基于熵权法评价调控林凋落物层水文特性——以贵州马尾松林和5种阔叶树调控林为例

张薰元, 周运超, 白云星, 杜姣姣

(贵州大学贵州省森林资源与环境研究中心/贵州省高原山地林木培育重点实验室/林学院, 550025,贵阳)

在全球水资源匮乏及气候变化的大环境趋势下, 凋落物作为森林生态系统生物量的组成部分之一, 不仅关系森林生态系统的生产力水平, 还在涵养水源、减少地表径流和降雨溅蚀等方面影响着森林水文循环过程[1-2]。森林凋落物层疏松多孔的结构导致其吸水、透水能力强[3], 覆盖在森林地面增加粗糙度并减缓土壤溅蚀[4], 因此凋落物层的水文特性在森林土壤水源涵养和林间水土保持过程中发挥着重要作用[5]。

目前, 国内外对凋落物层的研究[6-7]多涉及凋落物量、养分归还、典型树种凋落物水源涵养、凋落物层与森林土壤层关系等方面。针叶林内通过阔叶树种调控改变凋落物组分在提高森林生态功能和生物多样性等方面具有重要意义。但在已有的研究中，由于树种差异导致针阔混交林与纯林之间水文特性存在不确定性[8]，且多数研究基于同年营造的混交林和纯林[9]。虽然对针叶人工纯林进行大规模的阔叶化改造可能会改变森林水文效应，但与此相关的凋落物层水文差异性研究较少。此外，鉴于现阶段我国通过林分改造来提高人工林生态功能已成为重要的研究方向[10], 选取适合的评价方法来计算评价指标权重来比较纯林与调控林水文特性的差异[11], 仍需要进一步深入研究。

马尾松林在南方水土保持林中面积占比较大, 其纯林随着林龄增长, 林下土壤流失[12], 水土流失严重是马尾松林经营中亟待解决的问题, 常通过改造林分的方式缓解马尾松人工林生态环境恶化的现象[13-14], 但通过不同树种调控改造林分后, 对调控林和未调控林之间凋落物层水文特性的差异研究不多。为此在贵州省龙里林场马尾松人工林中, 选取不同乡土阔叶树种调控后的马尾松人工林与未经调控的马尾松纯林作为研究对象, 通过熵权法客观地对凋落物层水文特性进行综合评分, 拟探究阔叶调控措施对马尾松人工林凋落物水文特性的影响，明晰树种特性对凋落物水文功能的影响，以期为马尾松水土保持林阔叶化改造提供参考依据。

1 研究区概况

实验研究区域及6个研究样点设在贵州省黔南州龙里县国有林场哨上分场(E 106°45′～107°15′, N 26°10′～26°49′)内(图1),林区属于苗岭山脉中段,平均海拔1 150 m，年均气温15 ℃，气候属中亚热带温和湿润型，年降水量1 184.17 mm，年均相对湿度77%，土壤类型以黄壤为主,植被以马尾松(Pinusmassoniana)、油茶(Camelliaoleifera)、深山含笑(Micheliamaudiae)、连香(Cercidiphyllumjaponicum)、桂南木莲(Manglietiachingii)、伯乐(Bretschneiderasinensis)、湿地松(Pinuselliottii)、红豆杉(Taxuschinensis)、缫丝花(Rosaroxburghii)等为主。

图1 野外样点分布图Fig.1 Distribution map of field sample plots

在研究区内, 于1957年通过飞播营造大面积马尾松人工林, 并在2004年对部分马尾松纯林(样点1)进行阔叶树种调控实验, 迄今为止已有15年的调控林为马尾松+伯乐(样点2)、马尾松+桂南木莲(样点3)、马尾松+连香(样点4)、马尾松+深山含笑(样点5)和马尾松+油茶(样点6)；各调控林树种基本特性见表1。

表1 调控阔叶树种基本特性Tab.1 Basic characteristics of control broad-leaved tree species

2 研究方法

2.1 凋落物样品收集

于2019年10月在实验地选长期无人为活动干扰、立地条件基本一致的马尾松人工林作为实验研究及采样区域,在实验的6种林分中,对样地内树木胸径、树高、冠幅等指标测定后(表2),在各林分中各布设3个20 m×20 m的标准样地,在每个标准样地中设置上、中和下3个坡位，每个坡位中划出3个0.5 m×0.5 m的样方进行林冠下凋落物样品收集, 凋落物收集区分未分解层(undecomposed litter, OL)和半分解层(semi-decomposed litter, OF),现场通过电子天平(精确到0.01 g)记录鲜质量(m1)，直尺测量凋落物未分解层和半分解层厚度(d)后分别装入塑料袋并带回实验室测定。每个坡位样方重复3次, 共收集162袋凋落物。此外, 为得到凋落物器官密度和叶面积与持水量的关系，在每种类型林分地表采用5点采样法，收集单独的、未分解的落叶、落果和落枝各20 g作为凋落物样品, 每个样地重复3次, 共计收集凋落物器官54袋。

