郭軍庭,張志強,唐麗霞

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京100083;2.貴州大學(xué),貴州貴陽550025)

由于人為過度開發(fā),黃土高原天然植被破壞嚴重。該地區(qū)水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境亟待改善。植被恢復(fù)和重建是該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)和水土保持治理有效的措施[1-2],包括自然修復(fù)和人工重建。一般植被的演替比較緩慢,天然植被破壞后,恢復(fù)需要很長時間[3]。因此,在開墾指數(shù)高,自然殘留植被少的地區(qū)人工造林種草應(yīng)當作為首選。植被恢復(fù)重建過程中,植被群落空間結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)能力是兩項重要的評價內(nèi)容。植被空間結(jié)構(gòu)是植被系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的聯(lián)系與組織方式的總和,包括垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)。植物群落成層現(xiàn)象的復(fù)雜程度是對生態(tài)環(huán)境的指示,成層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,植被對生境的適應(yīng)越強,對生境的改造能力越強[4]。從水源涵養(yǎng)能力來看,植被空間結(jié)構(gòu)直接影響到林分的水土保持功能[5],垂直結(jié)構(gòu)尤為重要。植被的結(jié)構(gòu)與功能的協(xié)調(diào),說明植被群落與自然環(huán)境相互適應(yīng),植被群落才能良好發(fā)展。本文采取層次分析法對晉西北黃土丘陵溝壑區(qū)蔡家川流域的主要林分類型垂直結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)能力進行評價,從而驗證垂直結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系,并對現(xiàn)存小流域內(nèi)的不同類型林分進行面積優(yōu)化配置,為人工林建設(shè)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

蔡 家 川 流 域 (110°39′45″—110°47′45″E,36°14′27″—36°18′23N″)位于山西省吉縣,呂梁山南端,屬于晉西黃土丘陵溝壑區(qū)。流域大體上為由西向東走向,長約 14 km,面積 38 km,海拔 900～1 513 m。年降水量為575.9 mm,6—9月降水占全年降水量的70%左右,年平均水面蒸發(fā)量為1 732.9 mm,年均氣溫10℃。土壤為褐土,黃土母質(zhì)。森林覆蓋率39.8%,屬于由暖溫帶闊葉落葉林向森林草原的過渡地帶。流域中上游植被主要為山楊(Populus davidiana)、白 樺 (Betula p latyphylla)、丁 香(Syzygium aromaticum)、虎榛子 (Ostryopsis davidiana)等組成的天然次生林,中游為刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinus tabulaef omis)、側(cè)柏(Platyclad usorientalh)等樹種組成的人工林,下游為荒草坡和農(nóng)地。

2 材料和方法

2.1 研究材料

通過全面調(diào)查,選擇研究區(qū)內(nèi)主要的6種林分類型,在典型地段布置樣方對其進行觀測,各林分特征詳見表1。

表1 調(diào)查林地林分主要特征

2.2 研究方法

(1)植被群落垂直結(jié)構(gòu)樣地調(diào)查 在研究流域內(nèi)選擇人工刺槐林、油松林、刺槐側(cè)柏混交林、天然次生槲櫟林、天然次生山楊林和灌木林6種主要林分類型,在典型地段設(shè)置20 m×20 m的標準樣地,按照群落生態(tài)學(xué)研究方法,進行樣地調(diào)查。調(diào)查喬木、灌木,草本的高、徑、冠幅、蓋度等;用剖面土塊法[6]測定植物根長、根數(shù)、根深等。

(2)植被群落水源涵養(yǎng)功能枯落物層吸水量采用吸水法測定。土壤層水文特性采用環(huán)刀法在挖取的1 m土壤剖面上測定,其中使用體積400cc環(huán)刀取得原狀土后在實驗室采用恒定水頭法測定土壤飽和導(dǎo)水率,多次重復(fù)取平均值。

(3)層次分析法本研究采用層次分析法(analytic hierarchy process,簡稱AHP)確定各項指標的權(quán)重[7]。該方法是由美國匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty最早提出的一種定性與定量分析結(jié)合的多目標評價決策方法。它將決策者對復(fù)雜系統(tǒng)的評價思維過程數(shù)學(xué)化。決策者通過把復(fù)雜問題分解為若干層次和要素,在各要素之間簡單地進行兩兩比較,判斷每2個指標間相對重要性(各因子的重要性采用1—9級標度法確定)并構(gòu)造矩陣。計算該矩陣標準化特征向量并進行一致性檢驗,然后再轉(zhuǎn)為對這些元素的整體權(quán)重進行排序判斷,最后確立各元素的權(quán)重。

