青海黃土高寒區(qū)植被生態(tài)功能評價(jià)及優(yōu)化措施

劉若莎， 王冬梅， 楊海龍， 賀康寧， 張 雪， 溫文杰

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京)

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，我國于1999年開始實(shí)施退耕還林工程[1]。隨著工程的逐步推進(jìn)，生態(tài)環(huán)境有了明顯改善，與此同時(shí)國內(nèi)外學(xué)者對退耕植被的生態(tài)功能和恢復(fù)策略也有了大量研究[2-5]。Rule等[6]運(yùn)用加權(quán)求和的方法，評價(jià)了7種退耕模式的生態(tài)功能，篩選出2種優(yōu)化模式。楊建波等[7]從涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、固土保肥等方面研究退耕還林后植被生態(tài)功能評價(jià)方法。退耕植被最重要的功能是生態(tài)服務(wù)功能，但目前結(jié)合生態(tài)功能進(jìn)行植被恢復(fù)研究的較少[8]；因此，全面精確地評價(jià)退耕植被生態(tài)服務(wù)功能，分析現(xiàn)存問題并提出優(yōu)化措施，可為退耕還林工程的進(jìn)一步實(shí)施提供重要理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

青海黃土高寒區(qū)海拔高、自然條件差、立地類型復(fù)雜，是我國西北地區(qū)典型的生態(tài)脆弱地帶[9]，其在20世紀(jì)80年代就開始采用退耕地還林、宜林荒山荒地造林和封山育林3種退耕還林模式進(jìn)行植被恢復(fù)[10-11]。雖然取得可喜成績，但也存在一些亟待解決的問題。李積秀[12]和宋新偉等[13]發(fā)現(xiàn)部分退耕植被受到不同程度的病、蟲、鼠、鳥、兔危害和惡劣自然氣候影響，導(dǎo)致植被成活率較低。筆者針對青海黃土高寒區(qū)退耕植被出現(xiàn)的病蟲害等問題，采用頻度分析法、專家打分法和層次分析法進(jìn)行退耕植被生態(tài)功能評價(jià)，篩選出優(yōu)勢種，結(jié)合植被現(xiàn)狀分析退化原因，為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)提供優(yōu)化措施，指導(dǎo)該區(qū)未來植被優(yōu)化方向，并為其他地區(qū)植被優(yōu)化提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省東北部的大通縣，地處祁連山南麓，地理坐標(biāo)為E 100°51′～101°56′、N 36°43′～37°23′，海拔在2 280～4 622 m之間，屬半干旱半濕潤的大陸性氣候[14]。該地區(qū)海拔較高，日照時(shí)間長，晝夜溫差大，年均氣溫為2.8 ℃，無霜期占全年1/3，年降水量在450～820 mm之間，土壤主要為山地棕褐土[15]。境內(nèi)山多川少，地形復(fù)雜，水土流失嚴(yán)重，所以大力實(shí)施退耕還林工程，發(fā)展水土保持林和薪炭林，全縣林業(yè)用地面積為9萬4 141.69 hm2[8]。退耕類型主要為退耕地還林、宜林荒山荒地造林和封山育林，主要選擇的退耕樹種有青海云杉(Piceacrassifolia)、祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechii)、青楊(Populuscathayana)、白樺(Betulaplatyphylla)等，主要退耕灌木種有沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)、枸杞(Lyciumchinense)等，主要退耕草本植物種有紫花苜蓿(Medicagosativa)、問荊(Equisetumarvense)、珠牙蓼(Polygonumviviparum)等[11]。

2 材料與方法

2.1 植被調(diào)查與數(shù)據(jù)來源

筆者于2018和2019年5—8月在研究區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查與取樣。對不同立地類型下每個植被群落設(shè)置3個20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，共設(shè)置204個標(biāo)準(zhǔn)地。調(diào)查每個標(biāo)準(zhǔn)地的海拔、坡度、坡向、坡位、林齡、每木檢尺等基本信息；在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對角線方向均勻設(shè)置3個5 m×5 m的灌木樣方和3個1 m×1 m的草本樣方，對灌、草的種類、高度、數(shù)量、地徑、蓋度及冠幅等進(jìn)行調(diào)查并記錄；在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對角線方向均勻設(shè)置3個1 m×1 m的枯落物樣方進(jìn)行枯落物收集，并測定枯落物生物量與持水量；在每個標(biāo)準(zhǔn)地中選出3棵標(biāo)準(zhǔn)木，圍繞每棵標(biāo)準(zhǔn)木均勻布設(shè)24個雨量筒，同時(shí)在每個標(biāo)準(zhǔn)地的林外空地分別布設(shè)10個雨量筒作為對照進(jìn)行林冠截留測定；在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)置1個坡度為10°，1 m×2 m的野外簡易土壤徑流觀測小區(qū)，測定土壤產(chǎn)流、產(chǎn)沙量；在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對角線方向均勻設(shè)置3個0～60 cm深的土壤剖面(每20 cm設(shè)一層，共3層)，每層取3個環(huán)刀和200 g土進(jìn)行室內(nèi)土壤的理化實(shí)驗(yàn)。

