汪永英，段文標(biāo)

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，150040，哈爾濱)

小興安嶺南坡3種林型林地水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)

汪永英，段文標(biāo)?

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，150040，哈爾濱)

運(yùn)用層次分析法的原理和方法，通過(guò)選取影響林地枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)功能的11個(gè)指標(biāo)，對(duì)小興安嶺南坡3種主要林型枯枝落葉層和土壤層的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:天然楊樺混交林水源涵養(yǎng)綜合能力評(píng)價(jià)值最大(0.427 1)，落葉松人工林次之(0.368 7)，天然紅松林最小(0.204 1)，說(shuō)明天然楊樺混交林水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng)，落葉松人工林中等，天然紅松林最弱;3種林型的水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)際相吻合，表明層次分析法在不同林型水源涵養(yǎng)功能的定量評(píng)價(jià)上是可行的。

小興安嶺南坡;林型;層次分析法;水源涵養(yǎng)功能;評(píng)價(jià)

森林涵養(yǎng)水源功能價(jià)值是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，科學(xué)評(píng)價(jià)森林涵養(yǎng)水源的價(jià)值與合理制定森林的管理策略是林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的保障。森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)功能的重要組成部分［1］，主要體現(xiàn)在改善土壤理化性質(zhì)、攔蓄降水、減少土壤侵蝕等方面，它是森林的3個(gè)作用層(林冠層、枯枝落葉層和土壤層)共同作用的復(fù)雜過(guò)程。過(guò)去森林水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)多為針對(duì)某一特定層指標(biāo)的定性評(píng)價(jià)［2］，后來(lái)在篩選水土保持林林分時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些指標(biāo)功能優(yōu)秀的林分在其他指標(biāo)上卻不一定優(yōu)秀，甚至很差［3］。為此，許多學(xué)者開(kāi)展了森林?jǐn)r蓄降水和保土功能指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)研究，通過(guò)專(zhuān)家打分法、層次分析法、坐標(biāo)綜合評(píng)定法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等對(duì)森林3個(gè)作用層指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［4-6］。筆者在對(duì)小興安嶺南坡興隆林業(yè)局3種主要林型林地水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，通過(guò)層次分析法對(duì)不同林型的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行定量的綜合評(píng)價(jià)，選擇出綜合功能最好的林型，以期為小興安嶺南坡的森林營(yíng)造、退化森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為森林涵養(yǎng)水源功能的評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于小興安嶺南坡，隸屬于黑龍江省興隆林業(yè)局。地理坐標(biāo) E127°54'40″～ 128°51'15″，N46°01'30″～46°37'23″，海拔一般為 300 ～600 m。該區(qū)為典型的亞寒帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫2～3℃，年平均降水量700 mm，年降雪量300 mm，無(wú)霜期120 d。林區(qū)土壤屬棕色森林土帶，地帶性土壤為暗棕壤，非地帶性土壤有沼澤土、草甸土、白漿土。興隆林業(yè)局森林原生植被屬長(zhǎng)白山植物區(qū)系的小興安嶺亞區(qū)，植物種類(lèi)較多，約600余種，其中地衣植物80種、蘚類(lèi)植物89種、蕨類(lèi)植物32種、種子植物448種。種子植物中有裸子植物6種，被子植物442種。按林型大致可分為針闊混交林、硬闊葉混交林、楊樺林3大類(lèi)。垂直分布為高山坡地云冷杉林、紅云冷(紅皮云杉(Picea koraiensis)、魚(yú)鱗云杉(Picea jezoensis)、臭冷杉(Abies nephrolepis))針闊混交林、紅松(Pinus koraiensis)闊葉混交林和少量的針葉純林。平緩地為闊葉混交林，水平分布明顯，東部和北部是針闊混交林，南部和西部為珍貴闊葉林、楊樺林和少量的柞矮林［7］。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

于2006年5月，在研究地域內(nèi)選擇天然紅松林、落葉松人工林和天然楊樺混交林3種主要林型。在各林型典型的、有代表性的地段設(shè)置規(guī)格為20 m×20 m的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地，并進(jìn)行林分調(diào)查。調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種林型概況Tab．1 Characteristics of three forest stands

