LFA方法在退耕后植被景觀功能評價中的應(yīng)用

武秀娟，李新平

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

黃土高原地區(qū)嚴(yán)重的水土流失，不僅會加劇洪水災(zāi)害，導(dǎo)致河道淤塞，而且還可引起土地資源退化。退耕還林(草)成為恢復(fù)植被、改善生態(tài)的重要措施之一。從1999年開始，北京、天津、山西、河北等25個省(市、自治區(qū))以及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)，共1 897個縣(含市、區(qū)、旗)全面開展了退耕還林(草)工程。工程實施以來，取得了明顯的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。植被覆蓋度穩(wěn)定增加，水土流失面積減少，沙化土地治理初見成效，生態(tài)環(huán)境建設(shè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了顯著變化。當(dāng)前，對其實施依賴的生態(tài)功能做出客觀、準(zhǔn)確的評價是非常必要的，有利于退耕還林工程持續(xù)健康的發(fā)展。

目前，國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)效益評價的方法已有很多，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)主要包括綜合評價方法、專項分析與評價方法、模擬評價法等。但很少有從景觀角度進(jìn)行評價的，并且也缺少快速、簡單、容易掌握的方法。而LFA(landscape function analysis)方法正是一種簡便易行的景觀評價方法。筆者擬利用LFA方法，評價山西省中陽縣退耕還林工程區(qū)項目實施后對林地景觀功能和土壤性能的影響，以期為風(fēng)沙源治理工程的進(jìn)一步實施提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

中陽縣位于山西省西部，呂梁山脈中段兩側(cè)，地理位置 110°50'～111°29'E，37°03'～37°29N.東西寬45 km，南北長47 km，總面積1 441.4 km2.境內(nèi)梁峁起伏，水土流失嚴(yán)重，地勢由東南向西北傾斜。海拔最高2 100 m，最低890 m.屬溫帶大陸性氣候，四季分明，年平均氣溫8℃，極端最高氣溫35.6℃，極端最低氣溫－24.3℃，全年無霜期約160 d.年均降水量454.2 mm，年均蒸發(fā)量1 019.7 mm.全縣有4種土類，以栗褐土為主，占96%.植被以天然松柏針葉林和楊樺柞闊葉林為主，分布有沙棘(Hippohae)、黃刺玫(Uanchu Rosa)等旱生落葉灌木叢和牛筋子(Chionanthus Retusus)、蘆葦(Phragmites Australis)等草本植物。隨著近年林業(yè)建設(shè)力度的加大，全縣幼林地面積比例也隨著增大。營造的主要樹種有油松(Pinus tabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、檸條(Caragana intermedia)等。

2 研究方法

LFA方法是由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院(CSIRO)和澳大利亞國立大學(xué)(ANU)研究創(chuàng)立的一種數(shù)量化景觀評價和監(jiān)測方法。該方法是基于地表水文過程、土壤侵蝕過程、植物生長和養(yǎng)分循環(huán)過程的綜合模型，由概念性框架、實地數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)精簡和制表模塊、解譯性框架4部分組成，其主要功能包括景觀結(jié)構(gòu)特征評價和土壤表層評價。該方法是在傳統(tǒng)植物學(xué)植被監(jiān)測方法中增加了植被結(jié)構(gòu)、組成與土壤功能之間的相互作用后形成的，是通過野外快速采集評價指標(biāo)，在坡面尺度上監(jiān)測或評價植被景觀功能的一種方法。

2.1 景觀結(jié)構(gòu)特征評價

景觀結(jié)構(gòu)特征評價是指根據(jù)資源流失或積累的空間分布特征，用樣線法評價或監(jiān)測研究區(qū)景觀格局和特征的方法。即在有代表性的坡面上，設(shè)置樣線，記錄樣線上斑塊(指一切能夠攔蓄地表水土資源的物體，包括植被、凹陷的地形等)的長度、寬度，非斑塊(指以風(fēng)或水為媒介可自由運(yùn)移水土資源的地帶)的長度，再利用專用程序計算出反映林地景觀功能高低的2個參數(shù)——斑塊面積指標(biāo)和景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)。

斑塊面積指標(biāo)和景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)的計算公式為:

式中:A1——斑塊面積指標(biāo);

Ap——樣線所截斑塊面積的總和，m2;

Am——最大斑塊區(qū)面積(樣線長度×10)，m2;

A2——景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo);

lp——樣線上所截斑塊總長度，m;

ll——樣線長度，m.

