山東省石灰巖山地不同混交林改良土壤及減蝕效益評價

張如明， 李亦然， 李澤東， 曹 振， 張起利， 張永濤

(1.山東農業大學 林學院, 山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室,泰山森林生態系統定位研究站, 山東 泰安, 271018; 2.山東省濰坊市林業局, 山東 濰坊, 261000)

山東省石灰巖山地總面積約1.50×106hm2，約占全省的面積的 26%[1]，海拔300～900 m，土層瘠薄，土壤厚度在25 cm以下的約占總面積的 80%以上，巖石裸露，立地條件惡劣，造林困難，水土流失嚴重[2]。自上世紀 80 年代，為改善生態環境，開始大量造林，但因撫育管理不當及其他原因[3-4]，導致成活率較低。為充分發揮已存林分的生態效益，在早期造林基礎上進行了后期補種，形成混交林分，但仍面臨林分結構較差，樹種選擇不當，防護效益不佳。近年來中國對石灰巖山地荒山綠化多注重不同立地條件、不同林分密度、不同樹種水土保持效益研究[5]。如王永文等[6]對尾松混交林林下植被結構及生物量特征研究，李小倩等[7]對魯中南石灰巖山地針闊混交林土壤理化性狀及水文效益，胡建朋等[8]對山東石灰巖山地不同林分類型土壤入滲特征研究，劉麗[9]對濟南主城區石灰巖山地公園適生木本植物選擇研究，楊菲等[10]對魯中南片麻巖低山丘陵針闊混交林蓄水保土效益研究。

人工林作為陸地森林生態系統中的重要組成部分[11]其在荒山綠化中改善生態環境起到較好的作用。提高人工林生態效益，關鍵在于選擇優良的樹種，配置結構良好的林分，目前國內單從不同林分的生長狀況、改良土壤理化性狀效益、土壤水文效益、減蝕效益等方面研究不同林分蓄水保土效益的文章較多[7-8，10]，但在石灰巖山區進行不同樹種混交的防護林進行改良土壤效益與土壤減蝕效益綜合評價的文章不多見，對于哪些樹種混交更加適宜石灰巖山地缺乏研究。因此本文擬在適宜石灰巖山地對混交樹種及其混交林分進行研究和評價，以期對造林生產實踐產生重要的指導意義，發揮森林改良土壤與減少水土流失等生態效益，同時滿足人們對森林多功能效益的需要[12]，為山東退化石灰巖山地混交林大面積營造提供技術指導和理論依據。

1 研究區概況

研究區位于山東省莒縣浮來山鎮宋家山村、蒙陰縣云蒙湖生態區張家樓村黃斗頂、新泰市扒石山3個地方(118°44′—117°48′E, 35°44′—35°36′N)，海拔高度 185～480 m，土壤種類為褐土，土層厚度 8～50 cm，坡度 8°～28°，巖石為石灰巖，屬于魯中南低山丘陵區。該示范區屬暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候區，多年平均氣溫 12.8 ℃，年最低氣溫-15 ℃，年最高氣溫 39.4 ℃，>10 ℃年有效積溫為 4 195 ℃，年平均日照時數 2 450 h，無霜期 195 d，多年平均降水量 773 mm，造林前土壤侵蝕模數為25 t/(hm2·a)。在山坡上營造模型不同類型混交林各 2 hm2，以石灰巖山地傳統林分類型側柏純林作為對照。主要物種有：側柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、苦楝(Meliaazedarace)、臭椿(Ailanthusaltissima)、皂角(Gleditsiasinensis)、黃荊(Vitexnegundo)、酸棗(Ziziphusjujubevar.spinosa)、連翹(Forsythiasuspensa)、胡枝子(Lespedezabicolor)等灌木、藤本及草本(詳見表1)。

