山東省石灰?guī)r山地不同混交林改良土壤及減蝕效益評(píng)價(jià)

張如明， 李亦然， 李澤東， 曹 振， 張起利， 張永濤

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站, 山東 泰安, 271018; 2.山東省濰坊市林業(yè)局, 山東 濰坊, 261000)

山東省石灰?guī)r山地總面積約1.50×106hm2，約占全省的面積的 26%[1]，海拔300～900 m，土層瘠薄，土壤厚度在25 cm以下的約占總面積的 80%以上，巖石裸露，立地條件惡劣，造林困難，水土流失嚴(yán)重[2]。自上世紀(jì) 80 年代，為改善生態(tài)環(huán)境，開始大量造林，但因撫育管理不當(dāng)及其他原因[3-4]，導(dǎo)致成活率較低。為充分發(fā)揮已存林分的生態(tài)效益，在早期造林基礎(chǔ)上進(jìn)行了后期補(bǔ)種，形成混交林分，但仍面臨林分結(jié)構(gòu)較差，樹種選擇不當(dāng)，防護(hù)效益不佳。近年來中國(guó)對(duì)石灰?guī)r山地荒山綠化多注重不同立地條件、不同林分密度、不同樹種水土保持效益研究[5]。如王永文等[6]對(duì)尾松混交林林下植被結(jié)構(gòu)及生物量特征研究，李小倩等[7]對(duì)魯中南石灰?guī)r山地針闊混交林土壤理化性狀及水文效益，胡建朋等[8]對(duì)山東石灰?guī)r山地不同林分類型土壤入滲特征研究，劉麗[9]對(duì)濟(jì)南主城區(qū)石灰?guī)r山地公園適生木本植物選擇研究，楊菲等[10]對(duì)魯中南片麻巖低山丘陵針闊混交林蓄水保土效益研究。

人工林作為陸地森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分[11]其在荒山綠化中改善生態(tài)環(huán)境起到較好的作用。提高人工林生態(tài)效益，關(guān)鍵在于選擇優(yōu)良的樹種，配置結(jié)構(gòu)良好的林分，目前國(guó)內(nèi)單從不同林分的生長(zhǎng)狀況、改良土壤理化性狀效益、土壤水文效益、減蝕效益等方面研究不同林分蓄水保土效益的文章較多[7-8，10]，但在石灰?guī)r山區(qū)進(jìn)行不同樹種混交的防護(hù)林進(jìn)行改良土壤效益與土壤減蝕效益綜合評(píng)價(jià)的文章不多見，對(duì)于哪些樹種混交更加適宜石灰?guī)r山地缺乏研究。因此本文擬在適宜石灰?guī)r山地對(duì)混交樹種及其混交林分進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，以期對(duì)造林生產(chǎn)實(shí)踐產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義，發(fā)揮森林改良土壤與減少水土流失等生態(tài)效益，同時(shí)滿足人們對(duì)森林多功能效益的需要[12]，為山東退化石灰?guī)r山地混交林大面積營(yíng)造提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省莒縣浮來山鎮(zhèn)宋家山村、蒙陰縣云蒙湖生態(tài)區(qū)張家樓村黃斗頂、新泰市扒石山3個(gè)地方(118°44′—117°48′E, 35°44′—35°36′N)，海拔高度 185～480 m，土壤種類為褐土，土層厚度 8～50 cm，坡度 8°～28°，巖石為石灰?guī)r，屬于魯中南低山丘陵區(qū)。該示范區(qū)屬暖溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫 12.8 ℃，年最低氣溫-15 ℃，年最高氣溫 39.4 ℃，>10 ℃年有效積溫為 4 195 ℃，年平均日照時(shí)數(shù) 2 450 h，無霜期 195 d，多年平均降水量 773 mm，造林前土壤侵蝕模數(shù)為25 t/(hm2·a)。在山坡上營(yíng)造模型不同類型混交林各 2 hm2，以石灰?guī)r山地傳統(tǒng)林分類型側(cè)柏純林作為對(duì)照。主要物種有：側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、苦楝(Meliaazedarace)、臭椿(Ailanthusaltissima)、皂角(Gleditsiasinensis)、黃荊(Vitexnegundo)、酸棗(Ziziphusjujubevar.spinosa)、連翹(Forsythiasuspensa)、胡枝子(Lespedezabicolor)等灌木、藤本及草本(詳見表1)。

