基于水源涵养功能的黄土高原林草植被结构调控机制

王晶　李远航　张帆

［关键词］ 林草植被结构特征；水源涵养功能；耦合机制；林草植被结构调控；黄土高原

［摘 要］ 水源涵养功能是黄土高原生态系统服务的主导功能，探究以水源涵养功能为导向的林草植被结构优化调控机制对保障该区域生态与社会经济的可持续发展具有重要作用。通过广泛查阅和分析国内外以水源涵养功能为导向的林草结构优化调控研究相关文献，分析了黄土高原的林草植被结构特征及其水源涵养功能，诊断了黄土高原林草植被结构存在的问题，分析了水源涵养功能评价体系，剖析了多尺度林草植被结构与水源涵养功能耦合机制，揭示了林草植被结构优化调控机制研究的重难点问题，集成了植物种类选择、种植密度确定与调控目标锚定等调控机制措施。未来需要进一步拓宽以多生态功能为导向的人工林评价范畴，探索不同尺度水平的耦合机制研究及转换模式，创新黄土高原林草植被结构优化调控新方法，为黄河流域水土保持高质量发展提供理论支撑。

［中图分类号］ S718.5 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1000－0941（2023）09－0014－06

黄土高原地区是中国乃至全球水土流失最为严重的地区，自然条件恶劣，植被大面积退化，生态环境极其脆弱。为了遏制黄土高原生态环境持续恶化趋势，20世纪70年代末和90年代末我国相继启动了三北防护林工程和退耕还林还草工程，在黄土高原上开展封山育林、人工造林和植被恢復等工作，使其森林覆盖率有了明显提高，达到了65%[1]。但在实际造林过程中，为追求短期的经济效益，采用了用材林结构设计，林分密度大、结构不合理、树种单一，且未考虑当地降水和水资源状况，以及造林树种生物学、生态学特性，导致植被建设中造林成活率低、林木生长缓慢，“周期性衰退”和“小老树”等问题普遍存在[2]，林草植被整体水源涵养功能不佳，林分难以持续发挥生态效益，同时也不利于区域生态环境的改善及水资源的优化利用。

在全球气候变暖进一步加剧的情况下，世界上约40%的地区正在经历植被缺水问题，尤其是干旱半干旱地区，植被的生长发育受到严重抑制[3]，水资源短缺已成为制约可持续发展的关键因素。水源涵养能力是评估森林生态系统服务功能的重要指标，植被良好的水源涵养能力可以有效缓解干旱半干旱区水土流失严重、水资源短缺等问题，因而如何平衡和调节林水关系成为林业生产和生态环境等研究领域关注的焦点。相关学者从林草结构和水源涵养功能特征分析着手，采用模型识别和筛选影响水源涵养功能的主要林草结构因子，构建水源涵养功能指标评价体系，全面解析典型林草结构和水源涵养功能的关系，判定可提升水源涵养功能的林草植被类型和群落结构，构建水源涵养功能提升的林分结构优化配置，并最终确定了水源涵养功能提升的稳定林草植被人工定向调控技术和措施[4-6]。然而，笔者在广泛查阅国内外以水源涵养功能为导向的林草结构优化调控研究相关文献后，发现现有公开报道的文献对水源涵养功能的监测和机制研究较多，对林分空间结构关系及其配置、调控的研究尚不完善，尤其是对监测结果在林草植被经营方面的运用更少[7]。因此，加强林分空间结构与水源涵养能力关系研究，深入探讨黄土高原水源涵养功能评估机制和林草结构优化调控机制研究的重难点问题，从而为确定不同林草植被的调控优化技术提供依据十分必要。

