密云水庫不同林地配置下地表水水質狀況分析

王儉成，楊建英，白 麟

（北京林業大學 水土保持學院，教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京100083）

水源涵養林，是指具有涵養水源、改善水文狀況、調節區域水分循環、防止河流、湖泊、水庫淤塞，以及保護可飲水水源為主要目的森林、林木和灌木林。其核心功能是調節水量、控制土壤侵蝕和改善水質[1]，是國家規定的5大林種之一防護林中的二級林種，是發揮森林涵養水源功能的特殊林種。北京是一個嚴重缺水的城市，而密云水庫是北京的重要水源地，它為北京市提供了70%左右的生活用水[2]，因此在水源地營造水源涵養林，保護庫區生態環境，無疑是一項重要舉措。森林水環境是森林對化學環境變化反應最直接最敏感的部分，分析森林水環境的化學成分及變化，對探索地表水水質的變化，水源林凈化水源的作用機制，都具有重要的作用[3]。本文通過對密云水庫黃各莊村水源涵養林示范區內10種不同造林模式下地表水水質狀況的差異分析，探索水源涵養林的造林模式與地表水水質的關系，以便從造林的角度探討如何才能最大限度地發揮森林的水源涵養和改善水質的功能，為密云地區乃至北京地區的水源涵養林的經營和管理提供理論依據。

1 研究地概況

密云水庫位于京郊密云縣城北山區，橫跨潮河、白河主河道，距北京市區約100km。水源涵養林試驗區位于密云縣太師屯鎮黃各莊村，北緯40°28′，東經117°01′，屬于一級水源保護區，西鄰密云水庫東岸，地勢東北高，西南低，至密云水庫達到最低點。氣候類型屬于暖溫帶半濕潤季風性氣候，年平均氣溫10.5℃，多年平均降水量605.5mm，且降雨主要集中在6—8月，占全年降雨量的65%～75%，降水不平衡導致該地區春末干旱，夏季山洪暴發，水土流失嚴重，流失的土壤養分和泥沙最終被沖入水體，造成對水庫的污染。當地地類以荒山為主，植被稀疏，喬木以刺槐（Robiniapseudoacacia）為主，零星分布，灌木以荊條（Vitexnegundo）為主，蓋度為0.1～0.3，山體坡度為20°～25°，海拔200～300m，土壤以褐土為主，坡地土質為壤質和石礫質，溝谷階地則為壤質和沙質土，土層厚度15～20cm。研究區以人工植被為主，包括刺槐、側柏（latycladusorientalis）、山杏（Prunusarmeniaca）等，還有很多經濟林如板栗（Castaneamollissima）、核桃（Juglansregia）、蘋果（Malusdomestica）、梨（Pyrusspp）等[4]。

2 研究方法

2.1 造林模式介紹

試驗地共選擇油松（Pinustabuliformis）、側柏、橡櫟（Quercusacutissima）、板栗、黃櫨（Cotinuscoggygria）、五角楓（Acerelegantulum）、山杏、山桃（Amygdalusdavidiana）、紫穗槐（Amorphafruticosa），荊條、沙棘（Hippophaerhamnoides）、三裂葉繡線菊（Spiraea trilobata）等12個造林樹種，其中針葉樹種1個，闊葉樹種7個，闊葉樹種中經濟樹種2個，灌木4種。按照立地條件相同的原則，在試驗區內選定10塊區域，每塊區域約占地0.67hm2，根據樹種、混交比例、整地方式的不同，分別配置以不同的造林模式。在每一塊試驗地均設計建造標準五孔分流徑流小區，作徑流、泥沙觀測及水質檢測使用。造林模式見表1。

表1 造林模式介紹

2.2 水樣采集

根據試驗區的氣候特點，采樣時間定在8月份，在密云縣黃各莊村水源涵養林示范區內的10個徑流小區同時取水，用于水質狀況評價。收集桶為清潔的塑料制品，采樣器為清潔的蒸餾水水瓶。取樣時，因集水池水樣已經沉淀，因此進行均勻攪拌后取水，以最大程度地保證數據的真實性和可靠性。取樣后放入車載冰箱低溫保存，水樣離心之后測定。