表1 山東省石灰巖山地不同林分類型樹木概況

2 研究方法

2.1 研究材料

本文選取石灰巖山地為研究對象。研究區的石灰巖山地立地條件普遍較差，典型的混交模式主要有8類，喬灌混交和針闊混交。喬灌混交類型主要有3種：5 a生側柏連翹混交林、側柏山杏混交林(P.orientalis+Armeniacasibirica)和側柏黃櫨混交林，造林地位于山坡中上部、平均土層厚度25 cm，坡度10°～25°，2005年采用長×寬×深為0.4 m×0.4 m×0.3 m的穴狀整地，側柏于同年7月采用容器苗造林，連翹、扶芳藤、山杏和黃櫨于同年9月采用裸根苗造林；針闊混交類型共5種：側柏五角楓混交林(P.orientalis+Acermonomaxin)、側柏刺槐混交林、側柏苦楝、側柏黃連木混交林(P.orientalis+PistaciachinensisBunge)和側柏臭椿，造林地位于山坡中上部、平均土層厚度30 cm、坡度15°～25°。2005年采用長×寬×深為0.7 m×0.5 m×0.4 m的穴狀整地，側柏于同年7月采用容器苗造林，五角楓、刺槐和黃連木于同年4月采用裸根苗造林。

2.2 評價指標的構建

評價指標體系的構建是進行不同混交林林分改良土壤及減蝕效益評價的前提條件，而評價指標選取的不同直接影響了評價結果。評價指標的選取需要遵循：客觀性、代表性、獨立性、可比性等原則，盡量減少因指標選取不當而引起的評價結果的偏離。本文采取調查研究和目標分解相結合的方法，同時結合前人的研究成果[13]，從不同樹種混交林分的改良土壤與減蝕效益兩個方面選取了13個重要指標，包括：郁閉度、冠幅、樹高、土壤容重、總孔隙度、速效氮、速效磷、速效鉀、土壤飽和貯水量、穩滲速率、滲透時間、土壤減蝕量、枯落物層厚度。具體指標數據如表2所示。

表2 山東省石灰巖山地不同林分類型評價指標

注：表中“+”代表正效益指標，值越大改良土壤與減蝕效益越好，“-”代表負效益指標，值越大其改良土壤與減蝕效益越差。

2.3 測定方法

(1) 林木生長量測定。在不同樹種混交林分內選取標準地，面積均為20 m×20 m,測定林分郁閉度、冠幅、樹高。

(2) 土壤物理性狀和水文效應的測定。在標準地內均勻選取5個測點，用鋁盒在標準地測點0—10 cm，10—20 cm層取樣，每層3次重復。用烘干法測定土壤含水量，用環刀浸水法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，根據測定結果計算出毛管最大持水量、現有土壤貯水量、土壤飽和貯水量等指標。

(3) 土壤氮磷鉀含量測定。水解氮用堿解擴散法，有效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀用火焰光度計法，全氮用凱氏消煮法，全磷用硫酸—高氯酸溶液—鉬銻抗比色法，全鉀用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法。

(4) 土壤滲透速率。用單環定量加水法測定。

(5) 土壤侵蝕量的測定。用標尺法測定，取3 a土壤侵蝕模數的平均值。

2.4 數據標準化處理

在數據運用之前統一原始數據存在的不同量綱，縮小指標間數量的明顯差異，即進行數據的標準化。本文利用極差法，對數據進行標準化。

(1)

(2)

式中：P——標準化后所得的數據；P——某項指標的原始數據；Pmax——某項原始數據的最大值；Pmin——某項原始數據的最小值。

2.5 改良土壤與土壤減蝕效益評價方法

本研究運用層次分析法(AHP)對9種5 a生的不同樹種混交林分類型進行評價。層次分析法是對定性問題進行定量分析的一種簡便、靈活而又實用的多準則層決策方法。它能把人的過程層次化、數量化、并運用數學分析、決策或控制提供定量依據。

2.5.1 建立不同混交林層次分析評價模型 建立一個好的混交林層次分析模型，是遴選優勢混交樹種的關鍵。將決策的目標、考慮的因素和決策對象按照它們之間的相互關系分為最高層，中間層和決策層繪出層次結構圖(如圖1所示)。