1 黄土高原林草植被结构特征

林草植被结构研究一直是学者们关注的重点。不同经济社会发展阶段的森林利用方式不同，直接影响着稳定林草植被结构及经营目标的变化[8]。习近平生态文明思想的提出，特别是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的确立，推动了黄土高原林草植被建设从高速发展转为高质量发展的进程，林草植被结构调控重心发生转移，对不同林分结构的生态功能和社会效益，特别是防治水土流失、涵养水源和固碳释氧等生态服务功能的研究成为重点。同时，植被结构分类工作仍然作为重难点问题存在，不同学者对植被结构划分意见不一致，且随着研究的深入更多的林分指标被列入。孟宪宇[9]提出了林分结构规律概念，认为林分中可以表现出较为稳定的结构规律性的特征因子均为林分结构；惠刚盈[10]将林分结构细分为空间结构和非空间结构，空间结构是指林木的水平和空间上的分布格局和排列方式，非空间结构则表示林分结构静态特征，如林龄、树高、胸径、密度等。

林草植被的非空间结构主要表征植被的基本生长状况和信息，具有良好的研究基础，通过对林木和林下植物个体的基本生长特征和分布信息调查取样，可得到林木的树种组成、胸径分布、树高分布、林龄分布及林下灌草的分布特征，结合丰富度指数、蓄积量方程、概率密度函数等可有效评估林分物种丰富度、林分生物量和林分生产力[11]。

仅从林草植被的非空间结构分析难以对林分作出整体性评估，空间信息的补充可有助于全面理解其结构特征。因此，解析林草植被空间结构已成为林草结构调控的重要步骤，学者们主要从林分空间分布格局、大小分化度及树种空间隔离度三个方面分析，同时也有学者引入了竞争指数和林木均质指数等空间参数[12]。空间分布格局可以表征林木间的相互关系，评估指标主要包括聚集指数、精确最近邻体法、平均拥挤度和角尺度等，实际应用最广泛的指标是角尺度，通过测量相邻树木与参照树的角度大小来反映林木分布格局，并且有学者构建了角尺度评价体系以判断林分本身的分布均匀性[13]。

惠刚盈[10]通过量化参照树与邻近树之间的关系，提出了大小比数指标，可以更为完善地表述林木树高、胸径、冠幅等在林分空间结构中的优势程度，也是林木竞争关系的一种反映。空间隔离程度表征了参照树与邻近树之间的空间配置关系，而常用的树种多样性仅表示林分中树种丰富程度，混交比则难以表述林木间的隔离程度。汤孟平等[14]提出了在物种多样性中使用混交度的理念，提升了树种差异程度分析的准确性。

笔者结合相关研究分析[15-17]总结出黄土高原林草植被结构主要存在以下问题：①林分非空间结构不合理，表现为种植树种单一、部分人工林种植未选用乡土树种、林分密度较大且基本为同龄林，导致资源分配不均，难以满足林分的正常生长发育；②林分空间结构布局不合理，表现为种植模式横平竖直，林分空间分布不均，且后期用材林改公益林后缺乏林分调控管理措施，难以形成混交、异龄、复层、可自然更新的近自然森林系统；③林下生物多样性较低，且稳定性较差，表现为造林时多数林下灌木和草本遭到去除，且部分人工林建设选用了高耗水、高耗养分的植物，导致林下灌木和草本难以生长。以上问题严重制约了区域生态环境的改善和水资源的优化利用，导致了土壤干化甚至整个生态系统失衡，因此急需开展黄土高原林草植被结构优化调控的相关工作。

2 水源涵养功能作用机制及功能评价

2.1 水源涵养功能作用机制

森林水源涵养功能是指森林生态系统参与流域水文循环，保持水分、调节水文过程并产生生态效益的能力。通过探究水分在物质、能量及水质等相统一的生态水文系統循环中的动态规律，可明晰生态系统对水循环作用机制的影响，阐明不同森林作用层的水分再分配过程，最终综合量化或评估森林水源涵养功能的作用机制。森林水源涵养生态系统由上到下可划分为林冠层、灌草层、枯落物层和土壤层。

