基于模糊物元模型的3種灌木林水源涵養(yǎng)能力評價
——以內(nèi)蒙古黑岱溝露天煤礦排土場為例

張麗娜，許 麗?，秦 儒，史芮嘉，楊宇平

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，010018，呼和浩特；2.內(nèi)蒙古巴彥淖爾市水土保持工作站，015000，內(nèi)蒙古巴彥淖爾；3.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市水土保持工作站，017000，內(nèi)蒙古鄂爾多斯)

水源涵養(yǎng)能力是評價林地生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)良狀況的重要指標(biāo)[1]，枯落物層和土壤層的持水能力又是評價林地水源涵養(yǎng)功能的重要環(huán)節(jié)[2]?？萋湮飳泳哂薪爻纸邓r蓄地表徑流、減少表層土壤水分蒸發(fā)等水土保持功能，并通過改善土壤結(jié)構(gòu)提高土壤滲透性。降水通過土壤層下滲，除供植物吸收和地表蒸發(fā)，其余蓄存于土壤層或形成地下徑流匯入溪流等，表現(xiàn)出林地涵養(yǎng)水源功能[3-4]。在礦區(qū)排土場復(fù)墾中，通過造林種草等植被重建方式恢復(fù)和改善其生境，林地水源涵養(yǎng)功能是復(fù)墾效益的重要體現(xiàn)。目前，有關(guān)枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)能力及其評價的研究多集中于不同立地類型[5-6]和林分類型[7-8]的森林生態(tài)系統(tǒng)中，對于環(huán)境特殊的礦區(qū)較少[9]。對于本研究礦區(qū)典型灌木林水源涵養(yǎng)功能的文獻(xiàn)未見報道，僅有對該礦區(qū)枯落物生態(tài)化學(xué)計量特征[10]和土壤水分垂直特征[11]的研究。許多學(xué)者運用層次分析法[12]、綜合分析法[7]、水分平衡法[13]以及TOPSIS法[14]等對林地的水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行評價，近期曾建軍等[2,15]又將模糊物元模型應(yīng)用到森林水源涵養(yǎng)能力評價中，且基于模糊物元模型的水源涵養(yǎng)能力評價被認(rèn)為是一種簡單、直接、科學(xué)的方法[2,15-16]。筆者在對黑岱溝煤礦排土場人工建植的3種典型灌木林水源涵養(yǎng)能力評價指標(biāo)定性研究的基礎(chǔ)上，建立其評價指標(biāo)體系，并基于各評價指標(biāo)的實測數(shù)據(jù)，運用歐式貼近度模糊物元模型進(jìn)行其水源涵養(yǎng)能力評價，為排土場復(fù)墾效益評價及樹種選擇提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦排土場位于準(zhǔn)格爾旗薛家灣鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)E111°13′～111°21′，N39°25′～39°49′。屬中溫帶半干旱大陸性氣候，海拔1 256 m，年均降水量為408 mm[17]；地形地貌為黃土丘陵溝壑區(qū)；礦區(qū)排土場呈多階平臺狀，土壤類型為黃綿土，養(yǎng)分含量低；植被屬暖溫型草原帶，天然植被低矮稀疏[18]，以本氏針茅(Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)等為主；排土場人工建植植被有檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙地柏(Sabinavulgaris)、山杏(Prunusarmeniaca)和紫花苜蓿(Medicagosativa)等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與取樣

調(diào)查取樣于2016年8月進(jìn)行，在排土場同一平臺，選擇復(fù)墾年限均為15年、生境條件相近、長勢良好、株行距為3 m×3 m的檸條錦雞兒、沙地柏、山杏3種典型灌木林，各設(shè)置3個20 m×10 m樣地，測定樣地內(nèi)灌木樹高、地徑和冠幅，記錄植被總蓋度；在每個樣地以對角線形式設(shè)定9個1 m×1 m小樣方，記錄草本蓋度及種類，測量草本高度和枯落物厚度，用全部收獲法取枯落物樣；在每個樣地內(nèi)設(shè)3個土壤剖面，分0～10 cm和10～20 cm 2層取樣，每層3個重復(fù)。樣地概況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 測定方法

