Water conservation capacity of typical forestlands in the Loess Plateau of Western Shanxi Province of northern China
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摘要:目的评价晋西黄土区典型林分的水源涵养能力，为筛选水源涵养林、水土保持林构建与管护提供依据。方法以山西吉县蔡家川小流域的山杨辽东栎次生混交林、油松人工林、侧柏人工林、刺槐人工林4种典型林分类型为研究对象，对植被层、枯落物层和土壤层的持水能力进行测定，采用熵权法（EWM）对各林分类型的水源涵养能力进行综合分析。结果（1）4种林分类型植被层的持水能力依次为：油松人工林（17.79 t/hm2） > 侧柏人工林（13.55 t/hm2） > 刺槐人工林（12.81 t/hm2） > 山杨辽东栎次生混交林（6.71 t/hm2）。油松人工林、侧柏人工林的主要持水层为乔木层；刺槐人工林中乔灌草的持水量相近；山杨辽东栎次生混交林中主要持水层为草本层。（2）4种林分类型中枯落物有效拦蓄量分别为：山杨辽东栎次生混交林（23.02 t/hm2） > 侧柏人工林（13.00 t/hm2） > 刺槐人工林（10.36 t/hm2） > 油松人工林（2.81 t/hm2）。（3）4种林地土壤最大蓄水能力分别为：山杨辽东栎次生混交林地（3 182.43 t/hm2） > 油松人工林地（3 176.67 t/hm2） > 侧柏人工林地（2 995.3 t/hm2） > 刺槐人工林地（2 803.5 t/hm2）。其中除山杨辽东栎次生混交林地与油松人工林地持水能力差异不显著外，其余各林地持水能力之间均存在显著差异。（4）4种典型林分类型水源涵养能力的综合排序为：山杨辽东栎次生混交林 > 侧柏人工林 > 油松人工林 > 刺槐人工林，影响水源涵养能力的主要因素为林下草本层与枯落物。结论从涵养水源的角度出发，晋西黄土区应采用仿拟自然植被技术、封山育林等加强次生植被的建设与管护，营造林下草本层和枯枝落叶层丰富的植物群落，以达到保持水土、涵养水源、改善生态环境的多重作用。Abstract:ObjectiveThis paper aims to evaluate the water conservation capacity of typical forests and provide a basis for the selection and management of water conservation forests and soil and water conservation forests in the Loess Plateau of western Shanxi Province, northern China.MethodIn this study, secondary mixed forest of Quercus liaotungensis and Populus davidiana, Pinus tabuliformis, Platycladus orientalis, and Robinia pseudoacacia in Caijiachuan Watershed of Jixian County, Shanxi Province was observed. In addition, we analyzed water conservation capacity of each forest type according to water holding capacity of vegetation, litter and soil with the entropy weight method.Result(1) Water-holding capacity of vegetation layers of P. tabuliformis forest (17.79 t/ha) was the largest in four types of forests, followed by P. orientalis forest (13.55 t/ha), R. pseudoacacia forest (12.81 t/ha) and secondary mixed forest of Q. liaotungensis and P. davidiana forest (6.71 t/ha). Arborous layer was the primarily water-holding layer in Q. liaotungensis forest and P. orientalis forest and herb layer was the primarily water-holding layer in secondary mixed forest of Q. liaotungensis and P. davidiana forest, while the water holding capacity of arborous layer, shrub layer and herb layer in R. pseudoacacia forest was similar. (2) The water-holding capacity of litter of 4 forests was showed as secondary mixed forest of Q. liaotungensis and P. davidiana forest (23.02 t/ha), P. orientalis forest (13.00 t/ha), R. pseudoacacia forest (10.36 t/ha), and P. tabuliformis forest (2.81 t/ha), respectively. (3) Moreover, the maximum water-holding capacity of soil layer of 4 forests was showed as secondary mixed forest of Q. liaotungensis and P. davidiana forest (3 182.43 t/ha), P. tabuliformis forest (3 176.67 t/ha), P. orientalis forest (2 995.3 t/ha), and R. pseudoacacia forest (2 803.5 t/ha), respectively. (4) The water conservation capacity evaluation results indicate that herb layer and litter layer are the main factors, with the order of secondary mixed forest of Q. liaotungensis and P. davidiana > P. orientalis plantation > P. tabuliformis plantation > R. pseudoacacia plantation.ConclusionTherefore, from the perspective of water conservation, measures should be taken such as afforestation, comprehensive management of secondary forest, forbidden grazing and improve the vegetation structure to increase soil and water conservation benefit.
