ABSTRACT

It is of great significance to establish and improve the functional evaluation method for soil and water conservation of forest ecosystem with clear indicators and practical operation for risk identification and prevention of forest soil and water loss. Taking the main secondary forest types in the hills in the north of Jiangsu Province as the research object, 12 indexes, such as richness index, canopy closure, canopy interception rate, litter layer thickness, litter decomposition rate, litter maximum capacity, soil bulk density, organic matter, soil water stability aggregate, soil capillary capacity, soil permeability stability rate and soil erosion resistance index, were selected to construct the soil and water conservation function ability to evaluate the system. Combined with the measured data, the effect of soil and water conservation of each stand type in this area was evaluated by using the weighted comprehensive method. The results showed that the order of soil and water conservation function evaluation of six forest types was: miscellaneous forest (0.7327) > Robinia forest (0.6902) > Quercus forest (0.6001) > black pine forest (0.5869) > Pinus koraiensis forest (0.4285) > Platycladus orientalis forest (0.2670).

Keywords:Forest Type, Soil and Water Conservation Function, Effect Evaluation, Hilly Area

江苏北部低山丘陵区不同林分类型水土保持效果评价

于法展，张忠启，于兆丰，单勇兵

江苏师范大学，理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州

收稿日期：2020年6月26日；录用日期：2020年7月16日；发布日期：2020年7月23日

摘 要

建立健全指标明确、操作实用的森林生态系统水土保持功能评价方法对森林水土流失风险辨识与预防有重要的参考指导价值。以江苏北部低山丘陵区的主要次生林类型为研究对象，选取丰富度指数、郁闭度、林冠截留率、凋落物层厚度、凋落物分解率、凋落物最大持水量、土壤容重、有机质、土壤水稳性团聚体、土壤毛管持水量、土壤稳渗率、土壤抗蚀指数等12个指标构建其水土保持功能评价体系。结合实测数据，运用加权综合法对该地区各林分类型水土保持效果进行评价。结果表明，6种林分类型水土保持功能评价结果排序为：杂木林(0.7327) > 刺槐林(0.6902) > 栎类林(0.6001) > 黑松林(0.5869) > 赤松林(0.4285) > 侧柏林(0.2670)。

关键词 :林分类型，水土保持功能，效果评价，低山丘陵区

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1. 引言

森林是陆地生态系统的主体，其主要功能是调节气候、保持水土和涵养水源，其中森林的水土保持功能是通过植被林冠、地被物(凋落物)和林下土壤这3个作用层来完成的 [1]。对森林类型水土保持功能的研究主要集中于其森林水文和土壤保持两个方面 [2]，随着森林植被水土保持机理研究的深入，近年来国内外许多学者提出采用多项指标体系对森林类型水土保持功能进行评价 [3] - [9]。但是，由于影响森林类型水土保持功能的生态因子较多，有些因子在获取准确观测数据上存在一定困难，导致定量评价森林水土保持功能优劣方面仍需深入研究 [10]。定量化研究探讨低山丘陵区人工林生态恢复与水土保持机理的关系，对于当地水土保持工作具有重要的理论指导价值和实际意义。本文参考前人的研究结果，在构建指标明确及应用广泛的森林水土保持功能评价方法上作了一定的改进尝试，并以江苏北部低山丘陵区的主要次生林地为研究对象，对该地区主要林分类型的水土保持功能进行评价，以期为当地森林植被恢复与重建提供科学参考。

