退耕雷竹林水土保持功能綜合評價(jià)研究

余林 曾偉 熊振宇 肖復(fù)明

摘 要：為了準(zhǔn)確定量評價(jià)退耕雷竹林水土保持功能，利用模糊數(shù)學(xué)和多元統(tǒng)計(jì)分析原理，對不同類型退耕雷竹林的水土保持功能進(jìn)行了綜合評價(jià)。結(jié)果表明，退耕雷竹林地水土保持綜合指數(shù)均大于耕地，其中以（1年生：2年生：3年生：4年生比例為2：3.5：3.5：1+密度為9000～15000株/hm2+施有機(jī)肥30000 kg/hm2和施復(fù)合肥3000 kg/hm2+覆蓋）模式經(jīng)營的退耕雷竹林水土保持綜合指數(shù)最高。此結(jié)果可為雷竹林水土保持功能的調(diào)控提供依據(jù)，對于促進(jìn)雷竹林水土保持功能發(fā)揮具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：退耕還林；雷竹；水土保持功能；綜合評價(jià)

中圖分類號：S715.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號：2013-0675

0 引言

南方紅壤區(qū)（江西、浙江、福建、湖南、廣東、海南6省全部和安徽、湖北長江以南地區(qū)）是中國水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2]。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，南方紅壤區(qū)1990年水土流失總面積為2.49×105 km2，占全區(qū)土地總面積1.141×106 km2的21.8%；至2000年，全區(qū)水土流失面積為1.312×105 km2，占全區(qū)土地總面積17.5%[3]。退耕還林是治理水土流失和土地沙化的重要措施之一[4]，因?yàn)樯质顷懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)的主體，是防止水土流失的積極因素，其多層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以有效地分配雨水，從而減輕洪水災(zāi)害，減少泥沙流失[5-6]。退耕還林是一項(xiàng)長期的、復(fù)雜的生態(tài)工程，其在防風(fēng)固沙、保持水土等方面發(fā)揮了重要的功能[7-8]。隨著退耕還林工程的全面實(shí)施，諸多相關(guān)理論和技術(shù)，特別是退耕還林的生態(tài)效益研究，成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)內(nèi)容[9-10]。

經(jīng)過多年研究實(shí)踐，中國學(xué)者在退耕還林生態(tài)效益評價(jià)研究領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)步，在評價(jià)理論和方法等方面都做了積極有效的探索，效益評價(jià)的方法也日漸科學(xué)和客觀。古麗努爾·沙布爾哈孜[11]、李世榮[12]、王雷濤[13]、王曉光[14]、鐘石強(qiáng)[15]等分別提出了中國西北和長江中上游地區(qū)退耕還林生態(tài)效益的評價(jià)指標(biāo)及指標(biāo)體系，但由于缺乏系統(tǒng)性、全面性，到目前為止，尚未形成一個公認(rèn)的指標(biāo)體系。目前，常用的方法有：專家評估法（特爾菲法）[16]、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析法、等效益替代法、指標(biāo)值法、因子分析法、相對系數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度法[17]、層次分析法[18]。本研究在綜合以上分析方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各單項(xiàng)指標(biāo)的代表性和對退耕雷竹林水土保持功能影響的主導(dǎo)性，采用綜合指數(shù)法對試驗(yàn)區(qū)退耕雷竹林水土保持功能進(jìn)行綜合評價(jià)。

雷竹（Phyllostachy praecox cv. prevernalis）廣泛分布于中國長江以南地區(qū)，隨著其高效經(jīng)營技術(shù)的研究和推廣，栽培面積也在逐年擴(kuò)大。退耕還林工程中種植雷竹林既能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，又能發(fā)揮良好的生態(tài)功能。因此，當(dāng)?shù)厝罕娫谕烁值胤N植雷竹的熱情很高。以往有關(guān)雷竹的研究開展較多，但主要集中在生物學(xué)特性[19]、高效經(jīng)營[20]、光合作用[21]、生產(chǎn)力退化[22]等方面，未見關(guān)于退耕還林工程中雷竹林水土保持功能的報(bào)道。因此，開展退耕雷竹林水土保持功能研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。本研究以未退耕地為對照，對研究區(qū)不同類型退耕雷竹林的水土保持效應(yīng)進(jìn)行綜合評價(jià)，以期為定量、準(zhǔn)確評價(jià)退耕雷竹林水土保持功能，促進(jìn)本區(qū)域退耕還林工程向高效、穩(wěn)定、健康的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時間、地點(diǎn)

