程 唱,蔡有柱,赵丽娟,邹星晨,张泽鑫,刘欣悦,贺康宁,*

1 北京林业大学水土保持学院水土保持国家林业局重点实验室,北京 100083 2 北京市水土保持工程技术研究中心,北京 100083 3 林业生态工程教育部工程研究中心,北京 100083 4 大通回族土族自治县宝库林场,西宁 810100

森林是陆地生态系统的主体,是人类和多种生物赖以生存和发展的基础。水源涵养功能是森林重要的生态功能[1],陆地90%以上的淡水资源均由森林涵养[2]。伴随着人类社会的进步与发展,人类对水的需求不断增加,森林生态系统的破坏以及不合理的营林措施进一步加剧了水资源短缺的问题[3]。营造水源涵养功能主导的人工林,并对其进行近自然经营也越来越受到人们的高度重视[4]。“森林近自然经营”是在“法正林”学说基础上发展起来的一种新的森林经营理念,其核心为森林生态系统的稳定性、生物多样性和系统多功能的缓冲能力[5]。对森林进行近自然度评价,确定生态系统恢复的参考标准已经成为全球的热点话题[6]。然而,由于各地区历史背景、实际情况不同,目前国内外针对近自然度的评价尚未形成一致的体系[7]。结合森林生态功能,探究保障森林主要生态功能的近自然经营模式更鲜见报道。基于水源涵养能力构建近自然度评价体系对于修复人工林水源涵养能力,探索水源涵养林近自然经营道路意义重大。

现有的研究普遍基于林分结构、状态特征对森林进行近自然度划分,评价体系难以反映森林的主要生态功能以及指导森林的近自然经营,评价方法多使用层次分析法,存在主观性较强的问题。赵中华[8]基于林分状态特征对红松林、锐齿栎进行评价,将森林自然度划分为7个不同的等级;彭舜磊[9]运用层次分析法建立了秦岭地区的近自然度评价指标体系,将森林类型近自然度划分为5个等级;刘常富[10]建立了城市森林近自然度综合评价体系,将自然度划分为4个等级;许洺山[11]通过层次分析法对海岛植被进行近自然度评价,本研究通过欧氏距离法与熵权法相结合的方法,对各指标进行敏感性筛选,能够客观、有效地建立近自然度评价体系,且将近自然度评价与水源涵养能力评价相结合,对于识别不同自然度的水源涵养林,保障其可持续发展具有重要的意义。

青海祁连山东部地区分布有众多河流,是重要的水源涵养区。林区外沿人工林由于初期按用材林结构种植,后期划归为生态公益林,普遍存在森林系统稳定性差、水源涵养功能低、森林难以可持续发展等问题,构建一套基于水源涵养能力的森林近自然度评价体系对于当地造林和营林有着重要的意义。

1 试验地概况

本研究在青海省祁连山东部大通县的塔尔沟小流域、互助县的金禅沟小流域(36°4′—39°21′N,92°53′—103°1′E)两个试验区进行。祁连山位于青藏高原、蒙古高原和黄土高原的交汇处,平均海拔1310—5821 m。试验点的年平均气温分布为1.2—4.2℃,年平均降水量分布为410—510 mm,年平均蒸发量分布为1148.3—1465.9 mm,土壤类型主要为山地棕壤、山地栗壤、山地灰棕壤等;青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)等为当地的主要树种,目前祁连山东部地区承担着重要的水源涵养功能。

2 材料与方法

2.1 样地设置与调查

实验于2021年和2022年的5—9月份(植物生长季)进行,调查树种为青海云杉纯林、白桦林纯林、青海云杉白桦混交林。本次调查共建立了40个样地(24 m×24 m),其中20个为天然林样地,20个为人工林样地,两种林分起源的样地树种类型均为青海云杉纯林、白桦纯林、青海云杉白桦混交林,人工林龄组均为中龄林,天然林龄组为中龄林、近成熟林。我们对样地中的所有树木编号并进行每木检尺,调查了每棵树的树高、胸径、位置、冠幅等基本信息,并记录了相应的海拔、坡度、坡向等研究样地概况信息,详见表1。

