干旱半干旱區(qū)不同林型人工林水源涵養(yǎng)能力比較研究

程 唱，賀康寧,*，俞國(guó)峰，柴世秀

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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 青海省西寧市大通土族回族自治區(qū)氣象局，西寧 810100

干旱作為一種區(qū)域水分異常缺乏的自然現(xiàn)象,對(duì)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)影響[1]。隨著全球氣候改變和氣候異常事件發(fā)生頻率增加[2- 3],未來(lái)我國(guó)的干旱形式將日益嚴(yán)峻。全球氣候變暖導(dǎo)致干旱事件逐年增加,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大的負(fù)面影響[4- 6]。區(qū)域變暖和干旱脅迫減少了樹(shù)木胸徑生長(zhǎng)和生物量積累[7]、降低森林群落物種的多樣性、導(dǎo)致植物生長(zhǎng)特性發(fā)生變化等[8]。區(qū)域干旱還導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境脆弱,生物多樣性降低,水土流失,土地荒漠化、鹽堿化,草場(chǎng)退化,地區(qū)貧困加劇等一系列生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展問(wèn)題[9- 11]。

青海省海東黃土地區(qū)于20世紀(jì) 80 年代開(kāi)始西北地區(qū)植樹(shù)種草活動(dòng),后經(jīng)數(shù)期“三北”防護(hù)林建設(shè)工程、天然林保護(hù)工程和退耕還林工程,形成了目前的基本規(guī)模。歷經(jīng)近20年封禁管理,隨著林木的生長(zhǎng),導(dǎo)致現(xiàn)有的林分郁閉程度、林分密度樹(shù)種組成和年齡組成極其不合理,人工林結(jié)構(gòu)和功能單一及穩(wěn)定性較差,病蟲(chóng)鼠害等問(wèn)題不斷出現(xiàn)。由于缺乏撫育管理,初始用材林的結(jié)構(gòu)未經(jīng)調(diào)整導(dǎo)致其綜合生態(tài)功能較低,為保證森林長(zhǎng)期穩(wěn)定地發(fā)揮生態(tài)作用,迫切需要評(píng)估其水源涵養(yǎng)功能,對(duì)其進(jìn)行調(diào)控經(jīng)營(yíng)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于水源涵養(yǎng)林效益的研究始于20世紀(jì)70年代,至20世紀(jì)80年代日漸興盛[12]。水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)服務(wù)功能之一,具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性特征[13]。多數(shù)研究中,狹義地將水源涵養(yǎng)功能等同于降雨的攔蓄能力或?qū)搅鞯卣{(diào)節(jié)能力[14]。逐漸地,森林對(duì)降水的影響[15]、森林蒸發(fā)散、森林對(duì)徑流的影響[16]和森林對(duì)水質(zhì)的影響等受到重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同的計(jì)算方法對(duì)流域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行研究,如丁程鋒[17]利用InVEST模型,結(jié)合氣候、土壤、地形等因素定量評(píng)估烏魯木齊河流域水源涵養(yǎng)功能；劉璐璐[18]等根據(jù)綜合蓄水能力法,分析南北盤(pán)江流域森林生態(tài)系統(tǒng)的水源功能,不同方法均存在計(jì)算繁瑣等問(wèn)題。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水源涵養(yǎng)能力評(píng)價(jià)的研究主要集中于對(duì)林冠層[19]、土壤層[20]、枯落物層[21]某一特定層的研究,而在整體層次水源涵養(yǎng)能力研究和評(píng)價(jià)方法的選用顯得很片面。在對(duì)相關(guān)林型的研究中,黃乾[22]通過(guò)測(cè)定枯落物層及土壤層持水量,評(píng)估不同密度青海云杉人工林水源涵養(yǎng)功能；劉凱[23]通過(guò)測(cè)定不同林分土壤特性評(píng)估起水源涵養(yǎng)功能；王先棒[24]運(yùn)用層次分析法評(píng)估北川河流域不同林型水源涵養(yǎng)能力。前人的研究仍存在評(píng)估不準(zhǔn)確、不客觀的問(wèn)題,由此綜合前人已有的研究,本文以青海省大通縣塔爾溝流域6種不同林型的人工林為研究對(duì)象,引入模糊物元模型優(yōu)化水源涵養(yǎng)能力估算方法。

