楊良辰, 張春茹

(1.河北省涉縣職業(yè)技術(shù)教育中心 河北 涉縣056400; 2.河北木蘭圍場國有林場管理局, 河北 圍場 068450)

枯落物層和土壤層對森林截留降水、減緩降雨速度和涵養(yǎng)水分具有很重要的作用[1]。木蘭圍場位于沿壩地區(qū)，森林多以針葉為主，其中華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)為主要組成部分，闊葉則以山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)為主[2-3]。森林是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其很重要的一個(gè)功能是水源涵養(yǎng)，減少水土流失，不同森林組成在水源涵養(yǎng)方面的能力也是不一樣的，具有一定的差異[4-6]。該地區(qū)的研究主要集中林分的結(jié)構(gòu)、生長特性、物種多樣性、森林各層次的水源涵養(yǎng)能力，但是對林分水源涵養(yǎng)綜合能力進(jìn)行評價(jià)的研究則相對較少。本文利用熵權(quán)法將沿壩地區(qū)3種典型森林類型的枯落物層與土壤層水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行量化，能夠更加直觀地進(jìn)行評價(jià)和比較，以便于為該地區(qū)的森林生態(tài)效益評價(jià)提供一定的理論依據(jù)[7-8]。

1 研究區(qū)概況

圍場縣位于承德境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°32′—118°14′，北緯41°35′—42°40′。與內(nèi)蒙古接壤，處于華北山石區(qū)的沿壩地區(qū)，是山區(qū)與壩上的過渡地帶，海拔750～1 829 m，年平均溫度較低，為-1.5～4.8℃,年無霜期90～125 d，年均降水時(shí)間分布很不均勻，集中性比較強(qiáng)，降雨量為380～560 mm，土壤的種類也較多，總共有143個(gè)土種，植物種類資源也是非常豐富，野生的種子植物達(dá)到了793種，蕨類植物22種。此次的試驗(yàn)地點(diǎn)在圍場縣木蘭林管局的北溝林場。

2 研究方法

2.1 枯落物層數(shù)據(jù)測定

2.1.1 枯落物生物量 2016年8月在沿壩地區(qū)的北溝林場，選擇華北落葉松純林、油松純林、針闊混交林3種林分類型設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的樣地，樣地的大小為30 m×30 m，并對標(biāo)準(zhǔn)地的基本情況進(jìn)行了調(diào)查(表1)，其中郁閉度的測定是通過在樣地內(nèi)機(jī)械地設(shè)置100個(gè)樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)位置上進(jìn)行抬頭垂直昂視，判斷該樣點(diǎn)是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計(jì)被覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，該點(diǎn)數(shù)與樣點(diǎn)數(shù)的比值則是林分的郁閉度。而枯落物生物量的測定則是在選取的標(biāo)準(zhǔn)地里選取樣地的4個(gè)角和中心位置設(shè)置5塊枯落物小樣方，大小為50 cm×50 cm，枯落物測定分未分解層和半分解層，以下枯落物的數(shù)據(jù)都是均值。

表1 3種林分類型標(biāo)準(zhǔn)地概況

注：Ⅰ代表華北落葉松純林，簡稱落葉松林；Ⅱ代表油松純林；Ⅲ代表針闊混交林,下表同。

2.1.2 枯落物持水量和吸水速率 利用室內(nèi)浸泡法對3種林分的枯落物持水量和持水速率進(jìn)行測定，先測量枯落物的厚度，根據(jù)枯落物分解的程度來進(jìn)行區(qū)分，劃分為未分解層與半分解層，然后要快速對其鮮重進(jìn)行稱量，此后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干，對其重量進(jìn)行再次稱重，最后將需要測定的枯落物在水中進(jìn)行浸泡，在0.5,1,2,4,6,8,10,24 h對枯落物的重量變化要進(jìn)行測定，從而得出枯落物的持水量、持水速率和最大持水率測定枯落物的持水量[9-11]。利用下式進(jìn)行計(jì)算：

C=(m1-m2)/m2×100%

(1)

S=(m3-m2)/m2×100%

(2)

Wm=(Rm-R0)M

(3)

式中：C為枯落物自然含水量(%)；m1為樣品鮮質(zhì)量(g)；m2為樣品烘干質(zhì)量(g)；S為飽和持水率，m3為樣品浸水24 h后的質(zhì)量(g)；Wm為枯落物的最大攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為平均自然含水量(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.1.3 枯落物有效攔蓄量 枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄量的測定，可以通過有效攔蓄量(modified interception)來進(jìn)行計(jì)算,即:

W=(0.85Rm-Ro)M

(4)

式中:W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);Ro為平均自然含水率(%);M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.2 土壤層物理性質(zhì)和土壤入滲過程測定

按照不同的土層深度取樣，即土壤剖面法，采用土壤烘干法和環(huán)刀法測定需要的土壤特性。其中土壤持水力S=10000hp,式中：S為土持水力(t/hm2)；h為土壤層厚度(m)；p為非毛管孔隙度(%)。

采用雙環(huán)法測定水分入滲土壤的過程，初滲率=最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量/入滲時(shí)間；平均滲透速率=達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量/達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間。利用Kostiakov模型來對水入滲土壤的過程來擬合，在f=at-b中：f為t時(shí)間時(shí)的瞬時(shí)入滲速率；t為入滲時(shí)間；a，b則是指試驗(yàn)資料擬合的參數(shù)。

2.3 水源涵養(yǎng)綜合評價(jià)

本研究為了能夠?qū)⒖萋湮飳雍屯寥缹拥乃男?yīng)更加直觀地進(jìn)行比較評價(jià)，利用熵權(quán)法對林分各因子進(jìn)行量化，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)下進(jìn)行計(jì)算，對3種林分類型的水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行綜合評價(jià)，主熵的概念源于熱力學(xué)，是對系統(tǒng)狀態(tài)不確定性的一種度量，通過熵值法得到各個(gè)指標(biāo)的信息熵，信息熵越小，信息的無序度越低，其信息的效用值越大，指標(biāo)的權(quán)重越大[12-13]。

(1) 依據(jù)以下公式計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的熵值，記為Hi，各指標(biāo)具體熵值，計(jì)算熵值公式為：

(5)

式中:Hi為熵值；k為常數(shù)1/lnn；fij為在第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)下第i個(gè)林分Hi的貢獻(xiàn)度；i表示林分類型數(shù)；j表示評價(jià)指標(biāo)數(shù)。

(2) 依據(jù)以下公式計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，記為wi，計(jì)算權(quán)重公式為：

(6)

式中：wi為權(quán)重；Hi為熵值；i為林分類型數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物生物量

枯落物的存量多少是由很多因素決定的，決定枯落物存量的是林分枯落物的進(jìn)入量和分解量，而林分枯落物的進(jìn)入量與林分樹種組成、郁閉度和林下植被生長情況都是有關(guān)的。由表2可以看出，針闊混交林的枯落物生物量最大，為17.19 t/hm2,其次是油松純林，大小為16.9 t/hm2，最小的是落葉松純林，為15.86 t/hm2。此外，3種林分的未分解層和半分解層的組成比例也是有差異的，其中落葉松純林和油松純林的未分解層的比例都是大于半分解層，而針闊混交林的半分解層的比例是大于未分解層的，針闊混交林未分解層所占比例最小，占總儲(chǔ)量的46.42%，落葉松純林則最大，占總儲(chǔ)量的54.54%，而油松居中為52.6%。

表2 3種林分類型枯落物生物量

3.2 枯落物水文效應(yīng)

3.2.1 枯落物最大持水量 3種林分類型中針闊混交林的最大持水量最大，為37.59 t/hm2,其次為油松純林和落葉松純林，分別為27.78 t/hm2和26.04 t/hm2；3種林分類型的最大持水率的范圍163.55%～216.55%，依次為針闊混交林分>油松純林>落葉松純林。

表3 3種林分類型枯落物最大持水量和最大持水率

3.2.2 枯落物持水過程 枯落物在浸泡持水過程中有一定的規(guī)律，在0.5 h內(nèi)是吸水最快的階段，隨著時(shí)間的推移枯落物的持水量不斷增加，最后趨于穩(wěn)定，但是不同的林分枯落物的持水速率也是有差距的，枯落物的這一過程與降雨時(shí)枯落物的攔蓄過程有一定的相似性，在降雨的初期,枯落物的攔蓄能力比較強(qiáng)，但是隨著枯落物的持水量增加，枯落物的吸持能力降低?？萋湮锏奈捶纸夂桶敕纸鈱拥某炙恳灿幸欢ǖ牟罹啵_(dá)到飽和的時(shí)間也不相同(表4)。對0.25～24 h之間3種類型林分枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間之間存在如下關(guān)系(表5):

Q=alnt+b

(7)

