應(yīng)用投影尋蹤分類(lèi)技術(shù)的森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)

張 瑜，陳存友，胡希軍

（中南林業(yè)科技大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410001）

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，提升生態(tài)功能、保障國(guó)家生態(tài)安全已日益迫切。合理評(píng)價(jià)森林生態(tài)功能，為提升森林生態(tài)功能制定相應(yīng)措施提供科學(xué)依據(jù)，是當(dāng)前林業(yè)建設(shè)的一項(xiàng)重要工作。以《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2004）》中制定的評(píng)價(jià)方法[1]為依據(jù)，當(dāng)前森林生態(tài)功能的研究主要有3個(gè)熱點(diǎn)。一是森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)的出發(fā)點(diǎn)和評(píng)價(jià)角度。如郭玉文等[2]參考了日本林野廳對(duì)于森林生態(tài)功能的評(píng)價(jià)方式，提出通過(guò)影子價(jià)格[3]估算森林生態(tài)功能價(jià)值。賴興會(huì)[4]認(rèn)為生態(tài)公益林生態(tài)功能評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)首先根據(jù)不同森林的主導(dǎo)功能作用制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)。二是將現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方式與其他評(píng)價(jià)體系融合。如劉延飛[5]將現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系與林地自然度、森林健康等內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，共同評(píng)價(jià)。三是對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)方式的指標(biāo)、指標(biāo)賦值、數(shù)據(jù)處理方式、權(quán)重確定、評(píng)價(jià)角度等進(jìn)行修正和增補(bǔ)。如尉衛(wèi)平[6]采用因子分析法、層次分析法重新確定了評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。施恭明等[7]引入了投影尋蹤技術(shù)構(gòu)建森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)模型，但缺乏對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。不同地區(qū)森林特征不同，所構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系也不同；較其他方法而言，使用投影尋蹤技術(shù)進(jìn)行森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度更高。本研究以廣東省南雄市觀音崠自然保護(hù)區(qū)為例，選擇19項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用投影尋蹤分類(lèi)法構(gòu)建森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)體系，分析保護(hù)區(qū)林地特征，為觀音崠自然保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃分、保護(hù)與發(fā)展提出相應(yīng)建議，同時(shí)為今后森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)工作提供新的思路。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省南雄市百順鎮(zhèn)東南部，主要保護(hù)對(duì)象為亞熱帶常綠闊葉林等次生植被，以伯樂(lè)樹(shù)Bretschneidera sinensis為主要保護(hù)對(duì)象的亞熱帶典型森林生態(tài)群落，以伯樂(lè)樹(shù)、金毛狗Cibotium barometz、福建柏Fokienia hodginsii和金斑喙鳳蝶Teinopalpus aureus、豹貓F(tuán)elis bengalensis、虎紋蛙Rana tigrina、蛇雕Spilornis cheela等為代表的國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)珍稀瀕危野生動(dòng)植物及其生境?？偯娣e為2 885.54 hm2，其中非林地74.47 hm2，有林地2 811.04 hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用數(shù)據(jù)來(lái)自南雄市林業(yè)局提供的2017年二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，自然保護(hù)區(qū)范圍帶有小班數(shù)據(jù)的1∶10 000地形圖，谷歌地圖下載的遙感影像圖。在綜合科學(xué)考察報(bào)告的基礎(chǔ)上，對(duì)觀音崠自然保護(hù)區(qū)植被類(lèi)型、重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象的類(lèi)型及分布進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。

1.3 研究區(qū)域植被類(lèi)型

根據(jù)《中國(guó)植被》[8]的分類(lèi)原則和分類(lèi)單位，以 “群落學(xué)—生態(tài)學(xué)”為原則，對(duì)保護(hù)區(qū)植物的種類(lèi)組成、外貌結(jié)構(gòu)、生活型、建群種類(lèi)、生態(tài)地理特征和動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行調(diào)查并統(tǒng)計(jì)分析[9]。依據(jù)《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》，觀音崠自然保護(hù)區(qū)植被按照其樹(shù)種蓄積情況可劃分為7個(gè)樹(shù)種結(jié)構(gòu)（表 1）。

