密云水庫不同林地配置下地表水水質(zhì)狀況分析

王儉成，楊建英，白 麟

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，教育部水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

水源涵養(yǎng)林，是指具有涵養(yǎng)水源、改善水文狀況、調(diào)節(jié)區(qū)域水分循環(huán)、防止河流、湖泊、水庫淤塞，以及保護(hù)可飲水水源為主要目的森林、林木和灌木林。其核心功能是調(diào)節(jié)水量、控制土壤侵蝕和改善水質(zhì)[1]，是國家規(guī)定的5大林種之一防護(hù)林中的二級林種，是發(fā)揮森林涵養(yǎng)水源功能的特殊林種。北京是一個嚴(yán)重缺水的城市，而密云水庫是北京的重要水源地，它為北京市提供了70%左右的生活用水[2]，因此在水源地營造水源涵養(yǎng)林，保護(hù)庫區(qū)生態(tài)環(huán)境，無疑是一項(xiàng)重要舉措。森林水環(huán)境是森林對化學(xué)環(huán)境變化反應(yīng)最直接最敏感的部分，分析森林水環(huán)境的化學(xué)成分及變化，對探索地表水水質(zhì)的變化，水源林凈化水源的作用機(jī)制，都具有重要的作用[3]。本文通過對密云水庫黃各莊村水源涵養(yǎng)林示范區(qū)內(nèi)10種不同造林模式下地表水水質(zhì)狀況的差異分析，探索水源涵養(yǎng)林的造林模式與地表水水質(zhì)的關(guān)系，以便從造林的角度探討如何才能最大限度地發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)和改善水質(zhì)的功能，為密云地區(qū)乃至北京地區(qū)的水源涵養(yǎng)林的經(jīng)營和管理提供理論依據(jù)。

1 研究地概況

密云水庫位于京郊密云縣城北山區(qū)，橫跨潮河、白河主河道，距北京市區(qū)約100km。水源涵養(yǎng)林試驗(yàn)區(qū)位于密云縣太師屯鎮(zhèn)黃各莊村，北緯40°28′，東經(jīng)117°01′，屬于一級水源保護(hù)區(qū)，西鄰密云水庫東岸，地勢東北高，西南低，至密云水庫達(dá)到最低點(diǎn)。氣候類型屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，年平均氣溫10.5℃，多年平均降水量605.5mm，且降雨主要集中在6—8月，占全年降雨量的65%～75%，降水不平衡導(dǎo)致該地區(qū)春末干旱，夏季山洪暴發(fā)，水土流失嚴(yán)重，流失的土壤養(yǎng)分和泥沙最終被沖入水體，造成對水庫的污染。當(dāng)?shù)氐仡愐曰纳綖橹?，植被稀疏，喬木以刺槐（Robiniapseudoacacia）為主，零星分布，灌木以荊條（Vitexnegundo）為主，蓋度為0.1～0.3，山體坡度為20°～25°，海拔200～300m，土壤以褐土為主，坡地土質(zhì)為壤質(zhì)和石礫質(zhì)，溝谷階地則為壤質(zhì)和沙質(zhì)土，土層厚度15～20cm。研究區(qū)以人工植被為主，包括刺槐、側(cè)柏（latycladusorientalis）、山杏（Prunusarmeniaca）等，還有很多經(jīng)濟(jì)林如板栗（Castaneamollissima）、核桃（Juglansregia）、蘋果（Malusdomestica）、梨（Pyrusspp）等[4]。

2 研究方法

2.1 造林模式介紹

試驗(yàn)地共選擇油松（Pinustabuliformis）、側(cè)柏、橡櫟（Quercusacutissima）、板栗、黃櫨（Cotinuscoggygria）、五角楓（Acerelegantulum）、山杏、山桃（Amygdalusdavidiana）、紫穗槐（Amorphafruticosa），荊條、沙棘（Hippophaerhamnoides）、三裂葉繡線菊（Spiraea trilobata）等12個造林樹種，其中針葉樹種1個，闊葉樹種7個，闊葉樹種中經(jīng)濟(jì)樹種2個，灌木4種。按照立地條件相同的原則，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選定10塊區(qū)域，每塊區(qū)域約占地0.67hm2，根據(jù)樹種、混交比例、整地方式的不同，分別配置以不同的造林模式。在每一塊試驗(yàn)地均設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)五孔分流徑流小區(qū)，作徑流、泥沙觀測及水質(zhì)檢測使用。造林模式見表1。

