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(jià)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(xué)水土保持學(xué)院水土保持國家林業(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 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(chǔ)。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(jìn)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(jìn)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(dǎo)的人工林,并對其進(jìn)行近自然經(jīng)營也越來越受到人們的高度重視[4]?！吧纸匀唤?jīng)營”是在“法正林”學(xué)說基礎(chǔ)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(jìn)行近自然度評價(jià),確定生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的參考標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為全球的熱點(diǎn)話題[6]。然而,由于各地區(qū)歷史背景、實(shí)際情況不同,目前國內(nèi)外針對近自然度的評價(jià)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(bào)道?；谒春B(yǎng)能力構(gòu)建近自然度評價(jià)體系對于修復(fù)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(jìn)行近自然度劃分,評價(jià)體系難以反映森林的主要生態(tài)功能以及指導(dǎo)森林的近自然經(jīng)營,評價(jià)方法多使用層次分析法,存在主觀性較強(qiáng)的問題。趙中華[8]基于林分狀態(tài)特征對紅松林、銳齒櫟進(jìn)行評價(jià),將森林自然度劃分為7個(gè)不同的等級;彭舜磊[9]運(yùn)用層次分析法建立了秦嶺地區(qū)的近自然度評價(jià)指標(biāo)體系,將森林類型近自然度劃分為5個(gè)等級;劉常富[10]建立了城市森林近自然度綜合評價(jià)體系,將自然度劃分為4個(gè)等級;許洺山[11]通過層次分析法對海島植被進(jìn)行近自然度評價(jià),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(biāo)進(jìn)行敏感性篩選,能夠客觀、有效地建立近自然度評價(jià)體系,且將近自然度評價(jià)與水源涵養(yǎng)能力評價(jià)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(jià)體系對于當(dāng)?shù)卦炝趾蜖I林有著重要的意義。

1 試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)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(yàn)點(diǎn)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(dāng)?shù)氐闹饕獦浞N,目前祁連山東部地區(qū)承擔(dān)著重要的水源涵養(yǎng)功能。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

實(shí)驗(yàn)于2021年和2022年的5—9月份(植物生長季)進(jìn)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(gè)樣地(24 m×24 m),其中20個(gè)為天然林樣地,20個(gè)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(jìn)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(yīng)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(biāo)

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(gè)指標(biāo);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(gè)指標(biāo),其中枯落物厚度、儲量采用五點(diǎn)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(dǎo)水率(0—20 cm、0—60 cm土層)6個(gè)指標(biāo),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(biāo)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(dǎo)水率測定采用定水頭法[16]。

2.3 近自然指標(biāo)

近自然指標(biāo)至今尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),針對不同的研究背景,不同學(xué)者采用不同的指標(biāo)、方法。綜合國內(nèi)外主流觀點(diǎn),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(gè)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(xiǎn)等級[25]共13個(gè)指標(biāo),構(gòu)建如圖2所示人工林近自然度評價(jià)指標(biāo)體系。

圖2 近自然評價(jià)指標(biāo)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(biāo),每個(gè)指標(biāo)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(shí),為Ⅲ級,自然更新株數(shù)在1至50株/hm2之間時(shí),為Ⅱ級,自然更新株數(shù)小于1株/hm2時(shí),為Ⅰ級;人跡罕至,很難抵達(dá)的地方,且?guī)缀鯖]有人類活動蹤跡為Ⅰ級;很難抵達(dá),但有人類活動蹤跡為Ⅱ級;容易抵達(dá),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(shí)包含3個(gè)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(jià)方法

對各指標(biāo)進(jìn)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(biāo);運(yùn)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(jìn)行評價(jià)[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(jìn)行評價(jià),將所得數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后并求取平均值。

標(biāo)準(zhǔn)化方法為:

式中,x′為標(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)等級、人為干擾度、枯倒木比例外其余指標(biāo)均為正向指標(biāo)。

(2)關(guān)于社會貿(mào)易活動中的各種經(jīng)濟(jì)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(gè)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(gè)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?！痹凇豆伯a(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(dá)式為:

式中,d(x,y)為點(diǎn)(x1,y1)與點(diǎn)(x2,y2)之間的歐式距離。

2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用SPSS 25.0、Arcmap 10.6對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對林分水源涵養(yǎng)能力和近自然度進(jìn)行評價(jià),采用六種最常用的方法對兩者進(jìn)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(jià)

