退耕雷竹林水土保持功能影響因素的灰色關聯分析

余 林，曾 偉，肖復明，熊振宇，徐海寧

(江西省林業科學院，江西 南昌330032)

0 前言

森林是陸地生態系統的主體，是防止水土流失的積極因素，其多層次的復雜結構可以有效地分配雨水，從而減輕洪水災害，減少泥沙流失［1，2］。影響森林生態系統水土保持功能的因子眾多，且交織并存，互為影響，它們之間的關系很難確定主次關系，其變化有一定的隨機性。因此，探討森林生態系統水土保持功能與其影響因子之間關系是水土保持研究中的重要課題。灰色關聯分析是根據因素之間發展態勢的相似或相異程度來衡量因素間關聯程度的一種方法，已廣泛應用于工程控制、經濟管理、生態系統和農業系統等領域［3，4］。

雷竹(Phyllostachy praecox cv.prevernalis)廣泛分布于我國長江以南地區，隨著其高效經營技術的研究和推廣，栽培面積也在逐年擴大。退耕還林工程中種植雷竹林既能產生顯著的經濟效益，又能發揮良好的生態功能，因此林農在退耕林地種植雷竹的熱情很高。以往有關雷竹的研究開展較多，但主要集中在生產力退化［5］、生物學特性［6］、高效經營［7］、光合作用［8］等方面，未見關于退耕還林工程中雷竹林水土保持功能影響因素的報道。退耕雷竹林水土保持功能受到氣象、地質、植被、土壤等眾多因素的綜合影響，因此為深入了解退耕雷竹林水土保持功能與其影響因子的關系，本文對14個影響因子進行了監測，并采用灰色關聯度分析方法［9］，找出退耕雷竹林水土保持功能的主要影響因子，以期為退耕雷竹林水土保持功能評價提供理論依據。

1 研究方法

1.1 標準地設置

本研究樣地設置在江西省萬年縣大源鎮盤嶺山，屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年均氣溫17.7℃，年降水量1 766.9 mm，年均日照1 887.2 h，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，無霜期長。萬年縣林業用地面積6.46×104hm2，森林覆蓋率達64.2%。土壤以水稻土為主，紅壤、湖土次之，并有少量的紫色土和紅色灰土［10］。

自20世紀90年代末，在國家“退耕還林工程”建設的積極號召下，針對山區人均耕地少的實際，萬年縣開始鼓勵農民種植雷竹。目前，全縣雷竹林以農戶分散經營為主，雷竹產業已經成為其優勢產業，到2012年雷竹種植面積達到0.67 ×104hm2，成為中國第一大雷竹種植縣［11］。本研究選擇立地條件基本相同而經營類型不同的9塊退耕雷竹林，開展水土保持監測試驗。每個標準樣地面積為10 m×10 m，樣地邊界做相應標識，樣地均進行覆蓋措施。

1.2 研究方法

對標準樣地進行每竹檢尺，測定立竹平均胸徑、年齡等指標。每年雨季進行竹林水文過程觀測，測定林外降雨、林內降水、樹干徑流、蒸發量等指標，計算林冠截留率［11］。在各標準樣地內坡面上部、中部和下部分別挖60 cm深土壤剖面，按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層用100 cm3標準環刀分別采集各層土壤，環刀樣品取3個重復，以備測定土壤含水狀況、土壤容重、土壤孔隙狀況、通氣性及排水性能等土壤水分－物理性質;同時分層采集土壤樣品，帶回實驗室測定土壤團聚體各項指標。退耕雷竹林水土保持功能影響因子及其代號見表1。

表1 退耕雷竹林水土保持影響因子及代號

1.3 灰色關聯系數和關聯度的計算方法

設參考數列為X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(n)}，被比較數列為Xi={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)}，i=1，2，…，m，則實數

稱為Xi對于X0在k點的關聯系數。

ρ為分辨系數，是0與1之間的某一取定的數，ρ值不同，關聯系數的取值不同，一般取ρ= 0.5［12，13］，并定義Xi對于X0的關聯度為:

比較r1，r2，…，rm的大小，便得到關聯序。

2 結果與分析

2.1 監測數據的標準化處理

由于各影響因素數量級差懸殊，所以對原始數據進行預處理。原始數據的預處理有初始化變換、均值化變換、標準化變換、百分比變換以及極差變換等多種方法，本文采用極差變換法:

即從各影響因素原始數據列中分別找出其最大值和最小值，再代入式(3)求得對應的新數列，結果見表2。

表2 退耕雷竹林水土保持功能影響因子變換后的數據

按照公式△i(k)=|X0(k)－Xi(k)|，求得X0與Xi各對應點極差。本文取ρ=0.5計算關聯系數和關聯度，并得到關聯序，計算結果列于表3。

2.2 灰色關聯分析

從表3可以看出，按照關聯度大小排列的關聯序為:r1＞r4＞r11＞r3＞r6＞r10＞r7＞r9＞r12＞r8＞r2＞r13＞r14＞r5，即林分平均胸徑(X1)對退耕雷竹林水土保持功能的影響最大，其次是土壤體積含水量(X4)和＞0.25 mm土壤團聚體含量(X11)，土壤質量含水量(X3)和土壤毛管孔隙度(X6)與退耕雷竹林水土保持功能也有一定的關系，土壤容重(X5)影響最小。也就是說，林分平均胸徑越大、土壤體積含水量和＞0.25 mm土壤團聚體含量越高的退耕雷竹林，其水土保持功能越佳。

3 結論

水土保持是關系到人類生存與發展的重大問題，森林生態系統在水土保持方面起著重要的作用，探討森林生態系統水土保持功能與其影響因子之間的關系顯得尤其重要。何東進［14］等運用人工神經網絡方法建立了水土流失模擬預測模型，為水土保持的研究提供了一個新的方法。影響森林生態系統水土保持功能的因子很多，因素之間關系比較復雜，特別是表面的現象、隨機性的變化會掩蓋其本質，使得在分析關鍵因子時得不到全面的信息。這些灰色的因素主要是灰色的關聯性在起作用，運用灰色關聯分析方法分析關鍵因子已有不少報道［3，15］，且均能夠取得符合實際情況的結果［16，17］。

表3 參考數列與各比較數列關聯系數和關聯度

由于長期過度的毀林開荒和不合理的經營管理，以及獨特的地形地貌、植被和氣象等自然條件，使江西省成為我國南方水土流失較為嚴重的省份［18］。為減少水土流失，1999年江西省響應國家號召廣泛開展退耕還林工程。退耕還林工程中種植雷竹是個很好的探索，既考慮生態效益又兼顧經濟效益。本文研究結果表明，影響退耕雷竹林水土保持功能的主要因子為林分平均胸徑。雷竹林分平均胸徑在一定程度上代表著雷竹林的生長水平，也是影響雷竹林(筍)產量的重要測樹因子之一。雷竹林分生長良好能夠有效防止雨滴直接擊濺地表、改良土壤結構、增加土壤孔隙，改善林內生態環境，增強雷竹林的水土保持功能。可見，合理的經營措施既能夠實現雷竹林豐產、高產和穩產，又能夠發揮其水土保持功能。這一結果具有一定的科學性和客觀性，對于江西省退耕還林工程中雷竹林的水土保持功能評價具有一定的參考價值。

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