馬小欣，趙鵬飛，陸貴巧，馬嬌嬌，吳 強，楊 超，谷建才

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

冀北山區(qū)華北落葉松人工林水源涵養(yǎng)功能評價

馬小欣，趙鵬飛，陸貴巧，馬嬌嬌，吳 強，楊 超，谷建才

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

以冀北山區(qū)4個不同生長階段的華北落葉松林人工林為研究對象，對其土壤容重、孔隙度以及滲透性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：土壤容重隨著落葉松的生長而減小，以成熟林最小，林齡相差較大的林分之間，土壤容重存在顯著性差異；土壤總孔隙度以近熟林最大，各個生長階段雖然有變化但是沒有顯著的差異性；近熟林與成熟林在滲透性能的大小上不分伯仲。采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，對評價指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計算，計算出各個生長階段的綜合水源涵養(yǎng)功能。結(jié)果表明：冀北山區(qū)不同生長階段的華北落葉松人工林水源涵養(yǎng)功能以近熟林最好，其次為成熟林、中齡林、幼齡林。

華北落葉松人工林；土壤容重；孔隙度；滲透性能；不同生長階段

森林和水是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍最有影響的兩個因素。森林能夠改善土壤的物理性質(zhì)，使其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、土質(zhì)疏松，來增加水分的儲存和提高水分的入滲，從而降低水土流失，起到涵養(yǎng)水源的作用，因此被被形象的稱為“綠色水庫”[1]。不同的森林類型由于受森林結(jié)構(gòu)以及樹種的生態(tài)學(xué)特性的差異，涵養(yǎng)水源的效應(yīng)也存在不同[2-4]。華北落葉松林是冀北山區(qū)常見的人工林類型，但是由于不合理的經(jīng)營，忽視基本的生態(tài)學(xué)原理，較多林分出現(xiàn)生長衰退，水源涵養(yǎng)功能降低的現(xiàn)象。這個問題已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。研究華北落葉松人工林不同生長發(fā)育階段涵養(yǎng)水源功能的變化規(guī)律，建立合理的營林措施，從而增加林分的涵養(yǎng)水源能力，具有重要的理論價值和實踐意義。

1 區(qū)域概況

研究地區(qū)位于河北省圍場滿族蒙古族自治縣內(nèi)的木蘭林管局下屬的北溝林場，地理坐標(biāo)為（41°35′～ 42°40′N，116°32′～ 118°14′E)。 地 勢高低起伏，東北高，西南低，海拔高度在800～1 600 m。該地區(qū)氣候寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、冬長夏短、晝夜溫差較大的特征。夏季溫暖多雨，年極度最高溫為39.4℃；冬季寒冷干燥，極端最低氣溫達(dá)到-42.9℃，年平均氣溫在-1.4～4.7℃。該區(qū)氣候多變，降水豐沛，年平均降雨量在500 mm左右，大多數(shù)集中在6-9月份。北溝林場的土壤肥力高，主要類型是壤土和沙土。據(jù)調(diào)查，北溝林場內(nèi)植被主要由灌叢、落葉闊葉林、針葉林組成。該林區(qū)內(nèi)，人工喬木以華北落葉松Larix principis-rupprechtii、油松Pinus tabuliformisCarrière為主，其次為樟子松Pinus sylvestnisvar、云杉Picea asperataMast等；天然喬木樹種主要是山楊Populus davidiana、白樺Betula platyphyllaSuk、柞樹Xylosma racemosum。林下灌叢主要是美麗胡枝子Lespedeza formosa、豬毛蒿Artemisia scopariaWaldst. et Kit.、 山 刺 玫Rosa davuricaPall.、繡線菊Spiraea Salicifolia、狗尾草Setaria viridis等。該區(qū)物種多樣性較豐富，分布有大量的高等維管植物、動物等。

2 研究方法

2.1 試驗地的選擇與設(shè)置

通過林相圖和實地踏查相結(jié)合，按照立地條件和林分特征相似的標(biāo)準(zhǔn)，選取華北落葉松人工林不同生長階段（幼、中、近、成）的四個林型，各設(shè)置3塊30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地。對各個標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)查，主要包括林齡、林下植被、坡度、坡位、郁閉度，樹高、胸徑、林分密度等因子。各個生長階段標(biāo)準(zhǔn)地基本概況見表1。