2.2 樣本采集

2.2.1 枯落物的采集 在臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)采用“十字交叉法”分別布設(shè)5個(gè)10 cm×10 cm的樣方。首先測(cè)定枯落物層厚度，然后按分解程度分別在未分解層(上層)和半分解層(下層)進(jìn)行枯落物的收集、烘干和稱(chēng)量，估算單位面積枯落物的蓄積量。

2.2.2 土壤樣本的采集 在臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，按照“蛇”形取樣法設(shè)定5個(gè)取樣點(diǎn)。在每個(gè)取樣點(diǎn)上，首先小心清理地表枯落物，然后用環(huán)刀在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層深度各取1個(gè)土樣，每個(gè)樣地共取15個(gè)土樣。

2.3 室內(nèi)測(cè)定

采用環(huán)刀法測(cè)定3種林型土壤密度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等物理性狀指標(biāo)。用室內(nèi)浸泡法測(cè)定林下枯落物的持水量和吸水速度?？萋湮镉行r蓄量則通過(guò)枯落物的最大持水率來(lái)計(jì)算［8-9］。

2.3.1 枯落物持水能力的測(cè)定 枯落物層的蓄水保水作用，能夠影響穿透降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)充和植物的水分供應(yīng)［10］，是森林水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要水文層次。將原狀枯落物樣品分別裝入戴蓋鋁盒，在清水中浸泡24 h，稱(chēng)量，每個(gè)植被類(lèi)型重復(fù)5次，另取未分解層、半分解層試樣，稱(chēng)量后分別裝入鋁盒，測(cè)定浸入清水后時(shí)間間隔為 0.25、0.5、1、2、4、8、24 h后質(zhì)量變化。測(cè)定時(shí)用紗布遮住鋁盒口，將鋁盒中的水倒出，靜置5 min左右，直至枯落物不滴水為止，迅速稱(chēng)枯落物的濕質(zhì)量并進(jìn)行記錄。如此反復(fù)來(lái)研究其吸水速度和吸水過(guò)程。

2.3.2 枯落物層最大持水量及最大持水率的計(jì)算枯落物的持水能力由林下枯落物的蓄積量和枯落物的持水特性二者共同決定［11-12］。浸水不同時(shí)間的枯落物持水量是指每次取出稱(chēng)量后的枯落物濕質(zhì)量與其風(fēng)干質(zhì)量的差值，枯落物的吸水速率則為枯落物持水量值與浸水時(shí)間的比值［13-15］。一般認(rèn)為，最大持水量是反映枯落物層持水性能的一個(gè)重要指標(biāo)，枯落物充分(約24 h)浸水后的持水量(率)為最大持水量(率)，根據(jù)枯落物的最大持水率和枯落物蓄積量，可以計(jì)算枯落物的最大持水量［16］。

式中:H為枯落物持水量，t/hm2;W1為枯落物濕質(zhì)量，t/hm2;W2為枯落物干質(zhì)量，t/hm2;Rm為枯落物最大持水率，%;Hm為枯落物最大持水量，t/hm2;M為枯落物蓄積量，t/hm2。

2.3.3 枯落物有效攔蓄量的計(jì)算 在自然條件下，枯落物最大持水量并不等于其對(duì)降雨的有效調(diào)蓄量，用最大持水率來(lái)估算枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力則偏高，不符合它對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄效果，它只能反映枯落物層的持水能力的大?。?6-18］。有效截留量才是反映枯落物對(duì)一次降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo)，其與枯落物水分狀況、數(shù)量、降雨特性有關(guān)。通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)各種林分枯落物的有效攔蓄量的研究及專(zhuān)家認(rèn)定結(jié)果，枯落物的實(shí)際持水量約為最大持水量的 85%［18］。枯落物有效攔蓄量用下式［19］求算:

式中W為有效攔蓄量，t/hm2。

2.3.4 土壤層貯水量測(cè)定 森林土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)貯蓄水分的主要場(chǎng)所，其蓄水能力的大小依賴(lài)于土壤種類(lèi)、土壤密度、土壤孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)含量等因素［20-21］。根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥赖膮^(qū)域特點(diǎn)和3種不同林型枯落物的采樣調(diào)查結(jié)果，采集0～20 cm表層土壤、20～40 cm亞表層土壤以及40～60 cm下層土壤［22］。利用環(huán)刀法對(duì)土壤孔隙度、土壤持水量以及土壤密度各項(xiàng)土壤物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。稱(chēng)取環(huán)刀(帶墊有濾紙的孔蓋)質(zhì)量，采樣后稱(chēng)取裝有濕土的環(huán)刀的質(zhì)量，然后將裝有濕土的環(huán)刀揭去上下底蓋，僅留墊有濾紙帶孔底蓋，放入平底盆中，注入水并保持盆中水層高度至環(huán)刀上沿為止，使其吸水達(dá)12 h，此時(shí)環(huán)刀中所有孔隙都充滿(mǎn)了水，蓋上上下底蓋，水平取出，用干毛巾擦掉環(huán)刀外沾的水，立即稱(chēng)量，即可算出土壤飽和持水量。將上述稱(chēng)量后的環(huán)刀，僅留帶濾紙帶孔眼的底蓋，放置在鋪有干沙的平底盆中2 h，此時(shí)環(huán)刀中土壤的非毛管水分已經(jīng)流出，但毛細(xì)管中仍充滿(mǎn)水分，蓋上底蓋，立即稱(chēng)量，即可算出毛管持水量。再將上述稱(chēng)量的環(huán)刀，繼續(xù)放置在鋪有干沙的平底盆中，保持48 h，蓋上上下底蓋，立即稱(chēng)量，即可算出田間持水量。

2.4 評(píng)價(jià)方法

在森林林地水源涵養(yǎng)功能的評(píng)價(jià)中，為相對(duì)精確地比較不同林型的水源涵養(yǎng)功能，可對(duì)其與水源涵養(yǎng)功能密切相關(guān)的枯落物層和土壤層持水性能情況加以評(píng)價(jià)并得出綜合性結(jié)論，然后根據(jù)3種不同林型，確定其重要性，最后對(duì)3種不同林型林地水源

涵養(yǎng)功能進(jìn)行排序。各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水源涵養(yǎng)功能的影響程度是不一致的，由于直接分析多個(gè)指標(biāo)對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能的影響非常困難;因此，根據(jù)層次分析法的基本原理，先分析每2個(gè)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性，得到比較矩陣，再計(jì)算矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，可以得到各指標(biāo)對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能的效應(yīng)，即權(quán)重。此時(shí)可以根據(jù)權(quán)重值的大小對(duì)森林林地水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.4.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型 根據(jù)層次分析法(AHP)的建立原則，對(duì)研究地內(nèi)3種主要林型與水源涵養(yǎng)功能的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析，以獲取研究地內(nèi)最佳水源涵養(yǎng)功能，并作為3種林型水源涵養(yǎng)功能的最終目標(biāo)，即層次結(jié)構(gòu)模型的目標(biāo)層(A層)。林地上水源涵養(yǎng)功能的優(yōu)劣主要取決于水分在森林各層次的傳輸過(guò)程，即枯落物層的蓄水能力和土壤層的貯水能力等，將與森林林地水源涵養(yǎng)功能密切相關(guān)的枯落物層和土壤層的11項(xiàng)指標(biāo)作為實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)的準(zhǔn)則層(B層)。林型的選擇是實(shí)現(xiàn)該研究地整體水源涵養(yǎng)功能的根本措施，故將3種林型作為實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)的方案層(C層)。為此，建立起森林水源涵養(yǎng)功能層次分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的AHP模型(表2)。

表2 森林林地水源涵養(yǎng)功能的AHP模型Tab．2 AHP model on water conservation function in three forest stands

2.4.2 判斷矩陣的構(gòu)建與檢驗(yàn) 通過(guò)廣泛征求相關(guān)專(zhuān)家的意見(jiàn)，結(jié)合該研究地實(shí)際調(diào)查和野外觀測(cè)的數(shù)據(jù)，針對(duì)準(zhǔn)則層各因素對(duì)水源涵養(yǎng)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)進(jìn)行專(zhuān)家打分，采用9分制，構(gòu)造相應(yīng)的判斷矩陣。對(duì)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)的步驟如下。

1)計(jì)算判斷矩陣一致性指標(biāo)IC(Consistency Index)。

式中:λmax為判斷矩陣最大特征根;n為判斷矩陣的階數(shù)。

一致性指標(biāo)IC的值越大，表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，IC的值越小，表明判斷矩陣越接近于完全一致性。一般判斷矩陣的階數(shù)n越大，人為造成的偏離完全一致性指標(biāo)IC的值便越大，n越小，人為造成的偏離完全一致性指標(biāo)IC的值便越小。顯然，當(dāng)判斷矩陣具有完全一致性時(shí)，IC=0。