2.1.1 林冠层

作为森林生态系统水文效应的第一活动层，林冠层对降雨的分配作用至关重要，表现为直接影响林内降雨量、降雨强度和降雨时空分布。由于不同林分结构的林冠截留率不同（黄土高原地区的林冠截留率主要在11.4%～39.6%之间），且变异程度较大，因此该部分水量在森林生态系统水分平衡和循环中起着重要作用[18]。同时，林冠截留功能的影响机制也引起许多学者的关注，已知得到验证的影响因素主要包括降雨强度、前期降雨、风速、林冠蒸发能力及林分结构特征等[19]。目前林冠截留量估算模型的优化和改进仍是研究的重难点，多数经验、半经验公式仅适用于所在研究区，并且未全面考虑林冠截留作用的影响因素，导致模型效果较差，难以推广[20]。

2.1.2 灌草层

由于黄土高原干旱少雨且黄土难以存蓄水，因此乔灌草、灌草组合的造林模式较为常见。然而，灌草层结构的时空变异性较大，其内部水分的传输和运移难以测算[21]，因此研究灌草层水源涵养作用意义重大。灌草系统以其发达的根系、较大的密度、枝繁叶茂的特点起到截留降雨、减少地表径流的作用，然而这些特点也使灌草截留量难以测量。

2.1.3 枯落物层

枯落物层在维持生态水文循环、水分运动和物质能量流动方面发挥着极其重要的作用[22]。枯落物的厚度、组成成分、蓄积量、分解速率等均影响着其持水能力和最大持水量。相关研究表明，不同的植被类型、林龄、密度、立地条件等，枯落物结构和组成成分存在显著差异，导致枯落物最大持水量的巨大波动。目前建立的枯落物持水量与降雨量关系主要为经验回归方程，受限于地区和植被类型，难以形成统一规律。

2.1.4 土壤层

土壤层涵养水源功能主要表现在土壤的蓄水能力和渗透能力方面，这主要由土壤性质、土壤类型决定。通过入渗和蓄水能显著减少地表径流，起到削减洪峰的作用，同时阻滞和延缓产流过程，提升水质，促进水分在时空上的分配和再分配[23]。土壤的密度、孔隙结构、机械组成、团粒性质、导水率等决定了土壤的渗透性能，而渗透性能影响着土壤水土保持能力。但是土壤入渗过程难以有效界定，土壤水分运动方程难以解析。由于土壤渗透性能解析的复杂性、受多种因素影响的多变性，因此入渗模型的修正和入渗方程的求解仍是土壤入渗研究的未来发展方向。

2.2 水源涵养功能评价

为改善黄土高原水源涵养状况，提升森林生态系统蓄水能力，实现水源涵养功能最大化，应确定典型林地水源涵养量，识别和筛选影响水源涵养功能的主要因子，从而构建水源涵养功能评价体系。如图1所示，目前水源涵养功能评价方式主要分为两种，即：计算水源涵养量进行定量分析，以评估不同生态系统水源涵养能力；以及从4个作用层（林冠层、灌草层、枯落物层和土壤层）提取相应指标构建基于综合评价模型的水源涵养功能评价体系，从而为不同生态系统水源涵养能力赋值评估。

计算水源涵养量的方法主要有9种，包括水量平衡法、降水储存量法、林冠截留剩余量法、土壤蓄水量法、年径流量法、地下径流增长法、综合蓄水能力法、多因子回归法及模型分析法。这些方法均得到了广泛应用和验证[24]，具有一定的可行性和科学性，然而由于研究区气候、地形、林草群落类型的差异，因此应根据计算方法的特点选取合适的方法。对于大尺度下生态系统水源涵养量的计算，需结合水文模型从而精确、合理地计算水源涵养量。目前运用最广泛的是InVEST模型，在空间格局综合评估水源涵养量中具有数据易于获取和操作简单的优势。相关研究都对水源涵养功能进行了定量评估。

