沿坝地区6种典型林分类型生态效益综合评价

李惠丽，周长亮

（河北省木兰围场国有林场，河北 围场068450）

河北省沿坝地区位于首都北京的上风口，其生态效益的好坏直接影响北京的生态环境。近年来对沿坝地区水文效应的研究较多，但对水文效应的综合分析并不多，而对林分多功能的系统研究更少了。本次研究主要是利用近年木兰林场森林抚育成效监测数据对木兰林场6种典型林分类型的生态效应进行综合评价，以期为之后的森林经营、抚育等工作提供数据支持和理论依据。

1 研究地概况

研究区位于河北承德市围场县木兰围场国有林场，是冀北山地与蒙古高原的交界处，坐标为41°56′~42°15′N，117°44′~118°9′E，海拔750~2067m，坡度15°~30°，属大陆性季风型高原山地气候，最高气温38.9℃，最低-42.9℃，土壤为棕壤，主要乔木树种有白桦（Betula platyphylla）、油松（Pinus tabulae）、华北落叶松（Larix principis-rupprechti）、山杨（Pobulus davidiana）、五角枫（Acermono Maxim）等[1]。

2 研究方法

2.1 样地调查

本次研究样地选择在木兰林场内，选择具有代表性的林分类型，包括杨树白桦混交林、油松落叶松混交林、油松纯林、白桦纯林、落叶松白桦混交林、落叶松纯林6种林分类型，其立地条件相近并具有代表性，林龄在27~35a[1]。在各林分类型内设置3块20m×20m的样地，对样地进行每木检尺，测其胸径、树高；在每块样地内，随机设置3块5m×5m的样方，对样地内灌木层进行调查，包括种名、高度、盖度、株数等；在每块样地内，沿对角线设置3块1m×1m的样方，对样地内草本层进行调查，包括种名、高度、盖度、株数等；在每个草本样方内设置1块0.5m×0.5m的小样方，分层收取小样方内的枯落物，分为未分解层、半分解层，测定其持水能力；在每块样地内挖一块40cm深的土壤剖面，分0~10cm、10~20cm、20~40cm 3层，用环刀取土，在每个土壤剖面上分别取3个层次的土壤，并将其混合，带回实验室测其养分含量[2]。样地基本情况见表1。

表1 不同林分类型样地基本情况

2.2 评价指标的选择

本次试验指标的选择采用的方法为层次分析法（AHP）[3]，层次分析法只用于评价指标的选择上。通过大量的阅读文献及征询专家意见，本次研究的评价指标体系见表2。

表2 层次分析结构模型

2.3 各指标的测定及计算

2.3.1 乔木层生长量计算 根据每块样地的每木检尺数据进行计算，其中胸径、树高值采用测量数据的平均值。各树种单株蓄积量查看河北省二元材积表公式计算。样地总蓄积量为每株蓄积量的加和。

2.3.2 灌木层、草本层多样性计算 根据实际测得灌木层、草本层的数据，依据Shannon-Wiener指数的计算公式进行计算。计算公式如下：

其中，Pi为物种i的重要值，S为物种数。

2.3.3 枯落物持水能力测定 枯落物的持水能力测定采用的方法为浸水法。分别对样方内的枯落物分层测量其厚度，并采样带回实验室，称其鲜重，利用烘干箱进行烘干，采用温度75℃，烘干时间为6h。根据相应公式，计算枯落物的蓄积量、最大持水量、最大持水率及自然含水率。为反映枯落物对降水的实际拦蓄量，则需要计算有效拦蓄量，有效拦蓄量的计算公式为：W=（0.85Rn-RO）×M，其中W为有效拦蓄量（t·hm-2）；Rn为最大持水率（%）；R0为平均自然含水率（%）；M为枯落物蓄积量（t·hm-2）[4]。

2.3.4 土壤层持水能力和养分的测定 土壤物理性质的测定采用的是环刀法，将环刀带回实验室运用烘干、环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度等土壤性质。土壤养分的测定，根据《土壤农化分析》中的方法进行测定。其中水解氮的测定采用扩散法；有效磷的测定采用氟化铵—盐酸浸提法测定；速效钾采用乙酸铵浸提法—火焰光度法测定[2]。

