广西壮族自治区的台湾桤木混交造林水源涵养功能评价

彭玉华，郑 威，谭长强，何琴飞，申文辉，曹艳云，郝海坤，黄志玲，何 峰

（广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁530002）

森林作为陆地生态系统的主体，其很重要的服务功能是水源涵养、保持水土，主要体现在林冠层、枯落物层和土壤层等对降水进行再分配的过程上［1-2］。枯落物层和土壤层是森林生态系统固有的组成结构，是实现森林水源涵养和水土保持功能的重要部分［3-4］，对森林的水源涵养和保持水土起着决定性影响，其中枯落物层是森林水源涵养功能的主要层次，土壤层的水分贮存和渗透是反映森林水文效应的重要参数［5-7］。大量研究表明，不同的森林类型、树种组成、密度，群落结构差异较大，其水源涵养和保持水土功能存在差异［8-13］，这种差异是评价不同森林类型水源涵养功能的一个重要的特征，也是区域内生态系统功能评价和维护的重要依据［14］。

台湾桤木（Alnus formosɑnɑ）不仅速生，且具有培肥土壤、保持地力的作用，是中国南方改善林木树种结构、建设生态林业的一个优良速生阔叶树种［15］。因此，广西壮族自治区在21世纪20年代初引进了台湾桤木作为与短周期桉树工业原料林、松、杉人工林轮作或混交造林改善地力和防止地力衰退的优良树种，经几年的栽培研究，台湾桤木适应广西的气候，引种栽培成功。为了揭示广西引种台湾桤木混交造林枯落物层和土壤层的水源涵养能力，本文以台湾桤木与巨尾桉、马尾松、红锥混交人工造林为研究对象，从土壤层和枯落物层出发，对不同混交模式林分枯落物的蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量和林地土壤容重、孔隙度、持水特征等进行研究和评价，旨在揭示台湾桤木不同混交模式人工造林枯落物和土壤的水源涵养能力，为台湾桤木在广西省的合理经营与利用提供理论依据。

1 研究区概况

试验地位于广西壮族自治区南宁市林科所，地处亚热 带 季 风 气 候 区，107°49′—108°37′E，22°59′—23°33′N；地势平坦，海拔约100 m；光热充足，≥10℃积温为7 200 ℃，年均气温21.6 ℃；最热的7月份，气温平均为28.6 ℃，极端最高气温40.7 ℃；最冷的一月份，平均气温12.8 ℃；极端最低气温－0.8 ℃；雨量充沛，年降雨量为1 100～1 700 mm，年均相对湿度为80%左右，年蒸发量1 613.8 mm，夏湿冬干，干湿季节明显，全年无霜期高达360 d，偶有霜雪。土壤类型为第四纪红土发育而成的中壤质厚层赤红壤，土层厚1 m 以上，p H 值为4.5～6，肥力中等。

2 研究内容与方法

2.1 试验设计

造林前作物为木薯等农作物。2015 年3 月，采用田间随机区组试验设计，营造了台湾桤木与马尾松、巨尾桉、红锥不同混交比例的混交试验林，台湾桤木纯林为对照，造林和管理措施采用常规的技术规程，每个处理3个重复，每个重复种植0.20 hm2。具体见表1。

表1 混交树种与混交比例详细情况

2.2 枯落物调查及测定方法

2.2.1 枯落物样品采集 于2019年2月底，在每个处理每个重复内，按S形设置5个50 cm×50 cm 收集点收集凋落物，按未分解、半分解标准收集全部凋落物，称其自然状态下的质量。

2.2.2 测定方法 将所收集凋落物拌匀后按4分法取约600 g样品带回实验室，称其自然状态质量，在80 ℃下烘至恒定质量，称其干质量。采用室内浸泡法对不同林分的枯落物持水特性进行测定。将烘干后的枯落物取部分称量装入网袋，并浸入盛有清水容器中浸泡24 h，捞起并放置至枯落物不滴水时称质量，计算其最大持水率、最大持水量、有效持水量等。每个样品3次重复。

式中：Go，Gd，G24——枯落物自然状态下质量、枯落物烘干质量及浸水24 h后质量（g）；M——凋落物蓄积量（t／hm2），0.85为有效拦蓄调整系数［1，5，12］。

2.3 土壤调查

2.3.1 样品采集 于2019年2月底，采用环刀取样分析法，在每个处理每个重复内，纯林在行间正中、混交林在两个树种行间正中挖取1个土壤剖面，按0—20 cm，20—40 cm 分层采样，每层在每个剖面分左、中、右采集环刀、铝盒土样，供实验室分析使用。

