賈玉珍，張 鑫，周建華

(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；2.中江縣林業(yè)局，四川 中江 618100)

基于主成分分析法的蜀柏毒蛾災(zāi)害發(fā)生影響因子篩選研究

賈玉珍1，張 鑫2，周建華1

(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；2.中江縣林業(yè)局，四川 中江 618100)

以中江縣蜀柏毒蛾發(fā)生區(qū)為研究對(duì)象，探討主成分分析方法在篩選影響因子中的作用。選取影響蜀柏毒蛾危害的12個(gè)生態(tài)因子，通過(guò)主成分篩選和優(yōu)化，劃分蜀柏毒蛾危害區(qū)域，并采用GIS進(jìn)行直觀展示。研究得到3個(gè)主成分，分別代表立地因子、環(huán)境關(guān)系因子和林分因子，貢獻(xiàn)量分別為35.274%、20.544%、14.897%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為70.715%，基本保留了12個(gè)生態(tài)因子的絕大部分信息。按主成分綜合得分值大小，采用自然斷點(diǎn)分類法將中江縣蜀柏毒蛾危害劃分為常發(fā)區(qū)、偶發(fā)區(qū)和安全區(qū)，與歷年發(fā)生趨勢(shì)一致。并用ArcGIS軟件以繼光鄉(xiāng)為例進(jìn)行了展示。結(jié)果表明，主成分分析可以優(yōu)化蜀柏毒蛾危害綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，GIS可直觀顯示危害程度。古店鄉(xiāng)、繼光鄉(xiāng)、回龍鄉(xiāng)等以蜀柏毒蛾常發(fā)區(qū)為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

主成分分析；蜀柏毒蛾；影響因子

蜀柏毒蛾(Parocneriaorienta(Chao，1978))是四川省柏木林區(qū)非常嚴(yán)重的一種森林蟲害，有效控制蜀柏毒蛾發(fā)生與危害是各縣乃至四川省森林防治長(zhǎng)期以來(lái)努力的目標(biāo)。蜀柏毒蛾種群是森林生態(tài)系統(tǒng)組成的一部分，其發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)受到眾多因素的影響嚴(yán)重，如蜀柏毒蛾生物學(xué)特性[1]、氣候因素[2]、生態(tài)因子[3]等多方面，其中蜀柏毒蛾本身的生物學(xué)特性、氣候等因素難以人為改變，但是人們可以通過(guò)調(diào)整群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、立地類型等生態(tài)因子。如果能確定影響蜀柏毒蛾危害的關(guān)鍵生態(tài)因子，將能更有針對(duì)性、更高效的控制蜀柏毒蛾的災(zāi)害。

生態(tài)因素包含很多因子，各因子對(duì)蜀柏毒蛾災(zāi)害的影響并不是孤立的存在，每個(gè)因子的影響程度也不相同，多因子之間還存在相關(guān)性，如何有效篩選影響蜀柏毒蛾災(zāi)害主要因子是分析問(wèn)題的關(guān)鍵。本研究以四川省中江縣柏木生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)主成分分析法優(yōu)化篩選蜀柏毒蛾危害的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，客觀描述柏木林蜀柏毒蛾危害分布特征，為制訂科學(xué)預(yù)防蜀柏毒蛾危害策略提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中江縣位于四川盆地西北部，介于東經(jīng)104°26′15″～105°11′15″，北緯30°31′00″～31°17′30″之間，林地總面積為 60 275.65 hm2，其中柏木林面積為 51 574.15 hm2，占總林分的85.9%。中江縣柏木林面積比重大，加上林分組成單一，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，人類干擾嚴(yán)重，是四川省蜀柏毒蛾危害的常發(fā)縣。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

調(diào)查數(shù)據(jù)：結(jié)合中江縣林業(yè)有害生物普查和中江縣森林資源調(diào)查，在中江縣范圍內(nèi)設(shè)置了柏木標(biāo)準(zhǔn)地小班32個(gè)，采用燈誘調(diào)查；設(shè)置有效踏查小班28個(gè)，采用線路調(diào)查方法。分別記錄各小班蜀柏毒蛾危害情況，同時(shí)記錄小班單株蟲口密度、郁閉度、平均樹高、平均胸徑、群落結(jié)構(gòu)等因子。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)：包括道路、居民地、行政區(qū)劃、小班分布等要素的資源矢量數(shù)據(jù)以及1∶1萬(wàn)地形圖的數(shù)字等高線和遙感圖。

1.3 研究方法

(1)空間數(shù)據(jù)疊加提?。和ㄟ^(guò)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)疊加分析，提取各小班坡度、坡向、海拔、坡位等數(shù)據(jù)，計(jì)算小班質(zhì)心點(diǎn)與道路、水系、居民點(diǎn)的距離(最近距離值)[4]。

