魏 曦，梁文?。?，畢華興，侯貴榮

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；3.水土保持國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；4.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 102206；5.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083)

黃土高原是世界上水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域之一，水土保持造林植被已覆蓋大面積的黃土地，有效緩解該地區(qū)的水土流失，生態(tài)環(huán)境逐步恢復(fù)和改善[1-2]。但大規(guī)模植被建設(shè)引發(fā)徑流減少、土壤干化等問題亦格外引人關(guān)注[3]，植被結(jié)構(gòu)與功能的多目標(biāo)調(diào)控、植被從數(shù)量增加到質(zhì)量提升的轉(zhuǎn)變?nèi)找娉蔀閲?guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。黃土殘塬溝壑區(qū)植被發(fā)揮的水土保持功能主要為涵養(yǎng)水源、保育土壤和攔蓄泥沙等3 方面[4]。林分結(jié)構(gòu)與水土保持功能的研究重點(diǎn)從關(guān)注各自的特征，逐漸過渡為指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)森林植被水土保持機(jī)理的階段，包括以林水平衡、植被承載力、結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)、生物多樣性、景觀等為對(duì)象，探討植被結(jié)構(gòu)與徑流、土壤流失的相關(guān)性[5-7]。然而，目前較全面反映林分結(jié)構(gòu)和水土保持功能的多因子相互影響的研究較少。結(jié)構(gòu)方程模型（Structural Equation Model，SEM）提出了量化多因子復(fù)雜關(guān)系的可行方案[8]，其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)為有效解決因果關(guān)系、測(cè)試競(jìng)爭(zhēng)模型和理論的能力[9-10]，在生態(tài)恢復(fù)和水土保持領(lǐng)域逐步應(yīng)用[11-12]，為深入探索林分結(jié)構(gòu)和功能的多因子關(guān)系奠定了方法基礎(chǔ)。

本研究以晉西黃土區(qū)成熟油松(Pinus tabulaeformis Carr.)人工林為對(duì)象，采用結(jié)構(gòu)方程模型，以胸徑、林分密度等表征林分的水平結(jié)構(gòu)，葉面積指數(shù)（LAI）、林層指數(shù)等表征垂直結(jié)構(gòu)，林冠截留、枯落物持水等表征涵養(yǎng)水源功能，有機(jī)質(zhì)、氮、磷等表征保育土壤功能，產(chǎn)流、產(chǎn)沙表征攔沙減沙功能，探究多因子之間的復(fù)雜影響和程度，揭示油松林水平和垂直結(jié)構(gòu)對(duì)涵養(yǎng)水源、保育土壤、攔沙減沙等功能的作用機(jī)制，提出適宜黃土高原坡面的林分結(jié)構(gòu)調(diào)控因子組合，為黃土高原油松人工植被建設(shè)提供借鑒。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域及材料

研究區(qū)位于山西吉縣蔡家川流域（地理坐標(biāo)110°27′～111°7′ E，35°53′～36°21′ N，海 拔 范 圍904～1 592 m），主要植被為不同時(shí)期的刺槐、油松人工林，植被覆蓋率72%。區(qū)域年均氣溫10.2 ℃，無霜期172 d，年均降水量571 mm 且分配不均，年潛在蒸發(fā)量1 724 mm。土壤主要為褐土。流域的林下灌木和草本情況詳見前期研究報(bào)道[12]。地被由松針等枯落物覆蓋，明顯分為未分解層與半分解層，厚度分別為5～15 mm 和5～40 mm。

1.2 樣品采集

2017 年4—10 月對(duì)試驗(yàn)區(qū)林地調(diào)查分析，選擇不同坡度、坡向和海拔，林齡約為28 年的油松人工林開展研究，共設(shè)置16 塊20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地，用測(cè)繩將樣地劃分為4 個(gè)10 m×10 m 的樣方。樣地的坡向分別為陰坡、半陰坡和半陽坡，坡度26°～35°，海拔1 100～1 200 m。