本研究設(shè)置在江西省萬年縣大源鎮(zhèn)盤嶺山，屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年均氣溫17.7℃，年降水量1766 mm，年均日照1887.2 h，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，無霜期長。萬年縣林業(yè)用地面積6.46×104 hm2，森林覆蓋率達(dá)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，適合多種農(nóng)作物和亞熱帶植被的生長。研究田間試驗(yàn)于2011年4月—2013年4月進(jìn)行。

自20世紀(jì)90年代末，在國家“退耕還林工程”建設(shè)的積極號召下，針對山區(qū)人均耕地少的實(shí)際，萬年縣開始鼓勵農(nóng)民種植雷竹。目前，全縣雷竹林以農(nóng)戶分散經(jīng)營為主，雷竹產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為其優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，到2012年雷竹種植面積達(dá)到0.67×104 hm2，成為中國第一大雷竹種植縣[23]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

在對研究區(qū)雷竹林詳細(xì)踏查，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶進(jìn)行咨詢訪問、查閱相關(guān)文獻(xiàn)和林業(yè)部門檔案資料的基礎(chǔ)上，開展了退耕雷竹林年齡結(jié)構(gòu)、密度結(jié)構(gòu)、施肥措施、覆蓋措施對竹林筍產(chǎn)量影響研究的前期試驗(yàn)，從年齡結(jié)構(gòu)、密度結(jié)構(gòu)、施肥措施和覆蓋措施這4個因素中選擇了退耕雷竹林高產(chǎn)技術(shù)措施，組合了8種退耕雷竹林結(jié)構(gòu)調(diào)整與林地管理技術(shù)措施（見表1）。選擇立地條件基本相同的地塊，以耕地為對照（CK），在8種經(jīng)營模式退耕雷竹林中開展水土保持監(jiān)測試驗(yàn)。每個標(biāo)準(zhǔn)樣地面積為10 m×10 m，樣地邊界做相應(yīng)標(biāo)識，樣地均進(jìn)行覆蓋措施（覆蓋物為礱糠；厚度為25 cm左右；時間為每年11月下旬—次年4月上旬）。

1.3 研究方法

對標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行每竹檢尺，測定立竹平均胸徑、年齡等指標(biāo)。每年雨季進(jìn)行竹林水文過程觀測，測定林外降雨、林內(nèi)降水、樹干徑流、蒸發(fā)量等指標(biāo)，計(jì)算林冠截留率。在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀分別采集各層土壤，環(huán)刀樣品取3個重復(fù)，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(zhì)；同時分層采集土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤團(tuán)聚體各項(xiàng)指標(biāo)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，并用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行因子分析，以確定各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價(jià)指標(biāo)的選擇

水土保持功能評價(jià)指標(biāo)及對應(yīng)于這些指標(biāo)的權(quán)重共同構(gòu)成水土保持功能評價(jià)指標(biāo)體系。評價(jià)指標(biāo)體系的選擇和建立，是水土保持功能評價(jià)的重要內(nèi)容。本研究選擇林冠截留率（X1）、土壤質(zhì)量含水量（X2）、土壤體積含水量（X3）、土壤容重（X4）、土壤毛管孔隙度（X5）、土壤非毛管孔隙度（X6）、土壤總孔隙度（X7）、土壤通氣性（X8）、土壤排水性能（X9）、>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量（X10）、土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)（X11）、土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（X12）、土壤團(tuán)聚體幾何平均直徑（X13）、土壤結(jié)構(gòu)體破壞率（X14）及水源涵養(yǎng)量（X15）等表征水土保持功能的15個指標(biāo)，采用綜合指數(shù)法進(jìn)行退耕雷竹林水土保持功能定量綜合評價(jià)。

對水土保持功能的綜合評價(jià)首先要對各評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣狀況進(jìn)行評價(jià)。由于水土保持功能因子變化具有模糊性和連續(xù)性，故各評價(jià)指標(biāo)采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)，并從主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)性，確定隸屬度函數(shù)分布的升降性。隸屬函數(shù)實(shí)際上是評價(jià)指標(biāo)與水土保持效應(yīng)曲線之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，由于各評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測數(shù)值量綱不同，取值范圍各異，隸屬函數(shù)可以將各評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)變?yōu)?～1之間的無量綱值（即隸屬度），即實(shí)現(xiàn)對各水土保持功能因子的量綱歸一化。本研究通過公式（1）～（2）計(jì)算各林分水土保持功能因子的隸屬度值。

