北川河流域典型林型水源涵养能力评价

王先棒，贺康宁，董喆，刘凯

(北京林业大学水土保持学院 水土保持国家林业局重点实验室 北京市水土保持工程技术研究中心 林业生态工程教育部工程研究中心，100083，北京)

北川河流域典型林型水源涵养能力评价

王先棒，贺康宁†，董喆，刘凯

(北京林业大学水土保持学院 水土保持国家林业局重点实验室 北京市水土保持工程技术研究中心 林业生态工程教育部工程研究中心，100083，北京)

森林是水源涵养功能的基础和载体，青海省北川河流域森林覆盖较好，但当前流域内林地的水源涵养情况尚不清楚。本研究选取青海云杉、白桦、华北落叶松、沙棘和青杨这5种在流域内典型树种，对林冠层、枯落物层和土壤层的10个与水源涵养功能密切相关的指标进行流域森林水源涵养分析评价，同时采用层次分析法获得各林种和各指标的权重。结果显示：在林冠层的比较中，青海云杉和白桦的水源涵养能力最佳，华北落叶松次之，沙棘和青杨居末；但在枯落物层的比较中，华北落叶松、白桦和青海云杉的水源涵养能力较好，青杨居中，沙棘表现最差；而在土壤层的比较中，青海云杉和白桦同样水源涵养能力较好，沙棘居中，青杨和华北落叶松较弱。同时，在利用层次分析法检验得到：青海云杉权重最高，达到25%，另外土壤层的水源涵养能力占林冠、枯落物和土壤这3层比重最大，为70.51%。综合林冠、枯落物、土壤和层次分析比较结果，当前水源涵养能力排序为：青海云杉林地>白桦林地>华北落叶松林地>沙棘林地>青杨林地。这一结果为进一步讨论流域内植被景观格局和空间优化配置提供了参考和理论依据。

层次分析法； 水源涵养能力； 林冠； 枯落物； 北川河

进入21世纪以来，随着水资源的短缺和水环境的恶化，水资源问题日益重要[1]。由于森林与水资源的密切关系[2]，近年来森林和森林的水源涵养能力正越来越受到人们的重视[3-4]。森林的水源涵养能力作为森林生态系统功能重要一环，在改良土壤结构、降水的截留再分配和减弱地表侵蚀等方面发挥着重要的作用[5]。森林的水源涵养能力主要由土壤层、枯落物层和林冠层来完成，其中又以土壤层和枯落物层为主要表现层[6]，土壤孔隙、土壤水分等水文和理化特征是森林生态水文功能的基础指标[7-9]。对于不同林分，由于其树种组成和空间配置的差异，所表现出的水源涵养能力也不尽相同[10]。近年来很多学者对于由不同林分类型产生的水文效应进行了研究，在林冠对降雨的截留和再分配[11-12]，及枯落物层和土壤层的持水能力[13-14]等方面取得了大量的成果；但是综合考虑林冠层、枯落物层和土壤层3方面对林地的水源涵养能力并做出定量评价的研究很少。笔者在对北川河流域5种典型林分的林冠、枯落物和土壤3个作用层10个水源涵养能力指标评价的同时运用层次分析的方法对不同林分的水源涵养能力做出综合评价，旨在确定这一区域水源涵养能力最佳的林分类型，为进一步揭示北川河流域景观格局，合理调控区域水源涵养林的空间配置，发挥流域最大的生态经济效益提供参考价值和判断依据。

1 研究地概况

试验地设在青海省大通县宝库林场，地处祁连山地与黄土高原西部的过渡带，境内最高海拔4 622 m，最低海拔2 280 m，介于E 100°51′～101°56′，N 36°43′～37°23′之间，为大陆性气候，年日照时间2 605 h，年平均气温28 ℃，无霜期70～120 d，年平均降水量508 mm，年平均蒸发量1 290 mm。流域内植被类型属于寒温带常绿针叶林和落叶阔叶林，具有明显的坡向和垂直地带性分布规律。天然植被主要为青海云杉(PiceacrassifoliaKom)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)等；人工植被主要有华北落叶松(Larixprincipis-ruprechtiiMayr)、青杨(PopuluscathayanaRehd)等[15]。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

于2016年6至8月，在试验地内选择树龄在20年左右的青海云杉林、白桦林、华北落叶松林、沙棘林和青杨林5种主要造林树种，其中青海云杉、白桦和沙棘为天然林，华北落叶松和青杨为人工林，在各林分选取2块大小为20 m×20 m的标准样地作为代表进行每木检尺，测量胸径和树高等样地基本情况，各样地基本情况如表1所示。

