小兴安岭南坡3种林型林地水源涵养功能评价

汪永英，段文标

(东北林业大学林学院，150040，哈尔滨)

小兴安岭南坡3种林型林地水源涵养功能评价

汪永英，段文标†

(东北林业大学林学院，150040，哈尔滨)

运用层次分析法的原理和方法，通过选取影响林地枯落物层和土壤层水源涵养功能的11个指标，对小兴安岭南坡3种主要林型枯枝落叶层和土壤层的水源涵养功能进行定量评价。结果表明:天然杨桦混交林水源涵养综合能力评价值最大(0.427 1)，落叶松人工林次之(0.368 7)，天然红松林最小(0.204 1)，说明天然杨桦混交林水源涵养功能最强，落叶松人工林中等，天然红松林最弱;3种林型的水源涵养功能的强弱与现实生产实际相吻合，表明层次分析法在不同林型水源涵养功能的定量评价上是可行的。

小兴安岭南坡;林型;层次分析法;水源涵养功能;评价

森林涵养水源功能价值是森林生态系统服务价值研究的热点问题之一，科学评价森林涵养水源的价值与合理制定森林的管理策略是林业可持续发展的保障。森林的水源涵养功能是森林生态系统功能的重要组成部分［1］，主要体现在改善土壤理化性质、拦蓄降水、减少土壤侵蚀等方面，它是森林的3个作用层(林冠层、枯枝落叶层和土壤层)共同作用的复杂过程。过去森林水源涵养功能评价多为针对某一特定层指标的定性评价［2］，后来在筛选水土保持林林分时发现，某些指标功能优秀的林分在其他指标上却不一定优秀，甚至很差［3］。为此，许多学者开展了森林拦蓄降水和保土功能指标的综合评价研究，通过专家打分法、层次分析法、坐标综合评定法和灰色关联分析法等对森林3个作用层指标进行综合评价［4-6］。笔者在对小兴安岭南坡兴隆林业局3种主要林型林地水源涵养功能指标定性评价的基础上，通过层次分析法对不同林型的水源涵养功能进行定量的综合评价，选择出综合功能最好的林型，以期为小兴安岭南坡的森林营造、退化森林生态系统的恢复提供基础数据，为森林涵养水源功能的评价提供参考依据。

1 研究地概况

研究地位于小兴安岭南坡，隶属于黑龙江省兴隆林业局。地理坐标 E127°54'40″～ 128°51'15″，N46°01'30″～46°37'23″，海拔一般为 300 ～600 m。该区为典型的亚寒带季风气候，年平均气温2～3℃，年平均降水量700 mm，年降雪量300 mm，无霜期120 d。林区土壤属棕色森林土带，地带性土壤为暗棕壤，非地带性土壤有沼泽土、草甸土、白浆土。兴隆林业局森林原生植被属长白山植物区系的小兴安岭亚区，植物种类较多，约600余种，其中地衣植物80种、藓类植物89种、蕨类植物32种、种子植物448种。种子植物中有裸子植物6种，被子植物442种。按林型大致可分为针阔混交林、硬阔叶混交林、杨桦林3大类。垂直分布为高山坡地云冷杉林、红云冷(红皮云杉(Picea koraiensis)、鱼鳞云杉(Picea jezoensis)、臭冷杉(Abies nephrolepis))针阔混交林、红松(Pinus koraiensis)阔叶混交林和少量的针叶纯林。平缓地为阔叶混交林，水平分布明显，东部和北部是针阔混交林，南部和西部为珍贵阔叶林、杨桦林和少量的柞矮林［7］。

2 研究方法

2.1 样地设置

于2006年5月，在研究地域内选择天然红松林、落叶松人工林和天然杨桦混交林3种主要林型。在各林型典型的、有代表性的地段设置规格为20 m×20 m的临时标准地，并进行林分调查。调查结果见表1。

表1 3种林型概况Tab．1 Characteristics of three forest stands

2.2 样本采集

2.2.1 枯落物的采集 在临时标准地内采用“十字交叉法”分别布设5个10 cm×10 cm的样方。首先测定枯落物层厚度，然后按分解程度分别在未分解层(上层)和半分解层(下层)进行枯落物的收集、烘干和称量，估算单位面积枯落物的蓄积量。

2.2.2 土壤样本的采集 在临时标准地内，按照“蛇”形取样法设定5个取样点。在每个取样点上，首先小心清理地表枯落物，然后用环刀在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层深度各取1个土样，每个样地共取15个土样。

