北京八達(dá)嶺林場(chǎng)水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)與功能耦合機(jī)理研究

（北京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境管理國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

水源涵養(yǎng)林作為北京市主要森林類型之一，研究其結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能的關(guān)系，對(duì)于改善北京市水資源狀況、維護(hù)生態(tài)平衡具有重要意義[1-5]。

目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)森林結(jié)構(gòu)與功能的耦合關(guān)系進(jìn)行了研究。王威[6]選取了樹(shù)種組成、林分年齡、郁閉度等林分基本結(jié)構(gòu)因子分析北京山區(qū)水源林結(jié)構(gòu)與功能耦合關(guān)系；蔣桂娟等[7]利用2004年北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，選取了小班面積、森林類型、林分起源等林分結(jié)構(gòu)因子表達(dá)水源林結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系；魏曉慧等[8]選取了樹(shù)種組成、每公頃林分蓄積、小班蓄積等11個(gè)林分指標(biāo)因子對(duì)福建將樂(lè)林場(chǎng)森林多功能狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；這些學(xué)者多是對(duì)林分基本結(jié)構(gòu)（樹(shù)種組成、年齡、郁閉度、起源等）與森林功能進(jìn)行研究[9-11]，綜合分析林分基本結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)與森林功能之間的耦合關(guān)系的研究鮮有見(jiàn)刊。林分空間結(jié)構(gòu)特征不僅體現(xiàn)了樹(shù)木在空間上的分布格局，對(duì)樹(shù)木間的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)以及空間生態(tài)位起了決定作用，并且很大程度上對(duì)林分穩(wěn)定性、發(fā)展的方向以及其經(jīng)營(yíng)措施起了決定作用[12-15]。

本研究以北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象，采用定性與定量相結(jié)合的方式研究水源涵養(yǎng)林林分結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能的耦合關(guān)系，旨在為研究區(qū)水源涵養(yǎng)林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供理論和方法依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)（115°55′E，48°17′N）位于延慶縣東南部，總面積2 940 hm2，地處萬(wàn)里長(zhǎng)城居庸關(guān)和八達(dá)嶺之間。林場(chǎng)基本處于山區(qū)，東北部毗鄰延慶縣，南連昌平區(qū)，西部與河北省懷來(lái)縣接壤。平均海拔為780 m，最高海拔達(dá)到1 238 m，最低海拔為450 m，相對(duì)高差為788 m。屬大陸性季風(fēng)氣候，具備半干旱、半濕潤(rùn)的暖溫帶氣候特點(diǎn)。年平均氣溫為10.8 ℃，7月份氣溫最高，月平均氣溫為26.9℃；1月份氣溫最低，月平均氣溫為-7.2 ℃。年平均降雨量454mm，集中在7、8月份，占年降雨量的59%。

林場(chǎng)人工林與天然林面積比為7∶3。其中人工林樹(shù)種主要為油松Pinus tabuliformis、黃櫨Cotinus coggygria、元寶楓Acer truncatum等，天然林樹(shù)種主要為遼東櫟Quercus liaotungensis、蒙古櫟Quercus mongolica等。研究區(qū)水源涵養(yǎng)林主要森林類型有油松人工林、元寶楓人工林、黃櫨人工林、遼東櫟天然林等。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置與調(diào)查

通過(guò)踏查，在具有代表性的地段選取油松人工林、元寶楓人工林、黃櫨人工林、遼東櫟天然林4種林分類型設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)研究區(qū)水源涵養(yǎng)林林分結(jié)構(gòu)與功能的耦合關(guān)系進(jìn)行研究。記錄標(biāo)準(zhǔn)地的位置、森林類型、樣地面積、立地類型、林分起源、GPS坐標(biāo)、海拔、坡度、坡位、坡向、經(jīng)營(yíng)歷史等。

標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查：以10 m為間距將標(biāo)準(zhǔn)地分割為正方形的網(wǎng)格，調(diào)查并且記錄各個(gè)樣方內(nèi)所有喬木（D≥4 cm）的種名、冠幅、胸徑、樹(shù)高、枝下高及其相對(duì)坐標(biāo)；分別在標(biāo)準(zhǔn)地的四角及中心設(shè)5個(gè)灌木樣方（5 m×5 m）和5個(gè)草本樣方（1 m×1 m），分別調(diào)查并記錄灌木和草本的名稱、數(shù)量、高度、多度和蓋度等。各標(biāo)準(zhǔn)地基本信息見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本信息Table 1 Basis information of samples

2.2 指標(biāo)的選取與量化

森林結(jié)構(gòu)決定森林功能，水源涵養(yǎng)林涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)和保持水土等功能的發(fā)揮明顯受到林分郁閉度、林分年齡、土壤厚度等林分結(jié)構(gòu)因子的影響[16-18]。本研究以科學(xué)性、可操作性、主導(dǎo)性為原則，根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，篩選林分年齡、郁閉度、灌草蓋度、生物量、混交度、角尺度、大小比數(shù)、土壤厚度、樹(shù)種組成9個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子作為反映研究區(qū)水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的主要因子。

運(yùn)用Winkelmass1.0軟件計(jì)算空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，選定相鄰木n=4。為了避免邊緣效應(yīng)可能對(duì)林分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，設(shè)置3 m緩沖區(qū)。

將林分的結(jié)構(gòu)因子屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為數(shù)值型數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理Table 2 Data quantitative processing

2.3 多元統(tǒng)計(jì)分析方法

采用因子分析法中的主成分分析法研究水源涵養(yǎng)林的林分結(jié)構(gòu)與功能的耦合關(guān)系。數(shù)據(jù)處理主要在SPSS18.0軟件中完成。

