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  中国水土保持科学   2023, Vol. 21 Issue (2): 47-56.  DOI: 10.16843/j.sswc.2023.02.007
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引用本文 

王作枭, 贾洪文, 麻鑫垚, 李远航, 林莎, 张静, 贺康宁. 青海东部典型人工水源涵养林稳定性比较[J]. 中国水土保持科学, 2023, 21(2): 47-56. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.02.007.
WANG Zuoxiao, JIA Hongwen, MA Xinyao, LI Yuanhang, LIN Sha, ZHANG Jing, HE Kangning. Comparison of stability of typical artificial water conservation forest in eastern Qinghai[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2023, 21(2): 47-56. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.02.007.

项目名称

青海省科技厅科技成果转化专项"祁连山林草植被结构调整与功能提升试验示范"(2020-SF-144)

第一作者简介

王作枭(1994-), 男, 硕士研究生。主要研究方向: 水土保持, 林业生态工程。E-mail: 1838948851@qq.com

通信作者简介

贺康宁(1962-), 男, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 水土保持, 林业生态工程。E-mail: hkn@bjfu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2021-11-02
修回日期：2022-11-20
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
青海东部典型人工水源涵养林稳定性比较
王作枭 1, 贾洪文 2, 麻鑫垚 3, 李远航 1, 林莎 1, 张静 1, 贺康宁 1     
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; 北京市水土保持工程技术研究中心; 林业生态工程教育部工程研究中心: 100083, 北京;
2. 青海省水利水电勘测设计研究院, 810000, 西宁;
3. 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司, 130021, 长春
收稿日期：2021-11-02; 修回日期：2022-11-20
项目名称：青海省科技厅科技成果转化专项"祁连山林草植被结构调整与功能提升试验示范"(2020-SF-144)
第一作者简介：王作枭(1994-), 男, 硕士研究生。主要研究方向: 水土保持, 林业生态工程。E-mail: 1838948851@qq.com
通信作者简介：贺康宁(1962-), 男, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 水土保持, 林业生态工程。E-mail: hkn@bjfu.edu.cn
摘要：青海作为中国的高原水塔，区域内森林能否稳定发挥其水源涵养功能至关重要。研究其林区人工水源涵养林的稳定性，明确限制林分稳定性的主要因子，可为林分结构调控与功能提升提供科学依据。于2019年5—9月在青海省大通县塔尔沟小流域选取6种典型林分作为研究对象，构建稳定性评价指标体系，结合层次分析法和模糊物元法计算各指标组合权重，采用综合评价法进行分析评价。结果表明：1）混交林稳定性整体大于纯林，青海云杉白桦混交林稳定性最好，青杨纯林稳定性最差。2）组合权重结果表明：林分密度、土壤水分和生物多样性是林分稳定的主要限制因子。青海云杉白桦混交林可以作为指导青海东部地区林分功能提升的理想林分。区域植被重建过程中，应通过调整林分结构和密度，增加灌木和草本层的生物多样性，营建复层异龄的针阔混交林，确立科学合理的人工林营建模式。
关键词：水源涵养林    林分类型    林分稳定性    模糊物元法    结构调控    
Comparison of stability of typical artificial water conservation forest in eastern Qinghai
WANG Zuoxiao 1, JIA Hongwen 2, MA Xinyao 3, LI Yuanhang 1, LIN Sha 1, ZHANG Jing 1, HE Kangning 1     
1. School of Soil and Water Conservation, Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation, Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering of Ministry of Education, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
2. Qinghai Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute, 810000, Xining, China;
3. Northeast Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Electric Power Engineering Consulting Group, 130021, Changchun, China
Abstract: [Background] The eastern Qinghai Province is located in the transition zone between the Loess Plateau and the Qinghai-Tibet Plateau, and due to its unique geographical location and natural environmental conditions, the regional forest ecosystem is sensitive and fragile, and once damaged, it is extremely difficult to recover. Meanwhile, Qinghai province is the plateau water tower of China. It is very important whether the forest in the region can play its water conservation function stably for a long time. Study the stability of artificial water conservation forest and clarify the main factors limiting can provide scientific basis for the regulation and function improvement of the forest structure. [Methods] From May to September 2019, the experiment was carried out in the Tagou watershed of Datong county, Qinghai province. Six typical artificial water conservation forest of Picea crassifolia, Populus cathayana, Betula platyphylla, P. cathayana& B. platyphylla, P. crassifolia & B. platyphylla, P. crassifolia & P. cathayana, were selected as research objects. Stand density, soil moisture and other indicators were measured. The stability evaluation index system was constructed from four aspects: forest structure stability, biological stability, resistance stability and functional stability, and the combined weights of each index were calculated by combining the analytic hierarchy method and fuzzy matter element method, and the comprehensive evaluation method was used for analysis and evaluation. [Results] 1) The annual net growth of mixed forests was greater than that of pure forests, and the annual net growth of coniferous pure forests was significantly greater than that of broadleaf pure forests (P < 0.05). 2) The natural regeneration of the mixed forest of P. crassifolia & B. platyphylla, was significantly higher than that of other stand types, and there was no natural regeneration of the P. cathayana pure forest. 3) The soil moisture of P. cathayana was significantly lower than that of other forest (P < 0.05), the soil nutrient content of mixed forest was higher than that of pure forest, the maximum soil nutrient of P. crassifolia & B. platyphylla was 37.77 g/kg. 4) The overall stability of the mixed forest was greater than that of the pure forest. The best stability forests were P. crassifolia & B. platyphylla, and the worst stability forest were P. cathayana. 5) The combined weighting results showed that the weight values of stand density, soil moisture and biodiversity were relatively large. [Conclusions] The most stable stand type in the region is P. crassifolia& B. platyphylla. Stand density, soil moisture and biodiversity were the main limiting factors for stand stability. In the process of vegetation reconstruction, it is necessary to adjust the stand structure and density, increase the biodiversity of shrub and herbaceous layer, and create conifer and broadleaf mixed forest with different age.
Keywords: water conservation forest    forest types    stand stability    fuzzy matter-element model    stand structure adjustment    