单独对任何一个作用层的指标进行评价都难以表明森林生态系统水源涵养能力的强弱，因此国内外学者开发了众多综合评价方法。综合评价方法较为复杂，应根据研究区气候条件和林草结构特征选取评价指标，然后通过综合评价方法对水源涵养能力进行得分对比和分级评价。目前主要的方法有专家打分法、熵权法、模糊物元模型、层次分析法、主成分分析法、最大模糊熵原则等[15]。专家打分法通过咨询和总结相关领域专家对评价对象的主观判断和经验赋分，具有较强主观性；熵权法采用熵权确定指标权重，并对评价指标进行加权计算得到综合得分；层次分析法需要结合专家打分，基于各指标得分情况进行量化分析，从而获得较为客观的权重系数，最终得到综合得分；最大模糊熵原则是基于层次分析法和模糊数学法而提出的定量、定性相结合的方法；主成分分析法可以降低维数，解析各个指标间的相关关系，通过筛选出几个主成分来揭示多个变量间的内部结构，并重新组合为几个线性方程，最终得到综合得分；模糊物元模型基于水源涵养指标的实测数据，采用欧氏贴近度计算不同生态系统的欧氏贴近度，从而判断水源涵养能力强弱。

3 黄土高原林草植被结构与水源涵养功能耦合机制

根据相关研究得知，水源涵养能力主要受下垫面情况、降雨和蒸发等因素影响，而从可调控和经营角度来看，良好的林草植被结构可以稳定发挥水源涵养功能，因此林草植被结构对水源涵养功能影响机制的研究愈发受到重视。通过对黄土高原林草植被结构与水源涵养功能耦合机制研究，可掌握两者的相互关系和产生机制，指导以水源涵养功能为导向的人工林植被配置和合理经营，从而达到调控水文过程、提升流域产流水平、改善区域水文条件的目的[25]。

3.1 林草植被非空间结构对水源涵养功能的影响机制

国内外有关林草植被非空间结构对水源涵养功能影响机制的研究较多且成果丰富。目前关于树种配置方面的研究结果较为一致，均表明乡土速生树种具有较好的适应性、成活率，其生态效益和经济效益显著，应优先被选用。同时，林草植被配置应避免纯林造林模式，这是由于其稳定性和生物多样性较低，不利于水源涵养功能发挥效益。李金良等[26]发现林分结构越复杂，稳定性越高，水源涵养能力越强。在林龄结构方面，研究表明水源涵养能力随林龄增大而提高。有关林分密度对水源涵养能力的影响机制，不同学者的研究结果不同，王永安[27]认为森林水源涵养功能大小是由森林密集程度决定的，而其他研究则提出了应根据立地条件等将林分调整至合理密度，才能使水源涵养功能发挥最大效益[28]。侯贵荣[5]探讨了晋西黄土区刺槐林叶面积指数、树高、胸径、郁闭度、冠幅等因素对水源涵养功能的影响，表明不同的林分结构因子重要程度不同，在进行林分结构调控时应对各因子进行识别、筛选和分类分级。

3.2 林草植被空间结构对水源涵养功能的影响机制

林木间的空间位置与林分的结构和功能关系密切，林木的分布、生长规律取决于林木之间的竞争势态及其空间生态位。林分空间结构对林木分布的影响，间接影响着林冠层发展、林下灌草发育和枯落物蓄积量，从而影响土壤的理化性质和根系的分布，这也直接决定了森林生态系统的水源涵养能力，因此探讨林分空间结构对水源涵养功能的影响机制具有重要意义。目前国内外学者对林分结构与水源涵养功能的耦合机制研究一般以构建水源涵养功能评价体系和研究林分非空间结构与功能的影响机制为主，也有相关研究利用模型评估林分空间结构和非空间结构与水源涵养的反馈作用，然而根据林分空间结构因子对林分水源涵养效果进行评价的研究较少，尚不清楚各个林分空间结构因子与水源涵养功能的相互关系和互馈机制。

