陕西黄土区典型人工林分结构与水土保持功能耦合关系研究.pdf

陕西省广泛分布的黄土孕育了源远流长的中华文明，黄河干支流长期的水力侵蚀和搬运、气候环境的不断恶化以及人类过度的索取与开发，使得这些区域沟壑纵横、地貌复杂、水土流失严重1。有研究表明，陕西黄土区由于植被遭受到严重破坏，土壤每年受到的侵蚀强度最大达到 15 000 t/km2，区域生态环境功能急剧衰退，给区域经济和人类生存环境带来严重挑战。为改善和恢复陕西黄土区的自然环境和区域生态系统，政府于 20 世纪 50 年代开始，展开了持久的水土工程工作，主要以高原人工造林为主要手段2。然而从实际植树效果来看，受到人工林种植密度的影响，部分地区由于没有充分考虑区域气候特点和地貌特征，造林密度偏大，严重影响了树木的生长速度，不能达到预期的水土保持效果，甚至出现地下水位下降和土壤深层干化的现象，生态恢复时间被拉长，区域发展极大地受限于区域环境。因此，有必要研究人工林的植物群落结构性特征，提取林分结构参数，并研究这些空间结构参数与水土保持的功能耦合关系。1区域人工林的林分结构分布特征分析1.1调查区域人工刺槐林的林分结构分布特征林分结构反映了植物群落树种、生长空间特性，基于林分结构参数，诸如林层指数、林分密度、叶面指数等，林分结构可表征植物的生长特征、竞争关系、空间格局、树种优势、冠层特征等3-4。研究区域位于陕西省咸阳区某生态水体保持公益林，经过现场实地调查，研究区域内分布的森林类型主要有两种，分别为人工刺槐林和人工油松林，树龄均在 30 年左右。对研究区域的人工刺槐林胸径进行统计分析，结果表明其单棵树胸径整体上分布范围为偏左的正太分布，其中 612 cm 胸径的刺槐树占比最大，约为 76.73%；而树冠冠幅主要集中在小冠幅区间，冠幅大小为 09.97 m2的刺槐树占比达到 71.34%。由此表明，人工刺槐林的整体生长胸径指标、长势指标均偏小。为了更好地体现人工刺槐林的林分结构特征，以林分密度为自变量，叶面积指数（Leaf AreaIndex，LAI）和林层指数为因变量，统计分析人工刺槐林水平结构与垂直结构的相关关系5。林分密度由实际数目的行间距测量得到，按每公顷的植株数量进行表征，其变化范围为 5003 400 株/hm2，增量为 100 株/hm2，统计分析结果见表 1、图 1 和图 2。其中，LAI 是一个综合性的指标，表示的是在单位土地面积上植物叶片表面积，这个指标反映了植物在垂直方向上的林分特性，并且还可以反映森林的光合作用、蒸腾作用和水土保持的能力；林层指数在一定程度上反映树林在垂直方向上的层次性和复杂性，计算公式6-7为Si=Zi31nnj=1移Sij（1）收稿日期：2023原01原03曰修回日期：2023原02原06作者简介：党记刚（1990），男，陕西宁强人，工程师，主要从事水土保持与荒漠化防治研究，E-mail：。陕西黄土区典型人工林分结构与水土保持功能耦合关系研究党记刚摘要：针对陕西黄土区人工林的植物群落空间结构性特征与水土保持功能的耦合关系，以陕西省咸阳区某生态水体保持公益林为研究对象，采用现场实地调查的方法，研究区域内人工刺槐林和人工油松林的林分结构和水土保持功能，并建立两者之间的耦合关系。结果表明，随着林分密度变量的增加，人工刺槐林和人工油松林的叶面积指数和林层指数均呈现出不同的变异性，在水土保持功能上均表现为异质性；通过建立人工林分结构参数和水土保持功能指标之间耦合关系模型，计算林分结构参数和水土保持功能参数，计算结果表明，叶面指数、林层指数与林冠截流率、产砂流量、产流量的信度、有效度均大于 0.60，Bartlett 球形检验系数接近于 0，分结构参数和水土保持功能指标之间具有明显的相关关系。关键词：人工林分结构；水土保持；分布特征；功能耦合中图分类号：S714.7文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.08.047（陕西黄河生态工程有限公司，陕西西安710016）文章编号：1674-9146渊圆园23冤08原047原04科 技 创 新 与 生 产 力SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITY第 44卷第 8 期2023年 8 月Vol.44No.8Aug.2023科技创新与生产力 2023年第 44卷第 8 期林分密度/（株 hm-2）叶面积指数林层指数林分密度/（株 hm-2）叶面积指数林层指数5002.820.232 0001.660.116001.260.302 1001.020.407001.940.322 2001.120.118002.190.272 3003.450.229003.480.152 4002.910.111 0001.180.342 5002.510.391 1001.720.332 6001.810.381 2002.820.182 7001.200.231 3001.110.242 8001.500.171 4003.670.332 9001.610.211 5001.980.303 0003.330.191 6003.590.263 1002.610.281 7003.950.353 2002.060.291 8001.360.343 3002.530.241 9002.980.123 4001.920.27表 1调查区域人工刺槐林的林分结构分布特征式中：Si为林层指数；Zi为中心木 i 的空间结构单元内林层个数；n 为测量中心木的邻近木数量；Sij为中心木与邻近木之间的离散性变量。