表1 樹(shù)種結(jié)構(gòu)面積及占比Table 1 Structural area and proportion of tree species

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)體系建立

2.1.1 指標(biāo)選取 森林生態(tài)系統(tǒng)功能具有較強(qiáng)的綜合性，單個(gè)功能的研究往往會(huì)忽略生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)功能之間的權(quán)衡，限制人們對(duì)多樣性影響生態(tài)系統(tǒng)功能的理解[10]。因此，本研究從決定森林生態(tài)功能的森林結(jié)構(gòu)[11]角度出發(fā)，以《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》中的森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，查閱立地條件[12]、森林結(jié)構(gòu)[13]等相關(guān)文獻(xiàn)，選取與森林生態(tài)功能相關(guān)的2個(gè)方面，共19項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（表2）。

表2 森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)一覽表Table 2 List of evaluation indicators of forest ecological function

2.1.2 定性指標(biāo)等級(jí)劃分 定量指標(biāo)可直接用于計(jì)算，定性指標(biāo)需要一定方式進(jìn)行量化。根據(jù)《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》、文獻(xiàn)[14]及觀音崠自然保護(hù)區(qū)的現(xiàn)狀情況，研究區(qū)森林生態(tài)功能的等級(jí)劃分與賦值如表3所示。

表3 森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)及賦值表Table 3 Classification and apportionment table of forest ecological function evaluation indicators

2.2 投影尋蹤分類(lèi)技術(shù)

2.2.1 投影尋蹤分類(lèi)技術(shù)原理 投影尋蹤分類(lèi)法（PPC法）[15]是指在未知指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的情況下，通過(guò)將高維數(shù)據(jù)投影到低維（1～3維）的子空間上，采用投影指標(biāo)函數(shù)分析投影構(gòu)形，衡量投影暴露某種結(jié)構(gòu)的可能性大小，尋找能夠使投影指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)（即能反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征）的投影值，得出指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征。具體算法如下。①樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)集數(shù)據(jù)的歸一化處理。評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱不同，數(shù)據(jù)分布也各不相同。計(jì)算之前需采用極值歸一法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理：

式（1）～（2）中： xjmax、 xjmin分別表示樣本數(shù)據(jù)集中第 j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值， yij（i=1-n， j=1-p）為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)樣本值。②構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。投影尋蹤方法就是把p維數(shù)據(jù)yij（i=1-n，j=1-p）綜合成以a=（a1，a2，…， ap）為投影方向的一維投影值 Zi：

式（4）～（5）中： SZ為投影值Zi的標(biāo)準(zhǔn)差， DZ為投影值Zi的局部密度， Z為 Zi（i=1-n）的平均值， u（R-rij）為單位階躍函數(shù)，當(dāng)R-rij≥0時(shí)其函數(shù)值為1，而當(dāng)R-rij＜0時(shí)其函數(shù)值為0。R為局部密度的窗口半徑，rij=|Z（i）-Z（j）|，表示 Z（i）與 Z（j）之間的距離。 熊聘等[16-17]在研究中指出， R 的取值在 rmax/5～rmax/3 范圍內(nèi)是合理的。因此，本次評(píng)價(jià)R取值rmax/5。③優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。為了能夠最大化暴露高維度數(shù)據(jù)中某一特征結(jié)構(gòu)的投影方向，可以選擇求解投影指標(biāo)函數(shù)的最大值。即：

本次尋優(yōu)求解以MATlab為運(yùn)算平臺(tái)，選用群智能最優(yōu)化算法中基于混沌的人工蜂群算法[18]進(jìn)行擇優(yōu)。在式（7）中求得最佳投影方向a*后，將其代入式（3）進(jìn)行運(yùn)算，便可以得到各個(gè)樣本數(shù)據(jù)的投影值Z*（i）。