表1 造林模式介紹

2.2 水樣采集

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的氣候特點(diǎn)，采樣時間定在8月份，在密云縣黃各莊村水源涵養(yǎng)林示范區(qū)內(nèi)的10個徑流小區(qū)同時取水，用于水質(zhì)狀況評價。收集桶為清潔的塑料制品，采樣器為清潔的蒸餾水水瓶。取樣時，因集水池水樣已經(jīng)沉淀，因此進(jìn)行均勻攪拌后取水，以最大程度地保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。取樣后放入車載冰箱低溫保存，水樣離心之后測定。

2.3 樣品的測定

pH值使用便攜式pH測量儀測定（GB／T 6920—1986），氨氮測定用紫外可見分光光度計(jì)（GB／T 7479—1987），總磷測定用紫外可見分光光度計(jì)（GB／T 11893—1989），總氮測定用紫外可見分光光度計(jì)（GB／T 11894—1989），總硬度測定采EDTA絡(luò)合滴定法（GB／T 7477—87），溶解性總固體采用數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱測定（GB／T 5750.4—2006），化學(xué)需氧量（CODcr）采 用 重 鉻 酸 鉀 法 測 定 （GB／T 11914—1989）[4]。水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)為地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—88）。

3 結(jié)果與分析

2010年5月份對黃各莊2007年栽植的10塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木檢尺測量，并進(jìn)行存活率統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：各林種的保存率從高到低分別為：五角楓（96.64%）、油松（95.52%）、黃櫨（91.20%）、山桃（81.91%）、側(cè)柏（77.18%）、沙 棘 （59.14%）、板 栗 （51.78%）、橡 櫟（48.81%），可見五角楓、油松、黃櫨的成活率相對較高。各試驗(yàn)地的保存率：1號試驗(yàn)地（96.20%）、2號試驗(yàn)地（92.80%）、3號試驗(yàn)地（78.33%）、4號試驗(yàn)地（93.45%）、5 號 試 驗(yàn) 地 （68.37%）、6 號 試 驗(yàn) 地（87.60%）、7 號 試 驗(yàn) 地 （95.39%）、8 號 試 驗(yàn) 地（85.00%）、9 號 試 驗(yàn) 地 （92.46%）、10 號 試 驗(yàn) 地（68.22%）。其中，第10號樣地樹種成活率較其他地塊的保存率偏低，經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于該地塊靠近農(nóng)地，人為和牲畜破壞較為嚴(yán)重，使得部分苗木嚴(yán)重受損。所采集的水樣中幾種主要化學(xué)指標(biāo)含量分析結(jié)果見表2。

表2 徑流小區(qū)水質(zhì)中幾種主要物質(zhì)的含量

3.1 水質(zhì)基本狀況分析

根據(jù)地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知，1號地與8號地的pH值偏高，超出正常范圍，其他樣地的pH值均符合地面水環(huán)境質(zhì)量要求；各試驗(yàn)地氨氮水平與總磷水平含量符合Ⅱ類水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)；總氮指標(biāo)檢測中，2號地符合Ⅰ類水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，3號、4號、6號、9號、10號指標(biāo)符合Ⅱ類水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，其他試驗(yàn)地指標(biāo)較差，屬于Ⅴ類水；化學(xué)需氧量指標(biāo)中，1號、2號、3號、4號、7號屬于Ⅰ類水，5號、6號、9號、10號屬于Ⅲ類水，8號屬于Ⅳ類水；總硬度與溶解性固體都符合生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

從直觀上看，2號試驗(yàn)地的水質(zhì)條件較好，3號、4號試驗(yàn)地水質(zhì)條件一般，其它試驗(yàn)地水質(zhì)條件較差。由于水質(zhì)量系統(tǒng)是由多種變量組成的，每個變量都只能從單一方面反應(yīng)水質(zhì)質(zhì)量，同時各變量因子之間也有不同程度的相關(guān)性，因此，必須運(yùn)用科學(xué)的方法對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價、判定。目前，水質(zhì)評價分析采用的方法有很多，如有最差因子判別法、灰色關(guān)聯(lián)法、主成分分析法、模糊數(shù)學(xué)法、綜合指數(shù)法等，每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件。使用單個綜合評價方法不足以全面反映水體的水質(zhì)情況，為使分析結(jié)果更具有可信度，故本文使用綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法和灰色關(guān)聯(lián)法[5]這3種綜合評價法對密云水庫地表水水質(zhì)狀況進(jìn)行分析評價。