2)查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR(Random Index)。針對(duì)不同的n值，Saaty給出了IR的值，表3給出了1～11階正互反矩陣計(jì)算1 000次得到的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)n＜3時(shí)，判斷矩陣永遠(yuǎn)具有完全一致性。

表3 不同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab．3 Average random index of different ranks

3)計(jì)算一致性比例RC(Consistency Ratio)。

當(dāng)RC＜0.10時(shí)，便認(rèn)為判斷矩陣具有可以接受的一致性。當(dāng)RC≥0.10時(shí)，就需要調(diào)整和修正判斷矩陣，使其滿(mǎn)足RC＜0.10，從而具有滿(mǎn)意的一致性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型枯落物層持水能力分析

根據(jù)浸水法和環(huán)刀法測(cè)定的3種林型枯落物層和土壤層的各項(xiàng)指標(biāo)值結(jié)果見(jiàn)表4。可以看出:不同林型枯落物的最大持水量有所不同，天然紅松林的最大持水量最大，為146.999 t/hm2，相當(dāng)于截持14.70 mm的降雨量，天然楊樺林次之，為110.303 t/hm2，落葉松人工林的最小，為108.414 t/hm2;不同林型枯落物的總蓄積量不同，有效攔蓄量也不盡相同。這是因?yàn)榭萋湮飳?duì)降雨的攔蓄，受枯枝和落葉的組織結(jié)構(gòu)以及它們?cè)诘孛娴亩逊e狀態(tài)的影響。落葉松人工林內(nèi)枯落物為針葉，數(shù)量很大，堅(jiān)挺、細(xì)長(zhǎng)，相互堆積交錯(cuò)，形成蓬松的結(jié)構(gòu)，空隙比較大，水分會(huì)在重力的作用下滲透，表面附著水量也較大，而天然楊樺混交林和天然紅松林，其枯落物的葉片大小適中，葉片彼此間容易貼近，形成適度空隙，質(zhì)地柔軟，且它們的表皮細(xì)胞組織很容易分解，形成葉脈的網(wǎng)絡(luò)對(duì)附著水的留存也更有利［18］。因此，天然紅松林和天然楊樺混交林對(duì)降雨的攔蓄作用較大，其有效攔蓄量分別為128.71和120.75 t/hm2，落葉松人工林最小，為111.75 t/hm2。

表4 3種林型林地持水能力指標(biāo)實(shí)測(cè)值Tab．4 Measured index values in water holding capacity of three forest stands

3.2 不同林型土壤層持水能力分析

由表4可知，3種林型中，天然楊樺混交林土壤飽和持水量和土壤田間持水量都處于最高水平，落葉松人工林次之，而土壤毛管持水量則是落葉松人工林處于最高水平，天然楊樺混交林次之。這主要是由于天然楊樺混交林土壤的毛管孔隙度和非毛管孔隙度的比例最為適中，因此，土壤持水性能相對(duì)要好一些。另外，天然楊樺混交林生長(zhǎng)在比較潮濕的地方，林下腐殖質(zhì)分解速度快，土壤性能更好。土壤毛管持水量反映了土壤的保水能力，毛管孔隙中所保存的水分，可以完全被植物根系利用;因此，天然楊樺混交林和落葉松人工林地表土層相對(duì)更有利于植物對(duì)水分的利用。

3.3 不同林型林地水源涵養(yǎng)功能的評(píng)價(jià)

根據(jù)研究地自然狀況，選取與森林水源涵養(yǎng)功能密切相關(guān)的枯落物層和土壤層的11個(gè)項(xiàng)目指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(表2)，采用層次分析法(AHP)對(duì)研究地3種主要林型林地的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括建立層次分析法模型、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序及其一致性檢驗(yàn)、層次總排序及其一致性檢驗(yàn)等6 個(gè)方面［23］。