(2)數(shù)據(jù)分析方法：數(shù)據(jù)的量化計(jì)算中因變量Y為危害程度，自變量X項(xiàng)中包括坡度(X1)、坡向(X2)、海拔(X3)、坡位(X4)、林分郁閉度(X5)、平均樹高(X6)、平均胸徑(X7)、道路距離(X8)、水系距離(X9)、居民點(diǎn)距離(X10)、小班面積(X11)、群落結(jié)構(gòu)(X12)。各質(zhì)量指標(biāo)均經(jīng)數(shù)量化轉(zhuǎn)換后輸入，轉(zhuǎn)換以各因子對(duì)蜀柏毒蛾發(fā)生程度的影響為依據(jù)，各指標(biāo)轉(zhuǎn)換方式如下[5]：

蜀柏毒蛾危害程度(Y)：根據(jù)調(diào)查蟲口密度并結(jié)合歷年發(fā)生情況及森林生態(tài)系統(tǒng)條件，以小班為單位劃分常發(fā)區(qū)、偶發(fā)區(qū)、安全區(qū)3種類型。坡度(X1)：0～5°為平坡、6°～15°為緩坡、16°～25°為斜坡、>26°為陡坡，分別以1、2、3、4表示。坡向(X2)：陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡、半陰坡、陰坡分別用l、2、3、4表示。海拔(X3)：300 m～400 m、401 m～500 m、501 m～600 m、601 m～700 m、>700 m分別以1、2、3、4、5表示。坡位(X4)：坡下、坡中、坡上分別用1、2、3表示。林分郁閉度(X5)：0～0.3、0.3～0.5、0.5～0.7、0.7～0.8、0.8～1，分別以l、2、3、4、5。公路距離(X8)：0～100 m、101 m～200 m、201 m～300 m、301 m～400 m、>400 m分別以1、2、3、4、5表示。居民點(diǎn)距離(X10)和水系距離(X9)劃分標(biāo)準(zhǔn)同“公路距離”標(biāo)準(zhǔn)。小班面積(X11)：0～1 hm2、1 hm2～2 hm2、2 hm2～3 hm2、>3 hm2分別以1、2、3、4表示。群落結(jié)構(gòu)(X12)：分為簡(jiǎn)單、中等、完整分別以1、2、3表示。

(3)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：

主成分分析：使用SPSS19.0分析，構(gòu)建60個(gè)柏木小班蜀柏毒蛾危害相關(guān)因子原始數(shù)據(jù)矩陣，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱不同的影響；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形度檢驗(yàn)，進(jìn)行主成分分析，根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù)；計(jì)算特征向量矩陣；計(jì)算主成分得分矩陣；最后利用主成分函數(shù)計(jì)算各柏木小班的綜合得分。

蜀柏毒蛾危害可視化：利用G1S軟件將中江縣蜀柏毒蛾危害主成分綜合得分與中江縣森林資源數(shù)據(jù)結(jié)合，將柏木小班劃分出為3個(gè)等級(jí)并可視化，用不同的色階直觀展示出來(lái)。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

KMO值與Bartlett球形度檢驗(yàn)：KMO值為0.728，Bartlett球形度檢驗(yàn)P<0.01，表明各變量間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，數(shù)據(jù)適合做主成分分析。

通過(guò)對(duì)12個(gè)自變量進(jìn)行主成分分析，各主成分的初始特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率具體值見表1。一般認(rèn)為累計(jì)貢獻(xiàn)率以大于70%為宜，表1顯示前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率可達(dá)到70.715%，故選擇前3個(gè)主成分，相關(guān)矩陣的特征向量見表2。

表1解釋的總方差

Tab.1 Total Variance Explained

從表1、表2可以看出，按特征值r>l的方式能提取3個(gè)主成分，它們能解釋總方差的70.715%，基本上保留了原來(lái)指標(biāo)的信息。旋轉(zhuǎn)后3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)量分別為35.274%、20.544%、14.897%。

表2成份矩陣

Tab.2 Component Matrix

第1主成分對(duì)坡向、海拔、坡位有絕對(duì)值較大負(fù)荷系數(shù)，充分反映出林分的立地情況，可以歸為立地因子。海拔、坡向的不同可影響森林內(nèi)的溫、濕度情況，坡向直接影響到小生境的溫度與濕度，以及樹種分布，所以也間接影響蜀柏毒蛾危害。一般陽(yáng)坡蜀柏毒蛾發(fā)生高于陰坡，西坡高于東坡，特別是蟲源地和害蟲初發(fā)期比較明顯，這與陽(yáng)坡陽(yáng)光充足、氣溫高、蜀柏毒蛾發(fā)育快等原因有關(guān)。海拔對(duì)蜀柏毒蛾分布與發(fā)生也有較大影響。中江縣蜀柏毒蛾一般發(fā)生在海拔500 m以下的地區(qū)，該區(qū)域?yàn)榘啬玖址植剂闵?，一般生長(zhǎng)差、多為田間地頭的條形林帶、群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，人畜活動(dòng)頻繁，干擾強(qiáng)度大，多容易形成蜀柏毒蛾蟲源地。坡位靠下的區(qū)域，尤其是帶狀林地或者疏林地，能削弱坡向的影響，另外坡位靠上的小班，小生境更復(fù)雜，人為干擾較小，生物多樣性更豐富，可在一定程度上抑制蜀柏毒蛾發(fā)生[6,7]。

