祁連山林區(qū)基于水源涵養(yǎng)能力的人工林近自然度評價體系建立

程 唱,蔡有柱,趙麗娟,鄒星晨,張澤鑫,劉欣悅,賀康寧,*

1 北京林業(yè)大學水土保持學院水土保持國家林業(yè)局重點實驗室,北京 100083 2 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心,北京 100083 3 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,北京 100083 4 大通回族土族自治縣寶庫林場,西寧 810100

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是人類和多種生物賴以生存和發(fā)展的基礎。水源涵養(yǎng)功能是森林重要的生態(tài)功能[1],陸地90%以上的淡水資源均由森林涵養(yǎng)[2]。伴隨著人類社會的進步與發(fā)展,人類對水的需求不斷增加,森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞以及不合理的營林措施進一步加劇了水資源短缺的問題[3]。營造水源涵養(yǎng)功能主導的人工林,并對其進行近自然經(jīng)營也越來越受到人們的高度重視[4]。“森林近自然經(jīng)營”是在“法正林”學說基礎上發(fā)展起來的一種新的森林經(jīng)營理念,其核心為森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生物多樣性和系統(tǒng)多功能的緩沖能力[5]。對森林進行近自然度評價,確定生態(tài)系統(tǒng)恢復的參考標準已經(jīng)成為全球的熱點話題[6]。然而,由于各地區(qū)歷史背景、實際情況不同,目前國內(nèi)外針對近自然度的評價尚未形成一致的體系[7]。結(jié)合森林生態(tài)功能,探究保障森林主要生態(tài)功能的近自然經(jīng)營模式更鮮見報道。基于水源涵養(yǎng)能力構(gòu)建近自然度評價體系對于修復人工林水源涵養(yǎng)能力,探索水源涵養(yǎng)林近自然經(jīng)營道路意義重大。

現(xiàn)有的研究普遍基于林分結(jié)構(gòu)、狀態(tài)特征對森林進行近自然度劃分,評價體系難以反映森林的主要生態(tài)功能以及指導森林的近自然經(jīng)營,評價方法多使用層次分析法,存在主觀性較強的問題。趙中華[8]基于林分狀態(tài)特征對紅松林、銳齒櫟進行評價,將森林自然度劃分為7個不同的等級;彭舜磊[9]運用層次分析法建立了秦嶺地區(qū)的近自然度評價指標體系,將森林類型近自然度劃分為5個等級;劉常富[10]建立了城市森林近自然度綜合評價體系,將自然度劃分為4個等級;許洺山[11]通過層次分析法對海島植被進行近自然度評價,本研究通過歐氏距離法與熵權(quán)法相結(jié)合的方法,對各指標進行敏感性篩選,能夠客觀、有效地建立近自然度評價體系,且將近自然度評價與水源涵養(yǎng)能力評價相結(jié)合,對于識別不同自然度的水源涵養(yǎng)林,保障其可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

青海祁連山東部地區(qū)分布有眾多河流,是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。林區(qū)外沿人工林由于初期按用材林結(jié)構(gòu)種植,后期劃歸為生態(tài)公益林,普遍存在森林系統(tǒng)穩(wěn)定性差、水源涵養(yǎng)功能低、森林難以可持續(xù)發(fā)展等問題,構(gòu)建一套基于水源涵養(yǎng)能力的森林近自然度評價體系對于當?shù)卦炝趾蜖I林有著重要的意義。

1 試驗地概況

本研究在青海省祁連山東部大通縣的塔爾溝小流域、互助縣的金禪溝小流域(36°4′—39°21′N,92°53′—103°1′E)兩個試驗區(qū)進行。祁連山位于青藏高原、蒙古高原和黃土高原的交匯處,平均海拔1310—5821 m。試驗點的年平均氣溫分布為1.2—4.2℃,年平均降水量分布為410—510 mm,年平均蒸發(fā)量分布為1148.3—1465.9 mm,土壤類型主要為山地棕壤、山地栗壤、山地灰棕壤等;青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)等為當?shù)氐闹饕獦浞N,目前祁連山東部地區(qū)承擔著重要的水源涵養(yǎng)功能。

