辽宁仙人洞国家级自然保护区森林生态服务物质量评估及权衡与协同

李连强; 杨会侠; 丁国泉; 李虹谕; 白荣芬; 王品

doi:10.12171/j.1000-1522.20220055

辽宁仙人洞国家级自然保护区森林生态服务物质量评估及权衡与协同

辽宁省森林经营研究所，辽宁辽东半岛森林生态系统国家定位观测研究站，辽宁丹东 118003

基金项目: 辽宁省农业绿色发展科技创新专项（2021HQ1915）。

详细信息

作者简介:
李连强，中级工程师。主要研究方向：森林生态学。Email：1164629835@qq.com　地址：118003 辽宁省丹东市元宝区金山镇新建街600号

责任作者:
杨会侠，正高级工程师。主要研究方向：森林生态学。Email：yhx-s@163.com　地址：同上。

中图分类号: S718.5
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出版历程
- 收稿日期: 2022-02-08
- 修回日期: 2022-07-16
- 录用日期: 2023-08-23
- 网络出版日期: 2023-08-25
- 发布日期: 2023-09-24

Material quality assessment and trade-off synergies of forest ecological service in Xianrendong National Nature Reserve, Liaoning Province of northeastern China

Liaoning Research Institute of Forest Management, Liaodong Peninsula Forest Ecosystem National Observation and Research Station in Liaoning, Dandong 118003, Liaoning, China

摘要

摘要:
目的摸清辽宁省仙人洞国家级自然保护区森林生态系统服务功能底数，能够有效提高区域环境质量，增强区域生态服务功能。
方法以自然保护区主要森林生态系统为研究对象，根据辽宁辽东半岛森林生态系统国家定位观测研究站2018年实测数据和森林规划调查数据，采用模型量化、分布式测算、相关分析等方法，选择支持、调节和供给3大服务6个功能类别，研究了自然保护区森林生态服务的物质量及权衡与协同作用。
结果（1）森林生态服务物质量：支持服务644.42 × 10³ t/a，包含保育土壤量644.10 × 10³ t/a、林木养分积累量323.85 t/a；调节服务41.61 × 10³ t/a，包括固碳释氧量40.16 × 10³ t/a、大气净化量1 454.87 t/a；供给服务中，提供水源量148.27 × 10⁷ m³/a、供给负氧离子量274.97 × 10²⁰个/a；表现为：保育土壤量 > 固碳释氧量 > 大气净化量> 林木养分积累量。（2）各评价指标物质量：森林保育土壤中，固土量555.15 × 10³ t/a，保肥量88.95 × 10³ t/a；森林积累营养量为氮固持（291.02 t/a） > 钾固持（25.33 t/a） > 磷固持（7.50 t/a）；森林吸收碳28.56 × 10³ t/a、释放氧11.60 × 10³ t/a；森林吸收气体污染物量为二氧化硫（817.50 t/a） > 氮氧化物（255.80 t/a） > 氟化物（242.00 t/a），阻滞TSP、PM₁₀和PM_2.5分别为82.3、46.7和10.6 t/a。（3）优势树种（组）生态服务物质量前三的树种（组）有天然次生栎类林、赤松林和落叶松林，生态服务物质量与林分面积、蓄积量有显著协同性（r > 0，P < 0.05），与胸径、树高和郁闭度为协同作用（r > 0）。（4）保护区行政村生态服务物质量是管理局最高，而三架山村最低；支持与调节服务存在权衡作用（r < 0），支持与供给服务存在协同作用（r > 0），调节与供给服务同时存在协同和权衡作用。
结论保护区森林生态系统的保育土壤、固碳释氧、提供水源和供给负氧离子服务量突出；森林面积和蓄积量对生态服务物质量起重要作用；生态服务之间普遍存在协同和权衡作用。空间上，封山育林、防止林业用地流失；林分上，保护珍稀树种，增加树种类型，促进林分更新演替，就地保护和植树造林相结合；多措并举、遵循自然规律是提高生态服务的有效措施。
- 辽宁仙人洞国家级自然保护区 /
- 森林生态服务功能 /
- 物质量 /
- 协同与权衡
Abstract:
Objective The purpose of this study was to clarify the material quality of forest ecological multi-functions in Xianrendong National Nature Reserve in Liaoning Province of northeastern China, which can effectively improve the regional environmental quality and enhance the regional ecological service function.
Method Taking the forest ecosystem in the nature reserve as the research object, according to the 2018 observation data of the Liaodong Peninsula Forest Ecosystem National Observation and Research Station in Liaoning and survey data of the forests, using the methods of model quantification, distributed calculation and correlation analysis, three major service categories and six functional categories of support, regulation and supply were selected to study the material quality of forest ecological services in nature reserves and their trade-offs and synergies.
Result (1) The material quantity of forest ecological service function was as follows: support service 644.42 × 10³ t/year, including conservation soil volume 644.10 × 10³ t/year, tree nutrient accumulation 323.85 t/year. Regulation service 41.61 × 10³ t/year, including carbon sequestration and oxygen release of 40.16 × 10³ t/year, and the air purification amount of 1 454.87 t/year. Among the material amount of the supply service, the amount of water supply was 148.27 × 10⁷ m³/year, and the amount of negative ions supplied was 274.97 × 10²⁰ year⁻¹, showing as soil conservation > carbon fixation and oxygen release > air purification > forest nutrient fixation. (2) Substances of each evaluation index: the amount of forest conservation soil was 555.15 × 10³ t/year for soil consolidation and 88.95 × 10³ t/year for fertilizer retention; the accumulation of nutrients in forests was in the order of nitrogen retention (291.02 t/year) > potassium retention (25.33 t/year) > phosphorus retention (7.50 t/year); forest absorb carbon of 28.56 × 10³ t/year and release oxygen of 11.60 × 10³t/year; forest absorb gas pollutants from large to small was sulfur dioxide (817.50 t/year) > nitrogen oxidation compound (255.80 t/year) > fluoride (242.00 t/year), blocking TSP, PM₁₀ and PM_2.5 were 82.3 t/year, 46.7 t/year and 10.6 t/year, respectively. (3) The dominant tree species (groups) with larger amounts of ecological service function substances included natural secondary oak forests, red pine forests and larch forests. The material quality of service function was significantly positively correlated with stand area and stock volume (r > 0, P < 0.05), and positively correlated with DBH, tree height and canopy density (r > 0). (4) The quality of ecological service functions in the administrative division of the protected area was the highest in the administrative department, while the lowest in Sanjiashan Village; there was a trade-off between support and adjustment services, synergy between support and supply services, and synergy and trade-off between adjustment and supply services.
Conclusion The forest ecosystem has outstanding quality of soil conservation, carbon sequestration and nutrient release, water supply and negative oxygen ion supply. Forest area and stock volume play an important role in the quality of ecological service. Synergies and trade-offs are common among ecological services. In terms of space, closing mountains for afforestation and preventing the loss of forestry land; on the stand, protect rare tree species, increase tree species types, promote forest regeneration and succession, and combine on-site protection with afforestation. Taking multiple measures and following natural laws is an effective measure to improve ecological services.
- Xianrendong National Nature Reserve in Liaoning Province /
- forest ecosystem service function /
- material quality /
- trade-offs and synergies