2.3.5 生态效益综合评价 本次研究主要采用的综合评价方法为熵权法[5]。

3 结果分析

3.1 乔木层生物量

乔木层的群落结构对维持生态环境安全有重要作用。乔木层胸径、树高及蓄积量是评价林分生态效益的重要指标。由表3可以看出：不同林分类型乔木层的平均胸径存在一定差异，其中油松落叶松混交林平均胸径最大，而白桦纯林平均胸径最小，这主要是由于不同树种的生长特性不同造成的。不同林分类型乔木层的平均树高最大的为白桦纯林，最小的为油松纯林，这与树种生物学特性及树种生长速度有关。林分蓄积量是林分平均胸径和平均树高的综合反应，由表3可看出：林分蓄积量最大的为油松落叶松混交林（14.55m3），最小的为杨树白桦混交林（5.301m3），林分蓄积量排序为Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ，这表明6种林分类型中油松落叶松混交林乔木层的生长最好。

表3 不同林分类型样地乔木层生长情况

3.2 灌木层、草本层物种多样性

灌木层、草本层生物多样性是评价林分生态效益的又一重要指标，其多样性越高越能维持生态系统的稳定。而反映生物多样的指标为Shannon-Wiener指数。由表4可以看出：不同林分类型中，灌木层物种多样性最高的为落叶松纯林，其Shannon-Wiener指数为1.11，而油松纯林灌木层生物多样性最低。草本层中，白桦纯林草本层生物多样性最高，其Shannon-Wiener指数（2.05）最高，而油松纯林草本层生物多样性最低。综合灌木层、草本层生物多样性看出：油松纯林灌木层、草本层生物多样性较差，其群落稳定性较差，易受外界干扰。

表4 不同林分类型灌木层、草本层生物多样性

3.3 枯落物层水文效益

枯落物层作为森林生态系统的重要组成部分，其在森林水文效应中具有重要影响，枯落物层持水能力的大小体现出森林水源涵养功能的强弱，因此枯落物层的水文效应是林分生态效益的重要组成部分[6]。枯落物蓄积量可以反映出森林养分的循环情况。由表5可以看出：不同林分类型枯落物的蓄积量不同，其排序为Ⅵ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，主要是因为林分类型不同，其枯落物输入不同，分解程度不同。枯落物最大持水量是反应枯落物持水能力的重要指标，最大持水量越大其对水分的截持能力越强，从表5中可以看出：不同林分类型中，枯落物最大持水能力排序为Ⅴ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，落叶松白桦混交林枯落物层最大持水量最大，为31.1t/hm2。枯落物有效拦蓄量反应在实际降水中，枯落物对水分的实际截持能力[7]。由表5中数据可知：枯落物有效拦蓄量最大的林分类型为落叶松纯林（23.42t/hm2），最小的为白桦纯林（15.51t/hm2）。

表5 不同林分类型枯落物层现存量及其持水能力

3.4 土壤层物理性质及养分含量

土壤层作为森林水文效应的第3个层次，其容重越小，对水分的保持能力越强；土壤孔隙度越大，其水土保持能力越强[8]；由表6可知：不同林分类型土壤容重为1.15~1.28g/kg，最大的为油松纯林（1.28g/kg），最小为落叶松纯林（1.15g/kg）。总孔隙度排序为Ⅴ>Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ，其中落叶松白桦混交林最大为50.27%，油松纯林最小为45.68%。最大持水量排序为Ⅵ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>>Ⅲ，其中落叶松纯林最大为434.89g/kg，油松纯林最小为359.73g/kg。

表6 不同林分类型土壤层物理性质及其养分含量

从土壤养分含量看，水解氮含量最大的为落叶松白桦混交林（174.64mg/kg），最小为油松纯林（55.21mg/kg），不同林分类型水解氮含量排序为Ⅴ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ。有效磷含量在2.37~18.58mg/kg，其中油松纯林有效磷含量最大为18.58mg/kg，白桦纯林最小为2.37mg/kg。速效钾含量最大的林分类型为杨树白桦混交林，最小的为白桦纯林，各林分类型速效钾含量为77.96~184.37mg/kg。