2 材料與方法

2.1 樣地設置與調(diào)查

實驗于2021年和2022年的5—9月份(植物生長季)進行,調(diào)查樹種為青海云杉純林、白樺林純林、青海云杉白樺混交林。本次調(diào)查共建立了40個樣地(24 m×24 m),其中20個為天然林樣地,20個為人工林樣地,兩種林分起源的樣地樹種類型均為青海云杉純林、白樺純林、青海云杉白樺混交林,人工林齡組均為中齡林,天然林齡組為中齡林、近成熟林。我們對樣地中的所有樹木編號并進行每木檢尺,調(diào)查了每棵樹的樹高、胸徑、位置、冠幅等基本信息,并記錄了相應的海拔、坡度、坡向等研究樣地概況信息,詳見表1。

表1 研究樣地概況Table 1 Overview of the spots

2.2 水源涵養(yǎng)指標

森林的水源涵養(yǎng)能力主要由林冠層、枯落物層和土壤層的蓄水保水能力體現(xiàn);林冠層選取林冠高度、冠層持水量[12]2個指標;枯落物層選取枯落物厚度、枯落物儲量、枯落物持水能力3個指標,其中枯落物厚度、儲量采用五點取樣法(樣方1 m×1 m)測定[13],枯落物持水能力采用室內(nèi)浸泡法測定[14],土壤層選取毛管孔隙度(0—20 cm、0—60 cm土層)、非毛孔隙度(0—20 cm、0—60 cm土層)、飽和導水率(0—20 cm、0—60 cm土層)6個指標,結(jié)合前人研究,本研究區(qū)樣地土壤厚度分布約為60 cm,其中0—20 cm土壤為表層土壤,受植物根系影響較大,因此選取0—20 cm、0—60 cm厚度土壤層指標表征土壤物理性質(zhì),毛管孔隙度、非毛管孔隙度測定采用環(huán)刀法[15],飽和導水率測定采用定水頭法[16]。

2.3 近自然指標

近自然指標至今尚沒有一個統(tǒng)一的標準,針對不同的研究背景,不同學者采用不同的指標、方法。綜合國內(nèi)外主流觀點,本研究從林分結(jié)構(gòu)、生物多樣性、林下更新狀況、干擾程度、森林穩(wěn)定性5個方面,從郁閉度[17]、角尺度[18]、混交度[19]、大小比數(shù)[20]、結(jié)構(gòu)類型、單位面積蓄積量[21]、灌草多樣性(Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[22])、自然更新、枯倒木比例[23]、人為干擾程度、病蟲鼠害程度[24]、火險等級[25]共13個指標,構(gòu)建如圖2所示人工林近自然度評價指標體系。

圖2 近自然評價指標體系Fig. 2 Near-nature evaluation index system

結(jié)合相關(guān)研究[26],將自然更新、人為干擾程度和結(jié)構(gòu)類型確定為定性指標,每個指標分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級,從Ⅰ級至Ⅲ級賦值分別為0、0.38和0.62。自然更新株數(shù)大于50株/hm2時,為Ⅲ級,自然更新株數(shù)在1至50株/hm2之間時,為Ⅱ級,自然更新株數(shù)小于1株/hm2時,為Ⅰ級;人跡罕至,很難抵達的地方,且?guī)缀鯖]有人類活動蹤跡為Ⅰ級;很難抵達,但有人類活動蹤跡為Ⅱ級;容易抵達,且明顯具有人類活動蹤跡為Ⅲ級;將林分垂直結(jié)構(gòu)劃分為喬木層、灌木層、草本層,同時包含3個層次的結(jié)構(gòu)類型為Ⅲ級,包含2層的結(jié)構(gòu)類型為Ⅱ級,僅有1層的結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ級。

2.4 水源涵養(yǎng)能力和近自然評價方法

對各指標進行敏感性分析,變異系數(shù)CV<0.3為低敏感,0.30.6為高敏感,篩選出中高敏感性的指標;運用物元分析理論,通過歐式貼近度模糊物元模型,對不同造林類型的水源涵養(yǎng)能力進行評價[27];通過歐式距離法和熵權(quán)法[28]分別對人工林近自然度進行評價,將所得數(shù)據(jù)標準化后并求取平均值。

