張廣，祿鑫，李世波

（1.貴州林業(yè)勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550004；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州貴陽(yáng) 550003）

森林具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能，森林功能的發(fā)揮受森林結(jié)構(gòu)的影響。林分結(jié)構(gòu)影響林木的個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育與林木質(zhì)量、林分的健康狀況及林分功能的發(fā)揮，林分結(jié)構(gòu)是森林經(jīng)營(yíng)可調(diào)節(jié)的指標(biāo)因子[1～2]，優(yōu)化調(diào)整林分結(jié)構(gòu)是培育多功能森林的重要途徑[3]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)林分結(jié)構(gòu)與功能的耦合關(guān)系研究大多數(shù)是對(duì)林分非空間結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行研究[4-7]，對(duì)于林分非空間結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能、固碳功能、土壤養(yǎng)分等耦合關(guān)系的研究較多，但尚未對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)與非空間結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)功能的耦合關(guān)系進(jìn)行研究。對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)與林分功能之間的耦合關(guān)系的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，該研究以五蓋山杉木-鵝掌楸混交林為研究對(duì)象，建立耦合關(guān)系模型，通過(guò)對(duì)林分結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行分析，以期為杉木-鵝掌楸混交林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)及合理經(jīng)營(yíng)密度提供參考。

1 研究區(qū)概況

五蓋山位于湖南省東南部郴州市東南面45km處，為嶺南山脈之一，五蓋山境內(nèi)成土母巖有板頁(yè)巖、砂巖、花崗巖、礫巖和石灰?guī)r。五蓋山海拔高度在800m～1200m，最高海拔1619m，最低海拔351m。土壤為紅壤、黃紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤和山地草甸土，腐殖層厚，肥沃濕潤(rùn)。五蓋山林場(chǎng)區(qū)域?qū)倌蠋X亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)，年平均氣溫17.8℃，絕對(duì)最高溫30℃，最低溫0℃，最熱的七月平均氣溫28.5℃，最冷的一月平均溫5.5℃，無(wú)霜期265d，平均降雨日182d，平均降雨量為1473mm。常見(jiàn)的是人工林和天然針闊葉次生混交林，森林覆蓋率97.68%。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

在對(duì)五蓋山國(guó)有林場(chǎng)杉木林進(jìn)行全面踏查的基礎(chǔ)上，選擇杉木林、杉木-鵝掌楸混交林設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)地。該研究共設(shè)置了12 塊面積為20m×30m 的固定標(biāo)準(zhǔn)地?；菊{(diào)查因子包括林木的X，Y 坐標(biāo)、喬木樹(shù)種組成、年齡、株數(shù)、胸徑、樹(shù)高、冠幅、郁閉度，樣地的海拔、坡相、土壤類型、土層厚度等因子。

表1 樣地基本概況Tab.1 Basic information of sample plots

2.2 研究方法

2.2.1 耦合關(guān)系因子選擇

選取林分平均胸徑、平均高、林分密度指數(shù)、樹(shù)種組成、角尺度、大小比數(shù)、混交度、開(kāi)敞度、林層指數(shù)、灌木蓋度、灌木高、草本蓋度、草本高、蓄積等14個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子作為林分結(jié)構(gòu)與功能耦合關(guān)系的因子，表達(dá)林分結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系[8-11]。

2.2.2 水源涵養(yǎng)功能

通過(guò)環(huán)刀法獲得原狀土壤，采用烘干稱量法測(cè)定土壤容重、土壤持水量與土壤孔隙度等土壤物理指標(biāo)，具體計(jì)算公式為：

①土壤容重（Y）

式中，Y 為土壤容重（g/cm3）；g 為環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量（g）；V 為環(huán)刀體積（cm）3；W 為樣品含水百分?jǐn)?shù)（%）。②土壤持水量（W0）

式中，W0為土壤毛管持水量（%）；Pt為環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量（g）；P0為環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量（g）。③土壤孔隙度（P1）

式中，P1為土壤孔隙度（%）；Y 為土壤容重（g/cm3）；W0為土壤持水量（%）。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS19.0 軟件，運(yùn)用主成分分析法，通過(guò)降維從眾多因子中找出主要的影響因子，用較少的林分結(jié)構(gòu)變量來(lái)衡量林分的水源涵養(yǎng)功能，以此來(lái)研究林分結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能之間的耦合關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 因子分析

將代表林分空間結(jié)構(gòu)與非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)因子的屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)值型數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以此來(lái)消除數(shù)量級(jí)和量綱對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，然后對(duì)指標(biāo)因子進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果如表2 所示，標(biāo)準(zhǔn)化公式如下所示：

表2 林分結(jié)構(gòu)因子相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of structure factors

