青海大通县退耕还林不同配置模式生态服务功能的评价.pdf

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1、第35卷第3期西北农林科技大学学报(自然科学版)Vol.35 No.32007年3月Journal of Northwest A&F U niversity(N at.Sci.Ed.)M ar.2007青海大通县退耕还林不同配置模式生态服务功能的评价高国雄1,2,李文忠3,周心澄2,贾俊姝2,史常青2,李世荣3(1西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌712100;2北京林业大学 水土保持学院,北京100083;3北京市水务局,北京100038)摘要对青海大通县浅山区和脑山区退耕还林不同配置模式生态服务功能进行了综合评价。结果表明,在浅山区,模式C(青杨+枸杞)为最优配置模式,综合评价得分

2、231.12,各种配置模式综合评价得分排序为:模式C(青杨+枸杞)模式A(川赤芍)模式D(中国沙棘)模式B(紫花苜蓿)模式E(柠条);在脑山区,模式F(青海云杉)为最优配置模式,其综合评价得分250.54,各种配置模式综合评价得分排序为:模式F(青海云杉)模式G(华北落叶松)模式J(青杨+中国沙棘)模式H(白桦+青海云杉)模式K(青海云杉+中国沙棘)。综合考虑生态服务功能及环境特点,在浅山区阴坡推广应用模式C,阳坡推广应用模式A;在脑山区阴坡推广模式F,阳坡推广模式J。关键词退耕还林配置模式;生态服务功能;青海大通县中图分类号S181文献标识码A文章编号167129387(2007)03201

3、29206Synthe tic assessm ent on ecology se rvice function of conve rsioncropland to forest in Da tong county of Q ingha i provinceGAO Guo2xiong1,2,L IW en2zhong3,ZHOU Xin2cheng2,J I A Jun2shu2,SH IChang2qing2,L I Shi2rong3(1College of R esource and Environm ent of N orthw est A&F U niversity,Yang lin

4、g,S haanx i712100,China;2College of S oil and W ater Conservation of B eijing Forestry U niversity,B eijing100083,China;3B eijing W aterA uthority,B eijing100038,China)Abstract:The paper focused on the synthetic evaluation on each ecology service function of conversioncropland to forest in Datong co

5、unty,Q inghai.The results showed that in the shallow mountainous areas,pattern C was the best disposition pattern,the synthetic evaluation of which scored 231.12,and the ar2rangement order of each disposition pattern according to their synthetic evaluation scores was pattern C(Populus cathayana+L yc

6、ium barbarum)pattern A(Paeonia veitchii)pattern D(H ippophae rham2noidesssp.sinensis)pattern B(M ed icago sativa)pattern E(Caragana korshinskii);while in the brainmountainous areas,disposition pattern F is the best one,the integrated evaluation of which scored 250.54,and the arrangement order accord

7、ing to their synthetic evaluation scores was pattern F(P icea crassif olia)pattern G(L arix p rincip is2rupp rechii)pattern J(Populus cathayana+H ippophae rham noidesssp.sinensis)pattern H(B etula latyphy lla+P icea crassif olia)pattern K(P icea crassif olia+H ippophaerham noidesssp.sinensis).Theref

8、ore,in term s of the ecology service function and environmental characteris2tics,the conclusion can be drawn that in the low2hill areas,pattern C should be applied in the northernslope and pattern A in the southern slope;while in the remote2hill areas,pattern F should be applied in thenorthern slope

9、 and pattern J in the southern slope.收稿日期2006202217基金项目国家“十五”科技攻关计划项目“退耕还林还草工程区水土保持型植被建设技术研究与示范”(2001 BA510B01)作者简介高国雄(1969-),男,陕西清涧人,在读博士,副教授,主要从事荒漠化防治与生态环境建设研究。E2mail:Key words:species arrangement model of conversion cropland to forest;ecology service function;Da2tong county of Q inghai province退耕

10、还林是一项长期的、复杂的生态工程,其目的是为了恢复植被,减少水土流失,防沙治沙,改善日益恶化的生态环境,调整农村产业结构,增加农民收入。合理评价退耕还林工程的效益、筛选适宜树种及优化配置模式,是当今学术界研究的重点内容,这对加速退耕还林工程建设及实现我国林业生态可持续发展,具有十分重要的理论和实践意义。目前对防护林生态效益的研究,如防护林对降雨的再分配、对水土的保持、对小气候环境的改善以及对土壤理化性质的改变等已有不少报道126,对于防护林生态效益评价指标体系也有一些探讨7212。但对退耕还林还草中,不同树种、草种配置模式和生态服务功能的综合评价还缺乏系统性的研究。为此,本试验对青海省大通县北

