退耕雷竹林水土保持功能影响因素的灰色关联分析

2014-04-04肖复明熊振宇徐海宁

江西科学 2014年2期

余林，曾伟，肖复明，熊振宇，徐海宁

(江西省林业科学院，江西南昌330032)

0 前言

森林是陆地生态系统的主体，是防止水土流失的积极因素，其多层次的复杂结构可以有效地分配雨水，从而减轻洪水灾害，减少泥沙流失［1，2］。影响森林生态系统水土保持功能的因子众多，且交织并存，互为影响，它们之间的关系很难确定主次关系，其变化有一定的随机性。因此，探讨森林生态系统水土保持功能与其影响因子之间关系是水土保持研究中的重要课题。灰色关联分析是根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间关联程度的一种方法，已广泛应用于工程控制、经济管理、生态系统和农业系统等领域［3，4］。

雷竹(Phyllostachy praecox cv.prevernalis)广泛分布于我国长江以南地区，随着其高效经营技术的研究和推广，栽培面积也在逐年扩大。退耕还林工程中种植雷竹林既能产生显著的经济效益，又能发挥良好的生态功能，因此林农在退耕林地种植雷竹的热情很高。以往有关雷竹的研究开展较多，但主要集中在生产力退化［5］、生物学特性［6］、高效经营［7］、光合作用［8］等方面，未见关于退耕还林工程中雷竹林水土保持功能影响因素的报道。退耕雷竹林水土保持功能受到气象、地质、植被、土壤等众多因素的综合影响，因此为深入了解退耕雷竹林水土保持功能与其影响因子的关系，本文对14个影响因子进行了监测，并采用灰色关联度分析方法［9］，找出退耕雷竹林水土保持功能的主要影响因子，以期为退耕雷竹林水土保持功能评价提供理论依据。

1 研究方法

1.1 标准地设置

本研究样地设置在江西省万年县大源镇盘岭山，属亚热带湿润性季风气候，年均气温17.7℃，年降水量1 766.9 mm，年均日照1 887.2 h，气候温和，光照充足，雨量充沛，无霜期长。万年县林业用地面积6.46×104hm2，森林覆盖率达64.2%。土壤以水稻土为主，红壤、湖土次之，并有少量的紫色土和红色灰土［10］。

自20世纪90年代末，在国家“退耕还林工程”建设的积极号召下，针对山区人均耕地少的实际，万年县开始鼓励农民种植雷竹。目前，全县雷竹林以农户分散经营为主，雷竹产业已经成为其优势产业，到2012年雷竹种植面积达到0.67 ×104hm2，成为中国第一大雷竹种植县［11］。本研究选择立地条件基本相同而经营类型不同的9块退耕雷竹林，开展水土保持监测试验。每个标准样地面积为10 m×10 m，样地边界做相应标识，样地均进行覆盖措施。

1.2 研究方法

对标准样地进行每竹检尺，测定立竹平均胸径、年龄等指标。每年雨季进行竹林水文过程观测，测定林外降雨、林内降水、树干径流、蒸发量等指标，计算林冠截留率［11］。在各标准样地内坡面上部、中部和下部分别挖60 cm深土壤剖面，按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层用100 cm3标准环刀分别采集各层土壤，环刀样品取3个重复，以备测定土壤含水状况、土壤容重、土壤孔隙状况、通气性及排水性能等土壤水分－物理性质;同时分层采集土壤样品，带回实验室测定土壤团聚体各项指标。退耕雷竹林水土保持功能影响因子及其代号见表1。

表1 退耕雷竹林水土保持影响因子及代号

1.3 灰色关联系数和关联度的计算方法

设参考数列为X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(n)}，被比较数列为Xi={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)}，i=1，2，…，m，则实数

称为Xi对于X0在k点的关联系数。

ρ为分辨系数，是0与1之间的某一取定的数，ρ值不同，关联系数的取值不同，一般取ρ= 0.5［12，13］，并定义Xi对于X0的关联度为:

比较r1，r2，…，rm的大小，便得到关联序。

2 结果与分析

2.1 监测数据的标准化处理

由于各影响因素数量级差悬殊，所以对原始数据进行预处理。原始数据的预处理有初始化变换、均值化变换、标准化变换、百分比变换以及极差变换等多种方法，本文采用极差变换法:

即从各影响因素原始数据列中分别找出其最大值和最小值，再代入式(3)求得对应的新数列，结果见表2。

表2 退耕雷竹林水土保持功能影响因子变换后的数据

按照公式△i(k)=|X0(k)－Xi(k)|，求得X0与Xi各对应点极差。本文取ρ=0.5计算关联系数和关联度，并得到关联序，计算结果列于表3。

2.2 灰色关联分析

从表3可以看出，按照关联度大小排列的关联序为:r1＞r4＞r11＞r3＞r6＞r10＞r7＞r9＞r12＞r8＞r2＞r13＞r14＞r5，即林分平均胸径(X1)对退耕雷竹林水土保持功能的影响最大，其次是土壤体积含水量(X4)和＞0.25 mm土壤团聚体含量(X11)，土壤质量含水量(X3)和土壤毛管孔隙度(X6)与退耕雷竹林水土保持功能也有一定的关系，土壤容重(X5)影响最小。也就是说，林分平均胸径越大、土壤体积含水量和＞0.25 mm土壤团聚体含量越高的退耕雷竹林，其水土保持功能越佳。

3 结论

水土保持是关系到人类生存与发展的重大问题，森林生态系统在水土保持方面起着重要的作用，探讨森林生态系统水土保持功能与其影响因子之间的关系显得尤其重要。何东进［14］等运用人工神经网络方法建立了水土流失模拟预测模型，为水土保持的研究提供了一个新的方法。影响森林生态系统水土保持功能的因子很多，因素之间关系比较复杂，特别是表面的现象、随机性的变化会掩盖其本质，使得在分析关键因子时得不到全面的信息。这些灰色的因素主要是灰色的关联性在起作用，运用灰色关联分析方法分析关键因子已有不少报道［3，15］，且均能够取得符合实际情况的结果［16，17］。

表3 参考数列与各比较数列关联系数和关联度

由于长期过度的毁林开荒和不合理的经营管理，以及独特的地形地貌、植被和气象等自然条件，使江西省成为我国南方水土流失较为严重的省份［18］。为减少水土流失，1999年江西省响应国家号召广泛开展退耕还林工程。退耕还林工程中种植雷竹是个很好的探索，既考虑生态效益又兼顾经济效益。本文研究结果表明，影响退耕雷竹林水土保持功能的主要因子为林分平均胸径。雷竹林分平均胸径在一定程度上代表着雷竹林的生长水平，也是影响雷竹林(笋)产量的重要测树因子之一。雷竹林分生长良好能够有效防止雨滴直接击溅地表、改良土壤结构、增加土壤孔隙，改善林内生态环境，增强雷竹林的水土保持功能。可见，合理的经营措施既能够实现雷竹林丰产、高产和稳产，又能够发挥其水土保持功能。这一结果具有一定的科学性和客观性，对于江西省退耕还林工程中雷竹林的水土保持功能评价具有一定的参考价值。

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