樣方內(nèi)每木檢尺，調(diào)查林分及更新情況，計(jì)算林分密度、角尺度、大小比數(shù)、林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)等指標(biāo)。采用LAI-2000 植被冠層分析儀測(cè)定樣方的葉面積指數(shù)；自記式雨量筒測(cè)定林內(nèi)外降雨和樹干流，并基于水量平衡計(jì)算林冠截留率。采用環(huán)刀法分3 層（0～20、20～40、40～60 cm）采集土壤樣品并充分混合，用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量，浸潤(rùn)土壤法測(cè)定土壤最大持水率[11]；自然風(fēng)干土壤過0.25 mm 篩后，用重鉻酸鉀稀釋熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，用SmartChem200-全自動(dòng)智能化學(xué)分析儀測(cè)定全氮（TN）、全磷（TP）、氨氮、硝氮、速效磷等的含量。在樣地上、中、下坡位處隨機(jī)選取30 cm×30 cm 的樣方調(diào)查枯落物層，用室內(nèi)浸泡法測(cè)定未分解層和半分解層的枯落物持水率。采用雙環(huán)入滲法測(cè)定土壤入滲率[13]。采用標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測(cè)樣地場(chǎng)降雨的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。油松樣地的基本情況如表1 所示。

1.3 結(jié)構(gòu)方程構(gòu)建方法

結(jié)構(gòu)方程模型包括測(cè)量模型和結(jié)構(gòu)模型[14-15]，用于探究生態(tài)系統(tǒng)中多個(gè)觀測(cè)變量、潛變量以及殘差之間的關(guān)系，定量描述自變量對(duì)因變量的影響路徑和程度，包括直接影響、間接影響和總影響[16]?；谝酝芯砍晒?017 年生長(zhǎng)季的野外調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建表達(dá)油松人工林分結(jié)構(gòu)與水土保持功能多因子復(fù)合關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程初始模型，路徑系數(shù)表示變量之間關(guān)聯(lián)程度，采用極大似然估計(jì)法計(jì)算[9]。研究區(qū)內(nèi)的氣候、水文等環(huán)境條件基本一致，地形因子（ξ1）有顯著差異。建模時(shí)主要考慮林分的水平結(jié)構(gòu)（ξ2）和垂直結(jié)構(gòu)（ξ3），涵養(yǎng)水源、保育土壤（η1）、攔沙減沙（η2）等功能，以及對(duì)應(yīng)的觀測(cè)變量和誤差、潛變量的殘差等。

1.4 模型檢驗(yàn)與修正方法

模型構(gòu)建前，采用通用Cronbach α 系數(shù)進(jìn)行信度檢驗(yàn)，值越大表明信度越高；采用KMO 度量和Bartlett 球形檢驗(yàn)進(jìn)行效度分析，KMO 值域?yàn)?～1，越接近1，變量效度越好；Bartlett 球形檢驗(yàn)結(jié)果顯著小于1%，效度越好。模型構(gòu)建、運(yùn)行后，應(yīng)檢驗(yàn)卡方（χ2）、卡方自由度比（χ2/df∈[0,3]）、顯著性概率值（p＞0.05）、絕對(duì)適配指數(shù)（GFI）、規(guī)準(zhǔn)適配指數(shù)（NFI）、增值適配指數(shù)（IFI）、比較適配指數(shù)（CFI）、近似誤差均方根（RMSEA∈[0,0.05]）、赤池信息準(zhǔn)則（AIC，越小越好）、貝葉斯準(zhǔn)則（BCC，越小越好）等參數(shù)。其中，各適配指數(shù)值范圍在[0.9,1]時(shí)模型適配程度高，在[0.7,0.9]時(shí)模型適配程度也容許。

初始模型參數(shù)不適配時(shí)需修正模型，方法如下：①根據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論和路徑系數(shù)值增減、調(diào)整變量；②根據(jù)初始模型的參數(shù)顯著性和修正指標(biāo)（Modification Index）進(jìn)行模型擴(kuò)展（Model Building），釋放部分限制路徑或添加新路徑來改善模型結(jié)構(gòu)；③根據(jù)初始模型的參數(shù)顯著性和修正指標(biāo)及臨界比率（Critical Ratio）進(jìn)行模型限制（Model Trimming），刪除或限制部分路徑以簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)。

表1 蔡家川流域油松人工林樣地基本情況Table 1 Characteristics of Pinus tabulaeformis plantation in Caijiachuan watershed

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS19.0 軟件分析數(shù)據(jù)基本特征、信度和效度等，借助Amos 22.0 軟件完成結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建，部分圖表在Excel 2016 軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分結(jié)構(gòu)和功能的主要特征

