張期奇 董希斌

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，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、經(jīng)濟和生態(tài)效益。森林和水文的關系一直是森林水文學研究的熱點問題之一，二者之間關系密切[1-3]。森林經(jīng)過林冠層截留、樹干莖流、枯落物層和土壤層持水，對降水起到攔截和存儲的作用，對大氣降水進行重新分配和調(diào)節(jié)，從而加強森林涵養(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動過程。關于森林水文生態(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人工干預使得森林樹種的結構更加合理化，同時確保目的樹種和長勢優(yōu)良的樹種健康生長，提高林木質(zhì)量[17]；撫育間伐能夠調(diào)整水文生態(tài)功能和林分結構[18-19]。本文以大興安嶺新林林場為試驗區(qū)，按照不同撫育間伐強度設置12塊樣地，運用主成分分析法對其林冠層、土壤層、枯落物層的17個水文生態(tài)功能指標進行綜合分析，計算出各樣地的綜合評價值，分析撫育間伐強度對落葉松次生林水文生態(tài)功能的影響，旨在為森林生態(tài)功能研究和評價提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于大興安嶺地區(qū)新林林業(yè)局新林林場。該林場坐落于大興安嶺伊勒呼里山區(qū)北部，林區(qū)作業(yè)面積達到143 926 hm2；地理坐標為東經(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-40 ℃(一般出現(xiàn)在1月份上旬)，年最高氣溫達37 ℃(平均最高氣溫在7月份)；夏季濕潤，溫涼多雨；冬季寒冷干燥，多雪少風。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 樣地設置

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

表1 試驗地概況

注：樹種組成中的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 綜合評價過程與方法

選取17個水文生態(tài)功能指標(測量與計算方法見文獻[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、樹干徑流量、樹干徑流率)、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17個水文生態(tài)功能指標進行主成分分析，然后計算每塊樣地的綜合得分并進行排序，得分越高，則該種模式下水文生態(tài)功能越好。

在進行綜合評價時，選取的指標太多會使得評價計算過程過于繁瑣，評價結果很容易受影響，同時一些相關性較強的指標會造成評價結果不準確，因此，對評價指標進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，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。主成分分析過程如下：

(2)對指標進行降維，確定主成分。對各個指標標準化值與各指標權重值相乘得到綜合評價原始數(shù)據(jù)，記為Yij；用SPSS 17.0軟件處理綜合評價原始數(shù)據(jù)(Yij)，根據(jù)結果選取方差分析累計貢獻率≥85%的前a個主成分，建立a個主成分與標準化變量間的關系，公式為：

Pk=bk1x1+bk2x2+…+bknxn。

(1)

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

(3)確定主成分的權重。各個主成分的權重確定方法為得到的第k個主成分的貢獻率和所選取的a個主成分的總貢獻率比值，見公式(2)。

wk=λk/∑λk，k=1、2、…、a。

(2)

式中：wk為第k個主成分的權重；λk為第k個主成分的貢獻率。

(4)構造綜合評價函數(shù)。根據(jù)式(1)確定的前a個主成分與式(2)中得到的權重建立綜合評價函數(shù)：

F=∑wkPk，k=1、2、…、a。

(3)

式中：F為撫育間伐后的水文生態(tài)功能綜合評價值。綜合評價值越高，說明此改造模式水文生態(tài)功能越好。

3 結果與分析

主成分選?。河杀?可知，前4個主成分累計貢獻率達到了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個主成分表示12塊不同撫育間伐強度樣地的水文生態(tài)功能。

表2 試驗樣地各項指標標準化后數(shù)據(jù)

表3 各主成分的特征值和貢獻率

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、樹干徑流量、樹干徑流率、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。

綜合評價：由公式(2)計算出各主成分的權重，依次為0.62、0.19、0.12、0.07；再由公式(3)計算各樣地綜合評價值(見表5)。綜合評價值，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%)。結果可知，25.48%的撫育間伐強度時，落葉松次生林生態(tài)水文功能最好，說明適度的撫育間伐作業(yè)對大興安嶺天然落葉松次生林的水文生態(tài)功能有促進作用，適當?shù)膿嵊g伐能夠促進林木生長，促進水循環(huán)，有利于樹木吸收水分，保持水土，增強森林蓄水能力等。

表4 主成分載荷矩陣

4 結論

本文運用主成分分析法，依據(jù)林冠層、土壤層、枯落物層的17個水文生態(tài)功能指標，對不同撫育間伐強度時落葉松次生林的水文生態(tài)功能進行綜合評價與分析，結果表明：

第一主成分，在穿透雨量、穿透雨率、林冠截留量、林冠截留率、樹干徑流量、樹干徑流率、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 各樣地綜合評價

綜合評價值，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，間伐強度大于40.01%或小于13.74%時綜合評價值均小于對照樣地；而25.48%的撫育間伐強度時，綜合評價值達到最大，說明此時落葉松次生林生態(tài)水文功能最好，并且適度的撫育間伐作業(yè)對大興安嶺天然落葉松次生林的水文生態(tài)功能具有促進作用。適當?shù)膿嵊g伐能夠促進林木生長，促進水循環(huán)，有利于樹木吸收水分，保持水土，增強森林蓄水能力等。