表1 研究样地概况Table 1 Overview of the spots

2.2 水源涵养指标

森林的水源涵养能力主要由林冠层、枯落物层和土壤层的蓄水保水能力体现;林冠层选取林冠高度、冠层持水量[12]2个指标;枯落物层选取枯落物厚度、枯落物储量、枯落物持水能力3个指标,其中枯落物厚度、储量采用五点取样法(样方1 m×1 m)测定[13],枯落物持水能力采用室内浸泡法测定[14],土壤层选取毛管孔隙度(0—20 cm、0—60 cm土层)、非毛孔隙度(0—20 cm、0—60 cm土层)、饱和导水率(0—20 cm、0—60 cm土层)6个指标,结合前人研究,本研究区样地土壤厚度分布约为60 cm,其中0—20 cm土壤为表层土壤,受植物根系影响较大,因此选取0—20 cm、0—60 cm厚度土壤层指标表征土壤物理性质,毛管孔隙度、非毛管孔隙度测定采用环刀法[15],饱和导水率测定采用定水头法[16]。

2.3 近自然指标

近自然指标至今尚没有一个统一的标准,针对不同的研究背景,不同学者采用不同的指标、方法。综合国内外主流观点,本研究从林分结构、生物多样性、林下更新状况、干扰程度、森林稳定性5个方面,从郁闭度[17]、角尺度[18]、混交度[19]、大小比数[20]、结构类型、单位面积蓄积量[21]、灌草多样性(Shannon-Wiener多样性指数[22])、自然更新、枯倒木比例[23]、人为干扰程度、病虫鼠害程度[24]、火险等级[25]共13个指标,构建如图2所示人工林近自然度评价指标体系。

图2 近自然评价指标体系Fig. 2 Near-nature evaluation index system

结合相关研究[26],将自然更新、人为干扰程度和结构类型确定为定性指标,每个指标分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级,从Ⅰ级至Ⅲ级赋值分别为0、0.38和0.62。自然更新株数大于50株/hm2时,为Ⅲ级,自然更新株数在1至50株/hm2之间时,为Ⅱ级,自然更新株数小于1株/hm2时,为Ⅰ级;人迹罕至,很难抵达的地方,且几乎没有人类活动踪迹为Ⅰ级;很难抵达,但有人类活动踪迹为Ⅱ级;容易抵达,且明显具有人类活动踪迹为Ⅲ级;将林分垂直结构划分为乔木层、灌木层、草本层,同时包含3个层次的结构类型为Ⅲ级,包含2层的结构类型为Ⅱ级,仅有1层的结构类型为Ⅰ级。

2.4 水源涵养能力和近自然评价方法

对各指标进行敏感性分析,变异系数CV<0.3为低敏感,0.30.6为高敏感,筛选出中高敏感性的指标;运用物元分析理论,通过欧式贴近度模糊物元模型,对不同造林类型的水源涵养能力进行评价[27];通过欧式距离法和熵权法[28]分别对人工林近自然度进行评价,将所得数据标准化后并求取平均值。

标准化方法为:

式中,x′为标准化后的值,x为原始数据,xmin为最小值,xmax为最大值。除病虫鼠害程度、火险等级、人为干扰度、枯倒木比例外其余指标均为正向指标。

(2)关于社会贸易活动中的各种经济关系的研究。1848年马克思、恩格斯提出了交换关系概念。马克思、恩格斯在《共产党宣言》第一部分提出“资产阶级的生产关系和交换关系，资产阶级的所有制关系，这个曾经仿佛用法术创造了如此庞大的生产资料和交换手段的现代资产阶级社会，现在像一个魔法师一样不能再支配自己用法术呼唤出自来的魔鬼了。”在《共产党宣言》中马克思恩格斯对资本主义发展中的各种交换关系，如商人与生产者、资本家与资本家、雇佣工人与资本家、民族之间、地区之间、国家之间等各种交换关系都有深刻论述。

欧式距离表达式为:

式中,d(x,y)为点(x1,y1)与点(x2,y2)之间的欧式距离。

2.5 数据处理与分析

运用SPSS 25.0、Arcmap 10.6对获取数据进行处理,对林分水源涵养能力和近自然度进行评价,采用六种最常用的方法对两者进行拟合,确定最优拟合,利用K-means聚类分析划分4类近自然度等级,作图使用Origin 2019。

3 结果与分析

3.1 不同起源林分水源涵养能力评价

表2中,人工林水源涵养能力中、高敏感性的指标有林冠高度、冠层持水量、枯落物厚度、枯落物储量、枯落物持水能力、土壤非毛管孔隙度(0—20 cm)、土壤非毛管孔隙度(0—60 cm)、土壤饱和导水率(0—20 cm)、土壤饱和导水率(0—60 cm);天然林水源涵养中、高敏感性的指标有林冠高度、冠层持水量、枯落物厚度、枯落物储量、枯落物持水能力、土壤饱和导水率(0—20 cm)、土壤饱和导水率(0—60 cm)。

