沿壩地區6種典型林分類型生態效益綜合評價

李惠麗，周長亮

（河北省木蘭圍場國有林場，河北 圍場068450）

河北省沿壩地區位于首都北京的上風口，其生態效益的好壞直接影響北京的生態環境。近年來對沿壩地區水文效應的研究較多，但對水文效應的綜合分析并不多，而對林分多功能的系統研究更少了。本次研究主要是利用近年木蘭林場森林撫育成效監測數據對木蘭林場6種典型林分類型的生態效應進行綜合評價，以期為之后的森林經營、撫育等工作提供數據支持和理論依據。

1 研究地概況

研究區位于河北承德市圍場縣木蘭圍場國有林場，是冀北山地與蒙古高原的交界處，坐標為41°56′~42°15′N，117°44′~118°9′E，海拔750~2067m，坡度15°~30°，屬大陸性季風型高原山地氣候，最高氣溫38.9℃，最低-42.9℃，土壤為棕壤，主要喬木樹種有白樺（Betula platyphylla）、油松（Pinus tabulae）、華北落葉松（Larix principis-rupprechti）、山楊（Pobulus davidiana）、五角楓（Acermono Maxim）等[1]。

2 研究方法

2.1 樣地調查

本次研究樣地選擇在木蘭林場內，選擇具有代表性的林分類型，包括楊樹白樺混交林、油松落葉松混交林、油松純林、白樺純林、落葉松白樺混交林、落葉松純林6種林分類型，其立地條件相近并具有代表性，林齡在27~35a[1]。在各林分類型內設置3塊20m×20m的樣地，對樣地進行每木檢尺，測其胸徑、樹高；在每塊樣地內，隨機設置3塊5m×5m的樣方，對樣地內灌木層進行調查，包括種名、高度、蓋度、株數等；在每塊樣地內，沿對角線設置3塊1m×1m的樣方，對樣地內草本層進行調查，包括種名、高度、蓋度、株數等；在每個草本樣方內設置1塊0.5m×0.5m的小樣方，分層收取小樣方內的枯落物，分為未分解層、半分解層，測定其持水能力；在每塊樣地內挖一塊40cm深的土壤剖面，分0~10cm、10~20cm、20~40cm 3層，用環刀取土，在每個土壤剖面上分別取3個層次的土壤，并將其混合，帶回實驗室測其養分含量[2]。樣地基本情況見表1。

表1 不同林分類型樣地基本情況

2.2 評價指標的選擇

本次試驗指標的選擇采用的方法為層次分析法（AHP）[3]，層次分析法只用于評價指標的選擇上。通過大量的閱讀文獻及征詢專家意見，本次研究的評價指標體系見表2。

表2 層次分析結構模型

2.3 各指標的測定及計算

2.3.1 喬木層生長量計算 根據每塊樣地的每木檢尺數據進行計算，其中胸徑、樹高值采用測量數據的平均值。各樹種單株蓄積量查看河北省二元材積表公式計算。樣地總蓄積量為每株蓄積量的加和。

2.3.2 灌木層、草本層多樣性計算 根據實際測得灌木層、草本層的數據，依據Shannon-Wiener指數的計算公式進行計算。計算公式如下：

其中，Pi為物種i的重要值，S為物種數。

2.3.3 枯落物持水能力測定 枯落物的持水能力測定采用的方法為浸水法。分別對樣方內的枯落物分層測量其厚度，并采樣帶回實驗室，稱其鮮重，利用烘干箱進行烘干，采用溫度75℃，烘干時間為6h。根據相應公式，計算枯落物的蓄積量、最大持水量、最大持水率及自然含水率。為反映枯落物對降水的實際攔蓄量，則需要計算有效攔蓄量，有效攔蓄量的計算公式為：W=（0.85Rn-RO）×M，其中W為有效攔蓄量（t·hm-2）；Rn為最大持水率（%）；R0為平均自然含水率（%）；M為枯落物蓄積量（t·hm-2）[4]。

