基于小班調查數據的贛南天然櫧栲林多功能等級評價

李 鵬 ，孫科輝，黃錦程，劉洪生，寧金魁，歐陽勛志，臧 顥*

（1.江西農業大學林學院/鄱陽湖流域森林生態系統保護與修復，江西南昌 330045；2.江西省崇義縣林業局，江西贛州 341300）

【研究意義】隨著人類對森林認識的深入和生態保護的需求，森林多功能經營受到了更多的重視。依據《全國森林經營規劃（2016?2050）》[1]，我國的森林功能可分為林產品供給、生態保護調節、生態文化服務和生態系統支持4類，這些功能在人類社會中發揮著巨大的生態、經濟和社會效益[2]。如何準確評估森林的這些功能，成為了開展森林多功能經營的一個關鍵問題。

【前人研究進展】為準確評估森林功能，很多學者做了大量工作，但多集中于森林的單一功能評價。安寶利等[3]以砒砂巖區的沙棘為研究對象，以層次分析法計量了沙棘林地的水源涵養能力。王艷英等[4]采用主成分分析和聚類分析方法對福州旗山公園中典型森林群落的保健功能進行了評價，明確了大氣含氧量、PM2.5濃度等指標對森林保健功能的影響。Jiang等[5]則采用隨機森林分析了美國東部森林的生產能力。Buhyoff等[6]分析了美國加里福利亞的松類林的風景質量，并量化了林分結構與風景質量的關系。隨著人們對環境認識的提高，多功能森林經營逐步受到人們重視[7?9]，這對如何綜合評價森林的多種功能提出了要求。林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》（LY/T 1721—2008）[10]提供了從涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、凈化大氣、生物多樣性保護等8個方面綜合評估森林生態系統服務功能的方法，很多學者依據該標準對不同的森林類型進行了評估[11?12]，但這些研究中沒有考慮森林的林產品供給功能。為了更全面的評估森林的多種功能，鄧成[13]從森林的生態功能、經濟功能和社會功能3個方面對中國林業科學研究院熱林中心的森林進行了功能評價，并將3方面功能進行累加以實現森林多功能評價，即認為森林3方面的功能具有同等重要性。而從人類利用的角度，森林多種功能之間的重要性并不完全相同[2,14]，因此進行森林多功能評價時，考慮到地域差異及社會需求，有時要考慮不同功能間重要性的差異，常用的方法有層次分析法和主成分分析法。李紅振[15]采用層次分析法對大興安嶺東部地區過伐林的涵養水源功能、生產力功能、碳儲量功能以及生物多樣性功能進行了綜合評價，并對比了3種類型森林的多功能評價值，結果發現針葉林的森林多功能評價值最大，其次是針闊混交林，闊葉林最低。也有一些學者采用主成分分析法進行了森林多功能評價，如：王榮新等[16]以北京市門頭溝區側柏人工林為對象，采用主成分分析法分析了木材生產、防風固沙、涵養水源、風景質量功能，并進行了森林的多功能綜合評價；羅梅等[17]采用主成分分析對福建將樂林場的杉木人工林的風景質量、木材生產、涵水保土能力進行了綜合評價。

【本研究切入點】層次分析法是一種定性與定量相結合的方法，能有效的分析各指標、各種森林功能在評價體系中的權重，但由于判斷矩陣的構造依賴于專家經驗，這給實際應用造成了一定的困難。主成分分析法作為一種多元統計方法，其結果僅依賴于調查數據，相對層次分析法而言更為客觀，便于實際應用。但主成分分析法適用于評價指標間線性相關性很強的情況，但如果指標間的線性關系不強或呈非線性關系，此時若簡單地進行線性處理，則會導致評價結果偏差較大。改進的主成分分析法可以處理指標間的線性關系不強或呈非線性關系的情況[18?19]，可用于森林多功能評價。天然櫧栲林是我國南方天然常綠闊葉林的主要類型之一，對維護國土生態平衡、提高森林質量及保護生物多樣性等方面有著重要作用[20?22]?！緮M解決的關鍵問題】本研究以贛南天然櫧栲林為對象，運用改進的主成分分析法，量化了木材生產、水土保持、形成土壤、風景質量功能，并對森林的多種功能進行綜合評價，以期為天然櫧栲林多功能經營提供依據。

