山东省石灰岩山地不同混交林改良土壤及减蚀效益评价

2019-03-26张如明李亦然李泽东张起利张永涛

水土保持通报 2019年1期

张如明，李亦然，李泽东，曹振，张起利，张永涛

(1.山东农业大学林学院, 山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,泰山森林生态系统定位研究站, 山东泰安, 271018; 2.山东省潍坊市林业局, 山东潍坊, 261000)

山东省石灰岩山地总面积约1.50×106hm2，约占全省的面积的 26%[1]，海拔300～900 m，土层瘠薄，土壤厚度在25 cm以下的约占总面积的 80%以上，岩石裸露，立地条件恶劣，造林困难，水土流失严重[2]。自上世纪 80 年代，为改善生态环境，开始大量造林，但因抚育管理不当及其他原因[3-4]，导致成活率较低。为充分发挥已存林分的生态效益，在早期造林基础上进行了后期补种，形成混交林分，但仍面临林分结构较差，树种选择不当，防护效益不佳。近年来中国对石灰岩山地荒山绿化多注重不同立地条件、不同林分密度、不同树种水土保持效益研究[5]。如王永文等[6]对尾松混交林林下植被结构及生物量特征研究，李小倩等[7]对鲁中南石灰岩山地针阔混交林土壤理化性状及水文效益，胡建朋等[8]对山东石灰岩山地不同林分类型土壤入渗特征研究，刘丽[9]对济南主城区石灰岩山地公园适生木本植物选择研究，杨菲等[10]对鲁中南片麻岩低山丘陵针阔混交林蓄水保土效益研究。

人工林作为陆地森林生态系统中的重要组成部分[11]其在荒山绿化中改善生态环境起到较好的作用。提高人工林生态效益，关键在于选择优良的树种，配置结构良好的林分，目前国内单从不同林分的生长状况、改良土壤理化性状效益、土壤水文效益、减蚀效益等方面研究不同林分蓄水保土效益的文章较多[7-8，10]，但在石灰岩山区进行不同树种混交的防护林进行改良土壤效益与土壤减蚀效益综合评价的文章不多见，对于哪些树种混交更加适宜石灰岩山地缺乏研究。因此本文拟在适宜石灰岩山地对混交树种及其混交林分进行研究和评价，以期对造林生产实践产生重要的指导意义，发挥森林改良土壤与减少水土流失等生态效益，同时满足人们对森林多功能效益的需要[12]，为山东退化石灰岩山地混交林大面积营造提供技术指导和理论依据。

1 研究区概况

研究区位于山东省莒县浮来山镇宋家山村、蒙阴县云蒙湖生态区张家楼村黄斗顶、新泰市扒石山3个地方(118°44′—117°48′E, 35°44′—35°36′N)，海拔高度 185～480 m，土壤种类为褐土，土层厚度 8～50 cm，坡度 8°～28°，岩石为石灰岩，属于鲁中南低山丘陵区。该示范区属暖温带亚湿润大陆性季风气候区，多年平均气温 12.8 ℃，年最低气温-15 ℃，年最高气温 39.4 ℃，>10 ℃年有效积温为 4 195 ℃，年平均日照时数 2 450 h，无霜期 195 d，多年平均降水量 773 mm，造林前土壤侵蚀模数为25 t/(hm2·a)。在山坡上营造模型不同类型混交林各 2 hm2，以石灰岩山地传统林分类型侧柏纯林作为对照。主要物种有：侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、黄栌(Cotinuscoggygria)、苦楝(Meliaazedarace)、臭椿(Ailanthusaltissima)、皂角(Gleditsiasinensis)、黄荆(Vitexnegundo)、酸枣(Ziziphusjujubevar.spinosa)、连翘(Forsythiasuspensa)、胡枝子(Lespedezabicolor)等灌木、藤本及草本(详见表1)。