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水源涵养能力是森林生态系统中重要的生态服务功能之一[1]，是指森林生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层拦蓄降水，从而有效积蓄土壤水分和补充地下水的功能[2-3]。在水资源短缺的干旱和半干旱地区，尤其是黄土高原地区，植被的水源涵养能力更为重要[4-6]。对于不同林分类型，由于其植被组成结构与空间配置的差异，表现出的水源涵养能力也不尽相同[7]。目前，森林生态系统水源涵养的计量方法主要有土壤蓄水能力法[8]、综合蓄水能力法[9]、水量平衡法[10]、降水储量法[11]和多因子回归法[12]等，这些方法都有一定的使用条件，存在局限性。土壤蓄水能力法仅考虑森林土壤层蓄水能力，计算简单，但忽略了林冠、枯落物对雨水的涵养能力。水量平衡法以水量平衡原理为基础，将降水量与森林耗水量的差值作为水源涵养量，但森林系统水分消耗量难以准确测量，这必将影响其结果的准确性。降雨储量法利用经验公式，认为森林涵养水源量仅占林区降水量的55%左右，操作性强，但计算结果受降水量、降水强度影响较大，仅具有参考价值[13]。多因子回归法是通过森林系统的多项因子进行回归计算总结出的经验公式，各种参数的确定需要大量观测数据，且难以推广。
综合蓄水能力法综合考虑了植被层、枯枝落叶层和土壤层3个作用层对降水的拦蓄作用，较为全面，可进行不同作用层拦蓄功能的比较，是目前较为常用的方法之一，相关研究相对较多[14-16]。正是由于综合蓄水能力法在研究过程中采用层次累加估算水源涵养量，各层次计算方法不同，导致其估算值并不能反映真实值[17]。近年来，已有不少学者通过数理统计方法对水源涵养能力进行综合评价，如王先棒等[18]采用层次分析法对青海省北川河流域典型林型水源涵养能力进行评价；史冬梅等[19]采用层次分析法综合评价了人为地貌单元对原地貌水源涵养能力的影响，这种方法受主观因素的影响较大[20]。熵权系数法是用来客观估算各指标权重的一种数学计算方法，其优点在于利用各个指标的熵值进行计算权重，熵值越小，其指标信息价值系数就越大，该指标对综合评价的重要性也就越大[21]。因此，本文在对比不同层次持水能力的基础上，选择熵权系数法，对不同林分类型水源涵养能力进行综合评价，以期客观评价森林植被的水源涵养能力，为筛选水源涵养林、水土保持林构建与管护提供依据。
1. 研究地区与研究方法
1.1 研究区概况
研究区在山西吉县蔡家川小流域。蔡家川小流域面积为37.57 km2，地理位置为110°39′45″ ~ 110°47′45″E，36°14′27″ ~ 36°18′23″N，海拔在904 ~ 1 592 m之间；属于温带大陆性气候，年平均气温10 ℃，日照时数2 538 h，无霜期平均为172 d，年平均降水量为579.1 mm，多年平均蒸发量1 723.9 mm；土壤主要为碳酸岩褐土，黄土母质；主要乔木树种有山杨（Populus davidiana）、辽东栎（Quercus liaotungensis）为主的次生林和油松（Pinus tabuliformis）人工林、刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林、侧柏（Platycladus orientalis）人工林等；主要灌木树种有虎榛子（Ostryopsis davidiana）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、三裂绣线菊（Spiraea trilobata）、黄刺玫（Rosa xanthina）；主要草本有冰草（Agropyron cristatum）、艾蒿（Artemisia argyi）、黄花蒿（Artemisia annua）等。
1.2 样地选择与调查采样
油松、侧柏、刺槐是黄土高原最典型的造林树种，1991年开始在研究流域的中游有大面积栽植，现已经成林，山杨辽东栎次生混交林是黄土高原最具代表性的次生林，在研究流域上游也有大面积分布，为此于2017年7—9月在试验区选择油松人工林地、侧柏人工林地、刺槐人工林地、山杨辽东栎次生混交林地作为调查对象，在这4种典型林分中布设20 m × 20 m的样方进行调查，调查样地内所有乔木的树高、冠幅、胸径、郁闭度，并采集部分枝条测定持水能力。在样地的中心和四角设置5个2 m × 2 m 的灌木样方，调查灌木的种类、株数、株高、盖度等，并采集部分枝条测定持水能力；在每个灌木样方旁设置1 m × 1 m的草本样方，调查草本的种类、株高、丛幅、盖度等，并全部收集；在每个草本样方旁设置1 m × 1 m的枯落物样方，根据枯落物的颜色、形态将其分为未分解层与分解层，调查各层厚度，并全部收集；在样地中分别设置3个土壤取样点，分别按剖面层次为0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20~30 cm、30 ~ 40 cm、40 ~ 50 cm、50 ~ 60 cm进行环刀法取样。各标准地基本特征见表1。
表 1 不同林分标准地基本特征Table 1. Basic features of different research stands林分类型
Forest type海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)坡向
Slope aspect/(°)林龄/a
Forest age/year平均高度
Mean height/m平均胸径
Mean
DBH/cm密度/(株·hm− 2)
Density/
(plant·ha− 1)郁闭度
Canopy density林下植被盖度
Understory
coverage山杨辽东栎次生混交林
Populus davidiana × Quercus liaotungensis secondary mixed forest (PQ)1 074 30 NE13 26 9.48 10.19 1 475 0.85 0.75 油松人工林
Pinus tabuliformis forest (PT)1 054 30 NE270 25 7.31 12.83 675 0.7 0.15 侧柏人工林
Platycladus orientalis forest (PO)1 001 21 NE330 25 4.87 7.22 1 225 0.7 0.3 刺槐人工林
Robinia pseudoacacia forest (RP)958 15 NE33 24 6.1 9.38 2 505 0.5 0.7 1.3 研究方法
1.3.1 植被层持水能力的测定
采用室内浸水法测定植被层的持水能力。其中，乔木层持水能力采用标准样枝法进行测定。在标准木取3支大小均匀的树干样品测定持水能力（Wa），乔木层持水能力可表示为：
Wa=W×n×d (1) 式中：W为树干样品持水能力均值；n为标准木的树干数目，d为株数密度（株/hm2）。
灌木层持水能力（Ws）通过选取标准木进行测定，可表示为：
Ws=∑(Wi×ni)s×10000 (2) 式中：Wi为第i种灌木持水能力；ni为第i种灌木的数目；s为样地面积（m2）。
草本层持水能力测定过程为，将采集的样品风干至恒质量，风干后装入尼龙网在水中浸泡数小时，使其充分吸水至饱和，然后将尼龙网放在支架上，待网内不再有水珠滴下时称质量，为防止蒸发滴水过程中应进行覆盖。则草本层持水能力（Wh）表示为：
Wh=W1−W0s×10000 (3) 式中：W0为样品风干后质量（g）；W1为样品排水后质量（g）；s为样地面积（m2）。
