張期奇 董希斌

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

森林生態(tài)系統(tǒng)是全球第二大生態(tài)系統(tǒng)，面積在全球陸地總面積的占比為30%，擁有巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。森林和水文的關(guān)系一直是森林水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，二者之間關(guān)系密切[1-3]。森林經(jīng)過(guò)林冠層截留、樹(shù)干莖流、枯落物層和土壤層持水，對(duì)降水起到攔截和存儲(chǔ)的作用，對(duì)大氣降水進(jìn)行重新分配和調(diào)節(jié)，從而加強(qiáng)森林涵養(yǎng)水源和保持水土的功能[4-6]。森林水文生態(tài)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的重要功能之一，森林的水文過(guò)程包括降雨、降雨攔截、干流、蒸散、地表徑流等，它是一種受森林影響的水分分配和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。關(guān)于森林水文生態(tài)功能的研究較多[7-10]，主要集中在不同植被類型的林冠截留、枯落物持水性能、土壤理化性質(zhì)與土壤持水能力等方面[11-16]。

撫育間伐主要是通過(guò)人工干預(yù)使得森林樹(shù)種的結(jié)構(gòu)更加合理化，同時(shí)確保目的樹(shù)種和長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良的樹(shù)種健康生長(zhǎng)，提高林木質(zhì)量[17]；撫育間伐能夠調(diào)整水文生態(tài)功能和林分結(jié)構(gòu)[18-19]。本文以大興安嶺新林林場(chǎng)為試驗(yàn)區(qū)，按照不同撫育間伐強(qiáng)度設(shè)置12塊樣地，運(yùn)用主成分分析法對(duì)其林冠層、土壤層、枯落物層的17個(gè)水文生態(tài)功能指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，計(jì)算出各樣地的綜合評(píng)價(jià)值，分析撫育間伐強(qiáng)度對(duì)落葉松次生林水文生態(tài)功能的影響，旨在為森林生態(tài)功能研究和評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于大興安嶺地區(qū)新林林業(yè)局新林林場(chǎng)。該林場(chǎng)坐落于大興安嶺伊勒呼里山區(qū)北部，林區(qū)作業(yè)面積達(dá)到143 926 hm2；地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°41′46″～125°25′50″、北緯51°20′8″～52°10′32″，屬于寒溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大。該林區(qū)地勢(shì)較為平緩，一般坡度低于5°，平均海拔1 000 m以上。年平均氣溫-2.6 ℃，年最低氣溫達(dá)-40 ℃(一般出現(xiàn)在1月份上旬)，年最高氣溫達(dá)37 ℃(平均最高氣溫在7月份)；夏季濕潤(rùn)，溫涼多雨；冬季寒冷干燥，多雪少風(fēng)。年平均降水量514 mm，主要集中在6—8月份，且降水分布不均勻；全年降水時(shí)間約為130 d。土壤種類為棕色森林土，平均厚度為17 cm。下木以偃松(Pinuspumila(Pall.) Regel)為主，覆蓋度為30%，地被物以越桔(Vacciniumvitis-idaeaLinn.)為主，多度為66%[20]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

試驗(yàn)樣地設(shè)置在大興安嶺地區(qū)新林林業(yè)局新林林場(chǎng)106、107、108、109林班內(nèi)，2008年進(jìn)行過(guò)撫育間伐作業(yè)。林分類型為天然次生林，平均胸徑16 cm，平均樹(shù)高13 m，林分郁閉度0.6。主要樹(shù)種為興安落葉松(Larixgmelinii)，有少許白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica)、云杉(Piceaasperata)、楊樹(shù)(PopulusL.)。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共設(shè)置了12塊不同撫育間伐強(qiáng)度的樣地(見(jiàn)表1)，每個(gè)樣地的面積為0.06 hm2，即20 m×30 m[21]。

表1 試驗(yàn)地概況

注：樹(shù)種組成中的L代表興安落葉松、B代表白樺、Z代表樟子松、Y代表云杉。

2.2 綜合評(píng)價(jià)過(guò)程與方法

選取17個(gè)水文生態(tài)功能指標(biāo)(測(cè)量與計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[22])，分別為林冠層(穿透雨量、穿透雨率、林冠截留量、林冠截留率、樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率)、土壤層(土壤密度、土壤含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、土壤持水量)、枯落物層(總蓄積量、自然持水率、最大持水率、最大持水量、有效攔蓄量)，對(duì)17個(gè)水文生態(tài)功能指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，然后計(jì)算每塊樣地的綜合得分并進(jìn)行排序，得分越高，則該種模式下水文生態(tài)功能越好。

在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，選取的指標(biāo)太多會(huì)使得評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程過(guò)于繁瑣，評(píng)價(jià)結(jié)果很容易受影響，同時(shí)一些相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行降維顯得尤為重要。主成分分析法是最主要的降維方法之一，用方差衡量信息量，不受數(shù)據(jù)集以外的因素影響；同時(shí)，得到的各主成分間正交，可以消除原始數(shù)據(jù)間相互影響的因素。主成分分析過(guò)程如下：