表1 山东省石灰岩山地不同林分类型树木概况

2 研究方法

2.1 研究材料

本文选取石灰岩山地为研究对象。研究区的石灰岩山地立地条件普遍较差，典型的混交模式主要有8类，乔灌混交和针阔混交。乔灌混交类型主要有3种：5 a生侧柏连翘混交林、侧柏山杏混交林(P.orientalis+Armeniacasibirica)和侧柏黄栌混交林，造林地位于山坡中上部、平均土层厚度25 cm，坡度10°～25°，2005年采用长×宽×深为0.4 m×0.4 m×0.3 m的穴状整地，侧柏于同年7月采用容器苗造林，连翘、扶芳藤、山杏和黄栌于同年9月采用裸根苗造林；针阔混交类型共5种：侧柏五角枫混交林(P.orientalis+Acermonomaxin)、侧柏刺槐混交林、侧柏苦楝、侧柏黄连木混交林(P.orientalis+PistaciachinensisBunge)和侧柏臭椿，造林地位于山坡中上部、平均土层厚度30 cm、坡度15°～25°。2005年采用长×宽×深为0.7 m×0.5 m×0.4 m的穴状整地，侧柏于同年7月采用容器苗造林，五角枫、刺槐和黄连木于同年4月采用裸根苗造林。

2.2 评价指标的构建

评价指标体系的构建是进行不同混交林林分改良土壤及减蚀效益评价的前提条件，而评价指标选取的不同直接影响了评价结果。评价指标的选取需要遵循：客观性、代表性、独立性、可比性等原则，尽量减少因指标选取不当而引起的评价结果的偏离。本文采取调查研究和目标分解相结合的方法，同时结合前人的研究成果[13]，从不同树种混交林分的改良土壤与减蚀效益两个方面选取了13个重要指标，包括：郁闭度、冠幅、树高、土壤容重、总孔隙度、速效氮、速效磷、速效钾、土壤饱和贮水量、稳渗速率、渗透时间、土壤减蚀量、枯落物层厚度。具体指标数据如表2所示。

表2 山东省石灰岩山地不同林分类型评价指标

注：表中“+”代表正效益指标，值越大改良土壤与减蚀效益越好，“-”代表负效益指标，值越大其改良土壤与减蚀效益越差。

2.3 测定方法

(1) 林木生长量测定。在不同树种混交林分内选取标准地，面积均为20 m×20 m,测定林分郁闭度、冠幅、树高。

(2) 土壤物理性状和水文效应的测定。在标准地内均匀选取5个测点，用铝盒在标准地测点0—10 cm，10—20 cm层取样，每层3次重复。用烘干法测定土壤含水量，用环刀浸水法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，根据测定结果计算出毛管最大持水量、现有土壤贮水量、土壤饱和贮水量等指标。

(3) 土壤氮磷钾含量测定。水解氮用碱解扩散法，有效磷用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法，速效钾用火焰光度计法，全氮用凯氏消煮法，全磷用硫酸—高氯酸溶液—钼锑抗比色法，全钾用氢氧化钠碱熔—火焰光度法。

(4) 土壤渗透速率。用单环定量加水法测定。

(5) 土壤侵蚀量的测定。用标尺法测定，取3 a土壤侵蚀模数的平均值。

2.4 数据标准化处理

在数据运用之前统一原始数据存在的不同量纲，缩小指标间数量的明显差异，即进行数据的标准化。本文利用极差法，对数据进行标准化。

(1)

(2)

式中：P——标准化后所得的数据；P——某项指标的原始数据；Pmax——某项原始数据的最大值；Pmin——某项原始数据的最小值。

2.5 改良土壤与土壤减蚀效益评价方法

本研究运用层次分析法(AHP)对9种5 a生的不同树种混交林分类型进行评价。层次分析法是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则层决策方法。它能把人的过程层次化、数量化、并运用数学分析、决策或控制提供定量依据。