3.3 流域尺度上的林草植被结构与水源涵养功能耦合机制

为了阐述林分尺度上林分结构对水源涵养功能影响的规律，需要大量繁复的样地调查、监测和试验数据，然而这难以应用于规模化造林规划和林分管理中，因此有必要结合新技术、新理念、新方法揭示流域尺度上的林草植被结构与水源涵养功能的耦合机制。随着技术手段不断提高，一些研究通过遥感卫星、无人机等获取高分辨率遥感影像，掌握研究区域森林资源分布情况，并通过遥感图像解译的方式获得林分结构信息。如：刘宥延等[29]通过InVEST模型解析来源于地面监测和地理空间数据云的影像数据，评估了黄土高原水源涵养功能及其空间分布特征；汪晓珍等[30]基于CASA、InVEST和RUSLE模型分析了黄土高原水源涵养、土壤保持等生态服务功能的时空分布特征，并提出了生态系统可持续管理方面的建议，即在土地规划过程中考虑生态系统服务之间的相互关系，尽可能减少权衡，增加协同。然而这种评估流域尺度上林分結构与水源涵养功能关系的方法虽可以为区域的森林资源配置提供一定的决策依据，但由于林分结构的复杂性和难以预测性，还远未达到实际林业生产和经营活动的要求。

4 以水源涵养功能为导向的林草植被结构优化调控

以水源涵养功能为导向的林草结构优化调控研究始于对人工林树种的筛选及林分非空间结构优化调整等方面的研究[31-32]。研究者结合黄土高原自然条件和造林实际情况，对单一树种配置和多种混交配置进行了对比研究，采用了乔、灌、草结合和针阔混交的配置模式，最终发现水源涵养效果最好的是基于适地适树原则的异龄复层针阔混交天然林，其有效避免了单一树种、简单结构、不合理树种组成造成的林分退化、病虫鼠害等问题。同时，林分密度、胸径、树高、森林覆盖率等对水源涵养功能的影响机制也得到进一步探讨，并因此构建了以密度调控为理论基础的经营措施，对人工林的科学经营具有指导意义。在此基础上，相关学者又提出通过合理的抚育间伐措施来改善林分结构，弥补了密度调控理论在具体实践中难以应用的缺陷。然而确定密度和抚育间伐措施仅为人工林调控提供了思路和方向，大部分研究提出的典型林分合理密度调控措施难以在实际林业生产中应用，或者仅笼统提出择伐一定数量长势较差、不健康、稳定性较低的林木，难以给出具体的调控技术和确切的择伐更新对象。因此，对林分空间结构的优化调控技术研究同样至关重要。目前常用的方法是采用目标量化函数计算林木的均质性指数，根据林木均质性指数大小来判定是否为择伐木，再按照林分经营原则选择具体的调控措施。总体上看，国内外学者提出的林分结构模式主要是由单一乔木向乔灌草相结合方向发展，从单层次纯林向多层次混交林方向发展，在林龄分布上由同龄林木向多元化异龄林方向发展，在造林密度上由高密度或低密度向合理密度方向发展。

4.1 植物选择与配置

树是构成森林空间结构的基本要素，合理进行树种选择和配置有利于林木自身更新和森林生态系统的健康，因此树种选择及其配置工作是人工林建设和改造的基础工作[33]。不同的树种组成和配置方式导致森林生态系统水源涵养功能存在显著差异，因此低效人工林改造工作应根据可持续原则和近自然经营原则进行树种选择和配置。研究表明，多树种、多层次、多元化的复层异龄混交林林分空间复杂、物种多样性丰富、林分稳定性高，在实际林业生产植被配置中应优先考虑。黄土高原地区水土保持植物配置主要是基于气候带与植被带的对应关系、小流域地形小气候特征与植物措施配置、小流域植物措施的对位配置，以及水分条件下的植被地带性分布等研究进行的，同时根据适地适树原则尽量选择乡土树种，并对不同植被配置的林分与纯林开展健康、稳定性及生态功能评价，筛选出树种配置最优组合类型。