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现如今城市居住空间紧张，小户型的比例在逐渐加大。中国政府出台规定建筑面积90平方米以下户型占比必须达到70%以上^[1]，这预示着更多的家庭面临功能空间不足的情况，就有大量家庭有一房两用的需求，即一个房间除了卧室的主要功能外，还可通过功能家具实现客厅或书房等功能，而其中翻转床则是实现睡眠–休闲、学习空间转换的功能家具的典型代表产品。

虽然翻转床有着可观的市场需求，但对于其力学性能的检测还是依赖整体破坏性试验为主要手段，目前其设计和分析尚缺乏科学的理论指导^[2]。20世纪90年代气弹簧作为新型支撑出现，张琦等^[3]对气弹簧的力学性能进行了计算分析；王殿武^[4]研究了气弹簧力学特性并将其运用到汽车尾盖上；刘迎林等^[5]对全塑车身后备箱气撑杆进行运动仿真并验证其安装位置；王定虎^[6]运用力矩平衡原理和理想气体方程对汽车背门撑杆的选择及布置进行校核。截止目前，气弹簧的研究主要集中在汽车领域，而鲜有在家具领域内的研究，为了弥补翻转床气弹簧机构设计和性能分析的理论欠缺，本文从实际应用需求出发，运用静力学和力矩平衡原理对气弹簧机构进行结构分析计算和选型。

1. 研究方法

1.1 翻转床气弹簧机构概况

翻转床床体翻转的目的是实现床体的收纳，以便满足房间睡眠–休闲、学习空间转换的用户功能需求。根据使用场景分析，翻转床运动功能示意图如图1所示。因为翻转床的床体框架、床板、床垫和床上用品等零部件加起来质量较大，如仅凭借人手部力量支撑则翻转困难，且在操作过程中存在砸到人的风险，所以实际翻转床产品均需要借助辅助结构实现翻转和随停的功能。由于气弹簧具有支撑、缓冲的作用，因此恰好适用于翻转床的运动功能需求。

图 1 床体翻转功能示意图

Figure 1. Diagram of turnover function of foldable bed

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壁柜式翻转床的翻转功能主要由气弹簧机构实现，分析翻转床的运动本质就是分析气弹簧机构。壁柜式翻转床结构和气弹簧机构简图如图2所示，翻转床左右两侧具有相同连杆结构，其中A点为翻转床的翻转中心，由螺栓将床体翻转框架和固定柜体铰接；BC为气弹簧，气弹簧两端分别和固定柜体及床体翻转框架铰接；床体翻转存在两个极限状态，即收纳状态（图2a）和使用状态（图2b），处于收纳状态时气弹簧处在伸展状态，即B₁C，处于使用状态时气弹簧处在压缩状态，即BC。

图 2 翻转床结构和气弹簧机构简图

1. 固定柜体；2. 气弹簧；3. 床体翻转框架；A. 翻转中心；B. 气弹簧压缩末端；B₁. 气弹簧伸展末端；C. 气弹簧固定端; l. A点到床头距离。 1, fixed cabinet; 2, gas spring; 3, rotate frame; A, rotation center; B, compression end of gas spring; B₁, stretching end of gas spring; C, fixed end of gas spring; l, the distance from A point to the head of the bed.