表1 華北落葉松人工林不同生長階段基本概況Table 1 General characteristics of Larix prinicipis-rapprechii Plantation, four different growth stages

2.2 土壤水分物理性質(zhì)的測定

在各個標(biāo)準(zhǔn)地選取3個樣方挖掘土壤刨面，記錄各個土壤刨面的特征、土層厚度。按照0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm進(jìn)行分層，用環(huán)刀在各個土層取3個土樣，將原裝土帶回實驗室測定自然含水量、土壤容重、孔隙度等指標(biāo)，測定方法參考文獻(xiàn)[5]。土壤滲透性能采用雙環(huán)法[6]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 統(tǒng)計分析

采用SPSS 17.0軟件對不同生長階段的落葉松的土壤容重、孔隙度、滲透性能的差異性進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行Duncan多重比較。

2.3.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是在各個因素所提供的信息量的基礎(chǔ)上，計算出一個綜合指標(biāo)的數(shù)學(xué)方法[7]。本研究通過構(gòu)建不同生長發(fā)育階段的華北落葉松壤層的水源涵養(yǎng)評價指標(biāo)體系，運用熵權(quán)法來確定各個指標(biāo)的權(quán)重值。

（1）構(gòu)建體系

本研究以土壤層為準(zhǔn)則層，選擇土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、初滲速率、穩(wěn)滲速率、穩(wěn)滲時間這6個指標(biāo)，構(gòu)建華北落葉松人工林不同生長發(fā)育階段水源涵養(yǎng)功能的評價指標(biāo)體系。

（2）熵權(quán)法賦權(quán)步驟

①數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于評價水源涵養(yǎng)功能的各個指標(biāo)量綱不同，且指標(biāo)間的差異較大，首先采用極值法對評價指標(biāo)數(shù)據(jù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。給定了k個指標(biāo)X1，X2，…，Xk，其中Xi=[x1，x2，…，xn]。對各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值為Y1，Y2，…，Yk。

上述式中：k為指標(biāo)數(shù)即6，n=4，i=4，j=6

②權(quán)重的計算

計算各個評價指標(biāo)的熵值，得出得出冀北山區(qū)不同生長階段價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。見下列公式：

③確定各指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)各個指標(biāo)的熵值E1，E2，…，Ek。通過熵計算各指標(biāo)的權(quán)重：

2.3.3 水源涵養(yǎng)功能評價

水源涵養(yǎng)功能的優(yōu)劣，采用綜合指數(shù)法即分別對各個生長階段的評價指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合計算。首先確定各原指標(biāo)是屬于“高優(yōu)”還是“低優(yōu)”[8]，然后根據(jù)下列公式進(jìn)行指數(shù)化處理。指數(shù)化公式：

公式（4）為高優(yōu)指標(biāo)指數(shù)化；（5）為低優(yōu)指標(biāo)指數(shù)化。其中x為某指標(biāo)的觀測值，M為各個指標(biāo)的平均值。

同類指標(biāo)相乘，異類指標(biāo)相加計算指數(shù)綜合，將總和指數(shù)數(shù)值I進(jìn)行比較，排序各個生長階段水源涵養(yǎng)功能，值越大水源涵養(yǎng)功能越強。綜合指標(biāo)的計算公式：

其中，wi為各指標(biāo)權(quán)重，yi為原始數(shù)據(jù)指數(shù)化的數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重