林分稳定性的高低是一个群落能否稳定发展的重要体现，是植物群落结构与功能的一个综合性特征，一般包括抵抗力稳定性和恢复力稳定性。它与研究区的森林群落结构、气候、种源和干扰有关[1-2]。正确评价林分稳定性、明确其主要限制因子具有重要意义。目前国内外对稳定性的研究主要集中在种群自我调节、种间竞争协调、生物多样性等方面[3-5]。周梦丽等[6]构建林分空间生产函数，计算得出林分空间结构距离(forest spatial structure distance，FSSD)。于晓文等[7]选取优势树种更新潜力、物种多样性等5个参数构建评价模型评价群落的稳定性。邢存旺等[8]提出以林分的生物学、抵抗力和功能3方面稳定性来评价群落稳定性。

青海省东部黄土地区的人工林主要起源于20世纪80年代及三北防护林和退耕还林还草初期，由于过于追求片面短期的木材经济效益，未能充分考虑当地水资源状况以及造林树种生物学、生态学特性，导致造林多为结构单一的高密度人工纯林。自2002年，西北地区大量人工林划入生态公益林经营管理区，历经多年粗放型封禁管理，林分密度过大，加之缺乏合理的抚育管理，导致大规模林地出现“小老树”、“周期性衰退”，林分稳定性差、生态功能较低等问题，严重威胁该区域森林的可持续发展[9-10]。如何提高人工林的稳定性及其生态功能，是当前迫切需要研究的课题。然而关于青海东部区域人工林稳定性的研究尚不清晰，体系建立不完善，未形成用于指导区域林分结构优化的调整策略。笔者基于前人[11-13]对青海东部地区植被现状与限制性土壤水分因素的研究，结合当地实际情况，并充分考虑专家意见建立评价指标体系，对塔尔沟小流域6种典型林分进行稳定性评价，旨在筛选出最优林分类型，并探讨造成差异的机理，为该地区低效林改造和稳定性的提升提供理论指导。

1 研究区概况

研究区位于青海省大通县塔尔沟林场(E 101°25′~101°42′、N 36°58′~37°08′)，平均海拔2 903.4 m，年平均温度4.9 ℃，年平均日照时间2 605 h，降水集中于6—8月，年平均降水量523 mm，年平均蒸发量1 762.8 mm，降水量是制约该地区林分生长的一个重要因素。主要造林树种有青海云杉(Picea crassifolia)、青杨(Populus cathayana)、白桦(Betula platyphylla)、祁连圆柏(Juniperus przewalskii)、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)等。

