基于坐标评定法的京西水源保护林枯落物及土壤水文效应综合评价

王会岳 张宇星 高泽威 孟祥嵩 杨新兵

摘要為探究北京西部水源保护林森林水文功能，选择该区域常见的油松、山杨、白桦和华北落叶松4种纯林，利用坐标评定法对其水文效应进行综合评价。结果表明：（1）枯落物蓄积量排序为油松林（8.90t.hm-2）＞华北落叶松林（6.35t.hm-2）＞山杨林（5.66t.hm-2）＞白桦林（5.05t.hm-2）；枯落物最大持水量排序为华北落叶松林（46.79t.hm-2）＞油松林（37.19t.hm-2）＞白桦林（26.27t.hm-2）＞山杨林（21.85t.hm-2）；半分解层最大持水量大于未分解层。（2）土壤总孔隙度排序为白桦林（60.10%）＞油松林（59.18%）＞山杨林（54.20%）＞华北落叶松林（48.77%），土壤层最大持水量排序为白桦林（3650.70t.hm-2）＞油松林（3550.98t.hm-2）＞山杨林（3252.00t.hm-2）＞华北落叶松林（2926.20t.hm-2）。（3）林地总最大持水量排序为白桦林（3676.97t.hm-2）＞油松林（3558.17t.hm-2）＞山杨林（3273.85t.hm-2）＞华北落叶松林（2972.99t.hm-2），土壤层的最大持水量远大于枯落物层。（4）用坐标评定法对4种林分水文效应综合评价结果排序为油松林、华北落叶松林、山杨林、白桦林，针叶林优于阔叶林。

关键词水源保护林；枯落物蓄积；枯落物水文；土壤水文；坐标评定法

中图分类号：S727.21文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.013

ComprehensiveEvaluationofLitterandSoilHydrologicalEffectsofWaterSourceProtectionForestinWesternBeijingBasedonCoordinateEvaluationMethod

WangHuiyue1，ZhangYuxing2，GaoZewei3，MengXiangsong3，YangXinbing3

（1.YiduTownGovernmentofLaishuiCounty，Baoding074102，China；2.Shanhelin（Beijing）WaterandSoilConservationTechnologyLimitedCompany，Beijing100038，China;3.CollegeofForest，HebeiAgriculturalUniversity，Baoding071000，China）

AbstractInordertoexplorethehydrologicalfunctionofwatersourceprotectionforestinwesternBeijing，inthispaper，fourpureforestsincludingPinustabulaeformis，Populusdavidiana，BetulaplatyphyllaandLarixprincipis-rupprechtiiinwesternBeijingwereselectedandthehydrologicaleffectsofthefourstandswerecomprehensivelyevaluatedbycoordinateevaluationmethod.Theresultsshowedasthefollowingfourparts.（1）TheorderoflittervolumewasPinustabulaeformisforest（8.90t.hm-2）＞Larixprincipis-rupprechtiiforest（6.35t.hm-2）＞Populusdavidianaforest（5.66t.hm-2）＞Betulaplatyphyllaforest（5.05t.hm-2）;themaximumwaterholdingcapacityoflitterwasLarixprincipis-rupprechtiiforest（46.79t.hm-2）>Pinustabulaeformisforest（37.19t.hm-2）>Betulaplatyphyllaforest（26.27t.hm-2）>Populusdavidianaforest（21.85t.hm-2）.Themaximumwaterholdingcapacityofsemi-decomposedlayerwaslargerthanthatofundecomposedlayer.（2）TheorderoftotalporosityofsoilwasBetulaplatyphyllaforest（60.10%）>Pinustabulaeformisforest（59.18%）>Populusdavidianaforest（54.20%）>Larixprincipis-rupprechtiiforest（48.77%）.ThemaximumwaterholdingcapacityofsoilwasBetulaplatyphyllaforest（3650.70t.hm-2）＞Pinustabulaeformisforest（3550.98t.hm-2）＞Populusdavidianaforest（3252.00t.hm-2）＞Larixprincipis-rupprechtiiforest（2926.20t.hm-2）.（3）TheorderofthetotalmaximumwaterholdingcapacityoftheforestlandwasBetulaplatyphyllaforest（3676.97t.hm-2）>Pinustabulaeformisforest（3558.17t.hm-2）>Pinustabulaeformisforest（3273.85t.hm-2）>Larixprincipis-rupprechtiiforest（2972.99t.hm-2）.Themaximumwaterholdingcapacityofthesoillayerwasmuchgreaterthanthatofthelitterlayer.（4）Theresultsofthecomprehensiveevaluationofhydrologicaleffectsofthefourkindsofstandsbythecoordinateevaluationmethodwererankedasfollows：PinusTabulaeformisforest，Larixprincipis-rupprechtiiforest，Populusdavidianaforest，Betulaplatyphyllaforest;andconiferousforestwassuperiortobroad-leavedforest.