3 結(jié)果和分析

3.1 不同林分垂直結(jié)構(gòu)評價

3.1.1 評價指標及權(quán)重 植被垂直結(jié)構(gòu)由地上、地下兩部分組成。地上部分包括喬木層、灌木層、草本層、枯落物層;地下部分是根系層。選取能夠反映各層的指標建立層次分析模型(圖1),分別選取喬木層、灌木層、草本層的高度,蓋度,枯落物層的厚度,根系層的深度、總根數(shù)、根量等作為評判的具體措施。應(yīng)用層次分析法對植被垂直結(jié)構(gòu)好壞進行分析,得出各指標對植被垂直結(jié)構(gòu)的權(quán)重(表2),結(jié)合實地調(diào)查的結(jié)果進行評判。

圖1 植被垂直結(jié)構(gòu)層次模型

3.1.2 不同植被垂直結(jié)構(gòu)評價結(jié)果 結(jié)合實地調(diào)查,植被垂直結(jié)構(gòu)各個層次的評判指標乘以指標的權(quán)重得到各個指標的評判結(jié)果,然后對該植被類型的所有垂直結(jié)構(gòu)的指標評判結(jié)果求和得到綜合評判值,(見表3)。

表2 林分垂直結(jié)構(gòu)評價指標及權(quán)重

表3 不同林分類型的垂直結(jié)構(gòu)評價結(jié)果

結(jié)果表明,植被垂直結(jié)構(gòu)性:天然次生山楊林＞天然次生槲櫟林＞人工刺槐側(cè)柏混交林＞人工油松林＞人工刺槐林?？傮w趨勢天然林優(yōu)于人工林,人工混交林好于人工純林。其中,天然次生山楊林垂直結(jié)構(gòu)綜合評判值是人工刺槐林的1.5倍,說明天然次生林成層現(xiàn)象復(fù)雜,即群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,也表明天然次生的山楊林對該區(qū)域環(huán)境的適應(yīng)良好,群落各層之間在利用和改造環(huán)境中達到平衡互補。同時天然次生林植物群落的成層性良好也是對該流域生態(tài)環(huán)境的一種指示,表明在該流域自然條件下植被群落的結(jié)構(gòu)性可以達到程度,則依據(jù)該垂直結(jié)構(gòu)性程度對人工林植被系統(tǒng)進行自然林分結(jié)構(gòu)仿擬,同時發(fā)揮人工設(shè)計能力實現(xiàn)與自然林分結(jié)構(gòu)的相近,以期達到與自然植被相近的功能。

3.2 不同林分類型水源涵養(yǎng)功能評價

森林植被對生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的影響主要表現(xiàn)在植被冠層、枯落物層及土壤層對降水的攔截和滯留作用。林冠截留功能受樹種組成、林分郁閉度、降雨條件等多種因素影響[8-10]?？葜β淙~層是實現(xiàn)森林涵養(yǎng)水源、保持水土的主要作用層之一,它的厚度和最大有效持水是衡量其持水能力的重要指標。據(jù)有關(guān)研究顯示[11-13],林地表面的枯落物層保持的最大水量可達到3～5 mm,在原始林最多可達30 mm。森林植被可以改變林下土壤理化性質(zhì),從而改變林地土壤的入滲率、入滲量,使降水部分蓄留在土壤中形成土壤水,部分形成徑流,參與流域匯流過程。一般使用土壤非毛管空隙飽和含水量計算林地總蓄水[10,14]。水源涵養(yǎng)功能的優(yōu)劣主要取決于水分在生態(tài)系統(tǒng)各層次間的傳輸過程,及林冠層的截留、枯落物層的蓄水和土壤層的貯水能力,這些過程最優(yōu)組合才能達到最佳的水源涵養(yǎng)能力。不同植被類型的空間配置才是實現(xiàn)水源涵養(yǎng)功能的最終具體措施。據(jù)此,建立起不同林分類型空間配置層次分析模型(圖2)

圖2 水源涵養(yǎng)能力層次分析結(jié)構(gòu)模型

通過專家打分與該區(qū)域?qū)嶋H調(diào)查結(jié)合,構(gòu)造相應(yīng)的判斷矩陣。對構(gòu)造的判斷矩陣進行一致性檢驗,一致性比率為0.064,小于0.1,可以認為判斷矩陣具有滿意的一致性。因此6種不同林分水源涵養(yǎng)效果如表4所示:天然次生楊樹林＞天然次生槲櫟林＞刺槐刺柏混交林＞人工油松林＞人工刺槐林＞灌木林。