11、川河流域退耕还林不同配置模式的生态服务功能进行了调查研究和综合评价,以期为西部地区退耕还林工程建设、退耕还林生态效益提高及西部生态环境改善提供理论依据和科学方法。1研究区概况研究区位于青海省大通县北川河流域,地处祁连山地与黄土高原的过渡带,地理坐标1005110156E、36433723N,海拔2 2804 662 m。该区属大陆性气候13,年日照时数2 605 h,年均气温2.8,极端最高气温30.9,极端最低气温为-33.1,年内无霜期70120 d,年均降水量508mm,年平均蒸发量为1 290mm,年湿润指数0.561.32。植被主要有青海云杉(P icea crassif olia)

12、、祁连圆 柏(S abina p rzew alskii)、华 北 落 叶 松(L arixp rincip is2rupp rechii)、白桦(B etula p latyphy lla)、山杨(Populus david iana)、青杨(Populus cathayana)、中 国 沙 棘(H ippophaerham noides)、柠 条(Caragana)、枸杞(L ycium chinense)、千里香杜鹃(R hododend ron thym if olium)、高山绣线菊(Sp iraeaalp ina)、金露梅(Potentilla f ruticosa)、银露梅(Po

13、2tentilla g labra)、川赤芍(Paeonia veitchii)、紫花苜蓿(M ed icagosativa)、垂 穗 披 碱 草(E lym usnutans)、草苜蓿(M elilotus suaveolensL edeb)、节节草(H ippochaete ram osissim aBoerner)等14。土壤主要类型为山地栗钙土、山地黑钙土、山地棕褐土等。全县共有9镇13乡,290村,1 083自然村,97 485户,426 417人,人口密度为135人?km2,人口自然增长率为8.26%。其中农业人口339 616人,人均社会生产总值4 741元。2材料与方法2.1标

14、准地选择根据树种和混交类型的不同,分别在浅山区和脑山区选择5种退耕还林(草)配置模式,布设固定标准样地。其中浅山区退耕地为1998年以后退耕的坡地,主要分布在大通县中部和南部,海拔2 4002 750 m,气候干旱、沟壑纵横、山高坡陡、植被稀少、土壤贫瘠,水土流失较为严重,土壤主要为山地栗钙土;脑山区退耕地为80年代当地村民为了净化水源自愿退耕的坡地,主要分布大通县东、西、北三面地势较高的地区,海拔2 7503 200 m,阴湿多雨,气候冷凉,无霜期短,土壤主要为山地黑钙土及部分山地棕褐土,是陡坡耕地的主要分布区。每种模式设3个标准地,共设置30个标准地,每个标准地面积为20m20m,标准地的

15、基本情况见表1。每种模式各项指标值均为3个标准地相应指标的平均值。2.2生态服务功能指标的测定方法植物调查采用标准样地调查法,其中乔木生物量采用平均木法测定,灌木和草本生物量采用全部收获法测定,地下生物量和枯落物采用小样方全部收集法测定,生产力利用生物量推算15;冠层截留量和枯落物蓄水量采用“浸水法”测定1,16;土壤持水量采用自制双环渗透仪测定;土壤稳渗速率、土壤孔隙度采用环刀分层取样,常规方法测定;土壤机械组成和微团聚体采用吸管法测定,土壤团聚度用机械筛分法测定6,17;土壤抗冲性指数测定采用原状土冲刷测定法224。水解氮含量测定采用扩散吸收法,速效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法

16、,速效钾含量测定采用1 mol?L醋酸铵浸提-火焰光度法,有机质含量测定采用重铬酸钾氧化法,阳离子代换量测定采用盐酸-醋酸钙-容量法5,6,18。物种多样性指数(D)、丰富度(R)和均匀度(E)分别选用Shannon2W einer指数、群落物种数及基于Shannon2W einer指数的Pielou均匀度指数作为指标,其计算公式分别为:D=3.321 9(lgN-(nilgni)1?N);R=S,E=D?lnS。031西北农林科技大学学报(自然科学版)第35卷式中:ni为样方内物种i的个体数,N为样方物种的个体总数,S为群落中的物种数。2.3评价指标体系的选取原则依据综合评价的目的,选取的各