構(gòu)建模型前分析油松林結(jié)構(gòu)和功能的基本特征。水平結(jié)構(gòu)方面，油松林的郁閉度為0.54～0.87，與林分密度的關(guān)系呈雙峰曲線，其中郁閉度峰值出現(xiàn)在林分密度1 400 株·hm-2處，次大值分別出現(xiàn)在1 100 株·hm-2和1 800 株·hm-2處，這可能受到微地形差異的影響，致使本研究中郁閉度和林分密度相關(guān)性不強(qiáng)（圖1.a）。林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)與林分密度存在較密切的正相關(guān)（圖1.b）。角尺度為0.375～0.700，林木分布格局大多為均勻分布或團(tuán)狀分布，與造林時(shí)均勻種植或呈一定角度種植的特點(diǎn)一致；大小比數(shù)≥0.500 的林分占比76%，表明油松林的長(zhǎng)勢(shì)較均勻（圖1.c）。垂直結(jié)構(gòu)方面，葉面積指數(shù)為1.25～3.04，與林分密度的關(guān)系呈多峰曲線，峰值出現(xiàn)在林分密度1 100 株·hm-2處，次大正相關(guān)關(guān)系（圖2.a）。油松林產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的總體趨勢(shì)為隨坡度增大而增大，總體表明產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量具有較強(qiáng)相關(guān)性，但在28°處出現(xiàn)異常；二者的峰值和次峰值均出現(xiàn)在坡度28°和35°處，其中，產(chǎn)流量分別為78.02 和77.43 mm·場(chǎng)-1，產(chǎn)沙量分別為604 和595 t·km-2（圖2.b）。值出現(xiàn)在1 400 株·hm-2處，其值與林分密度不具有明顯的線性相關(guān)。林層指數(shù)為0～0.50，表明油松林的林木分層集中在1～2 層，反映其垂直成層分布格局（圖1.d）。

水土保持功能特征主要體現(xiàn)在林冠截留和徑流泥沙方面。林冠截留率與葉面積指數(shù)存在較密切的

圖1 油松林林分結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)特性Fig.1 The main stand structure characteristics of Pinus tabuliformisplantation

圖2 油松林水土保持功能的主要指標(biāo)特性Fig.2 The soil and water conservation function characteristics of Pinus tabuliformis plantation

2.2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、模型構(gòu)建與修正

按照前述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，確定通過檢驗(yàn)的指標(biāo)（α≥0.9、KMO≥0.8、sig.＜1%）。將建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入Amos 22.0 軟件構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)方程，計(jì)算判別模型適應(yīng)性的參數(shù)值。初始模型的卡方χ2=63.743，自由度χ2/df=3.642＞3，顯著性概率p=0.001＜0.05，與觀測(cè)數(shù)據(jù)的適配性較差，應(yīng)進(jìn)行修正。

修正時(shí)首先分析出各指標(biāo)對(duì)于表征潛變量的作用不可或缺，不考慮刪減。其次，考慮某潛變量的殘差與其他潛變量相關(guān)的觀測(cè)變量殘差的相關(guān)性，采用模型擴(kuò)展方法逐一檢驗(yàn)，用雙箭頭連接有較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)組，經(jīng)反復(fù)調(diào)整、匹配后，得到接受虛無假設(shè)、適配性高的油松林林分結(jié)構(gòu)與水土保持功能多因子關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程模型（圖3）。修正后的模型參數(shù)（χ2=46.359，χ2/df=1.376，p=0.101＞0.05 RMSEA=0.036＜0.05， AIC=232.913， BCC=214.772）接受虛無假設(shè)，且適配統(tǒng)計(jì)量的各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)（GFI=0.912，NFI=0.787，IFI=0.805，CFI=0.823）均大于0.7，表明模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)的適配性較好，對(duì)理論假設(shè)和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合可行、適用。

圖3 修正后的油松林分結(jié)構(gòu)與水土保持功能耦合關(guān)系模型Fig.3 The modified model of coupling relationships between stand structure and soil and water conservation of Pinus tabuliformis plantation