表2 样地基本立地条件Tab.2 Basic site conditions of sample land

2.2 室内测定

采用室内静水浸泡实验法测定凋落物水文特性。将样品带回实验室后,烘箱80 ℃烘12 h至恒质量,记录样品干质量(m2),以计算凋落物现存量。将收集的凋落物样品装入已知质量的尼龙网袋(100目尼龙材质),完全浸入装有清水的容器中分别浸泡0.08、0.33、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00和24.00 h后取出,悬在空中静止直至不滴水为止,迅速称出湿质量(mt),每个湿质量数据重复3次。收集的20 g凋落物叶采用叶面积测定分析仪测出平均叶面积，来表示各林型每20 g凋落物叶的平均面积。用排水法测出凋落物枝、果的器官密度[15],并对20 g凋落物器官样品做最大持水量测定。

2.3 数据处理

结合野外及室内测定的鲜质量(m1)、干质量(m2)、湿质量(mt)、浸泡时间t计算凋落物生态水文特征值[16-18]。

(1)

式中：CR为凋落物持水率，%；mt为t时间的湿质量，g;m2为干质量，g。

(2)

式中St为凋落物吸水率，%。

(3)

式中：R为有效拦蓄率，%；Cm为24 h时的持水率，%;m1为鲜质量，g;m2为干质量，g。

2.4 评价分析方法

基于熵权法对马尾松林的水文特性进行评价。各指标利用熵值计算权重,熵值越小,信息量越大,对评价的重要性越大[11]。选取凋落物现存量、厚度、叶面积、持水率、吸水率、器官密度及有效拦蓄率作为水文特性评价指标,基本计算步骤如下：1)对异质指标进行同质化处理；2)根据离散程度确定评价指标权重；3)计算各样本的综合得分。

实验所得数据采用Excel 2016和SPSS 19软件进行分析处理,图像结合Origin和Excel进行处理。

3 结果与分析

3.1 不同调控林凋落物层的水文特性

3.1.1 不同调控林凋落物层现存量及组分情况 不同林型凋落物层组分及现存量存在差异，凋落物层现存量范围为6.34～8.62 t/hm2, 从大到小排序为ML>BL>CL>SSHX>LX>YC(图2)。不同树种凋落物层中叶组分比例最大(P<0.05)，其范围为61%～77%,其中ML的凋落物中叶的比例最大为77%,YC叶的比例最小为61%,与现存量大小变化一致；除SSHX外,其余林分凋落物组成所占比例均是叶的比例最大，枝的比例最小。

各林型中凋落物层厚度大小变化为：SSHX>BL>YC>ML>CL>LX，均表现为未分解层厚度大于半分解层厚度(表3)，CL凋落物层未分解层厚度是半分解层厚度的3.07倍；凋落物层现存量占比也表现为未分解层明显大于半分解层，未分解层占总现存量比例的变化范围是66%～77%，其中BL的未分解层占比与半分解层占比差距最大；在各林分中，未分解层的凋落物现存量大于半分解层。

表3 不同林型下凋落物层厚度及现存量Tab.3 Litter layer thickness and inventory under different forest types

碎屑为除去枝、叶、果之外的凋落物残渣；下同。Debris is the residue of litters apart from branches，leaves and fruits. The same below.图2 不同林型凋落物层组分情况Fig.2 Compositions of litter layers under different forest types

相同质量下，凋落物叶面积、各器官密度均与其最大持水量之间呈显著关系(P<0.05)。随着凋落物平均叶面积增大，其最大持水量也随之增大，呈幂函数关系，且相同质量下，纯林凋落物叶面积(特指收集的20 g凋落物的平均叶面积)最大，这是因为相同质量下针叶数量较阔叶多。相同质量下，凋落物器官最大持水量随着密度增加而减小，呈线性函数关系(图3)。

图3 叶面积、密度与最大持水量之间的关系Fig.3 Relationship between leaf area, density and maximum water-holding capacity