鑒于水源涵養(yǎng)能力評(píng)價(jià)中各指標(biāo)的不確定性、復(fù)雜性和模糊性,采用熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán),結(jié)合模糊物元模型,引入歐式貼近度概念,相較于層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等更加客觀、簡(jiǎn)單[25]。通過(guò)建立由林地蒸散發(fā),林冠持水特性,土壤物理性質(zhì)、持水特性,枯落物物理性質(zhì)、持水特性等16個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的評(píng)價(jià)體系,運(yùn)用歐式貼近度進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同指標(biāo)權(quán)重,評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)能力。塔爾溝流域地處西北干旱半干旱區(qū),生態(tài)敏感、脆弱,林水矛盾是是當(dāng)?shù)亓址指脑斓闹匾獑?wèn)題,通過(guò)評(píng)估森林的水源涵養(yǎng)能力,探究流域水量平衡,關(guān)注森林的水文效應(yīng),對(duì)于調(diào)節(jié)流域徑流、改善當(dāng)?shù)氐男夂蛴兄匾囊饬x。本文通過(guò)模糊物元模型對(duì)不同林分類(lèi)型人工林水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行分析研究,為當(dāng)?shù)卦炝謽?shù)種選擇、森林水源涵養(yǎng)能力提升、低效林改造和林分結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省東北部的西寧市大通縣塔爾溝小流域。地理坐標(biāo)為100°51′—101°56′E,36°43′—37°23′N(xiāo)。地處祁連山東段,位于黃土高原與青藏高原的過(guò)渡地區(qū)。該地溝壑縱橫、地形條件復(fù)雜,海拔平均2903.4m。屬于高原大陸性氣候,氣候垂直變化明顯,年平均溫度4.9℃,年平均日照2605h、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈,降水集中于6—8月,年平均降水量523.3mm,年平均蒸發(fā)量1762.8mm。研究區(qū)土壤主要為山地棕褐土、栗鈣土和黑鈣土。其森林植被資源豐富,其中草本植物種類(lèi)繁多,造林樹(shù)種主要為青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、青楊(PopuluscathayanaRehd.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、祁連圓柏(JuniperusprzewalskiiKom.)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

試驗(yàn)于2019年4月至2019年9月進(jìn)行,在充分調(diào)查的基礎(chǔ)上,選取林齡相近、長(zhǎng)勢(shì)良好、立地條件相似的云杉×白樺混交林、云杉×青楊混交林、云杉×落葉松混交林、云杉純林、落葉松純林、青楊純林6種典型林分作為研究對(duì)象,分別記作YB、YQ、YL、Y、L、Q,每種林分類(lèi)型設(shè)置三個(gè)面積為20m×20m的樣地,共18塊樣地。記錄每塊樣地的海拔、坡位、坡度等信息,對(duì)樣地內(nèi)的喬木樹(shù)種進(jìn)行每木檢尺,記錄平均胸徑、樹(shù)高、郁閉度等信息。調(diào)查樣地的基本情況如表1。

表1 調(diào)查樣地基本情況

2.2 指標(biāo)測(cè)定

2.2.1林地蒸散發(fā)

在每塊樣地進(jìn)行每木胸徑測(cè)量,平均劃分為4個(gè)徑級(jí),每個(gè)徑級(jí)選標(biāo)準(zhǔn)木一棵,在標(biāo)準(zhǔn)木胸高處安裝探針測(cè)定液流,進(jìn)而測(cè)定林木蒸騰量[26]；取連帶草本的土壤,使用土壤蒸發(fā)皿測(cè)定土壤(含草本植物和枯落物)蒸發(fā)量；林地蒸散發(fā)量為林木蒸騰量與土壤蒸散發(fā)量之和。

2.2.2林分結(jié)構(gòu)層面

使用ArcGIS中的泰森多邊形對(duì)林木空間位置圖進(jìn)行鄰域分析[27- 29],生成Voronoi多邊形圖,通過(guò)大小比數(shù)和角尺度反映對(duì)象木與鄰近木的關(guān)系,進(jìn)一步描述樣地林分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[30]。

(1)大小比數(shù)

大小比數(shù)(Ui)用于描述林分林木大小分化程度,表達(dá)式為：

(1)

林分整體大小比數(shù)U的計(jì)算公式為：

(2)