2.3 室内测定

采用环刀法测定3种林型土壤密度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等物理性状指标。用室内浸泡法测定林下枯落物的持水量和吸水速度。枯落物有效拦蓄量则通过枯落物的最大持水率来计算［8-9］。

2.3.1 枯落物持水能力的测定 枯落物层的蓄水保水作用，能够影响穿透降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应［10］，是森林水源涵养功能的一个重要水文层次。将原状枯落物样品分别装入戴盖铝盒，在清水中浸泡24 h，称量，每个植被类型重复5次，另取未分解层、半分解层试样，称量后分别装入铝盒，测定浸入清水后时间间隔为 0.25、0.5、1、2、4、8、24 h后质量变化。测定时用纱布遮住铝盒口，将铝盒中的水倒出，静置5 min左右，直至枯落物不滴水为止，迅速称枯落物的湿质量并进行记录。如此反复来研究其吸水速度和吸水过程。

2.3.2 枯落物层最大持水量及最大持水率的计算枯落物的持水能力由林下枯落物的蓄积量和枯落物的持水特性二者共同决定［11-12］。浸水不同时间的枯落物持水量是指每次取出称量后的枯落物湿质量与其风干质量的差值，枯落物的吸水速率则为枯落物持水量值与浸水时间的比值［13-15］。一般认为，最大持水量是反映枯落物层持水性能的一个重要指标，枯落物充分(约24 h)浸水后的持水量(率)为最大持水量(率)，根据枯落物的最大持水率和枯落物蓄积量，可以计算枯落物的最大持水量［16］。

式中:H为枯落物持水量，t/hm2;W1为枯落物湿质量，t/hm2;W2为枯落物干质量，t/hm2;Rm为枯落物最大持水率，%;Hm为枯落物最大持水量，t/hm2;M为枯落物蓄积量，t/hm2。

2.3.3 枯落物有效拦蓄量的计算 在自然条件下，枯落物最大持水量并不等于其对降雨的有效调蓄量，用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力则偏高，不符合它对降雨的实际拦蓄效果，它只能反映枯落物层的持水能力的大小［16-18］。有效截留量才是反映枯落物对一次降水拦蓄的真实指标，其与枯落物水分状况、数量、降雨特性有关。通过参考国内外专家对各种林分枯落物的有效拦蓄量的研究及专家认定结果，枯落物的实际持水量约为最大持水量的 85%［18］。枯落物有效拦蓄量用下式［19］求算:

式中W为有效拦蓄量，t/hm2。

2.3.4 土壤层贮水量测定 森林土壤层是森林生态系统贮蓄水分的主要场所，其蓄水能力的大小依赖于土壤种类、土壤密度、土壤孔隙度和土壤有机质含量等因素［20-21］。根据当地土壤的区域特点和3种不同林型枯落物的采样调查结果，采集0～20 cm表层土壤、20～40 cm亚表层土壤以及40～60 cm下层土壤［22］。利用环刀法对土壤孔隙度、土壤持水量以及土壤密度各项土壤物理性质指标进行测定。称取环刀(带垫有滤纸的孔盖)质量，采样后称取装有湿土的环刀的质量，然后将装有湿土的环刀揭去上下底盖，仅留垫有滤纸带孔底盖，放入平底盆中，注入水并保持盆中水层高度至环刀上沿为止，使其吸水达12 h，此时环刀中所有孔隙都充满了水，盖上上下底盖，水平取出，用干毛巾擦掉环刀外沾的水，立即称量，即可算出土壤饱和持水量。将上述称量后的环刀，仅留带滤纸带孔眼的底盖，放置在铺有干沙的平底盆中2 h，此时环刀中土壤的非毛管水分已经流出，但毛细管中仍充满水分，盖上底盖，立即称量，即可算出毛管持水量。再将上述称量的环刀，继续放置在铺有干沙的平底盆中，保持48 h，盖上上下底盖，立即称量，即可算出田间持水量。

2.4 评价方法

在森林林地水源涵养功能的评价中，为相对精确地比较不同林型的水源涵养功能，可对其与水源涵养功能密切相关的枯落物层和土壤层持水性能情况加以评价并得出综合性结论，然后根据3种不同林型，确定其重要性，最后对3种不同林型林地水源

涵养功能进行排序。各个评价指标对水源涵养功能的影响程度是不一致的，由于直接分析多个指标对森林水源涵养功能的影响非常困难;因此，根据层次分析法的基本原理，先分析每2个指标之间的相对重要性，得到比较矩阵，再计算矩阵的标准化特征向量，并进行一致性检验，可以得到各指标对森林水源涵养功能的效应，即权重。此时可以根据权重值的大小对森林林地水源涵养功能进行评价。

