基于坐標評定法的京西水源保護林枯落物及土壤水文效應綜合評價

王會岳 張宇星 高澤威 孟祥嵩 楊新兵

摘要為探究北京西部水源保護林森林水文功能，選擇該區域常見的油松、山楊、白樺和華北落葉松4種純林，利用坐標評定法對其水文效應進行綜合評價。結果表明：（1）枯落物蓄積量排序為油松林（8.90t.hm-2）＞華北落葉松林（6.35t.hm-2）＞山楊林（5.66t.hm-2）＞白樺林（5.05t.hm-2）；枯落物最大持水量排序為華北落葉松林（46.79t.hm-2）＞油松林（37.19t.hm-2）＞白樺林（26.27t.hm-2）＞山楊林（21.85t.hm-2）；半分解層最大持水量大于未分解層。（2）土壤總孔隙度排序為白樺林（60.10%）＞油松林（59.18%）＞山楊林（54.20%）＞華北落葉松林（48.77%），土壤層最大持水量排序為白樺林（3650.70t.hm-2）＞油松林（3550.98t.hm-2）＞山楊林（3252.00t.hm-2）＞華北落葉松林（2926.20t.hm-2）。（3）林地總最大持水量排序為白樺林（3676.97t.hm-2）＞油松林（3558.17t.hm-2）＞山楊林（3273.85t.hm-2）＞華北落葉松林（2972.99t.hm-2），土壤層的最大持水量遠大于枯落物層。（4）用坐標評定法對4種林分水文效應綜合評價結果排序為油松林、華北落葉松林、山楊林、白樺林，針葉林優于闊葉林。

關鍵詞水源保護林；枯落物蓄積；枯落物水文；土壤水文；坐標評定法

中圖分類號：S727.21文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.013

ComprehensiveEvaluationofLitterandSoilHydrologicalEffectsofWaterSourceProtectionForestinWesternBeijingBasedonCoordinateEvaluationMethod

WangHuiyue1，ZhangYuxing2，GaoZewei3，MengXiangsong3，YangXinbing3

（1.YiduTownGovernmentofLaishuiCounty，Baoding074102，China；2.Shanhelin（Beijing）WaterandSoilConservationTechnologyLimitedCompany，Beijing100038，China;3.CollegeofForest，HebeiAgriculturalUniversity，Baoding071000，China）

AbstractInordertoexplorethehydrologicalfunctionofwatersourceprotectionforestinwesternBeijing，inthispaper，fourpureforestsincludingPinustabulaeformis，Populusdavidiana，BetulaplatyphyllaandLarixprincipis-rupprechtiiinwesternBeijingwereselectedandthehydrologicaleffectsofthefourstandswerecomprehensivelyevaluatedbycoordinateevaluationmethod.Theresultsshowedasthefollowingfourparts.（1）TheorderoflittervolumewasPinustabulaeformisforest（8.90t.hm-2）＞Larixprincipis-rupprechtiiforest（6.35t.hm-2）＞Populusdavidianaforest（5.66t.hm-2）＞Betulaplatyphyllaforest（5.05t.hm-2）;themaximumwaterholdingcapacityoflitterwasLarixprincipis-rupprechtiiforest（46.79t.hm-2）>Pinustabulaeformisforest（37.19t.hm-2）>Betulaplatyphyllaforest（26.27t.hm-2）>Populusdavidianaforest（21.85t.hm-2）.Themaximumwaterholdingcapacityofsemi-decomposedlayerwaslargerthanthatofundecomposedlayer.（2）TheorderoftotalporosityofsoilwasBetulaplatyphyllaforest（60.10%）>Pinustabulaeformisforest（59.18%）>Populusdavidianaforest（54.20%）>Larixprincipis-rupprechtiiforest（48.77%）.ThemaximumwaterholdingcapacityofsoilwasBetulaplatyphyllaforest（3650.70t.hm-2）＞Pinustabulaeformisforest（3550.98t.hm-2）＞Populusdavidianaforest（3252.00t.hm-2）＞Larixprincipis-rupprechtiiforest（2926.20t.hm-2）.（3）TheorderofthetotalmaximumwaterholdingcapacityoftheforestlandwasBetulaplatyphyllaforest（3676.97t.hm-2）>Pinustabulaeformisforest（3558.17t.hm-2）>Pinustabulaeformisforest（3273.85t.hm-2）>Larixprincipis-rupprechtiiforest（2972.99t.hm-2）.Themaximumwaterholdingcapacityofthesoillayerwasmuchgreaterthanthatofthelitterlayer.（4）Theresultsofthecomprehensiveevaluationofhydrologicaleffectsofthefourkindsofstandsbythecoordinateevaluationmethodwererankedasfollows：PinusTabulaeformisforest，Larixprincipis-rupprechtiiforest，Populusdavidianaforest，Betulaplatyphyllaforest;andconiferousforestwassuperiortobroad-leavedforest.