筆者依據(jù)LY/T 2573—2016《退耕還林工程生態(tài)效益監(jiān)測與評估規(guī)范》、GB/T 26424—2010《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和野外植被調(diào)查現(xiàn)狀對黃土高寒區(qū)進(jìn)行立地類型和退耕還林模式劃分，共劃分出11個立地類型，調(diào)查了2個退耕還林模式和68個植被類型。

2.2 研究方法

2.2.1 評價(jià)方法 筆者采用頻度分析法[16]篩選出評價(jià)指標(biāo)，采用專家打分法[17]確定指標(biāo)權(quán)重值，運(yùn)用層次分析法(AHP)[17]進(jìn)行生態(tài)功能綜合評價(jià)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理方法 采用綜合指數(shù)法的評價(jià)模型[18]對生態(tài)功能評價(jià)體系中各指標(biāo)信息進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。由于評價(jià)指標(biāo)體系量綱不同，且指標(biāo)間數(shù)量差異較大，使不同指標(biāo)在量上不能直接進(jìn)行比較, 因此采用極值法[19]對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱歸一化處理。

2.3 指標(biāo)評價(jià)體系

筆者基于植被生態(tài)功能評價(jià)相關(guān)研究文獻(xiàn)，以及LY/T 1721—2008《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》和當(dāng)?shù)赝烁脖坏乃春B(yǎng)和水土保持主導(dǎo)功能，篩選出涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、物種保育4種準(zhǔn)則層指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)選擇的科學(xué)性、綜合性、可比性、層次性和可操作性等原則[8]，篩選出密切相關(guān)的20個指標(biāo)層指標(biāo)(表1)。通過專家打分法和層次分析法，建立指標(biāo)權(quán)重層次結(jié)構(gòu)模型，最終確定各指標(biāo)權(quán)重值(表2)。

表1 青海黃土高寒區(qū)退耕植被生態(tài)功能評價(jià)指標(biāo)體系

表2 各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值

3 結(jié)果與分析

3.1 黃土高寒區(qū)退耕植被生態(tài)功能綜合評價(jià)

通過植被生態(tài)功能綜合評價(jià)模型及指標(biāo)量綱歸一化處理，得到退耕植被生態(tài)功能評價(jià)得分(表3)。可見物種保育得分在0.007 3～0.106 4之間，在陽坡高、中、低坡位以祁連圓柏與油松、檸條、山杏混交林得分較高；在陰坡中低坡位以華北落葉松、白樺、青海云杉、青楊混交林得分較高；高位陰坡以油松、檸條混交林得分較高。

由表3可知，保育土壤得分在0.051 9～0.170 7之間，在陽坡低坡位以華北落葉松純林、青楊純林得分較高；陽坡中高坡位以檸條、圓柏、油松、山杏混交林，青海云杉、白樺、沙棘混交林得分較高；在陰坡中低坡位以青楊、青海云杉、白樺、華北落葉松混交林得分較高；陰坡高坡位以青海云杉純林、青楊純林及兩者混交林得分較高。

固碳釋氧得分在0.008 3～0.279 8之間，在陽坡中低坡位以青楊純林和青楊與華北落葉松混交林得分較高；陽坡高坡位以白樺純林和祁連圓柏、檸條、油松混交林得分較高；在陰坡高、中、低坡位以青楊、白樺、青海云杉、華北落葉松純林及混交林得分較高。

涵養(yǎng)水源得分在0.018 2～0.276 9之間，在陽坡低坡位以華北落葉松純林得分較高；陽坡中高坡位以檸條、祁連圓柏、油松、山杏混交林得分較高；陰坡高、中、低坡位以青楊、青海云杉、白樺、華北落葉松混交林得分較高。

3.2 黃土高寒區(qū)退耕植被健康等級劃分

根據(jù)目前使用較為廣泛的生態(tài)公益林健康等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]，對青海黃土高寒區(qū)不同立地類型的退耕植被進(jìn)行健康等級劃分，共劃分3個健康等級，見表4。