Figure 2. Diagram of foldable bed structure and gas spring mechanism

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1.2 气弹簧计算方法

根据国家标准GB 25751—2010压缩气弹簧技术条件、GB/T 1805—2001弹簧术语和JB/T 10418—2004气弹簧设计计算为依据，对气弹簧特性进行研究。对极限位置的床体进行平面力系的简化，并结合力矩平衡原理对床体和气弹簧机构进行受力分析。运用有限元的优化思路对气弹簧安装位置进行列表格寻最优解。运用静力学知识分析床体运动规律。

2. 结果与分析

2.1 气弹簧机构分析计算和选型

如图2所示，翻转床在收纳时气弹簧处于伸展过程，气弹簧的伸展力辅助床体的上翻过程。床体完全收纳进柜体时，此时床体重力矢量经过翻转中心A，在无外力情况下床体静止不动。翻转床展开过程中气弹簧处于压缩过程，气弹簧的压缩力为床体下翻过程提供缓冲力。

图3为气弹簧展开长度与压缩、伸展过程曲线示意图，其中F₁为最小伸展力，F₂为最大伸展力，F₃为最小压缩力，F₄为最大压缩力，S为气弹簧的行程，t为端头长度，结合图2气弹簧初始长度BC = S + t，展开长度L = B₁C = S + t + S = 2S + t，t的取值一般为10 mm。

图 3 气弹簧展开长度与压缩、伸展过程曲线示意图

d. 活塞杆直径；D₁. 缸筒内径；D₂. 缸筒外径；S. 行程；L. 伸展长度；t. 端头长度；F₀. 启动力；F₁. 最小伸展力；F₂. 最大伸展力；F₃. 最小压缩力；F₄. 最大压缩力；Fa. 公称力a；F_b. 公称力b；C. 采力点。图引自文献[7]。d, piston rod diameter; D₁, cylinder inner diameter; D₂, cylinder outer diameter; S, stroke; L, extended length; t, end length; F₀, star-up force; F₁, minimum extension force; F₂, maximum extension force; F₃, minimum compress force; F₄, maximum compress force; Fa, nominal force a; F_b, nominal force b; C, measuring point. Diagram is cited from reference [7].

Figure 3. Diagram of expansion length of gas spring and curve of compression and stretching process

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气弹簧的选型需要的参数为气弹簧的伸展长度L和行程S以及气弹簧最小伸展力F₁^[8]。现以翻转床两个极限位置进行受力分析。使用状态下，当人手抬起床的边沿时以A点为旋转中心，能够将床体抬起。此时受力分析如图4所示。

图 4 使用状态手抬床体时床体受力分析简图

A. 翻转中心；B. 气弹簧压缩末端；C. 气弹簧固定端；F₂. 气弹簧最大伸展力；G₁. A点左侧床体质量与重力加速度之积；G₂. A点右侧床体质量与重力加速度之积；F_Ax. A点沿x轴方向分力；F_Ay. A点沿y轴方向分力；l. A点到床头距离；F_L. 手对床体的抬力；A, rotation center；B, compression end of gas spring；C, fixed end of gas spring；F₂, maximum extension force；G₁, bed weight on the left side of point A；G₂, bed weight on the right side of point A；F_Ax, x component of point A；F_Ay, y component of point A；l, A point to the head of the bed；F_L, hand lift on the bed.

Figure 4. Diagram of foldable bed force analysis when hand up the bed in using state

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由力矩平衡可得：

$x{F_2}l + {G_1} \frac{l}{2} - {G_2} \frac{{L_{\rm{B}} - l}}{2} + {F_{\rm{L}}}\left( {L_{\rm{B}} - l} \right) = 0$

(1)

式中：F₂为气弹簧最大伸展力，单位N；x为气弹簧个数；F_L为手对床体的抬力，单位N；L_B为床体总长，单位mm；G₁为A点左侧床体质量与重力加速度之积，单位N；G₂为A点右侧床体质量与重力加速度之积，单位N；l为A点到床头距离，单位mm。

设床体和床垫总质量为m， ${G_1} = \displaystyle\frac{l}{L_{\rm{B}}} m{\rm{g}}$ ， ${G_2} =$ $\displaystyle\frac{{L_{\rm{B}} - l}}{L_{\rm{B}}}m{\rm{g}}$ ，则可将式（1）简化得：

$x{F_2}l - \left( {\frac{L_{\rm{B}}}{2} - l} \right)m{\rm{g}} + {F_{\rm{L}}}\left( {L_{\rm{B}} - l} \right) = 0$

(2)

式中：F₂为气弹簧最大伸展力，单位N；x为气弹簧个数；F_L为手对床体的抬力，单位N；L_B为床体总长，单位mm；l为A点到床头距离，单位mm；m为床体和床垫总质量，单位kg；g为重力加速度，单位N/kg。

收纳状态下，拉手与A、B₁点视作在同一竖直线上。拉动床体时，人手拉动拉手的力矩能够平衡气弹簧对A点的弹力矩，此时受力分析简图如图5所示。

图 5 收纳状态手拉床体时床体受力分析简图

A. 翻转中心；B₁. 气弹簧伸展末端；C. 气弹簧固定端；F_Ax. A点沿x轴方向分力；F_Ay. A点沿y轴方向分力；F₀. 启动力；F₀_x. F₀沿x轴方向分力；F₀_y. F₀沿y轴方向分力；l. A点到床头距离；θ. F₀与垂直方向夹角；F_P. 手对拉手拉力。A, rotation center；B₁, stretching end of gas spring；C, fixed end of gas spring；F_Ax, x component of point A；F_Ay, y component of point A； F₀, star-up force; F₀_x, x component of F₀; F₀_y. y component of F₀; l, A point to the head of the bed; θ, angle of F₀ with vertical direction; F_P, hand pull on the handle.

