林分結構與固碳功能的耦合關系模型研究

王秀云，宋緒忠，徐曉云，高美蓉，陳秀娟，楊 華，徐高福，方柄富

（1. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；2. 新安江開發總公司，浙江 淳安 311700；3. 新安江開發總公司小金山林場，浙江 淳安 311700 ）

林分結構與固碳功能的耦合關系模型研究

王秀云1，宋緒忠1，徐曉云1，高美蓉1，陳秀娟1，楊 華1，徐高福2，方柄富3

（1. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；2. 新安江開發總公司，浙江 淳安 311700；3. 新安江開發總公司小金山林場，浙江 淳安 311700 ）

2012年9月，在浙江省淳安縣千島湖林區選取純林、混交林建立24個樣地，測定胸徑、樹高等數據。運用主成分分析方法，分析了平均胸徑、生物多樣性指標、混交度等13個林分結構因子與固碳功能之間的關系，建立林分結構與功能耦合關系的模型，并根據模型的計算結果，對研究區的樣地進行了綜合分析。結果表明，闊葉林樣地的固碳功能優于針闊混交林樣地，針葉純林的固碳功能最差。

林分結構；固碳功能；主成分分析；耦合模型

林分結構是林分特征的重要方面，是經營森林的理論基礎。林分結構由空間結構和非空間結構組成。非空間結構描述的是林分特征的一種平均狀態，如胸徑、樹高、林分密度等，已經被廣泛應用于森林資源調查、經營、監測和評價體系中[1]。而林分空間結構體現了樹木在林地上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，是與林木空間位置有關的森林結構，反映了林分內物種的空間關系，如描述林木個體水平分布格局的角尺度、體現樹種空間隔離程度的混交度以及反映林木個體競爭狀態的大小比數[2-5]。結構決定功能，森林功能的發揮在很大程度上依賴森林結構是否合理。蔣桂娟等[6]、羅梅等[7]等開展了森林結構與水源涵養功能的耦合模型研究，但對林分結構和固碳功能的耦合關系研究還未見相關報道。以浙江省千島湖林區為研究對象，選取不同類型的林分，構建林分結構與固碳功能的耦合關系模型，分析影響森林固碳功能的關鍵結構指標，進而提出有效的結構調整方法，以期對提高森林的碳匯經營水平提供指導。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究地點選擇在浙江省淳安縣千島湖林區，118?21′～ 119?20′ E，29?11′～ 30?02′ N。屬北亞熱帶季風氣候南緣，溫暖多雨，四季分明，光照充足，冬季長，春季短。年平均氣溫17℃，≥10℃的年積溫5 410℃，年日照時數1 951 h，無霜期約263 d，年均降水量1 430 mm，相對濕度為76%，常年盛行東北風，年均風速2.1 m·s-1。土壤主要類型有紅壤，分布于海拔700 m以下，pH 5.5 ～ 6.0；黃壤分布于海拔700 m以上，pH值5.5左右；石灰土分布于海拔700 m以下，pH值7.0以上。千島湖植物共有143科，483屬，801種[8]。千島湖森林生態系統主要為暖性針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針闊混交林、竹林、灌叢、灌草叢等類型。其代表喬木有馬尾松Pinus massoniana，杉木Cunninghamia lanceolata，柏木Cupressus funebris，苦櫧Castanopsis sclerophylla，青岡Cyclobalanopsis glauca，柯Lithocarpus glaber，楓香樹Liquidambar formosana，木荷Schima superba，油茶Camellia oleifera等；灌木有格藥柃Eurya muricata，檵木Loropetalum chinense，短尾越桔Vaccinium carlesii，江南越桔V. andarinorum，馬銀花Rhododendron ov atum等，草本有里白Hicriopteris glauca，鐵線蕨Adiantum capillus-veneris，狗脊Woodwardia japonica，蕺菜Houttuynia cordata等，藤本植物有菝葜Smilax china，紫藤Wisteria sinensis，絡石Trachelospermum jasminoides等。

1.2 樣地設置與處理

2012年9月在研究區內踏查的基礎上，選取典型馬尾松純林、松闊混交林、杉木純林、杉闊混交林、闊葉林，并分別根據立地條件、林分密度，用羅盤儀設置24塊樣地，樣地規格為30 m×30 m。為了方便調查林木的坐標，將每塊標準地劃分成36個5 m×5 m的小樣方。對每塊樣地內胸徑大于5 cm的林木進行每木檢尺并采用相鄰格子法進行坐標定位，測量其胸徑、樹高，并記錄樣地的海拔、坡度等因子。樣地基本情況見表1。

