沿壩地區(qū)6種典型林分類型生態(tài)效益綜合評(píng)價(jià)

李惠麗，周長(zhǎng)亮

（河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)，河北 圍場(chǎng)068450）

河北省沿壩地區(qū)位于首都北京的上風(fēng)口，其生態(tài)效益的好壞直接影響北京的生態(tài)環(huán)境。近年來對(duì)沿壩地區(qū)水文效應(yīng)的研究較多，但對(duì)水文效應(yīng)的綜合分析并不多，而對(duì)林分多功能的系統(tǒng)研究更少了。本次研究主要是利用近年木蘭林場(chǎng)森林撫育成效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)木蘭林場(chǎng)6種典型林分類型的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為之后的森林經(jīng)營(yíng)、撫育等工作提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 研究地概況

研究區(qū)位于河北承德市圍場(chǎng)縣木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)，是冀北山地與蒙古高原的交界處，坐標(biāo)為41°56′~42°15′N，117°44′~118°9′E，海拔750~2067m，坡度15°~30°，屬大陸性季風(fēng)型高原山地氣候，最高氣溫38.9℃，最低-42.9℃，土壤為棕壤，主要喬木樹種有白樺（Betula platyphylla）、油松（Pinus tabulae）、華北落葉松（Larix principis-rupprechti）、山楊（Pobulus davidiana）、五角楓（Acermono Maxim）等[1]。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

本次研究樣地選擇在木蘭林場(chǎng)內(nèi)，選擇具有代表性的林分類型，包括楊樹白樺混交林、油松落葉松混交林、油松純林、白樺純林、落葉松白樺混交林、落葉松純林6種林分類型，其立地條件相近并具有代表性，林齡在27~35a[1]。在各林分類型內(nèi)設(shè)置3塊20m×20m的樣地，對(duì)樣地進(jìn)行每木檢尺，測(cè)其胸徑、樹高；在每塊樣地內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置3塊5m×5m的樣方，對(duì)樣地內(nèi)灌木層進(jìn)行調(diào)查，包括種名、高度、蓋度、株數(shù)等；在每塊樣地內(nèi)，沿對(duì)角線設(shè)置3塊1m×1m的樣方，對(duì)樣地內(nèi)草本層進(jìn)行調(diào)查，包括種名、高度、蓋度、株數(shù)等；在每個(gè)草本樣方內(nèi)設(shè)置1塊0.5m×0.5m的小樣方，分層收取小樣方內(nèi)的枯落物，分為未分解層、半分解層，測(cè)定其持水能力；在每塊樣地內(nèi)挖一塊40cm深的土壤剖面，分0~10cm、10~20cm、20~40cm 3層，用環(huán)刀取土，在每個(gè)土壤剖面上分別取3個(gè)層次的土壤，并將其混合，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)其養(yǎng)分含量[2]。樣地基本情況見表1。

表1 不同林分類型樣地基本情況

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

本次試驗(yàn)指標(biāo)的選擇采用的方法為層次分析法（AHP）[3]，層次分析法只用于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇上。通過大量的閱讀文獻(xiàn)及征詢專家意見，本次研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表2。

表2 層次分析結(jié)構(gòu)模型

2.3 各指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算

2.3.1 喬木層生長(zhǎng)量計(jì)算 根據(jù)每塊樣地的每木檢尺數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其中胸徑、樹高值采用測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。各樹種單株蓄積量查看河北省二元材積表公式計(jì)算。樣地總蓄積量為每株蓄積量的加和。

2.3.2 灌木層、草本層多樣性計(jì)算 根據(jù)實(shí)際測(cè)得灌木層、草本層的數(shù)據(jù)，依據(jù)Shannon-Wiener指數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

其中，Pi為物種i的重要值，S為物種數(shù)。

2.3.3 枯落物持水能力測(cè)定 枯落物的持水能力測(cè)定采用的方法為浸水法。分別對(duì)樣方內(nèi)的枯落物分層測(cè)量其厚度，并采樣帶回實(shí)驗(yàn)室，稱其鮮重，利用烘干箱進(jìn)行烘干，采用溫度75℃，烘干時(shí)間為6h。根據(jù)相應(yīng)公式，計(jì)算枯落物的蓄積量、最大持水量、最大持水率及自然含水率。為反映枯落物對(duì)降水的實(shí)際攔蓄量，則需要計(jì)算有效攔蓄量，有效攔蓄量的計(jì)算公式為：W=（0.85Rn-RO）×M，其中W為有效攔蓄量（t·hm-2）；Rn為最大持水率（%）；R0為平均自然含水率（%）；M為枯落物蓄積量（t·hm-2）[4]。