A1和A2取值范圍均在0和1之間。A1越大表明斑塊面積占樣線所代表面積的比例越大，A2越大表明沿坡面方向斑塊長度占樣線長度比例越大。這2項指標(biāo)的大小反映了調(diào)查區(qū)區(qū)域景觀功能的高低，景觀功能高的區(qū)域能夠有效保護(hù)水土和有機(jī)質(zhì)等資源。

2.2 土壤表層評價

土壤表層評價是在調(diào)查景觀結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的同時，對樣線上各種斑塊或非斑塊類型進(jìn)行評價。評價內(nèi)容包括地表蓋度、多年生植被覆蓋度、枯落物狀況、隱花植被蓋度、結(jié)皮破碎性、土壤侵蝕類型及程度、沉積物、地表粗糙度、抗干擾能力、崩解系數(shù)、土壤質(zhì)地等11個指標(biāo)。對上述11個指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查后，采用模型提供的程序，計算表征林地土壤性能的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)Sa，反映土壤抗侵蝕脅迫能力及受干擾后自我修復(fù)能力;滲透性指標(biāo)If，反映降水滲入土壤中的能力;養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)Ne，反映有機(jī)物循環(huán)回到土壤的效率狀況。如果這3項指標(biāo)的取值均較高，表明，調(diào)查區(qū)域土壤性能優(yōu)良，不易被侵蝕，水分的下滲強(qiáng)度大，林地植被與土壤的養(yǎng)分循環(huán)活躍。如果某一項指標(biāo)的取值較低，則表明該區(qū)域表層土壤性能在此方面存在缺陷。地表評價的參數(shù)代碼及取值范圍見表1.

表1 地表評價的參數(shù)代碼及取值范圍

土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等3個指標(biāo)的計算原理如下:

假設(shè)某條樣線上斑塊和非斑塊共有n種類型，首先計算第j(1≤j≤n)種斑塊(或非斑塊)被樣線

所截長度之和lj及占樣線長度的比例Pj=lj/ll.

土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo):

滲透性指標(biāo):

養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo):

各式中: i——第i組實例，取值范圍1～5;

分母數(shù)字 ——分子部分各變量最大理論值之和。

調(diào)查區(qū)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)Sa，滲透性指標(biāo)If和養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)Ne的計算公式分別為:

3 結(jié)果與分析

3.1 退耕還林工程區(qū)景觀結(jié)構(gòu)特征評價

按照退耕還林工程在當(dāng)?shù)夭煌瑫r間所栽植林分的差異，選擇2000年栽植的核桃經(jīng)濟(jì)林，2002年栽植的刺槐生態(tài)林和2005年栽植的側(cè)柏生態(tài)林，以棄耕地為對照進(jìn)行植被調(diào)查。每種類型隨機(jī)設(shè)置3條樣線，使用LFA方法進(jìn)行調(diào)查與評價，見表2.

