基于模糊物元模型的3種灌木林水源涵養能力評價
——以內蒙古黑岱溝露天煤礦排土場為例

張麗娜，許 麗?，秦 儒，史芮嘉，楊宇平

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，010018，呼和浩特；2.內蒙古巴彥淖爾市水土保持工作站，015000，內蒙古巴彥淖爾；3.內蒙古鄂爾多斯市水土保持工作站，017000，內蒙古鄂爾多斯)

水源涵養能力是評價林地生態系統優良狀況的重要指標[1]，枯落物層和土壤層的持水能力又是評價林地水源涵養功能的重要環節[2]。枯落物層具有截持降水、攔蓄地表徑流、減少表層土壤水分蒸發等水土保持功能，并通過改善土壤結構提高土壤滲透性。降水通過土壤層下滲，除供植物吸收和地表蒸發，其余蓄存于土壤層或形成地下徑流匯入溪流等，表現出林地涵養水源功能[3-4]。在礦區排土場復墾中，通過造林種草等植被重建方式恢復和改善其生境，林地水源涵養功能是復墾效益的重要體現。目前，有關枯落物層和土壤層水源涵養能力及其評價的研究多集中于不同立地類型[5-6]和林分類型[7-8]的森林生態系統中，對于環境特殊的礦區較少[9]。對于本研究礦區典型灌木林水源涵養功能的文獻未見報道，僅有對該礦區枯落物生態化學計量特征[10]和土壤水分垂直特征[11]的研究。許多學者運用層次分析法[12]、綜合分析法[7]、水分平衡法[13]以及TOPSIS法[14]等對林地的水源涵養能力進行評價，近期曾建軍等[2,15]又將模糊物元模型應用到森林水源涵養能力評價中，且基于模糊物元模型的水源涵養能力評價被認為是一種簡單、直接、科學的方法[2,15-16]。筆者在對黑岱溝煤礦排土場人工建植的3種典型灌木林水源涵養能力評價指標定性研究的基礎上，建立其評價指標體系，并基于各評價指標的實測數據，運用歐式貼近度模糊物元模型進行其水源涵養能力評價，為排土場復墾效益評價及樹種選擇提供依據。

1 研究區概況

黑岱溝露天煤礦排土場位于準格爾旗薛家灣鎮，地理坐標E111°13′～111°21′，N39°25′～39°49′。屬中溫帶半干旱大陸性氣候，海拔1 256 m，年均降水量為408 mm[17]；地形地貌為黃土丘陵溝壑區；礦區排土場呈多階平臺狀，土壤類型為黃綿土，養分含量低；植被屬暖溫型草原帶，天然植被低矮稀疏[18]，以本氏針茅(Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)等為主；排土場人工建植植被有檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙地柏(Sabinavulgaris)、山杏(Prunusarmeniaca)和紫花苜蓿(Medicagosativa)等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與取樣

調查取樣于2016年8月進行，在排土場同一平臺，選擇復墾年限均為15年、生境條件相近、長勢良好、株行距為3 m×3 m的檸條錦雞兒、沙地柏、山杏3種典型灌木林，各設置3個20 m×10 m樣地，測定樣地內灌木樹高、地徑和冠幅，記錄植被總蓋度；在每個樣地以對角線形式設定9個1 m×1 m小樣方，記錄草本蓋度及種類，測量草本高度和枯落物厚度，用全部收獲法取枯落物樣；在每個樣地內設3個土壤剖面，分0～10 cm和10～20 cm 2層取樣，每層3個重復。樣地概況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 測定方法

枯落物蓄積量及其持水特征采用浸水法、烘干法[4,19-20]測定；土壤物理性質及其持水特征采用環刀法[4-6,10]測定。

2.3 評價體系與方法

2.3.1 評價指標體系 根據對林地水源涵養作用影響因子的定性分析以及相關研究[2,12,15]，建立本研究灌木林水源涵養能力評價指標體系：枯落物層包括枯落物厚度、蓄積量、最大持水量、自然含水率、有效攔蓄量和有效攔蓄率；土壤層包括土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水量、毛管持水量、有效攔蓄量和自然含水率。

2.3.2 評價方法 1)模糊物元概念。在物元分析理論中[16,21-23]，以有序三元組(事物M、特征C、模糊量值u)作為描述事物的基本元，簡稱物元R，其表達式為R=(M，C，u)。因評價分析時C是定性的，u的準確值無法確定，故稱u具有模糊性，且R為模糊物元。

式中：R為研究區3種灌木類型15維復合模糊物元；Mi為第i種灌木類型，i=1，2，…，m，m=3；Cj為第j個評價指標，j=1，2，…，n，n=15；uij為第i種灌木類型第j個指標對應的模糊量值。

2)從優隸屬度原則。各單項評估指標相對應的模糊量值的隸屬程度，稱為從優隸屬度[16,21-23]。除土壤密度越小越優型外，其余14個指標均為越大越優型，求得目標優屬度模糊物元R1。

越大越優型

uij=(xij-xminij)/(xmaxij-xminij)；

(1)

越小越優型

uij=(xmaxij-xij)/(xmaxij-xminij)。

(2)