2.3 作用路徑和影響效應(yīng)分析

2.3.1 潛變量之間的復(fù)合關(guān)系 地形因子與垂直結(jié)構(gòu)、涵養(yǎng)水源和保育土壤、攔沙減沙之間都有正影響，路徑系數(shù)分別為0.13、0.37 和0.98（圖3）。地形對(duì)于攔沙減沙的影響遠(yuǎn)大于對(duì)其他因子的影響，而與水平結(jié)構(gòu)之間沒有直接的影響路徑。水平結(jié)構(gòu)與垂直結(jié)構(gòu)、攔沙減沙之間有正影響，其路徑系數(shù)分別為0.16 和0.79；對(duì)涵養(yǎng)水源和保育土壤有負(fù)影響，路徑系數(shù)為-0.93。垂直結(jié)構(gòu)對(duì)于涵養(yǎng)水源和保育土壤、攔沙減沙都有負(fù)影響，其路徑系數(shù)分別為-0.08 和-0.42。攔沙減沙與涵養(yǎng)水源和保育土壤之間也存在正影響，路徑系數(shù)為0.35。結(jié)構(gòu)方程計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化影響系數(shù)也能表征潛變量之間的相互影響程度（表2）。其中，影響較顯著的有3 組：地形因子對(duì)攔沙減沙的總影響系數(shù)為0.822，其中直接影響0.734，間接影響0.088；水平結(jié)構(gòu)對(duì)涵養(yǎng)水源和保育土壤的總影響系數(shù)為-0.906，其中直接影響-0.993，間接影響0.087；對(duì)攔沙減沙的總影響系數(shù)為0.663，其中直接影響0.784，間接影響-0.121。

表2 油松林結(jié)構(gòu)方程模型中潛變量標(biāo)準(zhǔn)化影響系數(shù)Table 2 The influence coefficients of latent variable standardization in the structure equation model of Pinus tabuliformis plantation

路徑圖和影響效應(yīng)總體反映出潛變量之間的耦合機(jī)制和復(fù)雜關(guān)系。①地形因子對(duì)攔沙減沙功能的影響最為顯著，即地形因子正向變化時(shí)，攔沙減沙因子的數(shù)值會(huì)增大，此時(shí)林分的攔沙減沙功能急劇削弱。②林分結(jié)構(gòu)內(nèi)部在水平和垂直方向上有較小程度的協(xié)同和促進(jìn)。③水平結(jié)構(gòu)正向變化對(duì)攔沙減沙有較顯著的正效應(yīng)、對(duì)涵養(yǎng)水源和保育土壤有顯著的負(fù)效應(yīng)；相對(duì)地，垂直結(jié)構(gòu)對(duì)兩個(gè)功能因子的影響較小，且呈負(fù)效應(yīng)。④涵養(yǎng)水源和保育土壤、攔沙減沙兩個(gè)功能因子之間具有一定的協(xié)同效應(yīng)。

2.3.2 潛變量與觀測(cè)變量之間的復(fù)合關(guān)系 潛變量與觀測(cè)變量之間的直接影響由模型擬合的路徑系數(shù)體現(xiàn)（圖3）。影響地形因子的觀測(cè)變量中，坡度表現(xiàn)為正影響，路徑系數(shù)為0.90；坡向和海拔表現(xiàn)為負(fù)影響，路徑系數(shù)分別為-0.76 和-0.95。除郁閉度（路徑系數(shù)為-0.21）以外，觀測(cè)變量對(duì)水平結(jié)構(gòu)的影響均為正；其中林分密度和林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，路徑系數(shù)分別為0.98 和0.97，遠(yuǎn)大于其他因素。影響垂直結(jié)構(gòu)的樹高、葉面積指數(shù)、林層指數(shù)，均表現(xiàn)為正影響，路徑系數(shù)分別為0.96、0.28 和0.78。影響涵養(yǎng)水源和保育土壤的變量中，林冠截留、枯落物持水、土壤入滲率和土壤含水量為正影響，土壤最大持水量、有機(jī)質(zhì)和全氮為負(fù)影響；林冠截留率的路徑系數(shù)為0.69，影響較顯著。影響攔沙減沙的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量均為較強(qiáng)的正影響，路徑系數(shù)分別為0.97 和0.91。

模型計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)化影響系數(shù)表征潛變量與觀測(cè)變量之間的直接或間接影響效果。①地形因子對(duì)坡度、坡向和海拔有較強(qiáng)的直接影響，總影響系數(shù)分別為0.971、-0.836 和-0.764；對(duì)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的間接影響效果也較顯著，總影響系數(shù)分別為0.624 和0.568。②水平結(jié)構(gòu)對(duì)林分密度、林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和林冠截留率的影響大，總影響系數(shù)分別為-0.987、-0.956 和-0.715，對(duì)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量的間接影響也較大，影響系數(shù)分別為0.537 和0.503。③垂直結(jié)構(gòu)對(duì)樹高、林層指數(shù)的影響效果顯著，影響系數(shù)分別為-0.919 和0.793，對(duì)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量和葉面積指數(shù)等有一定程度的影響。④攔沙減沙對(duì)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量的影響效果非常顯著，分別達(dá)到0.986 和0.961。⑤涵養(yǎng)水源和保育土壤對(duì)林冠截留的影響效果顯著，達(dá)到0.731；對(duì)未分解層枯落物持水率、土壤入滲率、土壤含水量、海拔、坡向和坡度等也有一定程度的影響。