由图 1 和图 2 可知，随着林分密度变量的增加，人工刺槐林的 LAI 和林层指数均呈现出不同的变异性。LAI 的总体变化形式为波浪式多峰曲线变化，其 变 化 范 围 为 1.023.95，在 900 株/hm2、1 700 株/hm2、2 300 株/hm2、3 000 株/hm2处达到极值，LAI 大于 1.00 的样地数达到 100%，表明人工刺槐林在垂直分布上呈现出一定的复杂性，树木叶面呈现重叠的效果，最大 LAI 为 3.95，林层的垂直结构最复杂；林层指数的总体变化形式主要集中在低林分密度处，其变化范围为 0.110.40，在 500 1 800 株/hm2分布较为均匀，在 2 100 株/hm2和2 500 株/hm2达到极值，表明人工刺槐林的分层主要集中在上中下 3 层林层，林分密度与林层指数之间的相关性不明显。1.2调查区域人工油松林的林分结构分布特征人工油松林林分密度与 LAI 和林层指数的统计分析关系见图 3、图 4 和表 2。由图 3 和图 4 可知，随着林分密度变量的增加，人工油松林的 LAI 和林层指数均呈现出不同的变异性。LAI 的总体变化形式为波浪式多峰曲线变化，其变化范围在 1.59 3.38，在 600株/hm2、900株/hm2、1400株/hm2、2000株/hm2、3 100 株/hm2、3 400 株/hm2处达到极值，LAI 大于1.00 的样地数达到 100%，表明人工油松林在垂直分布上呈现出一定的复杂性，树木叶面呈现重叠的效果，最大 LAI 为 3.38，林层的垂直结构最复杂；林层指数变化范围为 0.110.48，在 500株/hm2、900株/hm2、1 600 株/hm2和/600 株/hm2处达到极值，表明人工油松林的分层主要集中在上中下 3 层林层，林分密度与林层指数之间的相关性不明显。图 2调查区域人工刺槐林的林分密度与林层指数关系林分密度/（株 hm-2）4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.00.400.350.300.250.200.150.100.050.00林分密度/（株 hm-2）4.03.53.02.52.01.51.00.50.0林分密度/（株 hm-2）林分密度/（株 hm-2）0.50.40.30.20.10.0图 4调查区域人工油松林的林分密度与林层指数关系图 3调查区域人工油松林的林分密度与叶面积指数关系图 1调查区域人工刺槐林的林分密度与叶面积指数关系 48 党记刚：陕西黄土区典型人工林分结构与水土保持功能耦合关系研究林分密度/（株 hm-2）叶面积指数林层指数林分密度/（株 hm-2）叶面积指数林层指数5001.590.472 0003.000.306003.220.262 1002.480.157001.790.272 2002.330.288002.070.312 3002.880.139003.200.452 4002.720.191 0003.040.202 5002.400.361 1002.010.232 6002.210.471 2003.030.402 7001.680.221 3001.990.212 8001.920.231 4003.260.172 9002.000.341 5003.070.333 0002.190.151 6002.340.483 1003.380.321 7002.370.113 2003.060.351 8001.970.113 3002.370.331 9001.600.193 4003.380.33统计项目林冠截留率/%未分解枯落物持水率/%半分解枯落物持水率/%土壤入渗率/（mm h-1）土壤含水量/%土壤最大持水量/%全氮/（g kg-1）全磷/（g kg-1）产流量/mm产砂量/（t km-2）最小值9.02.952.0679.415.6634.600.1300.03432.11271最大值26.910.275.94516.8633.9775.452.2157.59972.16826平均值18.64.684.05325.7512.9348.200.6560.67750.76413标准差3.50.950.73134.055.707.560.4241.0227.45111表 3调查区域人工刺槐林的水土保持功能统计统计项目林冠截留率/%未分解枯落物持水率/%半分解枯落物持水率/%土壤入渗率/（mm