冀北山区华北落叶松人工林水源涵养功能评价

马小欣，赵鹏飞，陆贵巧，马娇娇，吴 强，杨 超，谷建才

（河北农业大学，河北 保定 071000）

冀北山区华北落叶松人工林水源涵养功能评价

马小欣，赵鹏飞，陆贵巧，马娇娇，吴 强，杨 超，谷建才

（河北农业大学，河北 保定 071000）

以冀北山区4个不同生长阶段的华北落叶松林人工林为研究对象，对其土壤容重、孔隙度以及渗透性能进行了研究。结果表明：土壤容重随着落叶松的生长而减小，以成熟林最小，林龄相差较大的林分之间，土壤容重存在显著性差异；土壤总孔隙度以近熟林最大，各个生长阶段虽然有变化但是没有显著的差异性；近熟林与成熟林在渗透性能的大小上不分伯仲。采用熵权法确定指标权重，对评价指标进行加权计算，计算出各个生长阶段的综合水源涵养功能。结果表明：冀北山区不同生长阶段的华北落叶松人工林水源涵养功能以近熟林最好，其次为成熟林、中龄林、幼龄林。

华北落叶松人工林；土壤容重；孔隙度；渗透性能；不同生长阶段

森林和水是生态系统中最活跃最有影响的两个因素。森林能够改善土壤的物理性质，使其团粒结构发达、土质疏松，来增加水分的储存和提高水分的入渗，从而降低水土流失，起到涵养水源的作用，因此被被形象的称为“绿色水库”[1]。不同的森林类型由于受森林结构以及树种的生态学特性的差异，涵养水源的效应也存在不同[2-4]。华北落叶松林是冀北山区常见的人工林类型，但是由于不合理的经营，忽视基本的生态学原理，较多林分出现生长衰退，水源涵养功能降低的现象。这个问题已经引起了国内外学者的关注。研究华北落叶松人工林不同生长发育阶段涵养水源功能的变化规律，建立合理的营林措施，从而增加林分的涵养水源能力，具有重要的理论价值和实践意义。

1 区域概况

研究地区位于河北省围场满族蒙古族自治县内的木兰林管局下属的北沟林场，地理坐标为（41°35′～ 42°40′N，116°32′～ 118°14′E)。 地 势高低起伏，东北高，西南低，海拔高度在800～1 600 m。该地区气候寒温带大陆性季风气候，具有四季分明、冬长夏短、昼夜温差较大的特征。夏季温暖多雨，年极度最高温为39.4℃；冬季寒冷干燥，极端最低气温达到-42.9℃，年平均气温在-1.4～4.7℃。该区气候多变，降水丰沛，年平均降雨量在500 mm左右，大多数集中在6-9月份。北沟林场的土壤肥力高，主要类型是壤土和沙土。据调查，北沟林场内植被主要由灌丛、落叶阔叶林、针叶林组成。该林区内，人工乔木以华北落叶松Larix principis-rupprechtii、油松Pinus tabuliformisCarrière为主，其次为樟子松Pinus sylvestnisvar、云杉Picea asperataMast等；天然乔木树种主要是山杨Populus davidiana、白桦Betula platyphyllaSuk、柞树Xylosma racemosum。林下灌丛主要是美丽胡枝子Lespedeza formosa、猪毛蒿Artemisia scopariaWaldst. et Kit.、 山 刺 玫Rosa davuricaPall.、绣线菊Spiraea Salicifolia、狗尾草Setaria viridis等。该区物种多样性较丰富，分布有大量的高等维管植物、动物等。

2 研究方法

2.1 试验地的选择与设置

通过林相图和实地踏查相结合，按照立地条件和林分特征相似的标准，选取华北落叶松人工林不同生长阶段（幼、中、近、成）的四个林型，各设置3块30 m×30 m的标准地。对各个标准地进行调查，主要包括林龄、林下植被、坡度、坡位、郁闭度，树高、胸径、林分密度等因子。各个生长阶段标准地基本概况见表1。

表1 华北落叶松人工林不同生长阶段基本概况Table 1 General characteristics of Larix prinicipis-rapprechii Plantation, four different growth stages

2.2 土壤水分物理性质的测定

在各个标准地选取3个样方挖掘土壤刨面，记录各个土壤刨面的特征、土层厚度。按照0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm进行分层，用环刀在各个土层取3个土样，将原装土带回实验室测定自然含水量、土壤容重、孔隙度等指标，测定方法参考文献[5]。土壤渗透性能采用双环法[6]。