3.2 綜合指數(shù)法分析

綜合指數(shù)法使用簡單、評價結(jié)果直觀、精確度高，能較完整地反映水質(zhì)的污染程度。該方法是最早用于環(huán)境質(zhì)量評價的一種方法，近幾十年來，這一方法在環(huán)境質(zhì)量評價中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很大的發(fā)展。本文選用等標(biāo)指數(shù)和綜合指數(shù)法[6－7]。以提高評價級別劃分的科學(xué)性。

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用綜合指數(shù)法分析，選取I1（氨氮）、I2（總磷）、I3（總氮）、I4（化學(xué)需氧量）作為該4項(xiàng)指標(biāo)的等標(biāo)分指數(shù)，M為綜合等標(biāo)指數(shù)，根據(jù)M值在地表水水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)中的級別，得出的評價結(jié)果見表3。

表3 綜合指數(shù)法評價結(jié)果

2號、3號、4號、6號、9號、10號試驗(yàn)地水質(zhì)較好，達(dá)到了地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；1號、9號試驗(yàn)地達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)輕度污染；5號、7號試驗(yàn)地屬于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較差（表3）。

3.3 模糊數(shù)學(xué)法分析

模糊數(shù)學(xué)法是水質(zhì)類別評價中最常用的一種方法，由于影響地表水水質(zhì)狀況的因素較多，存在隨機(jī)性，而水質(zhì)評價又存在模糊性，鑒于此，本文采用水質(zhì)評價的模糊概率綜合評價法。該方法把概率統(tǒng)計(jì)與模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，可較為全面的描述水質(zhì)評價中存在的大量的隨機(jī)性和模糊性。模糊數(shù)學(xué)法的運(yùn)算過程如下：選定的水質(zhì)參數(shù)變量有4項(xiàng)，取U＝（氨氮、總磷、總氮、化學(xué)需氧量）；地表水質(zhì)量等級分為5類，取分類集合V＝（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）；設(shè)定各水質(zhì)參數(shù)變量的標(biāo)準(zhǔn)值分別為S1，S2，S3，S4，S5。首先根據(jù)公式求得各水質(zhì)參數(shù)變量的標(biāo)準(zhǔn)均值，然后根據(jù)各水質(zhì)參數(shù)在綜合評價中的權(quán)重求得權(quán)重矩陣A，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，利用公式求得模糊矩陣R，最后對A與R進(jìn)行矩陣運(yùn)算得出隸屬度矩陣Y。根據(jù)最大隸屬度原則，Y中最大隸屬度所對應(yīng)的類別就是水質(zhì)評價類別[8－10]，評價結(jié)果見表4。

表4 不同試驗(yàn)地模糊數(shù)學(xué)法評價結(jié)果

2號、3號、4號試驗(yàn)地的水質(zhì)為Ⅰ類，水質(zhì)優(yōu)良；6號、9號、10號試驗(yàn)地的水質(zhì)為Ⅱ類，水質(zhì)較好；其它水質(zhì)的均為Ⅴ類，水質(zhì)狀況較差（表4）。

3.4 灰色關(guān)聯(lián)法分析

灰色關(guān)聯(lián)法是分析系統(tǒng)中各因素關(guān)聯(lián)程度的方法，是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，以各因素的樣本數(shù)為依據(jù)，根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度衡量因素間的接近程度?；疑P(guān)聯(lián)法具有對樣本要求低、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，因此在環(huán)境質(zhì)量評價、水質(zhì)評價中經(jīng)常用到。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價，主要是用關(guān)聯(lián)度的大小次序進(jìn)行描述，按關(guān)聯(lián)度最大將所評價的水質(zhì)樣本分在相應(yīng)的水質(zhì)類別中[11－12]。分析結(jié)果見表5，2號試驗(yàn)地的水質(zhì)最佳，為Ⅰ類水；其他試驗(yàn)地均為Ⅱ類水，Ⅱ類水質(zhì)中按照最大灰色關(guān)聯(lián)度從大到小排列得出同一級水質(zhì)之間從好到差的順序?yàn)椋?號＞9號＞4號＞10＞3號＞1號＞5號＞8號＞7號（表5）。