h-1）土壤含水量/%土壤最大持水量/%全氮/(g kg-1)全磷/(g kg-1)产流量/mm产砂量/（t km-2）最小值8.72.622.73219.305.7725.540.1780.47165.42361最大值20.47.325.40277.0516.9361.001.7571.81778.02604平均值15.43.343.72236.1610.6246.660.7070.66772.52463标准差3.41.150.5924.492.818.310.5260.3413.0888表 4调查区域人工油松林的水土保持功能胸径林木竞争指数冠幅林分密度角尺度水平结构坡度坡向高层地形因子涵养水源和保育土壤林冠截留率未分解层枯落物持有率半分解层枯落物持有率土壤入渗率土壤含水量土壤最大持水量树高叶面积指数林层指数垂直结构拦砂减砂产流量产砂量全氮全磷表 2调查区域人工油松林的林分结构分布特征图 5人工林分结构与水土保持功能耦合模型2区域人工林的水土保持功能分析表 3 为调查区域人工刺槐林的水土保持功能统计表，统计指标包括林冠截留率、未分解枯落物持水率、半分解枯落物持水率、土壤入渗率、土壤含水量、土壤最大持水量、全氮、全磷、产流量和产砂量。从表 3 中可以看出，研究区域的人工刺槐林在水土保持功能上表现为异质性，具体为林冠截留率、土壤入渗率、土壤含水量、土壤最大持水量、产流量和产砂量的标准差较大，而未分解枯落为持水量、半分解枯落物持水率、全氮、全磷的标准差较小，这些标准差较小的指标为水土保持功能的主要因子。表 4 为调查区域人工油松林的水土保持功能统计结果。由表 4 可知，研究区域的人工刺槐林在水土保持功能上表现为异质性，具体为林冠截留率、土壤入渗率、土壤含水量和产流量的标准差较大，而未分解枯落物持水量、土壤最大持水量、半分解枯落物持水率、全氮、全磷和产砂量的标准差较小，这些标准差较小的指标为水土保持功能的主要因子。3陕西黄土区典型人工林分结构与水土保持功能耦合关系的研究在分析区域人工林的林分结构分布特征和水土保持功能的基础上，根据陕西黄土区典型人工刺槐林和人工油松林的林分结构和水土保持功能的研究，建立两者的耦合模型见图 5。基于通用计算法则的 Cronbach 琢 系数检验林分结构参数和水土保持功能指标之间耦合关系的可靠性和一致性；基于通用计算法则的检验统计量（Kaiser-Meyer-Olkin，KMO）和 Bartlett 球形检验 49 科技创新与生产力 2023年第 44卷第 8 期Study on the Coupling RelationshipBetween Typical Artificial Stand Structure and Soil and Water ConservationFunction in the Loess Plateau of Shaanxi ProvinceDANG Jigang(Shaanxi Yellow River Ecological Engineering Co.,Ltd.,Xian 710016,China)Abstract：In view of the coupling relationship between the spatial structural characteristics of plant communities and thefunctions of soil and water conservation of artificial forests in the loess region of Shaanxi Province,taking a public welfareforest for ecological water conservation in Xianyang of Shaanxi Province as the research object,the stand structure andfunctions of soil and water conservation of artificial locust forests and artificial Chinese pine forests in the region werestudied by field survey,and the coupling relationship between them was established.The results showed that,with theincrease of stand density variables,the leaf area index and forest layer index of artificial locust forest and artificial Chinesepine forest showed different variability,and showed