第2主成分對(duì)道路、水系距離、居民點(diǎn)距離有絕對(duì)值較大負(fù)荷系數(shù)，這些因素直接反映柏木與周圍地理因子之間相關(guān)性，因此歸為空間關(guān)聯(lián)因子。蜀柏毒蛾有很強(qiáng)趨光性，居民點(diǎn)燈光對(duì)蜀柏毒蛾有很強(qiáng)的引誘作用，道路提供了車燈和較容易的飛行通道等原因，因此蜀柏毒蛾蟲源地最初多發(fā)生在離居民點(diǎn)近、周圍有道路和水系的小班，然后向四周擴(kuò)散[8]。

第3主成分對(duì)郁閉度、小班面積有絕對(duì)值較大負(fù)荷系數(shù)。該主成分反映了蜀柏毒蛾發(fā)生和柏木林分因子之間的關(guān)系，歸為林分因子。蜀柏毒蛾多發(fā)生在一些四旁、零星分布的柏木林帶上，此類小班面積小，斑塊分布零散，郁閉度小。而郁閉度大、面積大片分布的柏木林，生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，因此不容易發(fā)生蜀柏毒蛾的危害。

2.2 綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，最后確定的因子載荷矩陣見表3，該矩陣與標(biāo)準(zhǔn)化后的原始數(shù)據(jù)結(jié)合用于計(jì)算各小班Zl、Z2、Z3主成分得分值。

表3成份得分系數(shù)矩陣

Tab.3 Component Score Coefficient Matrix

Z1、Z2、Z3主成分函數(shù)計(jì)算公式為：

Z1=0.14X1+0.15X2+0.223X3+0.075X4-0.013X5+0.0158X6+0.197X7-0.103X8-0.037X9-0.03X10+0.245X11+0.178X12

Z2=0.014X1+0.03X2-0.041X3+0.186X4-0.063X5-0.216X6-0.059X7+0.289X8+0.389X9+0.363X10+0.031X11+0.00912

Z3=0.022X1+0.152X2-0.074X3+0.132X4+0.583X5+0.184X6-0.008X7+0.259X8-0.234X9-0.057X10-0.479X11-0.025X12

通過(guò)以上3個(gè)主成分公式計(jì)算后，按公式Z= 0.4036Z1+0.178Z2+0.105Z3最終確定中江縣各柏木林小班的主成分綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)得分Z值，作為評(píng)價(jià)中江縣蜀柏毒蛾危害程度的客觀依據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，中江縣柏木林小班主成分綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)得分Z值范圍為1.14至2.78。

2.3 蜀柏毒蛾危害的估算結(jié)果分布

用GIS軟件，選用自然斷點(diǎn)分類法(Natural Breaks)對(duì)全縣柏木林分布區(qū)域綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)得分劃分為3類，自然斷點(diǎn)分類法分類原則是減少同一級(jí)中的差異，增加級(jí)間差異，使分出的各類方差和最小。分別用黑、灰、白等不同的色階表示(圖1)。黑色代表蜀柏毒蛾常發(fā)區(qū)域，面積為 10 335.44 hm2，評(píng)價(jià)得分值范圍1.14～1.71；灰色代表蜀柏毒蛾偶發(fā)區(qū)域，面積為 23 207.83 hm2，評(píng)價(jià)得分值范圍為1.71～1.96；白色代表蜀柏毒蛾安全區(qū)域，面積為 17 954.54 hm2，評(píng)價(jià)得分值范圍為1.96～2.78。由于縣域范圍較大，本文中以繼光鄉(xiāng)為例，對(duì)蜀柏毒蛾危害綜合評(píng)分并進(jìn)行展示。

圖1 蜀柏毒蛾危害綜合評(píng)分示意圖(以繼光鎮(zhèn)為例)Fig. 1 The comprehensive score of P.Orienta hazard

