郭軍庭,張志強,唐麗霞

(1.北京林業(yè)大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京100083;2.貴州大學,貴州貴陽550025)

由于人為過度開發(fā),黃土高原天然植被破壞嚴重。該地區(qū)水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境亟待改善。植被恢復和重建是該地區(qū)生態(tài)恢復和水土保持治理有效的措施[1-2],包括自然修復和人工重建。一般植被的演替比較緩慢,天然植被破壞后,恢復需要很長時間[3]。因此,在開墾指數(shù)高,自然殘留植被少的地區(qū)人工造林種草應當作為首選。植被恢復重建過程中,植被群落空間結構和水源涵養(yǎng)能力是兩項重要的評價內容。植被空間結構是植被系統(tǒng)內部各要素之間的聯(lián)系與組織方式的總和,包括垂直結構和水平結構。植物群落成層現(xiàn)象的復雜程度是對生態(tài)環(huán)境的指示,成層結構復雜,植被對生境的適應越強,對生境的改造能力越強[4]。從水源涵養(yǎng)能力來看,植被空間結構直接影響到林分的水土保持功能[5],垂直結構尤為重要。植被的結構與功能的協(xié)調,說明植被群落與自然環(huán)境相互適應,植被群落才能良好發(fā)展。本文采取層次分析法對晉西北黃土丘陵溝壑區(qū)蔡家川流域的主要林分類型垂直結構和水源涵養(yǎng)能力進行評價,從而驗證垂直結構與水源涵養(yǎng)功能的關系,并對現(xiàn)存小流域內的不同類型林分進行面積優(yōu)化配置,為人工林建設提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

蔡 家 川 流 域 (110°39′45″—110°47′45″E,36°14′27″—36°18′23N″)位于山西省吉縣,呂梁山南端,屬于晉西黃土丘陵溝壑區(qū)。流域大體上為由西向東走向,長約 14 km,面積 38 km,海拔 900～1 513 m。年降水量為575.9 mm,6—9月降水占全年降水量的70%左右,年平均水面蒸發(fā)量為1 732.9 mm,年均氣溫10℃。土壤為褐土,黃土母質。森林覆蓋率39.8%,屬于由暖溫帶闊葉落葉林向森林草原的過渡地帶。流域中上游植被主要為山楊(Populus davidiana)、白 樺 (Betula p latyphylla)、丁 香(Syzygium aromaticum)、虎榛子 (Ostryopsis davidiana)等組成的天然次生林,中游為刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinus tabulaef omis)、側柏(Platyclad usorientalh)等樹種組成的人工林,下游為荒草坡和農地。

2 材料和方法

2.1 研究材料

通過全面調查,選擇研究區(qū)內主要的6種林分類型,在典型地段布置樣方對其進行觀測,各林分特征詳見表1。

表1 調查林地林分主要特征

2.2 研究方法

(1)植被群落垂直結構樣地調查 在研究流域內選擇人工刺槐林、油松林、刺槐側柏混交林、天然次生槲櫟林、天然次生山楊林和灌木林6種主要林分類型,在典型地段設置20 m×20 m的標準樣地,按照群落生態(tài)學研究方法,進行樣地調查。調查喬木、灌木,草本的高、徑、冠幅、蓋度等;用剖面土塊法[6]測定植物根長、根數(shù)、根深等。

(2)植被群落水源涵養(yǎng)功能枯落物層吸水量采用吸水法測定。土壤層水文特性采用環(huán)刀法在挖取的1 m土壤剖面上測定,其中使用體積400cc環(huán)刀取得原狀土后在實驗室采用恒定水頭法測定土壤飽和導水率,多次重復取平均值。

(3)層次分析法本研究采用層次分析法(analytic hierarchy process,簡稱AHP)確定各項指標的權重[7]。該方法是由美國匹茲堡大學教授T.L.Saaty最早提出的一種定性與定量分析結合的多目標評價決策方法。它將決策者對復雜系統(tǒng)的評價思維過程數(shù)學化。決策者通過把復雜問題分解為若干層次和要素,在各要素之間簡單地進行兩兩比較,判斷每2個指標間相對重要性(各因子的重要性采用1—9級標度法確定)并構造矩陣。計算該矩陣標準化特征向量并進行一致性檢驗,然后再轉為對這些元素的整體權重進行排序判斷,最后確立各元素的權重。

