基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的森林景觀類型環(huán)境耦合度研究

周國(guó)強(qiáng)，陳彩虹，薛 軼，杜緣緣

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

環(huán)境對(duì)植物的分布和影響對(duì)生態(tài)學(xué)的研究意義重大[1-2]。近年來(lái)，生態(tài)學(xué)家們對(duì)決定物種分布和生長(zhǎng)以及多樣性因子的探索從未間斷，眾多研究結(jié)果表明氣候特征、土壤狀況和地形因素對(duì)物種的分布和多樣性影響巨大[3-4]。任敏學(xué)[5]等通過(guò)對(duì)太白山巴山冷杉-糙皮樺混交林及其環(huán)境因子采用 CCA排序法分析得出，土壤pH、海拔、巖石蓋度對(duì)物種分布有顯著影響。

耦合度是描述系統(tǒng)或要素之間相互影響的程度[5]。耦合作用及其協(xié)調(diào)程度決定了系統(tǒng)由無(wú)序走向有序的發(fā)展趨勢(shì)[7]。耦合關(guān)系在物理學(xué)領(lǐng)域研究較多，但隨著各種學(xué)科之間的交叉發(fā)展，不同系統(tǒng)間的耦合作用也廣泛應(yīng)用在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等不同領(lǐng)域[8]。其中，李際平[9]等借鑒生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)位提出森林景觀類型環(huán)境耦合度，利用耦合度大小反映森林景觀類型兩兩之間在同一環(huán)境條件下共生穩(wěn)定的狀態(tài)，首次在景觀層次上提出不同森林景觀類型間通過(guò)對(duì)利用環(huán)境資源時(shí)的相互作用特性，揭示了森林異質(zhì)性景觀的穩(wěn)定機(jī)制[10]，體現(xiàn)了特定區(qū)域下森林景觀類型在生態(tài)環(huán)境中的位置和功能關(guān)系。

灰色關(guān)聯(lián)度分析是灰色理論中衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法[11]。自鄧聚龍[12]提出基于相似性原理的灰色關(guān)聯(lián)分析法以來(lái)，該方法在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[13-14]，黃濤[15]在2016年用灰色關(guān)聯(lián)分析解決了模糊多屬性(群)的決策問(wèn)題，并通過(guò)算例分析說(shuō)明該方法的簡(jiǎn)明高效。但灰色關(guān)聯(lián)度在森林景觀類型林分屬性與環(huán)境之間的研究則鮮有報(bào)道。因此，筆者通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)不同森林景觀類型的林分因子和研究區(qū)的環(huán)境因子進(jìn)行分析，并結(jié)合森林景觀類型間環(huán)境耦合度的構(gòu)建，為大熊山國(guó)有林場(chǎng)的森林景觀類型穩(wěn)定性建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

大熊山國(guó)有林場(chǎng)位于湖南湘中婁底市新化縣境西北部，其經(jīng)緯跨度為111°18′40″—111°19′16″E，28°07′57″—28°08′14″N，屬雪峰山脈北段中山地貌，海拔270～1 622 m，坡度10°～65°。主要成土母巖為板頁(yè)巖，土壤以板發(fā)育而成的山地黃壤為主。屬亞熱帶風(fēng)季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫15℃，年降水量1 560 mm，無(wú)霜期220 d左右。林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)面積7 623 hm2，有林地7 453.3 hm2，劃定生態(tài)公益林6 464.6 hm2，其中國(guó)家級(jí)533.3 hm2，省級(jí)5 931.3 hm2；擁有森林蓄積量38×104m3。其中商品林蓄積2×104m3，生態(tài)公益林蓄積36×104m3，林分類型以杉木人工林(Cunninghamialanceolata)、馬尾松人工林(Pinusmassoniana)和常綠闊葉林為主，灌木以繼木(Loropetalumchinensis)、刺楸(Kalopanaxseptemlobus)、野桐(Mallotusjaponicus)、鹽膚木(Rhuschinensis)、映山紅(Rhododendronsimsii)、烏飯(Vacciniumbracteatum)、漆樹(shù)(Toxicodendronvernicifluum)、白櫟(Quercusfabri)為主，草本以蕨(P.aquilinum)、白葉莓(Rubusinnominatus)、蛇葡萄(Ampelopsissinica)、芒(Miscanthussinensis)和藎草(Arthraxonhispidus)等為主，林場(chǎng)分類屬以保護(hù)為主的生態(tài)公益型林場(chǎng)。探究大熊山國(guó)有林場(chǎng)3種森林景觀類型與環(huán)境耦合度之間的關(guān)系，構(gòu)建森林景觀類型間的環(huán)境耦合度模型，能為提高森林景觀類型穩(wěn)定性提供參考，以期最大限度地發(fā)揮林場(chǎng)的生態(tài)保護(hù)作用。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