2.2.2 投影尋蹤分類(lèi)技術(shù)的運(yùn)用 投影尋蹤分類(lèi)法對(duì)于樣本數(shù)據(jù)計(jì)算得出的最佳向量a*即為評(píng)價(jià)體系的權(quán)重；通過(guò)分析權(quán)重大小，可得到一定的林地特征。計(jì)算所得的Z*（i）與Z*（j）越相近，代表兩者越趨向于同一類(lèi)，以此為依據(jù)可以對(duì)樣本聚類(lèi)。本次評(píng)價(jià)中，計(jì)算所得投影值Z*（i）聚類(lèi)的結(jié)果即為評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分

根據(jù)投影值Zi的特征，結(jié)合ArcGIS自然間斷點(diǎn)法[19-20]劃分本次評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)。單位面積得分（T）為：

式（9）中：j為小班數(shù)量，i為指標(biāo)數(shù)，Wi為指標(biāo)權(quán)重，Xi為指標(biāo)得分，A為目標(biāo)計(jì)算區(qū)域的面積（單位為m2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 權(quán)重分析

3.1.1 權(quán)重結(jié)果 表4為計(jì)算所得的森林生態(tài)功能的指標(biāo)權(quán)重。結(jié)合樓文高等[21]提出的投影尋蹤分類(lèi)模型構(gòu)建后權(quán)重最優(yōu)解的五大特征發(fā)現(xiàn)：本次計(jì)算中的常數(shù)項(xiàng)X7，計(jì)算得到的向量接近于0；指標(biāo)的權(quán)重值大部分大于0.1。僅將X10～X19等10個(gè)變量的歸一化處理方式由式（1）變?yōu)槭剑?）后再次進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2次計(jì)算結(jié)果互為相反數(shù)。說(shuō)明本次計(jì)算的結(jié)果是最優(yōu)解。樓文高等[21]也指出，如果在投影尋蹤分類(lèi)法的計(jì)算下為最優(yōu)解，則其相反數(shù)也為最優(yōu)解，因此本次計(jì)算所得權(quán)重可全部取其絕對(duì)值，即本次綜合評(píng)價(jià)模型可描述為：

式（10）中：立地條件Y1、組成結(jié)構(gòu)Y2、個(gè)體結(jié)構(gòu)Y3、年齡結(jié)構(gòu)Y4、空間結(jié)構(gòu)Y5、總體結(jié)構(gòu)Y6的計(jì)算方式分別為：

計(jì)算得到rmax=2.492 73，因此R取值0.498 546。投影值Zi的標(biāo)準(zhǔn)差SZ=0.282 248，投影值Zi的局部密度DZ=29 753.7，投影指標(biāo)函數(shù)Qa=8 397.94。

表4 森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表Table 4 Weight table of forest ecological function evaluation indicators