表1各造林树种基本情况

Tab.1Afforestation tree species

2.2 林冠层水源涵养能力测定

2.2.1 叶面积指数的测定 利用冠层分析仪对选定的5种植被运用十字交叉法进行拍照，每个拍照点拍摄5次，使用配套的WinSCANOPY 2006a软件对获得的照片进行分析得到叶面积指数数据。

2.2.2 林冠截留量的测定 林冠截留量采取林外降雨加穿透雨量再减树干径流量表示，林外降雨利用设置在试验地宝库林场的气象站获得降雨数据，穿透雨的测量是在林地内布设6×6的点阵式雨量桶，桶内雨量和桶的截面积之比即为穿透雨水深，对于树干径流，则选择林地内的典型木于树干上盘绕塑料管，下部放置收集装置获得树干径流[16]。

2.3 枯落物层水源涵养能力测定

在每个林地内布设30 cm×30 cm的样方，利用十字交叉的原则采集枯落物，并称量。枯落物持水的测量采用浸水法，首先用烘箱烘干取回的枯落物样品，重复测定3次，再装入布袋中浸入水中，放置0.25、0.5、1、1.5、2、4、6、8、10和20 h取出，观测其持水过程和最大持水量。

2.4 土壤层水源涵养能力测定

同样在标准样地内利用“十字交叉法”选取5个取土点，用TWS-55型渗透仪配套的环刀和普通环刀在0～20和20～40 cm土层各取3个样品测定土壤密度、土壤饱和持水量及田间持水量等，TWS-55型渗透仪配套的环刀每层也取3个样品测定土壤饱和导水率。

采用普通环刀和TWS-55型渗透仪配套的环刀各在待测林地0～20和20～40 cm土层取样，烘干测土壤密度，浸水后静置分别测量土壤饱和持水量和土壤田间持水量，进而再求得土壤总孔隙度。土壤饱和导水率利用渗透仪及取土样采用马里奥特瓶定水头法测得：

Ks=-QLaΔH。

(1)

式中：Ks为土壤饱和导水率，cm/s；Q为单位时间内通过土柱的水量，cm3/s；L为土柱的长度，cm；a为土柱的截面积，cm2；ΔH为土柱上下断面的水势差，cm。

2.5 北川河流域森林水源涵养能力评价方法

在对水源涵养功能构建指标的基础上运用层次分析法[17]可以得到各指标对森林水源涵养功能的效应，即权重，利用权重的大小来比较各植被类型的水源涵养功能的强弱。

1)构建北川河流域森林水源涵养能力评价层次分析模型(表2)。

2)通过征求专家意见及实际野外调查数据，针对准则层的10项指标进行专家打分，并计算最大特征根λmax[18]。利用下述公式计算一致性指标Ci、CR，并求得北川河流域各森林水源涵养因子的总权重：

Ci=λmax-nn-1。

(2)

表2北川河流域森林水源涵养能力评价层次分析模型

Tab.2Evaluation AHP (Analytic Hierarchy Process) model of forest water conservation capacity in Beichuan River basin

目标层Targetlayer准测层Criterialayer方案层Schematiclayer北川河流域森林水源涵养功能ABeichuanRiverbasininfunctionofwaterconser-vationforestA枯落物厚度B1LitterdepthB1枯落物储量B2LittermassB2枯落物最大持水量B3LittermaximumwaterholdingcapacityB3青杨C1PopuluscathayanaC1枯落物初始吸水速率B4LitterinitialbibulousrateB4沙棘C2HippophaerhamnoidesC2土壤密度B5SoilbulkdensityB5华北落叶松C3Larixprincipis-ruprectihiC3土壤饱和持水量B6SoilsaturatedwatercapacityB6青海云杉C4PiceacrassifoliaC4土壤田间持水量B7SoilfieldcapacityB7白桦C5BetulaplatyphyllaC5土壤饱和导水率B8SoilsaturatedhydraulicconductivityB8叶面积指数B9LAIB9林冠截留总量B10CanopyinterceptionamountB10

式中，n为AHP模型中构建的判断矩阵阶数。再获得对应的平均随机一致性指标Ri[19]，计算一致性比例

(3)

