開化生態(tài)公益林主要森林類型水土保持功能綜合評價*

黃進(jìn),張曉勉,2,張金池

(1.南京林業(yè)大學(xué),南京210037;2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院,杭州310023)

目前水力侵蝕是世界上分布最廣、危害也是最為普遍的一種土壤侵蝕類型。地表土壤侵蝕主要是由降雨過程產(chǎn)生的雨滴擊濺、徑流沖刷引起,而森林作為一種具有復(fù)合功能的生態(tài)系統(tǒng)依靠其林冠層、林下灌草層、林地表富集的枯枝落葉層、土壤層對降雨的截持、削弱、蓄存,有效地發(fā)揮了其特有的水土保持功能。目前森林生態(tài)服務(wù)功能及森林生態(tài)補(bǔ)償效益的研究開展的如火如荼,建立健全指標(biāo)明確、操作實用的森林生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能綜合評價方法是很有必要和意義的。長期以來,我國植被水土保持功能評價研究主要以單一指標(biāo)——植被覆蓋度(森林為森林覆蓋率)為主,隨著植被水土保持機(jī)理研究的深入,近年來許多學(xué)者提出了多個指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評價[1]。以覆蓋率為指標(biāo)的評價方法在揭示區(qū)域森林植被水土保持功能上有一定的作用,但對特定森林類型水土保持功能的描述上則顯得過于簡單;同時諸多學(xué)者采用的多指標(biāo)加以主成分分析的評價方法在比較同一研究區(qū)不同森林類型的水土保持功能時效果較好,但缺乏全國尺度水平上的對比,無法對其定性評價。

當(dāng)前我國生態(tài)公益林建設(shè)蓬勃發(fā)展,在補(bǔ)償問題、分類經(jīng)營、體系建設(shè)等方面研究較多,但對生態(tài)公益林的水土保持功能以及公益林建設(shè)過程中適宜樹種的選擇研究較少。本文參考前人學(xué)者的研究結(jié)果,在構(gòu)建指標(biāo)明確、應(yīng)用廣泛的森林水土保持功能綜合評價方法上作了一定的嘗試,并以開化縣生態(tài)公益林定位監(jiān)測站為依托,對研究區(qū)主要森林類型的水土保持功能加以評價,以期為揭示該區(qū)域公益林生態(tài)服務(wù)功能以及營林建設(shè)過程中適宜林型的篩選提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省開化縣生態(tài)公益林定位監(jiān)測站內(nèi),開化縣位于浙江省母親河——錢塘江的源頭,處于浙江西部的浙、皖、贛三省交界處,東經(jīng) 118°01′-118°37′,北緯 28°54′-29°29′,全縣年平均氣溫16.3℃,極端最高氣溫 41.3℃,極端最低氣溫-14.2℃,年平均穩(wěn)定通過 10℃的持續(xù)天數(shù)為237.4 d,≥10℃積溫5 152.4℃,無霜期260 d,年平均降水量1 762.1 mm,年蒸發(fā)量1 366.2 mm,年平均相對濕度81%,年日照時數(shù)1 785.2 h。開化縣野生生物資源極為豐富。其中,高等植物244科897屬 1 991種。全縣林業(yè)用地 18.4萬 hm2,占84.6%。林木蓄積量589萬m2,森林覆蓋率79.2%,均位于浙江省前列。全縣公益林面積10.5萬hm2,其中省重點(diǎn)公益林5.6萬hm2,占全縣林業(yè)用地面積的30.1%。2001-2003年間承擔(dān)了國家森林生態(tài)效益補(bǔ)助試點(diǎn)公益林建設(shè)3.7萬hm2、省重點(diǎn)公益林建設(shè)0.9萬hm2。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選取毛竹林、針闊混交林(馬尾松、木荷、香樟)、麻櫟林、杉木林、馬尾松林5種具有代表性的生態(tài)公益林類型,建立調(diào)查樣地并進(jìn)行常規(guī)調(diào)查,記錄其坡向、冠層郁閉度等常規(guī)指標(biāo),各樣地基本情況見表1。

表1 不同林分樣地基本情況

2.2 試驗方法

2.2.1 林冠截留率測定 在樣地外布設(shè)自動雨量計自動記錄林外大氣降雨量,林內(nèi)穿透雨量與樹干莖流量依據(jù)森林水文定位觀測的常規(guī)方法測定,樹冠截留量按水量平衡公式(1)計算。