2. 研究区概况

江苏北部低山丘陵区位于江苏省的东北部和西北部，其地理位置为116˚22'~19˚48'E，33˚43'~35˚07'，前者主要分别在连云港近郊的云台山及锦屏山，后者分布于徐州附近的泉山及马陵山等地。属于暖温带季风气候，受东南季风影响较大，年平均气温13.1℃~14.3℃，1月平均气温−1.2℃~0.0℃，7月平均气温26.3℃~7.0℃，极端最高气温41.1℃，极端最低气温−22.6℃；年平均降水量847.9~958.9 mm，雨季降水量占全年的56%，且季节分配不均。该地区地势属低山丘陵地带，成土母质主要是中生代的沉积岩和石灰岩的残积风化物，其发育的土壤类型主要为褐土类(包括粗骨褐土和淋溶褐土2个亚类)，土壤层约深1 m，土体内有机质和全氮含量较高，质地以中壤至重壤为主。该地区林分类型(主要为次生林)包括2个植被型、5个群系组、11个群系 [11]。其中，针叶林包括赤松林、黑松林和侧柏林，它们多为纯林，物种多样性较低，其林下灌木层和草本层不甚发育，生长较缓慢，病虫害严重，是目前该地区低山丘陵上的主要次生林类型；落叶阔叶林包括刺槐林、栎类林和杂木林，其中刺槐林常为纯林，系人工林，分布较为广范；栎类林和杂木林则是该地区的地带性植被类型，由于人类长期破坏，目前残存面积很小，分布较为零散。

3. 样地设置与试验方法

2018年6月根据研究区自身特点，在代表性地段选择典型性次生林地类型，即在赤松林、黑松林、侧柏林、栎类林、杂木林、刺槐林下设立标准研究样地，并对6种林分类型研究样地(规格20 m * 20 m)的环境因子进行常规调查以及采样(表1和图1)。每块研究样地设3次重复，按混合法采集0~20 cm的土样带回实验室做分析测试。

表1. 江苏北部低山丘陵区6种林分类型研究样地的调查概况

图1. 江苏北部低山丘陵区6块研究样地的具体位置

在各研究样地进行植物群落学的常规调查(株数、种名、胸径、高度等)的基础上，通过Menhinick法计算其物种丰富度指数 [12]；各研究样地的郁闭度测定使用样点统计法，即在每块样地中随机设置约80个样点，判断树冠是否垂直投影到该点，进而统计得到该样区的郁闭度 [2]；在各研究样地外布设自动雨量计自动记录林外大气降雨量、林内穿透雨量与树干茎流量，依据森林水文定位观测的常规方法测定林冠截留量，再根据大气降雨量和林冠截留量计算其林冠截留率 [6]；在各研究样地中随机布设面积l m²的样方10个，测定凋落物层的厚度；通过调查地面上未分解的凋落物积累现存量和放置收集器获得年凋落物的现量，凋落物的分解率为用年凋落物量除以凋落物积累量所得的比值 [13]；凋落物吸持水能力采用浸水法测定，根据凋落物蓄积量和最大持水率计算其最大持水量 [14]；采用土粒浸水法测定土壤抗蚀指数 [15]；采用定水头法测定土壤稳渗率 [16]；在土壤机械组成和微团粒分析的基础上，水稳性团聚体含量组成用人工筛分法测定 [17]；采用环刀法测定土壤毛管持水量及容重 [18]；采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定土壤有机质，具体测定参照《土壤农化分析》 [19]。试验所获得相关数据的统计和分析在Excel 2007和SPSS 24.0软件下完成。

4. 评价原理与方法

林地的水土保持功能主要是通过地上植被林冠层、凋落物层和林下土壤层等3个作用层来截留削弱降雨、涵养水源以及拦蓄滞缓径流，这3个作用层面对森林生态系统保持水土效果的发挥都有着重要意义 [20]。在前期调查和试验的基础上结合前人的研究成果，选取能够很好地反映森林水土保持功能的指标，构建了植被因子、凋落物因子和土壤因子等3个作用层组成的水土保持功能评价体系。

根据森林生态系统的水土保持作用原理，建立多指标综合评价体系，运用加权综合法对林地的水土保持功能进行评价。该方法的实质是赋予构建水土保持功能评价体系的每个指标权重后，对该评价体系各指标下实测值的评分值求加权和 [21]。加权综合法的数学计算公式(1)如下：

$S={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{p}_i{V}_i\left(x_{ji}\right)}$ (公式1)

公式(1)中：S—水土保持功能评价值；n—评价指标个数；p_i—评价指标i的权重；x_ji—评价指标i的实测值； $V_i\left(x_{ji}\right)$ —x_ji的评分值。