林分土壤容重是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，它能反應(yīng)土壤的緊實程度，是決定土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)[9]。圖1列出了不同生長階段落葉松在各個土層土壤容重情況。如圖1所示，不同生長階段土層的土壤容重均表現(xiàn)為0～15 cm＜15～30 cm＜30～45 cm＜45～60 cm，即各個階段的土壤容重均隨著土層深度的增加而增加。在0～15 cm土層，隨著林齡的增加土壤容重逐漸降低，土壤容重從大到小依次為幼齡林（1.32 g·cm-3）；中齡林（1.29 g·cm-3）；近熟林（1.05 g·cm-3），成熟林（0.96 g·cm-3）。中齡林比幼齡林土壤容重降低了2.3%；近熟林比中齡林土壤容重降低了18.6%；成熟林比近熟林土壤容重降低了6.7%。中齡林到近熟林過渡的階段，土壤容重降低的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他階段，其原因是處于中齡林階段的落葉松，由于人為或者自然稀疏，林內(nèi)光照強度改變，林下植被生長旺盛，根系微生物的活動使得表層土壤得到了改善。0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm土層在不同生長階段的土壤容重均為幼齡林＞中齡林＞近熟林＞成熟林。這種變化趨勢與林分的生長階段特點有著顯著的關(guān)系，在中齡林和近熟林期根系生長旺盛，淺層土壤根系跟新速度快，而再加上表層凋落物的儲存，微生物活動劇烈，因此容重增長趨勢明顯。成熟林期生長速率雖然降低但總體程度上還保持生長。45～60 cm土層的土壤容重的大小順序為成熟林＜近熟林＜幼齡林＜中齡林，容重僅僅在 1.33 g·cm-3～ 1.43 g·cm-3范圍內(nèi)波動，變化幅度很小。0～60 cm平均土壤容重的順序從大到小依次為幼齡林＞中齡林＞近熟林＞成熟林。

圖1 不同生長階段華北落葉松人工林土壤容重垂直變化Fig. 1 The vertical changes of soil density for different growth stages of Larix prinicipis-rapprechii Plantations

不同生長階段的土壤容重進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行Duncan多重比較，總體來看幼齡林與中齡林沒有明顯差異，幼齡林與近熟林、成熟林在0.05水平上均存在顯著性差異；中齡林與近熟林沒有明顯差異，卻與成熟林的土壤容重在0.05水平上存在顯著性差異；近熟林與成熟林的土壤容重差異不明顯。由此可見土壤容重與林齡的增長有著密切的關(guān)系，且與林齡的增長趨勢相同。

3.2 土壤孔隙度

孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，能反映出土壤持水性、通氣性等，是土壤中養(yǎng)分、空氣、水分和微生物等的貯存庫、遷移通道和活動場所[10-11]。

非毛管孔隙度對水文調(diào)節(jié)和入滲能力有著直接的關(guān)系，它的數(shù)量反應(yīng)了森林植被滯留水的能力，將直接影響林地蓄水能力和調(diào)節(jié)水分功能的強弱[12]。如圖2，0～15 cm土層土壤非毛管孔隙度隨著林齡的增長逐年增大，在近熟林達(dá)到最大為8.94%，近熟林后非毛管孔隙度成下降趨勢；15～30 cm土層土壤非毛管孔隙度與0～15 cm變化趨勢相同，從小到大依次為幼齡林＜中齡林＜成熟林＜近熟林；30～60 cm土壤非毛管孔隙度與上述兩個土層變化不同，但均是近熟林的土層最大。土壤非毛管孔隙度的變化與土壤深度沒有明顯的規(guī)律性，但是各個生長階段均是表層土非毛管孔隙度最大，其原因是枯落物的積累，腐爛后形成較厚的腐殖質(zhì)層，改善了土壤的質(zhì)地，土壤肥沃所以土壤孔隙發(fā)達(dá)。但是土壤非毛管孔隙度與土層深度沒有規(guī)律變化。0～60 cm平均土壤非毛管孔隙度的順序從大到小依次為近熟林＞成熟林＞中齡林＞幼齡林。

圖2 不同生長階段落葉松人工林土壤孔隙度垂直變化Fig. 2 The vertical changes of soil porosity for different growth stages of Larix prinicipis-rapprechii Plantation

毛管孔隙度的大小反映了森林植被維持自身生長發(fā)育的能力。0～30 cm土層在隨著林齡的增長毛管孔隙度逐年變大，但是變大的速率逐年減小最終趨于平穩(wěn)；30～60 cm土層，土壤的毛管孔隙度變化不大。土壤毛管孔隙度均是表層較大，隨著土層深度的增加而減小。