heterogeneity in soil and water conservation functions.Through theestablishment of a coupling relationship model between the structural parameters of artificial forest and the functionalindicators of soil and water conservation,the calculation of stand structure parameters and soil and water conservationfunction parameters showed that the reliability and effectiveness of leaf area index,forest layer index,canopy interceptionrate,sand production flow rate,and flow rate were all greater than 0.60,Bartletts spherical test coefficient is close to 0,andthere is an obvious correlation between sub structure parameters and soil and water conservation functional indicators.Key words：artificial stand structure;soil and water conservation;distribution characteristics;functional coupling系数林分结构参数和水土保持功能指标之间耦合关系的有效度。结果表明，林分结构的 LAI、林层指数与林冠截流率、产砂流量、产流量之间具有显著的耦合关系，叶面指数与林冠截流率、产砂流量、产流量的信度 琢 系数分别为 0.702、0.632、0.675，有 效 度 指 标 KMO 分 别 为 0.674、0.626、0.648，Bartlett 球形检验系数分别为 0.004、0.000、0.002；林层指数与林冠截流率、产砂流量、产流量的信度琢 系数分别为 0.699、0.612、0.678，有效度指标KMO 分别为 0.612、0.693、0.620，Bartlett 球形检验系数分别为 0.002、0.001、0.001。综合以上表明：林分结构参数和水土保持功能指标之间具有明显的相关关系。4结论以陕西省咸阳区某生态水体保持公益林为研究对象，采用现场实地调查的方法，研究区域内人工刺槐林和人工油松林的林分结构和水土保持功能，并建立两者的耦合关系，得到以下结论。1）随着林分密度变量的增加，人工刺槐林的LAI 和林层指数均呈现出不同的变异性，LAI 的总体变化形式为波浪式多峰曲线变化，其变化范围为1.593.38；林层指数的总体变化形式主要集中在低林分密度处，其变化范围为 0.110.40。2）随着林分密度变量的增加，人工油松林的LAI 和林层指数均呈现出不同的变异性。LAI 的总体变化形式为波浪式多峰曲线变化，其变化范围为1.593.38；林层指数的总体变化形式主要集中在低林分密度和高林分密度处，其变化范围为 0.110.48。3）研究区域的人工刺槐林和人工油松林在水土保持功能上均表现为异质性，通过建立人工林分结构参数和水土保持功能指标之间的耦合关系模型，表明叶面指数、林层指数与林冠截流率、产砂流量、产流量的信度、有效度均大于 0.60，Bartlett球形检验系数接近于 0，分结构参数和水土保持功能指标之间具有明显的相关关系。参考文献：1李鹏,陈璇,杨章旗,等.不同密度马尾松人工林枯落物输入对土壤理化性质的影响J.水土保持学报,2022,36(2):368-377.2李语晨,程金花,李明峰,等.湖北省九华山林场不同树种配置杉阔混交林林分空间结构特征分析J.生态学报,2019,39(6):1908-1916.3梁文俊,魏曦,赵伟文,等.基于二元分布空间结构参数的林分结构研究J.河南农业大学学报,2018,52(4):540-544.4谢伊,杨华.长白山天然云冷杉针阔混交林主要树种胸径生长与林分空间结构的关系J.北京林业大学学报,2022,44(9):1-11.5魏曦,梁文俊,毕华兴,等.晋西黄土区油松林分结构与水土保持功能的多因子复合关系J.林业科学研究,2020,33(3):39-47.6辛云玲,朱清科,罗舒元,等.陕北黄土区水土保持林林分空间结构特征J.中国水土保持科学,2020,18(5):17-25.7王岩松,马保明,高海平,等.晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应J.北京林业大学学报,2020,42(8):81-93.（责任编辑王璐）50