于2016年6月14日至2016年7月8日在新化縣大熊山國(guó)有林場(chǎng)對(duì)杉木林、松林和闊葉林3種森林景觀類型進(jìn)行外業(yè)調(diào)查，其中每種森林景觀類型設(shè)置12塊20 m×20 m樣地，共計(jì)36塊樣地，實(shí)測(cè)每塊樣地中林木的胸徑和樹(shù)高以及海拔、坡向、坡度、坡位、土層厚度和土壤類型等環(huán)境因子。同時(shí)采用五點(diǎn)取樣法在每個(gè)樣地四角和中心地帶設(shè)置5個(gè)5 m×5 m灌木調(diào)查樣方和5個(gè)1 m×1 m的草本調(diào)查樣方，調(diào)查灌木層和草本層的物種名稱、高度、蓋度、株(從)數(shù)等因子。結(jié)合2014-2016年的氣象數(shù)據(jù)，選取大熊山國(guó)有林場(chǎng)3種森林景觀類型環(huán)境因子中的地形因子、氣候因子和土壤因子作為評(píng)價(jià)森林景觀類型環(huán)境適宜性的指標(biāo)，為了便于統(tǒng)計(jì)地形因子選擇海拔和坡度(坡向和坡位等地形因子在特定范圍內(nèi)異質(zhì)性太強(qiáng)，不便統(tǒng)計(jì))作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，氣候因子選年均溫度和年降水量，土壤因子則選土壤類型和土層厚度。

2.2 數(shù)據(jù)處理

參照李際平[9]在森林景觀類型環(huán)境耦合度模型的構(gòu)建與應(yīng)用中歸納出的杉木林、闊葉林和松林的環(huán)境因子適宜性指標(biāo)(表1)，統(tǒng)計(jì)出大熊山國(guó)有林場(chǎng)中3種森林景觀類型相對(duì)應(yīng)的環(huán)境因子適宜性指標(biāo)(表2)，統(tǒng)計(jì)每塊樣地的平均胸徑和平均樹(shù)高，并采用Simpson多樣性指數(shù)計(jì)算出每塊樣地的灌木層多樣性和草本層多樣性。

2.3 研究方法

(1)

式中,[minBiopt,maxBiopt]為景觀k相對(duì)環(huán)境因子i的最適區(qū)間,[minBis,maxBis]為景觀k相對(duì)環(huán)境因子i的相對(duì)適宜區(qū)間。

2.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析 將外業(yè)調(diào)查的森林景觀類型小班林分屬性(平均胸徑、平均樹(shù)高、灌木層多樣性和草本層多樣性)與環(huán)境因子視為灰色系統(tǒng)。為了進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，根據(jù)3種林分的土壤生態(tài)適應(yīng)性，用10、9、8分別對(duì)應(yīng)山地黃壤、山地黃棕壤和紅壤坡。并對(duì)所有的林分屬性和環(huán)境因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表1 森林景觀類型環(huán)境適宜性

表2 大熊山國(guó)有林場(chǎng)森林景觀類型環(huán)境適宜性

研究以外業(yè)調(diào)查所獲取每個(gè)森林景觀類型小班林分經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的平均胸徑、平均樹(shù)高、林下灌木層與草本層物種多樣性4個(gè)林分因子參數(shù)作為參考數(shù)列Sn；將地形因子、氣候因子和土壤因子所對(duì)應(yīng)的6個(gè)環(huán)境因子參數(shù)作為比較數(shù)列Si進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)分析公式如下:

(2)

(3)

式中,Δmin和Δmax分別表示所有比較序列絕對(duì)差值中最小值和最大值；ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5，主要是為了提高顯著性差異。將各因子同等重要計(jì)算等權(quán)關(guān)聯(lián)度ri，并將關(guān)聯(lián)序列從大到小排列，確定各因子對(duì)邊緣效應(yīng)強(qiáng)度的影響程度。

2.3.3 環(huán)境耦合度模型構(gòu)建 森林景觀類型對(duì)不同的環(huán)境存在的不同適宜性,根據(jù)高斯定理，若K為A與B時(shí),XAi、XBi為森林景觀類型A與B對(duì)環(huán)境因子i的適宜度,可定義2種景觀類型A與B的單因子環(huán)境耦合度為：

(4)