2.2.2 枯落物最大持水量測定 在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)面積1 m2的樣方10個。將新采集的枯落物迅速稱其鮮質(zhì)量后,放置于室內(nèi)干燥通風(fēng)處7 d以上,直至用手觸摸無潮濕感時,稱其質(zhì)量作為枯落物風(fēng)干質(zhì)量,同時推算枯落物的自然含水率和單位面積蓄積量;枯落物吸持水能力采用浸水法測定,將原狀枯落物裝入網(wǎng)袋,浸水24 h,浸水后枯落物質(zhì)量與浸水前質(zhì)量的比值即為最大持水率。根據(jù)枯落物蓄積量和最大持水率計算其最大持水量 。

2.2.3 土壤理化性質(zhì)測定 采用甲種比重計法測定土壤機(jī)械組成;采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

2.2.4 土壤水分物理性質(zhì)測定 采用環(huán)刀法測定土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度;采用環(huán)刀有壓入滲法測定土壤的滲透性能。

2.3 森林水土保持功能綜合評價方法構(gòu)建

森林的水土保持功能是林冠層、灌草層、枯落物層、土壤層4個主要垂直層面截留削弱降雨、攔蓄滯緩徑流等作用的綜合體現(xiàn),各層面對森林整體水土保持功能的發(fā)揮都有著重要作用,因此要客觀定性評價森林水土保持功能的優(yōu)劣,需要選取能夠較好表征這4個層面的指標(biāo)。

2.3.1 評價原理 目前用于特定對象定性評價的方法有很多,如層次分析法、模糊綜合評價、灰色關(guān)聯(lián)評價、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價等,各評價方法特點(diǎn)不一,但計算過程都較繁瑣。本文從實用角度出發(fā),選擇使用最為普遍的一種評價方法,即加權(quán)綜合法。該方法的實質(zhì)是賦予方案每個指標(biāo)(準(zhǔn)則)權(quán)重后,對方案各評價指標(biāo)下實測值的評分值求加權(quán)和。以數(shù)學(xué)公式表達(dá)為

式中:U——待評方案的綜合評價值;x ji——第j個方案第i個指標(biāo)的實測值;Vi(xji)——xji的評分值;wi——評價體系中第i個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

Vi(x ji)通過構(gòu)造不同評價指標(biāo)的線型評分函數(shù)計算得出,見式(2)和式(3)。由于其函數(shù)特性,評分值的大小在[0,1]中變化。

式中:Vi(x)min——第 i個指標(biāo)偏小型評分函數(shù),在(a1,a2]中呈遞減趨勢,即x值越小,評分值Vi(x)min越高(a2、a1分別為指標(biāo)x的上下限閥值)。

式中:Vi(x)max——第i個指標(biāo)偏大型評分函數(shù),在(a1,a2]中呈遞增趨勢,即 x值越大,評分值Vi(x)max越高(a2,a1分別為指標(biāo)x的上下限閥值)。

2.3.2 評價指標(biāo)選取

(1)林冠層指標(biāo)。森林冠層是森林對降雨特征和雨滴動能產(chǎn)生影響的第一個作用層,其對降水的截留作用是森林水文效應(yīng)的一個重要方面,直接影響降水在森林生態(tài)系統(tǒng)中的整個循環(huán)過程,雨水通過林冠后,數(shù)量、大小及分布、能量等都會發(fā)生明顯的變化。考慮到林冠層對降雨截留削弱作用的復(fù)雜性,選擇林冠截留率X 1為評價林冠層水土保持功能的指標(biāo)。

(2)林下灌草層指標(biāo)。林下灌草層作為森林群落層次的重要組成部分,其對林內(nèi)的穿透雨也有一定的截留、削弱作用。參考前人的研究成果[1],選取林下灌草層蓋度X2作為評價其水土保持功能的指標(biāo)。

(3)枯落物層指標(biāo)?？萋湮飳颖３炙凉δ芤憩F(xiàn)為3個方面:枯落物層對林地表良好的覆蓋保護(hù),有效地削弱了降雨雨滴對土壤的打擊動能,極大地降低了擊濺侵蝕發(fā)生的風(fēng)險;枯落物層的存在增強(qiáng)了林地地表粗糙度,滯緩了徑流流速,降低了徑流沖刷挾沙的能力;枯落物層具有一定的貯水持水能力,可以有效延長徑流歷時和增加土壤入滲。為全面評價枯落物層水土保持功能,選取林地地表枯落物覆蓋度X3、枯落物厚度X4、枯落物最大持水量X 5為評價指標(biāo)。