表3 青海黃土高寒區(qū)退耕植被生態(tài)功能綜合評價(jià)得分表

續(xù)表3

續(xù)表3

表4 青海黃土高寒區(qū)退耕植被健康等級劃分

由表4可知，低位陽坡的華北落葉松純林，青楊純林，檸條和祁連圓柏混交林處于亞健康等級；低位陰坡的青楊與白樺混交林處于健康等級，華北落葉松純林，青海云杉和白樺混交林處于亞健康等級，且混交林健康等級均優(yōu)于純林；中位陽坡的檸條、祁連圓柏和山杏混交林，青楊和落葉松混交林，云杉、白樺和沙棘混交林均處于亞健康等級；中位陰坡的云杉、白樺、青楊和沙棘混交林，云杉和落葉松混交林，青海云杉、青楊和華北落葉松混交林，青楊純林均處于健康等級；高位陽坡的祁連圓柏、檸條、油松和山杏混交林處于亞健康等級；高位陰坡的青楊純林處于健康等級，青海云杉、白樺、沙棘和青楊混交林處于亞健康等級。

以上結(jié)果表明在陽坡退耕地還林和宜林荒山荒地造林模式中，低位陽坡以華北落葉松、青楊、檸條、祁連圓柏為優(yōu)勢種；中位陽坡以檸條、祁連圓柏、青楊、青海云杉、白樺、沙棘為優(yōu)勢種；高位陽坡以祁連圓柏、檸條、油松、山杏為優(yōu)勢種。在陰坡退耕地還林和宜林荒山荒地造林退耕模式中，低位陰坡以青楊、白樺、青海云杉、華北落葉松為優(yōu)勢種，中位陰坡以青海云杉、白樺、青楊、華北落葉松、沙棘為優(yōu)勢種，高位陰坡以青海云杉、青楊、白樺、沙棘為優(yōu)勢種。

4 討論

4.1 黃土高寒區(qū)植被退化原因分析

通過張倩等[21]和張建貴等[22]研究發(fā)現(xiàn)，陽坡光照強(qiáng)，土壤溫度高，水分蒸發(fā)大，土壤養(yǎng)分含量較低，植被生長條件較差，不適宜抗性差的植物生長；陰坡光照弱，土壤溫度低，土壤養(yǎng)分水分好，有利于喜陰濕環(huán)境的植物分蘗和生長。本研究通過野外調(diào)查及生態(tài)功能評價(jià)發(fā)現(xiàn)，陽坡植被生長狀況較差有以下原因：1)陽坡生長的喬木樹體高大，生長所需水分、養(yǎng)分較多，不耐高溫，陽坡環(huán)境不能滿足植被健康生長；2)陽坡生長的純林由于林分結(jié)構(gòu)簡單，生態(tài)穩(wěn)定性較差，抗病蟲害能力較低；3)由于人工種植的林分密度較大，土壤水分養(yǎng)分資源緊張，不能滿足林分健康生長。陰坡植被退化有以下原因：1)陰坡生長的純林垂直結(jié)構(gòu)簡單，群落穩(wěn)定性差，抗病蟲害能力低，如青楊、華北落葉松等都有不同程度的病害與蟲害；2)林分密度過大，透光性差，林下植物多樣性較低，枯落物不易分解，不利于土壤養(yǎng)分的積累與恢復(fù)。

4.2 黃土高寒區(qū)退耕植被優(yōu)化措施

通過植被退化原因分析，結(jié)合前人對青海省大通縣植被密度研究結(jié)果[23]，優(yōu)化方向以補(bǔ)植、間伐、保留、撫育等措施為主，促進(jìn)人工林向健康的方向發(fā)展，同時(shí)為其他地區(qū)植被優(yōu)化提供一定參考依據(jù)。

陽坡中低平緩坡以退耕地還林模式為主，主要存在的問題是：植被生長條件惡劣，林分密度過大，結(jié)構(gòu)簡單，抗性較差，植株矮小，生長緩慢。該立地類型下華北落葉松純林、青楊純林、檸條和祁連圓柏混交林為優(yōu)勢植被。李世榮[24]曾對青海大通不同退耕還林模式的蒸發(fā)量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)青楊的蒸發(fā)量最高，說明青楊的耗水量較大，不利于林分可持續(xù)發(fā)展；賈俊姝等[25]研究發(fā)現(xiàn)在青海大通縣淺山區(qū)沙棘的土壤抗沖性指數(shù)最大，青海云杉的土壤抗性指數(shù)最高，有利于提高林分土壤抗性。因此，在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上保留健康植被，適當(dāng)間伐生長不良及病蟲害的樹種，調(diào)節(jié)林分密度；補(bǔ)植青海云杉、祁連圓柏、白樺等優(yōu)勢喬木形成針闊混交林，逐步更替青楊林，林下補(bǔ)植沙棘、檸條等灌木種，提高林分抗性。