2.3 数据处理

2.3.1 统计分析

采用SPSS 17.0软件对不同生长阶段的落叶松的土壤容重、孔隙度、渗透性能的差异性进行单因素方差分析，并进行Duncan多重比较。

2.3.2 熵权法

熵权法是在各个因素所提供的信息量的基础上，计算出一个综合指标的数学方法[7]。本研究通过构建不同生长发育阶段的华北落叶松壤层的水源涵养评价指标体系，运用熵权法来确定各个指标的权重值。

（1）构建体系

本研究以土壤层为准则层，选择土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、初渗速率、稳渗速率、稳渗时间这6个指标，构建华北落叶松人工林不同生长发育阶段水源涵养功能的评价指标体系。

（2）熵权法赋权步骤

①数据标准化

由于评价水源涵养功能的各个指标量纲不同，且指标间的差异较大，首先采用极值法对评价指标数据值进行标准化处理。给定了k个指标X1，X2，…，Xk，其中Xi=[x1，x2，…，xn]。对各指标数据标准化后的值为Y1，Y2，…，Yk。

上述式中：k为指标数即6，n=4，i=4，j=6

②权重的计算

计算各个评价指标的熵值，得出得出冀北山区不同生长阶段价指标的标准化数据。见下列公式：

③确定各指标权重

根据各个指标的熵值E1，E2，…，Ek。通过熵计算各指标的权重：

2.3.3 水源涵养功能评价

水源涵养功能的优劣，采用综合指数法即分别对各个生长阶段的评价指标进行加权综合计算。首先确定各原指标是属于“高优”还是“低优”[8]，然后根据下列公式进行指数化处理。指数化公式：

公式（4）为高优指标指数化；（5）为低优指标指数化。其中x为某指标的观测值，M为各个指标的平均值。

同类指标相乘，异类指标相加计算指数综合，将总和指数数值I进行比较，排序各个生长阶段水源涵养功能，值越大水源涵养功能越强。综合指标的计算公式：

其中，wi为各指标权重，yi为原始数据指数化的数值。

3 结果与分析

3.1 土壤容重

林分土壤容重是反映土壤物理性质的重要参数，它能反应土壤的紧实程度，是决定土壤水源涵养功能的重要指标[9]。图1列出了不同生长阶段落叶松在各个土层土壤容重情况。如图1所示，不同生长阶段土层的土壤容重均表现为0～15 cm＜15～30 cm＜30～45 cm＜45～60 cm，即各个阶段的土壤容重均随着土层深度的增加而增加。在0～15 cm土层，随着林龄的增加土壤容重逐渐降低，土壤容重从大到小依次为幼龄林（1.32 g·cm-3）；中龄林（1.29 g·cm-3）；近熟林（1.05 g·cm-3），成熟林（0.96 g·cm-3）。中龄林比幼龄林土壤容重降低了2.3%；近熟林比中龄林土壤容重降低了18.6%；成熟林比近熟林土壤容重降低了6.7%。中龄林到近熟林过渡的阶段，土壤容重降低的速度远远大于其他阶段，其原因是处于中龄林阶段的落叶松，由于人为或者自然稀疏，林内光照强度改变，林下植被生长旺盛，根系微生物的活动使得表层土壤得到了改善。0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm土层在不同生长阶段的土壤容重均为幼龄林＞中龄林＞近熟林＞成熟林。这种变化趋势与林分的生长阶段特点有着显著的关系，在中龄林和近熟林期根系生长旺盛，浅层土壤根系跟新速度快，而再加上表层凋落物的储存，微生物活动剧烈，因此容重增长趋势明显。成熟林期生长速率虽然降低但总体程度上还保持生长。45～60 cm土层的土壤容重的大小顺序为成熟林＜近熟林＜幼龄林＜中龄林，容重仅仅在 1.33 g·cm-3～ 1.43 g·cm-3范围内波动，变化幅度很小。0～60 cm平均土壤容重的顺序从大到小依次为幼龄林＞中龄林＞近熟林＞成熟林。

图1 不同生长阶段华北落叶松人工林土壤容重垂直变化Fig. 1 The vertical changes of soil density for different growth stages of Larix prinicipis-rapprechii Plantations

不同生长阶段的土壤容重进行单因素方差分析，并进行Duncan多重比较，总体来看幼龄林与中龄林没有明显差异，幼龄林与近熟林、成熟林在0.05水平上均存在显著性差异；中龄林与近熟林没有明显差异，却与成熟林的土壤容重在0.05水平上存在显著性差异；近熟林与成熟林的土壤容重差异不明显。由此可见土壤容重与林龄的增长有着密切的关系，且与林龄的增长趋势相同。

3.2 土壤孔隙度

孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，能反映出土壤持水性、通气性等，是土壤中养分、空气、水分和微生物等的贮存库、迁移通道和活动场所[10-11]。