3 討論

3.1 地形因子通過影響垂直結(jié)構(gòu)間接影響功能

坡度、海拔等地形因素不同程度地影響胸徑、樹高、林分密度等結(jié)構(gòu)因子及其動(dòng)態(tài)變化。以往研究大多未區(qū)分水平、垂直方向上林分結(jié)構(gòu)的不同影響，只提及地形對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響存在顯著交互或差異[17]，其中包括森林能適應(yīng)不同海拔的不同溫度和其他條件等[18]；地形與垂直結(jié)構(gòu)共同作用于幼樹更新[19]。而林分結(jié)構(gòu)細(xì)分為水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)地形與垂直結(jié)構(gòu)的關(guān)系更加密切，直接作用的路徑系數(shù)為0.13，與水平結(jié)構(gòu)無直接作用。地形因子不僅直接影響水土保持功能，還通過垂直結(jié)構(gòu)間接影響該功能。地形改變（如坡度增大）對(duì)林分結(jié)構(gòu)與水土保持功能的相互影響過程產(chǎn)生間接的負(fù)向效應(yīng)。

3.2 水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)具有協(xié)同作用

水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)屬于林分結(jié)構(gòu)的兩個(gè)維度，但它們之間的關(guān)系很少量化。學(xué)者通過胸徑-樹高曲線研究二者復(fù)雜作用[20]，也運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)理論探索林分內(nèi)的空間異質(zhì)性[21]。在前人研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)油松林的水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)存在正影響，路徑系數(shù)為0.16，總影響效應(yīng)為0.154。水平結(jié)構(gòu)對(duì)樹高、林層指數(shù)和葉面積指數(shù)等指標(biāo)有一定的間接影響，影響系數(shù)分別為-0.152、0.144 和0.043。可見油松林分的水平和垂直結(jié)構(gòu)在影響水土保持功能的同時(shí)，林分內(nèi)部?jī)蓚€(gè)方向也存在一定的協(xié)同發(fā)展和相互促進(jìn)。

3.3 水平結(jié)構(gòu)顯著影響水土保持功能

林分水平結(jié)構(gòu)與功能的相互作用的研究較多，如不同林冠類型的土壤氮、磷等存在差異[22-23]，林分結(jié)構(gòu)改造引起土壤水源涵養(yǎng)功能的動(dòng)態(tài)變化等[24]，主要關(guān)注單一或少數(shù)結(jié)構(gòu)與功能變量的關(guān)系。本研究側(cè)重于多因素復(fù)合作用，發(fā)現(xiàn)水平結(jié)構(gòu)對(duì)林冠截留、產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響最大，其影響效應(yīng)系數(shù)＞0.5。其中，林分密度和林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的路徑系數(shù)＞0.9，影響系數(shù)絕對(duì)值＞0.95，說明這兩個(gè)因子主導(dǎo)水平結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)影響水土保持功能，調(diào)整二者之一，可有效調(diào)控林分水平結(jié)構(gòu)及其發(fā)揮的水土保持功能。

水平結(jié)構(gòu)定向調(diào)整不同程度地影響涵養(yǎng)水源和保育土壤、攔沙減沙效果。林分密度和林木競(jìng)爭(zhēng)減小，其他水平結(jié)構(gòu)指標(biāo)增大，以林冠截留為代表的涵養(yǎng)水源和保育土壤功能將有所增加，但林下的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量會(huì)相應(yīng)增加，此時(shí)攔沙減沙功能有所削弱，前者的改善效果大于后者的削弱效果；反之，林分密度和林木競(jìng)爭(zhēng)增大，其他水平結(jié)構(gòu)指標(biāo)酌情改變，以林冠截留為代表的涵養(yǎng)水源和保育土壤功能將減弱，而林下的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量相應(yīng)減少，攔沙減沙功能提高，前者的削弱效果大于后者的改善效果。這與以往優(yōu)化水平結(jié)構(gòu)可改善林冠截留的研究一致，而林分密度減小后確實(shí)會(huì)增加油松林的產(chǎn)流產(chǎn)沙，對(duì)其攔沙減沙功能產(chǎn)生不利影響，凸顯出結(jié)構(gòu)方程研究水平結(jié)構(gòu)與多項(xiàng)水土保持功能關(guān)系的優(yōu)越性。