應(yīng)用層次分析法之前，對(duì)小興安嶺南坡3種林分類(lèi)型枯枝落葉層和土壤層水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出，每項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)劣排序并不一致，在枯落物層中，最大持水量和有效攔蓄量排序均為天然紅松林＞天然楊樺混交林＞落葉松人工林，而在土壤層中，田間持水量和飽和持水量排序?yàn)樘烊粭顦寤旖涣郑韭淙~松人工林＞天然紅松林。應(yīng)用層次分析法之后，在枯落物層和土壤層選取影響水源涵養(yǎng)功能的11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，由各層判斷矩陣排序結(jié)果(表5)和判斷矩陣總排序綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)可見(jiàn)，判斷矩陣隨機(jī)一致性比率RC均小于0.10，表明判斷矩陣排序結(jié)果可靠，具有滿(mǎn)意的一致性。由此得出水源涵養(yǎng)綜合能力最強(qiáng)的林型是天然楊樺混交林，權(quán)重值為0.427 1，其次是落葉松人工林，權(quán)重值為0.368 7，最弱的是天然紅松林，權(quán)重值為0.204 2。

表5 各層判斷矩陣排序結(jié)果Tab．5 Sequencing results of judgment matrix of three forest stands

表6 3種林型水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab．6 Evaluation results of water conservation function of three forest stands

4 結(jié)論與討論

1)天然紅松林的枯落物最大持水量和有效攔蓄量均最優(yōu)，而落葉松人工林林地土壤的毛管持水量最大，天然楊樺混交林林地土壤的飽和持水量和田間持水量最大。

2)天然楊樺混交林水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng)，落葉松人工林中等，天然紅松林最弱。3種林型的水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)際相吻合，證實(shí)層次分析法在不同林型水源涵養(yǎng)功能的定量評(píng)價(jià)上是可行的。

層次分析法突出的優(yōu)點(diǎn)是可以盡量減少主觀因素的影響，將復(fù)雜問(wèn)題的各個(gè)因素通過(guò)劃分相互聯(lián)系的有序?qū)哟问怪畻l理化，較客觀地判斷出每一層次各評(píng)價(jià)因素相對(duì)的重要性。同時(shí)判斷矩陣偏離客觀實(shí)際的程度可由隨機(jī)一致性比率顯示，若判斷矩陣不滿(mǎn)意，則可調(diào)整，直至取得具有滿(mǎn)意的一致性為止。本文運(yùn)用層次分析法對(duì)小興安嶺南坡地區(qū)3種林型林地水源涵養(yǎng)功能影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定結(jié)果基本符合該區(qū)域的實(shí)際情況。這可為進(jìn)一步揭示小興安嶺南坡不同林型水源涵養(yǎng)功能方面的規(guī)律，以及該區(qū)域的林分設(shè)置、樹(shù)種選擇提供觀測(cè)信息，也可為加強(qiáng)該區(qū)域山地森林保護(hù)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供參考價(jià)值以及有效的判斷依據(jù)。

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Evaluation on water conservation capacity of three main forest types in southern slope of Xiaoxing’anling Mountains

Wang Yongying，Duan Wenbiao
(College of Forestry，Northeast Forestry University，150040，Harbin，China)

In this paper，to evaluate the water conservation capacity on the litter layer and soil layer of three main forest types in southern slope of Xiaoxing’anling Mountains，the eleven indices affecting water conservation capacity were selected，and analytic hierarchy process(AHP)method was employed.The results showed that natural poplar and birch mixed forest performed the best water conservation capacity(0.427 1)，followed by larch plantation(0.368 7)，and natural Korean pine forest was the weakest(0.204 2).The results were agreed with the reality.The AHP method can be used to give quantitative evaluation on water conservation capacity in different forest types.

southern slope of Xiaoxing’an Mountains;forest type;analytic hierarchy process(AHP);water conservation capacity;evaluation

2011-04-22

2011-06-07

項(xiàng)目名稱(chēng):黑龍江省“十一五”重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“重要水源地植被恢復(fù)、重建及優(yōu)化調(diào)控技術(shù)研究”(GA06B302-2)

汪永英(1973—)，女，博士研究生，講師。主要研究方向:森林氣象、水土保持。E-mail:wyy9422@yahoo.com.cn

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:段文標(biāo)(1964—)，男，博士，教授。主要研究方向:森林氣象，水土保持。E-mial:dwbiao88@163.com

(責(zé)任編輯:宋如華)