表2 退耕后不同類型植被下景觀結(jié)構(gòu)功能評價

表2是對退耕后不同植被景觀功能參數(shù)的計算，從中可知，A1的順序為:刺槐生態(tài)林＞側(cè)柏生態(tài)林＞核桃經(jīng)濟(jì)林＞棄耕地;A2的順序為:核桃經(jīng)濟(jì)林＞側(cè)柏生態(tài)林＞棄耕地＞刺槐生態(tài)林?？梢姡{(diào)查區(qū)經(jīng)過實施退耕還林工程后，區(qū)域景觀面積指數(shù)明顯提高。斑塊面積指標(biāo)的增大，說明退耕還林地與棄耕地相比，前者可以有效地截留降水，改變和減少雨滴的降落速度和方式，從而減免和削弱雨滴對土壤的濺蝕作用，進(jìn)而可以保護(hù)水土和有機(jī)質(zhì)等資源，起到減少水土流失的作用。刺槐生態(tài)林A2小于棄耕地，原因是刺槐生態(tài)林栽植地即原來的隔坡梯田，其坡面上無法栽植刺槐，多年生草本及地表覆蓋幾乎為0，在本研究中視為裸地，故其形成的景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)偏低。

3.2 退耕還林工程區(qū)土壤表層評價

實施退耕還林后，由于下墊面條件的改變，必然使土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，從而會影響到區(qū)域物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。土壤變化效應(yīng)研究對于區(qū)域水土資源的合理利用和保護(hù)具有重要意義。退耕后不同類型植被下土壤表層評價結(jié)果，見表3.

表3 退耕后不同類型植被下土壤表層評價

從表3可以看出，核桃經(jīng)濟(jì)林的這3項指標(biāo)分別比棄耕地高32.7%，13.1%，21.6%;刺槐生態(tài)林的比棄耕地高33.2%，0.3%，5.8%;側(cè)柏生態(tài)林的比棄耕地高27.7%，1.0%，21.0%.由此可以認(rèn)為，退耕還林后土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)、滲透性指標(biāo)和養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)均優(yōu)于棄耕地。這是由于還林后林地地表植被蓋度增加，地表枯落物量增大，苔蘚、地衣等隱花植物的蓋度也隨之增加所致;且退耕還林后形成的喬、灌、草相結(jié)合的森林生態(tài)系統(tǒng)在改良土壤方面的作用優(yōu)于棄耕地。

對比核桃經(jīng)濟(jì)林、刺槐生態(tài)林和側(cè)柏生態(tài)林的土壤穩(wěn)定性指標(biāo)、滲透性指標(biāo)和養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)可以看出，刺槐生態(tài)林地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)比核桃經(jīng)濟(jì)林和側(cè)柏生態(tài)林的分別高0.3%和4.3%.這是因為刺槐生態(tài)林林分郁閉度高，其形成相對潮濕的小氣候使苔蘚、地衣等隱花植物的蓋度增加，有效地減少了雨水對地表的沖刷，地表幾乎不受侵蝕，地表結(jié)皮完整光滑，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯提升。核桃經(jīng)濟(jì)林土壤滲透性指標(biāo)較其它兩種生態(tài)林高，原因是核桃經(jīng)濟(jì)林中灌木、草本物種多，蓋度大，地表枯落物量大。這些灌草植被根系有效固定了表層土壤，改良了土壤結(jié)構(gòu)，增加了降雨的滲透性和通透性。所以，在草本植物根系、枯落物形成的腐殖質(zhì)層和核桃根系的共同作用下，核桃經(jīng)濟(jì)林地的滲透性指標(biāo)比其它兩種生態(tài)林地高出10%以上。另外，刺槐生態(tài)林與核桃經(jīng)濟(jì)林和側(cè)柏生態(tài)林相比，林下的灌草物種較少，枯落物量少，不利于養(yǎng)分循環(huán)，故刺槐生態(tài)林地的養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)較其它兩種林分低。

4 結(jié)論

1)退耕還林后斑塊面積指標(biāo)高于棄耕地，說明退耕還林地與棄耕地相比，可有效截留降水，改變和減少雨滴的降落速度和方式，從而減免和削弱雨滴對土壤的濺蝕作用，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)水土和有機(jī)質(zhì)等資源，減少水土流失的作用。

2)退耕還林后土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)、滲透性指標(biāo)和養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)均優(yōu)于棄耕地;土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)以刺槐生態(tài)林地最高，滲透性指標(biāo)和養(yǎng)分循環(huán)指標(biāo)均以核桃經(jīng)濟(jì)林地最高。

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