表2 祁连山东部地区水源涵养能力评价指标体系Table 2 Evaluation index system of water conservation ability in eastern Qilian Mountains

为确保评价体系敏感性较强、评价标准一致,选取不同林分起源的中、高敏感性的指标构建水源涵养能力评价体系,评价结果如图3所示。

图3 40个不同林分起源样地的水源涵养能力得分对比Fig.3 Comparison of water conservation ability scores of 40 different stands origin plots

40个样地中,20个样地为天然林、20个样地为人工林,人工林中9个纯林算术平均得分为0.47,11个混交林算术平均得分为0.51。

3.2 人工林近自然度评价

如表3所示,各近自然指标中,表现为中敏感性的指标有自然更新、单位面积蓄积量、病虫鼠害程度、人为干扰程度、结构类型,高敏感性的指标有混交度、灌木多样性、草本多样性、枯倒木比例。以筛选出的中高敏感性指标作为人工林近自然度的评价指标,考虑到天然林生长状态的差异性,以其平均状态(各指标平均值)作为近自然度衡量的标准,通过欧式距离计算各人工林距离天然林平均状态的差距,结合熵权法确定近自然度评价得分,得分见图4。

表3 祁连山东部地区20个人工林样地近自然度评价指标体系Table 3 Index system of near-naturalness evaluation of 20 plantation plots in eastern Qilian Mountains

图4 人工林近自然度得分分布直方图Fig.4 Histogram of near-naturalness score distribution of artificial forest

对不同林型的人工林得分求取算术平均值,云杉人工纯林平均得分为0.49、白桦纯林平均得分为0.44,云杉白桦混交林平均得分为0.55,人工林针阔混交林得分大于人工林纯林。

此外,如图4所示,祁连山地区人工林自然度得分分布呈正态曲线,70%的样地得分均在0.4—0.6间。

3.3 基于水源涵养能力的近自然度等级的划分

对各指标进行共线性检验(VIF)排除各指标间的多重共线性关系(VIF<10),上述中、高敏感指标均不存在多重共线关系。研究使用了几种最常用的拟合方式,确定水源涵养能力得分与林分近自然度得分的拟合关系。如图5,拟合R2最高的为高斯(Gauss)拟合和逻辑(Logistic)拟合,R2值均为0.46(P<0.05);得分次之为二阶多项式拟合和线性拟合,线性拟合R2值分别为0.35和0.30(P<0.05),拟合度最低的为对数(Logarithm)拟合和指数(Exponential)拟合。

图5 20个人工林样地林分近自然度与水源涵养能力得分的拟合关系Fig.5 The fitting relationship between near-naturalness of stands and water conservation ability score of 20 plantation plotsLogarithm:对数函数;Gauss:高斯函数;Logistic:逻辑函数;Exponential:指数函数;exp:指数运算;sqrt:平方根运算;Intercept:截距;pi:圆周率

结合国内外对森林近自然度分级标准以及近自然度评价体系中高敏感性指标,利用K-means聚类分析法,将祁连山主要森林类型近自然度划分为4个等级,各等级森林类型林分特征见表4。等级1的人工林为1个云杉纯林样地,等级为2的人工林包括4个云杉纯林和1个白桦纯林样地,等级为3的人工林包括6个云杉白桦混交林和4个白桦纯林样地,等级为4的人工林为4个云杉白桦混交林样地。所有样地中等级1的人工林占比为5%,等级2的人工林占比为25%,等级3的人工林占比为50%,等级4的人工林占比为20%。等级1和的等级2的林分均为纯林,等级3中混交林占比60%。等级4均为混交林。

表4 青海祁连山林区主要人工林近自然度分级标准Table 4 Classification standards of the near naturalness of the main artificial forest types in Qilian Mountains