陽坡陡急坡以宜林荒山荒地造林退耕模式為主，主要存在的問題是：植被生長條件惡劣，植株矮小，生長緩慢； 林分結(jié)構(gòu)簡單，有病蟲害，抗性較差。該立地類型下青楊和華北落葉松混交林，青海云杉、白樺和沙棘混交林為優(yōu)勢植被。根據(jù)李世榮[24]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)青楊耗水量較大，青海云杉和沙棘有利于提高林分抗性。因此，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上伐除病害木，控制林分病蟲害問題，補(bǔ)植青海云杉、祁連圓柏等優(yōu)勢喬木形成針闊混交林，定期平茬沙棘或豆科灌木，提高林分抗性。

陰坡中低平緩坡以退耕地還林模式為主，主要存在的問題是：林分密度過大，林下植物多樣性較低；林分結(jié)構(gòu)單一，生態(tài)穩(wěn)定性較差；針葉林內(nèi)枯落物不易分解；有病蟲害問題。該立地類型下青楊純林，青海云杉和華北落葉松混交林，青楊和油松混交林，青楊、青海云杉和華北落葉松混交林為優(yōu)勢植被。李文忠[26]研究得出青海大通退耕植被中青楊和青海云杉林生態(tài)功能較高，與本文結(jié)果較一致；雷曉水等[27]研究發(fā)現(xiàn)不同退耕模式中白樺和青海云杉混交林群落物種多樣性較高。因此，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上保留健康植被，合理間伐長勢弱和有病蟲害的樹木，增大林窗，提高物種多樣性；補(bǔ)植青楊、青海云杉、白樺等優(yōu)勢喬木形成針闊混交林，促進(jìn)枯落物分解，平茬檸條、沙棘等灌木，增大林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

陰坡陡急坡以宜林荒山荒地造林退耕模式為主，主要存在的問題是：林分結(jié)構(gòu)單一，生態(tài)穩(wěn)定性較差；植株生長緩慢，有部分倒伏；部分植被有病蟲害問題；林分密度過大，林下植物多樣性較低；針葉林內(nèi)枯落物不易分解。該立地類型下青楊和白樺混交林，青海云杉、白樺、青楊和沙棘混交林為優(yōu)勢植被。張偉華等[28]研究得出大通縣不同退耕模式土壤肥力改善最好的是青楊和沙棘混交林，結(jié)合李文忠[26]和雷曉水等[27]研究結(jié)果，可知青楊、白樺、青海云杉和沙棘2～3種混交可在此立地類型下發(fā)展良好。因此，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上保留健康植被，定期清除病害木，間伐弱勢木，調(diào)節(jié)林分密度；補(bǔ)植青楊、白樺、青海云杉等優(yōu)勢喬木形成針闊混交林，促進(jìn)枯落物分解，林下補(bǔ)植檸條、沙棘等灌木，使林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)對青海黃土高寒區(qū)退耕植被進(jìn)行生態(tài)功能綜合評價(jià)，得出中位陰坡平緩坡的青海云杉、青楊和華北落葉松混交林生態(tài)功能綜合得分最高，為0.637 2；低位陽坡平緩坡的青海云杉和青楊混交林綜合得分最低，為0.189 8。

2)對研究區(qū)68種退耕植被進(jìn)行健康等級劃分，得出7種陰坡植被處于健康等級，8種陽坡植被和18種陰坡植被處于亞健康等級，13種陽坡植被和22種陰坡植被處于不健康等級，陰坡植被較陽坡植被健康等級高。

3)陽坡中低平緩坡以退耕地還林模式為主，陽坡陡急坡以宜林荒山荒地造林退耕模式為主，陽坡的青楊、檸條、祁連圓柏、山杏為優(yōu)勢種；陰坡中低平緩坡以退耕地還林模式為主，陰坡陡急坡以宜林荒山荒地造林退耕模式為主，陰坡的青楊、青海云杉、白樺、華北落葉松、沙棘為優(yōu)勢種。

4)對研究區(qū)68種典型植被退化原因進(jìn)行分析，建議對林分密度過大的植被類型進(jìn)行間伐，對有病蟲害的植被類型間伐與補(bǔ)植結(jié)合逐步實(shí)現(xiàn)更替，對林分結(jié)構(gòu)單一的植被類型進(jìn)行補(bǔ)植。陽坡補(bǔ)植以青海云杉、祁連圓柏、沙棘、檸條為主，陰坡補(bǔ)植以青楊、白樺、青海云杉、沙棘、檸條為主，形成喬、灌、草3層結(jié)構(gòu)的針闊混交林。