Figure 5. Diagram of foldable bed force analysis when hand drag the bed in storage state

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因为F₀_y与A点在水平方向上没有距离，所以F₀在y轴方向上的力矩为0。由力矩平衡可得：

$x \left( {{F_{0x}} l + {F_{0y}} \cdot 0} \right) - {F_{\rm{P}}} \left( {{l_{\rm{P}}} - l} \right) = 0$

(3)

式中：F₀为气弹簧启动力，单位N；l_P为拉手高度，单位mm；F_P为手对拉手拉力，单位N；l为A点到床头距离，单位mm；x为气弹簧个数；F₀_x为F₀沿x轴方向分力，单位N；F₀_y为F₀沿y轴方向分力，单位N。

图5中，依据压缩气弹簧技术条件，气弹簧启动力F₀略大于气弹簧最小压缩力F₃，取F₃值近似为F₀值，由三角函数可知：

${F_0} = \frac{{{F_{0x}}}}{{\sin \theta }} = {F_3}$

(4)

式中：θ为F₀与垂直方向夹角，单位°；F₀为气弹簧启动力，单位N；F_0x为F₀沿x轴方向分力，单位N；F₃为气弹簧最小压缩力，单位N。

在符合人机工程的情况下，使l_P尽量大可以加大手拉开床体的力矩，减小手部力量，取l_P = 1 750 mm。依据人机工程学，为使得操作力比较恰当，收纳床体时推荐的操作力范围为50 ~ 80 N^[9]，此处取手对床体的抬力F_L = 80 N，手拉拉手的力F_P = 80 N。

F₁与F₃之间有一段由于摩擦力产生的差值，依据GB25751—2010其计算公式为F_r =（F₃ − F₁）/2，即动态摩擦力F_r是最小压缩力和最小伸展力之差的平均值^[10]。气弹簧摩擦力所产生的阻力与杆的运动方向相反，其与标称力值（图样及产品上标注的力，包括F₁、F_a、 ${F_3} \cdots \cdots$ ）极限偏差应符合下表1的规定。

表 1 标称力值极限偏差与动态摩擦力

Table 1. Nominal force limit deviation and dynamic friction

标称力值 Nominal force	标称力值的极限偏差 Nominal force limit deviation	最大动态摩擦力 Maximum dynamic friction
≤ 100	+ 15 − 5	25
101 ~ 200	+ 20 − 10	30
201 ~ 400	+ 30 − 15	40
401 ~ 600	+ 40 − 20	60
601 ~ 800	+ 50 − 25	80
801 ~ 1 000	+ 60 − 30	100
1 001 ~ 1 200	+ 70 − 35	130
> 1 200	+ 80 − 40	150
注：表1引自文献[7]。Note: Tab.1 is cited from reference [7].

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F₁与F₂的关系可由弹性系数求得。弹性系数k表示的是单位压缩力变化的弹簧常数^[10]，单位为N/mm，行程S的单位是mm。伸展阶段气弹簧弹性系数公式^[11]为：

$k = {\left( {{F_2} - F_1} \right)}/S$

(5)

其中，k的大小可由厂家进行调节，其具体值可通过实验得出。一般商家提供的气弹簧的弹性系数k介于1.05和1.8之间，弹性系数越小意味着制造难度越高。

以市场常见的床体规格为准，此处选取宽900 mm、长1 900 mm、质量为25 kg的床垫。选取匹配的床体框架结构的材质为钢，其质量约为25 kg。刨花板密度为650 kg/m³，则18 mm（厚） × 900 mm（宽） × 1 900 mm（长）的床板质量为20 kg。则床体总重力为：（25 + 25 + 20） × 9.8 = 686 N。如固定柜体目标深度为300 mm，为了保证A、C两点安装位置距离柜体板前后两边有足够的距离保证强度，则取l = 160 mm。

依据式（2），xF₂ = 2 517.1 N，选取气弹簧个数x = 4，则F₂ = 629.3 N。

由图4、图5可知：取l为160 mm时，以B、B₁为圆心，以（S + 10）、（2S + 10）为半径作圆，作交点可得C点安装位置。并结合式（3）、式（4）、表1以及k的计算方程，可将相关参数整理成表2。

表 2 气弹簧相关参数及安装位置与行程S的关系

Table 2. Relationship between gas spring stroke and relevant parameters and installation position

S/mm	θ/°	F₃/N	F_r/N	F₁/N	k
170	18	643.2
180	20	581.1	60	461.1	0.934
190	23	508.0	40	428.0	1.059
200	26	453.4	40	373.4	1.280
注：S为行程；θ为F₀与垂直方向夹角；F₃为最小压缩力；F_r为最大动态摩擦力；F₁为最小伸展力；k为气弹簧弹性系数。表3同此。Notes：S, stroke; θ, angle of F₀ with vertical direction; F₃, minimum compress force; F_r, maximum dynamic friction; F₁, minimum extension force; k, gas spring modulus coefficient. Same as Tab.3.

