抚育间伐强度对落叶松次生林水文生态功能的影响1)

张期奇 董希斌

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

森林生态系统是全球第二大生态系统，面积在全球陆地总面积的占比为30%，拥有巨大的社会、经济和生态效益。森林和水文的关系一直是森林水文学研究的热点问题之一，二者之间关系密切[1-3]。森林经过林冠层截留、树干茎流、枯落物层和土壤层持水，对降水起到拦截和存储的作用，对大气降水进行重新分配和调节，从而加强森林涵养水源和保持水土的功能[4-6]。森林水文生态功能是森林生态系统生态功能的重要功能之一，森林的水文过程包括降雨、降雨拦截、干流、蒸散、地表径流等，它是一种受森林影响的水分分配和运动过程。关于森林水文生态功能的研究较多[7-10]，主要集中在不同植被类型的林冠截留、枯落物持水性能、土壤理化性质与土壤持水能力等方面[11-16]。

抚育间伐主要是通过人工干预使得森林树种的结构更加合理化，同时确保目的树种和长势优良的树种健康生长，提高林木质量[17]；抚育间伐能够调整水文生态功能和林分结构[18-19]。本文以大兴安岭新林林场为试验区，按照不同抚育间伐强度设置12块样地，运用主成分分析法对其林冠层、土壤层、枯落物层的17个水文生态功能指标进行综合分析，计算出各样地的综合评价值，分析抚育间伐强度对落叶松次生林水文生态功能的影响，旨在为森林生态功能研究和评价提供参考。

1 研究区概况

试验区位于大兴安岭地区新林林业局新林林场。该林场坐落于大兴安岭伊勒呼里山区北部，林区作业面积达到143 926 hm2；地理坐标为东经123°41′46″～125°25′50″、北纬51°20′8″～52°10′32″，属于寒温带大陆性气候，昼夜温差大。该林区地势较为平缓，一般坡度低于5°，平均海拔1 000 m以上。年平均气温-2.6 ℃，年最低气温达-40 ℃(一般出现在1月份上旬)，年最高气温达37 ℃(平均最高气温在7月份)；夏季湿润，温凉多雨；冬季寒冷干燥，多雪少风。年平均降水量514 mm，主要集中在6—8月份，且降水分布不均匀；全年降水时间约为130 d。土壤种类为棕色森林土，平均厚度为17 cm。下木以偃松(Pinuspumila(Pall.) Regel)为主，覆盖度为30%，地被物以越桔(Vacciniumvitis-idaeaLinn.)为主，多度为66%[20]。

2 研究方法

2.1 样地设置

试验样地设置在大兴安岭地区新林林业局新林林场106、107、108、109林班内，2008年进行过抚育间伐作业。林分类型为天然次生林，平均胸径16 cm，平均树高13 m，林分郁闭度0.6。主要树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)，有少许白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica)、云杉(Piceaasperata)、杨树(PopulusL.)。在试验区内共设置了12块不同抚育间伐强度的样地(见表1)，每个样地的面积为0.06 hm2，即20 m×30 m[21]。

表1 试验地概况

注：树种组成中的L代表兴安落叶松、B代表白桦、Z代表樟子松、Y代表云杉。

2.2 综合评价过程与方法

选取17个水文生态功能指标(测量与计算方法见文献[22])，分别为林冠层(穿透雨量、穿透雨率、林冠截留量、林冠截留率、树干径流量、树干径流率)、土壤层(土壤密度、土壤含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、土壤持水量)、枯落物层(总蓄积量、自然持水率、最大持水率、最大持水量、有效拦蓄量)，对17个水文生态功能指标进行主成分分析，然后计算每块样地的综合得分并进行排序，得分越高，则该种模式下水文生态功能越好。

在进行综合评价时，选取的指标太多会使得评价计算过程过于繁琐，评价结果很容易受影响，同时一些相关性较强的指标会造成评价结果不准确，因此，对评价指标进行降维显得尤为重要。主成分分析法是最主要的降维方法之一，用方差衡量信息量，不受数据集以外的因素影响；同时，得到的各主成分间正交，可以消除原始数据间相互影响的因素。主成分分析过程如下：