枯落物蓄積量及其持水特征采用浸水法、烘干法[4,19-20]測定；土壤物理性質(zhì)及其持水特征采用環(huán)刀法[4-6,10]測定。

2.3 評價體系與方法

2.3.1 評價指標(biāo)體系 根據(jù)對林地水源涵養(yǎng)作用影響因子的定性分析以及相關(guān)研究[2,12,15]，建立本研究灌木林水源涵養(yǎng)能力評價指標(biāo)體系：枯落物層包括枯落物厚度、蓄積量、最大持水量、自然含水率、有效攔蓄量和有效攔蓄率；土壤層包括土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水量、毛管持水量、有效攔蓄量和自然含水率。

2.3.2 評價方法 1)模糊物元概念。在物元分析理論中[16,21-23]，以有序三元組(事物M、特征C、模糊量值u)作為描述事物的基本元，簡稱物元R，其表達(dá)式為R=(M，C，u)。因評價分析時C是定性的，u的準(zhǔn)確值無法確定，故稱u具有模糊性，且R為模糊物元。

式中：R為研究區(qū)3種灌木類型15維復(fù)合模糊物元；Mi為第i種灌木類型，i=1，2，…，m，m=3；Cj為第j個評價指標(biāo)，j=1，2，…，n，n=15；uij為第i種灌木類型第j個指標(biāo)對應(yīng)的模糊量值。

2)從優(yōu)隸屬度原則。各單項評估指標(biāo)相對應(yīng)的模糊量值的隸屬程度，稱為從優(yōu)隸屬度[16,21-23]。除土壤密度越小越優(yōu)型外，其余14個指標(biāo)均為越大越優(yōu)型，求得目標(biāo)優(yōu)屬度模糊物元R1。

越大越優(yōu)型

uij=(xij-xminij)/(xmaxij-xminij)；

(1)

越小越優(yōu)型

uij=(xmaxij-xij)/(xmaxij-xminij)。

(2)

式中：xij為第i個灌木類型第j個指標(biāo)對應(yīng)的量值；xmaxij、xminij為某灌木類型第j個指標(biāo)所對應(yīng)的所有量值中的最大值和最小值。

3)差平方模糊物元。差平方模糊物元R3由標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R2(u0j=1.0)與R1各項差的平方求得，其中，Δij=(u0j-uij)2。

4)評價指標(biāo)權(quán)重及歐式貼近度 采用變異系數(shù)法確定各評價指標(biāo)權(quán)重[16,21-23]；歐式貼近度表示各評價方案與最優(yōu)評價方案之間的貼近程度，歐式貼近度越大，灌木林的水源涵養(yǎng)能力越強。由公式依次得到評價指標(biāo)權(quán)重模糊物元R4及歐式貼近度模糊物元R5：

(3)

(4)

(5)

3 評價結(jié)果與分析

3.1 枯落物蓄積量及持水特性

灌木林植被的物種組成與生長狀況不同，致使其林下枯落物的厚度、蓄積量以及持水特性存在較大差異。由表2可知，3種灌木類型林下枯落物的厚度和蓄積量的變化范圍分別為0.83～1.08 cm和2.42～3.82 t/hm2?？萋湮镒畲蟪炙?、最大持水率、有效攔蓄量和有效攔蓄率均表現(xiàn)出沙地柏>檸條錦雞兒>山杏的規(guī)律，而枯落物自然含水率卻呈現(xiàn)沙地柏(21.31%)>山杏(12.75%)>檸條錦雞兒(11.75%)的變化規(guī)律?？萋湮飳痈鞒炙卣髦笜?biāo)值均表現(xiàn)為沙地柏林最大。