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由表2可知：θ角越大，k则越大，气弹簧的制作难度越小。为减小安装宽度，选择S为190 mm，F₁ = 428 N作为最小伸展力的气弹簧，则要求厂家提供的气弹簧弹性系数k为1.06。参考表3可知F₁和S的参数符合设计要求。

表 3 气弹簧活塞杆直径与最小伸展力大小选择范围推荐表

Table 3. Recommended table of minimum extension force range and stroke range of gas spring

序号 No.	活塞杆直径 Diameter of piston rod/mm	最小伸展力 Minimum extension force (F₁)/N		行程范围 Stroke range/mm
序号 No.	活塞杆直径 Diameter of piston rod/mm	推荐范围 Recommended range	可选范围 Optional range	行程范围 Stroke range/mm
1	6	50 ~ 250	50 ~ 350	50 ~ 400
2	8	200 ~ 450	100 ~ 700	100 ~ 700
3	10	300 ~ 700	100 ~ 1 200	150 ~ 1 100
4	12	450 ~ 1 000	150 ~ 1 500	150 ~ 1 600
5	14	600 ~ 1 400	200 ~ 2 500	1 600 ~ 2 200
6	20	1 250 ~ 3 100	1 000 ~ 5 200	2 200 ~ 4 500
注：表3引自文献[12]。Note: Tab.3 is cited from reference [12].

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此时C点的安装位置如图6所示，BC = S + 10 = 200 mm，B₁C = 2S + 10 = 390 mm。如果床体总质量加大，可以适当改变固定柜体深度以加大l的取值，使气弹簧机构获得更大的力臂。

图 6 C点安装位置示意图

A. 翻转中心；B. 气弹簧压缩末端；B₁. 气弹簧伸展末端；C. 气弹簧固定端。A, rotation center; B, compression end of gas spring; B₁, stretching end of gas spring; C, fixed end of gas spring.

Figure 6. Diagram of installation location of point C

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2.2 翻转床运动规律分析

翻转床旋转到任意角度时的受力图如图7所示。取气弹簧对床体弹力F_B与矩心A点的力臂为a，G₁与矩心A点的力臂为b，G₂与矩心A点的力臂为c。矩心A点右侧力矩减去左侧合力矩可列式：

图 7 任意位置下床架受力图

A. 翻转中心；B′. 在β旋转角度下的床尾位置；C. 气弹簧固定端；β. 床体翻转框架翻转角度；G₁. A点左侧床体质量与重力加速度之积；G₂. A点右侧床体质量与重力加速度之积；a. F_B对矩心A点的力臂；b. G₁对矩心A点的力臂；c. G₂对矩心A点的力臂。A, rotation center; B′, bed tail position at β rotation angle; C, fixed end of gas spring; β, flip angle of rotate frame; G₁, bed mass on the left side of point A multiply gravity acceleration; G₂, bed mass on the right side of point A multiply gravity acceleration; a, F_B force arm to point A; b, G₁ force arm to point A; c, G₂ force arm to point A.

Figure 7. Diagram of foldable bed force at arbitrary degree

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$\begin{aligned} {M_{\rm{A}}} = & {M_{\rm{A}}}\left( {x {F_{\rm{B}}}} \right) + {M_{\rm{A}}}\left( {{G_1}} \right) - {M_{\rm{A}}}\left( {{G_2}} \right)\\ = & x{F_{\rm{B}}}a + {G_1}b - {G_2}c \end{aligned}$

(6)

式中：M_A为合力对A点的力矩，单位N；x为气弹簧个数；F_B为气弹簧对床体弹力，单位N；G₁为A点左侧床体重力，单位N；G₂为A点右侧床体重力，单位N；a为F_B对矩心A点的力臂，单位mm；b为G₁对矩心A点的力臂，单位mm；c为G₂对矩心A点的力臂，单位mm；M_A（xF_B）为单边气弹簧对A点力矩，单位N·mm；M_A（G₁）为G₁对A点力矩，单位N·mm；M_A（G₂）为G₂对A点力矩，单位N·mm。

气弹簧压缩和伸展两个过程曲线中任意点的值可以用伸展长度和k值求出，在不同旋转角度β下分别量取a、b、c的值代入式（6），并作出β与M_A的关系曲线如图8所示。图8两条曲线为分别代入了弹簧伸展过程力值和压缩过程力值后的曲线。由图 8可知：床体在打开18°以内会弹回收纳状态；18° ~ 24°之间床体可悬停；大于24°以后，A点右侧力矩大于A点左侧合力矩。

图 8 β与M_A关系曲线

M_A. 合力对A点的力矩；β. 床体翻转框架翻转角度。M_A, torque to point A；β, flip angle of rotate frame.

Figure 8. Diagram of β and M_A curve

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3. 结　　论

基于静力学和力矩平衡原理完成了翻转床两个极限位置的受力分析，构建了翻转床气弹簧分析计算理论，运用该理论能够通过翻转床的床身质量和尺寸得到气弹簧的最小伸展力、行程和弹性系数，从而完成气弹簧选型；运用CAD工具做两圆相交的几何法得出气弹簧安装位置的确立方法；基于力矩平衡原理构建合力矩和翻转角度β的关系式，得出翻转床悬停范围。设定床体尺寸宽900 mm、长1 900 m、固定柜体目标深度300 mm，则可得气弹簧最小伸展力为428 N，行程为190 mm，弹性系数为1.06，悬停角度范围为18° ~ 24°，翻转角大于24°后则为自由下翻。本文构建的分析方法和结果可为家具行业的壁柜式翻转床设计、选型和性能分析提供理论支撑和实践指导。

图 1 保护区行政村森林生态功能的物质量分布

FVC.仙人洞村；BYV.冰峪村；LDV.李洞村；IRV.英纳河村；RA.管理局；SJSV.三架山村；MDKV.马道口村；XYV.小峪村。FVC, Fairy Cave Village；BYV, Bingyu Village；LDV, Lidong Village；IRV, Inner River Village；RA, Reserve Authority；SJSV, Sanjiashan Village；MDKV, Madaokou Village；XYV, Xiaoyu Village.