4 生态效益综合评价

本次研究综合评价方法采用的为熵权法[9]。

4.1 构建指标判断矩阵

根据所选指标构建指标判断矩阵，其中m=8，n=6，见表7。

表7 不同林分类型生态效益评价指标数据

4.2 形成标准矩阵

表8 不同林分类型生态效益评价指标数据标准化值

4.3 计算熵值和权重

依据以下公式计算各指标的熵值Hi和权重Wi，其中Hi=（2.612，2.852，2.720，2.752，2.831，2.647，1.664，2.468）；Wi=（0.055，0.063，0.058，0.060，0.062，0.056，0.023，0.050）。

4.4 贴近度计算

根据以下公式构建加熵权的标准化矩阵R=WiA，在标准化矩阵中找到各指标的理想点X（取各指标的最大值为理想点xi，土壤容重取最小值为理想点）。然后根据以下公式计算出6种林分类型生态效益与理想模式的贴近度T，见表9。

表9 不同林分类型生态效益与理想模型的贴近度

由表9可以看出:不同林分类型生态效益与理想模型的贴近度排序为Ⅲ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅵ，因此不同林分类型生态效益的排序为落叶松纯林>落叶松白桦混交林>油松落叶松混交林>杨树白桦混交林>白桦纯林>油松纯林，其中生态效益最好的为落叶纯林，生态效益最差的为油松纯林。

5 结论

（1）不同林分类型乔木层的平均胸径、树高存在一定差异，其中油松落叶松混交林平均胸径最大，而白桦纯林平均胸径最小。平均树高最大的为白桦纯林，最小的为油松纯林，林分蓄积量最大的为油松落叶松混交林（14.55m3），最小的为杨树白桦混交林（5.301m3），林分蓄积量排序为Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ>Ⅰ，这表明6种林分类型中油松落叶松混交林乔木层的生长最好。

（2）灌木层物种多样性最高的为落叶松纯林，其Shannon-Wiener指数（1.11）最高，而油松纯林灌木层生物多样性最低。草本层中，白桦纯林草本层生物多样性最高，其Shannon-Wiener指数（2.05）最高，而油松纯林草本层生物多样性最低。综合灌木层、草本层生物多样性看出，油松纯林灌木层、草本层生物多样性较差，其群落稳定性较差，易受外界干扰。

（3）不同林分类型枯落物的蓄积量不同，其排序为Ⅵ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，枯落物最大持水能力排序为Ⅴ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，落叶松白桦混交林枯落物层最大持水量最大为31.1t/hm2。枯落物有效拦蓄量最大的林分类型为落叶松纯林（23.42t/hm2），最小的为白桦纯林（15.51t/hm2）。

（4）不同林分类型土壤容重为1.15~1.28g/kg，最大的为油松纯林（1.28g/kg），最小为落叶松纯林（1.15g/kg）。总孔隙度排序为Ⅴ>Ⅰ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ，最大持水量排序为Ⅵ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>>Ⅲ，其中落叶松纯林最大为434.89g/kg，油松纯林最小为359.73g/kg。

从土壤养分含量看，水解氮含量最大的为落叶松白桦混交林（174.64mg/kg），最小为油松纯林（55.21mg/kg）。有效磷含量为2.37~18.58mg/kg，其中油松纯林有效磷含量最大为18.58mg/kg，白桦纯林最小为2.37mg/kg。速效钾含量最大的林分类型为杨树白桦混交林，最小的为白桦纯林，各林分类型速效钾含量为77.96~184.37mg/kg。

（5）不同林分类型生态效益的排序为落叶松纯林>落叶松白桦混交林>油松落叶松混交林>杨树白桦混交林>白桦纯林>油松纯林，生态效益最好的为落叶松纯林，生态效益最差的为油松纯林。