2.4.1 建立层次结构模型 根据层次分析法(AHP)的建立原则，对研究地内3种主要林型与水源涵养功能的内在关系进行系统分析，以获取研究地内最佳水源涵养功能，并作为3种林型水源涵养功能的最终目标，即层次结构模型的目标层(A层)。林地上水源涵养功能的优劣主要取决于水分在森林各层次的传输过程，即枯落物层的蓄水能力和土壤层的贮水能力等，将与森林林地水源涵养功能密切相关的枯落物层和土壤层的11项指标作为实现总目标的准则层(B层)。林型的选择是实现该研究地整体水源涵养功能的根本措施，故将3种林型作为实现总目标的方案层(C层)。为此，建立起森林水源涵养功能层次分析系统结构的AHP模型(表2)。

表2 森林林地水源涵养功能的AHP模型Tab．2 AHP model on water conservation function in three forest stands

2.4.2 判断矩阵的构建与检验 通过广泛征求相关专家的意见，结合该研究地实际调查和野外观测的数据，针对准则层各因素对水源涵养总目标的贡献进行专家打分，采用9分制，构造相应的判断矩阵。对判断矩阵的一致性检验的步骤如下。

1)计算判断矩阵一致性指标IC(Consistency Index)。

式中:λmax为判断矩阵最大特征根;n为判断矩阵的阶数。

一致性指标IC的值越大，表明判断矩阵偏离完全一致性的程度越大，IC的值越小，表明判断矩阵越接近于完全一致性。一般判断矩阵的阶数n越大，人为造成的偏离完全一致性指标IC的值便越大，n越小，人为造成的偏离完全一致性指标IC的值便越小。显然，当判断矩阵具有完全一致性时，IC=0。

2)查找相应的平均随机一致性指标IR(Random Index)。针对不同的n值，Saaty给出了IR的值，表3给出了1～11阶正互反矩阵计算1 000次得到的平均随机一致性指标。当n＜3时，判断矩阵永远具有完全一致性。

表3 不同阶平均随机一致性指标Tab．3 Average random index of different ranks

3)计算一致性比例RC(Consistency Ratio)。

当RC＜0.10时，便认为判断矩阵具有可以接受的一致性。当RC≥0.10时，就需要调整和修正判断矩阵，使其满足RC＜0.10，从而具有满意的一致性。

3 结果与分析

3.1 不同林型枯落物层持水能力分析

根据浸水法和环刀法测定的3种林型枯落物层和土壤层的各项指标值结果见表4。可以看出:不同林型枯落物的最大持水量有所不同，天然红松林的最大持水量最大，为146.999 t/hm2，相当于截持14.70 mm的降雨量，天然杨桦林次之，为110.303 t/hm2，落叶松人工林的最小，为108.414 t/hm2;不同林型枯落物的总蓄积量不同，有效拦蓄量也不尽相同。这是因为枯落物对降雨的拦蓄，受枯枝和落叶的组织结构以及它们在地面的堆积状态的影响。落叶松人工林内枯落物为针叶，数量很大，坚挺、细长，相互堆积交错，形成蓬松的结构，空隙比较大，水分会在重力的作用下渗透，表面附着水量也较大，而天然杨桦混交林和天然红松林，其枯落物的叶片大小适中，叶片彼此间容易贴近，形成适度空隙，质地柔软，且它们的表皮细胞组织很容易分解，形成叶脉的网络对附着水的留存也更有利［18］。因此，天然红松林和天然杨桦混交林对降雨的拦蓄作用较大，其有效拦蓄量分别为128.71和120.75 t/hm2，落叶松人工林最小，为111.75 t/hm2。

表4 3种林型林地持水能力指标实测值Tab．4 Measured index values in water holding capacity of three forest stands

3.2 不同林型土壤层持水能力分析

由表4可知，3种林型中，天然杨桦混交林土壤饱和持水量和土壤田间持水量都处于最高水平，落叶松人工林次之，而土壤毛管持水量则是落叶松人工林处于最高水平，天然杨桦混交林次之。这主要是由于天然杨桦混交林土壤的毛管孔隙度和非毛管孔隙度的比例最为适中，因此，土壤持水性能相对要好一些。另外，天然杨桦混交林生长在比较潮湿的地方，林下腐殖质分解速度快，土壤性能更好。土壤毛管持水量反映了土壤的保水能力，毛管孔隙中所保存的水分，可以完全被植物根系利用;因此，天然杨桦混交林和落叶松人工林地表土层相对更有利于植物对水分的利用。