表1 山東省石灰?guī)r山地不同林分類型樹木概況

2 研究方法

2.1 研究材料

本文選取石灰?guī)r山地為研究對(duì)象。研究區(qū)的石灰?guī)r山地立地條件普遍較差，典型的混交模式主要有8類，喬灌混交和針闊混交。喬灌混交類型主要有3種：5 a生側(cè)柏連翹混交林、側(cè)柏山杏混交林(P.orientalis+Armeniacasibirica)和側(cè)柏黃櫨混交林，造林地位于山坡中上部、平均土層厚度25 cm，坡度10°～25°，2005年采用長(zhǎng)×寬×深為0.4 m×0.4 m×0.3 m的穴狀整地，側(cè)柏于同年7月采用容器苗造林，連翹、扶芳藤、山杏和黃櫨于同年9月采用裸根苗造林；針闊混交類型共5種：側(cè)柏五角楓混交林(P.orientalis+Acermonomaxin)、側(cè)柏刺槐混交林、側(cè)柏苦楝、側(cè)柏黃連木混交林(P.orientalis+PistaciachinensisBunge)和側(cè)柏臭椿，造林地位于山坡中上部、平均土層厚度30 cm、坡度15°～25°。2005年采用長(zhǎng)×寬×深為0.7 m×0.5 m×0.4 m的穴狀整地，側(cè)柏于同年7月采用容器苗造林，五角楓、刺槐和黃連木于同年4月采用裸根苗造林。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是進(jìn)行不同混交林林分改良土壤及減蝕效益評(píng)價(jià)的前提條件，而評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的不同直接影響了評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取需要遵循：客觀性、代表性、獨(dú)立性、可比性等原則，盡量減少因指標(biāo)選取不當(dāng)而引起的評(píng)價(jià)結(jié)果的偏離。本文采取調(diào)查研究和目標(biāo)分解相結(jié)合的方法，同時(shí)結(jié)合前人的研究成果[13]，從不同樹種混交林分的改良土壤與減蝕效益兩個(gè)方面選取了13個(gè)重要指標(biāo)，包括：郁閉度、冠幅、樹高、土壤容重、總孔隙度、速效氮、速效磷、速效鉀、土壤飽和貯水量、穩(wěn)滲速率、滲透時(shí)間、土壤減蝕量、枯落物層厚度。具體指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 山東省石灰?guī)r山地不同林分類型評(píng)價(jià)指標(biāo)

注：表中“+”代表正效益指標(biāo)，值越大改良土壤與減蝕效益越好，“-”代表負(fù)效益指標(biāo)，值越大其改良土壤與減蝕效益越差。

2.3 測(cè)定方法

(1) 林木生長(zhǎng)量測(cè)定。在不同樹種混交林分內(nèi)選取標(biāo)準(zhǔn)地，面積均為20 m×20 m,測(cè)定林分郁閉度、冠幅、樹高。

(2) 土壤物理性狀和水文效應(yīng)的測(cè)定。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)均勻選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，用鋁盒在標(biāo)準(zhǔn)地測(cè)點(diǎn)0—10 cm，10—20 cm層取樣，每層3次重復(fù)。用烘干法測(cè)定土壤含水量，用環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算出毛管最大持水量、現(xiàn)有土壤貯水量、土壤飽和貯水量等指標(biāo)。

(3) 土壤氮磷鉀含量測(cè)定。水解氮用堿解擴(kuò)散法，有效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀用火焰光度計(jì)法，全氮用凱氏消煮法，全磷用硫酸—高氯酸溶液—鉬銻抗比色法，全鉀用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法。