式中，ri為環(huán)境因子與森林景觀類型林分屬性的關(guān)聯(lián)程度。

森林景觀類型之間對(duì)環(huán)境的耦合度是各環(huán)境因子相似程度的綜合結(jié)果，參照李際平提出兩個(gè)森林景觀類型間環(huán)境耦合度綜合評(píng)價(jià)模型可以得出：?jiǎn)蝹€(gè)因子的耦合度產(chǎn)生的效應(yīng)是一種非線性的乘積效應(yīng)，計(jì)算2個(gè)景觀A與B的環(huán)境耦合度時(shí)，將所有環(huán)境因子i(i=1,2,…,n)作為n維空間上的一點(diǎn)λi(A,B),計(jì)算出n維狀態(tài)空間中點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的加權(quán)距離Cflt,作為森林景觀類型兩兩之間的環(huán)境耦合度的綜合評(píng)價(jià)模型，公式如下：

(5)

式中,Wi為景觀類型結(jié)構(gòu)修正參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種森林景觀類型對(duì)環(huán)境因子的適宜性分析

將表1和表2的數(shù)據(jù)帶入式(1)，計(jì)算出研究區(qū)3種森林景觀類型對(duì)環(huán)境因子的適宜度(表3)。

研究區(qū)森林景觀類型對(duì)年降水量、土壤類型、土層厚度(杉木林除外)和海拔(杉木林除外)的適宜性都基本處于最適范圍；3種森林景觀類型對(duì)坡度也存在較強(qiáng)的適宜性，但對(duì)年均溫度的適宜性則是一般。表明了研究區(qū)的月均溫度差異較大，基本能滿足3種森林景觀類型適宜溫度的時(shí)間需求。3種森林景觀類型能很好的適應(yīng)研究區(qū)的海拔因素、土壤因素和年均降水量，這為3種林分的生長(zhǎng)發(fā)育提供了良好的環(huán)境基礎(chǔ)。

3.2 3種森林景觀類型林分屬性與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)式(2)和式(3)，用MATLAB7.0計(jì)算出3種森林景觀類型的林分屬性與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)度(表4～表6)。

表3 3種森林景觀類型對(duì)環(huán)境因子的適宜程度

表4 杉木林環(huán)境因子與林分屬性關(guān)聯(lián)分析

從表4可以看出，在杉木林景觀類型小班對(duì)中，林分屬性與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)程度為年均溫度=年降水量>土層厚度>海拔>土壤類型>坡度。由此可發(fā)現(xiàn)，氣候因素是影響杉木林林分各屬性因子的主要原因，其次是土壤因素中的土層厚度和地形因素中的海拔，最后才是土壤類型和坡度。

表5 松林環(huán)境因子與林分屬性關(guān)聯(lián)分析

由表5可知，松林的林分屬性與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)程度為年均溫度=年降水量>土層厚度>土壤類型>坡度>海拔。說(shuō)明氣候因素是影響松林林分各屬性因子的主要原因，土壤因素和地形因素是次要原因，這也從側(cè)面體現(xiàn)出了松林抗瘠薄的特性。

從表6的計(jì)算結(jié)果可知，闊葉林林分屬性與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)程度為土層厚度>年均溫度=年降水量>海拔>土壤類型>坡度，說(shuō)明土層厚度和氣候因素對(duì)闊葉林的生長(zhǎng)發(fā)育都具有重大作用，是影響闊葉林林分各屬性因子的主要原因，而海拔、土壤土壤類型和坡度對(duì)林分生長(zhǎng)狀況的影響則相對(duì)較低。

綜上所述，對(duì)3種林分各屬性因子影響最大的是環(huán)境因子中的氣候因子，這主要是因?yàn)闅夂蚴怯绊懥址址植甲钪匾囊蛩刂唬绕淞址稚L(zhǎng)環(huán)境的年均溫度和年均降水量。其中，溫度影響林木體內(nèi)的各種酶活性，從而影響林木中的光合作用和呼吸作用，使整個(gè)林分生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的各屬性因子出現(xiàn)差異化表現(xiàn)。同時(shí)，水是植物生存最基本的物質(zhì)之一，降水量能從根本上決定某種林分的分布范圍，適宜的降水量維持是林分充分生長(zhǎng)和空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要原因。其次，土壤作為林分生長(zhǎng)的載體，不同的土壤類型和土層厚度在一定程度上代表著林分生長(zhǎng)潛力的差異。最后，地形因素會(huì)影響小范圍內(nèi)的氣候特征，對(duì)林分的生長(zhǎng)發(fā)育也具備一定的影響，但相比前兩者而言，其對(duì)林分作用的程度稍低。

3.3 3種森林景觀類型環(huán)境耦合度分析

用MATLAB7.0將表3和表4的數(shù)據(jù)通過(guò)式(4)和式(5)計(jì)算得出3種森林景觀類型的環(huán)境耦合度值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

