基于熵權(quán)法評(píng)價(jià)調(diào)控林凋落物層水文特性
——以貴州馬尾松林和5種闊葉樹(shù)調(diào)控林為例

張薰元, 周運(yùn)超, 白云星, 杜姣姣

(貴州大學(xué)貴州省森林資源與環(huán)境研究中心/貴州省高原山地林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/林學(xué)院, 550025,貴陽(yáng))

在全球水資源匱乏及氣候變化的大環(huán)境趨勢(shì)下, 凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的組成部分之一, 不僅關(guān)系森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平, 還在涵養(yǎng)水源、減少地表徑流和降雨濺蝕等方面影響著森林水文循環(huán)過(guò)程[1-2]。森林凋落物層疏松多孔的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其吸水、透水能力強(qiáng)[3], 覆蓋在森林地面增加粗糙度并減緩?fù)寥罏R蝕[4], 因此凋落物層的水文特性在森林土壤水源涵養(yǎng)和林間水土保持過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[5]。

目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)凋落物層的研究[6-7]多涉及凋落物量、養(yǎng)分歸還、典型樹(shù)種凋落物水源涵養(yǎng)、凋落物層與森林土壤層關(guān)系等方面。針葉林內(nèi)通過(guò)闊葉樹(shù)種調(diào)控改變凋落物組分在提高森林生態(tài)功能和生物多樣性等方面具有重要意義。但在已有的研究中，由于樹(shù)種差異導(dǎo)致針闊混交林與純林之間水文特性存在不確定性[8]，且多數(shù)研究基于同年?duì)I造的混交林和純林[9]。雖然對(duì)針葉人工純林進(jìn)行大規(guī)模的闊葉化改造可能會(huì)改變森林水文效應(yīng)，但與此相關(guān)的凋落物層水文差異性研究較少。此外，鑒于現(xiàn)階段我國(guó)通過(guò)林分改造來(lái)提高人工林生態(tài)功能已成為重要的研究方向[10], 選取適合的評(píng)價(jià)方法來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重來(lái)比較純林與調(diào)控林水文特性的差異[11], 仍需要進(jìn)一步深入研究。

馬尾松林在南方水土保持林中面積占比較大, 其純林隨著林齡增長(zhǎng), 林下土壤流失[12], 水土流失嚴(yán)重是馬尾松林經(jīng)營(yíng)中亟待解決的問(wèn)題, 常通過(guò)改造林分的方式緩解馬尾松人工林生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象[13-14], 但通過(guò)不同樹(shù)種調(diào)控改造林分后, 對(duì)調(diào)控林和未調(diào)控林之間凋落物層水文特性的差異研究不多。為此在貴州省龍里林場(chǎng)馬尾松人工林中, 選取不同鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種調(diào)控后的馬尾松人工林與未經(jīng)調(diào)控的馬尾松純林作為研究對(duì)象, 通過(guò)熵權(quán)法客觀地對(duì)凋落物層水文特性進(jìn)行綜合評(píng)分, 擬探究闊葉調(diào)控措施對(duì)馬尾松人工林凋落物水文特性的影響，明晰樹(shù)種特性對(duì)凋落物水文功能的影響，以期為馬尾松水土保持林闊葉化改造提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域及6個(gè)研究樣點(diǎn)設(shè)在貴州省黔南州龍里縣國(guó)有林場(chǎng)哨上分場(chǎng)(E 106°45′～107°15′, N 26°10′～26°49′)內(nèi)(圖1),林區(qū)屬于苗嶺山脈中段,平均海拔1 150 m，年均氣溫15 ℃，氣候?qū)僦衼啛釒睾蜐駶?rùn)型，年降水量1 184.17 mm，年均相對(duì)濕度77%，土壤類(lèi)型以黃壤為主,植被以馬尾松(Pinusmassoniana)、油茶(Camelliaoleifera)、深山含笑(Micheliamaudiae)、連香(Cercidiphyllumjaponicum)、桂南木蓮(Manglietiachingii)、伯樂(lè)(Bretschneiderasinensis)、濕地松(Pinuselliottii)、紅豆杉(Taxuschinensis)、繅絲花(Rosaroxburghii)等為主。

圖1 野外樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of field sample plots

在研究區(qū)內(nèi), 于1957年通過(guò)飛播營(yíng)造大面積馬尾松人工林, 并在2004年對(duì)部分馬尾松純林(樣點(diǎn)1)進(jìn)行闊葉樹(shù)種調(diào)控實(shí)驗(yàn), 迄今為止已有15年的調(diào)控林為馬尾松+伯樂(lè)(樣點(diǎn)2)、馬尾松+桂南木蓮(樣點(diǎn)3)、馬尾松+連香(樣點(diǎn)4)、馬尾松+深山含笑(樣點(diǎn)5)和馬尾松+油茶(樣點(diǎn)6)；各調(diào)控林樹(shù)種基本特性見(jiàn)表1。