標準化方法為:

式中,x′為標準化后的值,x為原始數(shù)據(jù),xmin為最小值,xmax為最大值。除病蟲鼠害程度、火險等級、人為干擾度、枯倒木比例外其余指標均為正向指標。

(2)關(guān)于社會貿(mào)易活動中的各種經(jīng)濟關(guān)系的研究。1848年馬克思、恩格斯提出了交換關(guān)系概念。馬克思、恩格斯在《共產(chǎn)黨宣言》第一部分提出“資產(chǎn)階級的生產(chǎn)關(guān)系和交換關(guān)系，資產(chǎn)階級的所有制關(guān)系，這個曾經(jīng)仿佛用法術(shù)創(chuàng)造了如此龐大的生產(chǎn)資料和交換手段的現(xiàn)代資產(chǎn)階級社會，現(xiàn)在像一個魔法師一樣不能再支配自己用法術(shù)呼喚出自來的魔鬼了。”在《共產(chǎn)黨宣言》中馬克思恩格斯對資本主義發(fā)展中的各種交換關(guān)系，如商人與生產(chǎn)者、資本家與資本家、雇傭工人與資本家、民族之間、地區(qū)之間、國家之間等各種交換關(guān)系都有深刻論述。

歐式距離表達式為:

式中,d(x,y)為點(x1,y1)與點(x2,y2)之間的歐式距離。

2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

運用SPSS 25.0、Arcmap 10.6對獲取數(shù)據(jù)進行處理,對林分水源涵養(yǎng)能力和近自然度進行評價,采用六種最常用的方法對兩者進行擬合,確定最優(yōu)擬合,利用K-means聚類分析劃分4類近自然度等級,作圖使用Origin 2019。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同起源林分水源涵養(yǎng)能力評價

表2中,人工林水源涵養(yǎng)能力中、高敏感性的指標有林冠高度、冠層持水量、枯落物厚度、枯落物儲量、枯落物持水能力、土壤非毛管孔隙度(0—20 cm)、土壤非毛管孔隙度(0—60 cm)、土壤飽和導水率(0—20 cm)、土壤飽和導水率(0—60 cm);天然林水源涵養(yǎng)中、高敏感性的指標有林冠高度、冠層持水量、枯落物厚度、枯落物儲量、枯落物持水能力、土壤飽和導水率(0—20 cm)、土壤飽和導水率(0—60 cm)。

表2 祁連山東部地區(qū)水源涵養(yǎng)能力評價指標體系Table 2 Evaluation index system of water conservation ability in eastern Qilian Mountains

為確保評價體系敏感性較強、評價標準一致,選取不同林分起源的中、高敏感性的指標構(gòu)建水源涵養(yǎng)能力評價體系,評價結(jié)果如圖3所示。

圖3 40個不同林分起源樣地的水源涵養(yǎng)能力得分對比Fig.3 Comparison of water conservation ability scores of 40 different stands origin plots

40個樣地中,20個樣地為天然林、20個樣地為人工林,人工林中9個純林算術(shù)平均得分為0.47,11個混交林算術(shù)平均得分為0.51。

3.2 人工林近自然度評價

如表3所示,各近自然指標中,表現(xiàn)為中敏感性的指標有自然更新、單位面積蓄積量、病蟲鼠害程度、人為干擾程度、結(jié)構(gòu)類型,高敏感性的指標有混交度、灌木多樣性、草本多樣性、枯倒木比例。以篩選出的中高敏感性指標作為人工林近自然度的評價指標,考慮到天然林生長狀態(tài)的差異性,以其平均狀態(tài)(各指標平均值)作為近自然度衡量的標準,通過歐式距離計算各人工林距離天然林平均狀態(tài)的差距,結(jié)合熵權(quán)法確定近自然度評價得分,得分見圖4。

表3 祁連山東部地區(qū)20個人工林樣地近自然度評價指標體系Table 3 Index system of near-naturalness evaluation of 20 plantation plots in eastern Qilian Mountains

圖4 人工林近自然度得分分布直方圖Fig.4 Histogram of near-naturalness score distribution of artificial forest

