沿壩地區3種典型林分類型枯落物層與土壤層水源涵養能力綜合評價

楊良辰, 張春茹

(1.河北省涉縣職業技術教育中心 河北 涉縣056400; 2.河北木蘭圍場國有林場管理局, 河北 圍場 068450)

枯落物層和土壤層對森林截留降水、減緩降雨速度和涵養水分具有很重要的作用[1]。木蘭圍場位于沿壩地區，森林多以針葉為主，其中華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)為主要組成部分，闊葉則以山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)為主[2-3]。森林是生態系統的重要組成部分，其很重要的一個功能是水源涵養，減少水土流失，不同森林組成在水源涵養方面的能力也是不一樣的，具有一定的差異[4-6]。該地區的研究主要集中林分的結構、生長特性、物種多樣性、森林各層次的水源涵養能力，但是對林分水源涵養綜合能力進行評價的研究則相對較少。本文利用熵權法將沿壩地區3種典型森林類型的枯落物層與土壤層水源涵養能力進行量化，能夠更加直觀地進行評價和比較，以便于為該地區的森林生態效益評價提供一定的理論依據[7-8]。

1 研究區概況

圍場縣位于承德境內，地理坐標為東經116°32′—118°14′，北緯41°35′—42°40′。與內蒙古接壤，處于華北山石區的沿壩地區，是山區與壩上的過渡地帶，海拔750～1 829 m，年平均溫度較低，為-1.5～4.8℃,年無霜期90～125 d，年均降水時間分布很不均勻，集中性比較強，降雨量為380～560 mm，土壤的種類也較多，總共有143個土種，植物種類資源也是非常豐富，野生的種子植物達到了793種，蕨類植物22種。此次的試驗地點在圍場縣木蘭林管局的北溝林場。

2 研究方法

2.1 枯落物層數據測定

2.1.1 枯落物生物量 2016年8月在沿壩地區的北溝林場，選擇華北落葉松純林、油松純林、針闊混交林3種林分類型設置標準的樣地，樣地的大小為30 m×30 m，并對標準地的基本情況進行了調查(表1)，其中郁閉度的測定是通過在樣地內機械地設置100個樣點，在各樣點位置上進行抬頭垂直昂視，判斷該樣點是否被樹冠覆蓋，統計被覆蓋的樣點數，該點數與樣點數的比值則是林分的郁閉度。而枯落物生物量的測定則是在選取的標準地里選取樣地的4個角和中心位置設置5塊枯落物小樣方，大小為50 cm×50 cm，枯落物測定分未分解層和半分解層，以下枯落物的數據都是均值。

表1 3種林分類型標準地概況

注：Ⅰ代表華北落葉松純林，簡稱落葉松林；Ⅱ代表油松純林；Ⅲ代表針闊混交林,下表同。

2.1.2 枯落物持水量和吸水速率 利用室內浸泡法對3種林分的枯落物持水量和持水速率進行測定，先測量枯落物的厚度，根據枯落物分解的程度來進行區分，劃分為未分解層與半分解層，然后要快速對其鮮重進行稱量，此后帶回實驗室進行烘干，對其重量進行再次稱重，最后將需要測定的枯落物在水中進行浸泡，在0.5,1,2,4,6,8,10,24 h對枯落物的重量變化要進行測定，從而得出枯落物的持水量、持水速率和最大持水率測定枯落物的持水量[9-11]。利用下式進行計算：

C=(m1-m2)/m2×100%

(1)

S=(m3-m2)/m2×100%

(2)

Wm=(Rm-R0)M

(3)

式中：C為枯落物自然含水量(%)；m1為樣品鮮質量(g)；m2為樣品烘干質量(g)；S為飽和持水率，m3為樣品浸水24 h后的質量(g)；Wm為枯落物的最大攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為平均自然含水量(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.1.3 枯落物有效攔蓄量 枯落物對降雨的實際攔蓄量的測定，可以通過有效攔蓄量(modified interception)來進行計算,即:

W=(0.85Rm-Ro)M

(4)

式中:W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);Ro為平均自然含水率(%);M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.2 土壤層物理性質和土壤入滲過程測定

按照不同的土層深度取樣，即土壤剖面法，采用土壤烘干法和環刀法測定需要的土壤特性。其中土壤持水力S=10000hp,式中：S為土持水力(t/hm2)；h為土壤層厚度(m)；p為非毛管孔隙度(%)。

采用雙環法測定水分入滲土壤的過程，初滲率=最初入滲時段內滲透量/入滲時間；平均滲透速率=達到穩滲時的滲透總量/達到穩滲時的時間。利用Kostiakov模型來對水入滲土壤的過程來擬合，在f=at-b中：f為t時間時的瞬時入滲速率；t為入滲時間；a，b則是指試驗資料擬合的參數。

2.3 水源涵養綜合評價

本研究為了能夠將枯落物層和土壤層的水文效應更加直觀地進行比較評價，利用熵權法對林分各因子進行量化，在一個標準系統下進行計算，對3種林分類型的水源涵養能力進行綜合評價，主熵的概念源于熱力學，是對系統狀態不確定性的一種度量，通過熵值法得到各個指標的信息熵，信息熵越小，信息的無序度越低，其信息的效用值越大，指標的權重越大[12-13]。

(1) 依據以下公式計算出各個指標的熵值，記為Hi，各指標具體熵值，計算熵值公式為：

(5)

式中:Hi為熵值；k為常數1/lnn；fij為在第j個評價指標下第i個林分Hi的貢獻度；i表示林分類型數；j表示評價指標數。

(2) 依據以下公式計算各個指標的權重，記為wi，計算權重公式為：

(6)

式中：wi為權重；Hi為熵值；i為林分類型數。

3 結果與分析

3.1 枯落物生物量

枯落物的存量多少是由很多因素決定的，決定枯落物存量的是林分枯落物的進入量和分解量，而林分枯落物的進入量與林分樹種組成、郁閉度和林下植被生長情況都是有關的。由表2可以看出，針闊混交林的枯落物生物量最大，為17.19 t/hm2,其次是油松純林，大小為16.9 t/hm2，最小的是落葉松純林，為15.86 t/hm2。此外，3種林分的未分解層和半分解層的組成比例也是有差異的，其中落葉松純林和油松純林的未分解層的比例都是大于半分解層，而針闊混交林的半分解層的比例是大于未分解層的，針闊混交林未分解層所占比例最小，占總儲量的46.42%，落葉松純林則最大，占總儲量的54.54%，而油松居中為52.6%。

表2 3種林分類型枯落物生物量

3.2 枯落物水文效應

3.2.1 枯落物最大持水量 3種林分類型中針闊混交林的最大持水量最大，為37.59 t/hm2,其次為油松純林和落葉松純林，分別為27.78 t/hm2和26.04 t/hm2；3種林分類型的最大持水率的范圍163.55%～216.55%，依次為針闊混交林分>油松純林>落葉松純林。

表3 3種林分類型枯落物最大持水量和最大持水率

3.2.2 枯落物持水過程 枯落物在浸泡持水過程中有一定的規律，在0.5 h內是吸水最快的階段，隨著時間的推移枯落物的持水量不斷增加，最后趨于穩定，但是不同的林分枯落物的持水速率也是有差距的，枯落物的這一過程與降雨時枯落物的攔蓄過程有一定的相似性，在降雨的初期,枯落物的攔蓄能力比較強，但是隨著枯落物的持水量增加，枯落物的吸持能力降低。枯落物的未分解和半分解層的持水量也有一定的差距，達到飽和的時間也不相同(表4)。對0.25～24 h之間3種類型林分枯落物各層持水量與浸泡時間的關系進行回歸分析,得出該時間段內持水量與浸泡時間之間存在如下關系(表5):

Q=alnt+b

(7)