非毛管孔隙度对水文调节和入渗能力有着直接的关系，它的数量反应了森林植被滞留水的能力，将直接影响林地蓄水能力和调节水分功能的强弱[12]。如图2，0～15 cm土层土壤非毛管孔隙度随着林龄的增长逐年增大，在近熟林达到最大为8.94%，近熟林后非毛管孔隙度成下降趋势；15～30 cm土层土壤非毛管孔隙度与0～15 cm变化趋势相同，从小到大依次为幼龄林＜中龄林＜成熟林＜近熟林；30～60 cm土壤非毛管孔隙度与上述两个土层变化不同，但均是近熟林的土层最大。土壤非毛管孔隙度的变化与土壤深度没有明显的规律性，但是各个生长阶段均是表层土非毛管孔隙度最大，其原因是枯落物的积累，腐烂后形成较厚的腐殖质层，改善了土壤的质地，土壤肥沃所以土壤孔隙发达。但是土壤非毛管孔隙度与土层深度没有规律变化。0～60 cm平均土壤非毛管孔隙度的顺序从大到小依次为近熟林＞成熟林＞中龄林＞幼龄林。

图2 不同生长阶段落叶松人工林土壤孔隙度垂直变化Fig. 2 The vertical changes of soil porosity for different growth stages of Larix prinicipis-rapprechii Plantation

毛管孔隙度的大小反映了森林植被维持自身生长发育的能力。0～30 cm土层在随着林龄的增长毛管孔隙度逐年变大，但是变大的速率逐年减小最终趋于平稳；30～60 cm土层，土壤的毛管孔隙度变化不大。土壤毛管孔隙度均是表层较大，随着土层深度的增加而减小。

在总孔隙度方面，各个生长阶段土壤总孔隙度随着土层的加深而减小，且表面土层的土壤孔隙度要远远大于下层土壤的孔隙度。这是由于地表枯落物的分解腐烂后增加了腐殖质的含量，有利于表层土壤团聚结构的形成，此外森林表面的生长着茂盛的灌木、草本植物，这些植物的根系大部分都分布在土壤的表层而细根生长及分解可以改善土壤的孔隙状况。4个生长阶段在0～15 cm土层总孔隙度的大小顺序与非毛管孔隙度相同即近熟林＞成熟林＞中龄林＞幼龄林，中龄林到近熟林的生长阶段土壤孔隙度的变化范围是最大，总孔隙度随着林龄的增长而增大，在近熟林达到最高，随后逐年降低；15～45 cm土层土壤的总孔隙度变化动态是逐年升高，总孔隙度从大到小依次为成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林；45～60 cm土层土壤总孔隙度从大到小顺序为近熟林＞成熟林＞中龄林＞幼龄林。各林龄平均总孔隙从大到小顺序为： 近熟林＞成熟林＞中龄林＞幼龄林。

各生长阶段的土壤总空隙度进行单因素方差分析，并进行Duncan多重比较，各个生长阶段土壤总孔隙度虽然有变化，但是均无显著性差异。

3.3 土壤渗透性能

土壤渗透性能是土壤水分的物理性质之一，也是土壤理水调洪功能的重要指标。它与土壤的物理性质有着重要的关系，渗透性能较好的土壤，它能是地表径流转化为壤中流，使林地水土流失得到了有效的控制[13-14]。如表2所示， 0～15 cm、30～45 cm、45～60 cm土层的入渗速率从大到小依次为成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林。中龄林、近熟林、成熟林均表现出随着土层深度的增加华北落叶松人工林的入渗速率逐渐降低，而在幼龄期不同土层人工林的入渗速率却表现出：15～30 cm＞0～15 cm＞30～45 cm＞45～60 cm。在幼龄林出现下层土壤的渗透速率比表层大的原因可能是，华北落叶松人工林处于幼龄期枯落物较少，微生物活动少，再加上人为的活动，造成土壤表层较紧实，渗透率较小。各生长阶段的渗透性能进行单因素方差分析，总体上，近熟林和成熟林土壤初渗速率显著高于幼龄林和中龄林，幼龄林和中龄林无显著性差异，近熟林和成熟林无显著性差异。

土层深度来看，稳渗速率和时间随着土层深度的增加两者都没有规律性。平均稳渗速率从大到小依次为成熟林、近熟林、中龄林、幼龄林，随着年龄的增加而增大。从稳渗时间来看，近熟林在15～30 cm土层稳渗时间最长为47 min，且近熟林的华北落叶松人工林渗透性能较好，初渗速率较高为 16.2 mm·min-1，稳渗速率为 6.7 mm·min-1。在这种强降雨的情况下，雨水可以充分的渗入土层中形成壤中流，对水土保持以及水源涵养起到了重要的作用。各生长阶段的土壤稳渗速率和时间进行单因素方差分析，并进行Duncan多重比较，各个生长阶段的土壤稳渗速率和时间均无显著性差异。