3.2 土壤物理性質(zhì)及持水特性

土壤發(fā)育狀況影響著土壤的容重和孔隙度，從而導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)存在差異性。由表2可知，3種灌木類型林下土壤密度表現(xiàn)出檸條錦雞兒(1.50 g/cm3)>沙地柏(1.44 g/cm3)>山杏(1.43 g/cm3)的規(guī)律，且土壤總孔隙度和毛管孔隙度均呈現(xiàn)沙地柏>山杏>檸條錦雞兒的順序，即沙地柏和山杏對土壤的改良效果較好。土壤孔隙度的變化規(guī)律與其對應(yīng)含水量的變化規(guī)律一致，3種灌木林土壤飽和持水量、毛管持水量、有效持水量和自然含水率的變化范圍分別為：792.53～882.13 t/hm2，748.27～825.70 t/hm2，44.27～58.47 t/hm2，9.67%～9.96%。土壤層除密度、非毛管孔隙度和有效持水量外，各項指標(biāo)值也均表現(xiàn)為沙地柏林最優(yōu)。

表2 3種灌木林水源涵養(yǎng)能力評價指標(biāo)值

3.3 水源涵養(yǎng)能力綜合評價

將表2中數(shù)據(jù)帶入表達(dá)式R，得到3種灌木林水源涵養(yǎng)能力復(fù)合模糊物元R，根據(jù)上述評價方法依次求得R1-R5。

由R5可知，3種灌木林評價方案的歐式貼近度大小順序為：沙地柏(0.869 3)>山杏(0.202 7)>檸條錦雞兒(0.151 8)。歐式貼近度越大，表明其評價方案越接近最優(yōu)方案，即該灌木林水源涵養(yǎng)能力越強。通過3種灌木林歐式貼近度大小順序看出，該研究區(qū)沙地柏灌木林的水源涵養(yǎng)能力最強，山杏次之，檸條錦雞兒較差；因此，在該研究區(qū)排土場植被重建中，從林地水源涵養(yǎng)能力的角度考慮，可優(yōu)先選擇沙地柏和山杏。

4 討論

4.1 枯落物蓄積量及持水特性

本研究3種人工復(fù)墾灌木林下枯落物厚度、蓄積量的變化范圍分別為0.83～1.08 cm、2.42～3.82 t/hm2，這與呂剛等[24]在阜新露天煤礦排土場研究結(jié)果相近。3種灌木類型枯落物最大持水量在5.44～8.47 t/hm2之間變化，這與呂剛等[24]所得紫穗槐的最大持水量106.32 t/hm2相差較大，其原因可能與枯落物蓄積量相差較大有關(guān)，趙芳等[4]和施爽等[25]的研究也證明蓄積量與持水能力呈正相關(guān)。3種灌木林枯落物有效攔蓄率在176.92%～214.14%范圍內(nèi)變化，大于呂剛等[24]對紫穗槐的研究結(jié)果119.74%，這可能與取樣時間(4月和8月)相差較大有關(guān)。

4.2 土壤物理性質(zhì)及持水特性

本研究3種灌木林地土壤密度的變化范圍為1.43～1.50 g/cm3，這與呂春娟[9]對平朔礦區(qū)排土場檸條林地的研究結(jié)論相近。與嚴(yán)重壓實的新造平臺密度[26]1.6～1.9 g/cm3相比，3種灌木林對排土場土壤密度已有較大改善。3種灌木類型林下土壤孔隙度及其持水量的大小順序均為沙地柏>山杏>檸條錦雞兒，與相關(guān)研究結(jié)果[1]一致。

5 結(jié)論

1)3種灌木林枯落物層水源涵養(yǎng)能力的大小順序為沙地柏>檸條錦雞兒>山杏。

2)3種灌木林土壤層水源涵養(yǎng)能力強弱順序為沙地柏>山杏>檸條錦雞兒。

3)由3種灌木林歐式貼近度大小順序沙地柏(0.869 3)>山杏(0.202 7)>檸條錦雞兒(0.151 8)可知，該研究區(qū)沙地柏灌木林的水源涵養(yǎng)能力最強，山杏次之，檸條錦雞兒較差。該排土場在生態(tài)修復(fù)評價及樹種選擇時，可優(yōu)先選擇沙地柏。