Figure 1. Material distribution of forest ecological functions in the administrative village of the protected area

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表 1 森林生态功能的物质量计算公式

Table 1 Calculation formula of material quality of forest ecological function

服务类别 Service type	功能类别 Function type	指标及计算公式 Index and calculation formula	参数说明 Parameter description
支持服务 Support service	保育土壤 Conserving soil	${G_{{\text{gt}}}}=A \left( {{X_2} - {X_1}} \right)$	G_gt为林分年固土量（t/a）；A为林分面积（hm²）；X₂为无森林土壤侵蚀模数（t/（hm²·a））；X₁为有森林土壤侵蚀模数（t/（hm²·a）） G_gt is the soil consolidation (t/year); A is the forest stand area (ha); X₂ is the soil erosion modulus without forest land (t/(ha·year)); X₁ is the soil erosion modulus with forest land (t/(ha·year))
		${G_{\text{N}}}=A C_{\rm{N}} \left( {{X_2} - {X_1}} \right)$	G_N、G_P、G_K和G_OM分别为林分固持土壤而减少的N、P、K和有机质流失量（t/a）；C_N、C_P、C_K和C_M分别为实测土壤氮磷钾和有机质的含量（%） G_N, G_P, G_K, and G_OM are the retained N, P, K and organic mass of the stand (t/year); C_N, C_P, C_K, C_M are the contents of N, P, K and organic matter in the soil (%)
		${G_{\text{P}}}=A C_{\rm{P}} \left( {{X_2} - {X_1}} \right)$
		${G_{\text{K}}}=A C_{\rm{K}} \left( {{X_2} - {X_1}} \right)$
		${G_{{\text{OM}}}}=A C_{\rm{M}} \left( {{X_2} - {X_1}} \right)$
	林分养分固持 Stand nutrient retention	G_TN $=A {N_{\text{T}}} {B_{\text{y}}}$	G_TN、G_TP、G_TK分别为林分N、P、K的年固持量（t/a）；N_T、P_T、K_T分别为实测林木N、P、K含量（%）；B_y为林分年净生产力（t/（hm²·a）） G_TN, G_TP and G_TK are the holding capacity of forest stand N, P, K (t/year); N_T, P_T, K_T are forest tree N, P, K contents (%); B_y is forest stand net productivity (t/(ha·year))
		G_TP $=A P_{\rm{T}} {B_{\text{y}}}$
		G_TK $=A K_{\rm{T}} {B_{\text{y}}}$
调节服务 Regulation service	固碳释氧 Carbon sequestration and oxygen release	${G_{\text{C}}}={G_{\text{V}}}+{G_{{\text{soil}}}}$ ${G_{\text{V}}}=1.63{R_{\text{C}}} A {B_{\text{y}}}$ ${G_{{\text{soil}}}}=A {S_{{\text{soil}}}}$	G_C、G_V、G_soil分别为林分年固碳、植被年固碳量、土壤年固碳量（t/a）；R_C为CO₂中碳的含量（27.27%）；S_soil为单位面积林分土壤的年固碳量（t/（hm²·a）） G_C, G_V and G_soil are the annual carbon sequestration of forest stands, vegetation, and soil (t/year); R_C is the cabon content in CO₂ (%); S_soil is the soil carbon sequestration per unit area (t/(ha·year))
	固碳释氧 Carbon sequestration and oxygen release	${G_{\text{O}}}{\text{ = 1}}{\text{.19}}A {B_{\text{y}}}$	G_O为林分年氧气释放量（t/a） G_O is the oxygen release (t/year)
	净化大气环境 Purifying the atmosphere environment	${G_{{\text{S}}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}={Q_{{\text{S}}{{\text{O}}_{\text{2}}}}} A \times {10^{ - 3}}$	G_SO2、G_F、G_NOx分别为林分年吸收二氧化硫、氟化物和氮氧化物量（t/a）；Q_SO2、Q_F和Q_NOx分别为单位面积林分吸收二氧化硫、氟化物和氮氧化物量（kg/（hm²·a）） G_SO2, G_F and G_NOx are absorbing the quality of SO₂, fluoride and nitrogen oxides (t/year), respectively; Q_SO2, Q_F和Q_NOx are the masses of SO₂, fluoride, nitrogen oxides, respectively absorbed by the forest stand per unit area (kg/(ha·year))
		${G_{\text{F}}}={Q_{\text{F}}} A \times {10^{ - 3}}$
		${G_{{\text{N}}{{\text{O}}_{\text{x}}}}}={Q_{{\text{N}}{{\text{O}}_{\text{x}}}}} A \times {10^{ - 3}}$
		${G_{{\text{TSP}}}}={Q_{{\text{TSP}}}} A \times {10^{ - 3}}$	G_TSP、G_PM10、G_PM2.5分别为林分年滞纳TSP量（t/a）、PM₁₀和PM_2.5量（kg/a）；Q_TSP为林分单位面积滞纳TSP量（kg/（hm²·a））；Q_PM10、Q_PM2.5分别为林分单位叶面积滞纳PM₁₀、PM_2.5量（g/（m²））；n为年洗脱次数；I_LA为叶面积指数 G_TSP, G_PM10 and G_PM2.5 are the quality of the forest stand to absorb TSP (t/year), PM₁₀ and PM_2.5(kg/year), respectively; Q_TSP is the amount of delayed TSP per unit area of the forest (kg/(ha·year)), Q_PM10 and Q_PM2.5 are the amount of delayed PM₁₀ and PM_2.5 per unit leaf area of forest (g/m²) ; n is the number of elutions per year; I_LA is the leaf area index
		${G_{{\text{P}}{{\text{M}}_{10}}}}{\text{ = 10}}n{Q_{_{{\text{P}}{{\text{M}}_{10}}}}} A I_{\rm{LA}}$
		${G_{{\text{P}}{{\text{M}}_{2.5}}}}{\text{ = 10}}n{Q_{_{{\text{P}}{{\text{M}}_{2.5}}}}} A I_{\text{LA}}$
供给服务 Supply service	提供水源 Providing water source	${G_{\text{S}}}{\text{ = 10}}A \times \left( {{P_{\text{W}}} - E - C} \right)$	G_S为林分年持水量（m³/a）；P_W、E、C分别为林外降雨、林分蒸发、地表径流量（mm/a） G_S is the annual water holding capacity of forest stand (m³/year); P_W, E, and C refer to rainfall outside the forest, stand evaporation, and surface runoff (mm/year)
供给服务 Supply service	提供负氧离子 Providing negative oxygen ions	${G_{{\text{NAI}}}}=\dfrac{{{\text{5}}{\text{.256}} \times {\text{1}}{{\text{0}}^{15}}{Q_{{\text{NAI}}}}AH}}{L}$	G_NAI为林分年提供负氧离子数（个/a），Q_NAI为林分负氧离子质量浓度（g/m³），H为林分平均高（m），L为负氧离子寿命（min） G_NAI is the number of negative oxygen ions (year⁻¹); Q_NAI is the mass concentration of negative oxygen ions (g/m³); H is the average stand height (m); L is the life of negative oxygen ions (min)