對不同林型的人工林得分求取算術(shù)平均值,云杉人工純林平均得分為0.49、白樺純林平均得分為0.44,云杉白樺混交林平均得分為0.55,人工林針闊混交林得分大于人工林純林。

此外,如圖4所示,祁連山地區(qū)人工林自然度得分分布呈正態(tài)曲線,70%的樣地得分均在0.4—0.6間。

3.3 基于水源涵養(yǎng)能力的近自然度等級的劃分

對各指標進行共線性檢驗(VIF)排除各指標間的多重共線性關(guān)系(VIF<10),上述中、高敏感指標均不存在多重共線關(guān)系。研究使用了幾種最常用的擬合方式,確定水源涵養(yǎng)能力得分與林分近自然度得分的擬合關(guān)系。如圖5,擬合R2最高的為高斯(Gauss)擬合和邏輯(Logistic)擬合,R2值均為0.46(P<0.05);得分次之為二階多項式擬合和線性擬合,線性擬合R2值分別為0.35和0.30(P<0.05),擬合度最低的為對數(shù)(Logarithm)擬合和指數(shù)(Exponential)擬合。

圖5 20個人工林樣地林分近自然度與水源涵養(yǎng)能力得分的擬合關(guān)系Fig.5 The fitting relationship between near-naturalness of stands and water conservation ability score of 20 plantation plotsLogarithm:對數(shù)函數(shù);Gauss:高斯函數(shù);Logistic:邏輯函數(shù);Exponential:指數(shù)函數(shù);exp:指數(shù)運算;sqrt:平方根運算;Intercept:截距;pi:圓周率

結(jié)合國內(nèi)外對森林近自然度分級標準以及近自然度評價體系中高敏感性指標,利用K-means聚類分析法,將祁連山主要森林類型近自然度劃分為4個等級,各等級森林類型林分特征見表4。等級1的人工林為1個云杉純林樣地,等級為2的人工林包括4個云杉純林和1個白樺純林樣地,等級為3的人工林包括6個云杉白樺混交林和4個白樺純林樣地,等級為4的人工林為4個云杉白樺混交林樣地。所有樣地中等級1的人工林占比為5%,等級2的人工林占比為25%,等級3的人工林占比為50%,等級4的人工林占比為20%。等級1和的等級2的林分均為純林,等級3中混交林占比60%。等級4均為混交林。

表4 青海祁連山林區(qū)主要人工林近自然度分級標準Table 4 Classification standards of the near naturalness of the main artificial forest types in Qilian Mountains

4 討論

4.1 祁連山東部地區(qū)人工林和天然林水源涵養(yǎng)能力對比

研究表明,天然林水源涵養(yǎng)能力高于人工林,天然林林冠層的樹冠高度,枯落物層的枯落物厚度、儲量、持水能力,土壤層的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和導水率均高于人工林。這是因為天然林林齡大,林下組成復雜,生物組成豐富,枯落物歸還量大[32—33]。土壤保水能力可以通過毛管孔隙度及非毛管孔隙度體現(xiàn),土壤蓄水、保水能力是評價水源涵養(yǎng)能力的重要指標[34]。天然林土壤質(zhì)量更好,是因為天然林根系發(fā)達,能夠及時容納降水,林下草本能夠減少地表徑流沖刷[35]。研究區(qū)天然林林冠層截留量略小于人工林,與前人研究不一致[36]。這是由于天然林林分密度相較于人工林普遍較低,且云杉林占比較大,且由于樹種特性,針葉林葉片表面積小于闊葉林,導致云杉天然林葉片總表面積小于云杉白樺混交人工林。此外,研究結(jié)果還表明了人工林中針闊混交林水源涵養(yǎng)能力優(yōu)于純林,與前人研究一致[37—38]。這是因為混交林空間結(jié)構(gòu)完整,枯落物組成豐富,能夠形成更加深厚的腐殖質(zhì)層,并有效改善土壤質(zhì)量[39—40]。