(2)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行降維，確定主成分。對(duì)各個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值與各指標(biāo)權(quán)重值相乘得到綜合評(píng)價(jià)原始數(shù)據(jù)，記為Yij；用SPSS 17.0軟件處理綜合評(píng)價(jià)原始數(shù)據(jù)(Yij)，根據(jù)結(jié)果選取方差分析累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的前a個(gè)主成分，建立a個(gè)主成分與標(biāo)準(zhǔn)化變量間的關(guān)系，公式為：

Pk=bk1x1+bk2x2+…+bknxn。

(1)

式中：Pk為第k個(gè)主成分(k=1、2、…、a)；bkn為第k個(gè)主成分的因子載荷；xn為樣本的各項(xiàng)指標(biāo)。

(3)確定主成分的權(quán)重。各個(gè)主成分的權(quán)重確定方法為得到的第k個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率和所選取的a個(gè)主成分的總貢獻(xiàn)率比值，見(jiàn)公式(2)。

wk=λk/∑λk，k=1、2、…、a。

(2)

式中：wk為第k個(gè)主成分的權(quán)重；λk為第k個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

(4)構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)函數(shù)。根據(jù)式(1)確定的前a個(gè)主成分與式(2)中得到的權(quán)重建立綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：

F=∑wkPk，k=1、2、…、a。

(3)

式中：F為撫育間伐后的水文生態(tài)功能綜合評(píng)價(jià)值。綜合評(píng)價(jià)值越高，說(shuō)明此改造模式水文生態(tài)功能越好。

3 結(jié)果與分析

主成分選?。河杀?可知，前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了85.369%，且特征值均大于1，滿足主成分分析的要求，因此取前4個(gè)主成分表示12塊不同撫育間伐強(qiáng)度樣地的水文生態(tài)功能。

表2 試驗(yàn)樣地各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)

表3 各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

主成分得分：由表4各主成分因子載荷可知，第一主成分在穿透雨量、穿透雨率、林冠截留量、林冠截留率、樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率、土壤含水率、總蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量上有較大載荷；第二主成分在毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水率上有較大載荷；第三主成分在土壤持水量、自然持水率上有較大載荷；第四主成分在土壤密度、總孔隙度有較大載荷。

綜合評(píng)價(jià)：由公式(2)計(jì)算出各主成分的權(quán)重，依次為0.62、0.19、0.12、0.07；再由公式(3)計(jì)算各樣地綜合評(píng)價(jià)值(見(jiàn)表5)。綜合評(píng)價(jià)值，由大到小依次為P6(25.48%)、P4(19.00%)、P8(34.38%)、P7(27.85%)、P3(16.75%)、P5(20.86%)、CK、P10(47.87%)、P9(40.01%)、P1(6.23%)、P11(51.48%)、P2(13.74%)。結(jié)果可知，25.48%的撫育間伐強(qiáng)度時(shí)，落葉松次生林生態(tài)水文功能最好，說(shuō)明適度的撫育間伐作業(yè)對(duì)大興安嶺天然落葉松次生林的水文生態(tài)功能有促進(jìn)作用，適當(dāng)?shù)膿嵊g伐能夠促進(jìn)林木生長(zhǎng)，促進(jìn)水循環(huán)，有利于樹(shù)木吸收水分，保持水土，增強(qiáng)森林蓄水能力等。

表4 主成分載荷矩陣

4 結(jié)論

本文運(yùn)用主成分分析法，依據(jù)林冠層、土壤層、枯落物層的17個(gè)水文生態(tài)功能指標(biāo)，對(duì)不同撫育間伐強(qiáng)度時(shí)落葉松次生林的水文生態(tài)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分析，結(jié)果表明：

第一主成分，在穿透雨量、穿透雨率、林冠截留量、林冠截留率、樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率、土壤含水率、總蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量上有較大載荷；第二主成分，在毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水率上有較大載荷；第三主成分，在土壤持水量、自然持水率上有較大載荷；第四主成分，在土壤密度、總孔隙度上有較大載荷。

表5 各樣地綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)值，由大到小依次為P6(25.48%)、P4(19.00%)、P8(34.38%)、P7(27.85%)、P3(16.75%)、P5(20.86%)、CK、P10(47.87%)、P9(40.01%)、P1(6.23%)、P11(51.48%)、P2(13.74%)。隨著間伐強(qiáng)度的增加，落葉松次生林水文生態(tài)功能基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，間伐強(qiáng)度大于40.01%或小于13.74%時(shí)綜合評(píng)價(jià)值均小于對(duì)照樣地；而25.48%的撫育間伐強(qiáng)度時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值達(dá)到最大，說(shuō)明此時(shí)落葉松次生林生態(tài)水文功能最好，并且適度的撫育間伐作業(yè)對(duì)大興安嶺天然落葉松次生林的水文生態(tài)功能具有促進(jìn)作用。適當(dāng)?shù)膿嵊g伐能夠促進(jìn)林木生長(zhǎng)，促進(jìn)水循環(huán)，有利于樹(shù)木吸收水分，保持水土，增強(qiáng)森林蓄水能力等。