3.4 水源涵养功能评价

以华北落叶松各个生长阶段土壤容重w1（低优指标）、土壤毛管孔隙度w2、非毛管孔隙度w3、初渗速率w4、稳渗速率w5、稳渗时间w6为评价指标，采用熵权法确定各个指标权重见表3。

表2 不同生长阶段不同土层通透性能Table 2 Water infiltration of soil for different growth stages of Larix gmelinii plantations

表3 不同指标的权重系数Table 3 Weight coefficient of the evaluation index

由各个指标的权重采用综合指数法计算华北落叶松各个生长阶段水源涵养功能的能力见表4。由综合指数值可以看出近熟林的华北落叶松人工林涵养水源能力最大，其次为成熟林、中龄林、幼龄林。近熟林与成熟林的华北落叶松人工林相比，差异性很小，基本没有多大的变化。但是与中龄林、幼龄林的林龄相比，在水源涵养功能方面它们表现出较大的优越性。

表4 华北落叶松不同生长阶段水源涵养功能比较Table 4 Comparison of water conservation function of Larix prinicipis-rapprechii plantations' different growth stages

4 结 论

（1）土壤容重。各个生长阶段土壤容重随着土壤深度的加深而增大，且表层大于其他土层的容重较明显，随着土层深度增加变化趋势变小。土壤容重与生长阶段也有着紧密的关系，林龄越大其容重越小。

（2）土壤孔隙度。土壤非毛管孔隙度的变化与土壤深度没有明显的规律性，各林龄0～60 cm土层非毛管孔隙度表现出先增大后减小的趋势，从大到小依次为近熟林＞成熟林＞中龄林＞幼龄林，近熟林表层土最大达到8.94%。毛管孔隙度随着林龄的增大而增大；总孔隙度随着土层的加深而减小，各林龄平均总孔隙从大到小顺序为： 近熟林＞成熟林＞中龄林＞幼龄林，中龄林到近熟林土壤孔隙度的变化范围是最大，总孔隙度随着林龄的增长在近熟林达到最高，随后降低。

（3）渗透性能。在林龄相差较大的林分之间，初渗速率存在显著性差异。林龄相差不大的差异不显著。稳渗速率和稳渗时间没有明显的规律性。总起来说成熟林生在初渗速率上较有优势，稳渗速率和稳渗时间近熟林比成熟林有优势，但是优势并不明显。

（4）分析综合水源涵养功能。冀北山区不同生长阶段的华北落叶松人工水源涵养功能以近熟林最好，其次为成熟林、中龄林、幼龄林。但是成熟林综合指数1.13与近熟林1.14相差很小。以上充分说明华北落叶松生长处于近熟林期土壤的涵养水源功能较强。这对建立合理的营林措施，增加林分的涵养水源能力，具有重要的实践意义。

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Evaluation on water conservation functions of Larix prinicipis-rapprechii plantations in mountainous area of Northern Hebei Province

MA Xiao-xin, ZHAO Peng-fei, LU Gui-qiao, MA Jiao-jiao, WU Qiang, YANG Chao, GU Jian-cai
(Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China)

soil density, soil porosity and water Permeability of four different growth stages ofLarix prinicipis-rapprechiiPlantations in Mountainous Area of Northern Hebei Province.The results showed that: soil bulk density show a signi fi cant difference in forests which have a larger gap in stand age, soil density of mature forest is largest ,along with aggrandizing of age of soil density become smaller ;Soil total porosity is largest at nearly mature forest.There were no signi fi cant differences in different growth stages；soil porosity of mature forest and nearly mature forest have no signi fi cant difference. The values of evaluation indices were calculated based on weights that were determined using the method of entropy method. The evaluation results show that Near - mature - forest Plantations ofLarix principis-rupprechtiihave the best water conservation function, followed in order by mature forest、middle-age forest、young forest.

Larix prinicipis-rapprechiiPlantation ; soil density ; soil porosity ; water permeability different; growth stages

S715.7

A

1673-923X(2016)04-0084-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.016

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-12-29

河北省科技支撑计划项目“河北省滦河流域水源林经营关键技术研究与示范”（15227652D）

马小欣，硕士研究生

谷建才，教授；E-mail：gujiancai@126.com

马小欣，赵鹏飞，陆贵巧，等. 冀北山区华北落叶松人工林水源涵养功能评价[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(4):84-89.

[本文编校：吴 彬]