退耕雷竹林水土保持功能综合评价研究

余林 曾伟 熊振宇 肖复明

摘 要：为了准确定量评价退耕雷竹林水土保持功能，利用模糊数学和多元统计分析原理，对不同类型退耕雷竹林的水土保持功能进行了综合评价。结果表明，退耕雷竹林地水土保持综合指数均大于耕地，其中以（1年生：2年生：3年生：4年生比例为2：3.5：3.5：1+密度为9000～15000株/hm2+施有机肥30000 kg/hm2和施复合肥3000 kg/hm2+覆盖）模式经营的退耕雷竹林水土保持综合指数最高。此结果可为雷竹林水土保持功能的调控提供依据，对于促进雷竹林水土保持功能发挥具有重要的现实意义。

关键词：退耕还林；雷竹；水土保持功能；综合评价

中图分类号：S715.7 文献标志码：A 论文编号：2013-0675

0 引言

南方红壤区（江西、浙江、福建、湖南、广东、海南6省全部和安徽、湖北长江以南地区）是中国水土流失严重的地区之一[1-2]。根据调查统计，南方红壤区1990年水土流失总面积为2.49×105 km2，占全区土地总面积1.141×106 km2的21.8%；至2000年，全区水土流失面积为1.312×105 km2，占全区土地总面积17.5%[3]。退耕还林是治理水土流失和土地沙化的重要措施之一[4]，因为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[5-6]。退耕还林是一项长期的、复杂的生态工程，其在防风固沙、保持水土等方面发挥了重要的功能[7-8]。随着退耕还林工程的全面实施，诸多相关理论和技术，特别是退耕还林的生态效益研究，成为当今学术界研究的重点内容[9-10]。

经过多年研究实践，中国学者在退耕还林生态效益评价研究领域取得了较大的进步，在评价理论和方法等方面都做了积极有效的探索，效益评价的方法也日渐科学和客观。古丽努尔·沙布尔哈孜[11]、李世荣[12]、王雷涛[13]、王晓光[14]、钟石强[15]等分别提出了中国西北和长江中上游地区退耕还林生态效益的评价指标及指标体系，但由于缺乏系统性、全面性，到目前为止，尚未形成一个公认的指标体系。目前，常用的方法有：专家评估法（特尔菲法）[16]、频数统计分析法、等效益替代法、指标值法、因子分析法、相对系数法、灰色关联度法[17]、层次分析法[18]。本研究在综合以上分析方法优缺点的基础上，根据各单项指标的代表性和对退耕雷竹林水土保持功能影响的主导性，采用综合指数法对试验区退耕雷竹林水土保持功能进行综合评价。

雷竹（Phyllostachy praecox cv. prevernalis）广泛分布于中国长江以南地区，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，当地群众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，但主要集中在生物学特性[19]、高效经营[20]、光合作用[21]、生产力退化[22]等方面，未见关于退耕还林工程中雷竹林水土保持功能的报道。因此，开展退耕雷竹林水土保持功能研究具有重要的理论和实践意义。本研究以未退耕地为对照，对研究区不同类型退耕雷竹林的水土保持效应进行综合评价，以期为定量、准确评价退耕雷竹林水土保持功能，促进本区域退耕还林工程向高效、稳定、健康的可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

本研究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1766 mm，年均日照1887.2 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6.46×104 hm2，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，适合多种农作物和亚热带植被的生长。研究田间试验于2011年4月—2013年4月进行。

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0.67×104 hm2，成为中国第一大雷竹种植县[23]。

1.2 标准地设置

在对研究区雷竹林详细踏查，对当地农户进行咨询访问、查阅相关文献和林业部门档案资料的基础上，开展了退耕雷竹林年龄结构、密度结构、施肥措施、覆盖措施对竹林笋产量影响研究的前期试验，从年龄结构、密度结构、施肥措施和覆盖措施这4个因素中选择了退耕雷竹林高产技术措施，组合了8种退耕雷竹林结构调整与林地管理技术措施（见表1）。选择立地条件基本相同的地块，以耕地为对照（CK），在8种经营模式退耕雷竹林中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（覆盖物为砻糠；厚度为25 cm左右；时间为每年11月下旬—次年4月上旬）。

1.3 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。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。

1.4 统计分析

用Excel进行数据处理和图表绘制，并用SPSS统计软件进行因子分析，以确定各评价指标权重。

2 结果与分析

2.1 评价指标的选择

水土保持功能评价指标及对应于这些指标的权重共同构成水土保持功能评价指标体系。评价指标体系的选择和建立，是水土保持功能评价的重要内容。本研究选择林冠截留率（X1）、土壤质量含水量（X2）、土壤体积含水量（X3）、土壤容重（X4）、土壤毛管孔隙度（X5）、土壤非毛管孔隙度（X6）、土壤总孔隙度（X7）、土壤通气性（X8）、土壤排水性能（X9）、>0.25 mm土壤团聚体含量（X10）、土壤团聚体分形维数（X11）、土壤团聚体平均重量直径（X12）、土壤团聚体几何平均直径（X13）、土壤结构体破坏率（X14）及水源涵养量（X15）等表征水土保持功能的15个指标，采用综合指数法进行退耕雷竹林水土保持功能定量综合评价。