式中:Q為枯落物持水量(g/kg);t為浸泡時(shí)間(h);a為方程系數(shù);b為方程常數(shù)項(xiàng)。

表4 3種林分類型枯落物層持水過程 g/kg

3.2.3 枯落物吸水速率 通過試驗(yàn)表明，3種類型林分的枯落物的吸水速率具有一定的規(guī)律，在0.25～1 h內(nèi)，枯落物的吸水速率是最大的時(shí)候，隨后速率出現(xiàn)了較大的下降，在6 h左右時(shí)枯落物的下降速率趨于平緩，隨著時(shí)間推移，枯落物的吸水速率趨于穩(wěn)定，這種情況是因?yàn)殡S著浸泡的時(shí)間不斷增長，枯落物的持水量達(dá)到了最大持水量，即枯落物的持水量趨于飽和，持水速率也會(huì)趨于穩(wěn)定。

3.2.4 枯落物有效攔蓄量 林分類型下不同層次枯落物的攔蓄能力見表6，枯落物的累積量的大小排序?yàn)椋孩?Ⅱ>Ⅰ，針闊混交林的枯落物累積量最大為17.19 t/hm2，落葉松純林的最小為15.86 t/hm2，油松居中為16.9 t/hm2；最大持水量的大小排序?yàn)椋孩?Ⅱ>Ⅰ，針闊混交林最大為37.59 t/hm2，落葉松純林的最小為26.04 t/hm2，油松居中為27.78 t/hm2；有效攔蓄量大小排序?yàn)椋孩?Ⅱ>Ⅰ，有效攔蓄量針闊混交林的枯落物累積量最大為27.65 t/hm2，落葉松純林的最小為20.24 t/hm2，油松居中為21.71 t/hm2。最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄量的大小排序都是一樣的，其中針闊混交林的最大，油松其次，落葉松純林最小。

表5 不同林分枯落物層持水量、持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系

圖1 3種林分類型枯落物持水量、持水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系曲線

3.3 土壤層的水文效應(yīng)

3.3.1 土壤層的物理性質(zhì) 由表7可以看出，3種林分類型土壤容重的總體差距不大，其中落葉松純林的最大，為1.31 g/cm3，油松純林的次之，為1.21 g/cm3，針闊混交林的最小，為1.19 g/cm3；總孔隙度的排序?yàn)椋横橀熁旖涣?54.15%)>油松純林(49.31%)>落葉松純林(41.87%)；而非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)，其大小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?5.12%)>落葉松純林(4.89%)>油松純林(4.69%)。土壤持水能力大小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?363.52 t/hm-2)>落葉松純林(388.51 t/hm-2)>油松純林(267.33 t/hm-2)。

表6 不同林分枯落物層有效攔蓄能力

表7 3種林分類型土壤的物理性質(zhì)

3.3.2 土壤層的滲透性 土壤滲透性是土壤物理性質(zhì)的主要特征之一，它代表了入滲的速度，而且還是林分水源涵養(yǎng)的指標(biāo)之一。土壤的滲透性越好，林分的水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)，土壤的流失也會(huì)比較小，地表的徑流也會(huì)比較少，從而減少林分土壤被侵蝕的程度。從表8可以看出，3種林分土壤層的初滲速率差距比較大，大小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?24.7 mm/min)>落葉松純林(22.1 mm/min)>油松純林(18.9 mm/min)；隨著時(shí)間的不斷推移，土壤的入滲速率會(huì)趨于穩(wěn)定，各林分的穩(wěn)滲速率大小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?1 mm/min)>落葉松純林(0.9 mm/min)>油松純林(0.7 mm/min)；呈現(xiàn)這種情況的主要原因?yàn)椋横橀熁旖涣值耐寥缹拥姆敲芸紫稊?shù)量多，對于土壤的水分滲入非常有利，滲透性也會(huì)比較強(qiáng)，而油松純林土壤層的非毛管孔隙較少，不利于土壤層水分的滲入，滲透性也就比較差。3個(gè)林分達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間是不同的，針闊混交林時(shí)間最長為32 min，油松純林最小為25 min，落葉松純林居中為29 min。通過對入滲速率與入滲時(shí)間進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系：

f=at-b(R>0.96)

式中：f為入滲速率(mm/min)；a，b為常數(shù)；t為入滲時(shí)間(min)。

表8 3種林分類型土壤滲透的速率及滲透數(shù)學(xué)模型

3.4 水源涵養(yǎng)能力綜合評價(jià)