在總孔隙度方面，各個生長階段土壤總孔隙度隨著土層的加深而減小，且表面土層的土壤孔隙度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下層土壤的孔隙度。這是由于地表枯落物的分解腐爛后增加了腐殖質(zhì)的含量，有利于表層土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成，此外森林表面的生長著茂盛的灌木、草本植物，這些植物的根系大部分都分布在土壤的表層而細(xì)根生長及分解可以改善土壤的孔隙狀況。4個生長階段在0～15 cm土層總孔隙度的大小順序與非毛管孔隙度相同即近熟林＞成熟林＞中齡林＞幼齡林，中齡林到近熟林的生長階段土壤孔隙度的變化范圍是最大，總孔隙度隨著林齡的增長而增大，在近熟林達(dá)到最高，隨后逐年降低；15～45 cm土層土壤的總孔隙度變化動態(tài)是逐年升高，總孔隙度從大到小依次為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林；45～60 cm土層土壤總孔隙度從大到小順序為近熟林＞成熟林＞中齡林＞幼齡林。各林齡平均總孔隙從大到小順序為： 近熟林＞成熟林＞中齡林＞幼齡林。

各生長階段的土壤總空隙度進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行Duncan多重比較，各個生長階段土壤總孔隙度雖然有變化，但是均無顯著性差異。

3.3 土壤滲透性能

土壤滲透性能是土壤水分的物理性質(zhì)之一，也是土壤理水調(diào)洪功能的重要指標(biāo)。它與土壤的物理性質(zhì)有著重要的關(guān)系，滲透性能較好的土壤，它能是地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流，使林地水土流失得到了有效的控制[13-14]。如表2所示， 0～15 cm、30～45 cm、45～60 cm土層的入滲速率從大到小依次為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。中齡林、近熟林、成熟林均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加華北落葉松人工林的入滲速率逐漸降低，而在幼齡期不同土層人工林的入滲速率卻表現(xiàn)出：15～30 cm＞0～15 cm＞30～45 cm＞45～60 cm。在幼齡林出現(xiàn)下層土壤的滲透速率比表層大的原因可能是，華北落葉松人工林處于幼齡期枯落物較少，微生物活動少，再加上人為的活動，造成土壤表層較緊實，滲透率較小。各生長階段的滲透性能進(jìn)行單因素方差分析，總體上，近熟林和成熟林土壤初滲速率顯著高于幼齡林和中齡林，幼齡林和中齡林無顯著性差異，近熟林和成熟林無顯著性差異。

土層深度來看，穩(wěn)滲速率和時間隨著土層深度的增加兩者都沒有規(guī)律性。平均穩(wěn)滲速率從大到小依次為成熟林、近熟林、中齡林、幼齡林，隨著年齡的增加而增大。從穩(wěn)滲時間來看，近熟林在15～30 cm土層穩(wěn)滲時間最長為47 min，且近熟林的華北落葉松人工林滲透性能較好，初滲速率較高為 16.2 mm·min-1，穩(wěn)滲速率為 6.7 mm·min-1。在這種強降雨的情況下，雨水可以充分的滲入土層中形成壤中流，對水土保持以及水源涵養(yǎng)起到了重要的作用。各生長階段的土壤穩(wěn)滲速率和時間進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行Duncan多重比較，各個生長階段的土壤穩(wěn)滲速率和時間均無顯著性差異。

3.4 水源涵養(yǎng)功能評價

以華北落葉松各個生長階段土壤容重w1（低優(yōu)指標(biāo)）、土壤毛管孔隙度w2、非毛管孔隙度w3、初滲速率w4、穩(wěn)滲速率w5、穩(wěn)滲時間w6為評價指標(biāo)，采用熵權(quán)法確定各個指標(biāo)權(quán)重見表3。

表2 不同生長階段不同土層通透性能Table 2 Water infiltration of soil for different growth stages of Larix gmelinii plantations

表3 不同指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Table 3 Weight coefficient of the evaluation index