其中,U為林分平均大小比數(shù)；N為林分對(duì)象木的總數(shù)；Ui表示的是第i株對(duì)象木的大小比數(shù)。

(2)角尺度

角尺度(Wi)：用于描述林分林木個(gè)體水平地面上的分布格局,表達(dá)式為：

(3)

林分整體角尺度W的計(jì)算公式為：

(4)

其中,W為林分平均角尺度；N為對(duì)象木的總數(shù)；Wi表示的是第i株對(duì)象木的角尺度。

2.2.3林冠層面

(1)樹(shù)干流

選擇直徑不同但能代表該樹(shù)種普遍干形、分枝角度的6棵典型木,在其樹(shù)干上盤(pán)繞剖開(kāi)的塑料軟管,軟管與樹(shù)干的間隙使用玻璃膠進(jìn)行填充,軟管末端插入塑料壺中收集樹(shù)干徑流,水量記作V,測(cè)定樹(shù)干徑流深度H1。

(5)

其中,S1表示典型木林冠投影面積,θ表示林分郁閉度。

(2)穿透雨

將若干上口徑為18cm,高為30cm的塑料桶制作為簡(jiǎn)易雨量筒,采用6×6的點(diǎn)陣式布置制作好的簡(jiǎn)易雨量筒,各桶間距為3m,收集桶中降水水量記作Q,測(cè)定穿透雨水深H2。

(6)

其中,S2表示簡(jiǎn)易雨量筒的桶口面積。

(3)林冠截留量

喬木林冠截留量采用林外降雨與穿透雨和樹(shù)干徑流量的差值來(lái)表示。

2.2.4土壤層面

(1)土壤物理性質(zhì)

在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)挖2個(gè)土壤剖面,用環(huán)刀分0—20,20—40,40—60cm 3層取樣,每層取3個(gè)重復(fù)。采用烘干稱(chēng)量法測(cè)定土壤容重、孔隙度、持水量、飽和導(dǎo)水率。

(2)土壤持水性質(zhì)

土壤飽和蓄水量和土壤非毛管蓄水量是評(píng)價(jià)土壤蓄水性能的重要指標(biāo),計(jì)算公式如下：

Wt=10000Pth

(7)

W0=10000P0h

(8)

Wc=10000Pch

(9)

式中：Wt為土壤飽和蓄水量(m3/hm2)；W0為土壤非毛管蓄水量(m3/hm2) ；Wc為土壤毛管蓄水量(m3/hm2)；Pt為土壤總孔隙度(%)；P0為土壤非毛管孔隙度(%)；Pc為土壤毛管孔隙度(%)；h為土層厚度(取0.6m)。

2.2.5枯落物層面

在樣地以對(duì)角線形式設(shè)定3個(gè)1m×1m的小樣方,調(diào)查枯落物厚度并取樣。將取回的樣品稱(chēng)重記為m0后,將樣品置于烘箱,在80℃烘干至恒量后稱(chēng)重記為m1。將烘干后的樣品裝入尼龍袋完全浸入水中24h后再次稱(chēng)量,記為m2。計(jì)算枯落物蓄積量、自然含水率、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率。

其中最大持水率、有效攔蓄率是表示枯落物持水性質(zhì)的重要指標(biāo),計(jì)算公式分別為：

(10)

Rs=Rm-R0

(11)

Wa=(0.85Rm-R0)M

(12)

C為最大持水率,Wa為有效攔蓄量(t/hm2)；Rs為最大攔蓄率(%)；Rm為最大持水率(%)；R0為自然含水率(%)；M為枯落物儲(chǔ)量(t/hm2)。

2.3 指標(biāo)篩選

在干旱地區(qū),森林水源涵養(yǎng)功能突出表現(xiàn)為森林的蓄水、保水能力,影響森林的蓄水、保水能力的因子有很多,一般通過(guò)林冠截留、枯落物持水及土壤性質(zhì)來(lái)評(píng)估,而飽和蓄水量是直接反映其蓄水能力的重要指標(biāo),所以我們選擇飽和蓄水量作為主導(dǎo)的影響因子,通過(guò)與其他因子進(jìn)行相關(guān)性分析,篩選出的最終影響水源涵養(yǎng)功能的影響因子。

使用SPSS對(duì)土壤飽和蓄水量進(jìn)行單因素ANOVA檢驗(yàn),組間顯著性為0.024(P<0.05),不同造林樹(shù)種類(lèi)型與土壤飽和蓄水量呈顯著相關(guān)。