1.3.2 枯落物层持水能力测定
采用室内浸水法测定枯落物层的持水能力[22]，具体操作步骤参考草本层。枯落物蓄积量通过野外调查获得，持水能力参照草本层计算方法；采用有效拦蓄量估算枯落物对降雨的实际拦蓄量，公式为：
Wl=0.85Rm−R0M (4) 式中：Wl为有效拦蓄量（t/hm2）；Rm为持水能力（%）；R0为平均自然含水率（%）；M为枯落物蓄积量（t/hm2）。
1.3.3 土壤层持水能力测定
用烘干法测定土壤含水量，用环刀法测定土壤密度、土壤毛管孔隙度和土壤非毛管孔隙度等物理性质[23]。土壤层蓄水能力计算方法为：
Wc=10000PcH (5) Wn=10000PnH (6) Wt=Wc+Wn (7) 式中：Wc、Wn、Wt分别为毛管蓄水能力、非毛管蓄水能力与最大蓄水能力（t/hm2）；Pc、Pn分别为毛管孔隙度、非毛管孔隙度（%）；H为土层深度（m）。
1.4 数据处理与分析
图表制作采用Microsoft Excel 2016进行，土壤层数据分析采用SPSS 19.0软件进行，其中以林分类型作为自变量，以不同层次土壤层孔隙度与土壤蓄水能力作为因变量进行单因素方差分析（ONE-WAY ANOVA），在置信水平95%以上采用Duncan多重比较进行同一水平不同林分类型间的差异分析。
1.5 评价方法
采用熵权法（the entropy weight method，EWM）评价林分水源涵养能力，该方法在计算指标权重的基础上，通过权重与调查数据结果计算。一般而言，若某个指标的信息熵越小，表明该指标值的变异程度越大，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大。相反，某个指标的信息熵越大，表明该指标值的变异程度越小，在综合评价中所起到的作用也越小，其权重也就越小。
（1）采用Min-max标准化方法，对数据进行标准化处理。分两种情况，第1种情况是当指标为正指标（数据越大越优）时，其标准化公式为：
rij=xij−min (8) 第2种情况是当指标为逆指标（数据越小越优）时，其标准化公式为：
{r_{ij}} = \frac{{\max\left( {{x_{ij}}} \right) - {x_{ij}}}}{{\max\left( {{x_{ij}}} \right) - \min\left( {{x_{ij}}} \right)}} (9) 式中：xij为第i个评价指标对应第j个林分类型；rij为标准化后的对应指标值。
（2）对各指标值做归一化处理，计算第i项指标下第j个评价对象指标值的比重：
{p_{ij}} = \dfrac{{{r_{ij}}}}{{\displaystyle\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^m {r_{ij}}}} (10) （3）根据信息论中对信息熵的定义，第i项指标的熵值为：
{H_j} = - k\mathop \sum \nolimits_{j = 1}^m {p_{ij}}\ln {p_{ij}},\;i = 1, \cdots ,n;j = 1, \cdots m (11) 式中：
{p_{ij}} = \dfrac{{{y_{ij}}}}{{\displaystyle\mathop \sum \nolimits_{j = 1}^m {y_{ij}}}} ；k = \dfrac{1}{{\ln m}} （如果pij = 0，则定义{p_{ij}}\ln {p_{ij}} =0 ），为调节系数；m为林分类型数；n是评价指标数。（4）通过信息熵计算各指标的权重，计算公式为：
{W_i} = \dfrac{{1 - {H_i}}}{{m - \displaystyle\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n {H_i}}},i = 1, \cdots ,n (12) （5）各林分类型水源涵养能力综合评价值计算公式为：
{\rm{WCI}} = \mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n {W_i}{r_{ij}},i = 1, \cdots ,n;j = 1, \cdots ,m (13) 式中：WCI（water conservation index）为水源涵养能力综合指数，Wi为第i项指标权重。
2. 结果与分析
2.1 植被层的持水能力
降落在森林上面的雨滴，受到林冠及林下植被的阻挡，被植物枝叶吸附后积蓄在植被层中，这些被拦截的雨水的最大量与植物体内水分的总量就是植被层的持水能力。图1为4种林分类型植被层的持水能力图。由图1可见，4种林分类型的持水能力及其乔木层、灌木层、草本层的持水能力明显不同。油松人工林持水能力最强，为17.79 t/hm2，其中乔木层的持水能力为17.67 t/hm2，占植被层99.31%，为主要持水层。侧柏人工林持水能力次之，为13.55 t/hm2，其中乔木层的持水能力为12.80 t/hm2，占植被层94.49%，为主要持水层。刺槐人工林的持水能力最小，为12.81 t/hm2，其中乔木层的持水能力为4.27 t/hm2，占48.94%，灌木层的持水能力为2.16 t/hm2，占16.89%，草本层的持水能力为4.38 t/hm2，占34.18%，乔灌草的持水能力较均匀。山杨辽东栎次生混交林的持水能力最差，仅为6.71 t/hm2，其中草本层的持水能力为4.77 t/hm2，占71.11%，为主要持水层。造成这种差异的原因主要是油松人工林、侧柏人工林下灌木层与草本层十分稀疏，生物量较小，乔木枝叶稠密，林冠截留能力较强[24]。山杨辽东栎次生混交林中辽东栎叶片吸水性较差，且林下草本层的生物量较大。
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图 1 不同林分类型植被层的最大持水量A.乔木层的最大持水量；B.灌木层的最大持水量；C.草本层的最大持水量。A, maximum water-holding capacity of arbor layer；B, maximum water-holding capacity of shrub layer；C, maximum water-holding capacity of herb layer.Figure 1. Maximum water-holding capacity characteristics of vegetation layers with different forestlands2.2 枯落物层的持水能力
枯落物是覆盖在林地表层土壤上未分解、半分解、分解的凋落物的总称，其作用除了减轻雨滴击溅侵蚀外，还具有较强的持水能力，因此枯落物层持水能力是水源涵养评价的重要指标[18,25]。最大持水量可以反映枯落物层的持水能力，4种林分类型枯落物持水能力的测定结果如表2所示。从表2可见，4种林分的枯落物持水能力为：山杨辽东栎次生混交林（30.49 t/hm2） > 侧柏人工林（17.92 t/hm2） > 刺槐人工林（14.64 t/hm2） > 油松人工林（4.69 t/hm2）。各林分枯落物最大持水率为：刺槐人工林（323.48%） > 山杨辽东栎次生混交林（197.17%） > 侧柏人工林（139.59%） > 油松人工林（90.60%）。分解层的持水能力大于未分解层，可见，分解状况也是影响最大持水量的重要因素。降雨过程中枯落物层实际拦蓄雨水的效果通常采用有效拦蓄量来估算，由表2可见，4种林分枯落物的有效拦蓄量为：山杨辽东栎次生混交林（23.02 t/hm2） > 侧柏人工林（12.98 t/hm2） > 刺槐人工林（10.36 t/hm2） > 油松人工林（2.81 t/hm2）。综合最大持水量、最大持水率与有效拦蓄量可知，4种林分中山杨辽东栎次生混交林的枯落物拦蓄降水能力最强，油松林枯落物细长坚硬，拦蓄能力最弱，次生植被中枯落物层明显高于人工植被[26]。