表1 調(diào)控闊葉樹(shù)種基本特性Tab.1 Basic characteristics of control broad-leaved tree species

2 研究方法

2.1 凋落物樣品收集

于2019年10月在實(shí)驗(yàn)地選長(zhǎng)期無(wú)人為活動(dòng)干擾、立地條件基本一致的馬尾松人工林作為實(shí)驗(yàn)研究及采樣區(qū)域,在實(shí)驗(yàn)的6種林分中,對(duì)樣地內(nèi)樹(shù)木胸徑、樹(shù)高、冠幅等指標(biāo)測(cè)定后(表2),在各林分中各布設(shè)3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中設(shè)置上、中和下3個(gè)坡位，每個(gè)坡位中劃出3個(gè)0.5 m×0.5 m的樣方進(jìn)行林冠下凋落物樣品收集, 凋落物收集區(qū)分未分解層(undecomposed litter, OL)和半分解層(semi-decomposed litter, OF),現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)電子天平(精確到0.01 g)記錄鮮質(zhì)量(m1)，直尺測(cè)量凋落物未分解層和半分解層厚度(d)后分別裝入塑料袋并帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。每個(gè)坡位樣方重復(fù)3次, 共收集162袋凋落物。此外, 為得到凋落物器官密度和葉面積與持水量的關(guān)系，在每種類(lèi)型林分地表采用5點(diǎn)采樣法，收集單獨(dú)的、未分解的落葉、落果和落枝各20 g作為凋落物樣品, 每個(gè)樣地重復(fù)3次, 共計(jì)收集凋落物器官54袋。

表2 樣地基本立地條件Tab.2 Basic site conditions of sample land

2.2 室內(nèi)測(cè)定

采用室內(nèi)靜水浸泡實(shí)驗(yàn)法測(cè)定凋落物水文特性。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,烘箱80 ℃烘12 h至恒質(zhì)量,記錄樣品干質(zhì)量(m2),以計(jì)算凋落物現(xiàn)存量。將收集的凋落物樣品裝入已知質(zhì)量的尼龍網(wǎng)袋(100目尼龍材質(zhì)),完全浸入裝有清水的容器中分別浸泡0.08、0.33、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00和24.00 h后取出,懸在空中靜止直至不滴水為止,迅速稱(chēng)出濕質(zhì)量(mt),每個(gè)濕質(zhì)量數(shù)據(jù)重復(fù)3次。收集的20 g凋落物葉采用葉面積測(cè)定分析儀測(cè)出平均葉面積，來(lái)表示各林型每20 g凋落物葉的平均面積。用排水法測(cè)出凋落物枝、果的器官密度[15],并對(duì)20 g凋落物器官樣品做最大持水量測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合野外及室內(nèi)測(cè)定的鮮質(zhì)量(m1)、干質(zhì)量(m2)、濕質(zhì)量(mt)、浸泡時(shí)間t計(jì)算凋落物生態(tài)水文特征值[16-18]。

(1)

式中：CR為凋落物持水率，%；mt為t時(shí)間的濕質(zhì)量，g;m2為干質(zhì)量，g。

(2)

式中St為凋落物吸水率，%。

(3)

式中：R為有效攔蓄率，%；Cm為24 h時(shí)的持水率，%;m1為鮮質(zhì)量，g;m2為干質(zhì)量，g。

2.4 評(píng)價(jià)分析方法

基于熵權(quán)法對(duì)馬尾松林的水文特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。各指標(biāo)利用熵值計(jì)算權(quán)重,熵值越小,信息量越大,對(duì)評(píng)價(jià)的重要性越大[11]。選取凋落物現(xiàn)存量、厚度、葉面積、持水率、吸水率、器官密度及有效攔蓄率作為水文特性評(píng)價(jià)指標(biāo),基本計(jì)算步驟如下：1)對(duì)異質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行同質(zhì)化處理；2)根據(jù)離散程度確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；3)計(jì)算各樣本的綜合得分。

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 19軟件進(jìn)行分析處理,圖像結(jié)合Origin和Excel進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同調(diào)控林凋落物層的水文特性