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

1.3 研究方法

1.3.1 多元統計分析方法 運用SPSS20.0分析軟件中的主成分分析方法[9-10]，通過正交變換，在盡量不損失信息量的情況下，減少參評指標的原始變量個數，構建新的線性組合變量方程，同時可以減少指標間的相關性，使指標間相互獨立或不相關。數據分析時，特征根累積百分率代表所提取主成分對總方差的貢獻率，特征向量反映各指標因子對主成分的貢獻大小，可據此確定權重的大小。主成分提取時，提取樣本方差累積貢獻率一般情況下應 ＞80.00%，且各主成分對應的特征值 ＞ 1。

采用SPSS軟件中的主成分分析法研究林分結構與固碳功能之間的耦合關系。通過降維，從眾多的因素中找出主要的影響因素，用較少的變量來衡量森林的固碳功能。

1.3.2 耦合關系因子的確定 選擇代表林分非空間結構與空間結構的指標平均胸徑、平均高、林分密度指數、喬木層物種豐富度指數、喬木層Simpson指數、喬木層Shannon-Wiener指數、徑階分布q值[11]，混交度[3]、角尺度[3]、胸徑大小比數[3]、樹高大小比數[3]、林層比[12]、開敞度[13]13個指標作為林分結構與功能耦合關系的因子，表達林分結構與固碳功能的關系，建立結構與功能關系模型。

1.3.3 固碳功能計算 依據杉木、馬尾松、硬闊及軟闊單木生物量模型[14]，計算樣地單位面積生物量，換算到樣地單位面積的固碳量，計算公式如下：

式中，C為單位面積固碳量；i為第i株樹；Wi為第i株樹的生物量；A為樣地面積。

1.3.4 耦合模型的建立 選擇線性模型對林分結構與固碳功能間的關系進行闡述，模型表達式如下：

式中，x1，x2… xn為變量；m1，m2… mn為變量系數。

各結構因子與功能的關系可以通過其方差貢獻率來解釋，所用模型如下式表示：

Fj的貢獻率公式如下：

2 結果分析

2.1 主成分提取與表達

將林分平均胸徑、平均高、林分密度指數、物種豐富度指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數、徑階分布q值、混交度、角尺度、胸徑大小比數、樹高大小比數、林層比、開敞度13個因子進行標準化處理[10]，消除各指標量綱的影響。然后利用SPSS 20.0進行主成分分析。分析結果見表2，前4個主成分的樣本特征值均 ＞1，且方差累積貢獻率為81.683%，＞80.00%，符合主成分提取原則。

表2 主成分特征值及貢獻率Table 2 Eigen value of each principal component and contribution rate

由表3可知，所提取出的4個主分量基本解釋了13個結構因子的變異信息。其中第1個主成分因子主要反映了林分的平均胸徑、平均高、Shannon-Wiener指數，其載荷量依次為0.814，0.806，0.859，即第一主分量主要表達了林木生長和多樣性的信息。第二個主成分因子主要是對林分密度指數、胸徑大小比數、樹高大小比數這3個指標信息的表達，其載荷量分別為0.718，0.607，0.554，可理解為林木競爭結構指標。第三個主成分因子主要是對林層比這一垂直結構指標的信息表達，其載荷量是0.726。第四個主成分因子主要是林木空間分布格局指標即角尺度的信息表達，其載荷量是0.771。

表3 因子載荷矩陣表Table 3 Component matrix

2.2 結構與功能耦合模型

根據主分量F1，F2，F3及F4的得分系數，可以列出結構指標與功能耦合線性模型式（5）至式（8）：

2.3 因子得分綜合分析

對于某一林分類型的樣地而言，各主成分因子得分和因子權重（主成分特征值）乘積之和便是主成分因子綜合得分（D），即樣地的固碳功能指數，具體表達如下：

式中，λ1=4.786，λ2=2.855，λ3=1.828，λ4=1.150。

通過建立的模型可以計算出24個樣地的固碳功能指數，為利于等級劃分，將D得分數值進行標準化，標準化后的值用Db表示，Db即為評價指標，范圍在0 ～ 100之間，其標準化公式為：