3.1.2 不同调控林凋落物层吸水动态过程 由图4可知,不同凋落物分解层吸水速率均随着浸水时间的增加而逐渐减少，最后趋于平缓,与浸水时间之间呈幂函数关系(表4)。在浸水5 min(0.08 h)时,不同林型凋落物的半分解层与未分解层的吸水速率均为最高,随后速率急剧下降,4 h之后吸水速率下降缓慢,8 h后吸水速率基本保持平缓不变。半分解层吸水速率维持在0.003 1%～0.669 2%的范围内,未分解层吸水速率变化范围在0.006 4%～2.093 1%内；半分解层吸水速率呈现SSHX>ML>BL>LX>CL>YC, 未分解层吸水速率呈现CL>BL>SSHX>ML>LX>YC，其中凋落物材质为革质的BL、SSHX和ML未分解层吸水速率大于肉质叶的LX。综上：同一林型, 其凋落物半分解层吸水速率低于未分解层吸水速率。

图4 半分解层、未分解层吸水率与浸水时间的关系Fig.4 Relationship between water absorption rate and soaking time of semi-decomposed layer and undecomposed layer

3.1.3 不同调控林凋落物层持水动态过程 不同调控林型马尾松人工林的最大持水量和最大持水率均有差异, 但从图5中可明显看出未分解层的最大持水量和最大持水率均大于半分解层。各调控林型凋落物最大持水量大小排序为ML>BL>CL>SSHX>LX>YC；最大持水率大小排序为SSHX>LX>CL>BL>ML>YC。除YC凋落物的最大持水量和最大持水率均最低外, 其余调控林凋落物最大持水量与最大持水率大小排序不同。

图5 不同林型凋落物层最大持水量和最大持水率Fig.5 Maximum water-holding capacity and maximum water-holding rate of litters in different forest types

由图6可知, 6种林型凋落物半分解层与未分解层持水率与浸水时间的关系变化一致, 随着浸水时间增加持水率而不断增加, 呈对数关系(表4)。凋落物持水率在1 h内持水最快,浸水1 h半分解层持水量均小于未分解层持水量,半分解层持水量可达到最大持水量的75%以上：SSHX(80.13%)>BL(78.60%)>CL(78.33%)>ML(76.84%)>YC(76.36%)>LX(75.15%)；未分解层持水量可达到最大持水量的78%以上：BL(82.92%)>SSHX(82.84%)>ML(82.73%)>CL(82.33%)>YC(80.22%)>LX(78.30%)。调控林型为YC和LX时,凋落物半分解层和未分解层的持水率均较低, 其中LX为最低。凋落物层持水率在整体上表现出未分解层高于半分解层。

图6 半分解层、未分解层持水率与浸水时间的关系Fig.6 Relationship between water-holding rate of semi-decomposed layer and undecomposed layer and soaking time

3.1.4 不同调控林凋落物层拦蓄能力 由表4可知, 同一分解层、不同调控林型凋落物层有效拦蓄量不同：凋落物半分解层有效拦蓄量范围为213.74～414.25 t/hm2, 大小顺序为ML>LX>SSHX>CL>YC>BL, 其中, ML凋落物半分解层有效拦蓄量最大(414.25 t/hm2),BL凋落物半分解层有效拦蓄量最小(213.74 t/hm2)；未分解层有效拦蓄量范围为941.61～2 415.01 t/hm2,大小顺序为BL>ML>CL>SSHX>LX>YC,其中,BL凋落物未分解层有效拦蓄量最大(2 415.01 t/hm2), 这与BL凋落物半分解层有效拦蓄量最小的结果相反, 未分解层中YC凋落物的有效拦蓄量最小(941.61 t/hm2)。同一调控林型、不同分解层凋落物有效拦蓄率也不同, 但整体上呈现出半分解层有效拦蓄量远小于未分解层有效拦蓄量。有效拦蓄率大小顺序除YC与未分解层有效拦蓄量一样最低外, 其余调控林型有效拦蓄率的大小顺序与有效拦蓄量不同。

表4 凋落物不同分解层水文指标与浸水时间关系式

3.2 不同调控林型凋落物层水文特性综合评价

为了更科学、更直观地评价调控林凋落物层持水能力, 选取不同林型、不同分解层的凋落物层现存量、厚度、叶面积、持水率、吸水率及有效拦蓄率作为水文特性评价正项指标, 凋落物器官密度作为负向指标, 通过熵权法进行综合评分。结果表明,各指标权重值排序为凋落物器官密度>现存量>有效拦蓄率>最大持水率>最大吸水率>厚度>叶面积。

从凋落物持水能力综合评分结果得出(表6)，凋落物未分解层排序为BL>ML>CL>SSHX>LX>YC;半分解层排序为ML>LX>SSHX>CL>BL>YC。综上,不同调控林型中凋落物未分解层水文特性普遍优于半分解层；相比其他林型，YC凋落物无论是未分解层还是半分解层，凋落物层水文特性评分均最低。各林型中凋落物层水文特性评分高低为ML>BL>CL>SSHX>LX>YC。