2.4 結(jié)構(gòu)與功能耦合模型的構(gòu)建

根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，假定林分結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系為線性模型，表達(dá)式如下：

式（1）中：A為功能，xi為結(jié)構(gòu)變量，ai為變量系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

為了消除不同林分結(jié)構(gòu)因子的量綱不同對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，先將原始變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）。通過(guò)各林分結(jié)構(gòu)因子的相關(guān)系數(shù)可知，角尺度與樹(shù)種組成強(qiáng)相關(guān)；郁閉度與林齡有較強(qiáng)的相關(guān)性；生物量與林齡、郁閉度等有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表3 林分結(jié)構(gòu)因子相關(guān)性分析?Table 3 Correlation analysis of structural factors of forest stands

采用主成分分析法得到各組分的特征值及方差貢獻(xiàn)率，前3個(gè)組份的特征值及方差貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4?？梢钥闯?，前3個(gè)主成分的特征值均大于1，且方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到91.008%，說(shuō)明前3個(gè)主成分能代表北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)水源涵養(yǎng)林的總體功能水平。各主成分代表的功能及林分指標(biāo)因子的重要程度由成分得分系數(shù)矩陣（見(jiàn)表5）得到。

由表5可以看出，第一個(gè)主成分在郁閉度（0.953）、樹(shù)種組成（0.824）、角尺度（0.817）等具有較大的載荷，由于不同郁閉度和樹(shù)種組成等對(duì)于降水中各種元素淋溶和吸附作用不同，這與水源涵養(yǎng)林改善水質(zhì)的功能有關(guān)，因此將第一主成分定義為改善水質(zhì)功能；第二個(gè)主成分反映了灌草蓋度（0.776）、林齡（0.656）等因子，灌草層自身具有一定的持水和截留降雨的能力，不同年齡的林分涵養(yǎng)水源功能不同，因此將第二主成分定義為涵養(yǎng)水源功能；第三個(gè)主成分的因子載荷集中表現(xiàn)在土壤厚度（0.745）和灌草蓋度（0.735）上，這主要與水源涵養(yǎng)林的水土保持功能有關(guān)，將其定義為水土保持功能。

表4 特征值及貢獻(xiàn)率解釋Table 4 Eigen-values and cumulative-values explained

表5 成分得分系數(shù)矩陣?Table 5 Component score coefficient matrix

3.2 結(jié)構(gòu)與功能耦合關(guān)系模型的表達(dá)

根據(jù)以上研究結(jié)果，可以得到北京八達(dá)嶺林場(chǎng)水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)與功能的耦合關(guān)系模型，如下：

式中，M1表示改善水質(zhì)功能；M2表示涵養(yǎng)水源功能；M3表示水土保持功能。

3.3 多功能綜合指數(shù)分析

構(gòu)建北京八達(dá)嶺林場(chǎng)水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的綜合評(píng)價(jià)模型（公式5）。

式中，F(xiàn)為水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能綜合指數(shù)；λ1、λ2、λ3分別為改善水質(zhì)功能、涵養(yǎng)水源功能和保持水土功能相應(yīng)的特征值，取值分別為4.609，2.305，1.277。

3.4 水源涵養(yǎng)林功能評(píng)價(jià)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)與功能耦合關(guān)系模型，對(duì)研究區(qū)水源涵養(yǎng)林4種主要森林類型功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表6所示。由表6可知，改善水質(zhì)功能大小順序：遼東櫟天然林＞油松人工林＞元寶楓人工林＞黃櫨人工林；涵養(yǎng)水源功能大小順序：遼東櫟天然林＞黃櫨人工林＞油松人工林＞元寶楓人工林；保持水土功能大小順序：油松人工林＞遼東櫟天然林＞元寶楓林人工＞黃櫨人工林；水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的綜合排序：遼東櫟天然林＞油松人工林＞元寶楓人工林＞黃櫨人工林。

表6 北京八達(dá)嶺林場(chǎng)水源涵養(yǎng)林主要森林類型功能評(píng)價(jià)Table 6 Evaluation of functions of main forest types of water conservation forest in Badaling forest farm of Beijing

4 結(jié)論與討論

主成分分析用于研究水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是可行的。以科學(xué)性、可操作性和主導(dǎo)性為原則，篩選的反映水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的林分結(jié)構(gòu)因子涵蓋了林分基本結(jié)構(gòu)因子、空間結(jié)構(gòu)因子和土壤因子，通過(guò)主成分分析建立結(jié)構(gòu)與功能的耦合模型，在林分尺度上評(píng)價(jià)不同森林類型水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能。

遼東櫟天然林的生態(tài)功能最優(yōu)。水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能最優(yōu)的林分具有起源為天然，異齡，混交林，郁閉度在0.6～0.8，林下灌草蓋度較高、土壤厚度較大、林木空間結(jié)構(gòu)良好等特點(diǎn)。

由于森林生態(tài)系統(tǒng)具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能特性，影響水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的因子是多方面的，其功能大小是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果。只有在確保其結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，才能最大限度發(fā)揮其生態(tài)功能。研究區(qū)可以制定科學(xué)的經(jīng)營(yíng)措施來(lái)調(diào)整水源涵養(yǎng)林的林分結(jié)構(gòu)，以期最大發(fā)揮其生態(tài)效益。

本研究在建立水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)與功能耦合關(guān)系模型時(shí)，僅選擇了與森林功能聯(lián)系較緊密的9個(gè)指標(biāo)因子，所選指標(biāo)可能不夠全面，今后仍需進(jìn)一步完善。采用非線性模型研究森林結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系也將是今后研究的熱點(diǎn)之一。

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