对水土保持功能的综合评价首先要对各评价指标的优劣状况进行评价。由于水土保持功能因子变化具有模糊性和连续性，故各评价指标采用连续性质的隶属度函数，并从主成分因子负荷量值的正负性，确定隶属度函数分布的升降性。隶属函数实际上是评价指标与水土保持效应曲线之间的数学关系表达式，由于各评价指标的实测数值量纲不同，取值范围各异，隶属函数可以将各评价指标标准化，转变为0～1之间的无量纲值（即隶属度），即实现对各水土保持功能因子的量纲归一化。本研究通过公式（1）～（2）计算各林分水土保持功能因子的隶属度值。

对于与水土保持功能成负效应的因子，采用公式（1）处理：

F（Xi）=（Ximax-Xij）/（Ximax-Ximin）…（1）

而对于与水土保持功能成正效应的因子，采用公式（2）处理：

F（Xi）=（Xij-Ximin）/（Ximax-Ximin）…（2）

式中：F（Xi）—转化后因子的隶属度值；Xij—第i项因子平均值；Ximax—第i项因子中的最大值；Ximin—第i项因子中的最小值。

2.2 评价指标的权重

如何确定各评价指标的权重，是综合评价的又一关键问题。目前权重确定的方法有：专家评估法（德尔菲法）、频数统计分析法、等效益替代法、指标值法、主分量分析法、因子分析法、相对系数法和层次分析法等。为避免人为影响，本研究采用多元统计分析中的因子分析法来计算各项评价指标的公因子方差（共同度），通过计算各个指标公因子方差占其公因子方差总和的比例（百分数），将其所占比例转换为0～1之间的数值，作为各个单项评价指标的权重值，所有指标权重之和应为1或100%。因子分析结果表明（表2），前3个公因子对于总方差的累积贡献率达92.40%，再经公因子旋转得公因子载荷矩阵，通过计算得主要综合评价指标的权重值。

2.3 水土保持功能综合评价分析

水土保持功能是众多评价指标的综合作用，因此需要将单因素评价结果转化为由各评价因子构成的水土保持功能综合评价。本研究根据模糊数学中的加乘法原则，由公式（3）求出水土保持功能综合指数。

F=∑[Wi×F（Xi）]…（3）

式中：F—水土保持功能综合指数；Wi—各水土保持功能因子的权重，反映各评价指标的重要性；F（Xi）—各水土保持功能因子的隶属度值，反映各评价指标的优劣；i—评价指标的个数。

利用公式（3），将各林分归一化数据与相应权重相乘，即可得退耕雷竹林水土保持综合指数。图1为不同类型退耕雷竹林水土保持综合指数。

从图1可以看出，不同类型退耕雷竹林水土保持综合指数均大于对照（0.3750），其中T5最大，为0.7636，其次是T6，为0.7549，T4最小，为0.4893，说明年龄结构和密度结构对退耕雷竹林的水土保持功能产生影响较大，施肥措施会影响退耕雷竹林的水土保持功能。T5经营模式能够提高雷竹林的水土保持功能，其水土保持综合指数比CK提高了103.64%，比退耕雷竹林水土保持综合指数平均值提高了19.26%。本研究提出的退耕雷竹林水土保持功能监测评价技术体系能较好地评价退耕雷竹林的水土保持功能。

3 结论与讨论

水土流失是目前人类生存和可持续发展所面临的重大环境问题，人类对土地资源的不合理利用，加速了土壤侵蚀过程。中国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失是中国各种生态问题的集中表现，又是导致生态进一步恶化和贫困的根源[24]。退耕还林工程中种植雷竹是个很好的探索，本研究水土保持功能评价体系能够比较客观地反映退耕雷竹林的水土保持功能，具有一定的科学性、客观性和可操作性，对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。本研究表明，退耕雷竹林在（1年生：2年生：3年生：4年生比例为2：3.5：3.5：1+密度为9000～ 15000株/hm2+施有机肥30000 kg/hm2和施复合肥3000 kg/hm2+覆盖）的模式经营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评价与调控是一个十分复杂的问题，本研究仅仅是一个初步的尝试，旨在探索中小尺度水平上评价雷竹林水土保持功能的方法，关于雷竹林水土保持功能调控和维持技术仍需要进行深入研究。

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致谢：感谢万年县林业局在外业调查中给予的帮助。