当CR<0.10时，说明判断矩阵符合一致性要求。

3 结果与分析

3.1 不同林地林冠层的水源涵养能力分析

冠层的水源涵养作用主要表现在对降雨的调节作用上，降雨时，雨滴与冠层的接触情况有2种：一是直接穿过，二是被枝叶阻挡破碎，有的被吸附。降雨强度大时，吸附的雨水会再次汇聚并降落。这一变化主要与叶面积指数LAI和枝叶表面特性相关；而林冠截留的实质就是枝叶表面对降雨的吸附，同样的，其在森林生态系统的水分平衡具有重要的作用。

图1 不同林地叶面积指数(LAI)对比Fig.1 Contrast of leaf area index (LAI) in different forest

叶面积指数为单位面积上的叶片总面积，反映植物叶片的生长情况。流域内5种林地的LAI值如图1所示，白桦林的LAI值最高，达到4.20，其次为青海云杉林，为3.97，叶面积指数值最低的是青杨林，仅为2.72。白桦为阔叶树种，叶片宽大舒展，因而在单位面积上叶片总面积较大，LAI值很高，而青杨林同样作为阔叶树种，但由于多生长于路边地头，人类和牲畜的活动对其叶片生长产生影响，反映在数据上是LAI值较低，青海云杉林作为针叶树种，叶片较落叶松和沙棘细长，单位面积上的叶片面积较大，在针叶树种中LAI值最高。

林冠截留代表了植被的树冠部分拦蓄雨水的能力，由表3可见，青海云杉林冠截留总量最大，为79.4 mm，领先于白桦、青杨和其他针叶树种。这是因为青海云杉叶片呈团聚针状，较粗硬，有毛刺，对水分具有较好的吸附能力，而阔叶树种叶片宽大平缓，表面光滑，水分不易集聚，林冠截留能力不及针叶树种，而沙棘由于植被低矮，雨水没有足够的距离聚集在林冠层，导致林冠截留能力较差。

综合叶面积指数和林冠截留这2指标来看，青海云杉和白桦的林冠水源涵养能力最优，华北落叶松次之，而沙棘和青杨两者的林冠水源涵养能力较差。

表3 不同林地林冠截留情况

3.2 不同林地枯落物层的水源涵养能力分析

图2 不同林地枯落物单位质量持水曲线及其对比Fig.2 Litter water holding curve and contrast per unit mass in different woodland

图3 各林地枯落物储量和最大持水量对比Fig.3 Litter reserves and the maximum water holding capacity in each forest

枯落物的水源涵养能力主要从枯落物持水过程和枯落物储量以及枯落物最大持水量这3部分讨论。由图2可见：单位质量的枯落物吸水过程是一个先急剧上升后平缓的曲线，不同林地枯落物持水最后都趋于稳定，呈现出幂函数关系。由各图中R2值可知拟合效果良好。从各持水过程比较来看，华北落叶松单位质量的持水量在开始的6 h内一直稳居首位，但从6～10 h之间被青杨反超，之后持续降低，10 h后持水量低于青海云杉，总体保持第2的水平，青杨单位质量持水量最好，白桦和沙棘居于末位。各林地的枯落物储量由0.3～15.6 t/hm2不等(图3)。由于华北落叶松叶片细长扁平，青海云杉的叶片粗硬，故华北落叶松的叶片比表面积大于青海云杉，阔叶树种的比表面积小于针叶树种；因而表现在最大持水量上就是华北落叶松最大，青杨、云杉和白桦次之。而对于沙棘来说 ，由于林下枯落物较少，之间的孔隙也相对较少，所以持水能力较弱。

综合枯落物持水过程和枯落物储量以及枯落物最大持水量3个指标来说，华北落叶松、白桦和青海云杉的枯落物水源涵养能力较好，青杨次之，沙棘最弱。

3.3 不同林地土壤层的水源涵养能力分析

图4 不同林地土壤分层指标对比Fig.4 Soil layer index contrast in different forest

土壤层的水源涵养能力主要选取饱和持水量、田间持水量、土壤密度、总孔隙度和饱和导水率这5个指标来体现。如图4所示，各林地的土壤饱和持水量和田间持水量大体相同，以青海云杉和白桦的最高，0～20 cm土层的饱和持水量和田间持水量要大于20～40 cm土层；对于土壤密度来说，0～20 cm土层反而小于20～40 cm土层，以青杨表现最优。这都是由于实施退耕还林后造林地大多选在山地贫瘠土壤，导致表层土壤质地较差，对水分的吸附能力没有深层土壤强。孔隙中的水分可以被植物利用，和土壤持水能力有较大的关联，青海云杉无论是0～20还是20～40 cm土层土壤总孔隙度都大于其他林地，分别为68.14%和67.78%，说明青海云杉林的土壤层持水能力相对较好(图4)。对于土壤饱和导水率，数值越大说明水流在土壤中运动越不受阻碍，沙棘土壤层中根系较少，土壤不紧实，水流入渗比较容易。