表 2 不同林分类型枯落物层的持水能力分析Table 2. Water-holding capacity characteristics of litter layer in different forestlands林分类型
Forest type最大持水量/(t·hm− 2)
Maximum water holding capacity/(t·ha− 1)最大持水率
Maximum water holding rate/%有效拦蓄量/(t·hm− 2)
Effective water-holding capacity/(t·ha− 1)未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed layer总计
Total未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed layer平均
Average未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed layer总计
TotalPQ 8.65 21.84 30.49 215.91 190.62 197.17 6.58 16.43 23.02 PT 1.09 3.6 4.69 50.2 119.61 90.6 0.84 1.97 2.81 PO 6.87 11.05 17.92 115.27 146.92 139.59 5.43 7.55 12.98 RP 6.86 7.78 14.64 383.57 284.25 323.48 5.17 5.19 10.36 2.3 土壤层的持水能力
土壤孔隙度是反映土壤结构和林地持水能力的重要指标，孔隙度越大，渗透性越好，土壤层的持水能力越强。非毛管孔隙度表征雨水向深层快速渗透的能力。表3为不同林地的孔隙状况。从表3可以看出，4种林地土壤总孔隙度排序为：山杨辽东栎次生混交林地（53.04%） > 油松人工林地（52.94%） > 侧柏人工林地（49.92%） > 刺槐人工林地（46.73%），其中，山杨辽东栎次生混交林地与油松人工林地的土壤总孔隙度无显著差异（P > 0.05），其它林地土壤孔隙度均差异显著（P < 0.05）。造成这种差异的原因主要是，土壤孔隙度的大小主要受乔木根系影响，而在0 ~ 60 cm范围，正是山杨、油松根系生长的主要土壤层；侧柏根系仅集中于0 ~ 40 cm土层中；而刺槐根系分布可达120 cm，但分布均匀，所以在计算范围内，孔隙度较小[27]。
表 3 不同林地土壤孔隙状况Table 3. Soil porosity characteristics with different forestlands指标
Item土壤深度
Soil depth/cmPQ PT PO RP 总孔隙度
Total soil porosity/%0 ~ 10 56.50 ± 3.17 53.12 ± 1.65 49.63 ± 6.14 44.61 ± 1.53 10 ~ 20 54.58 ± 1.85 53.28 ± 1.60 53.76 ± 2.66 48.41 ± 1.34 20 ~ 30 53.58 ± 0.15 52.18 ± 2.30 48.43 ± 7.41 49.58 ± 2.07 30 ~ 40 51.75 ± 0.52 50.78 ± 4.08 49.91 ± 2.18 46.38 ± 3.43 40 ~ 50 50.00 ± 1.34 55.11 ± 3.42 49.35 ± 0.79 46.27 ± 1.25 50 ~ 60 51.82 ± 0.78 53.19 ± 0.97 48.46 ± 1.33 45.09 ± 0.56 平均值 Mean 53.04 ± 0.62a 52.94 ± 0.74a 49.92 ± 0.72b 46.73 ± 1.19c 毛管孔隙度
Capillary porosity/%0 ~ 10 52.97 ± 2.49 49.82 ± 1.60 47.15 ± 5.67 43.12 ± 1.59 10 ~ 20 50.93 ± 1.08 50.22 ± 2.14 51.29 ± 2.78 46.89 ± 0.99 20 ~ 30 50.72 ± 0.78 49.64 ± 1.84 45.83 ± 7.49 47.95 ± 1.73 30 ~ 40 48.75 ± 0.30 48.05 ± 4.18 47.41 ± 2.27 44.99 ± 3.15 40 ~ 50 47.37 ± 1.31 52.23 ± 3.41 47.65 ± 0.80 44.46 ± 1.56 50 ~ 60 48.83 ± 0.15 50.55 ± 0.28 46.59 ± 1.30 43.50 ± 0.90 平均值 Mean 49.93 ± 0.36a 50.09 ± 0.67a 47.65 ± 0.77b 45.15 ± 1.16c 非毛管孔隙度
Non-capillary porosity/%0 ~ 10 3.54 ± 0.70 3.30 ± 0.21 2.48 ± 0.53 1.49 ± 0.13 10 ~ 20 3.65 ± 0.83 3.05 ± 0.67 2.47 ± 0.45 1.53 ± 0.35 20 ~ 30 2.86 ± 0.65 2.54 ± 0.87 2.61 ± 0.95 1.62 ± 0.40 30 ~ 40 3.00 ± 0.64 2.73 ± 1.31 2.50 ± 0.21 1.40 ± 0.29 40 ~ 50 2.63 ± 0.22 2.88 ± 0.03 1.70 ± 0.18 1.81 ± 0.31 50 ~ 60 2.99 ± 0.68 2.64 ± 1.10 1.87 ± 0.13 1.59 ± 0.47 平均值 Mean 3.11 ± 0.27a 2.86 ± 0.31a 2.27 ± 0.16b 1.57 ± 0.15c 注：同一指标中，不同字母表示不同林分类型差异显著（P < 0.05）。下同。Notes: different capital letters mean significant differences in the same item (P < 0.05). Same as below. 土壤是水分的主要储蓄库，通过保持水分缓解干旱对植物的影响[28]。根据各层土壤的孔隙状况和土层厚度可以推算土壤各类孔隙的持水能力，再将各土层的持水能力累加得到为整个土壤层的持水能力，计算结果如表4所示。由表4可见，4种林地持水能力以山杨辽东栎次生混交林地最大（3 182.4 t/hm2），其次是油松人工林地（3 176.7 t/hm2），持水能力较弱的为侧柏人工林地（2 995.3 t/hm2）与刺槐人工林地（2 803.5 t/hm2）。除山杨辽东栎次生混交林地与油松人工林地持水能力差异不显著外，其余各林地持水能力之间均存在显著差异。非毛管持水能力也呈现相似结果，顺序依次为：山杨辽东栎次生混交林地（186.7 t/hm2） > 油松人工林地（182.3 t/hm2） > 侧柏人工林地（174.3 t/hm2） > 刺槐人工林地（171.5 t/hm2）。非毛管的持水能力占总持水能力的比例为3.37% ~ 5.87%。
