摘要：论文阐述了植物生理数学模型在对森林的水文气候效应的研究中所能起和应起的作用。从树木的多年生习性和宜林山地的复杂地形等因素论证植物生理数学模型对制订造林优化方案、乔灌草关系等方面所起的作用。论述了植物生理模型与土壤模型、微气象之间结合的必要性。

关键词：植物生理；模型；模拟；森林；水文；气候

中图分类号：Q947;S715.7

文献标识码：A

文章编号：1000-3037(2001)05-0445-06

1 植物生长数学模拟的意义与价值

1.1 农田对比实验的局限性

　　农业上多年来以不同品种、施肥量和栽培措施的组合在田间设置对比试验，每个处理重复若干次，最后将得到的产量及其组成因子做统计分析，已成为标准做法。Fisher 发展起来的统计分析方法和近年来计算机的普及，又使得数据的分析处理变得十分快捷。但因为这种做法没有建筑在植物生理过程（包括物理与化学过程）的理论基础之上，所得的经验关系在应用时缺少预见性。常遇到的复杂因素有以下几个。

1.1.1 立地特点的差异

　　土壤的机械组成、化学成分、厚度等都影响根系生长和可以得到的水分与营养元素的数量。而坡度、朝向等差异在林业上特别突出。

1.1.2 气象条件的年度间变异

　　它使得一年中的田间实验的比结果不能全面代表该地区多年的情况，因而必须连续重复试验若干年，然后对所得结果做统计分析。但是在我国处于季风带、气候变量（特别是降水量）年际变异较大的地区，3～5 年的实验代表性仍嫌不够。气候的全球变化更使得单用实验方法（即使进行多年）所得结果也不能向未来外推。而使用植物生长过程的数学模拟，则既可以调用多年的数据，也可以将代表未来气候条件的数据代入模拟程序，在短时间内计算出产量预测值。

1.1.3 农业处理组合的选择

对于农作物，可采取的农业措施种类很多，如灌溉水量、肥料施用量、栽植密度、播种期、打顶等，　其可能的组合数目更大。而对于林业，　虽然通常施肥、灌水等措施较农田简单，但森林与灌木、草类的结合方式种类繁多；山地地形复杂，要对不同立地条件安排对比实验，其数量将大得惊人。

1.1.4 各因素之间关系的复杂性

在对实验数据做统计分析时，如果不了解或不追究各因素之间的函数关系的确切性质，而套用常见的函数关系（如线性方程、多项式方程等）和简单地以因素之间的乘积等来代表不同因素之间的交互作用，则所得结果带有很大的经验性，其中的参数也只能反映做试验时特定条件下的情况，而不能用于条件相差较大的情况。

1.1.5 经济因素的考虑

多年来，很多农业丰产实验只追求某一种或几种产量最高的组合。而从经济上考虑，这种组合虽然产量高一些，但是肥料、劳力的投入却高很多，经济上不合算。因而需要有反映产量随投入变化的生产曲线，所需要的试验组合的数目会更高。此外，森林对水文和气候影响造成的得与失，又不是可以单就当地的得失来计算的。所有这些因素都要求在已经掌握的植物生理过程的数量规律的基础上，利用计算机模拟各种可能与便利，重演植物各种生理活动，预见不同处理组合下植物的行为，寻找最有利的处理组合。

1.2 林业问题的特殊性

　　树木与一年生农作物同样受环境条件（立地条件、土壤的物理化学性质、气候类型）的影响，但是它又有一些与后者不同之处。它们既使得对计算机模拟的需要更为迫切，也给模拟工作提出一些特殊的问题。

1.2.1 树木植株高大与多年生习性带来的问题

　　一年生作物植株较小，如稻麦等作物一二十平方米的小区就包括了成千棵植株，足够统计之用。而树木植株高大，小区也要大得多。树木是多年生植物，其水文气候效应、收获与利用要在多年生长之后。这与一年生作物有两方面不同：有利处是某一年中某些气象因素的偏高或偏低，会被其它年份的随机偏离所冲淡。较厚土层的蓄水能力可对降水量年际间变异起调节作用，这缩小了受个别年份气象因素偏离平均值造成的影响；不利处是一年中遇到森林大火之类的毁灭性灾害，其损失又比一年生作物大。

1.2.2 土壤水分供求关系的复杂性

　　森林多数分布在山区。山坡的朝向不同，太阳辐照量和受风情况大不相同，其光合产物形成量和水分消耗量都会不同；气温随高度上升而下降，生长耗水、蒸腾耗水都随之而变；降在坡面高处的水会向低处流，有效的水供应量高处与低处不等；土层厚薄不等，储水量也不等。在黄土高原，土层较深而年降水偏少，土层中水分可供深根性树木维持几年。以后水分耗尽，树木停止生长，甚至死亡。因而根据少数年份表现来判断，会有失误。

1.2.3 生态效应的考虑

　　农作物因为每季有播种与收割的操作，在坡地种植对生态的不利作用很大。多年来在很多生态脆弱地区毁林、毁草开荒，造成土壤侵蚀（水蚀与风蚀）严重。这几年从中央到地方都认识到生态保护的重要性，提出“弃耕还林”、“弃耕还草”、“宜林则林、宜草则草、宜农则农”等口号。但是究竟怎样判断是宜林还是宜草和宜种哪些林或草，都是复杂问题。曾经有一篇讲华南山地要大力发展林业的文章，在说了华南山地多雨、坡陡，应该种林以保护水土之后，说树在种下去以后的管理措施主要是两条：“一是松土，二是除草”。这样做会把植树造林的保护水土的作用全部抵消而有余。

　　林业操作虽然不像在农田中那样频繁，因而对土壤干扰较少，但是树木生长主要在坡地，有些林地坡面很陡，生态条件比平原、缓坡或梯田脆弱。为了避免皆伐造成的水土流失，宜采用间伐方式，采伐一批，补种一批，逐步替代，以提高生态效益。但是这样做时，　因成年树与幼树所处环境不同，其情况比一年生农作物那样同一种植物同时生长的情况要复杂得多。乔灌草混合生长时，不同物种特性和所处地位不同，也给植物生长量与耗水量的计算增加了复杂性。“退耕还林”的意义在于减少水土流失，它往往不是当年见效，而且还影响河流下游，不能单就当地收益的大小来考虑。

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