小興安嶺南坡3種林型林地水源涵養(yǎng)功能評價

汪永英，段文標

(東北林業(yè)大學林學院，150040，哈爾濱)

小興安嶺南坡3種林型林地水源涵養(yǎng)功能評價

汪永英，段文標?

(東北林業(yè)大學林學院，150040，哈爾濱)

運用層次分析法的原理和方法，通過選取影響林地枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)功能的11個指標，對小興安嶺南坡3種主要林型枯枝落葉層和土壤層的水源涵養(yǎng)功能進行定量評價。結(jié)果表明:天然楊樺混交林水源涵養(yǎng)綜合能力評價值最大(0.427 1)，落葉松人工林次之(0.368 7)，天然紅松林最小(0.204 1)，說明天然楊樺混交林水源涵養(yǎng)功能最強，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)功能的強弱與現(xiàn)實生產(chǎn)實際相吻合，表明層次分析法在不同林型水源涵養(yǎng)功能的定量評價上是可行的。

小興安嶺南坡;林型;層次分析法;水源涵養(yǎng)功能;評價

森林涵養(yǎng)水源功能價值是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究的熱點問題之一，科學評價森林涵養(yǎng)水源的價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個作用層(林冠層、枯枝落葉層和土壤層)共同作用的復雜過程。過去森林水源涵養(yǎng)功能評價多為針對某一特定層指標的定性評價［2］，后來在篩選水土保持林林分時發(fā)現(xiàn)，某些指標功能優(yōu)秀的林分在其他指標上卻不一定優(yōu)秀，甚至很差［3］。為此，許多學者開展了森林攔蓄降水和保土功能指標的綜合評價研究，通過專家打分法、層次分析法、坐標綜合評定法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等對森林3個作用層指標進行綜合評價［4-6］。筆者在對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)功能指標定性評價的基礎(chǔ)上，通過層次分析法對不同林型的水源涵養(yǎng)功能進行定量的綜合評價，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造、退化森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為森林涵養(yǎng)水源功能的評價提供參考依據(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 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氣候，年平均氣溫2～3℃，年平均降水量700 mm，年降雪量300 mm，無霜期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白山植物區(qū)系的小興安嶺亞區(qū)，植物種類較多，約600余種，其中地衣植物80種、蘚類植物89種、蕨類植物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。垂直分布為高山坡地云冷杉林、紅云冷(紅皮云杉(Picea koraiensis)、魚鱗云杉(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的臨時標準地，并進行林分調(diào)查。調(diào)查結(jié)果見表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 在臨時標準地內(nèi)采用“十字交叉法”分別布設(shè)5個10 cm×10 cm的樣方。首先測定枯落物層厚度，然后按分解程度分別在未分解層(上層)和半分解層(下層)進行枯落物的收集、烘干和稱量，估算單位面積枯落物的蓄積量。

2.2.2 土壤樣本的采集 在臨時標準地內(nèi)，按照“蛇”形取樣法設(shè)定5個取樣點。在每個取樣點上，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個土樣，每個樣地共取15個土樣。

2.3 室內(nèi)測定

采用環(huán)刀法測定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。用室內(nèi)浸泡法測定林下枯落物的持水量和吸水速度?？萋湮镉行r蓄量則通過枯落物的最大持水率來計算［8-9］。

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

2.3.2 枯落物層最大持水量及最大持水率的計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］。浸水不同時間的枯落物持水量是指每次取出稱量后的枯落物濕質(zhì)量與其風干質(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間的比值［13-15］。一般認為，最大持水量是反映枯落物層持水性能的一個重要指標，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算 在自然條件下，枯落物最大持水量并不等于其對降雨的有效調(diào)蓄量，用最大持水率來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力則偏高，不符合它對降雨的實際攔蓄效果，它只能反映枯落物層的持水能力的大小［16-18］。有效截留量才是反映枯落物對一次降水攔蓄的真實指標，其與枯落物水分狀況、數(shù)量、降雨特性有關(guān)。通過參考國內(nèi)外專家對各種林分枯落物的有效攔蓄量的研究及專家認定結(jié)果，枯落物的實際持水量約為最大持水量的 85%［18］?？萋湮镉行r蓄量用下式［19］求算:

式中W為有效攔蓄量，t/hm2。

2.3.4 土壤層貯水量測定 森林土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)貯蓄水分的主要場所，其蓄水能力的大小依賴于土壤種類、土壤密度、土壤孔隙度和土壤有機質(zhì)含量等因素［20-21］。根據(jù)當?shù)赝寥赖膮^(qū)域特點和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)刀法對土壤孔隙度、土壤持水量以及土壤密度各項土壤物理性質(zhì)指標進行測定。稱取環(huán)刀(帶墊有濾紙的孔蓋)質(zhì)量，采樣后稱取裝有濕土的環(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12 h，此時環(huán)刀中所有孔隙都充滿了水，蓋上上下底蓋，水平取出，用干毛巾擦掉環(huán)刀外沾的水，立即稱量，即可算出土壤飽和持水量。將上述稱量后的環(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，此時環(huán)刀中土壤的非毛管水分已經(jīng)流出，但毛細管中仍充滿水分，蓋上底蓋，立即稱量，即可算出毛管持水量。再將上述稱量的環(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，立即稱量，即可算出田間持水量。

2.4 評價方法

在森林林地水源涵養(yǎng)功能的評價中，為相對精確地比較不同林型的水源涵養(yǎng)功能，可對其與水源涵養(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價并得出綜合性結(jié)論，然后根據(jù)3種不同林型，確定其重要性，最后對3種不同林型林地水源

涵養(yǎng)功能進行排序。各個評價指標對水源涵養(yǎng)功能的影響程度是不一致的，由于直接分析多個指標對森林水源涵養(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個指標之間的相對重要性，得到比較矩陣，再計算矩陣的標準化特征向量，并進行一致性檢驗，可以得到各指標對森林水源涵養(yǎng)功能的效應，即權(quán)重。此時可以根據(jù)權(quán)重值的大小對森林林地水源涵養(yǎng)功能進行評價。

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，即層次結(jié)構(gòu)模型的目標層(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項指標作為實現(xiàn)總目標的準則層(B層)。林型的選擇是實現(xiàn)該研究地整體水源涵養(yǎng)功能的根本措施，故將3種林型作為實現(xiàn)總目標的方案層(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 通過廣泛征求相關(guān)專家的意見，結(jié)合該研究地實際調(diào)查和野外觀測的數(shù)據(jù)，針對準則層各因素對水源涵養(yǎng)總目標的貢獻進行專家打分，采用9分制，構(gòu)造相應的判斷矩陣。對判斷矩陣的一致性檢驗的步驟如下。

1)計算判斷矩陣一致性指標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IC的值便越大，n越小，人為造成的偏離完全一致性指標IC的值便越小。顯然，當判斷矩陣具有完全一致性時，IC=0。

2)查找相應的平均隨機一致性指標IR(Random Index)。針對不同的n值，Saaty給出了IR的值，表3給出了1～11階正互反矩陣計算1 000次得到的平均隨機一致性指標。當n＜3時，判斷矩陣永遠具有完全一致性。

表3 不同階平均隨機一致性指標Tab．3 Average random index of different ranks

3)計算一致性比例RC(Consistency Ratio)。

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

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)刀法測定的3種林型枯落物層和土壤層的各項指標值結(jié)果見表4?？梢钥闯?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。這是因為枯落物對降雨的攔蓄，受枯枝和落葉的組織結(jié)構(gòu)以及它們在地面的堆積狀態(tài)的影響。落葉松人工林內(nèi)枯落物為針葉，數(shù)量很大，堅挺、細長，相互堆積交錯，形成蓬松的結(jié)構(gòu)，空隙比較大，水分會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，且它們的表皮細胞組織很容易分解，形成葉脈的網(wǎng)絡(luò)對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實測值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，土壤持水性能相對要好一些。另外，天然楊樺混交林生長在比較潮濕的地方，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更有利于植物對水分的利用。

3.3 不同林型林地水源涵養(yǎng)功能的評價

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個項目指標作為評價指標(表2)，采用層次分析法(AHP)對研究地3種主要林型林地的水源涵養(yǎng)功能進行評價，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、層次總排序及其一致性檢驗等6 個方面［23］。

應用層次分析法之前，對小興安嶺南坡3種林分類型枯枝落葉層和土壤層水源涵養(yǎng)功能指標的測定結(jié)果見表4，可以看出，每項指標的優(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為天然楊樺混交林＞落葉松人工林＞天然紅松林。應用層次分析法之后，在枯落物層和土壤層選取影響水源涵養(yǎng)功能的11個指標進行分析，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價結(jié)果(表6)可見，判斷矩陣隨機一致性比率RC均小于0.10，表明判斷矩陣排序結(jié)果可靠，具有滿意的一致性。由此得出水源涵養(yǎng)綜合能力最強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)功能綜合評價結(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，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)功能的強弱與現(xiàn)實生產(chǎn)實際相吻合，證實層次分析法在不同林型水源涵養(yǎng)功能的定量評價上是可行的。