2.3.2 测定方法 土壤持水性状、物理性状具体的测定及计算方法参照林业行业标准《森林土壤水分—物理性质的测定》（LY／T 1215-1999）：

式中：m干——铝盒内烘干土质量（g）；m湿——铝盒内湿 土 质 量（g）；M干——环 刀 内 干 质 量（g）；M24——浸水24 h后环刀内湿质量（g）；M砂干——在干砂上搁置2 h后环刀内湿质量（g）；V——环刀体积（m3）。

2.4 水源涵养综合评价

利用熵权法对不同林分各因子进行量化，在一个标准系统下对不同林分类型的水源涵养能力进行综合评价。步骤如下：

（1）将各个指标的数据进行标准化处理

（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；正向指标：枯落物蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量）

（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；反向指标：土壤容重）式中：i——林分类型数；j——同组指标数；Yij——不同林分各指标数据标准化后的值；Xij——不同林分各指标数据值；min（Xi）——不同林分同一指标中最小的数据值；max（Xi）——不同林分同一指标中最大的数据值。

（2）求不同林分各指标的信息熵。根据信息论中信息熵的定义，一组数据的信息熵Ej计算如下。

式中：Ej——熵值，，如果Pij＝0，则定义

（3）通过信息熵计算各指标的权重Wj。

（4）综合评价。根据计算出的指标权重，计算不同林分类型的综合评价得分，公式为。

2.5 数据分析方法

数据运用Excel 2010 及SPSS19.0 软件进行处理与分析。

3 结果与分析

3.1 枯落物蓄积量及水文效应

3.1.1 枯落物蓄积量 枯落物是森林生态系统物质循环和能量流动的重要环节，其蓄积量多少是由林分所处的气候和地形状况、累积年限、林分物种构成、植物发育状况、人为活动、凋落物特性和分解状况等很多因素共同决定的［6，16］。由图1可以看出，台湾桤木不同混交造林的枯落物蓄积量有一定差异，其变动范围为3.01～5.48 t／hm2，其中处理4的总枯落物蓄积量最大，明显高于处理3，7，9和CK，其次是处理5，最少是处理7，处理4和处理5与台湾桤木混交的树种均是尾巨桉。不同的混交处理未分解和半分解枯落物蓄积量所占比例不同，处理4，5和处理2的未分解枯落物大于半分解枯落物，以处理2占比最大；在未分解枯落物和半分解枯落物中，蓄积量最大均是处理4，其次是处理5，未分解枯落物最少是处理7，而半分解枯落物最少是处理9。由此可见，不同林分组成枯落物蓄积量存在差异。

3.1.2 枯落物持水能力 森林凋落物持水能力用最大持水率和最大持水量来表示，它的大小取决于林分类型、累积状况、凋落物组成、分解状况等因素［17］。由表2可知，台湾桤木不同混交造林的持水能力有差异，且未分解枯落物的最大持水率差异达显著。枯落物最大持水率的变动范围为178.70%～266.07%，排序为：处理7＞处理8＞CK＞处理9＞处理3＞处理2＞处理6＞处理1＞处理4＞处理5，台湾桤木与红锥混交造林的处理7、处理8、处理9枯落物持水率均排在前面。枯落物最大持水量的变动范围为6.91～9.23 t／hm2，最大的是处理8，其次是处理1和处理4，最少是处理3，排序为：处理8＞处理1＞处理4＞处理9＞CK＞处理6＞处理2＞处理7＞处理5＞处理3。同一处理在最大持水率和最大持水量的排序中呈现出不同的规律，这是因为最大持水量还与枯落物本身的蓄积量有关，枯落物蓄积量又与其分解程度有关。

图1 台湾桤木不同混交造林枯落物蓄积量

表2 台湾桤木不同混交造林枯落物持水能力

3.1.3 枯落物拦蓄能力 凋落物的有效拦蓄量是评价凋落物对降雨拦蓄能力的重要指标之一［18］。由于人工模拟降雨与自然降雨存在一定的差异，浸泡法只能反映枯落物理想状态下的持水能力，枯落物的最大持水率和最大持水量只代表枯落物试样浸泡水24 h后的测定结果，而在实际林地上很少会出现一场连续24 h的降雨，因此枯落物的最大持水率和最大持水量不代表枯落物对降雨的截留量，只能反映枯落物层持水能力大小，对于一次降水拦蓄的能力，采用枯落物有效拦蓄率和有效拦蓄量才是反映了枯落物的实际降水拦蓄能力，是判断枯落物对降水拦蓄的真实指标［5］。由表3可知，不同的混交处理枯落物拦蓄能力有一定的差异，且未分解枯落物的有效拦蓄率差异显著。枯落物有效拦蓄率的变动范围为109.85%～186.35%，排序为：处理7＞处理8＞处理3＞CK＞处理9＞处理2＞处理6＞处理1＞处理4＞处理5，排在前面的2个处理均是台湾桤木与红锥混交造林。由于有效拦蓄量与枯落物蓄积量紧密相关，其与有效拦蓄率变化不一致，最大的是处理8，其次是处理4，最少是处理5，其变动范围为4.46～6.09 t／hm2，排序为：处理8＞处理4＞处理1＞CK＞处理9＞处理7＞处理6＞处理2＞处理3＞处理5。