式中，Fi表示第i個樣地的固碳功能綜合評價值；Fmin表示樣地固碳功能綜合評價最小值；Fmax表示樣地固碳功能綜合評價最大值。

利用分析評價結果構建的方程計算樣地主成分綜合評價指數Db，從Db與固碳量關系散點圖（圖1）看，二者可以用線性關系表達，其相關系數達到0.842（P＜0.05）。

通過24個樣地功能評價值Db的計算結果，固碳功能評價值達滿分（100分）的樣地只有1個，是地帶性闊葉樹種苦櫧、木荷和柯的混交林，2008年經過疏松補闊撫育處理，林分結構合理；固碳功能綜合評價值在60 ～80的樣地有5個，其中3個為闊葉混交林，主要優勢樹種是木荷、苦櫧與青岡，另2個分別是杉木與木荷、馬尾松與柯的混交復層林；固碳功能綜合評價值在40 ～ 59分的樣地有3個，主要是杉木和木荷、柯的混交林，由于毛竹入侵，杉木生長受到嚴重影響；固碳功能綜合評價值在20 ～ 39分的樣地有10個，主要是馬尾松與楓香樹、柯、木荷的混交林，土層較薄，且多為沙質土壤，長期封山育林生長緩慢；固碳功能綜合評價分在0 ～ 19較低的樣地有5個，其中馬尾松純林樣地3個，杉木純林樣地2個。

圖1 主成分綜合評價指數與固碳量相關關系散點圖Figure 1 Scatter diagram of comprehensive evaluation index of principal components with carbon sequestration

3 結論與討論

分析結果表明，主成分分析用于研究森林固碳功能的主要影響因子是可行的。通過尋找主導功能因子，可以簡化數據，將13個林分結構因子降維為4個，從計算結果看，森林固碳功能的評價指標可以歸并為生物多樣性、林木競爭、垂直結構和空間分布格局4個方面。其貢獻率最大的是生物多樣性，林木競爭、垂直結構、空間分布格局等空間結構指標的貢獻率較低。

以千島湖林區樣地數據為基礎，利用主成分分析法建立結構指標與固碳功能的耦合關系模型，利用分析評價結果構建的方程計算樣地主成分綜合評價指數Db，從Db與固碳量關系散點圖看出，二者相關關系顯著，通過主成分分析法可以實現森林固碳功能評價，為森林增匯經營技術研究提供新的理論支持。

闊葉林的固碳功能優于針闊混交林，針葉純林的固碳功能最弱。這是由森林結構所決定的，為充分發揮森林的固碳功能，建議科學合理調整林分結構，構建地帶性闊葉混交林。

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Relationship between Forest Stand Structure and Carbon Sequestration

WANG Xiu-yun1，SONG Xu-zhong1，XU Xiao-yun1，GAO Mei-rong1，CHEN Xiu-juan1，YANG Hua1，XU Gao-fu2，FANG Bing-fu3

（1. Zhejiang Academy of Forestry, Hangzhou 310023, China; 2.Chun’an Xin’anjiang Development Corporation of Zhejiang, Chun’an 311700, China; 3. Xiaojinshan Forest Farm of Chun’an Xin’anjiang Development Corporation of Zhejiang, Chun’an 311700, China）

Establishment of 24 sample plots of pure and mixed forest were carried out in September 2012 in Qiandaohu, Chun’an of Zhejiang province and determinations were conducted on DBH, tree height, etc. 13 factors of forest stand structure were selected including DBH, biodiversity index, mingling to analyze relationship between these factors and carbon sequestration by principal component analysis. The coupling relationship between forest structure and carbon sequestration was modeled. Comprehensive analysis by calculations of sample plots demonstrated that carbon sequestration of broad-leaved forest was better than that of mixed forest of conifer and broad-leaved, and that of confer forest was the last.

forest stand structure; carbon sequestration; principal component analysis; model coupling

S718.54

：A

：1001-3776（2017）03-0043-05

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.03.008

2016-12-13 ；

2017-03-17

浙江省科技廳公益技術研究項目（2014C32118）；浙江省科技廳院所專項項目（2014F60001）；浙江省科技廳院所專項項目（2014F30021）

王秀云，博士，副研究員，從事林業碳匯與林業現代化研究；E-mail：lyhwxy@tom.com。