1 研究區概況

研究區位于江西省贛州市崇義縣，屬于南嶺的北端。崇義縣的地理坐標為113°55′E～114°38′E，25°24′N～25°55′N。全縣屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.9 ℃，極端最高39.9 ℃，最低?8 ℃，年均降水量1 603.1 mm，無霜期307 d。全縣總面積2 206.27 km2，主要地貌為低山、丘陵，土壤類型有黃壤、紅壤等。崇義縣屬常綠闊葉林生物氣候帶，主要樹種有絲栗栲（Castanopsis fargesiiFranch.）、米櫧（Castanopsis car?lesii（Hemsl.）Hayata）、杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、馬尾松（Pinus massonianaLamb.）、南酸棗（Choerospondias axillaris（Roxb.）Burtt.et Hill）、苦楝（Melia azedarachL.）等。

2 材料與方法

2.1 數據來源

數據來源于2016年江西省贛州市崇義縣的森林資源二類調查數據，本研究選擇了起源為天然且優勢樹種為櫧栲類的77個喬木林小班進行分析。

2.2 研究方法

本研究采用改進的主成分分析法，對天然櫧栲林的多種功能進行綜合評價。

綜合前人對森林功能評價的結果，發現森林的木材生產、涵養水源、水土保持、風景質量等功能的發揮受森林蓄積量、年齡、平均胸徑、坡度等因子的影響[5,22?27]，因此本研究選取郁閉度、平均年齡、平均胸徑、平均樹高、每公頃蓄積、坡度、土層厚度、腐殖質層厚度、植被總蓋度共9個因子作為森林功能的評價指標。

通過改進的主成分分析法，即：先對原始數據進行對數變換（zij=lnxij），再對變換后的數據進行主成分分析[18?19]。依據各主成分的特征值計算貢獻率，保留貢獻率高的主成分，通過分析各主成分中的主要因子來判斷該主成分所代表的森林功能，最終以特征值為權重計算出各個小班的森林多功能指數。

常見的判斷各主成分中主要因子的方法有特征向量或因子負荷量[28]，本研究選用特征向量判斷各主成分中的主要因子。

如何確定選擇的主成分個數是主成分分析中的一個關鍵，本研究采用置換檢驗[29?30]確定各主成分的顯著性（顯著性水平取0.05），并選擇顯著的主成分進行后續的森林多功能評價。

考慮到最后計算的各功能和多功能指數可能有正有負，為了便于比較和等級劃分，采用歸一化方法對各功能和森林多功能指數進行換算，公式如下[31?32]：

式（1）中：F為各小班森林功能的歸一化值，Yi為第i個小班的森林功能值，Ymin為所有小班中該森林功能的最小值，Ymax為所有小班中該森林功能的最大值。

采用等間距法對小班的森林單一功能及多功能評價結果進行等級劃分，分別為極差（F<0.2）、差（0.2≤F<0.4）、中等（0.4≤F<0.6）、良（0.6≤F<0.8）、優（0.8≤F）5個等級。

3 結果與分析

3.1 主成分分析結果

通過主成分分析得到的各主成分特征值、貢獻率及置換檢驗得到的顯著性結果見表1。可以發現，前4個主成分的特征值都大于1，累計貢獻率達到87.19%，且都顯著（P值均小于0.05），而后續主成分的特征值均較小且均不顯著（P值大于0.05）?？梢哉J為前4個主成分代表研究區天然櫧栲林的多功能水平。

表1 特征值及貢獻率Tab.1 Eigenvalues and contribution rates

置換檢驗中顯著的4個主成分的特征向量如表2所示。由表2可知，在第1主成分中，平均胸徑、平均樹高和每公頃蓄積的系數最高，分別為0.449、0.460和0.485，這3個因子均與森林的木材生產能力有密切關系，因此，可以將第1主成分定為木材生產功能。在第2主成分中，與森林水土保持功能密切的因子，如坡度和植被總蓋度的系數最高，分別為?0.749和0.440，因此，第2主成分可定為水土保持功能。第3主成分中，系數最高的是土層厚度（0.591），其次是腐殖質層厚度（0.565），這與森林形成土壤的能力有關，因此第3主成分可定為形成土壤能力。第4主成分中，系數較高的有平均年齡和平均胸徑，分別為0.608、和0.509，這與森林的風景質量功能具有密切關系，因此第4主成分可定為風景質量功能。

表2 前4個主成分對應的特征向量Tab.2 Eigenvectors for the first 4 principal components

3.2 小班因子與森林功能的耦合關系模型

根據表2，可以構建研究區小班因子與森林功能的耦合關系模型，模型公式如下：

式（2）、（3）、（4）和（5）中：Y1、Y2、Y3、Y4分別表示木材生產功能、水土保持功能、形成土壤能力和風景質量功能，z1～z9為先對數化再中心化后的因子，分別表示坡度、土層厚度、腐殖質層厚度、植被總蓋度、平均年齡、平均胸徑、平均樹高、郁閉度和每公頃蓄積。