3.1.1 不同調(diào)控林凋落物層現(xiàn)存量及組分情況 不同林型凋落物層組分及現(xiàn)存量存在差異，凋落物層現(xiàn)存量范圍為6.34～8.62 t/hm2, 從大到小排序?yàn)镸L>BL>CL>SSHX>LX>YC(圖2)。不同樹(shù)種凋落物層中葉組分比例最大(P<0.05)，其范圍為61%～77%,其中ML的凋落物中葉的比例最大為77%,YC葉的比例最小為61%,與現(xiàn)存量大小變化一致；除SSHX外,其余林分凋落物組成所占比例均是葉的比例最大，枝的比例最小。

各林型中凋落物層厚度大小變化為：SSHX>BL>YC>ML>CL>LX，均表現(xiàn)為未分解層厚度大于半分解層厚度(表3)，CL凋落物層未分解層厚度是半分解層厚度的3.07倍；凋落物層現(xiàn)存量占比也表現(xiàn)為未分解層明顯大于半分解層，未分解層占總現(xiàn)存量比例的變化范圍是66%～77%，其中BL的未分解層占比與半分解層占比差距最大；在各林分中，未分解層的凋落物現(xiàn)存量大于半分解層。

表3 不同林型下凋落物層厚度及現(xiàn)存量Tab.3 Litter layer thickness and inventory under different forest types

碎屑為除去枝、葉、果之外的凋落物殘?jiān)幌峦?。Debris is the residue of litters apart from branches，leaves and fruits. The same below.圖2 不同林型凋落物層組分情況Fig.2 Compositions of litter layers under different forest types

相同質(zhì)量下，凋落物葉面積、各器官密度均與其最大持水量之間呈顯著關(guān)系(P<0.05)。隨著凋落物平均葉面積增大，其最大持水量也隨之增大，呈冪函數(shù)關(guān)系，且相同質(zhì)量下，純林凋落物葉面積(特指收集的20 g凋落物的平均葉面積)最大，這是因?yàn)橄嗤|(zhì)量下針葉數(shù)量較闊葉多。相同質(zhì)量下，凋落物器官最大持水量隨著密度增加而減小，呈線性函數(shù)關(guān)系(圖3)。

圖3 葉面積、密度與最大持水量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between leaf area, density and maximum water-holding capacity

3.1.2 不同調(diào)控林凋落物層吸水動(dòng)態(tài)過(guò)程 由圖4可知,不同凋落物分解層吸水速率均隨著浸水時(shí)間的增加而逐漸減少，最后趨于平緩,與浸水時(shí)間之間呈冪函數(shù)關(guān)系(表4)。在浸水5 min(0.08 h)時(shí),不同林型凋落物的半分解層與未分解層的吸水速率均為最高,隨后速率急劇下降,4 h之后吸水速率下降緩慢,8 h后吸水速率基本保持平緩不變。半分解層吸水速率維持在0.003 1%～0.669 2%的范圍內(nèi),未分解層吸水速率變化范圍在0.006 4%～2.093 1%內(nèi)；半分解層吸水速率呈現(xiàn)SSHX>ML>BL>LX>CL>YC, 未分解層吸水速率呈現(xiàn)CL>BL>SSHX>ML>LX>YC，其中凋落物材質(zhì)為革質(zhì)的BL、SSHX和ML未分解層吸水速率大于肉質(zhì)葉的LX。綜上：同一林型, 其凋落物半分解層吸水速率低于未分解層吸水速率。

圖4 半分解層、未分解層吸水率與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between water absorption rate and soaking time of semi-decomposed layer and undecomposed layer

3.1.3 不同調(diào)控林凋落物層持水動(dòng)態(tài)過(guò)程 不同調(diào)控林型馬尾松人工林的最大持水量和最大持水率均有差異, 但從圖5中可明顯看出未分解層的最大持水量和最大持水率均大于半分解層。各調(diào)控林型凋落物最大持水量大小排序?yàn)镸L>BL>CL>SSHX>LX>YC；最大持水率大小排序?yàn)镾SHX>LX>CL>BL>ML>YC。除YC凋落物的最大持水量和最大持水率均最低外, 其余調(diào)控林凋落物最大持水量與最大持水率大小排序不同。

圖5 不同林型凋落物層最大持水量和最大持水率Fig.5 Maximum water-holding capacity and maximum water-holding rate of litters in different forest types