(4) 土壤滲透速率。用單環(huán)定量加水法測(cè)定。

(5) 土壤侵蝕量的測(cè)定。用標(biāo)尺法測(cè)定，取3 a土壤侵蝕模數(shù)的平均值。

2.4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

在數(shù)據(jù)運(yùn)用之前統(tǒng)一原始數(shù)據(jù)存在的不同量綱，縮小指標(biāo)間數(shù)量的明顯差異，即進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。本文利用極差法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)

(2)

式中：P——標(biāo)準(zhǔn)化后所得的數(shù)據(jù)；P——某項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；Pmax——某項(xiàng)原始數(shù)據(jù)的最大值；Pmin——某項(xiàng)原始數(shù)據(jù)的最小值。

2.5 改良土壤與土壤減蝕效益評(píng)價(jià)方法

本研究運(yùn)用層次分析法(AHP)對(duì)9種5 a生的不同樹種混交林分類型進(jìn)行評(píng)價(jià)。層次分析法是對(duì)定性問題進(jìn)行定量分析的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則層決策方法。它能把人的過程層次化、數(shù)量化、并運(yùn)用數(shù)學(xué)分析、決策或控制提供定量依據(jù)。

2.5.1 建立不同混交林層次分析評(píng)價(jià)模型 建立一個(gè)好的混交林層次分析模型，是遴選優(yōu)勢(shì)混交樹種的關(guān)鍵。將決策的目標(biāo)、考慮的因素和決策對(duì)象按照它們之間的相互關(guān)系分為最高層，中間層和決策層繪出層次結(jié)構(gòu)圖(如圖1所示)。

2.5.2 構(gòu)建判斷矩陣 首先建立層次分析模型如圖1所示，然后在確定各層次各因素之間的權(quán)重時(shí)，采用相對(duì)尺度，將因素兩兩相比較，構(gòu)建比較判斷矩陣。

為了使各因子Cij之間進(jìn)行兩兩比較得到量化后的判斷矩陣，引入Santy標(biāo)度(詳見表3)。

在建立分析模型后需要對(duì)每層的因子相對(duì)重要性按著標(biāo)度給出判斷賦值(如表4所示)：

其中，Cij=1/Cij(i≠j),且Cij>0；要由矩陣C確定C1，…，Cn對(duì)Bk的權(quán)向量。

圖1 山東省石灰?guī)r山地不同混交林分改良土壤與減蝕效益層次分析評(píng)價(jià)模型表3 Santy標(biāo)度賦值與釋義

值含 義 1表示兩個(gè)因素相比,具有同樣重要性2表示兩個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要5表示兩個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要7表示兩個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要9表示兩個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要2,4,6,8上述兩相鄰判斷的中值倒數(shù)因素i與j比較的判斷Cij,則因素j與i比較判斷的Cji=1/Cij

表4 判斷矩陣

2.5.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

(3)

式中：(CW)i——CW第i個(gè)因子。

(2) 一致性檢驗(yàn)?zāi)芊翊_認(rèn)層次單排序，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，所謂一致性檢驗(yàn)是指對(duì)C確定不一致的允許范圍。一致性檢驗(yàn)首先要計(jì)算出一致性指標(biāo)IC。IC計(jì)算公式為：

(4)

式中：λmax——判斷矩陣的最大特征之值；n——比較矩陣的階數(shù)。

IC=0，有完全的一致性；

IC接近于0，有滿意的一致性；

IC越大，不一致越嚴(yán)重。

當(dāng)階數(shù)n大于2時(shí)，為衡量IC的大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)IR，取值如表5所示，n表示矩陣的階數(shù)[14]。

表5 隨機(jī)一致性指標(biāo)IR取值

當(dāng)RC=IC/IR<0.10時(shí)，即認(rèn)為判斷矩陣C的不一致性程度在允許范圍內(nèi)，具有滿意的一致性，通過一致性檢驗(yàn)，可用其歸一化特征向量作為權(quán)向量，否則就需要調(diào)整判斷矩陣。