以特征值為權重，對每個小班的木材生產、水土保持、形成土壤和風景質量功能進行加權平均，即可計算出各個小班的森林多功能指數，計算方法如下：

式（6）中：Y為各小班森林多功能指數，λ1、λ2、λ3、λ4分別表示前4個主成分對應的特征值（表1），其他變量如前所述。

3.3 森林功能分析

通過構建的模型可以計算出各小班的木材生產、水土保持、形成土壤、風景質量功能和多功能指數。鑒于計算結果正負不一，不利于比較，故對各功能和多功能指數進行歸一化處理，并進行等級劃分。

全部77個小班對應的森林功能等級見表3。可以發現，研究區天然櫧栲林的木材生產、水土保持、形成土壤能力和風景質量能力中，等級為優的小班比例分別為10.39%、36.36%、24.68%和27.27%，等級在中等以下的小班比例分別為38.96%、12.99%、23.38%、5.19%。

依據各小班多功能指數的分級結果，等級為優、良、中等、差、極差的在小班比例分別為20.78%、40.26%、27.27%、7.79%和3.90%。

表3 不同森林功能等級的小班分布情況Tab.3 The distribution of subcompartments under different forest functional levels

4 結論與討論

基于森林資源二類數據，采用改進的主成分分析，在小班層次上量化了贛南天然櫧栲林的木材生產、水土保持、形成土壤、風景質量功能，并對小班的多種功能進行了綜合評價。結果表明，天然櫧栲林的水土保持、形成土壤、風景質量功能很高（功能等級中等以上的小班比例為51.95%～72.73%），木材生產功能較高（功能等級中等及以上的小班比例為61.04%），而綜合考慮4種功能，贛南天然櫧栲林多功能水平很高（功能等級中等以上的小班比例為61.04%）。因此，可以認為贛南天然櫧栲林更適于主導功能為水土保持、形成土壤、風景質量的多功能森林經營。

森林具有著復雜的結構以及多樣的功能，每種功能都是多個因素共同作用的結果。國內外學者對森林結構和功能間的關系進行了很多研究：就木材生產功能而言，一些研究表明胸徑、每公頃蓄積主要的影響因子[14,16?17]；而坡度、植被總蓋度等因子會影響到水力、風力等外營力對地表的侵蝕[25?26,33]，因此被認為是影響水土保持能力的主要因子；腐殖質層厚度、土層厚度等是直接反映森林形成土壤能力大小的因子[2,13]；景觀質量好的林分，其中的樹木一般較粗壯且樹體長勢旺盛[6,34?35]，因此可以認為年齡、胸徑等因子與風景質量功能有關。而這些研究結果也為本研究確定各主成分對應的森林功能提供了依據，因此可以認為采用改進的主成分分析法能較好的進行森林多功能等級評價。需要指出的是森林多功能是相對的，同樣的森林，所處的區域和地理位置不同，森林的價值體現也不同[15]，因此森林多功能的評價指標及權重也應有所改變。

正因為森林結構和功能存在著密切的關系，想要實現森林的功能的最大化，就需要從結構上進行調控，對可調控的因子，需采取有效的經營措施進行調控，才能夠最大限度的發揮森林多功能效益。因此，可制定科學合理的經營措施，調整以實現對天然櫧栲林小班的因子（如：年齡結構、平均胸徑、每公頃蓄積）進行調整，進而最大化森林的多種功能。結合森林所處的環境條件和主導功能的差異，《全國森林經營規劃（2016—2050）》[1]提供了實現森林多功能經營的7種喬木林作業法。依據多功能森林經營的研究實踐，中國林業科學研究院熱林中心總結出7種森林經營類型，并分別給出了全周期經營的作者業法設計案例[2]。

本研究量化小班與森林功能的關系時，只選擇了與森林各種功能關聯性較強的9個因子，假定的因子與功能的關系也是簡單的對數關系，而影響森林功能的因素較多，如溫度、降雨等環境因素[5]、生物多樣性等林分結構因子[36]、經營措施[37]等經營管理因素，且功能與環境因素、結構因子、經營措施間的關系也可能呈現復雜的非線性關系[5,37]，因此需要進一步完善，如引入更多的環境因素、結構因子和經營管理因素，并采用非線性模型或者機器學習構建耦合關系模型。