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表 2 仙人洞自然保护区森林生态服务的物质量组成

Table 2 Quality composition of forest ecological services in Xianrendong Nature Reserve

服务类别 Service type	功能类别 Function category	指标类别 Index category		物质量 Material quality	合计 Total
支持服务 Support service	保育土壤 Conserving soil	固土/（10³ t·a⁻¹） Fixed soil/（10³ t·year⁻¹）	G_gt	555.15	644.10
		保肥/（10³ t·a⁻¹） Fertilizer preservation/（10³ t·year⁻¹）	G_N	2.12
			G_P	1.00
			G_K	7.11
			G_OM	78.72
	林分营养固持 Stand nutrient retention	氮固持/（t·a⁻¹） Nitrogen retention/（t·year⁻¹）	G_TN	291.02	323.85
		磷固持/（t·a⁻¹） Phosphorus retention/（t·year⁻¹）	G_TP	7.50
		钾固持/（t·a⁻¹） Potassium retention/（t·year⁻¹）	G_TK	25.33
调节服务 Regulation service	固碳释氧 Carbon sequestration and oxygen release	固碳/（10³ t·a⁻¹） Carbon sequestration/（10³ t·year⁻¹）	G_C	28.56	40.16
	固碳释氧 Carbon sequestration and oxygen release	释氧/（10³ t·a⁻¹） Oxygen release/（10³ t·year⁻¹）	G_O	11.60	40.16
	大气净化 Purifying the atmosphere	吸收气体污染物/（t·a⁻¹） Absorbing gaseous pollutants/（t·year⁻¹）	G_SO₂	817.50	1 454.87
			G_F	242.00
			G_{NO_x}	255.80
		滞尘/（t·a⁻¹） Dust retention/（t·year⁻¹）	G_TSP	82.28
			G_PM10	46.74
			G_PM2.5	10.55
供给服务 Supply service	提供水源 Providing water source	森林持水量/（10⁷ m³·a⁻¹） Forest water capacity/（10⁷ m³·year⁻¹）	G_S	148.27	148.27
供给服务 Supply service	提供负氧离子 Providing negative oxygen ions	提供负氧离子量/（10²⁰ 个·a⁻¹） Providing negative oxygen ions/（10²⁰·year⁻¹）	G_NAI	274.97	274.97

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表 3 仙人洞自然保护区树种（组）生态功能的物质量

Table 3 Material composition of ecological functions of the tree species (groups) of Xianrendong Nature Reserve

