北京山區(qū)側(cè)柏人工林林內(nèi)景觀質(zhì)量分級(jí)技術(shù)

趙 凱，李金航，劉海軒，馬冰倩，龍嘉翼，崔哲浩，徐程揚(yáng)

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083）

北京森林資源覆蓋率較高，但人工林面積大，且純林較多。其中，山區(qū)針葉人工林普遍存在林分結(jié)構(gòu)簡單、林木密度過大、林木生長緩慢、植物多樣性水平低下、群落穩(wěn)定性差等現(xiàn)象［1-2］，導(dǎo)致了山區(qū)針葉人工林綜合質(zhì)量偏低、景觀效果偏差，并進(jìn)一步影響了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮。側(cè)柏Platycladus orientalis是北京山區(qū)針葉人工林的主要組成樹種，其面積相對(duì)較大，但由于立地條件較差、撫育滯后、林分結(jié)構(gòu)不合理、林木生長勢衰弱，未能充分滿足人們觀賞、游憩的需求。風(fēng)景游憩功能是北京市交通干線等通道兩側(cè)一重山范圍森林的重要培育目標(biāo)之一，因此，提升山區(qū)森林視覺景觀質(zhì)量已成為北京市森林經(jīng)營的核心工作。目前，對(duì)景觀質(zhì)量的研究多側(cè)重于美學(xué)方面［3-5］，鮮有同時(shí)兼顧美學(xué)與林分結(jié)構(gòu)的綜合景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。合理的林分結(jié)構(gòu)是良好林分功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，林分結(jié)構(gòu)決定了森林的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營空間的大?。?-8］，影響森林景觀的健康、高效和可持續(xù)發(fā)展。因此，林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)控是森林經(jīng)營活動(dòng)的本質(zhì)，對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，將提高林分經(jīng)營決策的準(zhǔn)確性［9-10］。中國部分學(xué)者采用綜合指數(shù)法或?qū)哟畏治龇ㄟM(jìn)行林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)價(jià)［11-12］；而更多的是將林分結(jié)構(gòu)作為美學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，如在美學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中，通過構(gòu)建美景度模型，探究林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)美學(xué)質(zhì)量的影響［13-16］。林分結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)多從水平、垂直以及組成結(jié)構(gòu)考慮［17-19］，選擇生產(chǎn)實(shí)踐中易于獲得的指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，也有因研究目的不同，引入間接計(jì)算指標(biāo)，如空間聚集指數(shù)、胸徑大小分化度、競爭指數(shù)等，從林木競爭、空間分布格局、林木大小分化程度等角度構(gòu)建指標(biāo)體系［20-21］。本研究以北京山區(qū)側(cè)柏人工林為研究對(duì)象，以林分結(jié)構(gòu)和美學(xué)結(jié)構(gòu)為依據(jù)，構(gòu)建北京山區(qū)針葉林景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過綜合分析林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量、美學(xué)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提出一套適合山區(qū)側(cè)柏人工林的林內(nèi)景觀質(zhì)量分級(jí)方法，為山區(qū)側(cè)柏人工林的景觀改造提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地分布在北京市西山林場、九龍山林場和金海湖3個(gè)地區(qū)。北京市西山林場位于北京市近郊小西山，總面積為5 949 hm2，所處小西山屬太行山系的低海拔石質(zhì)山，山區(qū)平均海拔為20～400 m，年降水量660 mm。小西山土層厚為30～50 cm，土壤中石礫含量多，立地條件較差，不利于造林和樹木生長。植被類型屬暖溫帶落葉闊葉林，主要組成樹種有側(cè)柏、油松Pinus tabulaeformis，刺槐Robinia pseudoacacia，黃櫨Cotinus coggygria，元寶楓Acer trunoatum，欒樹Koelreuteria paniculata，栓皮櫟Quercus variabilis，山桃Prunus davidiana和山杏Prunus armeniaca等，天然分布的喬木樹種有構(gòu)樹Broussonetia papyrifera，蒙桑Morus mongolica和臭椿Ailanthus altissima等，灌木組成有荊條Vitex negundo，酸棗Ziziphus jujuba，孩兒拳頭Grewia biloba和銹線菊Spiraea salicifolia等。九龍山位于北京西郊門頭溝區(qū)東南部，屬太行山低山丘陵區(qū)，海拔為100～997 m。山體基本呈東西走向，形成典型的大陽坡和大陰坡。山坡普遍較陡，坡度多在25°以上，年均降水量623 mm，屬暖溫帶大陸東岸半濕潤季風(fēng)氣候。土壤類型屬于山地褐土，土層普遍較薄，含石量高。側(cè)柏人工林主要分布于低陽薄松的立地上，面積為284.89 hm2，占總面積的25%;蓄積為7 265.31 m3，占總蓄積的21%。喬木主要有側(cè)柏，油松，栓皮櫟，華北落葉松Larix principis-rupprechtii，黃櫨和白蠟樹Fraxinus chinensis等；灌木主要有酸棗、荊條和三裂繡線菊Spiraea trilobata等;草本植物主要有狗尾草Setaria viridis，茜草Rubia cordifolia等。金海湖位于北京市平谷區(qū)東部，地處京、津、冀交匯處，主要山脈為燕山山脈西段，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)區(qū)。金海湖周邊主要組成樹種是側(cè)柏和油松，以中幼齡林為主，林分密度較大；灌木組成有酸棗、荊條和小葉鼠李Rhamnus parvifolia等；草本植物主要有紫堇Corydalis edulis和馬唐Digitaria sanguinalis等。