由圖6可知, 6種林型凋落物半分解層與未分解層持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系變化一致, 隨著浸水時(shí)間增加持水率而不斷增加, 呈對(duì)數(shù)關(guān)系(表4)。凋落物持水率在1 h內(nèi)持水最快,浸水1 h半分解層持水量均小于未分解層持水量,半分解層持水量可達(dá)到最大持水量的75%以上：SSHX(80.13%)>BL(78.60%)>CL(78.33%)>ML(76.84%)>YC(76.36%)>LX(75.15%)；未分解層持水量可達(dá)到最大持水量的78%以上：BL(82.92%)>SSHX(82.84%)>ML(82.73%)>CL(82.33%)>YC(80.22%)>LX(78.30%)。調(diào)控林型為YC和LX時(shí),凋落物半分解層和未分解層的持水率均較低, 其中LX為最低。凋落物層持水率在整體上表現(xiàn)出未分解層高于半分解層。

圖6 半分解層、未分解層持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between water-holding rate of semi-decomposed layer and undecomposed layer and soaking time

3.1.4 不同調(diào)控林凋落物層攔蓄能力 由表4可知, 同一分解層、不同調(diào)控林型凋落物層有效攔蓄量不同：凋落物半分解層有效攔蓄量范圍為213.74～414.25 t/hm2, 大小順序?yàn)镸L>LX>SSHX>CL>YC>BL, 其中, ML凋落物半分解層有效攔蓄量最大(414.25 t/hm2),BL凋落物半分解層有效攔蓄量最小(213.74 t/hm2)；未分解層有效攔蓄量范圍為941.61～2 415.01 t/hm2,大小順序?yàn)锽L>ML>CL>SSHX>LX>YC,其中,BL凋落物未分解層有效攔蓄量最大(2 415.01 t/hm2), 這與BL凋落物半分解層有效攔蓄量最小的結(jié)果相反, 未分解層中YC凋落物的有效攔蓄量最小(941.61 t/hm2)。同一調(diào)控林型、不同分解層凋落物有效攔蓄率也不同, 但整體上呈現(xiàn)出半分解層有效攔蓄量遠(yuǎn)小于未分解層有效攔蓄量。有效攔蓄率大小順序除YC與未分解層有效攔蓄量一樣最低外, 其余調(diào)控林型有效攔蓄率的大小順序與有效攔蓄量不同。

表4 凋落物不同分解層水文指標(biāo)與浸水時(shí)間關(guān)系式

3.2 不同調(diào)控林型凋落物層水文特性綜合評(píng)價(jià)

為了更科學(xué)、更直觀地評(píng)價(jià)調(diào)控林凋落物層持水能力, 選取不同林型、不同分解層的凋落物層現(xiàn)存量、厚度、葉面積、持水率、吸水率及有效攔蓄率作為水文特性評(píng)價(jià)正項(xiàng)指標(biāo), 凋落物器官密度作為負(fù)向指標(biāo), 通過(guò)熵權(quán)法進(jìn)行綜合評(píng)分。結(jié)果表明,各指標(biāo)權(quán)重值排序?yàn)榈蚵湮锲鞴倜芏?現(xiàn)存量>有效攔蓄率>最大持水率>最大吸水率>厚度>葉面積。

從凋落物持水能力綜合評(píng)分結(jié)果得出(表6)，凋落物未分解層排序?yàn)锽L>ML>CL>SSHX>LX>YC;半分解層排序?yàn)镸L>LX>SSHX>CL>BL>YC。綜上,不同調(diào)控林型中凋落物未分解層水文特性普遍優(yōu)于半分解層；相比其他林型，YC凋落物無(wú)論是未分解層還是半分解層，凋落物層水文特性評(píng)分均最低。各林型中凋落物層水文特性評(píng)分高低為ML>BL>CL>SSHX>LX>YC。

表6 不同林型中不同分解層凋落物持水能力綜合評(píng)分Tab.6 Comprehensive scores of water-holding capacity oflitters in different decomposed layers indifferent forest types

4 討論

不同樹(shù)種調(diào)控后的凋落物會(huì)造成凋落物層水文特性的差異。凋落物的水文特性是凋落物層持水、蓄水能力的綜合反映, 是森林凋落物水文特性分析評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一[16], 吸水、持水及攔蓄指標(biāo)三者的大小會(huì)影響到森林水文生態(tài)功能的判斷[17]。通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算得知, 有效攔蓄率、最大持水率和最大吸水率在凋落物水文特性評(píng)價(jià)中所占權(quán)重居中(表5), 不同林型凋落物最大持水率不同, 但LX和SSHX在持水率上優(yōu)勢(shì)盡顯, 可能是因?yàn)檫B香葉呈近圓形, 葉肉質(zhì)較其余革質(zhì)葉片可持大量水分, 深山含笑葉型呈長(zhǎng)圓狀橢圓形, 平均葉面積較大, 從而持水量大, 符合大面積的葉片持水量大、持水優(yōu)勢(shì)明顯的研究結(jié)果[18]。本研究中各林型吸水速率與有效攔蓄率變化一致, 均表現(xiàn)為半分解層明顯低于未分解層, 這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果存在差異[19]，其原因可能是半分解層由于內(nèi)部分解透徹，較未分解層更為破碎，空隙過(guò)多而降低了持水能力，故吸水速率與有效攔蓄率弱于未分解層；此外，調(diào)控樹(shù)種的凋落葉大多為革質(zhì)葉(表2), 相同質(zhì)量下未分解層厚度大、現(xiàn)存量較多, 而在水文效應(yīng)評(píng)價(jià)中，現(xiàn)存量所占權(quán)重大于有效攔蓄率、最大持水率和最大吸水率, 因此存在未分解層水文特性?xún)?yōu)于半分解層的現(xiàn)象[20]。因此，調(diào)控林型中凋落物未分解層現(xiàn)存量及厚度較大的ML和BL凋落物水文特性比CL凋落物水文特性表現(xiàn)好。