(4)土壤層指標(biāo)。土壤層保持水土功能主要表現(xiàn)在林地土壤入滲貯存降雨和土體自身抵抗水力侵蝕這2個方面。土壤水文功能主要以土壤穩(wěn)滲速率、非毛管孔隙度為評價指標(biāo);土壤抗侵蝕性能主要以土壤抗沖性、抗剪切強(qiáng)度、崩解速率、土壤可蝕性K值等指標(biāo)為主,其中土壤可蝕性K值研究最為深入,且意義明確、應(yīng)用廣泛、操作規(guī)范便捷;因而本文選取土壤穩(wěn)滲速率X6、土壤非毛管孔隙度X 7、土壤可蝕性K值X8為評價土壤層水土保持功能的指標(biāo)。其中土壤可蝕性K值越低,則表明土壤抗侵蝕性能越強(qiáng),K值采用 EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型中的計算方法[21],見下式:

式中:Sa——砂粒(0.05～2 mm)的重量百分?jǐn)?shù);Si——粉粒(0.002～ 0.05 mm)的重量百分?jǐn)?shù);Cl——黏粒(＜0.002 mm)的重量百分?jǐn)?shù);C——百分?jǐn)?shù)表示的土壤有機(jī)碳含量,由有機(jī)質(zhì)含量除以1.724得到;Sn=1-Sa/100。這里K值計算出來的結(jié)果為美制單位 short ton·ac·h/(100ft·short ton·ac·in),將其乘以0.131 7則可轉(zhuǎn)變?yōu)閲H制單位(t·hm2·h)/(MJ·mm ·hm2),本文在評價過程中采用國際單位制。

2.3.3 各評價指標(biāo)閥值、權(quán)重的確定 現(xiàn)有的研究結(jié)果表明我國森林林冠截留率X 1一般在10%～35%[2-4]間變化;林下灌草層蓋度X 2一般在10%～90%間變化;枯落物覆蓋度X3、厚度 X4、最大持水量X5一般在10%～90%、0.5～5 cm、1～9 mm[3-5]間變化;土壤穩(wěn)滲速率 X6、非毛管空隙度X 7、土壤可蝕性K值X 8一般分別在 1～8 mm/min[6-15]、5%～25%[3-4,16]、0.01～0.09[17-25]間變化。依據(jù)上述各指標(biāo)實測值的變化范圍,設(shè)定各評價指標(biāo)的上下限閥值,同時采用專家打分法為各指標(biāo)賦上權(quán)重,具體見表2。

表2 各評價指標(biāo)閥值及權(quán)重系數(shù)

2.3.4 各指標(biāo)評分值計算及功能等級劃分 結(jié)合表2中各評價指標(biāo)的閥值,各指標(biāo)的線型評分函數(shù)Vi(x)分別如下,利用這些公式可以分別計算各指標(biāo)的評分值。

依據(jù)森林水土保持功能綜合評價值U的大小可以將待評森林水土保持功能定性劃分為5個功能等級:強(qiáng)(0.8～1.0)、較強(qiáng)(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、較弱(0.2～ 0.4)、弱(0～0.2)。

3 結(jié)果與分析

開化縣生態(tài)公益林主要森林類型水土保持功能各評價指標(biāo)的實測值見表3(均為統(tǒng)計平均值)。

運(yùn)用構(gòu)建的森林水土保持功能綜合評價方法和表3中的數(shù)據(jù),得到結(jié)果,見表4。根據(jù)各森林類型綜合評價值U的大小,發(fā)現(xiàn)水土保持功能為針闊混交林(0.676 4)＞麻櫟林(0.591 6)＞毛竹林(0.538 3)＞馬尾松林(0.488 8)＞杉木林(0.464 0)。

表3 不同森林類型各評價指標(biāo)實測值

表4 各森林類型水土保持功能綜合評價結(jié)果

4 結(jié)論

(1)開化生態(tài)公益林主要森林類型在森林發(fā)揮水土保持功能的不同環(huán)節(jié)上存在著一定差異,林冠截留率由高至低依次為針闊混交林、麻櫟林、毛竹林、馬尾松林、杉木林;枯落物最大持水量高至低依次為麻櫟林、針闊混交林、杉木林、毛竹林、馬尾松林;土壤水文功能由高至低依次為毛竹林、針闊混交林、馬尾松林、杉木林、麻櫟林;土壤抗侵蝕性能由高至低依次為杉木林、馬尾松林、麻櫟林、針闊混交林、毛竹林。

(2)開化生態(tài)公益林主要森林類型水土保持功能綜合評價結(jié)果顯示,針闊混交林＞麻櫟林＞毛竹林＞馬尾松林＞杉木林;針闊混交林的水土保持功能屬較強(qiáng)等級,毛竹林、麻櫟林、杉木林 、馬尾松林為中等等級。開化地區(qū)針闊混交林的水土保持功能最好,在該區(qū)域生態(tài)公益林管理發(fā)展過程中,應(yīng)將針闊混交林作為重要營林類型加以建設(shè)。

[1] 韋紅波,李銳,楊勤科.我國植被水土保持功能研究進(jìn)展[J].植物生態(tài)學(xué)報,2002,26(4):489-496.