Keywordswatersourceprotectionforest;littervolume;litterhydrology;soilhydrology;coordinateevaluationmethod

森林的水源涵养功能主要由枯落物层和土壤层完成。枯落物层不仅参与了土壤养分循环，还具有较强的截水、蓄水性能，枯落物截留和蓄水量取决于枯落物的现存量及枯落物自身的持水能力[1]。马国飞等[2]发现枯落物分解程度越高，持水能力越强；何淑勤等[3]发现不同植被类型枯落物最大持水量半分解层均强于未分解层；吕刚等[4]发现针叶林枯落物的蓄积量、最大持水量及有效拦蓄量均高于阔叶纯林。不同的土壤结构、容重、颗粒组成等使其表现出不同的水源涵养功能[5]，土壤孔隙度大小影响着土壤蓄水、透水等功能。森林树种组成、郁闭度、抚育间伐等生产管理活动也会间接影响土壤水文效应[6]。郭建军等[7]对2022年冬奥会崇礼赛区3种人工针叶纯林枯落物及土壤水文效应研究表明，华北落叶松林水源涵养能力最优，油松林最差。因此，不同的枯落物和土壤自身特性、不同地域、不同植被类型、不同林分结构征等会导致水源涵养功能存在明显差异。为探究北京水源上游营造的水源保护林森林水文功能，本文对试验区油松（Pinustabulaeformis）、华北落叶松（Larixprincipis-rupprechtii）、白桦（Betulaplatyphylla）、山杨（Populusdavidiana）林分的枯落物层和土壤层水文效益进行了研究。

1研究区概况

试验样地选在北京西部张家口市涿鹿县，位于太行山北端与燕山西端交汇处，怀涿盆地和桑干河下游，海拔1300～2000m，年降水量约370mm，年均温9.1℃，属温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，冬季寒冷期长，降水量少，且集中。土壤以褐土为主。当地主要乔木树种为油松、华北落叶松、白桦、山杨等。

2研究方法

2.1样地设置

试验选择当地分布最多的油松、华北落叶松、山杨、白桦4种纯林，样地投影面积30m×30m。样地基本信息见表1。由于针叶林的木材效益較好，所以林场经营的针叶林郁闭度相对较小；阔叶树种生长较快，冠幅大，所以，郁闭度相对较大。

2.2枯落物层水文测定

在样地内分别选取3个1m×1m的枯落物样方，按未分解层、半分解层分别收集枯落物，用风干样品进行枯落物持水试验。将枯落物分别浸泡0.5、1、2、4、6、8、24h后取出，并静置至水滴不成连续直线时，快速称质量，浸泡24h为最大持水量。选取部分样品烘干称质量，计算枯落物蓄积量。

2.3土壤层水文测定

在样地内随机选取3个采样点，挖土壤剖面，利用100cm3环刀分层取土，每10cm一层。利用浸水法测定土壤容重、孔隙度及持水能力等指标。

2.4林分水文效应综合评价

利用坐标综合评定法，将评定对象看作为由多向量所决定的空间点，以各点与最佳点的距离对各点进行比较和评价，对不同林分枯落物层和土壤层水文效应进行评估。用aij表示原始数据（i表示不同林分，j表示不同指标）；用mij表示每一个aij的最大值。对aij和mij进行比较，组成相对值dij（aij/mij）的“矩阵坐标”。根据以下公式计算Pi、∑Pi2，最后，将每种林分的∑Pi2值由小到大进行排序，综合值越小林分水文效应越优[8]。

dij=aij/mij

Pi=（1－dij）2

∑P2i=P21+P22+P23+P24+P25+P26

式中：∑P2i为林分水文效应的综合表现；P21为枯落物厚度；P22为枯落物最大持水量；P23为枯落物有效拦蓄量；P24为土壤的总孔隙度；P25为土壤毛管孔隙度；P26为土壤非毛管孔隙度。

3结果与分析

3.1枯落物层水文效应比较

3.1.1枯落物蓄积量比较

由表2可知，未分解层厚度油松林最大（3.23cm），白桦林最小（1.71cm），未分解层蓄积量排序为山杨林（3.04t.hm-2）＞油松林（1.72t.hm-2）＞华北落叶松林（1.70t.hm-2）＞白桦林（1.65t.hm-2），山杨林未分解层蓄积量显著高于其他3种林分。半分解层厚度华北落叶松林最大（2.97cm），油松林最小（2.31cm），半分解层蓄积量排序为油松林（7.17t.hm-2）＞华北落叶松林（4.65t.hm-2）＞白桦林（3.41t.hm-2）＞山杨林（2.63t.hm-2），油松林半分解层蓄积量显著高于其他3种林分。枯落物总厚度排序为油松林（5.55cm）＞山杨林（5.27cm）＞华北落叶松林（5.02cm）＞白桦林（4.07cm），枯落物蓄积总量油松林（8.90t.hm-2）＞华北落叶松林（6.35t.hm-2）＞山杨林（5.66t.hm-2）＞白桦林（5.05t.hm-2），油松林枯落物总蓄积量显著高于山杨林和白桦林。综合看，针叶林的蓄积量比阔叶林大。