表 4 不同林地土壤持水能力Table 4. Water-holding capacity characteristics of soil layers in different forestlands指标
Item土壤深度
Soil depth/cmPQ PT PO RP 最大蓄水能力/(t·hm− 2)
Maximum water-holding capacity/(t·ha− 1)0 ~ 10 565.03 ± 31.75 531.23 ± 16.51 496.27 ± 61.43 446.13 ± 15.25 10 ~ 20 545.83 ± 18.50 532.77 ± 15.95 537.57 ± 26.59 484.13 ± 13.36 20 ~ 30 535.77 ± 1.46 521.83 ± 23.04 484.33 ± 74.05 495.77 ± 20.69 30 ~ 40 517.53 ± 5.22 507.83 ± 40.84 499.07 ± 21.81 463.83 ± 34.25 40 ~ 50 500.03 ± 13.44 551.10 ± 34.20 493.50 ± 7.91 462.70 ± 12.46 50 ~ 60 518.23 ± 7.75 531.90 ± 9.72 484.57 ± 13.32 450.93 ± 5.59 总蓄水量
Total volume3 182.43 ± 37.3a 3 176.67 ± 44.56a 2 995.30 ± 43.37b 2 803.50 ± 71.27c 毛管蓄水能力/(t·hm− 2)
Capillary water-holding capacity/(t·ha− 1)0 ~ 10 529.67 ± 24.88 498.23 ± 15.96 471.50 ± 56.68 431.2 ± 15.93 10 ~ 20 509.33 ± 10.83 502.23 ± 21.36 512.90 ± 27.79 468.87 ± 9.90 20 ~ 30 507.20 ± 7.76 496.43 ± 18.40 458.27 ± 74.90 479.53 ± 17.28 30 ~ 40 487.50 ± 2.95 480.53 ± 41.84 474.07 ± 22.66 449.87 ± 31.54 40 ~ 50 473.70 ± 13.08 522.27 ± 34.10 476.47 ± 7.98 444.57 ± 15.56 50 ~ 60 488.33 ± 1.50 505.47 ± 2.82 465.90 ± 13.05 435.00 ± 8.98 总蓄水量
Total volume2 995.73 ± 21.44a 3 005.17 ± 40.44a 2 859.10 ± 46.02b 2 709.03 ± 69.63c 非毛管蓄水能力/(t·hm− 2)
Non-capillary water-holding capacity/(t·ha− 1)0 ~ 10 35.37 ± 6.99 33.00 ± 2.14 24.77 ± 5.29 14.93 ± 1.25 10 ~ 20 36.50 ± 8.32 30.53 ± 6.65 24.67 ± 4.45 15.27 ± 3.46 20 ~ 30 28.57 ± 6.48 25.40 ± 8.68 26.07 ± 9.51 16.23 ± 3.97 30 ~ 40 30.03 ± 6.41 27.30 ± 13.08 25.00 ± 2.13 13.97 ± 2.92 40 ~ 50 26.33 ± 2.20 28.83 ± 0.31 17.03 ± 1.82 18.13 ± 3.10 50 ~ 60 29.90 ± 6.81 26.43 ± 10.96 18.67 ± 1.27 15.93 ± 4.70 总蓄水量
Total volume186.70 ± 16.44a 171.50 ± 18.80a 136.20 ± 9.34b 94.47 ± 8.71c 2.4 水源涵养能力评价
森林生态系统的水源涵养能力是植被层、枯落物层、土壤层共同作用的结果。不同林分类型水源涵养能力的主导因素也不同，根据科学性、层次性和独立性的原则，选取郁闭度（F1）、密度（F2）、平均树高（F3）、平均胸径（F4）、乔木层的最大持水量（F5）、灌木层的最大持水量（F6）、草本层的最大持水量（F7）、枯落物蓄积量（L1）、枯落物最大持水量（L2）、枯落物有效拦蓄量（L3）、土壤密度（S1）、自然含水量（S2）、毛管孔隙度（S3）、非毛管孔隙度（S4）作为评价指标，运用熵权法计算各指标权重，计算结果如表5所示。
表 5 基于熵权法计算水源涵养能力各指标权重Table 5. Weighted value of water-holding capacity indexes in different forestlands一级指标
Grade I index权重
Weight序号
Serial No.二级指标
Grade II index权重
Weight植被层
Vegetation layer0.524 8 F1 郁闭度 Canopy density/% 0.058 1 F2 密度/(株·hm−2) Density/(plant·ha− 1) 0.074 5 F3 平均树高 Mean tree height/m 0.074 4 F4 平均胸径 Mean DBH/cm 0.065 9 F5 乔木层的最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water-holding capacity of arborous layer/(t·ha− 1) 0.059 6 F6 灌木层的最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water-holding capacity of shrub layer/(t·ha− 1) 0.070 3 F7 草本层的最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water-holding capacity of herb layer/(t·ha− 1) 0.121 9 枯落物层
Litter layer0.245 2 L1 枯落物蓄积量/(t·hm− 2) Litter accumulation/(t·ha− 1) 0.103 4 L2 枯落物最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water holding capacity of litter/(t·ha− 1) 0.066 3 L3 枯落物有效拦蓄量/(t·hm− 2) Effective water-holding capacity of litter/(t·ha− 1) 0.075 6 土壤层