各评价指标的评分值( $V_i\left(x_{ji}\right)$ )通过构建不同评价指标的线型评分函数(公式(2)和公式(3))分别计算得出。由于线型评分函数的特性，其评分值的大小在[0,1]中变化。

$V_i{\left(x\right)}_{\min }=\{\begin{array}{cc}1& x\le a_1\\ \frac{a_2-x}{a_2-a_1}& a_1<x\le a_2\\ 0& x>a_2\end{array}$ (公式2)

公式(2)中： $V_i{\left(x\right)}_{\min }$ —第i个评价指标偏小型评分函数，在(a_l, a₂]中呈递减趋势，即x值越小，其评分值 $V_i{\left(x\right)}_{\min }$ 越高(a₂、a₁分别为评价指标x的上、下限阈值)。

(公式3)

公式(3)中： $V_i{\left(x\right)}_{\min }$ —第i个评价指标偏大型评分函数，在(a₁, a₂]中呈递增趋势，即x值越大，其评分值 $V_i{\left(x\right)}_{\min }$ 越高(a₂、a_l分别为评价指标x的上、下限阈值)。

5. 水土保持效果评价

5.1. 评价指标的选取

按照森林水土保持功能评价指标遵循因地制宜、综合性、主导因素、科学性、系统性和可操作性等筛选原则 [22]，同时参考前人的研究成果对评价指标进行频度统计分析，选取的指标主要有：1) 植被因子指标：考虑到地上林冠层对降雨截留削弱作用的复杂性，选择林下物种丰富度指数X₁、郁闭度X₂和林冠截留率X₃为植被林冠层的评价指标；2) 凋落物因子指标：凋落物层具有蓄水、持水性能，同时对地表有良好的覆盖保护功能，选取林地地表凋落物层厚度X₄、分解率X₅和最大持水量X₆为凋落物层的评价指标；3) 土壤因子指标：土壤层保持水土功能主要表现在林地土壤入渗、贮水以及土体自身抵抗水力侵蚀的性能，选取土壤容重X₇、有机质X₈、毛管持水量X₉、水稳性团聚体X₁₀、稳渗率X₁₁和抗蚀指数X₁₂为土壤层的评价指标。

5.2. 评价指标权重的确定

参考国内外相关文献以及现有的研究结果表明：林下丰富度指数X₁的变化范围一般为10.00~90.00 [12]；郁闭度X₂的变化范围一般为0.10~0.90 [2]；林冠截留率X₃的变化范围一般为10.00%~35.00% [6]；凋落物层厚度X₄、分解率X₅、最大持水量X₆的变化范围一般为0.50~5.00 cm、1.00~3.00、1.00~9.00 mm [21]；土壤容重X₇、有机质X₈、毛管持水量X₉、水稳性团聚体X₁₀、稳渗率X₁₁、抗蚀指数X₁₂的变化范围一般为0.50~2.50 g cm⁻³、1.00%~5.00%、25.00%~75.00%、20.00%~80.00%、1.00~8.00 mm min⁻¹、30.00%~90.00% [23] [24] [25]。依据上述选取林地水土保持功能各指标实测值(或计算值)的变化范围，设定出各评价指标的上下限阈值，同时采用多个专家综合分析的意见，按照专家级分法并借助SPSS 24.0软件来确定各评价指标的权重。各评价指标上下限阈值及权重见表2。

表2. 水土保持功能评价指标上下限阈值及权重

5.3. 评价指标评分值的计算

由于各评价指标类型复杂多变，且每项指标的单位(量纲)各不相同，如何判断各评价指标的优劣是比较模糊的，无法直接对这些指标数据进行相互比较。为此需要对各评价指标运用线型评分函数进行数据标准化处理，即用评价指标实测值与上下限阈值相比较得到指标评分值的无量纲化方法。对江苏北部低山丘陵区6种林分类型的水土保持功能各评价指标归一化处理如下：结合表2中各评价指标的上下限阈值，利用不同评价指标的线型评分函数公式(2)和公式(3)分别计算出各评价指标的评分值(表3)。