3 結(jié)果與分析

通過對(duì)9種不同林分指標(biāo)的分析，可對(duì)這些林分優(yōu)缺點(diǎn)做一個(gè)大致的了解，但是每一類不同林分之間又存在一定的差異，為了綜合比較9種不同林分類型改良土壤與減蝕效益，需要進(jìn)行綜合(AHP)評(píng)價(jià)。

改良土壤與減蝕與減蝕效益是衡量不同樹種混交林林分類型在生長(zhǎng)狀況、改良土壤理化性狀、土壤水文、土壤減蝕效益等方面存在一定的差異。其生長(zhǎng)狀況指標(biāo)包括：郁閉度、冠幅、樹高；改良土壤理化性狀指標(biāo)包括：土壤容重、總孔隙度、速效氮、速效磷、速效鉀；林分土壤水文指標(biāo)包括：土壤飽和貯水量、穩(wěn)滲速率、滲透時(shí)間；土壤減蝕量指標(biāo)包括：土壤減蝕量、枯落物層厚度。具體數(shù)據(jù)如表6—7所示。

表6 石灰?guī)r山地不同樹種混交林分類型改良土壤與減蝕效益指標(biāo)

表7 石灰?guī)r山地不同樹種混交林分類型改良土壤與減蝕效益指標(biāo)

9種不同樹種混交林林分類型改良土壤與減蝕效益指標(biāo)如表6—7所示。

從不同樹種生長(zhǎng)狀況3個(gè)代表性指標(biāo)來講，郁閉度是指森林中喬木樹冠在陽光直射下在地面的總投影面積(冠幅)與此林地(林分)總面積的比，它反映了林分的密度、植被覆蓋度，與改良土壤理化性狀和防止土壤侵蝕密切相關(guān)。其中郁閉度和冠幅較大的是苦楝側(cè)柏混交林，最小的是側(cè)柏純林；樹高代表不同樹種同一時(shí)期生長(zhǎng)高度，反映了土壤肥力等生產(chǎn)潛力，其中刺槐側(cè)柏混交林生長(zhǎng)較高，最低的是側(cè)柏純林，綜合不同混交林林分的生長(zhǎng)狀況可以得出苦楝側(cè)柏混交林和刺槐側(cè)柏混交林表現(xiàn)較好，側(cè)柏純林較差。

從改良土壤理化性狀4個(gè)代表性指標(biāo)來講，土壤容重越小，土壤質(zhì)地越疏松，其蓄水能力，增加降雨入滲，減輕地表徑流沖刷能力越強(qiáng)[15]。其次，土壤的總孔隙度直接影響到土壤的通氣性和透水性[16]和土壤中水、肥、氣、熱及生物活性[17]，且土壤的總孔隙度對(duì)土壤的飽和貯水量、減小地表徑流有重要意義[18]。由表6可知，刺槐側(cè)柏混交林土壤容重最小，山杏側(cè)柏混交林土壤容重最大；從土壤總孔隙度來說，苦楝側(cè)柏混交林最大，側(cè)柏純林孔隙度最小；從土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)來說，其中苦楝側(cè)柏混交林土壤氮磷鉀含量較高，更有利于林分生長(zhǎng)，側(cè)柏純林林下土壤養(yǎng)分含量偏低，說明其改良土壤的能力較小。綜合改良土壤理化性狀四個(gè)指標(biāo)來看，苦楝側(cè)柏混交林和刺槐側(cè)柏混交林表現(xiàn)較好，側(cè)柏純林較差。

同理，從土壤水文效益綜合來講，苦楝側(cè)柏混交林的土壤飽和貯水量、穩(wěn)滲速率、滲透時(shí)間表現(xiàn)較好，側(cè)柏純林表現(xiàn)較差；

從土壤減蝕效益兩個(gè)代表性指標(biāo)來講，不同林分對(duì)土壤侵蝕量存在明顯的差異，其中黃櫨側(cè)柏混交林減少土壤流失效果較好，側(cè)柏純林較差；枯落物層對(duì)減少降雨對(duì)土壤的沖擊起到很好的保護(hù)作用，基本上與土壤減蝕量成正相關(guān)關(guān)系。從表7可以看出，山杏側(cè)柏混交林枯落物層較厚，側(cè)柏純林較薄，從觀測(cè)到的土壤減蝕量結(jié)果也能看出，黃櫨側(cè)柏混交林減蝕效益最好，側(cè)柏純林較差。