Keywordswatersourceprotectionforest;littervolume;litterhydrology;soilhydrology;coordinateevaluationmethod

森林的水源涵養功能主要由枯落物層和土壤層完成。枯落物層不僅參與了土壤養分循環，還具有較強的截水、蓄水性能，枯落物截留和蓄水量取決于枯落物的現存量及枯落物自身的持水能力[1]。馬國飛等[2]發現枯落物分解程度越高，持水能力越強；何淑勤等[3]發現不同植被類型枯落物最大持水量半分解層均強于未分解層；呂剛等[4]發現針葉林枯落物的蓄積量、最大持水量及有效攔蓄量均高于闊葉純林。不同的土壤結構、容重、顆粒組成等使其表現出不同的水源涵養功能[5]，土壤孔隙度大小影響著土壤蓄水、透水等功能。森林樹種組成、郁閉度、撫育間伐等生產管理活動也會間接影響土壤水文效應[6]。郭建軍等[7]對2022年冬奧會崇禮賽區3種人工針葉純林枯落物及土壤水文效應研究表明，華北落葉松林水源涵養能力最優，油松林最差。因此，不同的枯落物和土壤自身特性、不同地域、不同植被類型、不同林分結構征等會導致水源涵養功能存在明顯差異。為探究北京水源上游營造的水源保護林森林水文功能，本文對試驗區油松（Pinustabulaeformis）、華北落葉松（Larixprincipis-rupprechtii）、白樺（Betulaplatyphylla）、山楊（Populusdavidiana）林分的枯落物層和土壤層水文效益進行了研究。

1研究區概況

試驗樣地選在北京西部張家口市涿鹿縣，位于太行山北端與燕山西端交匯處，懷涿盆地和桑干河下游，海拔1300～2000m，年降水量約370mm，年均溫9.1℃，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，冬季寒冷期長，降水量少，且集中。土壤以褐土為主。當地主要喬木樹種為油松、華北落葉松、白樺、山楊等。

2研究方法

2.1樣地設置

試驗選擇當地分布最多的油松、華北落葉松、山楊、白樺4種純林，樣地投影面積30m×30m。樣地基本信息見表1。由于針葉林的木材效益較好，所以林場經營的針葉林郁閉度相對較小；闊葉樹種生長較快，冠幅大，所以，郁閉度相對較大。

2.2枯落物層水文測定

在樣地內分別選取3個1m×1m的枯落物樣方，按未分解層、半分解層分別收集枯落物，用風干樣品進行枯落物持水試驗。將枯落物分別浸泡0.5、1、2、4、6、8、24h后取出，并靜置至水滴不成連續直線時，快速稱質量，浸泡24h為最大持水量。選取部分樣品烘干稱質量，計算枯落物蓄積量。

2.3土壤層水文測定

在樣地內隨機選取3個采樣點，挖土壤剖面，利用100cm3環刀分層取土，每10cm一層。利用浸水法測定土壤容重、孔隙度及持水能力等指標。

2.4林分水文效應綜合評價

利用坐標綜合評定法，將評定對象看作為由多向量所決定的空間點，以各點與最佳點的距離對各點進行比較和評價，對不同林分枯落物層和土壤層水文效應進行評估。用aij表示原始數據（i表示不同林分，j表示不同指標）；用mij表示每一個aij的最大值。對aij和mij進行比較，組成相對值dij（aij/mij）的“矩陣坐標”。根據以下公式計算Pi、∑Pi2，最后，將每種林分的∑Pi2值由小到大進行排序，綜合值越小林分水文效應越優[8]。

dij=aij/mij

Pi=（1－dij）2

∑P2i=P21+P22+P23+P24+P25+P26

式中：∑P2i為林分水文效應的綜合表現；P21為枯落物厚度；P22為枯落物最大持水量；P23為枯落物有效攔蓄量；P24為土壤的總孔隙度；P25為土壤毛管孔隙度；P26為土壤非毛管孔隙度。

3結果與分析

3.1枯落物層水文效應比較

3.1.1枯落物蓄積量比較

由表2可知，未分解層厚度油松林最大（3.23cm），白樺林最小（1.71cm），未分解層蓄積量排序為山楊林（3.04t.hm-2）＞油松林（1.72t.hm-2）＞華北落葉松林（1.70t.hm-2）＞白樺林（1.65t.hm-2），山楊林未分解層蓄積量顯著高于其他3種林分。半分解層厚度華北落葉松林最大（2.97cm），油松林最小（2.31cm），半分解層蓄積量排序為油松林（7.17t.hm-2）＞華北落葉松林（4.65t.hm-2）＞白樺林（3.41t.hm-2）＞山楊林（2.63t.hm-2），油松林半分解層蓄積量顯著高于其他3種林分。枯落物總厚度排序為油松林（5.55cm）＞山楊林（5.27cm）＞華北落葉松林（5.02cm）＞白樺林（4.07cm），枯落物蓄積總量油松林（8.90t.hm-2）＞華北落葉松林（6.35t.hm-2）＞山楊林（5.66t.hm-2）＞白樺林（5.05t.hm-2），油松林枯落物總蓄積量顯著高于山楊林和白樺林。綜合看，針葉林的蓄積量比闊葉林大。