式中：xij為第i個灌木類型第j個指標對應的量值；xmaxij、xminij為某灌木類型第j個指標所對應的所有量值中的最大值和最小值。

3)差平方模糊物元。差平方模糊物元R3由標準模糊物元R2(u0j=1.0)與R1各項差的平方求得，其中，Δij=(u0j-uij)2。

4)評價指標權重及歐式貼近度 采用變異系數法確定各評價指標權重[16,21-23]；歐式貼近度表示各評價方案與最優評價方案之間的貼近程度，歐式貼近度越大，灌木林的水源涵養能力越強。由公式依次得到評價指標權重模糊物元R4及歐式貼近度模糊物元R5：

(3)

(4)

(5)

3 評價結果與分析

3.1 枯落物蓄積量及持水特性

灌木林植被的物種組成與生長狀況不同，致使其林下枯落物的厚度、蓄積量以及持水特性存在較大差異。由表2可知，3種灌木類型林下枯落物的厚度和蓄積量的變化范圍分別為0.83～1.08 cm和2.42～3.82 t/hm2。枯落物最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量和有效攔蓄率均表現出沙地柏>檸條錦雞兒>山杏的規律，而枯落物自然含水率卻呈現沙地柏(21.31%)>山杏(12.75%)>檸條錦雞兒(11.75%)的變化規律。枯落物層各持水特征指標值均表現為沙地柏林最大。

3.2 土壤物理性質及持水特性

土壤發育狀況影響著土壤的容重和孔隙度，從而導致土壤物理性質存在差異性。由表2可知，3種灌木類型林下土壤密度表現出檸條錦雞兒(1.50 g/cm3)>沙地柏(1.44 g/cm3)>山杏(1.43 g/cm3)的規律，且土壤總孔隙度和毛管孔隙度均呈現沙地柏>山杏>檸條錦雞兒的順序，即沙地柏和山杏對土壤的改良效果較好。土壤孔隙度的變化規律與其對應含水量的變化規律一致，3種灌木林土壤飽和持水量、毛管持水量、有效持水量和自然含水率的變化范圍分別為：792.53～882.13 t/hm2，748.27～825.70 t/hm2，44.27～58.47 t/hm2，9.67%～9.96%。土壤層除密度、非毛管孔隙度和有效持水量外，各項指標值也均表現為沙地柏林最優。

表2 3種灌木林水源涵養能力評價指標值

3.3 水源涵養能力綜合評價

將表2中數據帶入表達式R，得到3種灌木林水源涵養能力復合模糊物元R，根據上述評價方法依次求得R1-R5。

由R5可知，3種灌木林評價方案的歐式貼近度大小順序為：沙地柏(0.869 3)>山杏(0.202 7)>檸條錦雞兒(0.151 8)。歐式貼近度越大，表明其評價方案越接近最優方案，即該灌木林水源涵養能力越強。通過3種灌木林歐式貼近度大小順序看出，該研究區沙地柏灌木林的水源涵養能力最強，山杏次之，檸條錦雞兒較差；因此，在該研究區排土場植被重建中，從林地水源涵養能力的角度考慮，可優先選擇沙地柏和山杏。

4 討論

4.1 枯落物蓄積量及持水特性

本研究3種人工復墾灌木林下枯落物厚度、蓄積量的變化范圍分別為0.83～1.08 cm、2.42～3.82 t/hm2，這與呂剛等[24]在阜新露天煤礦排土場研究結果相近。3種灌木類型枯落物最大持水量在5.44～8.47 t/hm2之間變化，這與呂剛等[24]所得紫穗槐的最大持水量106.32 t/hm2相差較大，其原因可能與枯落物蓄積量相差較大有關，趙芳等[4]和施爽等[25]的研究也證明蓄積量與持水能力呈正相關。3種灌木林枯落物有效攔蓄率在176.92%～214.14%范圍內變化，大于呂剛等[24]對紫穗槐的研究結果119.74%，這可能與取樣時間(4月和8月)相差較大有關。

4.2 土壤物理性質及持水特性

本研究3種灌木林地土壤密度的變化范圍為1.43～1.50 g/cm3，這與呂春娟[9]對平朔礦區排土場檸條林地的研究結論相近。與嚴重壓實的新造平臺密度[26]1.6～1.9 g/cm3相比，3種灌木林對排土場土壤密度已有較大改善。3種灌木類型林下土壤孔隙度及其持水量的大小順序均為沙地柏>山杏>檸條錦雞兒，與相關研究結果[1]一致。

5 結論

1)3種灌木林枯落物層水源涵養能力的大小順序為沙地柏>檸條錦雞兒>山杏。

2)3種灌木林土壤層水源涵養能力強弱順序為沙地柏>山杏>檸條錦雞兒。

3)由3種灌木林歐式貼近度大小順序沙地柏(0.869 3)>山杏(0.202 7)>檸條錦雞兒(0.151 8)可知，該研究區沙地柏灌木林的水源涵養能力最強，山杏次之，檸條錦雞兒較差。該排土場在生態修復評價及樹種選擇時，可優先選擇沙地柏。