4.2 祁連山東部地區(qū)人工林近自然度現(xiàn)狀及功能提升

研究表明,祁連山東部地區(qū)大部分人工林近自然度評級處于半天然階段,水源涵養(yǎng)能力得分在0.4—0.5之間,人工林水源涵養(yǎng)能力得分普遍低于天然林得分平均值,與前人研究結(jié)果一致[41]。人工林林分近自然度和水源涵養(yǎng)能力的Gauss擬合R2=0.46(R2>0.4,P<0.05,),但是由于研究區(qū)缺乏近成熟、成熟齡組的人工林,近自然度>0.54后的擬合曲線仍需進一步實驗證明。由圖5可知,當林分近自然度<0.54時,林分近自然度越高其水源涵養(yǎng)能力越好,當林分近自然度<0.45時,伴隨林分近自然的提高其水源涵養(yǎng)能力迅速增加,當林分近自然度在0.45—0.54之間時,伴隨林分近自然的提高其水源涵養(yǎng)能力提升緩慢。這是因為當林分近自然度較高時,其結(jié)構(gòu)完整,林下植被豐富,存在自然更新,森林病害較少、穩(wěn)定性較高,有利于改善土壤,促進林分生長進而提升其水源涵養(yǎng)能力[42]。當人工林近自然度評級處于人工或遠天然林階段時森林結(jié)構(gòu)極不完整,純林所占比重極大,通過補植完善其森林結(jié)構(gòu)能大幅度提高其水源涵養(yǎng)能力,是森林生態(tài)功能修復的關(guān)鍵對象。當人工林近自然度評級為半天然林時樹種逐漸豐富,需要進一步進行結(jié)構(gòu)調(diào)整以提高其水源涵養(yǎng)能力。該研究結(jié)果與實際情況、前人研究結(jié)果均一致,證明該評價等級能夠應用于祁連山及相近地區(qū)[43]。研究表明混交林近自然度高于純林,這是由于混交林森林群落結(jié)構(gòu)更完整,能夠促進林分自然更新,提高森林穩(wěn)定性,對于中齡組人工林通過補植改造純林為混交林能夠提高其近自然度[44]。同時,結(jié)果表明混交比例是近自然度評價體系中的高敏感指標,因此,進一步研究適宜混交比例對于半天然林的近自然經(jīng)營具有重要意義。相較于前人的研究,本文將森林近自然度與水源涵養(yǎng)能力相結(jié)合,對水源涵養(yǎng)人工林進行近自然度評價,識別其近自然等級,并進行分類改造,對于修復遠天然林水源涵養(yǎng)能力,提高半天然人工林水源能力可持續(xù)發(fā)展的能力具有重要的意義。同時,利用歐式距離法和熵權(quán)法,能夠更加客觀地反映不同近自然等級的林分類型在水源涵養(yǎng)能力上的差距,對研究區(qū)近天然林分進行下一步調(diào)查研究,有利于進一步提高該評價體系精度。

5 結(jié)論

(1)本論文通過模糊物元法對祁連山東部地區(qū)森林進行水源涵養(yǎng)能力評價,通過歐氏距離法結(jié)合熵權(quán)法對人工林進行近自然度評價,構(gòu)建二者擬合關(guān)系,并確立了4個近自然度等級。針對祁連山林區(qū)外沿問題背景,從林分結(jié)構(gòu)、生物多樣性、林下更新狀況、干擾程度、森林穩(wěn)定性5個方面構(gòu)建評價體系,相比傳統(tǒng)的評價體系,本研究初次將森林近自然度與水源涵養(yǎng)能力相結(jié)合,對進一步探究水源涵養(yǎng)人工林的可持續(xù)經(jīng)營具有重要的意義。

(2)研究區(qū)大部分人工林的近自然度評級為半天然林,其次為遠天然林。當人工林近自然度評級處于人工或遠天然林階段時通過補植等措施提高其近自然度可以大幅度提高其水源涵養(yǎng)能力,為區(qū)域森林水源涵養(yǎng)能力修復的關(guān)鍵對象。

(3)當人工林近自然度評級為半天然林時水源涵養(yǎng)能力提升較為緩慢,可以通過進一步調(diào)整其混交比例,改善其林分結(jié)構(gòu)提高其水源涵養(yǎng)能力。此外,研究仍需對近天然林分進行調(diào)查,以提高評價體系進度,并進一步探究半天然林的近自然營林措施。