17、项指标应能较好地反映退耕还林不同配置模式的生态服务功能,符合可持续发展理论和系统分析原理。同时,为保证评价结果的客观性和有效性,指标变量的选择应遵循可测性、代表性、相对独立性、可行性、可比性和整体性原则。表1青海大通县退耕还林不同配置模式的基本情况Table 1Condition of different species arrangement model of different stands in Datong county of Q inghaiprovince分区Subarea模式类型Model主要植物Primary plants退耕年限?aTimes乔木密度?(株hm-2)Treed

18、ensity灌草密度?(丛hm-2)Shrub orgrassdensity树种比例Speciesratio浅山区Low2hillareasA川赤芍Paeonia veitchii513 500B紫花苜蓿M edicago sativa5196 000C青杨+枸杞Populus cathayana+Lycium chinense52 7005 40012D中国沙棘H ippophae rham noides56 500E柠条Caragana57 400脑山区Remote2hillareasF青海云杉P icea crassif olia201 695G华北落叶松L arix p rincip

19、is2rupp rechii201 900H白桦+青海云杉B etula p latyphy lla+P icea crassif olia201 9001 90011K青海云杉+中国沙棘P icea crassif olia+H ippophae rham2noides203 80012 00013J青杨+中国沙棘Populus cathayana+H ippophae rham noides201 86712 90017分区Subarea模式类型Model林分类型Forest types混交方式M ixed atterns坡度?()Slope坡位Positionof slope坡向A sp

20、ectof slope土层厚度?cmThicknessof soillayes浅山区Low2hillareasA16下Lower半阳坡Southern slope110B20下Lower阳坡Southern slope95C混交林M ixed forest行间混交M ixed interline15下Lower阴坡Northern slope120D纯林Pure forest15中M iddle阴坡Northern slope65E纯林Pure forest25上Upper阳坡Southern slope75脑山区Remote2hillareasF纯林Pure forest18中M iddle

21、阴坡Northern slope80G纯林Pure forest20中M iddle阴坡Northern slope60H混交林M ixed forest行间混交M ixed interline15中M iddle阴坡Northern slope75K混交林M ixed forest株间混交M ixed intertree20中M iddle阳坡Southern slope85J混交林M ixed forest行间混交M ixed interline17下Lower阳坡Southern slope165依据上述评价指标选取的原则和已有的研究成果7212,将大通县退耕还林不同配置模式生态服务功能

22、综合评价的指标体系划分为3个层次,即目标层、项目指标层和指标变量层,共选定包括水文效应、土壤理化性状、物种多样性和生产力4方面的18个指标(图1)。2.4指标权重的确定指标权重反映评价指标对总体目标的相对重要程度。权重不是主观臆断的东西,而是在人类社会生态经济和谐发展的大背景下,从整体效益的角度,对单项效益指标进行衡量的客观产物。本研究采用因子分析法19,利用观测数据本身包含的信息确定各项指标的权重系数,使评价程序简化,评价结果客观真实。具体过程如下:应用SPSS分析软件,对原始实验数据进行无量纲处理,设原始实验数据值为Xij(i=1,2,3,4,5;j=1,2,18),构成实验数据矩阵X51

23、8,计算相关矩阵R1818(R=XTX);计算对应的单位特征向量(即权重系数)c=(c1,c2,c18),并且满足18j=1c2j=1。式中:Xij为不同配置模式的各种评判指标值;i为不同配置模式类型;c为权重系数;j为评判指标。2.5评价方法本研究采用最优综合评价模型,计算不同配置模式的综合评价得分。其计算公式如下:Yi=18j=1cjxij(i=1,2,3,4,5)。式中:Yi为综合评判向量。131第3期高国雄等:青海大通县退耕还林不同配置模式生态服务功能的评价图1退耕还林不同配置模式生态服务功能评价指标体系Fig.1Index system of the evaluating on di

24、fferent species arrangement models3结果与分析3.1大通县退耕还林不同配置模式各项生态服务功能指标的观测值从表2可以看出,在浅山区,与其他配置模式相比,模式C的土壤持水量、土壤团聚度、有机质含量、水解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、物种多样性指数和均匀度均最高,其他项指标也表现出较好的优势。表2大通县浅山区退耕还林不同配置模式生态服务功能指标的观测值Table 2Indexes of ecological function in different species arrangement models in the low2hill areas of Dato