表3. 6种林分类型水土保持功能评价指标的评分值

5.4. 评价结果与分析

土壤表层(0~20 cm)是土壤侵蚀以及水土保持的起始场所，对土壤表层的研究最为重要。从林分水土保持的机理出发，由植被的林冠层、凋落物层和土壤表层3个层面来评价其水土保持功能。6种林分类型水土保持功能评价指标的测定值或计算值见表4。根据各指标的权重以及利用线型评分函数并结合相关实测值计算出各评价指标的评分值(表3)，最后运用加权综合法得到6种林分类型水土保持功能的评价值，即江苏北部低山丘陵区6种林分类型水土保持功能评价结果见表5。依据林地水土保持功能评价值S的大小可以将待评林分类型水土保持效果定性划分为5个等级 [22]：强(0.8~1.0)、较强(0.6~0.8)、中等(0.4~0.6)、较弱(0.2~0.4)、弱(0.0~0.2)。

表4. 6种林分类型水土保持功能评价指标的测定值或计算值(平均值)

表5. 6种林分类型水土保持功能评价结果

由表5可知，6种林分类型水土保持功能评价结果排序为：杂木林 > 刺槐林 > 栎类林 > 黑松林 >赤松林 > 侧柏林。在研究区6种林分类型水土保持功能评价排序中，落叶阔叶林(杂木林、刺槐林和栎类林)的水土保持功能整体上要优于针叶林(黑松林、赤松林和侧柏林)，3种落叶阔叶林表现出较强的水土保持功能，主要是因为落叶阔叶林具有多层次结构，林分组成及分布较为合理，其林下凋落物层厚度、分解强度(分解率)和持水量均为最优，林下凋落物层能够储蓄大量水分，且其枯枝落叶分解后产生的土壤有机质和养分元素可以改善土壤结构，增强其土壤持水能力和入渗性能，其土壤抗蚀能力显著提高。针叶林水土保持功能较低，这是由于其林下冠幅较窄，其凋落物层和土壤层的涵养水源以及防止土壤侵蚀能力相对较弱。

6. 结论与讨论

1) 根据森林生态系统的水土保持作用原理，从植被林冠层、凋落物层和土壤层3个层次，构建了水土保持功能评价指标体系，并对选取的12个评价指标利用线型评分函数进行标准化和权重的确定，运用加权综合法得出江苏北部低山丘陵区6种林分类型水土保持功能由大到小的顺序：杂木林(0.7327) > 刺槐林(0.6902) > 栎类林(0.6001) > 黑松林(0.5869) > 赤松林(0.4285) > 侧柏林(0.2670)。

2) 评价结果表明，落叶阔叶林的水土保持功能强于针叶林，这是由于作为暖温带地区的顶级演替群落的落叶阔叶林，具有更好的生态适应性以及系统稳定性，其林冠截持的降水、凋落物的持水能力、林地土壤的蓄水功能以及抗蚀性能都优于针叶纯林。该研究结果为暖温带低山丘陵区的水土保持功能研究提供基础数据，对该地区森林生态功能评价以及营林建设具有积极意义。

3) 林地的水土保持功能受多种因素的影响，今后研究过程中在时间和数量上应增加更多的监测实验数据，筛选更合理的评价指标以及征求更多的专家意见，以期获得客观、全面的评价。另外，当前对森林水土保持功能的评价有多种方法，各种方法的合理性和适用性有待于进一步完善。

基金项目

国家自然科学基金(41201213)；江苏师范大学博士学位教师科研支持项目(19XFRS013)。

文章引用

于法展,张忠启,于兆丰,单勇兵. 江苏北部低山丘陵区不同林分类型水土保持效果评价
Evaluation of Soil and Water Conservation with Different Forest Types in the Hilly Area of Northern Jiangsu Province[J]. 土壤科学, 2020, 08(03): 133-140. https://doi.org/10.12677/HJSS.2020.83019

参考文献