3.1.2枯落物有效拦蓄量比较

由图1可知，半分解层枯落物有效拦蓄量排序为山杨林＞华北落叶松林＞油松林＞白桦林，山杨林显著高于油松林和白桦林。未分解层枯落物最大持水量排序为油松林＞华北落叶松林＞白桦林＞山杨林，油松林未分解层有效拦蓄量显著高于其他3种林分。枯落物层总有效拦蓄量排序为油松林（18.35t.hm-2）＞华北落叶松林（12.96t.hm-2）＞山杨林（11.49t.hm-2）＞白桦林（8.12t.hm-2），油松林枯落物总有效拦蓄量显著高于山杨林和白桦林。总之，针叶林枯落物有效拦蓄量高于阔叶林，未分解层有效拦蓄量高于半分解层。

3.1.3不同林分枯落物持水能力比较

由图2可知，半分解层枯落物最大持水量排序为华北落叶松林＞油松林＞白桦林＞山杨林，华北落叶松林和油松林半分解层枯落物最大持水量显著大于山杨林和白桦林。未分解层枯落物最大持水量排序为白桦林＞华北落叶松林＞山杨林＞油松林，4种纯林之间无明显差异。枯落物层总的最大持水量为华北落叶松林（46.79t.hm-2）＞油松林（37.19t.hm-2）＞白桦林（26.27t.hm-2）＞山杨林（21.85t.hm-2）。针叶林枯落物层最大持水能力显著高于阔叶林。

枯落物的持水过程与枯落物自身的持水能力密切相关。由图3可知，枯落物持水量与浸泡时间的关系呈正相关，浸泡初期持水量增加快，随着浸泡时间的增长，持水量的增加速率逐渐减缓。

3.2土壤物理性质比较

3.2.1土壤孔隙度及容重差异

由表3可知，平均土壤容重排序为白桦林（0.88g.cm-3）＜油松林（0.92g.cm-3）＜山杨林（1.00g.cm-3）＜华北落叶松林（1.02g.cm-3），白桦林土壤最疏松，4种林分之间无明显差异。土壤总孔隙度排序为白桦林（60.10%）＞油松林（59.18%）＞山杨林（54.20%）＞华北落叶松林（48.77%），土壤毛管孔隙度排序为白桦林（42.41%）＞山杨林（39.76%）＞华北落叶松林（37.30%）＞油松林（36.93%），土壤非毛管孔隙度排序为油松林（22.25%）＞白桦林（17.68%）＞山杨林（14.44%）＞华北落叶松林（11.46%），3个孔隙度指标规律变化不一致。土壤容重和土壤总孔隙度规律正好相反。

3.2.2土壤持水量差异

由表4可知，土壤层最大持水量排序为白桦林＞油松林＞山杨林＞华北落叶松林，土壤层毛管持水量白桦林＞山杨林＞华北落叶松林＞油松林，土壤层非毛管持水量均值排序为油松林＞白桦林＞山杨林＞华北落叶松林，3个持水量指标变化规律均不一致。

3.3林分水文效应综合评价

3.3.1林地总最大持水量

将枯落物与土壤最大持水量相加，可知不同林分的总最大持水能力。由表5可知，林地总持水量排序为白樺林（3676.97t.hm-2）＞油松林（3558.17t.hm-2）＞山杨林（3273.85t.hm-2）＞华北落叶松林（2972.99t.hm-2），白桦林的持水能力最强。土壤最大持水量占林地总最大持水量的比例均大于98%，远大于枯落物层最大持水量，表明土壤层在林地持水中占主导优势。

3.3.2不同林分水文效应综合排序

利用坐标综合评定法，将测定的枯落物层、土壤层持水能力数据归一化，对不同林分枯落物层和土壤层水文效应进行评价。综合值越小则表明枯落物层和土壤层水文效应越优。由表6可知，4种林分水文综合能力以油松林最好，其次是华北落叶松林和山杨林，白桦林最差，针叶林优于阔叶林。

4结论

通过对京西水源保护林4种林分枯落物层和土壤层的水文效应测定，对其水文效应进行了综合评价。林分总最大持水量白桦林＞油松林＞山杨林＞华北落叶松林，土壤层在林地持水中占主导优势（土壤层最大持水量占总最大持水量98%以上）。利用坐标综合评定法进行多因素综合作用排序，林分的水文效应排序为油松林＞华北落叶松林＞山杨林＞白桦林。综合来看，油松林水文效应最优，针叶林优于阔叶林。

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收稿日期：2022-09-30

基金项目：中央财政林业科技推广示范资金项目“标准化水源保护林营造及经营示范区建设”（冀sfq〔2020〕003号）；河北省林业和草原局科技推广示范项目“冀北山区森林生态系统健康经营技术推广示范”（冀LT〔2021〕004号）

作者简介：王会岳（1978-），男，河北涞水人，大专，助理工程师，E-mail：why2497@126.com

通信作者：杨新兵（1978-），男，河北涉县人，博士，副教授，主要从事水土保持、森林生态研究，E-mail：yangxinbing2001@126.com