1.2 樣地調(diào)查

在對(duì)西山林場、九龍山林場及金海湖周邊全面踏查的基礎(chǔ)上，采用典型抽樣的方法共設(shè)置55塊樣地，樣地大小為20 m×20 m，調(diào)查、記錄標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)所有樹木（檢尺直徑4 cm）；在樣地的4角和中間設(shè)置5個(gè)5 m×5 m的灌木樣方和5個(gè)1 m×1 m的草本樣方。

采用地理信息系統(tǒng)（GPS）測定樣地的海拔，用羅盤儀測定坡度，并記錄樣地的林內(nèi)透視距離、郁閉度；對(duì)喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種名稱、樹高、胸徑、冠幅、活枝下高；樣地內(nèi)林下層植被調(diào)查包括灌木與草本的高度、蓋度以及灌草總蓋度。

表1 樣地概況Table 1 Main factors of sample plots

1.3 指標(biāo)選取和計(jì)算

林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)包括平均樹高、平均胸徑、平均冠幅、平均枝下高、林分密度、灌木蓋度、草本蓋度、灌草總蓋度、郁閉度、透視距離以及林分結(jié)構(gòu)復(fù)合指標(biāo)。林分符合結(jié)構(gòu)指標(biāo)，包括反映林木相對(duì)生長狀況的徑高比（DHR）、反映樹冠向外舒展程度的樹冠伸展度（CED）、反映喬木相對(duì)密度大小的胸高斷面積（BA）、反映林下空間大小的平均冠長率（CR）和林下有效空間（UES）共計(jì)15個(gè)指標(biāo)，復(fù)合指標(biāo)計(jì)算公式如下：RDH＝D/H；DCE＝WC/H；AB＝25∑πD2/4；RC＝LC/H；SUE＝1-HS/LLC。 其中：RDH是徑高比；D為胸徑（cm）；H為樹高（m）；DCE是樹冠伸展度；WC為冠幅（m）；AB為胸高斷面積（cm2·hm-2）；RC為平均冠長率；LC為冠長（m）；SUE為林下有效空間；HS為灌木高度（m）；LLC為活枝下高（m）。

1.4 景觀照片拍攝與評(píng)價(jià)

本研究中進(jìn)行林內(nèi)美景度評(píng)價(jià)。參照前人的林內(nèi)景觀照片拍攝規(guī)范［15］，使用Nikon D 7100相機(jī)對(duì)樣地進(jìn)行拍照取樣。