4 小流域水源涵養(yǎng)能力植被優(yōu)化配置

4.1 確定林分的優(yōu)化面積

劉家凹小流域是蔡家川流域中的嵌套小流域,該小流域中自然殘留的次生槲櫟林面積比重較大,占到總面積的 43%,其次是人工刺槐林,占到總面積的36%。依據(jù)各個植被類型的水源涵養(yǎng)能力的權(quán)重值對其現(xiàn)有面積進行調(diào)配,使現(xiàn)有林分類型的水源涵養(yǎng)能力達到最大化(表5)。在現(xiàn)有面積基礎(chǔ)上,人工刺槐林的面積需要減少70%,次生槲櫟林面積要減少42%,次生楊樹林面積則大幅增加660%,人工油松林面積增加680%,人工刺槐側(cè)柏林面積增加81%,灌木林的面積增加47%。因此,從水源涵養(yǎng)能力的目標出發(fā),需要在人工林營造過程中減少刺槐林的種植,增加油松林、刺槐側(cè)柏混交林的種植。天然次生林調(diào)整后次生的槲櫟林和次生楊樹林的面積之和(49%)與調(diào)整前二者和(46%)變化不大。另外,天然次生山楊林伴生少量槲櫟,山楊林是一種更新和演替變化比較快的森林植物群落,適應(yīng)性廣,若在干燥貧瘠條件下可過渡成萌生槲櫟林,或者灌草叢,經(jīng)過長期封禁,促進天然更新,恢復(fù)成槲櫟林。同樣,天然槲櫟林采取措施可變成伴生有山楊的天然次生混交林[15]。所以在天然次生林面積調(diào)整過程中依據(jù)水源涵養(yǎng)能力采取人工措施使天然次生林根據(jù)需要進行撫育轉(zhuǎn)化。

表4 層次分析指標矩陣及指標權(quán)重

表5 不同林分類型優(yōu)化前后面積對比

4.2 優(yōu)化后林分的水源涵養(yǎng)能力

森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)主要靠枯落物層和土壤非毛管空隙的調(diào)節(jié),其能力占綜合調(diào)節(jié)能力的90%以上[16];森林冠層的調(diào)節(jié)能力相對較弱,多在2 mm以內(nèi)?？葜β淙~層的調(diào)節(jié),約為3～10 mm[17]。林冠對降水的截留可以涵養(yǎng)水源,但截留的降水大部分蒸發(fā)耗掉,所以林冠截留也是一種耗水。因此在降水稀少的地區(qū)應(yīng)適當控制和調(diào)節(jié)水源林的密度和郁閉度,增加落入林地的雨量,減少水分消耗?；谏鲜龇治?同時限于試驗條件,該文應(yīng)用層次分析法優(yōu)化后的結(jié)果,從枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)能力指標出發(fā)對劉家凹小流域不同林分的面積調(diào)整后的水源涵養(yǎng)能力進行對比。

表6為單位面積的不同林分類型的枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)能力。單位面積的枯落物最大持水量:灌木林＞天然次生楊樹林＞天然次生槲櫟林＞人工油松林＞人工刺槐林＞刺槐側(cè)柏林;單位面積枯落物有效持水能力天然次生楊樹林＞灌木林＞天然次生槲櫟林＞人工油松林＞刺槐側(cè)柏林＞人工刺槐林;土壤層的單位水源涵養(yǎng)能力則是灌木林＞天然次生楊樹林＞天然次生槲櫟林＞刺槐側(cè)柏林＞人工油松林＞人工刺槐林。

表6 單位面積的各種林分水源涵養(yǎng)能力 t/km2

假定其它條件不變,只有6種林分的面積變化,則結(jié)合表5—6,面積優(yōu)化前后的6種林分水源涵養(yǎng)能力變化如表7所示。調(diào)整后的該流域的枯落物最大持水量、枯落物有效持水量、土壤最大持水量、土壤有效持水量分別增加了9.38%,17.35%,38.03%和46.39%。調(diào)整后劉家凹小流域的總體水源涵養(yǎng)能力增加了35.99%,水源涵養(yǎng)效果更加顯著。

5 結(jié)論

應(yīng)用層次分析法分別對蔡家川6種林分類型的垂直結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)能力進行分析,結(jié)果表明,天然林林分的垂直結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)能力好于人工林,林分垂直結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)功能相一致,天然林植物物種數(shù)多,垂直層次性好,水源涵養(yǎng)能力也高。人工林的建設(shè)是一種人為仿擬自然植被的過程,因此人工林可以參照自然植被模式進行營建和管理。在對植被的類型、生長發(fā)育狀況、演替階段、面積、分布等調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)實際需求、自然修復(fù)和人工重建相結(jié)合促進人工林向自然植被的演替。

表7 優(yōu)化調(diào)整后不同林分類型的水源涵養(yǎng)能力對比 t/km2

應(yīng)用水源涵養(yǎng)能力層次分析的結(jié)果對蔡家川嵌套的劉家凹小流域的植被分布面積進行了配置優(yōu)化。在不考慮林冠截留條件下,該小流域應(yīng)當減少純?nèi)斯ご袒绷?增加人工混交林,同時減少天然次生槲櫟林的面積,增加天然次生山楊林的面積。優(yōu)化后植被的水源涵養(yǎng)能力總體增加了35.99%,效果明顯。

本文應(yīng)用層次分析法對黃土丘陵溝壑區(qū)森林小流域水源功能的研究提供了初步優(yōu)化結(jié)果,但這只是靜態(tài)地分析了植被垂直結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)能力。限于研究條件未能考慮動態(tài)演替過程中森林植被對生境的影響,尤其是演替過程中林分各個層次對生態(tài)功能的影響。因此動態(tài)演替過程中植被對生境的影響需要進一步研究探索。

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