3 討論

本研究對(duì)中江縣縣域范圍內(nèi)影響蜀柏毒蛾危害的相關(guān)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析，提取了3個(gè)主成分，綜合反映了立地因子、林分因子、空間關(guān)聯(lián)因子等方面的信息。研究結(jié)果表明，任何生態(tài)因子對(duì)蜀柏毒蛾危害的作用并不是孤立的，而是在相互作用的綜合狀態(tài)下發(fā)生的，3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率70.71%，說(shuō)明獲得的主成分基本保留了原來(lái)12個(gè)因子數(shù)據(jù)信息，有較好的代表性。通過(guò)主成分分析實(shí)現(xiàn)了將數(shù)據(jù)科學(xué)簡(jiǎn)化的目的，進(jìn)一步優(yōu)化了蜀柏毒蛾危害綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)3個(gè)主成分?jǐn)?shù)值及各自貢獻(xiàn)率大小，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算綜合主成分得分，以綜合得分值大小反映蜀柏毒蛾危害程度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蜀柏毒蛾危害程度的量化。最后用ArcGIS10按自然斷點(diǎn)分類法對(duì)蜀柏毒蛾危害綜合得分值進(jìn)行分類，全縣分為常發(fā)區(qū)、偶發(fā)區(qū)和安全區(qū)3類，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蜀柏毒蛾危害差異的科學(xué)分類。通過(guò)歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，蜀柏毒蛾危害常發(fā)區(qū)區(qū)劃與歷年發(fā)生趨勢(shì)一致，古店鄉(xiāng)、繼光鎮(zhèn)、回龍鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，蜀柏毒蛾常發(fā)區(qū)面積比例較高，蜀柏毒蛾爆發(fā)機(jī)率也較大。

本研究通過(guò)主成分分析與ArcGIS10結(jié)合，對(duì)中江縣蜀柏毒蛾危害程度進(jìn)行了量化和分類，并直觀的顯示出來(lái)。在今后研究中應(yīng)將GIS強(qiáng)大的空間分析功能和數(shù)據(jù)挖掘有效結(jié)合，研究蜀柏毒蛾不同尺度空間發(fā)展規(guī)律，及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)其擴(kuò)散和蔓延區(qū)域，為各級(jí)林業(yè)部門提供高效、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

[1] 鄒智勇,李鋒.蜀柏毒蛾的生物學(xué)特性與防治技術(shù)研究進(jìn)展[J].四川林業(yè)科技,2015,36(2):122～126.

[2] 王閆利.蜀柏毒蛾在我國(guó)的潛在地理分布及主導(dǎo)氣候因子閾值[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,(2):107～110.

[3] 劉良才,周建華.中江縣蜀柏毒蛾災(zāi)害的可持續(xù)治理探討[J].四川林業(yè)科技,2008,29(6):52～53.

[4] 武紅智,陳改英.基于GIS的馬尾松毛蟲災(zāi)害空間擴(kuò)散規(guī)律分析[J].遙感學(xué)報(bào),2004,8(5):475～480.

[5] 周國(guó)娜.基于GIS的森林病蟲害生態(tài)地理因素分析與區(qū)劃[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2003.

[6] 陳蓉.蜀柏毒蛾發(fā)生規(guī)律及綜合防治技術(shù)[J].四川林業(yè)科技,2008,29(5):81～82.

[7] 文亮.蜀柏毒蛾危害對(duì)柏木林健康影響評(píng)價(jià)[D].四川農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[8] 譙金保.對(duì)蜀柏毒蛾防治的措施及對(duì)策[J].四川林業(yè)科技,2010,31(1):107～110.

AStudyofPrincipalComponentAnalysisinComprehensiveIndicatorScreeningforParocneriaOrientaHazard

JIA Yu-zhen1ZHANG Xin2ZHOU Jian-hua1

(1.Sichuan Academy of Forestry,Chengdu 610081,Sichuan,China；2.Foresty Bureau of Zhongjiang County,Zhongjiang 618100,China)

The aim of this paper is to investigate the application of principal component analysis in impact factors ofParocneriaorientahazard in Zhongjiang County.A principal component analysis was performed by the data of 12 factors associating with the prediction ofP.Orientahazard.The degree ofP.Orientahazard in different regions was obtained and intuitively presented by GIS.The eigenvalues of 3 principal components were 35.274%、20.544%、14.897%,respectively.The accumulative contribution rate of the 3 major factors to total variation accounted for 70.715%,maintaining most of information of 12 characters.According to the comprehensive value of principal component,GIS Natural Breakpoint Method was used to divide the degree ofP.Orientahazard into frequently occurring region,occasionally occurring region and safe area.Results showed that principal component analysis could optimize the comprehensive indicators for the evaluation ofP.Orientahazard,and comprehensive score of Principal Component could quantify and intuitively show the degree ofP.Orientahazard in different regions．

Principal component analysis(PCA),Parocneriaorienta,Impact factor

2017-07-21

2017年基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目“基于ArcGIS縣級(jí)蜀柏毒蛾災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)”(JB2017-09)。

賈玉珍(1975-)，女，吉林省撫松縣人，副研究員，主要從事森林保護(hù)工作。

10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.05.014

S763.3

A

1003-5508(2017)05-0058-05