2 材料与方法 2.1 数据来源

野外试验于2019年5—9月进行，选取林龄相

近、立地条件相似的云杉、青杨、白桦、青杨+白桦、云杉+白桦、云杉+青杨6种典型林分为研究对象，每种林分类型设置6个24 m×24 m的标准样地，共36个样地(表 1)。

表 1 样地基本信息 Tab. 1 Basic information of sample plots
2.2 林分稳定性体系构建 2.2.1 指标的选取

评价指标的选取是森林稳定性评价的关键，笔者主要参照邢存旺等[8]构建的黄羊滩人工固沙林稳定性评价体系和郭垚鑫[14]提出的秦岭红桦林稳定性评价指标体系，阅读相关文献[6-7, 15]并结合研究区实际情况，建立森林稳定评价指标体系(表 2)。

表 2 森林稳定评价指标体系 Tab. 2 Forest stability evaluation index system
2.2.2 指标的测定及标准化处理

定性指标的调查与转化：定性指标以森林资源规划设计调查技术规程为主，结合研究区实际情况，将评价指标划分等级，定性指标有火灾等级、形态结构和病虫鼠害程度[11, 16-20]。

1) 形态结构分为复杂异龄结构、简单异龄结构、人工同龄结构，分别赋值为1、0.62和0.38。2)病虫鼠害程度分为：轻度，病虫害＜10%，鼠洞＜200洞/hm2；中度，病虫害在10%~20%，鼠洞在200~400洞/hm2；重度，病虫害＞20%，鼠洞＞400洞/hm2，分别赋值为1、0.62和0.38。3)火灾等级为主要树种燃烧等级、坡度、坡向、可达性和平均枝下高这5项亚指标的等级赋值平均值，分为低级火险、中级火险和高级火险，分别赋值为1、0.62和0.38。

定量指标的调查与计算：1)林分密度、郁闭度[21-22]。2)年净生长量N=W/a。式中：N为年净生长量，t/(hm2·a)；W为植物总生物量，t/hm2；a为林分的平均林龄，a。研究区林下灌木和草本生物量较小，因此笔者采用样地内的乔木立木生物量代替植物总生物量[23]。3)林分更新能力用标准地内幼苗数量占树木总株数的比例来代替。4) Hegyi竞争指数[18]。5)土壤水分：用TDR在野外快速测定样地的土壤含水量，并在样地内长期埋设WatchDog土壤水势仪来消除因调查时间造成的土壤水分差异。6)土壤养分：以土壤有机质替代土壤养分，土壤有机质使用NY/T 1121.6—2006进行测定。7)物种多样性：采用Shannon-Wiener多样性指数[17, 23-24]。

2.3 评价方法确定

为消除各个指标量纲不同的影响，笔者采用极值法对指标进行标准化处理。研究区均为人工林，密度普遍较大，林分密度取负相关，郁闭度为中性相关，其他指标均为正相关。林分合理密度取S0=0.7[25]。

采用层次分析法和模糊物元法分别确定各指标的权重[26]，即保留专家的主观意愿，也反映数据本身属性。为使评价结果更加合理，利用组合公式求出2种权重的组合值，偏差最小时偏好参数值最优，故取偏差最小值时的权重作为本文评价指标的最终权重。

采用综合评价法进行稳定性综合评价。综合评分法得分越高，林分稳定性越高，其计算公式如下：

$ Q_i=\sum\limits_{j=1}^n S_{i j} W_jQ_i=\sum\limits_{j=1}^n S_{i j} W_j $ (1)