為了更好地區(qū)分不同混交林改良土壤與減蝕效益，需要把9種不同混交林改良土壤與減蝕效益指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后帶入AHP軟件，進(jìn)行層次分析，分析結(jié)果如表8所示。

表8 石灰?guī)r山地不同樹種混交林分類型指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重蓄水保土效益得分

按上述方法，求得

經(jīng)表查的IR=0，因此RC=IC/IR=0<0.10表明判斷矩陣的一致性符合要求。

同理，不同樹種混交林林分類型改良土壤與減蝕效益得分結(jié)果如表9所示。

表9 石灰?guī)r山地不同樹種混交林林分類型得分結(jié)果

由表8準(zhǔn)則層判斷矩陣及其權(quán)重可知，在石灰?guī)r山地造林綠化存在困難的情況下，石灰?guī)r山地首先考慮不同樹種混交林分在極其惡劣的立地條件下保證其能夠正常生長(zhǎng)，然后再考慮其改良土壤理化性狀效益、土壤水文效益與土壤減蝕效益，其中生長(zhǎng)狀況權(quán)重為0.519 3，占總權(quán)重比例最大，說明生長(zhǎng)狀況指標(biāo)對(duì)不同林分類型樹種影響較大，反之土壤減蝕效益權(quán)重為0.078 9，占總權(quán)重比例最小，影響較小，其生長(zhǎng)狀況權(quán)重占總權(quán)重的一半多，其中改良土壤理化性狀效益和土壤水文效益權(quán)重為均為0.200 9，說明其對(duì)不同林分類型數(shù)種影響相當(dāng)。

由表9不同樹種混交林分類型得分結(jié)果可知，苦楝側(cè)柏混交林改良土壤與減蝕效益最佳，得分為0.149 1，刺槐側(cè)柏混交林次之，得分為0.145 7，側(cè)柏純林最差，得分為0.051 7，其他混交林得分分別為：黃櫨側(cè)柏混交林0.140 6，臭椿側(cè)柏混交林0.132 8，五角楓側(cè)柏混交林0.105 6，連翹側(cè)柏混交林0.099 4，黃連木側(cè)柏混交林0.089 6，山杏側(cè)柏混交林0.085 4。由表9不同樹種混交林林分類型得分結(jié)果可知，不同混交林林分大小依次排序?yàn)椋嚎嚅瑐?cè)柏混交林>刺槐側(cè)柏混交林>黃櫨側(cè)柏混交林>臭椿側(cè)柏混交林>五角楓側(cè)柏混交林>連翹側(cè)柏混交林>黃連木側(cè)柏混交林>山杏側(cè)柏混交林>側(cè)柏純林。

4 結(jié) 論

(1) 從不同混交林林分類型的生長(zhǎng)狀況、改良土壤理化性狀、土壤水文、土壤減蝕量的指標(biāo)權(quán)重來講，在進(jìn)行荒山綠化時(shí)，生長(zhǎng)狀況對(duì)改良土壤和減蝕效益的影響權(quán)重最大，然后再是其他指標(biāo)。

(2) 對(duì)不同混交林改良土壤與減蝕效益進(jìn)行綜合AHP分析評(píng)價(jià)，苦楝側(cè)柏混交林優(yōu)于其它混交林林分，其次是刺槐側(cè)柏混交林，都優(yōu)于側(cè)柏純林。

綜上所述，在山東省石灰?guī)r山地進(jìn)行荒山綠化時(shí)，兼顧改良土壤及土壤減蝕多功能水土保持效益目標(biāo)，應(yīng)優(yōu)先考慮苦楝側(cè)柏混交林、刺槐側(cè)柏混交林。應(yīng)該對(duì)傳統(tǒng)側(cè)柏純林進(jìn)行林分混交升級(jí)改造。