式中:Q為枯落物持水量(g/kg);t為浸泡時間(h);a為方程系數;b為方程常數項。

表4 3種林分類型枯落物層持水過程 g/kg

3.2.3 枯落物吸水速率 通過試驗表明，3種類型林分的枯落物的吸水速率具有一定的規律，在0.25～1 h內，枯落物的吸水速率是最大的時候，隨后速率出現了較大的下降，在6 h左右時枯落物的下降速率趨于平緩，隨著時間推移，枯落物的吸水速率趨于穩定，這種情況是因為隨著浸泡的時間不斷增長，枯落物的持水量達到了最大持水量，即枯落物的持水量趨于飽和，持水速率也會趨于穩定。

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 林分類型下不同層次枯落物的攔蓄能力見表6，枯落物的累積量的大小排序為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，針闊混交林的枯落物累積量最大為17.19 t/hm2，落葉松純林的最小為15.86 t/hm2，油松居中為16.9 t/hm2；最大持水量的大小排序為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，針闊混交林最大為37.59 t/hm2，落葉松純林的最小為26.04 t/hm2，油松居中為27.78 t/hm2；有效攔蓄量大小排序為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，有效攔蓄量針闊混交林的枯落物累積量最大為27.65 t/hm2，落葉松純林的最小為20.24 t/hm2，油松居中為21.71 t/hm2。最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄量的大小排序都是一樣的，其中針闊混交林的最大，油松其次，落葉松純林最小。

表5 不同林分枯落物層持水量、持水率與浸泡時間關系

圖1 3種林分類型枯落物持水量、持水速率與浸泡時間關系曲線

3.3 土壤層的水文效應

3.3.1 土壤層的物理性質 由表7可以看出，3種林分類型土壤容重的總體差距不大，其中落葉松純林的最大，為1.31 g/cm3，油松純林的次之，為1.21 g/cm3，針闊混交林的最小，為1.19 g/cm3；總孔隙度的排序為：針闊混交林(54.15%)>油松純林(49.31%)>落葉松純林(41.87%)；而非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關，其大小排序為：針闊混交林(5.12%)>落葉松純林(4.89%)>油松純林(4.69%)。土壤持水能力大小排序為：針闊混交林(363.52 t/hm-2)>落葉松純林(388.51 t/hm-2)>油松純林(267.33 t/hm-2)。

表6 不同林分枯落物層有效攔蓄能力

表7 3種林分類型土壤的物理性質

3.3.2 土壤層的滲透性 土壤滲透性是土壤物理性質的主要特征之一，它代表了入滲的速度，而且還是林分水源涵養的指標之一。土壤的滲透性越好，林分的水源涵養能力越強，土壤的流失也會比較小，地表的徑流也會比較少，從而減少林分土壤被侵蝕的程度。從表8可以看出，3種林分土壤層的初滲速率差距比較大，大小排序為：針闊混交林(24.7 mm/min)>落葉松純林(22.1 mm/min)>油松純林(18.9 mm/min)；隨著時間的不斷推移，土壤的入滲速率會趨于穩定，各林分的穩滲速率大小排序為：針闊混交林(1 mm/min)>落葉松純林(0.9 mm/min)>油松純林(0.7 mm/min)；呈現這種情況的主要原因為：針闊混交林的土壤層的非毛管孔隙數量多，對于土壤的水分滲入非常有利，滲透性也會比較強，而油松純林土壤層的非毛管孔隙較少，不利于土壤層水分的滲入，滲透性也就比較差。3個林分達到穩定入滲的時間是不同的，針闊混交林時間最長為32 min，油松純林最小為25 min，落葉松純林居中為29 min。通過對入滲速率與入滲時間進行線性回歸分析，發現二者之間存在較好的冪函數關系：

f=at-b(R>0.96)