Soil layer0.229 9 S1 土壤密度 Soil bulk density/(g·cm− 3) 0.054 8 S2 自然含水量 Natural moisture content/% 0.056 4 S3 毛管孔隙度 Capillary porosity/% 0.058 8 S4 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity/% 0.060 0 由表5可知，各指标权重在0.054 8 ~ 0.121 9之间。其中权重较大的有草本最大持水量为0.121 9，枯落物蓄积量为0.103 4。结合权重与各指标的归一化指数，计算各林分类型水源涵养能力的综合评价值结果（表6）为：山杨辽东栎次生混交林（0.84） > 侧柏人工林（0.42） > 油松人工林（0.39） > 刺槐人工林（0.37），可见山杨辽东栎次生混交林的水源涵养能力远高于人工林，这可能是由于次生林结果复杂，多样性高，枯落物蓄积量大，土壤孔隙度大，所以其水源涵养能力在晋西黄土区典型林分植被类型中最强。因此，在黄土高原营造水土保持林、水源涵养林时，应该采用仿拟自然的植被恢复技术以及封山育林措施，促进拟自然植被和次生植被的恢复。
表 6 典型林分类型水源涵养能力综合评价值Table 6. Comprehensive valuation value of water-holding capacity in different forestlands项目 Item PQ PT PO RP 水源涵养能力综合评价值
Comprehensive evaluation value of water conservation capacity0.84 0.39 0.42 0.37 排名
Rank1 3 2 4 3. 讨 论
水源涵养能力是森林生态系统中重要的生态服务功能之一[1,16]，通过植被层、枯落物层与土壤层3个层次拦截降水，减少地表径流，补充地下水，起到有效的调水蓄水的作用。本研究运用综合蓄水能力法计算了植被层、枯落物层、土壤层的持水能力，并通过熵权法计算了水源涵养能力综合评价值。
植被层的持水能力油松人工林最强，侧柏人工林次之，这与油松、侧柏枝叶密集密不可分。马维玲等[16]研究结果也表明，在太行山区，油松与侧柏林冠一次截留量明显高于其他植被类型，此外，由于油松人工林与侧柏人工林下灌木草本稀疏、盖度较小，使得植被层的持水能力集中在乔木层，贡献率达到90%以上。这也充分说明油松、侧柏林结构单一，水源涵养能力主要体现在乔木层。刺槐人工林植被层的持水能力较弱，但乔灌草各层次持水较为均匀，说明刺槐林植被层层次丰富，多样性较高。由于辽东栎叶片吸水性较差，山杨辽东栎次生混交林中乔木层的持水能力最弱，但次生林内灌草更为丰富，仍然能起到削弱雨滴打击地面和拦截降水的作用。植被层属于水源涵养的第一个层次，但其对降雨的截留大部分直接蒸发返回大气中[29-30]。因此，有关植被层对水源涵养能力的贡献还有待研究。
枯落物最大持水量和有效拦蓄量是表征枯落物层持水能力和涵养水源特性的重要指标。辛慧[31]认为枯落物持水能力与林分类型呈显著相关。张振明等[22]认为枯落物有效拦蓄量与林分类型呈显著相关。均与本文研究结果一致。本研究表明，4个样地枯落物持水能力表现为山杨辽东栎次生混交林 > 侧柏人工林 > 刺槐人工林 > 油松人工林。分解层的持水能力大于未分解层。山杨辽东栎次生混交林枯落物蓄积量大且较为复杂致密，使得其在截留降水，减缓地表径流，改良土壤等方面有更突出的作用。在涵养水源过程中，枯落物层作为植被层与土壤层的过渡层，发挥着重要作用。今后应加强多种林型混交作用对枯落物水源涵养能力等方面的研究。
土壤是水分的主要储蓄库，通过保持水分缓解干旱对植物的影响[28]，其持水能力是反映森林涵养水源功能的重要指标。本研究0 ~ 60 cm土壤层的持水能力依次为：山杨辽东栎次生混交林地 > 油松人工林地 > 侧柏人工林地 > 刺槐人工林地。山杨辽东栎次生混交林地与油松人工林地的土壤蓄水能力无显著差异（P > 0.05），其他林地均差异显著（P < 0.05）。李民义等[23]研究也表明，在晋西黄土区的0 ~ 50 cm土层的持水能力与非毛管持水量表现为混交林地 > 人工纯林地。表明该地区山杨辽东栎次生混交林非毛管孔隙度与毛管孔隙度均为最大，使得其林地土壤有着更强的蓄水能力。说明山杨辽东栎次生混交林由于根系与枯落物的多重作用，在改良土壤方面有更强的能力，使其土壤空隙增多，表现出更好的蓄水性能，保证植物的正常生长。白盛元等[32]研究表明，在黄土高原地区，降雨量为15.8 mm（中雨）时，4天内水分影响深度为60 cm左右，且晋西黄土区降雨观测资料表明，80% 以上降雨的降雨量小于15.8 mm，因此采用60 cm土层的持水能力能够反映晋西黄土区水土保持林地涵养水源的能力。
熵权法突出的优点就是可以完全剔除主观因素的影响，客观的判断各评价因素相对的重要性，并且解决了因各层次内涵不同，不能相加的弊端。马小欣等[33]通过采用熵权法对冀北山区不同生长阶段华北落叶松人工林水源涵养能力进行评价，以说明熵权法在水源涵养评价中的可行性与科学性。本文研究表明，采用熵权法对4种林分类型水源涵养能力进行评价，得出影响水源涵养能力的主要因素有林下草本的植物持水量与枯落物蓄积量。郝姣姣等[34]研究结果也表明，枯落物层蓄积量是影响水源涵养能力的重要指标。但已有大量文献表明，森林土壤是水源涵养的主体，占总降水的60% ~ 70%[35-36]。虽然土壤是森林中最大的贮水库，但土层涵养的水量与土层厚度密切相关，土层越厚，可涵养的水量越多，因此孔隙度和土层厚度是决定涵养量的关键。当土壤层次相对较浅时，林地枯枝落叶层和草本层对林地水源涵养能力的贡献更为凸显。
4. 结 论
4种林分类型植被层的水源涵养能力油松人工林高于其他3种林分类型，最大持水能力为17.79 t/hm2。植被层的水源涵养能力介于6.71 ~ 17.79 t/hm2之间。油松人工林、侧柏人工林主要持水层为乔木层；刺槐人工林中乔灌草的持水能力较均匀；山杨辽东栎次生混交林的主要持水层为草本层。
4种林分类型枯落物层水源涵养能力山杨辽东栎次生混交林高于其他3种人工林，最大持水量为30.49 t/hm2，有效拦蓄量为23.02 t/hm2。枯落物层的最大持水量和有效持水量分别介于4.69 ~ 30.49 t/hm2和2.81 ~ 23.02 t/hm2之间，呈现出相同的变化规律，不同林分类型具体表现为山杨辽东栎次生混交林 > 侧柏人工林 > 刺槐人工林 > 油松人工林。
4种林分类型土壤层水源涵养能力山杨辽东栎次生混交林高于其他3种人工林，最大持水量为3 182.43 t/hm2，非毛管蓄水量为186.70 t/hm2。土壤层的最大持水量和非毛管蓄水量分别介于2 803.5 ~ 3 182.43 t/hm2和94.47 ~ 186.70 t/hm2之间。不同林分类型土壤毛管蓄水量和最大持水量表现为山杨辽东栎次生混交林地 > 油松人工林地 > 侧柏人工林地 > 刺槐人工林地。除山杨辽东栎次生混交林地与油松人工林地持水能力差异不显著外，其余各林地持水能力之间均存在显著差异
熵权法对水源涵养能力进行评价得出，影响水源涵养能力的主要因素为林下草本的最大持水量与枯落物蓄积量。通过各指标权重评价水源涵养晋西黄土区典型林分类型水源涵养能力综合排序结为：山杨辽东栎次生混交林 > 侧柏人工林 > 油松人工林 > 刺槐人工林。说明在相似立地条件下，山杨辽东栎次生混交林地具有更好的水源涵养功能。因此，针对研究区生态现状，在森林植被管护中加强对草本层与枯落物层的保护；此外，在黄土高原营造水土保持林、水源涵养林时，应该采用仿拟自然的植被恢复技术以及封山育林措施，促进拟自然植被和次生植被的恢复。
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图 1 不同林分类型植被层的最大持水量
A.乔木层的最大持水量；B.灌木层的最大持水量；C.草本层的最大持水量。A, maximum water-holding capacity of arbor layer；B, maximum water-holding capacity of shrub layer；C, maximum water-holding capacity of herb layer.