由各個指標(biāo)的權(quán)重采用綜合指數(shù)法計算華北落葉松各個生長階段水源涵養(yǎng)功能的能力見表4。由綜合指數(shù)值可以看出近熟林的華北落葉松人工林涵養(yǎng)水源能力最大，其次為成熟林、中齡林、幼齡林。近熟林與成熟林的華北落葉松人工林相比，差異性很小，基本沒有多大的變化。但是與中齡林、幼齡林的林齡相比，在水源涵養(yǎng)功能方面它們表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。

表4 華北落葉松不同生長階段水源涵養(yǎng)功能比較Table 4 Comparison of water conservation function of Larix prinicipis-rapprechii plantations' different growth stages

4 結(jié) 論

（1）土壤容重。各個生長階段土壤容重隨著土壤深度的加深而增大，且表層大于其他土層的容重較明顯，隨著土層深度增加變化趨勢變小。土壤容重與生長階段也有著緊密的關(guān)系，林齡越大其容重越小。

（2）土壤孔隙度。土壤非毛管孔隙度的變化與土壤深度沒有明顯的規(guī)律性，各林齡0～60 cm土層非毛管孔隙度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，從大到小依次為近熟林＞成熟林＞中齡林＞幼齡林，近熟林表層土最大達(dá)到8.94%。毛管孔隙度隨著林齡的增大而增大；總孔隙度隨著土層的加深而減小，各林齡平均總孔隙從大到小順序為： 近熟林＞成熟林＞中齡林＞幼齡林，中齡林到近熟林土壤孔隙度的變化范圍是最大，總孔隙度隨著林齡的增長在近熟林達(dá)到最高，隨后降低。

（3）滲透性能。在林齡相差較大的林分之間，初滲速率存在顯著性差異。林齡相差不大的差異不顯著。穩(wěn)滲速率和穩(wěn)滲時間沒有明顯的規(guī)律性?？偲饋碚f成熟林生在初滲速率上較有優(yōu)勢，穩(wěn)滲速率和穩(wěn)滲時間近熟林比成熟林有優(yōu)勢，但是優(yōu)勢并不明顯。

（4）分析綜合水源涵養(yǎng)功能。冀北山區(qū)不同生長階段的華北落葉松人工水源涵養(yǎng)功能以近熟林最好，其次為成熟林、中齡林、幼齡林。但是成熟林綜合指數(shù)1.13與近熟林1.14相差很小。以上充分說明華北落葉松生長處于近熟林期土壤的涵養(yǎng)水源功能較強。這對建立合理的營林措施，增加林分的涵養(yǎng)水源能力，具有重要的實踐意義。

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Evaluation on water conservation functions of Larix prinicipis-rapprechii plantations in mountainous area of Northern Hebei Province

MA Xiao-xin, ZHAO Peng-fei, LU Gui-qiao, MA Jiao-jiao, WU Qiang, YANG Chao, GU Jian-cai
(Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China)

soil density, soil porosity and water Permeability of four different growth stages ofLarix prinicipis-rapprechiiPlantations in Mountainous Area of Northern Hebei Province.The results showed that: soil bulk density show a signi fi cant difference in forests which have a larger gap in stand age, soil density of mature forest is largest ,along with aggrandizing of age of soil density become smaller ;Soil total porosity is largest at nearly mature forest.There were no signi fi cant differences in different growth stages；soil porosity of mature forest and nearly mature forest have no signi fi cant difference. The values of evaluation indices were calculated based on weights that were determined using the method of entropy method. The evaluation results show that Near - mature - forest Plantations ofLarix principis-rupprechtiihave the best water conservation function, followed in order by mature forest、middle-age forest、young forest.

Larix prinicipis-rapprechiiPlantation ; soil density ; soil porosity ; water permeability different; growth stages

S715.7

A

1673-923X(2016)04-0084-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.016

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-12-29

河北省科技支撐計劃項目“河北省灤河流域水源林經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（15227652D）

馬小欣，碩士研究生

谷建才，教授；E-mail：gujiancai@126.com

馬小欣，趙鵬飛，陸貴巧，等. 冀北山區(qū)華北落葉松人工林水源涵養(yǎng)功能評價[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(4):84-89.

[本文編校：吳 彬]