3 結果和分析

3.1 不同林分垂直結構評價

3.1.1 評價指標及權重 植被垂直結構由地上、地下兩部分組成。地上部分包括喬木層、灌木層、草本層、枯落物層;地下部分是根系層。選取能夠反映各層的指標建立層次分析模型(圖1),分別選取喬木層、灌木層、草本層的高度,蓋度,枯落物層的厚度,根系層的深度、總根數(shù)、根量等作為評判的具體措施。應用層次分析法對植被垂直結構好壞進行分析,得出各指標對植被垂直結構的權重(表2),結合實地調查的結果進行評判。

圖1 植被垂直結構層次模型

3.1.2 不同植被垂直結構評價結果 結合實地調查,植被垂直結構各個層次的評判指標乘以指標的權重得到各個指標的評判結果,然后對該植被類型的所有垂直結構的指標評判結果求和得到綜合評判值,(見表3)。

表2 林分垂直結構評價指標及權重

表3 不同林分類型的垂直結構評價結果

結果表明,植被垂直結構性:天然次生山楊林＞天然次生槲櫟林＞人工刺槐側柏混交林＞人工油松林＞人工刺槐林。總體趨勢天然林優(yōu)于人工林,人工混交林好于人工純林。其中,天然次生山楊林垂直結構綜合評判值是人工刺槐林的1.5倍,說明天然次生林成層現(xiàn)象復雜,即群落結構復雜,也表明天然次生的山楊林對該區(qū)域環(huán)境的適應良好,群落各層之間在利用和改造環(huán)境中達到平衡互補。同時天然次生林植物群落的成層性良好也是對該流域生態(tài)環(huán)境的一種指示,表明在該流域自然條件下植被群落的結構性可以達到程度,則依據(jù)該垂直結構性程度對人工林植被系統(tǒng)進行自然林分結構仿擬,同時發(fā)揮人工設計能力實現(xiàn)與自然林分結構的相近,以期達到與自然植被相近的功能。

3.2 不同林分類型水源涵養(yǎng)功能評價

森林植被對生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的影響主要表現(xiàn)在植被冠層、枯落物層及土壤層對降水的攔截和滯留作用。林冠截留功能受樹種組成、林分郁閉度、降雨條件等多種因素影響[8-10]?？葜β淙~層是實現(xiàn)森林涵養(yǎng)水源、保持水土的主要作用層之一,它的厚度和最大有效持水是衡量其持水能力的重要指標。據(jù)有關研究顯示[11-13],林地表面的枯落物層保持的最大水量可達到3～5 mm,在原始林最多可達30 mm。森林植被可以改變林下土壤理化性質,從而改變林地土壤的入滲率、入滲量,使降水部分蓄留在土壤中形成土壤水,部分形成徑流,參與流域匯流過程。一般使用土壤非毛管空隙飽和含水量計算林地總蓄水[10,14]。水源涵養(yǎng)功能的優(yōu)劣主要取決于水分在生態(tài)系統(tǒng)各層次間的傳輸過程,及林冠層的截留、枯落物層的蓄水和土壤層的貯水能力,這些過程最優(yōu)組合才能達到最佳的水源涵養(yǎng)能力。不同植被類型的空間配置才是實現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能的最終具體措施。據(jù)此,建立起不同林分類型空間配置層次分析模型(圖2)

圖2 水源涵養(yǎng)能力層次分析結構模型

通過專家打分與該區(qū)域實際調查結合,構造相應的判斷矩陣。對構造的判斷矩陣進行一致性檢驗,一致性比率為0.064,小于0.1,可以認為判斷矩陣具有滿意的一致性。因此6種不同林分水源涵養(yǎng)效果如表4所示:天然次生楊樹林＞天然次生槲櫟林＞刺槐刺柏混交林＞人工油松林＞人工刺槐林＞灌木林。

4 小流域水源涵養(yǎng)能力植被優(yōu)化配置

4.1 確定林分的優(yōu)化面積

劉家凹小流域是蔡家川流域中的嵌套小流域,該小流域中自然殘留的次生槲櫟林面積比重較大,占到總面積的 43%,其次是人工刺槐林,占到總面積的36%。依據(jù)各個植被類型的水源涵養(yǎng)能力的權重值對其現(xiàn)有面積進行調配,使現(xiàn)有林分類型的水源涵養(yǎng)能力達到最大化(表5)。在現(xiàn)有面積基礎上,人工刺槐林的面積需要減少70%,次生槲櫟林面積要減少42%,次生楊樹林面積則大幅增加660%,人工油松林面積增加680%,人工刺槐側柏林面積增加81%,灌木林的面積增加47%。因此,從水源涵養(yǎng)能力的目標出發(fā),需要在人工林營造過程中減少刺槐林的種植,增加油松林、刺槐側柏混交林的種植。天然次生林調整后次生的槲櫟林和次生楊樹林的面積之和(49%)與調整前二者和(46%)變化不大。另外,天然次生山楊林伴生少量槲櫟,山楊林是一種更新和演替變化比較快的森林植物群落,適應性廣,若在干燥貧瘠條件下可過渡成萌生槲櫟林,或者灌草叢,經(jīng)過長期封禁,促進天然更新,恢復成槲櫟林。同樣,天然槲櫟林采取措施可變成伴生有山楊的天然次生混交林[15]。所以在天然次生林面積調整過程中依據(jù)水源涵養(yǎng)能力采取人工措施使天然次生林根據(jù)需要進行撫育轉化。