由上表中的相關(guān)系數(shù)可以看出，代表林分結(jié)構(gòu)的因子間具有不同程度的相關(guān)性，因子間相互作用。林分平均胸徑與平均高、林分密度指數(shù)三者間有極顯著相關(guān)關(guān)系，林分密度指數(shù)與林層指數(shù)和蓄積有極顯著相關(guān)關(guān)系，樹(shù)種組成與混交度存在極顯著相關(guān)關(guān)系，角尺度與大小比數(shù)極顯著相關(guān)，開(kāi)闊比數(shù)與草本蓋度和草本均高三者間存在極顯著相關(guān)關(guān)系，草本蓋度和草本均高與平均胸徑存在極顯著相關(guān)關(guān)系。但較多的因子使研究實(shí)驗(yàn)復(fù)雜且不確定哪些因子更具有代表性，因此運(yùn)用因子分析法來(lái)簡(jiǎn)化信息，篩選出代表性因子。通過(guò)計(jì)算主成分因子的特征值和貢獻(xiàn)率（表3）可知，前4 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.349%（＞80.00%），達(dá)到主成分的提取要求，因此選擇這4 個(gè)主成分來(lái)表示林分結(jié)構(gòu)特征。從因子載荷矩陣表中（表4）可以看出各主成分因子的代表變量，該代表變量反應(yīng)了主成分的結(jié)構(gòu)信息。由表3的載荷絕對(duì)值可知，第1 個(gè)主成分在林分的平均胸徑、平均高、草本蓋度、草本均高、林層指數(shù)、開(kāi)闊比數(shù)、混交度、樹(shù)種組成、灌木均高指標(biāo)上有較大載荷，它們的載荷分別為0.914、0.888、0.805、0.884、0.867、0.798、0.792、0.699、0.640、-0.603；第2 個(gè)主成分在林分蓄積與林分密度指數(shù)上有較大載荷，它們的載荷分別為0.833、0.681；第3 個(gè)主成分主要表達(dá)了林分的大小比數(shù)和角尺度的空間結(jié)構(gòu)特征，載荷分別為0.844、0.638；第4 主成分因子主要反映了林分的灌木蓋度特征，它的載荷為-0.778。

表3 主成分特征值及貢獻(xiàn)率Tab.3 Eigen value of each principal component and contribution rate

表4 因子載荷矩陣Tab.4 Component Matrix

3.2 耦合關(guān)系模型研建

根據(jù)主成分提取結(jié)果，將主成分因子與林分水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)結(jié)合，進(jìn)行模型擬合。該研究選擇線性模型來(lái)表達(dá)林分結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系，擬合模型如下：

式中：A 代表因變量；x1，x2，…xn代表自變量；m1，m2，…mn代表自變量系數(shù)。

其中，自變量系數(shù)m 的值通過(guò)因子得分系數(shù)矩陣即表5 獲取，通過(guò)因子得分系數(shù)和原始變量的觀測(cè)值，計(jì)算所有標(biāo)準(zhǔn)地在主成分上的得分。

表5 因子得分系數(shù)矩陣Tab.5 Component Score Coefficient Matrix

3.3 因子得分綜合分析

各主成分因子的權(quán)重與因子得分的乘積之和表示主成分因子綜合得分（F），也就是該研究所要得到的林分水源涵養(yǎng)功能指數(shù)，表達(dá)式如下：

式中：λ1=6.385，λ2=2.558，λ3=2.034 ，λ4=1.112。

通過(guò)前面已研建出的模型來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)地的水源涵養(yǎng)功能指數(shù)。為方便標(biāo)準(zhǔn)地水源涵養(yǎng)功能大小的等級(jí)劃分，將標(biāo)準(zhǔn)地的綜合得分F 值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，用P 來(lái)表示標(biāo)準(zhǔn)化之后的值（P 即為評(píng)價(jià)指數(shù)），P 值范圍在0～100 之間。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

式中：Fi代表第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)值；Fmin代表標(biāo)準(zhǔn)地最小水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)值；Fmax代表標(biāo)準(zhǔn)地最大水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)值。

根據(jù)上面構(gòu)建的公式計(jì)算杉木-鵝掌楸標(biāo)準(zhǔn)地的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P，將P 值與林分水源涵養(yǎng)功能綜合指數(shù)進(jìn)行散點(diǎn)圖（圖1）的擬合，從圖中可以看出其相關(guān)系數(shù)為0.8731（P＜0.05）。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地的評(píng)價(jià)值P 的比較，我們可知：水源涵養(yǎng)功能綜合指數(shù)最高為0.55，其對(duì)應(yīng)的這成分綜合評(píng)價(jià)值為100 分；林分的水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)介于0.38～0.55，主成分綜合評(píng)價(jià)值主要集中分布在30～80 分之間。

圖1 主成分綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與水源涵養(yǎng)綜合指數(shù)相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram of correlation between comprehensive evaluation index of principal components and comprehensive index of water conservation

4 結(jié)論與討論

該研究通過(guò)因子分析降維方法將14 個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子簡(jiǎn)化為4 個(gè)方面，以此來(lái)代表林分水源涵養(yǎng)功能的主要結(jié)構(gòu)因子。該研究以五蓋山林場(chǎng)杉木-鵝掌楸混交林為研究對(duì)象，通過(guò)研建林分結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能的耦合模型，計(jì)算出林分綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P，從擬合的散點(diǎn)圖可以看出，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P 與水源涵養(yǎng)功能具有顯著相關(guān)關(guān)系。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最高的樣地其水源涵養(yǎng)功能也最高，該林分為中等密度(1400 株/hm2)、郁閉度為0.7 左右的復(fù)層林。這種結(jié)構(gòu)特征有利于保持較好的水源涵養(yǎng)功能，是五蓋山林場(chǎng)杉木——鵝掌楸混交林的最佳林分結(jié)構(gòu)。

通過(guò)研究可知影響林分水源涵養(yǎng)功能的因子是多方面的，是由多個(gè)因子共同作用的結(jié)果，這體現(xiàn)了森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此為了使林分功能更好地發(fā)揮，就要調(diào)控林分結(jié)構(gòu)使其更具合理性[10-12]。

該研究選取線性模型對(duì)林分結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行關(guān)系模型的擬合，在今后的研究中可以進(jìn)一步探索林分結(jié)構(gòu)與功能的非線性關(guān)系模型。