4 讨论

4.1 祁连山东部地区人工林和天然林水源涵养能力对比

研究表明,天然林水源涵养能力高于人工林,天然林林冠层的树冠高度,枯落物层的枯落物厚度、储量、持水能力,土壤层的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和导水率均高于人工林。这是因为天然林林龄大,林下组成复杂,生物组成丰富,枯落物归还量大[32—33]。土壤保水能力可以通过毛管孔隙度及非毛管孔隙度体现,土壤蓄水、保水能力是评价水源涵养能力的重要指标[34]。天然林土壤质量更好,是因为天然林根系发达,能够及时容纳降水,林下草本能够减少地表径流冲刷[35]。研究区天然林林冠层截留量略小于人工林,与前人研究不一致[36]。这是由于天然林林分密度相较于人工林普遍较低,且云杉林占比较大,且由于树种特性,针叶林叶片表面积小于阔叶林,导致云杉天然林叶片总表面积小于云杉白桦混交人工林。此外,研究结果还表明了人工林中针阔混交林水源涵养能力优于纯林,与前人研究一致[37—38]。这是因为混交林空间结构完整,枯落物组成丰富,能够形成更加深厚的腐殖质层,并有效改善土壤质量[39—40]。

4.2 祁连山东部地区人工林近自然度现状及功能提升

研究表明,祁连山东部地区大部分人工林近自然度评级处于半天然阶段,水源涵养能力得分在0.4—0.5之间,人工林水源涵养能力得分普遍低于天然林得分平均值,与前人研究结果一致[41]。人工林林分近自然度和水源涵养能力的Gauss拟合R2=0.46(R2>0.4,P<0.05,),但是由于研究区缺乏近成熟、成熟龄组的人工林,近自然度>0.54后的拟合曲线仍需进一步实验证明。由图5可知,当林分近自然度<0.54时,林分近自然度越高其水源涵养能力越好,当林分近自然度<0.45时,伴随林分近自然的提高其水源涵养能力迅速增加,当林分近自然度在0.45—0.54之间时,伴随林分近自然的提高其水源涵养能力提升缓慢。这是因为当林分近自然度较高时,其结构完整,林下植被丰富,存在自然更新,森林病害较少、稳定性较高,有利于改善土壤,促进林分生长进而提升其水源涵养能力[42]。当人工林近自然度评级处于人工或远天然林阶段时森林结构极不完整,纯林所占比重极大,通过补植完善其森林结构能大幅度提高其水源涵养能力,是森林生态功能修复的关键对象。当人工林近自然度评级为半天然林时树种逐渐丰富,需要进一步进行结构调整以提高其水源涵养能力。该研究结果与实际情况、前人研究结果均一致,证明该评价等级能够应用于祁连山及相近地区[43]。研究表明混交林近自然度高于纯林,这是由于混交林森林群落结构更完整,能够促进林分自然更新,提高森林稳定性,对于中龄组人工林通过补植改造纯林为混交林能够提高其近自然度[44]。同时,结果表明混交比例是近自然度评价体系中的高敏感指标,因此,进一步研究适宜混交比例对于半天然林的近自然经营具有重要意义。相较于前人的研究,本文将森林近自然度与水源涵养能力相结合,对水源涵养人工林进行近自然度评价,识别其近自然等级,并进行分类改造,对于修复远天然林水源涵养能力,提高半天然人工林水源能力可持续发展的能力具有重要的意义。同时,利用欧式距离法和熵权法,能够更加客观地反映不同近自然等级的林分类型在水源涵养能力上的差距,对研究区近天然林分进行下一步调查研究,有利于进一步提高该评价体系精度。

5 结论

(1)本论文通过模糊物元法对祁连山东部地区森林进行水源涵养能力评价,通过欧氏距离法结合熵权法对人工林进行近自然度评价,构建二者拟合关系,并确立了4个近自然度等级。针对祁连山林区外沿问题背景,从林分结构、生物多样性、林下更新状况、干扰程度、森林稳定性5个方面构建评价体系,相比传统的评价体系,本研究初次将森林近自然度与水源涵养能力相结合,对进一步探究水源涵养人工林的可持续经营具有重要的意义。

(2)研究区大部分人工林的近自然度评级为半天然林,其次为远天然林。当人工林近自然度评级处于人工或远天然林阶段时通过补植等措施提高其近自然度可以大幅度提高其水源涵养能力,为区域森林水源涵养能力修复的关键对象。

(3)当人工林近自然度评级为半天然林时水源涵养能力提升较为缓慢,可以通过进一步调整其混交比例,改善其林分结构提高其水源涵养能力。此外,研究仍需对近天然林分进行调查,以提高评价体系进度,并进一步探究半天然林的近自然营林措施。