式中：f為入滲速率(mm/min)；a，b為常數；t為入滲時間(min)。

表8 3種林分類型土壤滲透的速率及滲透數學模型

3.4 水源涵養能力綜合評價

3.4.1 不同森林類型評價指標數據表 本研究采用熵權法，選擇枯落物層和土壤層的指標來進行綜合評價，其中枯落物層水文效應指標選擇3個，包括枯落物蓄積量、有效攔蓄量和最大持水量；土壤層水文效應選擇5個評價指標，包括土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤持水力、初滲速率,總計8項指標，綜合8項指標進行權重賦值來評價沿壩地區3種不同森林類型水源涵養能力(表9)。

表9 3種不同林分類型評價指標數據

注：A1為枯落物蓄積量，A2為枯落物有效攔蓄量，A3為枯落物最大持水量，A4為土壤容重，A5為土壤毛管孔隙度，A6為土壤非毛管孔隙度，A7為土壤持水力，A8初滲速率，下表同。

3.4.2 構造標準化指標矩陣并計算權重值 根據第j個屬性下第i個方案Ai的貢獻度，即先求出各列的和，然后用每行的數值比上列和，形成新的標準矩陣(表10)，再根據公式(5)計算出各指標的熵值，最后利用公式(6)計算出各林分類型的權重值(表11)，利用熵值法計算得出的權重為枯落物蓄積量占1%，枯落物有效攔蓄量占19%，枯落物最大持水量占28%，土壤容重占2%，土壤毛管孔隙度占14%，土壤非毛管孔隙度占1%，土壤持水力占19%，初滲速率占16%，故我們在對林分水源涵養進行綜合評價的時候更多要考慮林分枯落物的最大持水量、枯落物有效攔蓄量、土壤持水力和初滲速率，3種林分指標的具體值與其權重的乘積之和為其綜合評價值，這樣得出3種林分類型綜合評分排序為：針闊混交林(16.968 9)>油松純林(12.854 4)>落葉松純林(12.103 8)。

表10 各指標標準化矩陣

表11 各指標權重值

表12 水源涵養能力評價

4 結 論

(1) 枯落物層最大持水量：針闊混交林>油松純林>落葉松純林，3種林分中針闊混交林的持水潛力是最大，落葉松純林相對是最小的；有效攔蓄量：針闊混交林>油松純林>落葉松純林，說明3種林分中真實攔蓄量最大的為針闊混交林，最次的落葉松純林，出現這種差異主要是因為林分枯落物層的生物量不同，因此三種林分中最優的水源涵養林為針闊混交林；持水量與浸水時間的回歸方程為Q=alnt+b(R2>0.97)，持水速率與浸水時間的回歸方程為V=Ktn(R2>0.94)。枯落物持水測定采用了浸泡法，雖然在一定程度上反映了林分的真實攔蓄量，但是對于特定降雨情況的攔蓄能力還需要進一步的研究。

(2) 3種林分類型總孔隙度、非毛管孔隙度和土壤的初滲速率最高的均為混交林，高于其他兩種純林，說明混交林的地理環境更有利于林木的生長和涵養水源。非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關，其大小排序與土壤持水能力相同，大小依次排序為針闊混交林、落葉松純林、油松純林，3種林分土壤層的初滲速率差距比較大，大小依次排序為針闊混交林、落葉松純林、油松純林；3個林分達到穩定入滲的時間是不同的，針闊混交林時間最長為32 min，油松純林最小為25 min，落葉松純林居中為29 min；入滲速率與入滲時間回歸方程為：f=at-b(R>0.96)。

(3) 利用熵權法計算得出的權重大小排序為：枯落物最大持水量(28%)>枯落物有效攔蓄量(19%)=土壤持水力(19%)>初滲速率(16%)>土壤毛管孔隙度(14%)>土壤容重(2%)>枯落物蓄積量(1%)=土壤非毛管孔隙度(1%)，3種林分類型綜合評分排序為：針闊混交林(16.968 9)>油松純林(12.854 4)>落葉松純林(12.103 8)。針闊混交林為最優的水源涵養林，其在保持水土、涵養水源方面功能最強。