[2] 程根偉.山地森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)與數(shù)學(xué)模擬[M].北京:城市科學(xué)出版社,2004:14-15.

[3] 劉世榮,孫鵬森,溫遠(yuǎn)光.中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的比較研究[J].植物生態(tài)學(xué)報,2003,27(1):16-22.

[4] 溫光遠(yuǎn),劉世榮.我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)類型降雨截流規(guī)律的數(shù)量分析[J].林業(yè)科學(xué),1995,31(4):289-298.

[5] 王佑民.中國林地枯落物持水保土作用研究概況[J].水土保持學(xué)報,2000,14(4):108-113.

[6] 朱兵兵,張平倉,王一峰,等.長江中上游地區(qū)土壤入滲規(guī)律研究[J].長江科學(xué)院院報,2006,28(4):43-47.

[7] 王鵬程,肖文發(fā),張守攻,等.三峽庫區(qū)主要森林植被類型土壤滲透性能研究[J].水土保持學(xué)報,2007(6):51-54.

[8] 袁建平,張素麗,張春燕,等.黃土丘陵區(qū)小流域土壤穩(wěn)定入滲速率空間變異[J].土壤學(xué)報,2001,38(4):579-583.

[9] 劉少沖,段文標(biāo),陳立新.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(xué)報,2007,21(1):79-83.

[10] 王云琦,王玉杰.縉云山典型林分森林土壤持水與入滲特性[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,28(3):102-108.

[11] 呂剛,吳祥云,雷澤勇,等.遼西半干旱低山丘陵區(qū)人工林地表層土壤水文效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報,2008,22(5):204-208.

[12] 楊海龍,朱金兆,畢利東.三峽庫區(qū)森林流域生態(tài)系統(tǒng)土壤滲透性能的研究[J].水土保持學(xué)報,2003,17(3):63-65.

[13] 潘紫文,劉強(qiáng),佟得海.黑龍江省東部山區(qū)主要森林類型土壤水分的入滲速率[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,30(5):24-26.

[14] 王月玲,蔣齊,蔡進(jìn)軍,等.半干旱黃土丘陵區(qū)土壤水分入滲速率的空間變異性[J].水土保持通報,2008,28(4):52-55.

[15] 王偉,張洪江,李猛,等.重慶市四面山林地土壤水分入滲特性研究與評價[J].水土保持學(xué)報,2008,22(4):95-98.

[16] 孫向陽.土壤學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2004:131-135.

[17] 張文太,于東升,史學(xué)正,等.中國亞熱帶土壤可蝕性K值預(yù)測的不確定性研究[J].土壤學(xué)報,2009,46(2):185-191.

[18] 王小丹,鐘祥浩,王建平.西藏高原土壤可蝕性及其空間分布規(guī)律初步研究[J].干旱地區(qū)地理,2004,27(3):343-346.

[19] 張科利,蔡永明,劉寶元,等.黃土高原地區(qū)土壤可蝕性及其應(yīng)用研究[J].生態(tài)學(xué)報,2001,21(10):1687-1695.

[20] 劉吉峰,李世杰,秦寧生,等.青海湖流域可蝕性 K值研究[J].干旱區(qū)地理,2006,29(3):321-326.

[21] 劉寶元,張科利,焦菊英.土壤可蝕性及其在侵蝕預(yù)報中的應(yīng)用[J]自然資源學(xué)報,1999,14(4):345-349.

[22] 郝芳華,程紅光,楊勝天.非點(diǎn)源污染模型-理論方法與應(yīng)用[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2006:36-37.

[23] 牛德奎,郭曉敏.土壤可蝕性研究現(xiàn)狀及趨勢分析[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,26(6):936-940.

[24] 卜兆宏,楊林章,卜宇行,等.太湖流域蘇皖匯流區(qū)土壤可蝕性K值及其應(yīng)用的研究[J].土壤學(xué)報,2002,39(2):296-300.

[25] 宋陽,劉連友,嚴(yán)平,等.土壤可時性研究述評[J]干旱區(qū)地理,2006,29(1):124-131.