五蓋山針闊混交林林分結構與水源涵養功能耦合關系研究

張廣，祿鑫，李世波

（1.貴州林業勘察設計有限公司，貴州貴陽 550004；2.貴州省林業調查規劃院，貴州貴陽 550003）

森林具有復雜的結構和功能，森林功能的發揮受森林結構的影響。林分結構影響林木的個體生長發育與林木質量、林分的健康狀況及林分功能的發揮，林分結構是森林經營可調節的指標因子[1～2]，優化調整林分結構是培育多功能森林的重要途徑[3]。

目前，國內學者對林分結構與功能的耦合關系研究大多數是對林分非空間結構與功能進行研究[4-7]，對于林分非空間結構與水源涵養功能、固碳功能、土壤養分等耦合關系的研究較多，但尚未對林分空間結構與非空間結構和水源涵養功能的耦合關系進行研究。對林分空間結構和非空間結構與林分功能之間的耦合關系的研究鮮見報道。因此，該研究以五蓋山杉木-鵝掌楸混交林為研究對象，建立耦合關系模型，通過對林分結構與水源涵養功能進行分析，以期為杉木-鵝掌楸混交林可持續經營及合理經營密度提供參考。

1 研究區概況

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成土母巖有板頁巖、砂巖、花崗巖、礫巖和石灰巖。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。五蓋山林場區域屬南嶺亞熱帶季風濕潤區，年平均氣溫17.8℃，絕對最高溫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℃，無霜期265d，平均降雨日182d，平均降雨量為1473mm。常見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 樣地設置與調查

在對五蓋山國有林場杉木林進行全面踏查的基礎上，選擇杉木林、杉木-鵝掌楸混交林設置固定標準地。該研究共設置了12 塊面積為20m×30m 的固定標準地。基本調查因子包括林木的X，Y 坐標、喬木樹種組成、年齡、株數、胸徑、樹高、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 耦合關系因子選擇

選取林分平均胸徑、平均高、林分密度指數、樹種組成、角尺度、大小比數、混交度、開敞度、林層指數、灌木蓋度、灌木高、草本蓋度、草本高、蓄積等14個林分結構因子作為林分結構與功能耦合關系的因子，表達林分結構與水源涵養功能的關系[8-11]。

2.2.2 水源涵養功能

通過環刀法獲得原狀土壤，采用烘干稱量法測定土壤容重、土壤持水量與土壤孔隙度等土壤物理指標，具體計算公式為：

①土壤容重（Y）

式中，Y 為土壤容重（g/cm3）；g 為環刀內濕樣質量（g）；V 為環刀體積（cm）3；W 為樣品含水百分數（%）。②土壤持水量（W0）

式中，W0為土壤毛管持水量（%）；Pt為環刀內濕土質量（g）；P0為環刀內干土質量（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 數據處理及分析

采用SPSS19.0 軟件，運用主成分分析法，通過降維從眾多因子中找出主要的影響因子，用較少的林分結構變量來衡量林分的水源涵養功能，以此來研究林分結構與水源涵養功能之間的耦合關系。

3 結果與分析

3.1 因子分析

將代表林分空間結構與非空間結構指標因子的屬性數據轉換成數值型數據，對數據進行標準化處理，以此來消除數量級和量綱對實驗的影響，然后對指標因子進行相關性分析，分析結果如表2 所示，標準化公式如下所示：

表2 林分結構因子相關性分析Tab.2 Correlation analysis of structure factors

由上表中的相關系數可以看出，代表林分結構的因子間具有不同程度的相關性，因子間相互作用。林分平均胸徑與平均高、林分密度指數三者間有極顯著相關關系，林分密度指數與林層指數和蓄積有極顯著相關關系，樹種組成與混交度存在極顯著相關關系，角尺度與大小比數極顯著相關，開闊比數與草本蓋度和草本均高三者間存在極顯著相關關系，草本蓋度和草本均高與平均胸徑存在極顯著相關關系。但較多的因子使研究實驗復雜且不確定哪些因子更具有代表性，因此運用因子分析法來簡化信息，篩選出代表性因子。通過計算主成分因子的特征值和貢獻率（表3）可知，前4 個主成分的累計貢獻率為86.349%（＞80.00%），達到主成分的提取要求，因此選擇這4 個主成分來表示林分結構特征。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，該代表變量反應了主成分的結構信息。由表3的載荷絕對值可知，第1 個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、開闊比數、混交度、樹種組成、灌木均高指標上有較大載荷，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 個主成分在林分蓄積與林分密度指數上有較大載荷，它們的載荷分別為0.833、0.681；第3 個主成分主要表達了林分的大小比數和角尺度的空間結構特征，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 耦合關系模型研建

根據主成分提取結果，將主成分因子與林分水源涵養功能指標結合，進行模型擬合。該研究選擇線性模型來表達林分結構與水源涵養功能的關系，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。

其中，自變量系數m 的值通過因子得分系數矩陣即表5 獲取，通過因子得分系數和原始變量的觀測值，計算所有標準地在主成分上的得分。

表5 因子得分系數矩陣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功能指數，表達式如下：

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

通過前面已研建出的模型來計算標準地的水源涵養功能指數。為方便標準地水源涵養功能大小的等級劃分，將標準地的綜合得分F 值進行標準化，用P 來表示標準化之后的值（P 即為評價指數），P 值范圍在0～100 之間。標準化公式如下：

式中：Fi代表第i個標準地的水源涵養功能綜合評價值；Fmin代表標準地最小水源涵養功能綜合評價值；Fmax代表標準地最大水源涵養功能綜合評價值。

根據上面構建的公式計算杉木-鵝掌楸標準地的綜合評價指數P，將P 值與林分水源涵養功能綜合指數進行散點圖（圖1）的擬合，從圖中可以看出其相關系數為0.8731（P＜0.05）。

通過對標準地的評價值P 的比較，我們可知：水源涵養功能綜合指數最高為0.55，其對應的這成分綜合評價值為100 分；林分的水源涵養功能綜合評價指數介于0.38～0.55，主成分綜合評價值主要集中分布在30～80 分之間。

圖1 主成分綜合評價指數與水源涵養綜合指數相關關系散點圖Fig.1 Scatter diagram of correlation between comprehensive evaluation index of principal components and comprehensive index of water conservation

4 結論與討論

該研究通過因子分析降維方法將14 個林分結構因子簡化為4 個方面，以此來代表林分水源涵養功能的主要結構因子。該研究以五蓋山林場杉木-鵝掌楸混交林為研究對象，通過研建林分結構與水源涵養功能的耦合模型，計算出林分綜合評價指數P，從擬合的散點圖可以看出，綜合評價指數P 與水源涵養功能具有顯著相關關系。綜合評價指數最高的樣地其水源涵養功能也最高，該林分為中等密度(1400 株/hm2)、郁閉度為0.7 左右的復層林。這種結構特征有利于保持較好的水源涵養功能，是五蓋山林場杉木——鵝掌楸混交林的最佳林分結構。

通過研究可知影響林分水源涵養功能的因子是多方面的，是由多個因子共同作用的結果，這體現了森林生態系統的復雜性。因此為了使林分功能更好地發揮，就要調控林分結構使其更具合理性[10-12]。

該研究選取線性模型對林分結構與功能進行關系模型的擬合，在今后的研究中可以進一步探索林分結構與功能的非線性關系模型。