式中：Qi为第i样地稳定性指数；Sij为第i样地第j指标的标准化得分；Wj为第j指标的权重；j为人工林稳定性评价指标c

采用EXCEL 2010进行数据处理，SPASS 20.0进行显著性分析，Origin 2018进行绘图。

3 结果与分析 3.1 不同林分类型稳定性特征

各林分类型的年净生长量、自然更新和种群竞争指数(图 1)表明，近自然混交林整体的年净生长量大于纯林，针叶纯林的年净生长量显著大于阔叶纯林(P < 0.05)。其中，云杉白桦混交林年净生长量最大为2.90 t/hm2，青杨纯林的年净生长量最小为1.65 t/hm2。云杉白桦混交林林下自然更新显著高于其他林分类型，混交林中白桦青杨混交林林下自然更新最低，青杨林下无自然更新。混交林种群竞争指数整体小于纯林种群竞争指数，与年净生长量呈现出负相关。

不同字母表示差异显著(P < 0.05)，下同。 Different letters in the figure indicate significant differences (P < 0.05), the same as below. 图 1 不同林分类型生物学稳定性 Fig. 1 Biological stabilities of different stand types

各林分类型病虫鼠害程度和火灾等级赋值得分(图 2)表明：近自然混交林的病虫害整体得分显著高于纯林得分(P < 0.05)，其中云杉纯林和青杨纯林的得分最低，病虫害较为严重；火灾等级得分中，针叶纯林得分显著大于阔叶纯林得分(P < 0.05)，整体而言，青海云杉青杨混交林的抵抗力稳定性最好。

图 2 不同林分类型抵抗力稳定性 Fig. 2 Resistance stability of different stand types

各林分类型的土壤水分和养分(图 3)表明：青杨的土壤水分显著低于其他纯林(P < 0.05)，3种混交林之间土壤水分均呈现出显著性差异(P < 0.05)，其中青杨+白桦混交林水分显著低于其他混交林。混交林的土壤养分整体高于纯林，青海云杉+白桦混交林的土壤养分最大为37.77 g/kg，青杨的土壤养分最小为23.55 g/kg，从土壤水分、土壤养分整体分析可知青海云杉+白桦混交林为较优林分。

图 3 不同林分类型功能稳定性 Fig. 3 Functional stability of different stand types

如表 3所示，各林分类型下草本层多样性结果表明：林下草本层生物多样性对水源涵养林功能的发挥起着至关重要的作用。青杨/白桦混交林H值最大(1.82)，显著大于其他林分类型(P < 0.05)，云杉纯林的H值最小(0.79)。

表 3 草本层多样性 Tab. 3 Diversity of herbaceous layer
3.2 林分稳定性综合评价

表 4和表 5分别为层次分析法和模糊物元法所得权重值，组合权重值见表 6。层次分析法结果表明林分结构稳定性和林分功能稳定性最为重要。最终权重显示，林分密度权重最大，郁闭度权重最小，分别为0.174 5和0.005 7。

表 4 层次分析法所得各指标权重 Tab. 4 Weights of each index obtained by analytic hierarchy process
表 5 模糊物元法所得各指标权重 Tab. 5 Weight of each index obtained by Fuzzy matter-element method
表 6 层次分析法和模糊物元法组合权重 Tab. 6 Obtainedweights by combining analytic hierachy process and fazzy matter-element

研究区的林分稳定性指数得分如表 7所示，其中有18个样地综合得分＞0.6为稳定型林分，9个样地的综合评分值＞0.4为中度稳定型林分，9个样地的综合评分值＜0.4为不稳定林分。

表 7 稳定性指数 Tab. 7 Stability index

可见，青海云杉+白桦混交林的稳定性最高，青海云杉+青杨混交林的稳定性稍次之，3种混交林的稳定性均高于纯林；3种纯林中，白桦的稳定性最强，青杨的稳定性最差。因此，青海云杉+白桦混交林、青海云杉+青杨混交林可以作为区域林分结构调整的目标林分。

4 讨论

研究表明结构稳定性中的林分密度是影响林分稳定的重要因素。该地区造林采用用材林的林分结构，林地布局不合理，结构单一，密度普遍偏大，而且大多数的林分缺乏合理的抚育管理，纯林竞争激烈，小老树问题严重，导致当地纯林稳定性偏低。这与朱柱等[11]在对该区域林分健康评价研究中的结果相一致。