3.1.2 權(quán)重分析 ①影響觀音崠自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)功能的指標(biāo)重要性排序。投影尋蹤分類(lèi)法中權(quán)重的絕對(duì)值代表了該項(xiàng)指標(biāo)在所有篩選出的指標(biāo)中的重要性程度，以此為依據(jù)可以對(duì)篩選出的指標(biāo)進(jìn)行排序。其結(jié)果為：郁閉度＞枯枝落葉厚度＞公頃株數(shù)＞平均高＞總覆蓋度＞坡位＞自然度＞海拔＞齡組＞土層厚度＞森林群落結(jié)構(gòu)＞平均胸徑＞坡向＞公頃生物量＞公頃蓄積量＞樹(shù)種結(jié)構(gòu)＞健康度＞坡度＞土壤類(lèi)型。其中郁閉度、枯枝落葉厚度、公頃株數(shù)、平均高、總覆蓋度極重要，坡位、自然度、海拔、齡組、土層厚度、森林群落結(jié)構(gòu)、平均胸徑、坡向一般重要，公頃生物量、公頃蓄積量、樹(shù)種結(jié)構(gòu)、健康度、坡度、土壤類(lèi)型不重要。②指標(biāo)的影響方式。19個(gè)指標(biāo)中有15個(gè)指標(biāo)的向量為正值，說(shuō)明這15個(gè)指標(biāo)與保護(hù)區(qū)的森林生態(tài)功能呈現(xiàn)正向相關(guān)關(guān)系。坡度、海拔、土層厚度、樹(shù)種結(jié)構(gòu)這4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為負(fù)值，除 “海拔”項(xiàng)為逆向指標(biāo)（越小越好）外，其他3項(xiàng)均為正向指標(biāo)（越大越好）。“坡度”項(xiàng)作為定性指標(biāo)，量化后變化為了正向指標(biāo)。為驗(yàn)證這4項(xiàng)指標(biāo)與其他指標(biāo)之間負(fù)相關(guān)關(guān)系的正確性，以SPSS 17.0為計(jì)算平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析（表5）。可以看出：4個(gè)指標(biāo)與體系中的其他指標(biāo)的數(shù)據(jù)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果一致；說(shuō)明研究區(qū)林地立地條件較好，森林結(jié)構(gòu)較好的位置坡度較大，土層厚度較小，樹(shù)種以竹林或闊葉純林等低分段樹(shù)種組成為主，即觀音崠自然保護(hù)區(qū)中的低分段樹(shù)種（竹林或闊葉純林）森林結(jié)構(gòu)較好。

3.2 森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)結(jié)果分析 以地籍號(hào)為媒介，通過(guò)使用ArcGIS將樣本投影值Y與觀音崠自然保護(hù)區(qū)的小班信息進(jìn)行整合，得到研究區(qū)森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)結(jié)果（圖1）；統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到觀音崠自然保護(hù)區(qū)中各個(gè)等級(jí)的森林面積與面積占比（表6）。代入式（10），計(jì)算可知觀音崠自然保護(hù)區(qū)的總體森林生態(tài)功能單位面積得分為1.759，評(píng)價(jià)等級(jí)為 “中”；與實(shí)地情況基本吻合。由表6可以看出：研究區(qū)中 “較優(yōu)”等級(jí)森林的面積占比最大，且斑塊分布均勻，說(shuō)明 “較優(yōu)”等級(jí)森林占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)；但是保護(hù)區(qū)的整體評(píng)級(jí)為“中”，說(shuō)明 “較差”和 “差”等級(jí)森林對(duì)其影響較大，需加大經(jīng)營(yíng)力度。

3.2.2 林地特征分析 對(duì)各個(gè)等級(jí)森林的特征分析可知：評(píng)價(jià)為 “優(yōu)”的森林以非林地附近、立地條件較好的中齡高密度竹林為主。評(píng)價(jià)為 “較優(yōu)”的森林大多為立地條件較好、森林結(jié)構(gòu)較為完整、中齡或近熟的純天然闊葉林或針葉混交林。評(píng)價(jià)為 “中”的森林大多也為純天然闊葉林、針葉混交林或針闊混交林。相比 “較優(yōu)”等級(jí)森林，其立地條件略差，森林結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，樹(shù)齡以幼齡為主?！拜^優(yōu)”“中”等級(jí)的森林基本包含了觀音崠自然保護(hù)區(qū)主要保護(hù)的次生植被和森林生態(tài)群落主體。評(píng)價(jià)為 “較差”的森林以遠(yuǎn)離非林地密集處的幼齡竹林為主。以竹林本身的生長(zhǎng)特征及植物特征而言，其蓄積量、森林生態(tài)功能的發(fā)揮并不足以達(dá)到 “優(yōu)”等級(jí)，但在此次評(píng)價(jià)過(guò)程中，“優(yōu)”等森林基本以竹林為主。說(shuō)明人為干擾會(huì)改變自然生長(zhǎng)竹林的空間結(jié)構(gòu)和蓄積情況，雖然這樣會(huì)增加竹林的生態(tài)功能的發(fā)揮，但這樣的方式并不利于保護(hù)區(qū)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和正常演替。評(píng)價(jià)為 “差”的森林以高海拔的人工單層針葉純林為主?！拜^差”和 “差”等級(jí)的森林將是今后治理與經(jīng)營(yíng)的重點(diǎn)。

