局趋于随机分布，以改善林内光环境，促进森林天然更新及灌木层、草本层、凋落物层的发育，增进林分健康。②水源安全保障措施。不使用有毒化学药品和化肥。

3.3 采伐利用技术措施

采用单株择伐利用技术体系。理由主要有4点：①该区森林草原带自然环境很脆弱，容易退化，应该采用对生态环境的负面影响比较小的利用方式。已有实践证明，单株择伐利用后，仍然有森林植被连续覆盖地表，对生态环境及生物多样性等负面影响很小，水源林主导功能不会中断，并且森林的生产功能能够得到提高，因此，单株择伐利用方式是一种适合于该区青海云杉林实际的最佳利用方式。②这种利用方式可以解决青海云杉天然林中林木数量成熟的时点差异问题，便于适时采伐利用，提高经营者的经济收益。③这种利用方式对当地木材市场的需求变化具有较强适应性，有助于经营者根据市场需求进行采伐决策，从而提高经营者的经营收益，刺激经营者科学经营水源林的积极性。④这种利用方式具有调整、优化水源林林分树种结构、年龄结构、层次结构，促进森林更新的作用，有助于逐步将现有青海云杉纯林改建成复层混交异龄林，增进森林健康。这种单株择伐利用方式把青海云杉水源林的木材利用与其天然更新完美结合起来，解决了困惑祁连山森林经营者多年的青海云杉林下天然更新不良的问题。在利用木材、获得经济收益的同时，促进了林下灌木及草类的生长发育，有利于多层次森林群落结构的形成，达到了调整优化水源林林分结构的目的。

根据祁连山水源林区青海云杉林的实际，对单株采伐利用技术做如下规定：①单株个体采伐利用时，要按间隔1倍树高的原则确定下一株相邻最近的采伐木，使形成的青海云杉林隙在100 m2左右，不超过200 m2，以保证林地长期的相对连续覆盖和森林更新。②在单株个体采伐利用中，1次采伐的蓄积择伐强度要控制在伐前林分蓄积量的15%以下，采伐量不超过20 m3·hm－2，伐后郁闭度控制在0.4～0.7，立地条件差的地方取下限，立地条件好的地方取上限，一般情况下以0.6为宜；伐后保留木（胸径≥5.0 cm）株数密度为 800～1 500 株·hm－2，其中小径木（胸径≤12.9 cm），中径木（胸径 13.0～24.9 cm），大径木（胸径≥25.0 cm）的蓄积比例以2︰3︰5或2︰4︰4为宜。根据调查，中等立地条件下青海云杉林年均蓄积生长量为3.5 m3·hm－2·a－1左右，因此，间隔期为10 a左右，也可根据市场需求及具体林分生长情况灵活确定，采伐对象通常为大径木，也可以是中径木、小径木。在中径材、小径材畅销时可适当择伐部分过密的林木，既调整了林分结构，又有一定的经营收入。③集材方式，在祁连山林区，尤其强调集材作业要尽量减少对生态环境负面的影响和对更新幼树的伤害，可采用畜力或人力集材方式。

3.4 流域森林景观要素配置技术

在流域景观层次，不同林分类型的斑块要形成与流域各部位立地条件和水源保护需要相适应的镶嵌分布格局，并且异质结构的森林镶嵌体要尽量构成流域景观的优势景观要素，森林景观要素比例至少在0.3以上。

4 祁连山水源林经营模式的构建

本研究在尊重森林、与森林和谐共存、长期维持和不断增强水源林健康稳定以及可持续经营等理念的指导下［10－13，28－30］，以森林生态系统经营理论和近自然森林经营理论为基础［24－27］，采用复杂性科学的理论与方法，整合本研究有关水源林结构与功能关系及其机制、防护成熟理论、结构调整理论与方法［10］、经营目标与经营原则、目标结构、经营技术措施的成果，提出有科学依据的、定量化、可操作的祁连山水源林经营模式（表1）。该森林经营模式，通过科学经营管理，逐步调整水源林结构，充分发挥水源林经营的生态效益、社会效益和经济效益，从而实现该区水源林的可持续经营管理，为河西走廊社会—经济—生态复合系统提供稳定的优质水资源、促进该复合系统的健康稳定和持续发展以及应对全球气候变化做贡献。

5 结论与讨论

本研究采用复杂性科学研究的理论与方法，提出了一个有科学依据的、定量化、可操作的水源林经营模式，该模式整合了水源林经营理论基础、水源林目标体系、水源林经营原则、水源林目标结构体系、水源林经营技术体系，创新了该区水源林经营模式，对祁连山水源林经营具有全面指导意义，对提高该区水源林的经营水平和经营效益具有现实指导意义。

根据该经营模式中郁闭度目标值，可将祁连山水源林区现有青海云杉林分划分偏密（郁闭度＞0.7），合理（郁闭度为0.4～0.7），稀疏（郁闭度＜0.4）等3类。建议采用以下措施调整其林分结构，将林分郁闭度调控在0.5左右，不超出0.4～0.7的范围。①对偏密的林分，为了避免过大的波动，通过单株采伐，将郁闭度调整到0.6，并进行打枝，将冠高比调整到0.4～0.5，促进森林更新，诱导多层次群落结构的形

成，增强主导功能和综合效益。②对合理的林分，通过单株采伐和打枝，将郁闭度调整到0.5，冠高比调整到0.4～0.5，促进林分的更新，增强林分健康和主导功能。③对稀疏的林分，不进行采伐，采取封山禁牧育林，有些地段人工引进当地的乡土阔叶树种，改善林分结构，提高水源林健康状况和增强主导功能。

表1 祁连山水源林经营模式Table 1 Management model for watershed forests in Qilian Mountains

根据理论分析和现有实践结果，按照上述经营模式经营祁连山水源林，可以培育结构合理、健康稳定的多层异龄林或混交林，发挥良好的涵养水源、保持水土和改善水质功能，特别适合青海云杉林的天然更新，并且可以节省大量的森林更新费用，森林经营成本较低，经济效益、生态效益和社会效益明显。建议当地森林经营单位和林农，在水源林经营实践中应用该森林经营模式。为了取得更好的水源林经营效益，鉴于水源林经营管理系统是一个复杂系统，该经营模式在应用时可随实际情况变化而做出适应性调整，并在实践中进一步完善、创新和发展。

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