功能类别 Function category	指标类别 Index category	LL	CS	LYS	HTQ	CY	FY	HS	OT
保育土壤 Conserving soil	固土/（10³ t·a⁻¹） Fixed soil/(10³ t·year⁻¹)	486.20	31.23	11.00	6.13	5.89	3.23	2.70	8.77
	占比 Proportion/%	87.58	5.63	1.98	1.10	1.06	0.58	0.49	1.58
	保肥/（10³ t·a⁻¹） Keeping fertilizer/(10³ t·year⁻¹)	82.98	0.38	1.00	0.75	0.59	0.34	0.33	2.58
	占比 Proportion/%	93.29	0.43	1.12	0.84	0.66	0.38	0.37	2.90
林木积累营养物质 Trees accumulating nutrients	N、P、K积累/（t·a⁻¹） Accumulation of N, P, K/(t·year⁻¹)	289.21	10.53	8.67	4.19	4.15	1.88	0.84	4.38
林木积累营养物质 Trees accumulating nutrients	占比 Proportion/%	89.30	3.25	2.68	1.29	1.28	0.58	0.26	1.35
固碳释氧 Carbon sequestration and oxygen release	固碳/（10³ t·a⁻¹） Fixed carbon/(10³ t·year⁻¹)	25.80	0.99	0.58	0.27	0.32	0.14	0.08	0.38
	占比 Proportion/%	90.34	3.47	2.03	0.95	1.12	0.49	0.28	1.33
	释氧/（10³ t·a⁻¹） Release oxygen/(10³ t·year⁻¹)	10.45	0.42	0.24	0.11	0.13	0.06	0.03	0.16
	占比 Proportion/%	90.09	3.62	2.07	0.95	1.12	0.52	0.26	1.38
净化大气环境 Purifying the atmosphere environment	吸收气体污染物/（t·a⁻¹） Absorbing air pollutants/(t·year⁻¹)	1 000.55	175.72	28.15	60.64	11.05	5.00	6.58	27.62
	占比 Proportion/%	76.07	13.36	2.14	4.61	0.84	0.38	0.50	2.10
	滞尘/（t·a⁻¹） Dust retention/(t·year⁻¹)	107.16	16.95	6.45	0.83	0.79	0.51	1.84	5.04
	占比 Proportion/%	76.78	12.14	4.62	0.59	0.57	0.37	1.32	3.61
提供水源 Providing water source	持水量/（10⁷ m³·a⁻¹） Water retention/(10⁷ m³·year⁻¹)	133.24	8.55	0.91	1.39	1.41	0.43	0.62	1.72
提供水源 Providing water source	占比 Proportion/%	89.86	5.77	0.61	0.94	0.95	0.29	0.42	1.16
提供负氧离子 Providing negative oxygen ions	负氧离子/（10²⁰个·a⁻¹） Negative oxygen ions/(10²⁰·year⁻¹)	227.64	22.94	8.05	3.27	2.95	1.92	2.70	5.50
提供负氧离子 Providing negative oxygen ions	占比 Proportion/%	82.79	8.34	2.93	1.19	1.07	0.70	0.98	2.00
注：LL为栎类，CS为赤松，LYS为落叶松，HTQ为胡桃楸，CY为赤杨，FY为枫杨，HS为红松，OT为其他。Notes: LL is Quercus spp., CS is Pinus densiflora, LYS is Larix gmelinii, HTQ is Juglans mandshurica, CY is Alnus japonica, FY is Pterocarya stenoptera, HS is Pinus koraiensis, OT is the other.

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表 4 行政村生态服务功能物质量的相关性

Table 4 Correlation of the amount of ecological service functional substances in the administrative village

生态服务功能 Ecological service function		支持服务 Support services	调节服务 Regulation service	供给服务 Supply service
生态服务功能 Ecological service function		支持服务 Support services	调节服务 Regulation service	提供水源 Providing water source	提供负氧离子 Providing negative ions
支持服务 Support services		1
调节服务 Regulation service		−0.255	1
供给服务 Supply service	提供水源 Providing water source	0.990^**	−0.172	1
供给服务 Supply service	提供负氧离子 Providing negative oxygen ions	0.386	0.764^*	0.479	1
注：^*表示在 0.01级别（双尾），相关性显著；^表示在 0.05级别（双尾），相关性显著。下同。Notes: ^* and ^** indicate significant correlations at P < 0.05 and P < 0.01 level, respectively. The same below.

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表 5 林分特征与森林生态服务功能物质量的相关性

Table 5 Correlations between stand characteristics and the amount of forest ecological services

生态功能指标 Ecological functional index	林分面积 Stand area	林分蓄积 Stand volume	单位面积蓄积量 Volume per unit area	平均树高 Mean tree height	平均胸径 Mean DBH	郁闭度 Crown density
保育土壤 Conserving soil	0.963^**	0.926^**	−0.274	0.321	0.420	0.178
林木营养积累 Trees accumulating nutrients	0.876^**	0.909^**	−0.346	0.421	0.305	0.037
固碳释氧 Carbon sequestration and oxygen release	0.949^**	0.944^**	−0.297	0.407	0.403	0.102
净化大气环境 Purifying atmosphere environment	0.857^*	0.794^*	−0.209	−0.028	0.134	0.078
提供水源 Providing water source	0.949^**	0.867^*	−0.262	0.276	0.509	0.199
提供负氧离子 Providing negative oxygen ions	0.978^**	0.955^**	−0.315	0.393	0.512	0.291

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施引文献(6)

期刊类型引用(2)

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1. 研究方法
1.1 翻转床气弹簧机构概况
1.2 气弹簧计算方法
2. 结果与分析
2.1 气弹簧机构分析计算和选型
2.2 翻转床运动规律分析
3. 结　　论

辽宁仙人洞国家级自然保护区森林生态服务物质量评估及权衡与协同

作者简介: 李连强，中级工程师。主要研究方向：森林生态学。Email：1164629835@qq.com 地址：118003 辽宁省丹东市元宝区金山镇新建街600号

责任作者: 杨会侠，正高级工程师 。主要研究方向：森林生态学。Email：yhx-s@163.com 地址：同上。

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