25、ng county模式类型Model冠层截留量?mmW ater2holdingcapacityof canopy枯落物蓄水量?mmW aterholdingcapacityof litterlayer土壤持水量?mmW ater2holdingcapacityof soil土壤稳渗速率?(mmm in-1)Final infi2ltrationrates土壤孔隙度?%Porespace土壤团聚度?%Degree ofaggregation土壤结构系数?%Structuralcoefficient有机质?(gkg-1)O rganicmatter水解氮?(mgkg-1)Hydroly2tic

26、NA0.230.23299.104.856.7860.9197.6141.9124.90B0.430.28281.801.047.0331.6192.139.737.93C0.171.02327.883.553.7471.3896.4243.1178.73D1.431.87321.342.854.5437.3491.6820.268.20E0.100.57257.000.843.5015.5075.5413.458.00模式类型Model速效磷?(mgkg-1)Rapidlyavailable P速效钾?(mgkg-1)Rapidlyavailable K阳离子代换量?(molkg-1)Exc

27、hangecapacityof action土壤抗冲性指数?(sg-1)Anti2scourability物种多样性指数Shannon2W einerindex丰富度Richness均匀度Evenness生物量?(thm-2)Biomass年生产力?(thm-2)Annualproduc2tivityA2.6076.6728.000.7034.081 6191.386 23.392.57B1.47113.009.000.5254.657 3281.397 74.463.55C4.70149.0027.330.7765.309 1301.560 915.984.43D4.0793.3323.67

28、1.1365.089 4311.482 129.509.36E2.30114.337.000.3853.410 5151.259 48.162.79231西北农林科技大学学报(自然科学版)第35卷从表2还可以看出,模式E除了枯落物蓄水量、速效磷含量、速效钾含量、生物量和生产力5个指标外,其他指标的值均最低。由表3可见,在脑山区,与其他配置模式相比,模式F的冠层截留量、枯落物蓄水量、土壤持水量、土壤稳渗速率、土壤孔隙度、速效钾含量、土壤抗冲性指数、生物量和生产力均最高,其他指标也均表现出较好的优势。坡向对林木生长有一定影响,针叶树青海云杉在阴坡的表现比阳坡好,各项指标值均较高,这与实际情况相符。

29、表3大通县脑山区退耕还林不同配置模式生态服务功能指标的观测值Table 3The indexes of ecological function in different species arrangement modelin the remote2hill areas of Datong county模式类型Model冠层截留量?mmW ater2holdingcapacityof canopy枯落物蓄水量?mmW aterholdingcapacityof litterlayer土壤持水量?mmW ater2holdingcapacityof soil土壤稳渗速率?(mmm in-1)Fin

30、al infi2ltrationrates土壤孔隙度?%Porespace土壤团聚度?%Degree ofaggregation土壤结构系数?%Structuralcoefficient有机质?(gkg-1)O rganicmatter水解氮?(mgkg-1)Hydroly2tic NF2.376.24323.306.853.6260.7970.3421.782.93G2.022.42313.625.253.0963.9282.1724.467.47H0.991.90296.163.651.5556.7694.7522.284.20K1.704.34299.924.051.9250.0390.

31、8421.574.27J0.264.02314.502.649.7058.1658.1629.675.27模式类型Model速效磷?(mgkg-1)Rapidlyavailable P速效钾?(mgkg-1)Rapidlyavailable K阳离子代换量?(molkg-1)Exchangecapacityof action土壤抗冲性指数?(sg-1)Anti2scourability物种多样性指数Shannon2W einerindex丰富度Richness均匀度Evenness生物量?(thm-2)Biomass年生产力?(thm-2)Annualproduc2tivityF2.3799.