對(duì)12塊樣地下表所示26個(gè)指標(biāo)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析,采用person系數(shù)分析不同林分水源涵養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)性。由表2可知,穿透雨水深、截留量、蒸散發(fā)量、土壤容重、孔隙度、持水量、枯落物蓄積量、最大持水量、最大攔蓄率、有效攔蓄率是與土壤飽和蓄水量存在顯著相關(guān)性的16個(gè)有效指標(biāo)。

2.4 模型分析

運(yùn)用物元分析理論[31],通過(guò)歐式貼近度模糊物元模型,對(duì)不同造林類(lèi)型的水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行評(píng)價(jià),其中評(píng)價(jià)指標(biāo)為篩選出的16個(gè)有效指標(biāo)。

(1)引入模糊物元概念,即描述事物的基本元,其表達(dá)式為：

R=(M,C,u)

(13)

(14)

其中,R為研究區(qū)四種造林類(lèi)型16維復(fù)合模糊元；Mi為第i種林分類(lèi)型,i=1,2,3...,m,m=6；Cj為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),j=1,2,3...,n,n=16；uij為第i種林分類(lèi)型第j個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模糊量值。

表2 相關(guān)性分析結(jié)果表

(2)從優(yōu)隸度屬原則,描述各單項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的模糊量值的隸屬程度。服從越小越優(yōu)指標(biāo)有穿透雨水深、蒸散發(fā)量、土壤容重,其余指標(biāo)均為越大越優(yōu)型。

越大越優(yōu)型：

(15)

越小越優(yōu)型：

(16)

式中:xij為第i個(gè)灌木類(lèi)型第j個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的量值；xmaxij、xminij為i灌木類(lèi)型第j個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的所有量值中的最大值和最小值。

(3)差平方模糊物元。差平方模糊物元R3由標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R2(u0j=1.0) 與R1各項(xiàng)差

的平方求得,其中,Δij=(u0j-uij)2。

(17)

(4)歐式貼近度。表示各評(píng)價(jià)方案與最優(yōu)評(píng)價(jià)方案之間的貼近程度,歐式貼近度越大, 該造林類(lèi)型的水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)。由公式依次得到評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重模糊物元R4及歐式貼近度模糊物元R5：

(18)

(19)

(20)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 林地蒸散發(fā)及林冠截留量分析

由表3得出6種林分截留量為0.64—1.42mm之間,平均為1.11mm,表現(xiàn)為混交林大于純林,針葉林大于闊葉林；蒸散發(fā)量為371—422mm之間,平均為403.76mm,表現(xiàn)為純林大于混交林。方差分析結(jié)果表示為混交林之間林冠截留量、林地蒸散發(fā)量差異均不顯著(P>0.05),純林中針葉林間林冠截留量差異不顯著(P>0.05),林地蒸散發(fā)量差異顯著(P<0.05)。

表3 不同林分類(lèi)型林冠截留量和林地蒸散發(fā)量

3.2 土壤層持水特性分析

由圖1可以得出,不同林型的土壤容重均隨著土壤層厚度的增加而增大,6種林型不同土層容重均值變化范圍在0.93—1.26g/cm3之間。對(duì)于表土層,除了白樺×云杉混交林和云杉×青楊混交林的土壤容重小于1.0g/cm3,其他4中林型表土層均大于1.0g/cm3；對(duì)于20—40cm土層,白樺×云杉混交林土壤容重最小(1.00±0.09)g/cm3,青楊純林容重最大(1.21±0.05)g/cm3；40—60cm土層土壤容重大小排序?yàn)閅Q0.05)。

圖1 不同林分類(lèi)型的土壤容重Fig.1 Soil bulk density of different forest types YB: 云杉×白樺混交林Picea crassifolia Kom.×Betula platyphylla Suk.YQ: 云杉×青楊混交林Picea crassifolia Kom.×Populus cathayana Rehd.YL: 云杉×落葉松混交林Picea crassifolia Kom.×Larix principis-rupprechtii Mayr.Y: 云杉純林、Picea crassifolia KomL: 落葉松純林、Larix principis-rupprechtii Mayr.Q: 青楊純林Populus cathayana Rehd.