2.3.4 土壤層持水能力和養分的測定 土壤物理性質的測定采用的是環刀法，將環刀帶回實驗室運用烘干、環刀浸泡法測定土壤容重、孔隙度等土壤性質。土壤養分的測定，根據《土壤農化分析》中的方法進行測定。其中水解氮的測定采用擴散法；有效磷的測定采用氟化銨—鹽酸浸提法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提法—火焰光度法測定[2]。

2.3.5 生態效益綜合評價 本次研究主要采用的綜合評價方法為熵權法[5]。

3 結果分析

3.1 喬木層生物量

喬木層的群落結構對維持生態環境安全有重要作用。喬木層胸徑、樹高及蓄積量是評價林分生態效益的重要指標。由表3可以看出：不同林分類型喬木層的平均胸徑存在一定差異，其中油松落葉松混交林平均胸徑最大，而白樺純林平均胸徑最小，這主要是由于不同樹種的生長特性不同造成的。不同林分類型喬木層的平均樹高最大的為白樺純林，最小的為油松純林，這與樹種生物學特性及樹種生長速度有關。林分蓄積量是林分平均胸徑和平均樹高的綜合反應，由表3可看出：林分蓄積量最大的為油松落葉松混交林（14.55m3），最小的為楊樹白樺混交林（5.301m3），林分蓄積量排序為Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ，這表明6種林分類型中油松落葉松混交林喬木層的生長最好。

表3 不同林分類型樣地喬木層生長情況

3.2 灌木層、草本層物種多樣性

灌木層、草本層生物多樣性是評價林分生態效益的又一重要指標，其多樣性越高越能維持生態系統的穩定。而反映生物多樣的指標為Shannon-Wiener指數。由表4可以看出：不同林分類型中，灌木層物種多樣性最高的為落葉松純林，其Shannon-Wiener指數為1.11，而油松純林灌木層生物多樣性最低。草本層中，白樺純林草本層生物多樣性最高，其Shannon-Wiener指數（2.05）最高，而油松純林草本層生物多樣性最低。綜合灌木層、草本層生物多樣性看出：油松純林灌木層、草本層生物多樣性較差，其群落穩定性較差，易受外界干擾。

表4 不同林分類型灌木層、草本層生物多樣性

3.3 枯落物層水文效益

枯落物層作為森林生態系統的重要組成部分，其在森林水文效應中具有重要影響，枯落物層持水能力的大小體現出森林水源涵養功能的強弱，因此枯落物層的水文效應是林分生態效益的重要組成部分[6]。枯落物蓄積量可以反映出森林養分的循環情況。由表5可以看出：不同林分類型枯落物的蓄積量不同，其排序為Ⅵ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，主要是因為林分類型不同，其枯落物輸入不同，分解程度不同。枯落物最大持水量是反應枯落物持水能力的重要指標，最大持水量越大其對水分的截持能力越強，從表5中可以看出：不同林分類型中，枯落物最大持水能力排序為Ⅴ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，落葉松白樺混交林枯落物層最大持水量最大，為31.1t/hm2。枯落物有效攔蓄量反應在實際降水中，枯落物對水分的實際截持能力[7]。由表5中數據可知：枯落物有效攔蓄量最大的林分類型為落葉松純林（23.42t/hm2），最小的為白樺純林（15.51t/hm2）。

表5 不同林分類型枯落物層現存量及其持水能力

3.4 土壤層物理性質及養分含量

土壤層作為森林水文效應的第3個層次，其容重越小，對水分的保持能力越強；土壤孔隙度越大，其水土保持能力越強[8]；由表6可知：不同林分類型土壤容重為1.15~1.28g/kg，最大的為油松純林（1.28g/kg），最小為落葉松純林（1.15g/kg）。總孔隙度排序為Ⅴ>Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ，其中落葉松白樺混交林最大為50.27%，油松純林最小為45.68%。最大持水量排序為Ⅵ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>>Ⅲ，其中落葉松純林最大為434.89g/kg，油松純林最小為359.73g/kg。