4.2 林分密度确定

林分密度是影响林木生长、生物量、蓄积量、土壤性质和生态功能等的重要因子，林分密度通过调节林内光、水、肥、热等环境资源的配置，影响着林木本身及林下植被群落的组成和结构特征，同时也影响着枯落物和土壤层的水分运移和养分输出，因而林分密度的确定是林草结构优化调控的核心。适宜的密度是林分形成合理结构及发挥高效功能的基础。在黄土高原地区，土壤水分不足是限制林木正常生长发育及水土保持效益发挥的主要原因，确定适宜的林分密度有助于降低和缓解植被对深层土壤水分的消耗，促进植被的良性发展和森林生态的恢复。因此，合理利用水分科学调控造林密度，深入研究林木水分消耗与生产力的关系，提高经济效益和生态效益，是黄土高原地区人工造林和经营管理的关键。目前关于林分密度调控的研究较多，常用的方法是通过水资源承载力计算合理密度，量化模型包括经典承载力模型、种群增长通用模型、密度-土壤水分模型和基于物理过程的土壤水分植被承载力确定模型[34]。同时，相关学者引入了密度效应模型确定林分密度，其中应用最为广泛的是密度效应倒数模型，该模型通过解析林分中单个林木的个体大小，以及该林分在单位面积上的总收获量与林分密度之间的关系来确定林分的合理密度[35]。未来在水源涵养林结构配置研究中，根据研究目标和技术水平合理确定林分密度是充分发挥林分水源涵养功能的重要保障。

4.3 调控目标确定

林草植被结构优化调控的前提就是调控目标的确定，只有确定调控目标林木，才能更为精确地进行抚育和择伐、补植等经营措施。首先根据空间结构参数进行特征分析，通过建立Voronoi图来确定结构单元，并进行边缘矫正及相关空间结构参数分析；然后进行林草空间结构优化，通过使用目标量化函数确定均质性指数，并根据不同地区的特点进行约束性分析。目前调控目标确定方法仅适用于样地、样方等小规模的林分改造，对于区域尺度的多变地形、多林分类型的调控尚需进一步研究。

目前，大多数林草植被调控研究提出了适用于不同气候区、不同立地条件和不同森林类型的林草植被选育和配置模式，并从土壤水分承载力的角度进行了适宜林分密度的研究，但是这些研究都只提出了砍伐、间伐、补植等简单的政策性建议，并未深入探讨具体的实施步骤。同时还有部分研究构建了森林服务功能评价体系，对森林结构配置提出建议，但这些研究方法得出的建议也仅仅停留在政策性上，或者只提出对林草植被结构的宽泛性修正建议（如合理密度、最佳森林覆盖率及混交比等），并未对林草植被结构精准调控进行理论分析和指导，依然没有解决林草植被结构配置的根本问题。

5 讨论

针对黄土高原人工林建设树种单一、林分密度普遍偏大、植被退化严重、综合生态服务功能较低等问题，总结了国内外林草植被结构调控机制的相关研究，从生态系统结构特征分析出发，诊断了各个结構层次的缺陷，解析了生态系统的组织形式和运作机制；通过阐述水源涵养功能作用规律，对比不同水源涵养评价方法的优缺点，对适宜黄土高原的评价体系进行了系统性分析；剖析了不同尺度上林草植被结构与水源涵养功能的耦合机制，为开展森林生态系统整体性管理奠定了基础；集成植物种选择、林分密度确定与调控目标锚定等调控措施，为以水源涵养功能为导向的林草结构优化调控提供了思路和依据。

未来的研究可以在生态功能评价方面进一步拓展，将固碳与提升生物多样性保护和游憩景观功能等纳入评价体系，使林草结构调控技术研究从单一的水源涵养功能目标逐渐向多功能目标转变；此外，黄土高原不同类型区的自然禀赋和环境条件差异显著，其林草植被调控模式呈现多样化特征，未来需要按照分区进一步阐述林草结构优化调控模式及技术；同时针对不同尺度上林草结构优化调控技术不完善的问题，需要探索不同尺度水平的耦合机制及转换模式，创新黄土高原林草植被结构优化调控方法，为黄河流域水土保持高质量发展提供理论支撑。

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收稿日期： 2023-05-11

基金项目： 黄河勘测规划设计研究院有限公司自主研究开发项目（2021KY052）

第一作者： 王晶（1981—），男，山西运城人，正高级工程师，博士，主要从事水土保持规划设计管理工作。

E-mail： wangjing@yrec.cn

（责任编辑 徐素霞）