综合各指标表现来看，青海云杉和白桦土壤层水源涵养能力要优于其他树种，沙棘次之，青杨和华北落叶松稍落后。由于土壤层在森林水源涵养作用中占有重要的地位[20]，因此不同林地土壤层的水源涵养能力对比在北川河流域林地水源涵养能力综合对比分析中占有比较大的分量。

3.4 北川河流域林地水源涵养能力评价

根据试验地的具体情况，选择了林冠层、枯落物层和土壤层的10个与森林水源涵养能力有关的指标，设置目标层、准则层和方案层运用层次分析法进行评价(表4)。

一致性检验结果(表5)为：Ci=0.006 6,Ri=1.12,CR=0.005 9，满足一致性要求，表明判断矩阵排序可靠。由表5可见：在10个所选定的与森林水源涵养功能有关的因子中，土壤饱和导水率的影响权重最高，接近25%，而叶面积指数和林冠截留总量这2个同属林冠层的因子占比最小；林冠层权重最小，为3.5%，枯落物层中间，为25.98%，土壤层权重最高，为70.51%，也印证了土壤层的水源涵养能力对于森林整体水源涵养功能影响最大。故可以得出在此区域内森林涵养水源能力权重最大的是青海云杉林，权重为0.250 4，华北落叶松和白桦次之，沙棘与青杨权重最小，分别为0.169 1和0.167 0。

表4 AHP模型检验结果

表5几种林型水源涵养功能综合评价结果

Tab.5Comprehensive evaluation results of water conservation in several forests

林地编号Woodlandnumbering枯落物厚度Litterdepth/cm枯落物储量Littermass/(t·hm-2)枯落物最大持水量Littermaximumwaterholdingcapacity/(t·hm-2)土壤密度Soildensity/(g·cm-3)枯落物初始吸水速率Litterinitialbibulousrate/(g·g-1·h-1)0.05100.05380.04500.08300.110010.07430.16100.17060.39450.244320.13500.05660.04080.23430.090930.13500.46040.44740.12370.262340.24140.16100.17060.12370.262350.41430.16100.17060.12370.1402土壤饱和持水量Soilsaturatedwatercapacity/%土壤田间持水量Soilfieldcapacity/%土壤饱和导水率Soilhydraulicsaturatedconductivity/(mm·h-1)叶面积指数LAI林冠截留总量Canopyinterceptionamount/mm总权重Totalweight0.18000.19600.24610.01750.01750.07280.09860.20630.09800.13670.16700.07280.09860.36890.18430.07910.16910.19390.17630.10930.18430.13670.19290.46650.31330.10930.18430.40300.25040.19390.31330.20630.34910.24440.2207

4 结论

1)林冠层的水源涵养作用与树种、冠层结构和叶面积指数等因素有关[21]。本研究中5种树种中阔叶树种LAI值大于针叶树种，阔叶树种林冠截留能力却小于针叶树种。主要是由于阔叶宽大延展且平滑，增大单位叶面积的同时失掉对水分的紧密吸附能力，故流域内5种林地林冠层水源涵养能力现状为：青海云杉和白桦占优，华北落叶松居中，沙棘和青杨处于劣势。

2)不同林地的枯落物水源涵养作用方面，对于研究选取的5种树种，阔叶树种表现非常稳定，针叶树种起伏落差较大；因此综合比较，华北落叶松、白桦和青海云杉的枯落物水源涵养能力处于第1梯队，青杨次之，沙棘最末。

3)土壤层作为森林水源涵养作用最大贡献层对林地整体水源涵养能力表现占据重要地位[20]，它的具体体现在饱和持水量、田间持水量、土壤密度、总孔隙度和饱和导水率方面，综合本研究分析，阔叶树种和针叶树种在土壤层的水源涵养能力表现上都不稳定，青海云杉和白桦占据优势，沙棘的土壤层水源涵养能力中等，青杨和华北落叶松表现最差。综合林冠、枯落物和土壤3层的分析得到青海云杉和白桦水源涵养能力最优，华北落叶松次之，沙棘和青杨最弱。