表3 台湾桤木不同混交造林枯落物拦蓄能力

3.2 土壤层的水文效应

3.2.1 土壤层的物理特征 土壤容重是土壤质地的一个重要参数，它受到林分土壤发育状况的影响，反映土壤通透性和根系延展阻力的大小，关系到森林土壤持水能力［17-18］。由图2可知，无论在0—20 cm，还是20—40 cm 土层，台湾桤木混交林土壤容重均明显低于台湾桤木纯林，表明混交林在改善土壤孔隙结构方面具有较好的作用。无论是台湾桤木混交林还是台湾桤木纯林均是20—40 cm 土层的土壤容重大于0—20 cm 土层。处理7在0—20 cm 土层和20—40 cm 土层的土壤容重均是最小。

从表4可见，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度在不同台湾桤木混交造林中除了0—20 cm土层的非毛管孔隙度外的均有明显的差异。无论在0—20 cm，还是20—40 cm 土层，台湾桤木混交林的总孔隙度和毛管孔隙度均大于台湾桤木纯林。在0—20 cm 土层，总孔隙度最大是处理9，而20—40 cm土层最大的是处理2；整体看，处理2，处理3，处理4，处理6，处理7，处理8和CK 的土壤总孔隙度均随土层的增加而增加，而处理1，处理5和处理9的土壤总孔隙度均随着土层的增加而降低。

图2 台湾桤木不同混交林造林土壤容重特征

表4 台湾桤木不同混交造林土壤孔隙度 %

土壤毛管孔隙度越大，土壤持蓄水能力越强。土壤非毛管孔隙是土壤重力水移动的主要通道，与土壤蓄渗水能力更为密切。在0—20 cm 土层，处理1的毛管孔隙度最大，而在20—40 cm 土层毛管孔隙度最大的是处理2；处理9在0—20 cm 土层的非毛管孔隙度最大，CK 在20—40 cm 土层非毛管孔隙度最大。3.2.2 土壤层的持水特征 土壤持水特性直接反映土壤蓄水保水能力强弱，土壤持水特性越好，土壤保蓄水分的能力就越强［14，19-20］。从图3可以看出，不同台湾桤木混交造林的持水能力有明显的差异。无论是0—20 cm 土层还是20—40 cm 土层台湾桤木混交林的土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量均高于台湾桤木纯林；各处理均是20—40 cm 土层的自然含水率大于0—20 cm 土层，而各处理的毛管持水量和最大持水量均是0—20 cm 土层大于20—40 cm 土层；在0—20 cm 土层自然含水率、最大持水量、毛管持水量均是处理9最大；在20—40 cm 土层处理7的最大持水量和毛管持水量最大，处理9的自然含水率最大。

3.3 水源涵养能力综合评价

3.3.1 台湾桤木不同混交造林水源涵养能力综合评价指标 为了能够将枯落物层和土壤层的水文效应更加直观地进行比较评价，利用熵权法对台湾桤木不同混交造林的水源涵养能力进行综合评价，信息熵的概念源于热力学，是对系统状态不确定性的一种度量，通过熵值法得到各个指标的信息熵，一般来说，若某个指标的信息熵越小，表明指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大。相反，某个指标的信息熵越大，表明指标值的变异程度越小，提供的信息量也越少，在综合评价中所起到的作用也越小，其权重也就越小［1］。

本研究选择枯落物层水文效应3个指标（枯落物蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量，3 个指标均取总量）；选择土壤层6个指标（土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量，其中土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度4个指标均取0—20 cm 土层和20—40 cm 土层的平均值，毛管持水量、最大持水量2个指标均取0—20 cm土层和20—40 cm 土层的和）。台湾桤木不同造林水源涵养能力9个评价指标数据见表5。将台湾桤木不同造林水源涵养能力9个评价指标数据进行标准化处理，结果见表6。

图3 台湾桤木不同混交造林土壤持水特征

表5 台湾桤木不同造林水源涵养能力评价指标

3.3.2 构造标准化指标矩阵并计算权重值 经计算得出各指标的信息熵值（见表7），再根据信息熵值计算得到各指标的权重值（见表8）。从评价指标权重分布上看，对水源涵养有重要影响的指标是枯落物最大持水量、枯落物蓄积量和枯落物有效拦蓄量，它们的权重值分别占到18.6%，15.9%，13.8%，权重值排序为：枯落物最大持水量＞枯落物蓄积量＞枯落物有效拦蓄量＞土壤非毛管孔隙度＞土壤最大持水量＞土壤毛管持水量＞土壤容重＞土壤总孔隙度＞土壤毛管孔隙度。