3.3 不同林型林地水源涵养功能的评价

根据研究地自然状况，选取与森林水源涵养功能密切相关的枯落物层和土壤层的11个项目指标作为评价指标(表2)，采用层次分析法(AHP)对研究地3种主要林型林地的水源涵养功能进行评价，包括建立层次分析法模型、构造判断矩阵、层次单排序及其一致性检验、层次总排序及其一致性检验等6 个方面［23］。

应用层次分析法之前，对小兴安岭南坡3种林分类型枯枝落叶层和土壤层水源涵养功能指标的测定结果见表4，可以看出，每项指标的优劣排序并不一致，在枯落物层中，最大持水量和有效拦蓄量排序均为天然红松林＞天然杨桦混交林＞落叶松人工林，而在土壤层中，田间持水量和饱和持水量排序为天然杨桦混交林＞落叶松人工林＞天然红松林。应用层次分析法之后，在枯落物层和土壤层选取影响水源涵养功能的11个指标进行分析，由各层判断矩阵排序结果(表5)和判断矩阵总排序综合评价结果(表6)可见，判断矩阵随机一致性比率RC均小于0.10，表明判断矩阵排序结果可靠，具有满意的一致性。由此得出水源涵养综合能力最强的林型是天然杨桦混交林，权重值为0.427 1，其次是落叶松人工林，权重值为0.368 7，最弱的是天然红松林，权重值为0.204 2。

表5 各层判断矩阵排序结果Tab．5 Sequencing results of judgment matrix of three forest stands

表6 3种林型水源涵养功能综合评价结果Tab．6 Evaluation results of water conservation function of three forest stands

4 结论与讨论

1)天然红松林的枯落物最大持水量和有效拦蓄量均最优，而落叶松人工林林地土壤的毛管持水量最大，天然杨桦混交林林地土壤的饱和持水量和田间持水量最大。

2)天然杨桦混交林水源涵养功能最强，落叶松人工林中等，天然红松林最弱。3种林型的水源涵养功能的强弱与现实生产实际相吻合，证实层次分析法在不同林型水源涵养功能的定量评价上是可行的。

层次分析法突出的优点是可以尽量减少主观因素的影响，将复杂问题的各个因素通过划分相互联系的有序层次使之条理化，较客观地判断出每一层次各评价因素相对的重要性。同时判断矩阵偏离客观实际的程度可由随机一致性比率显示，若判断矩阵不满意，则可调整，直至取得具有满意的一致性为止。本文运用层次分析法对小兴安岭南坡地区3种林型林地水源涵养功能影响因素评价指标权重的确定结果基本符合该区域的实际情况。这可为进一步揭示小兴安岭南坡不同林型水源涵养功能方面的规律，以及该区域的林分设置、树种选择提供观测信息，也可为加强该区域山地森林保护、实现可持续发展提供参考价值以及有效的判断依据。

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Evaluation on water conservation capacity of three main forest types in southern slope of Xiaoxing’anling Mountains

Wang Yongying，Duan Wenbiao
(College of Forestry，Northeast Forestry University，150040，Harbin，China)

In this paper，to evaluate the water conservation capacity on the litter layer and soil layer of three main forest types in southern slope of Xiaoxing’anling Mountains，the eleven indices affecting water conservation capacity were selected，and analytic hierarchy process(AHP)method was employed.The results showed that natural poplar and birch mixed forest performed the best water conservation capacity(0.427 1)，followed by larch plantation(0.368 7)，and natural Korean pine forest was the weakest(0.204 2).The results were agreed with the reality.The AHP method can be used to give quantitative evaluation on water conservation capacity in different forest types.

southern slope of Xiaoxing’an Mountains;forest type;analytic hierarchy process(AHP);water conservation capacity;evaluation

2011-04-22

2011-06-07

项目名称:黑龙江省“十一五”重大科技攻关项目“重要水源地植被恢复、重建及优化调控技术研究”(GA06B302-2)

汪永英(1973—)，女，博士研究生，讲师。主要研究方向:森林气象、水土保持。E-mail:wyy9422@yahoo.com.cn

†责任作者简介:段文标(1964—)，男，博士，教授。主要研究方向:森林气象，水土保持。E-mial:dwbiao88@163.com

(责任编辑:宋如华)