1.5 美景度（SBE）計(jì)算

①按照等級(jí)值的大小順序統(tǒng)計(jì)各等級(jí)的頻率（f），計(jì)算相應(yīng)的累積頻率（fc）、累積概率（cp）和正態(tài)分布單側(cè)分位數(shù)（z）；②求各等級(jí)對(duì)應(yīng)的z值的平均值＇Z；③隨機(jī)選擇一景觀作為對(duì)照景觀，SBE＝（＇Zi-＇Z0）×100。其中：＇Z0為對(duì)照景觀各等級(jí)對(duì)應(yīng)的z值的平均值，＇Zi為第i個(gè)景觀各等級(jí)對(duì)應(yīng)的z值的平均值。

1.6 TOPSIS分級(jí)法

TOPSIS法是系統(tǒng)決策分析中常用的排序方法，是一種逼近于理想解的排序法。方案排隊(duì)的決策規(guī)則是把實(shí)際可行解和理想解與負(fù)理想解作比較，若某個(gè)可行解最靠近理想解，同時(shí)又最遠(yuǎn)離負(fù)理想解，則此解是方案集的滿意解［22］。根據(jù)各樣地與其對(duì)應(yīng)指標(biāo)最優(yōu)方案及最劣方案的距離Di+與Di-，計(jì)算各樣地景觀質(zhì)量與最優(yōu)方案的接近程度Ci，計(jì)算公式為：Ci＝Di-/（Di++Di-）。式中，Ci在0與1之間取值，愈接近1，表示越接近最優(yōu)水平，反之，愈接近0，表示越接近最劣水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)林內(nèi)美景度的影響

相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)（表2）：共有8個(gè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)與林內(nèi)美景度相關(guān)性顯著，其中平均胸徑、林分密度、平均枝下高、灌木蓋度、透視距離、郁閉度、徑高比與美景度間顯著相關(guān)（P＜0.05）；林下有效空間與美景度極顯著相關(guān)（P＜0.01）。根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值判定指標(biāo)對(duì)林內(nèi)美景度影響程度排序從大到小依次為林下有效空間、郁閉度、透視距離、徑高比、灌木蓋度、林分密度、平均胸徑、平均枝下高。其中，林下有效空間、透視距離、徑高比、平均胸徑、平均枝下高與美景度間為正相關(guān)，林分密度、郁閉度、灌木蓋度與美景度間為負(fù)相關(guān)。

表2 林分結(jié)構(gòu)與美景度間相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between forest structure and scenic beauty

2.2 林分結(jié)構(gòu)因子構(gòu)建

對(duì)與林內(nèi)美景度相關(guān)性顯著的8個(gè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，通過主成分因子分析并采用方差最大法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，構(gòu)造了3個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.93%，能夠反映林分結(jié)構(gòu)的主要信息。根據(jù)因子載荷矩陣發(fā)現(xiàn)：第一公因子與平均胸徑、徑高比、林下有效空間較強(qiáng)正相關(guān)，與林分密度較強(qiáng)負(fù)相關(guān)，主要反映林木生長狀況與林內(nèi)擁擠程度，定義為林內(nèi)擁擠因子，記為F1；第二公因子與灌木蓋度、郁閉度較強(qiáng)正相關(guān)，與透視距離較強(qiáng)負(fù)相關(guān)，主要反映林內(nèi)空間開闊程度，定義為林內(nèi)開闊因子，記為F2；第三公因子與平均枝下高較強(qiáng)正相關(guān)，主要反映林下空間高度，定義為林下高度因子，記為F3（表3）。

根據(jù)林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)在各因子上的載荷值，構(gòu)建林分結(jié)構(gòu)因子計(jì)算公式：F1＝0.931x1-0.877x2+0.951x7+0.593x8；F2＝0.863x4-0.892x5+0.866x6；F3＝0.909x3。以各因子的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重構(gòu)造林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)F，計(jì)算公式如下：林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)F＝（0.382 3F1+0.298 1F2+0.158 9F3）/（0.382 3+0.298 1+0.158 9）。

表3 林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)因子分析Table 3 Forest structure index factor analysis