2.5.2 構建判斷矩陣 首先建立層次分析模型如圖1所示，然后在確定各層次各因素之間的權重時，采用相對尺度，將因素兩兩相比較，構建比較判斷矩陣。

為了使各因子Cij之間進行兩兩比較得到量化后的判斷矩陣，引入Santy標度(詳見表3)。

在建立分析模型后需要對每層的因子相對重要性按著標度給出判斷賦值(如表4所示)：

其中，Cij=1/Cij(i≠j),且Cij>0；要由矩陣C確定C1，…，Cn對Bk的權向量。

圖1 山東省石灰巖山地不同混交林分改良土壤與減蝕效益層次分析評價模型表3 Santy標度賦值與釋義

值含 義 1表示兩個因素相比,具有同樣重要性2表示兩個因素相比,一個因素比另一個因素稍微重要5表示兩個因素相比,一個因素比另一個因素稍微重要7表示兩個因素相比,一個因素比另一個因素稍微重要9表示兩個因素相比,一個因素比另一個因素稍微重要2,4,6,8上述兩相鄰判斷的中值倒數因素i與j比較的判斷Cij,則因素j與i比較判斷的Cji=1/Cij

表4 判斷矩陣

2.5.3 層次單排序及一致性檢驗

(3)

式中：(CW)i——CW第i個因子。

(2) 一致性檢驗能否確認層次單排序，需要進行一致性檢驗，所謂一致性檢驗是指對C確定不一致的允許范圍。一致性檢驗首先要計算出一致性指標IC。IC計算公式為：

(4)

式中：λmax——判斷矩陣的最大特征之值；n——比較矩陣的階數。

IC=0，有完全的一致性；

IC接近于0，有滿意的一致性；

IC越大，不一致越嚴重。

當階數n大于2時，為衡量IC的大小，引入隨機一致性指標IR，取值如表5所示，n表示矩陣的階數[14]。

表5 隨機一致性指標IR取值

當RC=IC/IR<0.10時，即認為判斷矩陣C的不一致性程度在允許范圍內，具有滿意的一致性，通過一致性檢驗，可用其歸一化特征向量作為權向量，否則就需要調整判斷矩陣。

3 結果與分析

通過對9種不同林分指標的分析，可對這些林分優缺點做一個大致的了解，但是每一類不同林分之間又存在一定的差異，為了綜合比較9種不同林分類型改良土壤與減蝕效益，需要進行綜合(AHP)評價。

改良土壤與減蝕與減蝕效益是衡量不同樹種混交林林分類型在生長狀況、改良土壤理化性狀、土壤水文、土壤減蝕效益等方面存在一定的差異。其生長狀況指標包括：郁閉度、冠幅、樹高；改良土壤理化性狀指標包括：土壤容重、總孔隙度、速效氮、速效磷、速效鉀；林分土壤水文指標包括：土壤飽和貯水量、穩滲速率、滲透時間；土壤減蝕量指標包括：土壤減蝕量、枯落物層厚度。具體數據如表6—7所示。

表6 石灰巖山地不同樹種混交林分類型改良土壤與減蝕效益指標

表7 石灰巖山地不同樹種混交林分類型改良土壤與減蝕效益指標

9種不同樹種混交林林分類型改良土壤與減蝕效益指標如表6—7所示。

從不同樹種生長狀況3個代表性指標來講，郁閉度是指森林中喬木樹冠在陽光直射下在地面的總投影面積(冠幅)與此林地(林分)總面積的比，它反映了林分的密度、植被覆蓋度，與改良土壤理化性狀和防止土壤侵蝕密切相關。其中郁閉度和冠幅較大的是苦楝側柏混交林，最小的是側柏純林；樹高代表不同樹種同一時期生長高度，反映了土壤肥力等生產潛力，其中刺槐側柏混交林生長較高，最低的是側柏純林，綜合不同混交林林分的生長狀況可以得出苦楝側柏混交林和刺槐側柏混交林表現較好，側柏純林較差。