3.1.2枯落物有效攔蓄量比較

由圖1可知，半分解層枯落物有效攔蓄量排序為山楊林＞華北落葉松林＞油松林＞白樺林，山楊林顯著高于油松林和白樺林。未分解層枯落物最大持水量排序為油松林＞華北落葉松林＞白樺林＞山楊林，油松林未分解層有效攔蓄量顯著高于其他3種林分。枯落物層總有效攔蓄量排序為油松林（18.35t.hm-2）＞華北落葉松林（12.96t.hm-2）＞山楊林（11.49t.hm-2）＞白樺林（8.12t.hm-2），油松林枯落物總有效攔蓄量顯著高于山楊林和白樺林。總之，針葉林枯落物有效攔蓄量高于闊葉林，未分解層有效攔蓄量高于半分解層。

3.1.3不同林分枯落物持水能力比較

由圖2可知，半分解層枯落物最大持水量排序為華北落葉松林＞油松林＞白樺林＞山楊林，華北落葉松林和油松林半分解層枯落物最大持水量顯著大于山楊林和白樺林。未分解層枯落物最大持水量排序為白樺林＞華北落葉松林＞山楊林＞油松林，4種純林之間無明顯差異。枯落物層總的最大持水量為華北落葉松林（46.79t.hm-2）＞油松林（37.19t.hm-2）＞白樺林（26.27t.hm-2）＞山楊林（21.85t.hm-2）。針葉林枯落物層最大持水能力顯著高于闊葉林。

枯落物的持水過程與枯落物自身的持水能力密切相關。由圖3可知，枯落物持水量與浸泡時間的關系呈正相關，浸泡初期持水量增加快，隨著浸泡時間的增長，持水量的增加速率逐漸減緩。

3.2土壤物理性質比較

3.2.1土壤孔隙度及容重差異

由表3可知，平均土壤容重排序為白樺林（0.88g.cm-3）＜油松林（0.92g.cm-3）＜山楊林（1.00g.cm-3）＜華北落葉松林（1.02g.cm-3），白樺林土壤最疏松，4種林分之間無明顯差異。土壤總孔隙度排序為白樺林（60.10%）＞油松林（59.18%）＞山楊林（54.20%）＞華北落葉松林（48.77%），土壤毛管孔隙度排序為白樺林（42.41%）＞山楊林（39.76%）＞華北落葉松林（37.30%）＞油松林（36.93%），土壤非毛管孔隙度排序為油松林（22.25%）＞白樺林（17.68%）＞山楊林（14.44%）＞華北落葉松林（11.46%），3個孔隙度指標規律變化不一致。土壤容重和土壤總孔隙度規律正好相反。

3.2.2土壤持水量差異

由表4可知，土壤層最大持水量排序為白樺林＞油松林＞山楊林＞華北落葉松林，土壤層毛管持水量白樺林＞山楊林＞華北落葉松林＞油松林，土壤層非毛管持水量均值排序為油松林＞白樺林＞山楊林＞華北落葉松林，3個持水量指標變化規律均不一致。

3.3林分水文效應綜合評價

3.3.1林地總最大持水量

將枯落物與土壤最大持水量相加，可知不同林分的總最大持水能力。由表5可知，林地總持水量排序為白樺林（3676.97t.hm-2）＞油松林（3558.17t.hm-2）＞山楊林（3273.85t.hm-2）＞華北落葉松林（2972.99t.hm-2），白樺林的持水能力最強。土壤最大持水量占林地總最大持水量的比例均大于98%，遠大于枯落物層最大持水量，表明土壤層在林地持水中占主導優勢。

3.3.2不同林分水文效應綜合排序

利用坐標綜合評定法，將測定的枯落物層、土壤層持水能力數據歸一化，對不同林分枯落物層和土壤層水文效應進行評價。綜合值越小則表明枯落物層和土壤層水文效應越優。由表6可知，4種林分水文綜合能力以油松林最好，其次是華北落葉松林和山楊林，白樺林最差，針葉林優于闊葉林。

4結論

通過對京西水源保護林4種林分枯落物層和土壤層的水文效應測定，對其水文效應進行了綜合評價。林分總最大持水量白樺林＞油松林＞山楊林＞華北落葉松林，土壤層在林地持水中占主導優勢（土壤層最大持水量占總最大持水量98%以上）。利用坐標綜合評定法進行多因素綜合作用排序，林分的水文效應排序為油松林＞華北落葉松林＞山楊林＞白樺林。綜合來看，油松林水文效應最優，針葉林優于闊葉林。

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收稿日期：2022-09-30

基金項目：中央財政林業科技推廣示范資金項目“標準化水源保護林營造及經營示范區建設”（冀sfq〔2020〕003號）；河北省林業和草原局科技推廣示范項目“冀北山區森林生態系統健康經營技術推廣示范”（冀LT〔2021〕004號）

作者簡介：王會岳（1978-），男，河北淶水人，大專，助理工程師，E-mail：why2497@126.com

通信作者：楊新兵（1978-），男，河北涉縣人，博士，副教授，主要從事水土保持、森林生態研究，E-mail：yangxinbing2001@126.com