从生物学稳定性来看，针叶林的年净生长量显著大于阔叶林，主要因为青杨、白桦都是阔叶树种，林内光竞争强烈，相互抑制生长。青杨林下无自然更新，这主要因为研究区的青杨都通过无性生殖而培育的。树木之间普遍存在的竞争关系影响着树木的生长发育，纯林的种群竞争指数整体大于混交林种群竞争指数，纯林林木的生态生物学特性基本一致，在有限的资源环境容量下，林木之间的竞争显得更加激烈；而混交林具有复层、异龄的结构，可以有效合理利用环境资源[27-28]。

混交林发生的病虫鼠害较纯林少，不同混交方式的病虫害发生情况不同。云杉和青杨纯林的病虫鼠害严重程度显著高于其他林分结构，主要是因为中华鼢鼠喜食云杉根部，杨干透翅蛾喜食青杨叶片，引发树木缩叶病甚至死亡。这分别与闫星达[18]和乔占才等[19]对中华鼢鼠和青杨病虫害研究结论相一致。森林火灾是一种破坏力最大、蔓延速度快的灾害。据统计研究区近年来发生的火灾都是人为引起的火灾。笔者研究的青杨纯林多位于靠近道路的位置，故火灾等级得分偏低。坡度和坡向都影响可燃物的湿度，坡度越陡，水分停留时间越短，可燃物易干燥，反之，林内潮湿，可燃物含水量大；阳坡日照强，温度高，可燃物易干燥，火蔓延快，反之，阴坡火蔓延较慢[17]。笔者发现，阴坡林地的稳定性整体大于半阴坡，与以往研究一致。

林分稳定的不同作用层中，功能稳定性发挥着至关重要的作用。青杨纯林土壤水分显著低于其他林分类型。这与林莎等[12]和张鹏等[13]对区域典型林地土壤水分盈亏状况研究结果一致，原因可能是青杨林耗水严重；针阔混交林的土壤水分大于阔叶混交林土壤水分，这与魏宏征等[29]在甘肃子午岭林的研究结果一致。这可能因为阔叶混交林中林下草本丰富度较大，消耗更多的水分；云杉纯林的土壤水分大于杉桦混交林和杨桦混交林的土壤水分。这与何文华等[30]重庆四面山开展的研究结果不一致，因为青海云杉林下枯落物分解速率较慢，枯落物慢慢积累造成土壤酸化，降低草本生长，且枯落物覆盖会降低土壤蒸发，有利于土壤持水；不同林型的土壤养分和生物多样性表现为混交林显著高于纯林(P < 0.05)，这与郭琦等[31]对杉木人工林林下植被生物量与土壤物理性质研究中的结论相一致。混交可以充分有效利用林地条件，改善林地环境，从而使林下灌木、草本得以更好生长[32]。由综合评价结果表明3种混交林的稳定性均高于纯林；3种纯林中，白桦的稳定性最强，青杨的稳定性最差。

森林的生长是一个连续的过程。其稳定状况的变化也是连续的，不仅受到环境资源的制约，也受到人类活动和经营管理的限制。因此，在现有的资源环境条件下，从人工林稳定性经营的角度出发，建立一套长期合理有效的森林稳定性监测体系是很有必要的。一方面，在后期的造林中应该以营造青海云杉-白桦混交林为主；另一方面，加大对现有人工纯林的树种组成和密度调整，增加灌木草本层物种的多样性，从而弱化林木竞争减少病虫害，充分合理利用空间环境，最终提高各个典型林分的稳定性[33-34]。

由于调查时间限制，所选样地类型有限，只选择当地部分典型的林分类型，并不能包含所有的林分类型。在进一步评价工作中，可以加入圆柏等当地其他的典型树种。

5 结论

1) 林分密度、土壤水分和生物多样性是林分稳定性的主要限制因子，其中林分密度最为重要。这也反映出青海省在退耕还林的过程中，存在着造林密度过大、树种单一等问题。在营林措施中可通过调整林分密度、增加物种多样性，提高林分稳定性。

2) 利用层次分析法和模糊物元法确定指标权重，从而进行综合评价的结果与逐个指标分析结果一致，说明该评价方法合理有效。评价结果显示：6种典型林分中，混交林稳定性整体大于纯林，云杉+白桦混交林的稳定性最好，青杨纯林的稳定性最差。这是由于混交林林分结构复杂，具有完整的群落结构，能更合理地利用光照、养分等资源。可见，林分结构异质性也与林分稳定息息相关。

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