表6 各指标标准化矩阵

台湾桤木不同混交造林水源涵养能力综合评价值（见表9），排序为：处理4＞处理8＞处理1＞处理9＞处理6＞处理2＞处理7＞处理5＞处理3＞CK。从排序中可见，台湾桤木纯林的水源涵养综合评价得分最低，表明台湾桤木与其他树种混交造林的水源涵养能力均优于台湾桤木纯林。

台湾桤木与不同树种混交造林的水源涵养综合评价值的变化没有一定的规律，但混交造林中不同的混交比例对水源涵养综合评价值的影响较大，同是台湾桤木与巨尾桉混交造林，混交比例1∶2 的处理4综合评价值排名第一，而混交比例2∶1的处理5排名第八；同是台湾桤木与红锥混交造林，混交比例2∶1的处理8综合评价值排名第二，而混交比例1∶2的处理7 排名第七；同是台湾桤木与马尾松混交造林，混交比例1∶2的处理1综合评价值排名第三，而混交比例1∶1 的处理3 排名第九。这与不同的混交比例对种间关系的发展和混交效果影响有关，因此在混交造林中为了达到树种之间合理的生存关系，要根据各树种的地位和作用进行合理的混交分配比例。

表7 各指标的信息熵值

表8 各指标的权重值

表9 台湾桤木不同混交造林水源涵养综合评价得分

4 结论

（1）台湾桤木不同混交造林的枯落物蓄积量有差异，处理4的枯落物蓄积量最大，其次是处理5，最少是处理7。台湾桤木不同混交造林的持水能力有差异，且未分解枯落物的最大持水率差异达显著；枯落物最大持水率最大是处理7，其次是处理8，最小是处理5；由于枯落物蓄积量有差异，台湾桤木不同混交造林下的枯落物最大持水量与最大持水率的变化不一致，最大的是处理8，其次是处理1和处理4，最少是处理3。不同的混交处理枯落物拦蓄能力有一定的差异，且未分解枯落物的有效拦蓄率差异达显著；枯落物有效拦蓄率的变动范围为109.85%～186.35%，最大的是台湾桤木与红锥混交造林的处理7和处理8，最小的是台湾桤木与巨尾桉混交造林的处理4和处理5；枯落物有效拦蓄量最大的是处理8，其次是处理4，最少是处理5。

（2）0—20 cm 土层和20—40 cm 土层土壤容重范围分别为0.90～1.16，1.02～1.31 g／cm3，台湾桤木混交林均明显低于台湾桤木纯林；0—20 cm 土层和20—40 cm 土层总孔隙度最大分别是处理9（50.43%），处理2（55.02%），0—20 cm 土层和20—40 cm 土层毛管孔隙度最大分别是处理1（60.89%），处理2（62.40%），土壤总孔隙度、毛管孔隙度均是台湾桤木混交林大于台湾桤木纯林，表明混交林在改善土壤孔隙结构方面具有较好的作用。台湾桤木混交林土壤自然含水率（34.12%）、最大持水量（1 320.72 g／kg）和毛管持水量（1320.72 g／kg）最大的均是处理9，土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量均是台湾桤木混交林高于台湾桤木纯林，表明台湾桤木混交林的土壤持蓄水能力强于台湾桤木纯林；土壤非毛管孔隙度与土壤渗透能力更为密切，台湾桤木纯林在20—40 cm 土层的非毛管孔隙度最大（3.56%），在0—20 cm 土层也较大（3.97%）。

（3）采用熵权法对台湾桤木不同混交造林水源涵养能力进行综合评价，权重值占比最大是枯落物最大持水量（18.6%），其次是枯落物蓄积量（15.9%）和枯落物有效拦蓄量（13.8%），最少是土壤毛管孔隙度（7.6%）。台湾桤木不同混交造林水源涵养能力综合评价排序为：处理4＞处理8＞处理1＞处理9＞处理6＞处理2＞处理7＞处理5＞处理3＞CK；台湾桤木与马尾松、巨尾桉和红锥混交造林水源涵养能力均优于台湾桤木纯林；且它们的混交比例对水源涵养能力影响更大，因此在营造台湾桤木混交林时要根据各树种的地位和作用进行合理的混交分配比例。本研究结果表明，营造台湾桤木混交林以处理4（台湾桤木∶巨尾桉＝1∶2），处理8（台湾桤木∶红锥＝2∶1）、处理3（台湾桤木∶马尾松＝1∶1）的水源涵养能力综合评价得分较高。