2.3 林內(nèi)景觀美景度模型建立

以構(gòu)建的3個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子作為自變量，美景度值為因變量，分別采用線性回歸、二次多項(xiàng)式回歸和二次多項(xiàng)式逐步回歸進(jìn)行模型擬合，并經(jīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到美景度模型（表4）。通過比較發(fā)現(xiàn)，3個(gè)模型的P值均小于0.05，但二次多項(xiàng)式逐步回歸模型的R2最大，模型的擬合精度更高，因而能夠更好地解釋美景度與林分結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。

表4 基于林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)的美景度模型構(gòu)建Table 4 Construction of landscape model based on forest structure index

2.4 林內(nèi)景觀質(zhì)量分級(jí)

首先將林分結(jié)構(gòu)指數(shù)和美景度進(jìn)行歸一化處理，然后采用TOPSIS法計(jì)算各樣地林分結(jié)構(gòu)指數(shù)與美景度的最優(yōu)距離D+和最劣距離D-，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)方案的接近程度Ci。最終選擇Ward法以歐氏距離對(duì)55塊樣地的TOPSIS值進(jìn)行聚類分析，將劃分林內(nèi)景觀質(zhì)量劃分為3個(gè)等級(jí)。其中，Ⅰ級(jí)林內(nèi)景觀質(zhì)量最好，共有19塊樣地，其TOPSIS均值為0.614，取值范圍為［0.537，0.807］，定義為優(yōu)質(zhì)景觀林；Ⅱ級(jí)林內(nèi)景觀質(zhì)量次之，共有17塊樣地，其TOPSIS均值為0.468，取值范圍為［0.403，0.537），定義為良好景觀林；Ⅲ級(jí)林內(nèi)景觀質(zhì)量較差，共有19塊樣地，其TOPSIS均值為0.292，取值范圍為［0.085，0.403），定義為低質(zhì)景觀林。

通過方差分析和多重比較發(fā)現(xiàn)（圖1）：美景度值、林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)、平均胸徑、林分密度、徑高比、林下有效空間在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)間均存在顯著差異，且隨著景觀質(zhì)量等級(jí)降低，美景度、林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)、平均胸徑、徑高比和林下有效空間均顯著降低，而林分密度隨景觀質(zhì)量等級(jí)降低而顯著增加；平均枝下高僅在Ⅰ和Ⅱ等級(jí)間差異顯著，隨景觀質(zhì)量等級(jí)降低而顯著下降，灌木蓋度、郁閉度、透視距離在Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ等級(jí)間差異均不顯著。由此可見，對(duì)林內(nèi)景觀質(zhì)量影響較大的林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)主要是平均胸徑、林分密度、徑高比、林下有效空間，其次是平均枝下高，而灌木蓋度、郁閉度和透視距離對(duì)景觀質(zhì)量分級(jí)影響不顯著。

最終選擇在景觀質(zhì)量等級(jí)間差異顯著地林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體分級(jí)結(jié)果如下（表5）：Ⅰ級(jí)景觀林林內(nèi)美景度、林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量最高，主要表現(xiàn)為胸徑粗壯且徑高比較大，樹體長勢旺盛，且林分密度較低，枝下高較高且林下有效空間較大、林內(nèi)空間開闊，定義為優(yōu)質(zhì)景觀林；Ⅱ級(jí)景觀林林內(nèi)美景度、林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量較一般，主要表現(xiàn)為胸徑適中且徑高比較大，樹木長勢良好，且林分密度適中，枝下高較高具有一定的林下空間，定義為中等景觀林；Ⅲ級(jí)景觀林林內(nèi)美景度和林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量均較低，主要表現(xiàn)為胸徑細(xì)小，樹木長勢一般，林分密度較大，枝下高較低，林下空間較小，定義為低質(zhì)景觀林。

圖1 不同等級(jí)間指標(biāo)差異顯著性分析Figure 1 Significance analysis of index difference between different grades

分級(jí)結(jié)果表明：所調(diào)查55個(gè)樣地中，各景觀質(zhì)量等級(jí)的樣地?cái)?shù)量較平均。其中，林內(nèi)景觀質(zhì)量等級(jí)較高的林地，美學(xué)質(zhì)量和林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量都較高，樹木粗壯、長勢較好，林分密度不宜過大，枝下高較高且林下灌木較低矮，具有一定的林下空間，林內(nèi)可進(jìn)入性較高。