2.3 樣品的測定

pH值使用便攜式pH測量儀測定（GB／T 6920—1986），氨氮測定用紫外可見分光光度計（GB／T 7479—1987），總磷測定用紫外可見分光光度計（GB／T 11893—1989），總氮測定用紫外可見分光光度計（GB／T 11894—1989），總硬度測定采EDTA絡合滴定法（GB／T 7477—87），溶解性總固體采用數顯鼓風干燥箱測定（GB／T 5750.4—2006），化學需氧量（CODcr）采 用 重 鉻 酸 鉀 法 測 定 （GB／T 11914—1989）[4]。水質評價標準為地面水環境質量標準（GB3838—88）。

3 結果與分析

2010年5月份對黃各莊2007年栽植的10塊標準地進行每木檢尺測量，并進行存活率統計。結果表明：各林種的保存率從高到低分別為：五角楓（96.64%）、油松（95.52%）、黃櫨（91.20%）、山桃（81.91%）、側柏（77.18%）、沙 棘 （59.14%）、板 栗 （51.78%）、橡 櫟（48.81%），可見五角楓、油松、黃櫨的成活率相對較高。各試驗地的保存率：1號試驗地（96.20%）、2號試驗地（92.80%）、3號試驗地（78.33%）、4號試驗地（93.45%）、5 號 試 驗 地 （68.37%）、6 號 試 驗 地（87.60%）、7 號 試 驗 地 （95.39%）、8 號 試 驗 地（85.00%）、9 號 試 驗 地 （92.46%）、10 號 試 驗 地（68.22%）。其中，第10號樣地樹種成活率較其他地塊的保存率偏低，經實地調查發現，由于該地塊靠近農地，人為和牲畜破壞較為嚴重，使得部分苗木嚴重受損。所采集的水樣中幾種主要化學指標含量分析結果見表2。

表2 徑流小區水質中幾種主要物質的含量

3.1 水質基本狀況分析

根據地面水環境質量標準可知，1號地與8號地的pH值偏高，超出正常范圍，其他樣地的pH值均符合地面水環境質量要求；各試驗地氨氮水平與總磷水平含量符合Ⅱ類水環境標準；總氮指標檢測中，2號地符合Ⅰ類水環境標準，3號、4號、6號、9號、10號指標符合Ⅱ類水環境標準，其他試驗地指標較差，屬于Ⅴ類水；化學需氧量指標中，1號、2號、3號、4號、7號屬于Ⅰ類水，5號、6號、9號、10號屬于Ⅲ類水，8號屬于Ⅳ類水；總硬度與溶解性固體都符合生活飲用水水源水質標準限值的Ⅰ類水質標準。

從直觀上看，2號試驗地的水質條件較好，3號、4號試驗地水質條件一般，其它試驗地水質條件較差。由于水質量系統是由多種變量組成的，每個變量都只能從單一方面反應水質質量，同時各變量因子之間也有不同程度的相關性，因此，必須運用科學的方法對水質進行綜合評價、判定。目前，水質評價分析采用的方法有很多，如有最差因子判別法、灰色關聯法、主成分分析法、模糊數學法、綜合指數法等，每種方法都有各自的優缺點和使用條件。使用單個綜合評價方法不足以全面反映水體的水質情況，為使分析結果更具有可信度，故本文使用綜合指數法、模糊數學法和灰色關聯法[5]這3種綜合評價法對密云水庫地表水水質狀況進行分析評價。

3.2 綜合指數法分析

綜合指數法使用簡單、評價結果直觀、精確度高，能較完整地反映水質的污染程度。該方法是最早用于環境質量評價的一種方法，近幾十年來，這一方法在環境質量評價中得到了廣泛的應用，并取得了很大的發展。本文選用等標指數和綜合指數法[6－7]。以提高評價級別劃分的科學性。

通過對實驗數據運用綜合指數法分析，選取I1（氨氮）、I2（總磷）、I3（總氮）、I4（化學需氧量）作為該4項指標的等標分指數，M為綜合等標指數，根據M值在地表水水質分類標準中的級別，得出的評價結果見表3。

表3 綜合指數法評價結果

2號、3號、4號、6號、9號、10號試驗地水質較好，達到了地面水環境質量標準Ⅱ類水標準；1號、9號試驗地達到Ⅲ類水標準，水質輕度污染；5號、7號試驗地屬于Ⅳ類水標準，水質較差（表3）。