3.4 垂直結(jié)構(gòu)對(duì)水土保持功能具有一定的負(fù)影響

林冠的組成和分層是典型的垂直結(jié)構(gòu)指標(biāo)，不同程度地影響水土保持功能，以林層指數(shù)、葉面積指數(shù)為代表[24-25]，其對(duì)垂直結(jié)構(gòu)的復(fù)合作用量化后發(fā)現(xiàn)，樹高、林層指數(shù)的影響較顯著，直接路徑系數(shù)分別為0.96 和0.78。垂直結(jié)構(gòu)與涵養(yǎng)水源和保育土壤、攔沙減沙之間的路徑系數(shù)分別為-0.08 和-0.42，其中與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的總影響效應(yīng)系數(shù)相對(duì)較高，分別為-0.318 和-0.274?？梢?，葉面積指數(shù)或林層指數(shù)增大、垂直結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量相應(yīng)減小、攔沙減沙功能增強(qiáng)，但涵養(yǎng)水源和保育土壤功能略微削弱，且攔沙減沙增強(qiáng)程度大于涵養(yǎng)水源和保育土壤削弱程度，水土保持功能總體上有所提升。

3.5 功能導(dǎo)向的林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施配置建議

林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法頗為成熟，如疏伐、優(yōu)化結(jié)構(gòu)[26]、林分規(guī)劃和微地形改造[27]。而從精準(zhǔn)管理角度改進(jìn)以往的植被建設(shè)和撫育方法[12]，找出對(duì)提高油松林的水土保持效果明顯的林分密度、林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和林層指數(shù)等因子，設(shè)計(jì)量化、可操作的油松林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，可定向、定量改善水土保持功能。

油松林的林分結(jié)構(gòu)與水土保持功能的多因子作用過程中，水平和垂直方向上的結(jié)構(gòu)對(duì)功能作用顯著，其中水平結(jié)構(gòu)對(duì)涵養(yǎng)水源和保育土壤的影響較強(qiáng)，垂直結(jié)構(gòu)則對(duì)攔沙減沙影響更為突出。研究結(jié)果區(qū)分了水平、垂直兩個(gè)方向上的林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)在功能上的不同影響力，具有定向、定量的特點(diǎn)。對(duì)于需要改造的油松林，針對(duì)上述敏感因素采用疏伐、密植等適度的森林管理技術(shù)進(jìn)行定量調(diào)整，將林分密度和郁閉度分別保持在1 100～1 400 株·hm-2和0.7 左右的范圍，幼樹更新、林下灌草多樣性均較穩(wěn)定，枯落物豐富、易分解。適當(dāng)補(bǔ)植刺槐樹種增強(qiáng)混交度、將針闊比穩(wěn)定在7∶3 至6∶4 之間，形成結(jié)構(gòu)適宜、功能優(yōu)良的異齡復(fù)層混交林，使林分結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定、優(yōu)化，森林健康程度提升，充分發(fā)揮水土保持功能。

4 結(jié)論

本研究是結(jié)構(gòu)方程在林業(yè)生態(tài)與水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)油松林的水平結(jié)構(gòu)是對(duì)涵養(yǎng)水源和保育土壤、攔沙減沙功能影響最為顯著的潛變量，其對(duì)應(yīng)的觀測(cè)變量中，林分密度和林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)是主導(dǎo)水平結(jié)構(gòu)的因子，且較易調(diào)控；受結(jié)構(gòu)因素影響較大的敏感功能因子為產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量和林冠截留率，為揭示油松林分結(jié)構(gòu)和功能之間的多因子復(fù)合關(guān)系提供參考。研究提出黃土高原地區(qū)油松林的適宜因子組合及閾值，可用于指導(dǎo)林分結(jié)構(gòu)的定量、定向優(yōu)化措施配置，建成各類生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益高效的、利于提高當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活水平的水土保持林，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)的森林經(jīng)營(yíng)。