環(huán)境耦合度所反映的是不同森林景觀類型之間相互作用所形成的穩(wěn)定程度，而不是單個(gè)森林景觀類型對(duì)環(huán)境的適宜性強(qiáng)度。由表7可知，杉木林和闊葉林的環(huán)境耦合度值最大，其次是松林和闊葉林，杉木林和松林的環(huán)境耦合度值則是最小。說(shuō)明3種森林景觀類型中闊葉林和杉木林相互作用的穩(wěn)定程度最高，其次是闊葉林和松林之間的相互作用，最后則是杉木林和松林。因此，在大熊山國(guó)有林場(chǎng)的環(huán)境因子下，闊葉林景觀與其他2種景觀形成的景觀鑲嵌體是最穩(wěn)定的。造成這一現(xiàn)象的原因可能是研究區(qū)的杉木林和松林同屬針葉林，兩者之間林分空間結(jié)構(gòu)以及對(duì)環(huán)境資源的利用特征均存在較大的相似程度，進(jìn)而對(duì)環(huán)境資源的競(jìng)爭(zhēng)性較強(qiáng)，所形成的景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對(duì)有限。而針葉林與闊葉林構(gòu)成的景觀鑲嵌體，兩者因具備較大的空間結(jié)構(gòu)差異，對(duì)環(huán)境資源的利用也存在互補(bǔ)效應(yīng)，所形成的景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對(duì)較高。

表6 闊葉林環(huán)境因子與林分屬性關(guān)聯(lián)分析

表7 3種森林景觀類型環(huán)境耦合度

4 結(jié)論與討論

大熊山國(guó)有林場(chǎng)3種森林景觀類型對(duì)研究區(qū)的環(huán)境因子具備較高的適宜性，杉木林、松林和闊葉林適合在研究區(qū)生長(zhǎng)，但由于當(dāng)?shù)叵募竞投镜脑戮鶞囟炔町愝^大，尤其是冬季低溫，對(duì)3種森林景觀類型的年生長(zhǎng)狀況存在一定的限制作用，這從側(cè)面反映出適宜的溫度范圍對(duì)森林的生長(zhǎng)發(fā)育存有較大影響。

經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)度法分析，大熊山國(guó)有林場(chǎng)中以年均溫度和年降水量為代表的氣候因子對(duì)森林生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)聯(lián)程度最高，其次是土壤因子，而影響最小的則是地形因子。但海拔對(duì)3種森林景觀類型的發(fā)展有不小的影響，這是因?yàn)榇笮苌疆?dāng)?shù)氐臍夂蚺c海拔存在較大的關(guān)聯(lián)性。這一結(jié)論則正好與李際平[9]在森林景觀類型環(huán)境耦合度模型的構(gòu)建與應(yīng)用中選擇最具代表性的生態(tài)適宜因子指標(biāo)相印證，即氣候特征與土壤狀況是影響森林景觀類型的主要因子。

在森林景觀類型的林分屬性和環(huán)境因子的環(huán)境耦合度計(jì)算公式中加入灰色關(guān)聯(lián)度法權(quán)重，能增加計(jì)算結(jié)果的客觀性。計(jì)算結(jié)果表明，大熊山國(guó)有林場(chǎng)3種森林景觀類型中，闊葉林和杉木林相互作用的穩(wěn)定程度最高，其次是闊葉林和松林之間的相互作用，最后則是杉木林和松林。

在空間地域相鄰的同一環(huán)境下，2個(gè)森林景觀類型之間因競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境資源所產(chǎn)生的作用程度為森林景觀類型間的環(huán)境耦合度，它所反映的是不同森林景觀類型間的相異和相似特性在同一環(huán)境條件下相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的穩(wěn)定程度。但區(qū)域中環(huán)境各個(gè)因子所構(gòu)成的環(huán)境綜合體存在較大的復(fù)雜性，尤其是當(dāng)一個(gè)景觀跨越一個(gè)漸變的環(huán)境梯度時(shí)(例如坡向與坡位因子的變化)這種復(fù)雜性更加明顯，所以環(huán)境耦合模型的應(yīng)用也存在相應(yīng)的復(fù)雜性和局限性，如何更加清晰地表達(dá)出環(huán)境耦合模型的復(fù)雜性和突破模型應(yīng)用的局限性將是本研究下一步需要解決的問(wèn)題。此外，本文的研究成果僅適用與湖南省新化縣大熊山國(guó)有林場(chǎng)及周邊區(qū)域，對(duì)其他地域的相同林分是否還存在此種關(guān)系仍需實(shí)地驗(yàn)證。

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