圖2 不同林分類(lèi)型的土壤孔隙度Fig.2 Soil porosity of different forest types

由圖2可知,不同林分類(lèi)型的總孔隙度均隨著土層厚度的增加而不斷降低,大小變化范圍為48.51—62.33%,與容重呈相反的變化趨勢(shì)。在不同土層深度,不同林型土壤孔隙度的大小排序均為YB>YQ>YL>Y>L>Q。純林和混交林的土壤孔隙度呈顯著性差異(P<0.05)；40—60cm土層白樺×云杉混交林與其他兩種混交林的土壤孔隙度呈顯著性差異(P<0.05),在其他土層與其他兩種混交林差異不明顯(P>0.05)。

對(duì)土壤持水性能指標(biāo)進(jìn)行分析,結(jié)果圖3所示,0—60cm土層土壤平均飽和持水量和非毛管蓄水量呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。土壤飽和持水量變化范圍為41.24%—59.27%,土壤非毛管蓄水量變化范圍為11.10—24.60t/hm2,白樺×云杉混交林的兩項(xiàng)指標(biāo)值均為最大,青楊的兩項(xiàng)指標(biāo)值均為最小。除落葉松、青楊純林的土壤飽和持水量和云杉×落葉松混交林、云杉純林的土壤非毛管蓄水量數(shù)值差異較小,其他指標(biāo)的數(shù)值差距總體較為顯著。

圖3 不同林分類(lèi)型的土壤飽和持水量和非毛管蓄水量 Fig.3 Soil saturated water capacity and non-capillary water storage capacity of different forest types

3.3 枯落物層持水特性分析

由圖4可知,各林型枯落物蓄積量差異較大。6種林型枯落物蓄積量在6.85—35.00t/hm2之間,大小排序?yàn)長(zhǎng)>YL>Y>YB>YQ>Q；其中落葉松純林枯落物蓄積量最大達(dá)(35.00±3.60)t/hm2,青楊純林枯落物蓄積量最小達(dá)(6.85±0.35)t/hm2,最大值約為最小值的5.1倍。

圖4 不同林分類(lèi)型的枯落物蓄積量Fig.4 Litter accumulation in different forest types

由圖5可以得出,不同林型的枯落物最大持水量的變化范圍為78.44—178.00t/hm2,大小排序?yàn)長(zhǎng)>YL>Y>YB>YQ>Q,其中落葉松純林枯落物最大持水量最大達(dá)(243.31±10.03)t/hm2,青楊純林枯落物蓄積量最小達(dá)(81.00±7.56)t/hm2。

圖5 不同林分類(lèi)型的枯落物最大持水量 Fig.5 Maximum water holding capacity of litter in different forest types

由圖6可以得出,枯落物最大攔蓄率和有效攔蓄率隨著林分類(lèi)型的變化呈現(xiàn)較相似的趨勢(shì),枯落物最大攔蓄率變化范圍為15%—103%,不同林分大小排序?yàn)長(zhǎng)>Y>YL>YB>YQ>Q,6種林型中青楊數(shù)值最低為15.00%±4.00%；不同林分枯落物有效攔蓄率變化范圍為8.70%—82.79%,落葉松純林?jǐn)?shù)值最大為82.79%±1.77%,青楊純林?jǐn)?shù)值最小為8.70%±1.30%。

圖6 不同林分類(lèi)型的枯落物最大攔蓄率和有效攔蓄率 Fig.6 Maximum storage rate and effective storage rate of litter in different forest types

3.4 水源涵養(yǎng)能力綜合分析

(1)歐式貼近度分析

對(duì)不同層次評(píng)價(jià)指標(biāo)編號(hào)C1—C16,其中C1為林冠層指標(biāo),代表林冠截留量；C2為林地蒸散發(fā)量；C3—C12為土壤層指標(biāo),依次代表0—20cm土層容重、20—40cm土層容重、40—60cm土層容重、0—20cm土層孔隙度、20—40cm土層孔隙度、40—60cm土層孔隙度、0—20cm土層持水量、20—40cm土層持水量、40—60cm土層持水量和0—60cm非毛管蓄水量；C13—C16為枯落物層指標(biāo),依次代表枯落物蓄積量、最大持水量、最大攔蓄率、有效攔蓄率。