表5 森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析表Table 5 Relevance analysis table of forest ecological function evaluation indicators

表6 總體評(píng)價(jià)等級(jí)及面積占比明細(xì)表Table 6 Overall evaluation grade and area proportion list

4 結(jié)論與建議

針對(duì)上述結(jié)果，總結(jié)如下并提出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議。評(píng)價(jià)為 “優(yōu)”的竹林需人為管控，防止其向外擴(kuò)張。評(píng)價(jià)為 “較優(yōu)”的森林建議以監(jiān)測(cè)與保護(hù)為主，不宜過(guò)多干擾；評(píng)價(jià)為 “中”的森林建議采取以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)為主的措施找出得分較低的原因，對(duì)癥下藥；評(píng)價(jià)為 “較差”與 “差”的森林，建議以封山撫育為主，重點(diǎn)經(jīng)營(yíng)，調(diào)整其森林結(jié)構(gòu)，增加其抗干擾能力。由于每個(gè)功能區(qū)中均包含各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的森林，以上措施應(yīng)當(dāng)在符合國(guó)家對(duì)于各個(gè)功能區(qū)的規(guī)定的情況下進(jìn)行。

圖1 森林生態(tài)功能總體評(píng)價(jià)結(jié)果示意圖Figure 1 Overall evaluation results of forest ecological function

實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)：觀音崠自然保護(hù)區(qū)的竹林大多為人工種植后物種入侵形成。保護(hù)區(qū)內(nèi)竹林較多，且占據(jù)立地條件較好位置，應(yīng)當(dāng)控制保護(hù)區(qū)內(nèi)竹林的生長(zhǎng)范圍不再擴(kuò)大，減弱人對(duì)于竹林的干擾，誘導(dǎo)其回到自然演替的過(guò)程中。針對(duì)針葉人工純林，應(yīng)當(dāng)誘使其演替為鄉(xiāng)土針闊混交人工林[22]。

根據(jù)國(guó)家對(duì)于自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的規(guī)定，保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃分的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡量將評(píng)價(jià)等級(jí)高的森林劃入核心區(qū)和緩沖區(qū)中，評(píng)價(jià)等級(jí)低的森林則劃入實(shí)驗(yàn)區(qū)中，方便進(jìn)行一定的森林結(jié)構(gòu)調(diào)整和撫育。

本研究選取19項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)投影尋蹤分類(lèi)法構(gòu)建了觀音崠自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)功能評(píng)價(jià)體系，并完成評(píng)價(jià)。但由于計(jì)算結(jié)果僅來(lái)源于觀音崠自然保護(hù)區(qū)的數(shù)據(jù)，因此指標(biāo)的重要性也僅能說(shuō)明觀音崠自然保護(hù)區(qū)的情況。對(duì)于后期同類(lèi)型森林類(lèi)型自然保護(hù)區(qū)或同緯度、特征相同森林的進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，還需數(shù)據(jù)驗(yàn)證。本次評(píng)價(jià)還發(fā)現(xiàn)，指標(biāo)權(quán)重部分的重要性排序上與施恭明等[7]計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重、《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》中的指標(biāo)權(quán)重還存在較大出入，可能與指標(biāo)選取、森林特征不同有關(guān)。對(duì)于是否需要在計(jì)算權(quán)重的過(guò)程加入指標(biāo)重要性排序的約束條件，還需進(jìn)一步的思考和驗(yàn)證。