表5 林內(nèi)景觀質(zhì)量分級(jí)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Forest landscape quality grading results and standards

3 結(jié)論與討論

對(duì)15個(gè)林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)與美景度進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，平均胸徑、林分密度、平均枝下高、灌木蓋度、透視距離、郁閉度與美景度呈顯著相關(guān)（P＜0.05）；徑高比與美景度呈顯著相關(guān)（P＜0.05），林下有效空間與美景度呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），這與前人的研究結(jié)果相符［23-26］。此外，通過比較得知，樹高與美景度無顯著相關(guān)性，但徑高比與美景度相關(guān)關(guān)系顯著且相關(guān)系數(shù)高于樹高和胸徑，說明喬木的絕對(duì)高度對(duì)林內(nèi)美景度沒有顯著影響，但胸徑與樹高的相對(duì)生長情況與美景度顯著相關(guān)；平均枝下高與美景度相關(guān)性顯著而平均冠長率與美景度相關(guān)不顯著，說明林內(nèi)美景度與絕對(duì)枝下高度相關(guān)而平均冠長率不能有效衡量林下空間高度；林分密度與美景度顯著相關(guān)而胸高斷面積與美景度相關(guān)性不顯著，說明對(duì)美景度影響更大的是單位面積上的喬木數(shù)量；灌木蓋度與美景度相關(guān)性顯著而草本蓋度、灌草總蓋度與美景度沒有顯著相關(guān)性，主要原因是草本較低矮，因此其蓋度變化對(duì)林內(nèi)景觀質(zhì)量影響較小。

以往大多數(shù)研究構(gòu)建的美景度模型為線性模型，非線性模型較少［16，26-27］，本研究對(duì)與美景度顯著相關(guān)的林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行主成分因子分析，構(gòu)建了3個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子，減小了各林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)間相關(guān)性對(duì)模型的影響，并以此作為自變量構(gòu)建與美景度間的線性模型和二次多項(xiàng)式模型，并采用逐步回歸分析篩選自變量。通過比較發(fā)現(xiàn)，林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)與美景度間并不是簡單的線性相關(guān)關(guān)系，逐步回歸二次多項(xiàng)式模型的模型精度更高，能夠更好地解釋美景度隨林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化。

通過美景度的聚類分析對(duì)景觀類型進(jìn)行劃分和質(zhì)量分級(jí)［17，26］，缺乏對(duì)林分結(jié)構(gòu)信息的考慮；在單木分級(jí)中，有用TOPSIS法綜合考慮生長勢和美景度值對(duì)單木進(jìn)行分級(jí)［15］。因此，本研究將TOPSIS法應(yīng)用到林內(nèi)景觀質(zhì)量分級(jí)，通過因子分析構(gòu)建林分結(jié)構(gòu)因子，并以各因子方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重構(gòu)造的林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)，并最終采用TOPSIS法，綜合考慮林分結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)與美景度值，通過聚類分析，將林內(nèi)景觀質(zhì)量分為優(yōu)質(zhì)、中等和低質(zhì)3個(gè)等級(jí)，并通過方差分析和多重比較，選擇在各景觀質(zhì)量等級(jí)間差異性顯著的林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為山區(qū)側(cè)柏人工林林內(nèi)景觀質(zhì)量分級(jí)提供參考。分級(jí)結(jié)果表明：林木胸徑較大、枝下高較高且長勢良好，林分密度較低，林下灌木較低矮的林分林內(nèi)景觀質(zhì)量較高。因此，在今后撫育管理中，應(yīng)注意適當(dāng)間伐、控制林分密度，保留和培育大徑級(jí)的林木，及時(shí)修枝、伐除枯枝促進(jìn)主干生長、調(diào)整樹冠形態(tài)并對(duì)長勢弱的林木進(jìn)行復(fù)壯更新，定期割灌并控制灌木高度，提高林下有效空間，改善林內(nèi)透視距離，從而提高林內(nèi)景觀質(zhì)量。