Figure 1. Maximum water-holding capacity characteristics of vegetation layers with different forestlands
表 1 不同林分标准地基本特征
Table 1 Basic features of different research stands
林分类型
Forest type海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)坡向
Slope aspect/(°)林龄/a
Forest age/year平均高度
Mean height/m平均胸径
Mean
DBH/cm密度/(株·hm− 2)
Density/
(plant·ha− 1)郁闭度
Canopy density林下植被盖度
Understory
coverage山杨辽东栎次生混交林
Populus davidiana × Quercus liaotungensis secondary mixed forest (PQ)1 074 30 NE13 26 9.48 10.19 1 475 0.85 0.75 油松人工林
Pinus tabuliformis forest (PT)1 054 30 NE270 25 7.31 12.83 675 0.7 0.15 侧柏人工林
Platycladus orientalis forest (PO)1 001 21 NE330 25 4.87 7.22 1 225 0.7 0.3 刺槐人工林
Robinia pseudoacacia forest (RP)958 15 NE33 24 6.1 9.38 2 505 0.5 0.7 
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表 2 不同林分类型枯落物层的持水能力分析
Table 2 Water-holding capacity characteristics of litter layer in different forestlands
林分类型
Forest type最大持水量/(t·hm− 2)
Maximum water holding capacity/(t·ha− 1)最大持水率
Maximum water holding rate/%有效拦蓄量/(t·hm− 2)
Effective water-holding capacity/(t·ha− 1)未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed layer总计
Total未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed layer平均
Average未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed layer总计
TotalPQ 8.65 21.84 30.49 215.91 190.62 197.17 6.58 16.43 23.02 PT 1.09 3.6 4.69 50.2 119.61 90.6 0.84 1.97 2.81 PO 6.87 11.05 17.92 115.27 146.92 139.59 5.43 7.55 12.98 RP 6.86 7.78 14.64 383.57 284.25 323.48 5.17 5.19 10.36
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表 3 不同林地土壤孔隙状况
Table 3 Soil porosity characteristics with different forestlands
指标
Item土壤深度
Soil depth/cmPQ PT PO RP 总孔隙度
Total soil porosity/%0 ~ 10 56.50 ± 3.17 53.12 ± 1.65 49.63 ± 6.14 44.61 ± 1.53 10 ~ 20 54.58 ± 1.85 53.28 ± 1.60 53.76 ± 2.66 48.41 ± 1.34 20 ~ 30 53.58 ± 0.15 52.18 ± 2.30 48.43 ± 7.41 49.58 ± 2.07 30 ~ 40 51.75 ± 0.52 50.78 ± 4.08 49.91 ± 2.18 46.38 ± 3.43 40 ~ 50 50.00 ± 1.34 55.11 ± 3.42 49.35 ± 0.79 46.27 ± 1.25 50 ~ 60 51.82 ± 0.78 53.19 ± 0.97 48.46 ± 1.33 45.09 ± 0.56 平均值 Mean 53.04 ± 0.62a 52.94 ± 0.74a 49.92 ± 0.72b 46.73 ± 1.19c 毛管孔隙度
Capillary porosity/%0 ~ 10 52.97 ± 2.49 49.82 ± 1.60 47.15 ± 5.67 43.12 ± 1.59 10 ~ 20 50.93 ± 1.08 50.22 ± 2.14 51.29 ± 2.78 46.89 ± 0.99 20 ~ 30 50.72 ± 0.78 49.64 ± 1.84 45.83 ± 7.49 47.95 ± 1.73 30 ~ 40 48.75 ± 0.30 48.05 ± 4.18 47.41 ± 2.27 44.99 ± 3.15 40 ~ 50 47.37 ± 1.31 52.23 ± 3.41 47.65 ± 0.80 44.46 ± 1.56 50 ~ 60 48.83 ± 0.15 50.55 ± 0.28 46.59 ± 1.30 43.50 ± 0.90 平均值 Mean 49.93 ± 0.36a 50.09 ± 0.67a 47.65 ± 0.77b 45.15 ± 1.16c 非毛管孔隙度
Non-capillary porosity/%0 ~ 10 3.54 ± 0.70 3.30 ± 0.21 2.48 ± 0.53 1.49 ± 0.13 10 ~ 20 3.65 ± 0.83 3.05 ± 0.67 2.47 ± 0.45 1.53 ± 0.35 20 ~ 30 2.86 ± 0.65 2.54 ± 0.87 2.61 ± 0.95 1.62 ± 0.40 30 ~ 40 3.00 ± 0.64 2.73 ± 1.31 2.50 ± 0.21 1.40 ± 0.29 40 ~ 50 2.63 ± 0.22 2.88 ± 0.03 1.70 ± 0.18 1.81 ± 0.31 50 ~ 60 2.99 ± 0.68 2.64 ± 1.10 1.87 ± 0.13 1.59 ± 0.47 平均值 Mean 3.11 ± 0.27a 2.86 ± 0.31a 2.27 ± 0.16b 1.57 ± 0.15c 注：同一指标中，不同字母表示不同林分类型差异显著（P < 0.05）。下同。Notes: different capital letters mean significant differences in the same item (P < 0.05). Same as below.