表2中,人工林水源涵養(yǎng)能力中、高敏感性的指標(biāo)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(dǎo)水率(0—20 cm)、土壤飽和導(dǎo)水率(0—60 cm);天然林水源涵養(yǎng)中、高敏感性的指標(biāo)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(dǎo)水率(0—20 cm)、土壤飽和導(dǎo)水率(0—60 cm)。

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

為確保評價(jià)體系敏感性較強(qiáng)、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一致,選取不同林分起源的中、高敏感性的指標(biāo)構(gòu)建水源涵養(yǎng)能力評價(jià)體系,評價(jià)結(jié)果如圖3所示。

圖3 40個(gè)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(gè)樣地中,20個(gè)樣地為天然林、20個(gè)樣地為人工林,人工林中9個(gè)純林算術(shù)平均得分為0.47,11個(gè)混交林算術(shù)平均得分為0.51。

3.2 人工林近自然度評價(jià)

如表3所示,各近自然指標(biāo)中,表現(xiàn)為中敏感性的指標(biāo)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(biāo)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(biāo)作為人工林近自然度的評價(jià)指標(biāo),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(biāo)平均值)作為近自然度衡量的標(biāo)準(zhǔn),通過歐式距離計(jì)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(jià)得分,得分見圖4。

表3 祁連山東部地區(qū)20個(gè)人工林樣地近自然度評價(jià)指標(biāo)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(biāo)進(jìn)行共線性檢驗(yàn)(VIF)排除各指標(biāo)間的多重共線性關(guān)系(VIF<10),上述中、高敏感指標(biāo)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(xiàng)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(gè)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(yùn)算;sqrt:平方根運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)以及近自然度評價(jià)體系中高敏感性指標(biāo),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(gè)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(gè)云杉純林樣地,等級為2的人工林包括4個(gè)云杉純林和1個(gè)白樺純林樣地,等級為3的人工林包括6個(gè)云杉白樺混交林和4個(gè)白樺純林樣地,等級為4的人工林為4個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)水率均高于人工林。這是因?yàn)樘烊涣至铸g大,林下組成復(fù)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(jià)水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)[34]。天然林土壤質(zhì)量更好,是因?yàn)樘烊涣指蛋l(fā)達(dá),能夠及時(shí)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(dǎo)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?yàn)榛旖涣挚臻g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(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。由圖5可知,當(dāng)林分近自然度<0.54時(shí),林分近自然度越高其水源涵養(yǎng)能力越好,當(dāng)林分近自然度<0.45時(shí),伴隨林分近自然的提高其水源涵養(yǎng)能力迅速增加,當(dāng)林分近自然度在0.45—0.54之間時(shí),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?yàn)楫?dāng)林分近自然度較高時(shí),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(jìn)林分生長進(jìn)而提升其水源涵養(yǎng)能力[42]。當(dāng)人工林近自然度評級處于人工或遠(yuǎn)天然林階段時(shí)森林結(jié)構(gòu)極不完整,純林所占比重極大,通過補(bǔ)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(fù)的關(guān)鍵對象。當(dāng)人工林近自然度評級為半天然林時(shí)樹種逐漸豐富,需要進(jìn)一步進(jìn)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(shí)際情況、前人研究結(jié)果均一致,證明該評價(jià)等級能夠應(yīng)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(jìn)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(bǔ)植改造純林為混交林能夠提高其近自然度[44]。同時(shí),結(jié)果表明混交比例是近自然度評價(jià)體系中的高敏感指標(biāo),因此,進(jìn)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(jìn)行近自然度評價(jià),識別其近自然等級,并進(jìn)行分類改造,對于修復(fù)遠(yuǎn)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(shí),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(jìn)行下一步調(diào)查研究,有利于進(jìn)一步提高該評價(jià)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(jìn)行水源涵養(yǎng)能力評價(jià),通過歐氏距離法結(jié)合熵權(quán)法對人工林進(jìn)行近自然度評價(jià),構(gòu)建二者擬合關(guān)系,并確立了4個(gè)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(gè)方面構(gòu)建評價(jià)體系,相比傳統(tǒng)的評價(jià)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(jìn)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(yuǎn)天然林。當(dāng)人工林近自然度評級處于人工或遠(yuǎn)天然林階段時(shí)通過補(bǔ)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(fù)的關(guān)鍵對象。

(3)當(dāng)人工林近自然度評級為半天然林時(shí)水源涵養(yǎng)能力提升較為緩慢,可以通過進(jìn)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(jìn)行調(diào)查,以提高評價(jià)體系進(jìn)度,并進(jìn)一步探究半天然林的近自然營林措施。