對于與水土保持功能成負(fù)效應(yīng)的因子，采用公式（1）處理：

F（Xi）=（Ximax-Xij）/（Ximax-Ximin）…（1）

而對于與水土保持功能成正效應(yīng)的因子，采用公式（2）處理：

F（Xi）=（Xij-Ximin）/（Ximax-Ximin）…（2）

式中：F（Xi）—轉(zhuǎn)化后因子的隸屬度值；Xij—第i項(xiàng)因子平均值；Ximax—第i項(xiàng)因子中的最大值；Ximin—第i項(xiàng)因子中的最小值。

2.2 評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

如何確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，是綜合評價(jià)的又一關(guān)鍵問題。目前權(quán)重確定的方法有：專家評估法（德爾菲法）、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析法、等效益替代法、指標(biāo)值法、主分量分析法、因子分析法、相對系數(shù)法和層次分析法等。為避免人為影響，本研究采用多元統(tǒng)計(jì)分析中的因子分析法來計(jì)算各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的公因子方差（共同度），通過計(jì)算各個指標(biāo)公因子方差占其公因子方差總和的比例（百分?jǐn)?shù)），將其所占比例轉(zhuǎn)換為0～1之間的數(shù)值，作為各個單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，所有指標(biāo)權(quán)重之和應(yīng)為1或100%。因子分析結(jié)果表明（表2），前3個公因子對于總方差的累積貢獻(xiàn)率達(dá)92.40%，再經(jīng)公因子旋轉(zhuǎn)得公因子載荷矩陣，通過計(jì)算得主要綜合評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

2.3 水土保持功能綜合評價(jià)分析

水土保持功能是眾多評價(jià)指標(biāo)的綜合作用，因此需要將單因素評價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為由各評價(jià)因子構(gòu)成的水土保持功能綜合評價(jià)。本研究根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加乘法原則，由公式（3）求出水土保持功能綜合指數(shù)。

F=∑[Wi×F（Xi）]…（3）

式中：F—水土保持功能綜合指數(shù)；Wi—各水土保持功能因子的權(quán)重，反映各評價(jià)指標(biāo)的重要性；F（Xi）—各水土保持功能因子的隸屬度值，反映各評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣；i—評價(jià)指標(biāo)的個數(shù)。

利用公式（3），將各林分歸一化數(shù)據(jù)與相應(yīng)權(quán)重相乘，即可得退耕雷竹林水土保持綜合指數(shù)。圖1為不同類型退耕雷竹林水土保持綜合指數(shù)。

從圖1可以看出，不同類型退耕雷竹林水土保持綜合指數(shù)均大于對照（0.3750），其中T5最大，為0.7636，其次是T6，為0.7549，T4最小，為0.4893，說明年齡結(jié)構(gòu)和密度結(jié)構(gòu)對退耕雷竹林的水土保持功能產(chǎn)生影響較大，施肥措施會影響退耕雷竹林的水土保持功能。T5經(jīng)營模式能夠提高雷竹林的水土保持功能，其水土保持綜合指數(shù)比CK提高了103.64%，比退耕雷竹林水土保持綜合指數(shù)平均值提高了19.26%。本研究提出的退耕雷竹林水土保持功能監(jiān)測評價(jià)技術(shù)體系能較好地評價(jià)退耕雷竹林的水土保持功能。

3 結(jié)論與討論

水土流失是目前人類生存和可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大環(huán)境問題，人類對土地資源的不合理利用，加速了土壤侵蝕過程。中國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，水土流失是中國各種生態(tài)問題的集中表現(xiàn)，又是導(dǎo)致生態(tài)進(jìn)一步惡化和貧困的根源[24]。退耕還林工程中種植雷竹是個很好的探索，本研究水土保持功能評價(jià)體系能夠比較客觀地反映退耕雷竹林的水土保持功能，具有一定的科學(xué)性、客觀性和可操作性，對江西省退耕還林工程中雷竹林的水土保持功能評價(jià)具有一定的參考價(jià)值。本研究表明，退耕雷竹林在（1年生：2年生：3年生：4年生比例為2：3.5：3.5：1+密度為9000～ 15000株/hm2+施有機(jī)肥30000 kg/hm2和施復(fù)合肥3000 kg/hm2+覆蓋）的模式經(jīng)營下水土保持功能最佳。但是，由于退耕雷竹林水土保持功能的評價(jià)與調(diào)控是一個十分復(fù)雜的問題，本研究僅僅是一個初步的嘗試，旨在探索中小尺度水平上評價(jià)雷竹林水土保持功能的方法，關(guān)于雷竹林水土保持功能調(diào)控和維持技術(shù)仍需要進(jìn)行深入研究。

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致謝：感謝萬年縣林業(yè)局在外業(yè)調(diào)查中給予的幫助。