將數(shù)據(jù)帶入表達(dá)式R中,得到6種林型的水源涵養(yǎng)能力復(fù)合模糊元R,并根據(jù)上述方法依次求得R1—R5。

由R5可知,6種林分的歐式貼近度的大小順序?yàn)椋喊讟濉燎鄺罨旖涣?0.794)>云杉×青楊混交林(0.723)>云杉×落葉松混交林(0.655)>云杉純林(0.494)>落葉松純林(0.416)>青楊純林(0.270)。歐式貼近度越大,則該評(píng)價(jià)方案越接近最優(yōu)方案,該林分類(lèi)型水源涵養(yǎng)能力更強(qiáng)。通過(guò)運(yùn)算結(jié)果可知,白樺×青楊混交林的水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng),云杉×青楊混交林水源涵養(yǎng)能力稍次之,三種混交林水源涵養(yǎng)能力均高于純林；三種純林中,云杉純林水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng),青楊水源涵養(yǎng)能力最差。因此,在該研究區(qū)內(nèi),白樺×青楊混交林、云杉×青楊混交林水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)；青楊純林水源涵養(yǎng)能力較差。

(2)林分飽和蓄水評(píng)價(jià)

如表4所示,不同林型土壤飽和蓄水變化范圍為220.56—339.30t/hm2,大小順序與歐式貼近度值順序一致。對(duì)飽和蓄水量與歐式貼近度值作相關(guān)性分析,P值為0.003,相關(guān)系數(shù)R值為0.953,線性回歸R2為0.908,呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表4 不同林型土壤飽和蓄水量

4 討論

塔爾溝流域位于干旱半干旱區(qū),林地保水、蓄水能力成為評(píng)價(jià)森林水源涵養(yǎng)能力的重要標(biāo)準(zhǔn),本研究通過(guò)歐式貼近度結(jié)果,結(jié)合土壤飽和蓄水量數(shù)值比較不同林型水源涵養(yǎng)功能。權(quán)重指標(biāo)模糊元計(jì)算結(jié)果表明,不同層次所占權(quán)重大小排序?yàn)榭萋湮飳?土壤層>林冠層>林地蒸散發(fā)。

在森林的不同作用層中,枯落物發(fā)揮著獨(dú)特的生態(tài)水文功能。本次研究中,不同林型枯落物蓄積量表現(xiàn)為針葉林>混交林>落葉闊葉林,這與李陽(yáng)等[32]得出的針葉林純林枯落物存量大于闊葉林純林的結(jié)論一致,與楊良辰等[33]在承德壩區(qū)得出的混交林枯落物蓄積量大于針葉林的結(jié)論不同。原因可能是塔爾溝小流域海拔較高,針葉林林下枯落物分解速率較慢,枯落物存量較大,累積的針葉枯落物造成土壤酸化,降低土壤微生物活性,進(jìn)一步減緩甚至阻礙枯落物的分解；研究區(qū)枯落物持水特性與枯落物蓄積量大小排序相似,變化規(guī)律不同。三項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為針葉林遠(yuǎn)大于混交林與落葉闊葉林,與張佳楠[34]在晉西黃土區(qū)得出的針闊混交林>針葉林結(jié)論不同。結(jié)合歐式貼近度結(jié)果,混交林水源涵養(yǎng)能力大于針葉林純林；可能是由于混交林中闊葉樹(shù)種枯落物的木質(zhì)素、纖維和次生代謝產(chǎn)物含量較低,分解速度較快,能通過(guò)改善土壤通氣性能提高水源涵養(yǎng)能力,但蓄積量較少直接影響其持水性能。

土壤層研究結(jié)果表明6種林分類(lèi)型的土壤容重均隨土層的加深而增大,土壤孔隙度均隨土層的加深而減小,劉凱等、楊霞等[35]也曾得出相似的變化規(guī)律。不同土層土壤容重均表現(xiàn)為純林>混交林,土壤孔隙度表現(xiàn)為混交林>純林,混交林中,白樺×云杉林土壤理化性質(zhì)最好；純林中,青楊林土壤理化性質(zhì)最差。張宗應(yīng)的研究結(jié)果也表明混交林土壤結(jié)構(gòu)更疏松,土壤通氣性和透水性更好。不同林型土壤飽和持水量和土壤非毛管蓄水量均為混交林>針葉林純林>落葉闊葉林純林,混交林對(duì)水分的靜態(tài)涵養(yǎng)能力更強(qiáng),這與劉凱在青海得出的混交林水源涵養(yǎng)能力大于純林的結(jié)論一致。