32、0019.001.6522.780 9101.207 7304.9515.32G6.1080.3326.501.5664.669 2261.433 1251.0414.09H3.4777.6718.501.0175.228 9311.522 770.196.88K2.2384.6723.330.5222.646 2121.064 999.457.68J0.5378.6725.830.3415.071 7281.522 0109.777.713.2大通县退耕还林不同配置模式各因子的权重系数用SPSS软件对观测数据本身包含的信息进行处理和分析,确定3.1中各项指标(冠层截留量、枯落物蓄水量、土壤持

33、水量、土壤稳渗速率、土壤孔隙度、土壤团聚度、土壤结构系数、有机质含量、水解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、阳离子代换量、土壤抗冲性指数、物种多样性指数、丰富度、均匀度、生物量、生产力)的权重系数,浅山区为:C=0.148 76,0.200 04,0.313 32,0.225 60,0.272 00,0.243 49,0.239 31,0.207 23,0.205 53,0.267 13,0.031 37,0.280 24,0.275 04,0.265 70,0.227 91,0.291 12,0.204 96,0.192 98;脑山区为:C=0.322 38,0.217 25,0.198 53

34、,0.337 67,0.313 71,0.109 28,-0.002 82,-0.205 09,0.031 85,0.098 37,0.309 33,-0.107 96,0.267 04,-0.249 73,-0.263 96,-0.210 11,0.299 31,0.296 46。3.3大通县退耕还林不同配置模式生态服务功能的综合评价由表4可知,在浅山区,模式C各项指标的综合评价得分最高,为各种配置模式中的最优配置模式;模式A次之;模式E的综合评价得分最低。各种配置模式综合评价得分排序为:模式C模式A 模式D模式B模式E。由此可知,在浅山区,配置乔灌草混交模式更有利于土壤改良和可持续利用。3

35、31第3期高国雄等:青海大通县退耕还林不同配置模式生态服务功能的评价表4大通县浅山区退耕还林不同配置模式生态服务功能综合评价得分Table 4Synthetic evaluation scores of ecological function in different models in low2hill areas of Datong county模式类型Model主要植物Primary plants综合评价得分(Yi)Comprehensive score优化排序Optim ized sequenceA川赤芍Paeonia veitchii201.012B紫花苜蓿M edicago sat

36、iva157.214C青杨+枸杞Populus cathayana+Lycium chinense231.121D中国沙棘H ippophae rham noides193.643E柠条Caragana142.385由表5可见,在脑山区,模式F各项指标的综合评价得分最高,为各种配置模式中的最优配置模式;模式K的综合评价得分最低。这是因为中国沙棘在脑山区生长到一定年限呈现明显的退化趋势。各种配置模式综合评价得分排序为:模式F模式G模式J模式H模式K。由此可知,在脑山区,由于其独特的自然条件,适当配置抗性较强的乡土树种纯林模式,在发挥生态效益的同时,可获得更高的经济效益。表5大通县脑山区退耕还林不

37、同配置模式生态服务功能综合评价得分Table 5Synthetic evaluation scores of ecological function in different models in remote2hill areas of Datong county模式类型Model主要植物Primary plants综合评价得分(Yi)Comprehensive score优化排序Optim ized sequenceF青海云杉P icea crassif olia250.541G华北落叶松L arix p rincip is2rupp rechii242.572H白桦+青海云杉B etula

38、 p latyphy lla+P icea crassif olia199.994K青海云杉+中国沙棘P icea crassif olia+H ippophae rham noides199.305J青杨+中国沙棘Populus cathayana+H ippophae rham noides205.2734结论对青海省大通县北川河流域退耕还林不同配置模式生态服务功能综合评价的结果表明,模式C(青杨+枸杞)的综合评价得分为231.12,为浅山区最优配置模式;模式F(青海云杉)的综合评价得分250.54,为脑山区最优配置模式。综合考虑生态服务功能及环境特点,建议在浅山区阴坡推广应用模式C(青杨

39、+枸杞,行间混交、混交比例为12)、阳坡推广应用模式A(川赤芍,密度13 500株?hm2);而在脑山区,阴坡应推广模式F(青海云杉,密度1 695株?hm2)、阳坡推广模式J(青杨+中国沙棘,行间混交,混交比例为17)。参考文献1刘向东,吴钦孝,赵鸿雁.森林植被垂直截留作用与水土保持J.水土保持研究,1994,3(1):8213.2胡建忠,周心澄,李文忠.退耕地青海云杉人工林土壤抗冲性的试验研究J.水土保持学报,2004,18(6):6210.3胡建忠,张伟华,李文忠.北川河流域退耕地植物群落土壤抗蚀性研究J.土壤学报,2004,41(6):8542863.4刘国彬,张光辉.原状土冲刷法与人

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