表5 不同試驗(yàn)地水質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度分析

3.5 綜合評價結(jié)果與分析

通過運(yùn)用綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)法這3種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，得出水質(zhì)的綜合評價結(jié)果，見表6。

表6 密云徑流小區(qū)水質(zhì)的綜合結(jié)果

由表6可知，2號試驗(yàn)地的水質(zhì)符合《地面水環(huán)境質(zhì)量》GB3838－88的Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)；3號、4號、6號、9號、10號試驗(yàn)地都屬于Ⅱ類水；1號、8號試驗(yàn)地均屬于Ⅲ類水，已經(jīng)被輕度污染；5號、7號試驗(yàn)地屬于Ⅳ類水，屬于重度污染。其中1號、5號、7號、8號試驗(yàn)地水質(zhì)較差的主要原因是總氮含量嚴(yán)重超標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）1號地屬于Ⅲ類水，樹種成活率雖高，但只有油松一個樹種，對比其他試驗(yàn)地改善水質(zhì)功能相對較差，由此可得出混交林改善水質(zhì)的功能要優(yōu)于純林。

（2）5號地屬于Ⅳ類水，水質(zhì)已受到重度污染，原因是5號試驗(yàn)地的水源涵養(yǎng)林林種適地適應(yīng)性較差，不能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐耐寥馈夂驐l件，成活率很低，造成改善水質(zhì)能力很差。

（3）7號、8號試驗(yàn)地水質(zhì)分別屬于Ⅳ、Ⅲ類水，都受到了不同程度的污染，他們的共同點(diǎn)是混交林種中都有五角楓，所以五角楓不適于改善密云庫區(qū)的水質(zhì)問題，且8號試驗(yàn)地的橡櫟成活率極低，并非適地適樹樹種。

（4）2號試驗(yàn)地的水質(zhì)達(dá)到了Ⅰ類水，在所有試驗(yàn)地中改善水質(zhì)的效果最好，且2號試驗(yàn)地的混交樹種油松和黃櫨平均成活率較高，均達(dá)到了90%以上。

本文以密云水庫示范區(qū)內(nèi)10個徑流小區(qū)所采集的地表水為樣本進(jìn)行水質(zhì)分析，找到了密云庫區(qū)改善水質(zhì)最佳的水源涵養(yǎng)林造林模式（油松＋黃櫨，混交比例6∶4），為本地區(qū)的水質(zhì)保護(hù)規(guī)劃和控制措施實(shí)施提供了理論依據(jù)。據(jù)此建議密云太師屯鎮(zhèn)政府可以以2號試驗(yàn)地的造林模式為樣本進(jìn)行大范圍栽植，這對于保護(hù)密云水庫流域水質(zhì)、發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)乃至改善北京飲用水水質(zhì)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

[1]于志民，王禮先.水源涵養(yǎng)林效益研究[M].北京：中國林業(yè)出版社，1999.

[2]韓光輝，王林弟.新時期北京水資源問題研究[J].北京大學(xué)學(xué)報，2000，37（6）：118－126.

[3]歐陽學(xué)軍，周國逸.鼎湖山森林地表水水質(zhì)狀況分析[J].生態(tài)學(xué)報，2002，22（9）：1373－1379.

[4]仇雁翎，陳玲.飲用水水質(zhì)監(jiān)測與分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]張旭臣.水質(zhì)分級評價的模糊數(shù)學(xué)方法研究[J].水文，1998（6）：24－27.

[6]廖為權(quán)，姜齊.水質(zhì)評價的濃度級數(shù)法[J].水文，1992（3）：25－32.

[7]方菊，湛貽勝，童禎恭.綜合指數(shù)法在飲用水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].給水排水工程，2011，29（1）：63－65.

[8]付雁鵬.模糊數(shù)學(xué)在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[M].武漢：華中工學(xué)院出版社，1987.

[9]馬建華，季凡.水質(zhì)評價的模糊概率綜合評價法[J].水文，1994（3）：21－25.

[10]鄢貴權(quán).模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1992，21（2）：30－36.

[11]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢：華中工學(xué)院出版社，1987.

[12]沈珍瑤，謝彤芳.一種改進(jìn)的灰關(guān)聯(lián)分析方法及其在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].水文，1997（3）：13－15.