2.5.1 建立不同混交林层次分析评价模型建立一个好的混交林层次分析模型，是遴选优势混交树种的关键。将决策的目标、考虑的因素和决策对象按照它们之间的相互关系分为最高层，中间层和决策层绘出层次结构图(如图1所示)。

2.5.2 构建判断矩阵首先建立层次分析模型如图1所示，然后在确定各层次各因素之间的权重时，采用相对尺度，将因素两两相比较，构建比较判断矩阵。

为了使各因子Cij之间进行两两比较得到量化后的判断矩阵，引入Santy标度(详见表3)。

在建立分析模型后需要对每层的因子相对重要性按着标度给出判断赋值(如表4所示)：

其中，Cij=1/Cij(i≠j),且Cij>0；要由矩阵C确定C1，…，Cn对Bk的权向量。

图1 山东省石灰岩山地不同混交林分改良土壤与减蚀效益层次分析评价模型表3 Santy标度赋值与释义

值含义 1表示两个因素相比,具有同样重要性2表示两个因素相比,一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比,一个因素比另一个因素稍微重要7表示两个因素相比,一个因素比另一个因素稍微重要9表示两个因素相比,一个因素比另一个因素稍微重要2,4,6,8上述两相邻判断的中值倒数因素i与j比较的判断Cij,则因素j与i比较判断的Cji=1/Cij

表4 判断矩阵

2.5.3 层次单排序及一致性检验

(3)

式中：(CW)i——CW第i个因子。

(2) 一致性检验能否确认层次单排序，需要进行一致性检验，所谓一致性检验是指对C确定不一致的允许范围。一致性检验首先要计算出一致性指标IC。IC计算公式为：

(4)

式中：λmax——判断矩阵的最大特征之值；n——比较矩阵的阶数。

IC=0，有完全的一致性；

IC接近于0，有满意的一致性；

IC越大，不一致越严重。

当阶数n大于2时，为衡量IC的大小，引入随机一致性指标IR，取值如表5所示，n表示矩阵的阶数[14]。

表5 随机一致性指标IR取值

当RC=IC/IR<0.10时，即认为判断矩阵C的不一致性程度在允许范围内，具有满意的一致性，通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，否则就需要调整判断矩阵。

3 结果与分析

通过对9种不同林分指标的分析，可对这些林分优缺点做一个大致的了解，但是每一类不同林分之间又存在一定的差异，为了综合比较9种不同林分类型改良土壤与减蚀效益，需要进行综合(AHP)评价。

改良土壤与减蚀与减蚀效益是衡量不同树种混交林林分类型在生长状况、改良土壤理化性状、土壤水文、土壤减蚀效益等方面存在一定的差异。其生长状况指标包括：郁闭度、冠幅、树高；改良土壤理化性状指标包括：土壤容重、总孔隙度、速效氮、速效磷、速效钾；林分土壤水文指标包括：土壤饱和贮水量、稳渗速率、渗透时间；土壤减蚀量指标包括：土壤减蚀量、枯落物层厚度。具体数据如表6—7所示。

表6 石灰岩山地不同树种混交林分类型改良土壤与减蚀效益指标

表7 石灰岩山地不同树种混交林分类型改良土壤与减蚀效益指标

9种不同树种混交林林分类型改良土壤与减蚀效益指标如表6—7所示。

从不同树种生长状况3个代表性指标来讲，郁闭度是指森林中乔木树冠在阳光直射下在地面的总投影面积(冠幅)与此林地(林分)总面积的比，它反映了林分的密度、植被覆盖度，与改良土壤理化性状和防止土壤侵蚀密切相关。其中郁闭度和冠幅较大的是苦楝侧柏混交林，最小的是侧柏纯林；树高代表不同树种同一时期生长高度，反映了土壤肥力等生产潜力，其中刺槐侧柏混交林生长较高，最低的是侧柏纯林，综合不同混交林林分的生长状况可以得出苦楝侧柏混交林和刺槐侧柏混交林表现较好，侧柏纯林较差。