2.3.4 土壤層持水能力和養(yǎng)分的測(cè)定 土壤物理性質(zhì)的測(cè)定采用的是環(huán)刀法，將環(huán)刀帶回實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用烘干、環(huán)刀浸泡法測(cè)定土壤容重、孔隙度等土壤性質(zhì)。土壤養(yǎng)分的測(cè)定，根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》中的方法進(jìn)行測(cè)定。其中水解氮的測(cè)定采用擴(kuò)散法；有效磷的測(cè)定采用氟化銨—鹽酸浸提法測(cè)定；速效鉀采用乙酸銨浸提法—火焰光度法測(cè)定[2]。

2.3.5 生態(tài)效益綜合評(píng)價(jià) 本次研究主要采用的綜合評(píng)價(jià)方法為熵權(quán)法[5]。

3 結(jié)果分析

3.1 喬木層生物量

喬木層的群落結(jié)構(gòu)對(duì)維持生態(tài)環(huán)境安全有重要作用。喬木層胸徑、樹高及蓄積量是評(píng)價(jià)林分生態(tài)效益的重要指標(biāo)。由表3可以看出：不同林分類型喬木層的平均胸徑存在一定差異，其中油松落葉松混交林平均胸徑最大，而白樺純林平均胸徑最小，這主要是由于不同樹種的生長(zhǎng)特性不同造成的。不同林分類型喬木層的平均樹高最大的為白樺純林，最小的為油松純林，這與樹種生物學(xué)特性及樹種生長(zhǎng)速度有關(guān)。林分蓄積量是林分平均胸徑和平均樹高的綜合反應(yīng)，由表3可看出：林分蓄積量最大的為油松落葉松混交林（14.55m3），最小的為楊樹白樺混交林（5.301m3），林分蓄積量排序?yàn)棰?Ⅲ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ，這表明6種林分類型中油松落葉松混交林喬木層的生長(zhǎng)最好。

表3 不同林分類型樣地喬木層生長(zhǎng)情況

3.2 灌木層、草本層物種多樣性

灌木層、草本層生物多樣性是評(píng)價(jià)林分生態(tài)效益的又一重要指標(biāo)，其多樣性越高越能維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。而反映生物多樣的指標(biāo)為Shannon-Wiener指數(shù)。由表4可以看出：不同林分類型中，灌木層物種多樣性最高的為落葉松純林，其Shannon-Wiener指數(shù)為1.11，而油松純林灌木層生物多樣性最低。草本層中，白樺純林草本層生物多樣性最高，其Shannon-Wiener指數(shù)（2.05）最高，而油松純林草本層生物多樣性最低。綜合灌木層、草本層生物多樣性看出：油松純林灌木層、草本層生物多樣性較差，其群落穩(wěn)定性較差，易受外界干擾。

表4 不同林分類型灌木層、草本層生物多樣性

3.3 枯落物層水文效益

枯落物層作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其在森林水文效應(yīng)中具有重要影響，枯落物層持水能力的大小體現(xiàn)出森林水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱，因此枯落物層的水文效應(yīng)是林分生態(tài)效益的重要組成部分[6]。枯落物蓄積量可以反映出森林養(yǎng)分的循環(huán)情況。由表5可以看出：不同林分類型枯落物的蓄積量不同，其排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，主要是因?yàn)榱址诸愋筒煌淇萋湮镙斎氩煌纸獬潭炔煌？萋湮镒畲蟪炙渴欠磻?yīng)枯落物持水能力的重要指標(biāo)，最大持水量越大其對(duì)水分的截持能力越強(qiáng)，從表5中可以看出：不同林分類型中，枯落物最大持水能力排序?yàn)棰?Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，落葉松白樺混交林枯落物層最大持水量最大，為31.1t/hm2。枯落物有效攔蓄量反應(yīng)在實(shí)際降水中，枯落物對(duì)水分的實(shí)際截持能力[7]。由表5中數(shù)據(jù)可知：枯落物有效攔蓄量最大的林分類型為落葉松純林（23.42t/hm2），最小的為白樺純林（15.51t/hm2）。

表5 不同林分類型枯落物層現(xiàn)存量及其持水能力

3.4 土壤層物理性質(zhì)及養(yǎng)分含量

土壤層作為森林水文效應(yīng)的第3個(gè)層次，其容重越小，對(duì)水分的保持能力越強(qiáng)；土壤孔隙度越大，其水土保持能力越強(qiáng)[8]；由表6可知：不同林分類型土壤容重為1.15~1.28g/kg，最大的為油松純林（1.28g/kg），最小為落葉松純林（1.15g/kg）。總孔隙度排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ，其中落葉松白樺混交林最大為50.27%，油松純林最小為45.68%。最大持水量排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>>Ⅲ，其中落葉松純林最大為434.89g/kg，油松純林最小為359.73g/kg。