(2)对指标进行降维，确定主成分。对各个指标标准化值与各指标权重值相乘得到综合评价原始数据，记为Yij；用SPSS 17.0软件处理综合评价原始数据(Yij)，根据结果选取方差分析累计贡献率≥85%的前a个主成分，建立a个主成分与标准化变量间的关系，公式为：

Pk=bk1x1+bk2x2+…+bknxn。

(1)

式中：Pk为第k个主成分(k=1、2、…、a)；bkn为第k个主成分的因子载荷；xn为样本的各项指标。

(3)确定主成分的权重。各个主成分的权重确定方法为得到的第k个主成分的贡献率和所选取的a个主成分的总贡献率比值，见公式(2)。

wk=λk/∑λk，k=1、2、…、a。

(2)

式中：wk为第k个主成分的权重；λk为第k个主成分的贡献率。

(4)构造综合评价函数。根据式(1)确定的前a个主成分与式(2)中得到的权重建立综合评价函数：

F=∑wkPk，k=1、2、…、a。

(3)

式中：F为抚育间伐后的水文生态功能综合评价值。综合评价值越高，说明此改造模式水文生态功能越好。

3 结果与分析

主成分选取：由表3可知，前4个主成分累计贡献率达到了85.369%，且特征值均大于1，满足主成分分析的要求，因此取前4个主成分表示12块不同抚育间伐强度样地的水文生态功能。

表2 试验样地各项指标标准化后数据

表3 各主成分的特征值和贡献率

主成分得分：由表4各主成分因子载荷可知，第一主成分在穿透雨量、穿透雨率、林冠截留量、林冠截留率、树干径流量、树干径流率、土壤含水率、总蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量上有较大载荷；第二主成分在毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水率上有较大载荷；第三主成分在土壤持水量、自然持水率上有较大载荷；第四主成分在土壤密度、总孔隙度有较大载荷。

综合评价：由公式(2)计算出各主成分的权重，依次为0.62、0.19、0.12、0.07；再由公式(3)计算各样地综合评价值(见表5)。综合评价值，由大到小依次为P6(25.48%)、P4(19.00%)、P8(34.38%)、P7(27.85%)、P3(16.75%)、P5(20.86%)、CK、P10(47.87%)、P9(40.01%)、P1(6.23%)、P11(51.48%)、P2(13.74%)。结果可知，25.48%的抚育间伐强度时，落叶松次生林生态水文功能最好，说明适度的抚育间伐作业对大兴安岭天然落叶松次生林的水文生态功能有促进作用，适当的抚育间伐能够促进林木生长，促进水循环，有利于树木吸收水分，保持水土，增强森林蓄水能力等。

表4 主成分载荷矩阵

4 结论

本文运用主成分分析法，依据林冠层、土壤层、枯落物层的17个水文生态功能指标，对不同抚育间伐强度时落叶松次生林的水文生态功能进行综合评价与分析，结果表明：

第一主成分，在穿透雨量、穿透雨率、林冠截留量、林冠截留率、树干径流量、树干径流率、土壤含水率、总蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量上有较大载荷；第二主成分，在毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水率上有较大载荷；第三主成分，在土壤持水量、自然持水率上有较大载荷；第四主成分，在土壤密度、总孔隙度上有较大载荷。

表5 各样地综合评价

综合评价值，由大到小依次为P6(25.48%)、P4(19.00%)、P8(34.38%)、P7(27.85%)、P3(16.75%)、P5(20.86%)、CK、P10(47.87%)、P9(40.01%)、P1(6.23%)、P11(51.48%)、P2(13.74%)。随着间伐强度的增加，落叶松次生林水文生态功能基本呈现先增大后减小的趋势，间伐强度大于40.01%或小于13.74%时综合评价值均小于对照样地；而25.48%的抚育间伐强度时，综合评价值达到最大，说明此时落叶松次生林生态水文功能最好，并且适度的抚育间伐作业对大兴安岭天然落叶松次生林的水文生态功能具有促进作用。适当的抚育间伐能够促进林木生长，促进水循环，有利于树木吸收水分，保持水土，增强森林蓄水能力等。