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表 4 不同林地土壤持水能力
Table 4 Water-holding capacity characteristics of soil layers in different forestlands
指标
Item土壤深度
Soil depth/cmPQ PT PO RP 最大蓄水能力/(t·hm− 2)
Maximum water-holding capacity/(t·ha− 1)0 ~ 10 565.03 ± 31.75 531.23 ± 16.51 496.27 ± 61.43 446.13 ± 15.25 10 ~ 20 545.83 ± 18.50 532.77 ± 15.95 537.57 ± 26.59 484.13 ± 13.36 20 ~ 30 535.77 ± 1.46 521.83 ± 23.04 484.33 ± 74.05 495.77 ± 20.69 30 ~ 40 517.53 ± 5.22 507.83 ± 40.84 499.07 ± 21.81 463.83 ± 34.25 40 ~ 50 500.03 ± 13.44 551.10 ± 34.20 493.50 ± 7.91 462.70 ± 12.46 50 ~ 60 518.23 ± 7.75 531.90 ± 9.72 484.57 ± 13.32 450.93 ± 5.59 总蓄水量
Total volume3 182.43 ± 37.3a 3 176.67 ± 44.56a 2 995.30 ± 43.37b 2 803.50 ± 71.27c 毛管蓄水能力/(t·hm− 2)
Capillary water-holding capacity/(t·ha− 1)0 ~ 10 529.67 ± 24.88 498.23 ± 15.96 471.50 ± 56.68 431.2 ± 15.93 10 ~ 20 509.33 ± 10.83 502.23 ± 21.36 512.90 ± 27.79 468.87 ± 9.90 20 ~ 30 507.20 ± 7.76 496.43 ± 18.40 458.27 ± 74.90 479.53 ± 17.28 30 ~ 40 487.50 ± 2.95 480.53 ± 41.84 474.07 ± 22.66 449.87 ± 31.54 40 ~ 50 473.70 ± 13.08 522.27 ± 34.10 476.47 ± 7.98 444.57 ± 15.56 50 ~ 60 488.33 ± 1.50 505.47 ± 2.82 465.90 ± 13.05 435.00 ± 8.98 总蓄水量
Total volume2 995.73 ± 21.44a 3 005.17 ± 40.44a 2 859.10 ± 46.02b 2 709.03 ± 69.63c 非毛管蓄水能力/(t·hm− 2)
Non-capillary water-holding capacity/(t·ha− 1)0 ~ 10 35.37 ± 6.99 33.00 ± 2.14 24.77 ± 5.29 14.93 ± 1.25 10 ~ 20 36.50 ± 8.32 30.53 ± 6.65 24.67 ± 4.45 15.27 ± 3.46 20 ~ 30 28.57 ± 6.48 25.40 ± 8.68 26.07 ± 9.51 16.23 ± 3.97 30 ~ 40 30.03 ± 6.41 27.30 ± 13.08 25.00 ± 2.13 13.97 ± 2.92 40 ~ 50 26.33 ± 2.20 28.83 ± 0.31 17.03 ± 1.82 18.13 ± 3.10 50 ~ 60 29.90 ± 6.81 26.43 ± 10.96 18.67 ± 1.27 15.93 ± 4.70 总蓄水量
Total volume186.70 ± 16.44a 171.50 ± 18.80a 136.20 ± 9.34b 94.47 ± 8.71c
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表 5 基于熵权法计算水源涵养能力各指标权重
Table 5 Weighted value of water-holding capacity indexes in different forestlands
一级指标
Grade I index权重
Weight序号
Serial No.二级指标
Grade II index权重
Weight植被层
Vegetation layer0.524 8 F1 郁闭度 Canopy density/% 0.058 1 F2 密度/(株·hm−2) Density/(plant·ha− 1) 0.074 5 F3 平均树高 Mean tree height/m 0.074 4 F4 平均胸径 Mean DBH/cm 0.065 9 F5 乔木层的最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water-holding capacity of arborous layer/(t·ha− 1) 0.059 6 F6 灌木层的最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water-holding capacity of shrub layer/(t·ha− 1) 0.070 3 F7 草本层的最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water-holding capacity of herb layer/(t·ha− 1) 0.121 9 枯落物层
Litter layer0.245 2 L1 枯落物蓄积量/(t·hm− 2) Litter accumulation/(t·ha− 1) 0.103 4 L2 枯落物最大持水量/(t·hm− 2) Maximum water holding capacity of litter/(t·ha− 1) 0.066 3 L3 枯落物有效拦蓄量/(t·hm− 2) Effective water-holding capacity of litter/(t·ha− 1) 0.075 6 土壤层
Soil layer0.229 9 S1 土壤密度 Soil bulk density/(g·cm− 3) 0.054 8 S2 自然含水量 Natural moisture content/% 0.056 4 S3 毛管孔隙度 Capillary porosity/% 0.058 8 S4 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity/% 0.060 0
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表 6 典型林分类型水源涵养能力综合评价值
Table 6 Comprehensive valuation value of water-holding capacity in different forestlands
项目 Item PQ PT PO RP 水源涵养能力综合评价值
Comprehensive evaluation value of water conservation capacity0.84 0.39 0.42 0.37 排名
Rank1 3 2 4
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