3.4.1 不同森林類型評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)表 本研究采用熵權(quán)法，選擇枯落物層和土壤層的指標(biāo)來進(jìn)行綜合評價(jià)，其中枯落物層水文效應(yīng)指標(biāo)選擇3個(gè)，包括枯落物蓄積量、有效攔蓄量和最大持水量；土壤層水文效應(yīng)選擇5個(gè)評價(jià)指標(biāo)，包括土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤持水力、初滲速率,總計(jì)8項(xiàng)指標(biāo)，綜合8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值來評價(jià)沿壩地區(qū)3種不同森林類型水源涵養(yǎng)能力(表9)。

表9 3種不同林分類型評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

注：A1為枯落物蓄積量，A2為枯落物有效攔蓄量，A3為枯落物最大持水量，A4為土壤容重，A5為土壤毛管孔隙度，A6為土壤非毛管孔隙度，A7為土壤持水力，A8初滲速率，下表同。

3.4.2 構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)矩陣并計(jì)算權(quán)重值 根據(jù)第j個(gè)屬性下第i個(gè)方案Ai的貢獻(xiàn)度，即先求出各列的和，然后用每行的數(shù)值比上列和，形成新的標(biāo)準(zhǔn)矩陣(表10)，再根據(jù)公式(5)計(jì)算出各指標(biāo)的熵值，最后利用公式(6)計(jì)算出各林分類型的權(quán)重值(表11)，利用熵值法計(jì)算得出的權(quán)重為枯落物蓄積量占1%，枯落物有效攔蓄量占19%，枯落物最大持水量占28%，土壤容重占2%，土壤毛管孔隙度占14%，土壤非毛管孔隙度占1%，土壤持水力占19%，初滲速率占16%，故我們在對林分水源涵養(yǎng)進(jìn)行綜合評價(jià)的時(shí)候更多要考慮林分枯落物的最大持水量、枯落物有效攔蓄量、土壤持水力和初滲速率，3種林分指標(biāo)的具體值與其權(quán)重的乘積之和為其綜合評價(jià)值，這樣得出3種林分類型綜合評分排序?yàn)椋横橀熁旖涣?16.968 9)>油松純林(12.854 4)>落葉松純林(12.103 8)。

表10 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

表11 各指標(biāo)權(quán)重值

表12 水源涵養(yǎng)能力評價(jià)

4 結(jié) 論

(1) 枯落物層最大持水量：針闊混交林>油松純林>落葉松純林，3種林分中針闊混交林的持水潛力是最大，落葉松純林相對是最小的；有效攔蓄量：針闊混交林>油松純林>落葉松純林，說明3種林分中真實(shí)攔蓄量最大的為針闊混交林，最次的落葉松純林，出現(xiàn)這種差異主要是因?yàn)榱址挚萋湮飳拥纳锪坎煌?，因此三種林分中最優(yōu)的水源涵養(yǎng)林為針闊混交林；持水量與浸水時(shí)間的回歸方程為Q=alnt+b(R2>0.97)，持水速率與浸水時(shí)間的回歸方程為V=Ktn(R2>0.94)?？萋湮锍炙疁y定采用了浸泡法，雖然在一定程度上反映了林分的真實(shí)攔蓄量，但是對于特定降雨情況的攔蓄能力還需要進(jìn)一步的研究。

(2) 3種林分類型總孔隙度、非毛管孔隙度和土壤的初滲速率最高的均為混交林，高于其他兩種純林，說明混交林的地理環(huán)境更有利于林木的生長和涵養(yǎng)水源。非毛管孔隙度與土壤持水力密切相關(guān)，其大小排序與土壤持水能力相同，大小依次排序?yàn)獒橀熁旖涣帧⒙淙~松純林、油松純林，3種林分土壤層的初滲速率差距比較大，大小依次排序?yàn)獒橀熁旖涣?、落葉松純林、油松純林；3個(gè)林分達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間是不同的，針闊混交林時(shí)間最長為32 min，油松純林最小為25 min，落葉松純林居中為29 min；入滲速率與入滲時(shí)間回歸方程為：f=at-b(R>0.96)。

(3) 利用熵權(quán)法計(jì)算得出的權(quán)重大小排序?yàn)椋嚎萋湮镒畲蟪炙?28%)>枯落物有效攔蓄量(19%)=土壤持水力(19%)>初滲速率(16%)>土壤毛管孔隙度(14%)>土壤容重(2%)>枯落物蓄積量(1%)=土壤非毛管孔隙度(1%)，3種林分類型綜合評分排序?yàn)椋横橀熁旖涣?16.968 9)>油松純林(12.854 4)>落葉松純林(12.103 8)。針闊混交林為最優(yōu)的水源涵養(yǎng)林，其在保持水土、涵養(yǎng)水源方面功能最強(qiáng)。