表5 各指標(biāo)信息熵值和權(quán)重值Tab.5 Information entropy and weight of each indicator

不同調(diào)控樹(shù)種特性在森林水文循環(huán)過(guò)程有著不可忽視的作用, 是影響森林凋落物層水文特性的重要因子之一。通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重可看出, 不同持水能力指標(biāo)在凋落物層持水能力綜合評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重不同, 調(diào)控樹(shù)種特性在森林水文循環(huán)過(guò)程中影響著凋落物的水源涵養(yǎng)功能。不同樹(shù)種導(dǎo)致凋落物的組成不同[21], 通過(guò)闊葉樹(shù)種調(diào)控, 馬尾松人工林中凋落物組成變復(fù)雜, 在本研究中, 經(jīng)過(guò)鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)調(diào)控后的馬尾松人工林均為針闊混合葉, 與未調(diào)控的馬尾松純林中針葉凋落物相比, 調(diào)控林型凋落物器官密度和平均葉面積與未調(diào)控的馬尾松純林不同, 凋落物器官密度在水文特性評(píng)價(jià)中作為唯一的一個(gè)負(fù)向指標(biāo), 所占權(quán)重最大, 密度最大的油茶其凋落物水文特性不管是半分解層還是未分解層都是所有林型中最差的, 油茶攔蓄降水能力(R=325.51%)也是調(diào)控林型中最低, 這與油茶葉為革質(zhì)且葉表面油脂較其他調(diào)控林葉表面油脂多有關(guān), 與水產(chǎn)生排斥, 導(dǎo)致持水能力弱[22]。 由此可見(jiàn)除去凋落物現(xiàn)存量和厚度影響, 在調(diào)控林型選擇上, 不僅要考慮凋落物器官密度因素, 還應(yīng)該考慮凋落物葉質(zhì)地是否適宜凋落物層水源涵養(yǎng)。

5 結(jié)論

1)貴州龍里林場(chǎng)不同闊葉樹(shù)種調(diào)控前后馬尾松人工林凋落物葉比例最大達(dá)到61%以上,現(xiàn)存量在6.34～8.62 t/hm2范圍內(nèi)波動(dòng),凋落物總厚度變化范圍在2.53～4.32 cm之間,且無(wú)論是現(xiàn)存量還是厚度,調(diào)控前后都是未分解層>半分解層。

2)在實(shí)驗(yàn)的純林與5種闊葉調(diào)控林中, 凋落物未分解層的水文效應(yīng)均較半分解層好,按凋落物層水文特性評(píng)分高低，各個(gè)林型凋落物層水文特性整體表現(xiàn)為馬尾松+桂南木蓮>馬尾松+伯樂(lè)>馬尾松+純林>馬尾松+深山含笑>馬尾松+連香>馬尾松+油茶；

3)通過(guò)熵權(quán)法對(duì)影響凋落物層水文特性的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算可知, 凋落物器官密度對(duì)凋落物水文特性影響最大, 平均葉面積對(duì)凋落物水文特性影響最小, 有效攔蓄率對(duì)水文特性的影響大于最大持水率和最大吸水率；

4)革質(zhì)葉的調(diào)控樹(shù)種會(huì)增加凋落物厚度, 平均葉面積大時(shí)凋落物攔蓄效果明顯, 因此選擇調(diào)控林型時(shí), 為改善調(diào)控林凋落物層水文特性, 達(dá)到改善水源涵養(yǎng)的效果, 除考慮樹(shù)種凋落物的現(xiàn)存量和厚度外, 還應(yīng)考慮凋落物葉型質(zhì)地、凋落物器官密度等樹(shù)種特性對(duì)吸水、持水和攔蓄的影響。