4)通过专家打分等手段得到林冠层、枯落物层和土壤层的各县指标因子之间的相互关系及各指标各层所拥有的权重，其中土壤层的权重最大，达到70%，其次为枯落物层26%，林冠层的权重不到4%。这一结果与前半部分将各层次涵养水源能力相加的结论相一致，说明层次分析与之匹配较好，故结合这2种方法最终得到：青海云杉林的水源涵养能力在目前流域典型树种中最佳，在5种典型树种的总体水源涵养能力中占到25%的比重。具体的水源涵养能力大小比较为：青海云杉林地>白桦林地>华北落叶松林地>沙棘林地>青杨林地。

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EvaluationonwaterconservationcapacityoftypicalforesttypesinBeichuanRiverbasin

WANG Xianbang，HE Kangning，DONG Zhe，LIU Kai

(School of Soil and Water Conservation，Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation，Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation，Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering of Ministry of Education，Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

BackgroundForest is an indispensable part of human survival. Forest water conservation capacity is an important part in searching ecological benefits. In Beichuan River basin, Qinghai Province, since the policy ‘Converted Farmland into Forest’ implemented, it has protected forest land and improved froest coverage. Due to less research of forest water conservation in basin, the effect of forest water conservation in whole basin is unknown yet. We aimed to discuss the regulation of vegetation, in order to maximize basin forest ecological benefits.MethodsIn order to explore water conservation capacity of forest in Beichuan River basin, Qinghai Province, we chose five typical tree species:Piceacrassifolia,Betulaplatyphylla,Larixprincipis-rupprechtii,HippophaerhamnoidesandPopuluscathayana, to analyse and evaluate 10 indexes which are closely related to water conservation from the forest canopy layer, litter layer and soil layer, meanwhile adpoted the analytic hierarchy Process (AHP) to analyze the proportion of these woodlands and indexes in water conservation.ResultsIn comparison to forest canpony layer,PiceacrassifoliaandBetulaplatyphyllahave the best ability to conservate water, next isLarixprincipis-rupprechtii,HippophaerhamnoidesandPopuluscathayana. But in litter layer, thePiceacrassifolia,Larixprincipis-rupprechtiiandBetulaplatyphyllahave the advantage in water conservation and following isPopuluscathayana,Hippophaerhamnoidesis the worst. In soil layer,PiceacrassifoliaandBetulaplatyphyllahave the best ability of water conservation, next isHippophaerhamnoidesandLarixprincipis-rupprechtii, andPopuluscathayanais the worst. At the same time, according to AHP inspection:Piceacrassifoliatakes the highest ration in water conservation, has reached to 25%. Also in three layers, soil layer has the largest proportion: 70.51%. Considering comparison among three layers and results of AHP, the current rank of water conservation capacity as follow:Piceacrassifoliaforest land >Betulaplatyphyllaforest land >Larixprincipis-rupprechtiiforest land >Hippophaerhamnoidesforest land >Populuscathayanaforest land.ConclusionsThis research result is consistent with the local actual conditions,Piceacrassifoliais the highest ecological community. Likewise, due to Beichuan River basin is barren land located in alpine mountain, Northwest China, reasonably planting and implementing afforestation activities are needed according to local conditions. Research results clearly show that different woodlands have different capacities in water conversation. In order to further improve forest ecological benefit in watershed, the quantity ofPiceacrassifoliaon the basis of reasonable planting should be increased, and the management and protect water conservation capacity of forest should be strengthened in Beichuan River basin, Qinghai Province. In addition, this research only investigated the current situation of water conservation under current conditions, not involve the optimal space of forest land. This study also provides reference and theoretical basis for the further discussion on the vegetation landscape pattern and the spatial optimal allocation in the basin.

analytic hierarchy process; water conservation capacity; forest canopy; litter; Beichuan River

S715.7

A

2096-2673(2017)05-0094-09

10.16843/j.sswc.2017.05.012

2016-12-20

2017-07-07

项目名称： 国家科技支撑计划“西北高寒山区防护林体系定向调控技术研究与示范”(2015BAD07B030302)

王先棒(1994—)，男，硕士研究生。主要研究方向：水土保持，林业生态工程。E-mail:nankungchih@163.com

†

贺康宁(1962—)，男，教授，博士研究生导师。主要研究方向：水土保持，林业生态工程。E-mail:hkn@bjfu.edu.cn