表6 不同林分類型土壤層物理性質(zhì)及其養(yǎng)分含量

從土壤養(yǎng)分含量看，水解氮含量最大的為落葉松白樺混交林（174.64mg/kg），最小為油松純林（55.21mg/kg），不同林分類型水解氮含量排序?yàn)棰?Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ。有效磷含量在2.37~18.58mg/kg，其中油松純林有效磷含量最大為18.58mg/kg，白樺純林最小為2.37mg/kg。速效鉀含量最大的林分類型為楊樹白樺混交林，最小的為白樺純林，各林分類型速效鉀含量為77.96~184.37mg/kg。

4 生態(tài)效益綜合評(píng)價(jià)

本次研究綜合評(píng)價(jià)方法采用的為熵權(quán)法[9]。

4.1 構(gòu)建指標(biāo)判斷矩陣

根據(jù)所選指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)判斷矩陣，其中m=8，n=6，見表7。

表7 不同林分類型生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

4.2 形成標(biāo)準(zhǔn)矩陣

表8 不同林分類型生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值

4.3 計(jì)算熵值和權(quán)重

依據(jù)以下公式計(jì)算各指標(biāo)的熵值Hi和權(quán)重Wi，其中Hi=（2.612，2.852，2.720，2.752，2.831，2.647，1.664，2.468）；Wi=（0.055，0.063，0.058，0.060，0.062，0.056，0.023，0.050）。

4.4 貼近度計(jì)算

根據(jù)以下公式構(gòu)建加熵權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=WiA，在標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中找到各指標(biāo)的理想點(diǎn)X（取各指標(biāo)的最大值為理想點(diǎn)xi，土壤容重取最小值為理想點(diǎn)）。然后根據(jù)以下公式計(jì)算出6種林分類型生態(tài)效益與理想模式的貼近度T，見表9。

表9 不同林分類型生態(tài)效益與理想模型的貼近度

由表9可以看出:不同林分類型生態(tài)效益與理想模型的貼近度排序?yàn)棰?Ⅳ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅵ，因此不同林分類型生態(tài)效益的排序?yàn)槁淙~松純林>落葉松白樺混交林>油松落葉松混交林>楊樹白樺混交林>白樺純林>油松純林，其中生態(tài)效益最好的為落葉純林，生態(tài)效益最差的為油松純林。

5 結(jié)論

（1）不同林分類型喬木層的平均胸徑、樹高存在一定差異，其中油松落葉松混交林平均胸徑最大，而白樺純林平均胸徑最小。平均樹高最大的為白樺純林，最小的為油松純林，林分蓄積量最大的為油松落葉松混交林（14.55m3），最小的為楊樹白樺混交林（5.301m3），林分蓄積量排序?yàn)棰?Ⅲ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ，這表明6種林分類型中油松落葉松混交林喬木層的生長(zhǎng)最好。

（2）灌木層物種多樣性最高的為落葉松純林，其Shannon-Wiener指數(shù)（1.11）最高，而油松純林灌木層生物多樣性最低。草本層中，白樺純林草本層生物多樣性最高，其Shannon-Wiener指數(shù)（2.05）最高，而油松純林草本層生物多樣性最低。綜合灌木層、草本層生物多樣性看出，油松純林灌木層、草本層生物多樣性較差，其群落穩(wěn)定性較差，易受外界干擾。

（3）不同林分類型枯落物的蓄積量不同，其排序?yàn)棰?Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，枯落物最大持水能力排序?yàn)棰?Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，落葉松白樺混交林枯落物層最大持水量最大為31.1t/hm2。枯落物有效攔蓄量最大的林分類型為落葉松純林（23.42t/hm2），最小的為白樺純林（15.51t/hm2）。

（4）不同林分類型土壤容重為1.15~1.28g/kg，最大的為油松純林（1.28g/kg），最小為落葉松純林（1.15g/kg）。總孔隙度排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ，最大持水量排序?yàn)棰?Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>>Ⅲ，其中落葉松純林最大為434.89g/kg，油松純林最小為359.73g/kg。

從土壤養(yǎng)分含量看，水解氮含量最大的為落葉松白樺混交林（174.64mg/kg），最小為油松純林（55.21mg/kg）。有效磷含量為2.37~18.58mg/kg，其中油松純林有效磷含量最大為18.58mg/kg，白樺純林最小為2.37mg/kg。速效鉀含量最大的林分類型為楊樹白樺混交林，最小的為白樺純林，各林分類型速效鉀含量為77.96~184.37mg/kg。

（5）不同林分類型生態(tài)效益的排序?yàn)槁淙~松純林>落葉松白樺混交林>油松落葉松混交林>楊樹白樺混交林>白樺純林>油松純林，生態(tài)效益最好的為落葉松純林，生態(tài)效益最差的為油松純林。