林冠層截留量數(shù)值總體表現(xiàn)為混交林大于純林,烏都[36]在清水河縣的研究也得出了相似的結(jié)論；純林中針葉林大于落葉闊葉林,與前人的研究結(jié)果不完全一致。這主要由于青海省大通縣針葉林的造林密度遠(yuǎn)大于落葉闊葉林的造林密度,導(dǎo)致林分郁閉度增大,減少穿透雨量,使針葉林純林林冠截留量大于落葉闊葉林純林。

干旱區(qū)90%的降水能以自然蒸散發(fā)的形式回歸大氣[37],不同林型林地蒸散發(fā)量的差異體現(xiàn)著森林耗水及干旱狀況的變化。本次研究結(jié)果表明純林蒸散發(fā)量大于混交林蒸散發(fā)量,其中落葉松林蒸散發(fā)量最大,白樺×云杉林蒸散發(fā)量最小,可能是由于白樺×云杉林造林密度、林分結(jié)構(gòu)更為適宜,進(jìn)一步減少蒸散發(fā)；受干旱脅迫影響較小,森林生長(zhǎng)良好、水源涵養(yǎng)能力較好。

前人引入模糊物元模型對(duì)滇中城市水源地不同林型水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià),得出混交林綜合水源涵養(yǎng)功能最好的結(jié)論,本研究通過(guò)分析林分歐式貼近度及土壤飽和蓄水量,得出塔爾溝小流域各林型水源涵養(yǎng)能力為混交林>針葉林>落葉闊葉林,與前人結(jié)論相似。這可能是由于混交林在土壤層、林冠層、林地蒸散發(fā)3個(gè)層次水源涵養(yǎng)能力最優(yōu)；針葉林在枯落物層性能最優(yōu)；而青楊在4個(gè)層次水源涵養(yǎng)能力均為最差,可能是由于其林下枯落物存量少、土壤結(jié)構(gòu)差；林分結(jié)構(gòu)單一,植被耗水量大,從而減少小流域水量,激化林水矛盾。針葉林雖然枯落物存量較大,但存在林下生物多樣性差,林分結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題,其水源涵養(yǎng)能力次于混交林。混交林水源涵養(yǎng)能力最優(yōu),可能是由于近年對(duì)白樺、落葉松、青楊疏林進(jìn)行補(bǔ)植青海云杉,使得林分的垂直立體結(jié)構(gòu)發(fā)育良好,林分郁閉度提高,草本蓋度和多度提升,改善森林耗水策略,增加小流域內(nèi)產(chǎn)水量,從而提高了混交林的水源涵養(yǎng)能力。因此,在今后的造林營(yíng)林中可以對(duì)于水源涵養(yǎng)效益較低的青楊林進(jìn)行補(bǔ)植白樺林,改善林分結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

干旱區(qū)不同林型林地蒸散發(fā)量的差異體現(xiàn)著森林耗水及干旱狀況的變化。研究結(jié)果表明混交林林地蒸散發(fā)量較小,水源涵養(yǎng)能力較好；針葉林地耗水較多,水源涵養(yǎng)能力一般；落葉闊葉林地耗水嚴(yán)重,水源涵養(yǎng)能力較差。受干旱脅迫影響較小的林分類(lèi)型,林分結(jié)構(gòu)更為適宜,森林生長(zhǎng)良好、水源涵養(yǎng)能力較好。鑒于水源涵養(yǎng)能力評(píng)價(jià)中各指標(biāo)的不確定性、復(fù)雜性和模糊性,研究采用熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán),相較于前人在北川河流域使用層次分析法評(píng)估水源涵養(yǎng)能力更加客觀。歐式貼近度的大小順序?yàn)榘讟濉燎鄺罨旖涣?0.794)>云杉×青楊混交林(0.723)>云杉×落葉松混交林(0.655)>云杉純林(0.494)>落葉松純林(0.416)>青楊純林(0.270)。歐式貼近度越大,該林分類(lèi)型水源涵養(yǎng)能力更強(qiáng)。6種林型中,白樺×青楊混交林水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng),青楊林水源涵養(yǎng)能力最差。不同林型飽和土壤蓄水量大小排序?yàn)椋喊讟濉燎鄺罨旖涣?云杉×青楊混交林>云杉×落葉松混交林>云杉純林>落葉松純林>青楊純林,土壤飽和蓄水量與歐式貼近度值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

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