從改良土壤理化性狀4個代表性指標來講，土壤容重越小，土壤質地越疏松，其蓄水能力，增加降雨入滲，減輕地表徑流沖刷能力越強[15]。其次，土壤的總孔隙度直接影響到土壤的通氣性和透水性[16]和土壤中水、肥、氣、熱及生物活性[17]，且土壤的總孔隙度對土壤的飽和貯水量、減小地表徑流有重要意義[18]。由表6可知，刺槐側柏混交林土壤容重最小，山杏側柏混交林土壤容重最大；從土壤總孔隙度來說，苦楝側柏混交林最大，側柏純林孔隙度最小；從土壤養分含量指標來說，其中苦楝側柏混交林土壤氮磷鉀含量較高，更有利于林分生長，側柏純林林下土壤養分含量偏低，說明其改良土壤的能力較小。綜合改良土壤理化性狀四個指標來看，苦楝側柏混交林和刺槐側柏混交林表現較好，側柏純林較差。

同理，從土壤水文效益綜合來講，苦楝側柏混交林的土壤飽和貯水量、穩滲速率、滲透時間表現較好，側柏純林表現較差；

從土壤減蝕效益兩個代表性指標來講，不同林分對土壤侵蝕量存在明顯的差異，其中黃櫨側柏混交林減少土壤流失效果較好，側柏純林較差；枯落物層對減少降雨對土壤的沖擊起到很好的保護作用，基本上與土壤減蝕量成正相關關系。從表7可以看出，山杏側柏混交林枯落物層較厚，側柏純林較薄，從觀測到的土壤減蝕量結果也能看出，黃櫨側柏混交林減蝕效益最好，側柏純林較差。

為了更好地區分不同混交林改良土壤與減蝕效益，需要把9種不同混交林改良土壤與減蝕效益指標標準化后帶入AHP軟件，進行層次分析，分析結果如表8所示。

表8 石灰巖山地不同樹種混交林分類型指標層各指標權重蓄水保土效益得分

按上述方法，求得

經表查的IR=0，因此RC=IC/IR=0<0.10表明判斷矩陣的一致性符合要求。

同理，不同樹種混交林林分類型改良土壤與減蝕效益得分結果如表9所示。

表9 石灰巖山地不同樹種混交林林分類型得分結果

由表8準則層判斷矩陣及其權重可知，在石灰巖山地造林綠化存在困難的情況下，石灰巖山地首先考慮不同樹種混交林分在極其惡劣的立地條件下保證其能夠正常生長，然后再考慮其改良土壤理化性狀效益、土壤水文效益與土壤減蝕效益，其中生長狀況權重為0.519 3，占總權重比例最大，說明生長狀況指標對不同林分類型樹種影響較大，反之土壤減蝕效益權重為0.078 9，占總權重比例最小，影響較小，其生長狀況權重占總權重的一半多，其中改良土壤理化性狀效益和土壤水文效益權重為均為0.200 9，說明其對不同林分類型數種影響相當。

由表9不同樹種混交林分類型得分結果可知，苦楝側柏混交林改良土壤與減蝕效益最佳，得分為0.149 1，刺槐側柏混交林次之，得分為0.145 7，側柏純林最差，得分為0.051 7，其他混交林得分分別為：黃櫨側柏混交林0.140 6，臭椿側柏混交林0.132 8，五角楓側柏混交林0.105 6，連翹側柏混交林0.099 4，黃連木側柏混交林0.089 6，山杏側柏混交林0.085 4。由表9不同樹種混交林林分類型得分結果可知，不同混交林林分大小依次排序為：苦楝側柏混交林>刺槐側柏混交林>黃櫨側柏混交林>臭椿側柏混交林>五角楓側柏混交林>連翹側柏混交林>黃連木側柏混交林>山杏側柏混交林>側柏純林。

4 結 論

(1) 從不同混交林林分類型的生長狀況、改良土壤理化性狀、土壤水文、土壤減蝕量的指標權重來講，在進行荒山綠化時，生長狀況對改良土壤和減蝕效益的影響權重最大，然后再是其他指標。

(2) 對不同混交林改良土壤與減蝕效益進行綜合AHP分析評價，苦楝側柏混交林優于其它混交林林分，其次是刺槐側柏混交林，都優于側柏純林。

綜上所述，在山東省石灰巖山地進行荒山綠化時，兼顧改良土壤及土壤減蝕多功能水土保持效益目標，應優先考慮苦楝側柏混交林、刺槐側柏混交林。應該對傳統側柏純林進行林分混交升級改造。