从改良土壤理化性状4个代表性指标来讲，土壤容重越小，土壤质地越疏松，其蓄水能力，增加降雨入渗，减轻地表径流冲刷能力越强[15]。其次，土壤的总孔隙度直接影响到土壤的通气性和透水性[16]和土壤中水、肥、气、热及生物活性[17]，且土壤的总孔隙度对土壤的饱和贮水量、减小地表径流有重要意义[18]。由表6可知，刺槐侧柏混交林土壤容重最小，山杏侧柏混交林土壤容重最大；从土壤总孔隙度来说，苦楝侧柏混交林最大，侧柏纯林孔隙度最小；从土壤养分含量指标来说，其中苦楝侧柏混交林土壤氮磷钾含量较高，更有利于林分生长，侧柏纯林林下土壤养分含量偏低，说明其改良土壤的能力较小。综合改良土壤理化性状四个指标来看，苦楝侧柏混交林和刺槐侧柏混交林表现较好，侧柏纯林较差。

同理，从土壤水文效益综合来讲，苦楝侧柏混交林的土壤饱和贮水量、稳渗速率、渗透时间表现较好，侧柏纯林表现较差；

从土壤减蚀效益两个代表性指标来讲，不同林分对土壤侵蚀量存在明显的差异，其中黄栌侧柏混交林减少土壤流失效果较好，侧柏纯林较差；枯落物层对减少降雨对土壤的冲击起到很好的保护作用，基本上与土壤减蚀量成正相关关系。从表7可以看出，山杏侧柏混交林枯落物层较厚，侧柏纯林较薄，从观测到的土壤减蚀量结果也能看出，黄栌侧柏混交林减蚀效益最好，侧柏纯林较差。

为了更好地区分不同混交林改良土壤与减蚀效益，需要把9种不同混交林改良土壤与减蚀效益指标标准化后带入AHP软件，进行层次分析，分析结果如表8所示。

表8 石灰岩山地不同树种混交林分类型指标层各指标权重蓄水保土效益得分

按上述方法，求得

经表查的IR=0，因此RC=IC/IR=0<0.10表明判断矩阵的一致性符合要求。

同理，不同树种混交林林分类型改良土壤与减蚀效益得分结果如表9所示。

表9 石灰岩山地不同树种混交林林分类型得分结果

由表8准则层判断矩阵及其权重可知，在石灰岩山地造林绿化存在困难的情况下，石灰岩山地首先考虑不同树种混交林分在极其恶劣的立地条件下保证其能够正常生长，然后再考虑其改良土壤理化性状效益、土壤水文效益与土壤减蚀效益，其中生长状况权重为0.519 3，占总权重比例最大，说明生长状况指标对不同林分类型树种影响较大，反之土壤减蚀效益权重为0.078 9，占总权重比例最小，影响较小，其生长状况权重占总权重的一半多，其中改良土壤理化性状效益和土壤水文效益权重为均为0.200 9，说明其对不同林分类型数种影响相当。

由表9不同树种混交林分类型得分结果可知，苦楝侧柏混交林改良土壤与减蚀效益最佳，得分为0.149 1，刺槐侧柏混交林次之，得分为0.145 7，侧柏纯林最差，得分为0.051 7，其他混交林得分分别为：黄栌侧柏混交林0.140 6，臭椿侧柏混交林0.132 8，五角枫侧柏混交林0.105 6，连翘侧柏混交林0.099 4，黄连木侧柏混交林0.089 6，山杏侧柏混交林0.085 4。由表9不同树种混交林林分类型得分结果可知，不同混交林林分大小依次排序为：苦楝侧柏混交林>刺槐侧柏混交林>黄栌侧柏混交林>臭椿侧柏混交林>五角枫侧柏混交林>连翘侧柏混交林>黄连木侧柏混交林>山杏侧柏混交林>侧柏纯林。