3.3 模糊數學法分析

模糊數學法是水質類別評價中最常用的一種方法，由于影響地表水水質狀況的因素較多，存在隨機性，而水質評價又存在模糊性，鑒于此，本文采用水質評價的模糊概率綜合評價法。該方法把概率統計與模糊數學進行了有機結合，可較為全面的描述水質評價中存在的大量的隨機性和模糊性。模糊數學法的運算過程如下：選定的水質參數變量有4項，取U＝（氨氮、總磷、總氮、化學需氧量）；地表水質量等級分為5類，取分類集合V＝（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）；設定各水質參數變量的標準值分別為S1，S2，S3，S4，S5。首先根據公式求得各水質參數變量的標準均值，然后根據各水質參數在綜合評價中的權重求得權重矩陣A，并根據實測數據，利用公式求得模糊矩陣R，最后對A與R進行矩陣運算得出隸屬度矩陣Y。根據最大隸屬度原則，Y中最大隸屬度所對應的類別就是水質評價類別[8－10]，評價結果見表4。

表4 不同試驗地模糊數學法評價結果

2號、3號、4號試驗地的水質為Ⅰ類，水質優良；6號、9號、10號試驗地的水質為Ⅱ類，水質較好；其它水質的均為Ⅴ類，水質狀況較差（表4）。

3.4 灰色關聯法分析

灰色關聯法是分析系統中各因素關聯程度的方法，是一種多因素統計分析方法，以各因素的樣本數為依據，根據因素之間發展態勢的相似或相異程度衡量因素間的接近程度。灰色關聯法具有對樣本要求低、計算量小等優點，因此在環境質量評價、水質評價中經常用到。運用灰色關聯法進行水質綜合評價，主要是用關聯度的大小次序進行描述，按關聯度最大將所評價的水質樣本分在相應的水質類別中[11－12]。分析結果見表5，2號試驗地的水質最佳，為Ⅰ類水；其他試驗地均為Ⅱ類水，Ⅱ類水質中按照最大灰色關聯度從大到小排列得出同一級水質之間從好到差的順序為：6號＞9號＞4號＞10＞3號＞1號＞5號＞8號＞7號（表5）。

表5 不同試驗地水質灰色關聯度分析

3.5 綜合評價結果與分析

通過運用綜合指數法、模糊數學法、灰色關聯法這3種方法對數據進行綜合分析后，得出水質的綜合評價結果，見表6。

表6 密云徑流小區水質的綜合結果

由表6可知，2號試驗地的水質符合《地面水環境質量》GB3838－88的Ⅰ級標準；3號、4號、6號、9號、10號試驗地都屬于Ⅱ類水；1號、8號試驗地均屬于Ⅲ類水，已經被輕度污染；5號、7號試驗地屬于Ⅳ類水，屬于重度污染。其中1號、5號、7號、8號試驗地水質較差的主要原因是總氮含量嚴重超標。

4 結論

（1）1號地屬于Ⅲ類水，樹種成活率雖高，但只有油松一個樹種，對比其他試驗地改善水質功能相對較差，由此可得出混交林改善水質的功能要優于純林。

（2）5號地屬于Ⅳ類水，水質已受到重度污染，原因是5號試驗地的水源涵養林林種適地適應性較差，不能適應當地的土壤、氣候條件，成活率很低，造成改善水質能力很差。

（3）7號、8號試驗地水質分別屬于Ⅳ、Ⅲ類水，都受到了不同程度的污染，他們的共同點是混交林種中都有五角楓，所以五角楓不適于改善密云庫區的水質問題，且8號試驗地的橡櫟成活率極低，并非適地適樹樹種。

（4）2號試驗地的水質達到了Ⅰ類水，在所有試驗地中改善水質的效果最好，且2號試驗地的混交樹種油松和黃櫨平均成活率較高，均達到了90%以上。

本文以密云水庫示范區內10個徑流小區所采集的地表水為樣本進行水質分析，找到了密云庫區改善水質最佳的水源涵養林造林模式（油松＋黃櫨，混交比例6∶4），為本地區的水質保護規劃和控制措施實施提供了理論依據。據此建議密云太師屯鎮政府可以以2號試驗地的造林模式為樣本進行大范圍栽植，這對于保護密云水庫流域水質、發展當地經濟乃至改善北京飲用水水質都具有重要的現實意義和應用價值。

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