表6 不同林型中不同分解层凋落物持水能力综合评分Tab.6 Comprehensive scores of water-holding capacity oflitters in different decomposed layers indifferent forest types

4 讨论

不同树种调控后的凋落物会造成凋落物层水文特性的差异。凋落物的水文特性是凋落物层持水、蓄水能力的综合反映, 是森林凋落物水文特性分析评价的指标之一[16], 吸水、持水及拦蓄指标三者的大小会影响到森林水文生态功能的判断[17]。通过熵权法计算得知, 有效拦蓄率、最大持水率和最大吸水率在凋落物水文特性评价中所占权重居中(表5), 不同林型凋落物最大持水率不同, 但LX和SSHX在持水率上优势尽显, 可能是因为连香叶呈近圆形, 叶肉质较其余革质叶片可持大量水分, 深山含笑叶型呈长圆状椭圆形, 平均叶面积较大, 从而持水量大, 符合大面积的叶片持水量大、持水优势明显的研究结果[18]。本研究中各林型吸水速率与有效拦蓄率变化一致, 均表现为半分解层明显低于未分解层, 这一结果与前人的研究结果存在差异[19]，其原因可能是半分解层由于内部分解透彻，较未分解层更为破碎，空隙过多而降低了持水能力，故吸水速率与有效拦蓄率弱于未分解层；此外，调控树种的凋落叶大多为革质叶(表2), 相同质量下未分解层厚度大、现存量较多, 而在水文效应评价中，现存量所占权重大于有效拦蓄率、最大持水率和最大吸水率, 因此存在未分解层水文特性优于半分解层的现象[20]。因此，调控林型中凋落物未分解层现存量及厚度较大的ML和BL凋落物水文特性比CL凋落物水文特性表现好。

表5 各指标信息熵值和权重值Tab.5 Information entropy and weight of each indicator

不同调控树种特性在森林水文循环过程有着不可忽视的作用, 是影响森林凋落物层水文特性的重要因子之一。通过熵权法计算指标权重可看出, 不同持水能力指标在凋落物层持水能力综合评价中所占的权重不同, 调控树种特性在森林水文循环过程中影响着凋落物的水源涵养功能。不同树种导致凋落物的组成不同[21], 通过阔叶树种调控, 马尾松人工林中凋落物组成变复杂, 在本研究中, 经过乡土阔叶树调控后的马尾松人工林均为针阔混合叶, 与未调控的马尾松纯林中针叶凋落物相比, 调控林型凋落物器官密度和平均叶面积与未调控的马尾松纯林不同, 凋落物器官密度在水文特性评价中作为唯一的一个负向指标, 所占权重最大, 密度最大的油茶其凋落物水文特性不管是半分解层还是未分解层都是所有林型中最差的, 油茶拦蓄降水能力(R=325.51%)也是调控林型中最低, 这与油茶叶为革质且叶表面油脂较其他调控林叶表面油脂多有关, 与水产生排斥, 导致持水能力弱[22]。 由此可见除去凋落物现存量和厚度影响, 在调控林型选择上, 不仅要考虑凋落物器官密度因素, 还应该考虑凋落物叶质地是否适宜凋落物层水源涵养。

5 结论

1)贵州龙里林场不同阔叶树种调控前后马尾松人工林凋落物叶比例最大达到61%以上,现存量在6.34～8.62 t/hm2范围内波动,凋落物总厚度变化范围在2.53～4.32 cm之间,且无论是现存量还是厚度,调控前后都是未分解层>半分解层。

2)在实验的纯林与5种阔叶调控林中, 凋落物未分解层的水文效应均较半分解层好,按凋落物层水文特性评分高低，各个林型凋落物层水文特性整体表现为马尾松+桂南木莲>马尾松+伯乐>马尾松+纯林>马尾松+深山含笑>马尾松+连香>马尾松+油茶；

3)通过熵权法对影响凋落物层水文特性的指标权重计算可知, 凋落物器官密度对凋落物水文特性影响最大, 平均叶面积对凋落物水文特性影响最小, 有效拦蓄率对水文特性的影响大于最大持水率和最大吸水率；

4)革质叶的调控树种会增加凋落物厚度, 平均叶面积大时凋落物拦蓄效果明显, 因此选择调控林型时, 为改善调控林凋落物层水文特性, 达到改善水源涵养的效果, 除考虑树种凋落物的现存量和厚度外, 还应考虑凋落物叶型质地、凋落物器官密度等树种特性对吸水、持水和拦蓄的影响。