表4 層次分析指標矩陣及指標權重

表5 不同林分類型優(yōu)化前后面積對比

4.2 優(yōu)化后林分的水源涵養(yǎng)能力

森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)主要靠枯落物層和土壤非毛管空隙的調節(jié),其能力占綜合調節(jié)能力的90%以上[16];森林冠層的調節(jié)能力相對較弱,多在2 mm以內。枯枝落葉層的調節(jié),約為3～10 mm[17]。林冠對降水的截留可以涵養(yǎng)水源,但截留的降水大部分蒸發(fā)耗掉,所以林冠截留也是一種耗水。因此在降水稀少的地區(qū)應適當控制和調節(jié)水源林的密度和郁閉度,增加落入林地的雨量,減少水分消耗。基于上述分析,同時限于試驗條件,該文應用層次分析法優(yōu)化后的結果,從枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)能力指標出發(fā)對劉家凹小流域不同林分的面積調整后的水源涵養(yǎng)能力進行對比。

表6為單位面積的不同林分類型的枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)能力。單位面積的枯落物最大持水量:灌木林＞天然次生楊樹林＞天然次生槲櫟林＞人工油松林＞人工刺槐林＞刺槐側柏林;單位面積枯落物有效持水能力天然次生楊樹林＞灌木林＞天然次生槲櫟林＞人工油松林＞刺槐側柏林＞人工刺槐林;土壤層的單位水源涵養(yǎng)能力則是灌木林＞天然次生楊樹林＞天然次生槲櫟林＞刺槐側柏林＞人工油松林＞人工刺槐林。

表6 單位面積的各種林分水源涵養(yǎng)能力 t/km2

假定其它條件不變,只有6種林分的面積變化,則結合表5—6,面積優(yōu)化前后的6種林分水源涵養(yǎng)能力變化如表7所示。調整后的該流域的枯落物最大持水量、枯落物有效持水量、土壤最大持水量、土壤有效持水量分別增加了9.38%,17.35%,38.03%和46.39%。調整后劉家凹小流域的總體水源涵養(yǎng)能力增加了35.99%,水源涵養(yǎng)效果更加顯著。

5 結論

應用層次分析法分別對蔡家川6種林分類型的垂直結構和水源涵養(yǎng)能力進行分析,結果表明,天然林林分的垂直結構和水源涵養(yǎng)能力好于人工林,林分垂直結構和水源涵養(yǎng)功能相一致,天然林植物物種數(shù)多,垂直層次性好,水源涵養(yǎng)能力也高。人工林的建設是一種人為仿擬自然植被的過程,因此人工林可以參照自然植被模式進行營建和管理。在對植被的類型、生長發(fā)育狀況、演替階段、面積、分布等調查研究的基礎上,根據(jù)實際需求、自然修復和人工重建相結合促進人工林向自然植被的演替。

表7 優(yōu)化調整后不同林分類型的水源涵養(yǎng)能力對比 t/km2

應用水源涵養(yǎng)能力層次分析的結果對蔡家川嵌套的劉家凹小流域的植被分布面積進行了配置優(yōu)化。在不考慮林冠截留條件下,該小流域應當減少純人工刺槐林,增加人工混交林,同時減少天然次生槲櫟林的面積,增加天然次生山楊林的面積。優(yōu)化后植被的水源涵養(yǎng)能力總體增加了35.99%,效果明顯。

本文應用層次分析法對黃土丘陵溝壑區(qū)森林小流域水源功能的研究提供了初步優(yōu)化結果,但這只是靜態(tài)地分析了植被垂直結構和水源涵養(yǎng)能力。限于研究條件未能考慮動態(tài)演替過程中森林植被對生境的影響,尤其是演替過程中林分各個層次對生態(tài)功能的影響。因此動態(tài)演替過程中植被對生境的影響需要進一步研究探索。

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