層次分析法突出的優(yōu)點是可以盡量減少主觀因素的影響，將復雜問題的各個因素通過劃分相互聯(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價因素相對的重要性。同時判斷矩陣偏離客觀實際的程度可由隨機一致性比率顯示，若判斷矩陣不滿意，則可調(diào)整，直至取得具有滿意的一致性為止。本文運用層次分析法對小興安嶺南坡地區(qū)3種林型林地水源涵養(yǎng)功能影響因素評價指標權(quán)重的確定結(jié)果基本符合該區(qū)域的實際情況。這可為進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、樹種選擇提供觀測信息，也可為加強該區(qū)域山地森林保護、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供參考價值以及有效的判斷依據(jù)。

［1］黃進，張金池，楊會，等.桐廬生態(tài)公益林主要森林類型水源涵養(yǎng)功能綜合評價［J］.中國水土保持科學，2010，8(1):46-50

［2］楊吉華，張永濤，李紅云，等.不同林分枯落物的持水性能及對表層土壤理化性狀的影響［J］.水土保持學報，2003，17(2):87-92

［3］張志強，余新曉，趙玉濤，等.森林對水文過程影響研究進展［J］.應用生態(tài)學報，2003，14(1):113-116

［4］周曉峰，趙惠勛，孫慧珍，等.正確評價森林水文效應［J］.自然資源學報，2001，16(5):420-426

［5］王禮先，張志強.森林植被變化的水文生態(tài)效應研究進展［J］.世界林業(yè)研究，1998，11(6):6-23

［6］陳引珍，程金花，張洪江，等.縉云山幾種林分水源涵養(yǎng)和保土功能評價［J］.水土保持學報，2009，23(2):66-70

［7］李久貴，劉傳翔，杜冬昌，等.興隆林業(yè)局植被分布規(guī)律分析［J］.林業(yè)勘查設(shè)計，2004(4):55-56

［8］林開敏，羅發(fā)潘，鄭郁善，等.封山育林的馬尾松群落水源涵養(yǎng)功能研究［J］.福建林學院學報，1995，15(3):262-266

［9］劉少沖，段文標，陳立新，等.蓮花湖庫區(qū)幾種主要林型水文功能的分析和評價［J］.水土保持學報，2007，21(1):79-83

［10］Putuhenu W，Cordery I.Estimation of interception capacity of the forest floor［J］.Journal of Hydrology，1996，180:283-299

［11］王勤，張宗應，徐小牛，等.安徽大別山庫區(qū)不同林分類型的土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能［J］.水土保持學報，2003，17(3):59-62

［12］喻武，萬丹，丁晨曦，等.色季拉山兩種典型林分枯落物持水性能［J］.中國農(nóng)學通報，2010，26(20):141-145

［13］吳欽孝，趙鴻雁，劉向東，等.森林枯枝落葉層涵養(yǎng)水源保持水土的作用評價［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1998，4(2):23-28

［14］張洪江，程金花，史玉虎，等.三峽庫區(qū)3種林下枯落物儲量及其持水特性［J］.水土保持學報，2003，17(3):56-58

［15］張振明，余新曉，牛健植，等.不同林分枯落物層的水文生態(tài)功能［J］.水土保持學報，2005，19(3):140-143

［16］劉少沖，段文標，趙雨森，等.蓮花湖庫區(qū)幾種主要林型枯落物層的持水性能［J］.中國水土保持科學，2005，3(2):81-86

［17］段文標，劉少沖，陳立新，等.蓮花湖庫區(qū)水源涵養(yǎng)林水文效應的研究［J］.水土保持學報，2005，19(5):26-30

［18］汪永英，陶繼哲.小興安嶺南坡4種林分類型枯落物水文特性研究［J］.森林工程，2008，24(3):21-25

［19］陳祥偉，王文波，夏祥友，等.小流域水源涵養(yǎng)林優(yōu)化配置［J］.應用生態(tài)學報，2007，18(2):267-271

［20］Jin M，Zhang R，Sun L，et al.Temporal and spatial soil water management:A case study in the Heilonggang region，PR China［J］.Agricultural Water Management，1999，42:173-187

［21］張彪，李文華，謝高地，等.森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其計量方法［J］.生態(tài)學雜志，2009，28(3):529-534

［22］馬云，何丙輝，何建林，等.植物籬對紫色土區(qū)坡地不同土層土壤物理性質(zhì)的影響［J］.水土保持學報，2010，24(6):60-70

［23］吳欽孝，趙鴻雁，劉向東，等.森林枯落物層涵養(yǎng)水源保持水土的作用評價［J］.水土保持學報，1984，4(2):23-28

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

項目名稱:黑龍江省“十一五”重大科技攻關(guān)項目“重要水源地植被恢復、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

?責任作者簡介:段文標(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

(責任編輯:宋如華)