表6 不同林分類型土壤層物理性質及其養分含量

從土壤養分含量看，水解氮含量最大的為落葉松白樺混交林（174.64mg/kg），最小為油松純林（55.21mg/kg），不同林分類型水解氮含量排序為Ⅴ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ。有效磷含量在2.37~18.58mg/kg，其中油松純林有效磷含量最大為18.58mg/kg，白樺純林最小為2.37mg/kg。速效鉀含量最大的林分類型為楊樹白樺混交林，最小的為白樺純林，各林分類型速效鉀含量為77.96~184.37mg/kg。

4 生態效益綜合評價

本次研究綜合評價方法采用的為熵權法[9]。

4.1 構建指標判斷矩陣

根據所選指標構建指標判斷矩陣，其中m=8，n=6，見表7。

表7 不同林分類型生態效益評價指標數據

4.2 形成標準矩陣

表8 不同林分類型生態效益評價指標數據標準化值

4.3 計算熵值和權重

依據以下公式計算各指標的熵值Hi和權重Wi，其中Hi=（2.612，2.852，2.720，2.752，2.831，2.647，1.664，2.468）；Wi=（0.055，0.063，0.058，0.060，0.062，0.056，0.023，0.050）。

4.4 貼近度計算

根據以下公式構建加熵權的標準化矩陣R=WiA，在標準化矩陣中找到各指標的理想點X（取各指標的最大值為理想點xi，土壤容重取最小值為理想點）。然后根據以下公式計算出6種林分類型生態效益與理想模式的貼近度T，見表9。

表9 不同林分類型生態效益與理想模型的貼近度

由表9可以看出:不同林分類型生態效益與理想模型的貼近度排序為Ⅲ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅵ，因此不同林分類型生態效益的排序為落葉松純林>落葉松白樺混交林>油松落葉松混交林>楊樹白樺混交林>白樺純林>油松純林，其中生態效益最好的為落葉純林，生態效益最差的為油松純林。

5 結論

（1）不同林分類型喬木層的平均胸徑、樹高存在一定差異，其中油松落葉松混交林平均胸徑最大，而白樺純林平均胸徑最小。平均樹高最大的為白樺純林，最小的為油松純林，林分蓄積量最大的為油松落葉松混交林（14.55m3），最小的為楊樹白樺混交林（5.301m3），林分蓄積量排序為Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ，這表明6種林分類型中油松落葉松混交林喬木層的生長最好。

（2）灌木層物種多樣性最高的為落葉松純林，其Shannon-Wiener指數（1.11）最高，而油松純林灌木層生物多樣性最低。草本層中，白樺純林草本層生物多樣性最高，其Shannon-Wiener指數（2.05）最高，而油松純林草本層生物多樣性最低。綜合灌木層、草本層生物多樣性看出，油松純林灌木層、草本層生物多樣性較差，其群落穩定性較差，易受外界干擾。

（3）不同林分類型枯落物的蓄積量不同，其排序為Ⅵ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，枯落物最大持水能力排序為Ⅴ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，落葉松白樺混交林枯落物層最大持水量最大為31.1t/hm2。枯落物有效攔蓄量最大的林分類型為落葉松純林（23.42t/hm2），最小的為白樺純林（15.51t/hm2）。

（4）不同林分類型土壤容重為1.15~1.28g/kg，最大的為油松純林（1.28g/kg），最小為落葉松純林（1.15g/kg）。總孔隙度排序為Ⅴ>Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ，最大持水量排序為Ⅵ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>>Ⅲ，其中落葉松純林最大為434.89g/kg，油松純林最小為359.73g/kg。

從土壤養分含量看，水解氮含量最大的為落葉松白樺混交林（174.64mg/kg），最小為油松純林（55.21mg/kg）。有效磷含量為2.37~18.58mg/kg，其中油松純林有效磷含量最大為18.58mg/kg，白樺純林最小為2.37mg/kg。速效鉀含量最大的林分類型為楊樹白樺混交林，最小的為白樺純林，各林分類型速效鉀含量為77.96~184.37mg/kg。

（5）不同林分類型生態效益的排序為落葉松純林>落葉松白樺混交林>油松落葉松混交林>楊樹白樺混交林>白樺純林>油松純林，生態效益最好的為落葉松純林，生態效益最差的為油松純林。