基于系統(tǒng)診斷模型的杉木人工林生長影響因素分析

張銘晉

(湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設計研究總院， 湖南 長沙 410001)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方最主要的造林樹種，也是人工造林面積最大的樹種[1]。一些處在重要的生態(tài)區(qū)位中的杉木林被劃分為公益林，但由于長期營造人工純林，樹種結(jié)構(gòu)單一，導致了土壤退化、林地生產(chǎn)力和物種多樣性下降、生態(tài)環(huán)境服務功能比較弱等問題，難以充分發(fā)揮森林的多種功能[2]。因此研究杉木人工林生長的影響因素在湖南省林業(yè)發(fā)展中顯得尤為重要。

系統(tǒng)診斷模型是解析大規(guī)模、復雜系統(tǒng)的一種處理方法，其整合了美國的解析結(jié)構(gòu)模型(ISM)和日本的全面質(zhì)量管理(TQC)，并將其改進完善而形成的一種思維模式[3-4]。系統(tǒng)診斷模型把無法直接解決的復雜大系統(tǒng)進行分解，把系統(tǒng)問題從時間、空間維度上展開，追溯問題的根源、挖掘系統(tǒng)的潛力、優(yōu)勢、解決問題的途徑和突破口[5-6]，以清晰的邏輯結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)表達出來。系統(tǒng)診斷模型能夠克服傳統(tǒng)的系統(tǒng)診斷靠人為分析和歸納方法導致診斷結(jié)果掛一漏萬、以偏概全的局限性[7]。將系統(tǒng)診斷模型應用于農(nóng)林業(yè)領域的研究相對而言較少[8-11]。本研究基于系統(tǒng)診斷模型分析影響杉木人工林生長的主要因素，以期為杉木人工林的經(jīng)營提供指導。

1 研究區(qū)概況

青羊湖國有林場位于湖南省寧鄉(xiāng)縣的西部，地理坐標為111°58′—120°05′E，28°12′00″—28°10′20″N。林場海拔最高點928 m，海拔最低點166 m，坡度平均值35°。土壤主要以山地黃棕壤和山地黃紅壤構(gòu)成，土層厚度在40至100 cm之間，土壤肥力比較高。林場分布在大陸季風性濕潤氣候區(qū)，每年的平均氣溫達16.2 ℃，年平均降雨量可達1 439 mm，相對濕度達到了85%。土地總面積為1 129 hm2，森林覆蓋率達到98.7%[12]。

2 研究方法

本研究在構(gòu)建系統(tǒng)診斷模型時，主要包括人工工作和計算機工作兩個步驟。首先是由人工建立因果關系圖(或矩陣)，其由計算機對關系進行一個多層次結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。通過把問題作為導向，根據(jù)外部特征的規(guī)律性，可以對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行清楚的判斷。

本研究通過對影響因素進行模糊評分得到實驗初步數(shù)據(jù)，再通過構(gòu)建矩陣、計算影響域與影響強度、構(gòu)建關系重構(gòu)圖等方式，得到所有實驗數(shù)據(jù)，利用Excel 2003、SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 確定影響因子

針對本研究內(nèi)容，通過參考國內(nèi)外學者對林分生長的影響因子的研究，共列出10個影響杉木人工林生長的因素：坡相、造林密度、撫育措施好壞、造林方式、土壤條件、當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展條件、海拔、周圍居民對人工林的態(tài)度、地勢、氣候條件。

3.2 影響因子間的關系有向圖

將所有影響因素進行一對一的評判，確定兩個因素間是否存在關系以及關系類型，評判存在雙向影響關系還是單向影響關系，然后對它們間的影響強弱進行模糊評分。評分規(guī)則：決定性影響因素為5分，強影響因素為4分，一般影響因素為3分，弱影響因素為2分，很弱影響因素為1分。

評分過程中，邀請業(yè)內(nèi)同行參加，集中群體智慧，采用“老手法”(即背靠背評分，互不干擾),對評審結(jié)果進行綜合分析，采用平均數(shù)法(即取評定結(jié)果的平均數(shù))予以綜合。

根據(jù)評審綜合結(jié)果，做出關系有向圖，如圖1所示：

3.3 關系矩陣的表達

通過關系有向圖(圖1)，我們可以得到模糊關系矩陣A(將行作為因，將列作為果，沒有關系記0分)。

取模糊關系矩陣A中最大的元素，為模糊單位矩陣的主對角線上的元素，然后與A相加得到B。

接下來對B采取有限次數(shù)的自合成計算，即可獲得模糊可達矩陣M。自合成采用以下方法：計算B2，B4，…Bk與B2k的值，當計算到Bk=B2k時，Bk就是模糊可達矩陣，記作M。

然后計算截系數(shù)，它的作用是用來刪除次要關系，突出主要關系。對于模糊可達矩陣，把大于和等于截系數(shù)的因素取值為1，否則取為0，可以獲得{0，1}型截矩陣Mλ。

當截系數(shù)等于2和3時，分層效果表明，截系數(shù)等于3效果好于等于2，所以確定截系數(shù)為3，得截距陣為Mλ=3。

3.4 系統(tǒng)元素分層

為了將復雜系統(tǒng)用簡單的方式呈現(xiàn)出來，需要對系統(tǒng)元素進行分層，從而使復雜問題化繁為簡。

比較Q1與Mλ=3，獲得第1，3列完全相等，所對應元素歸為第一層，即：S1={1，3}。

同理可得：S2={2，5}、S3={9，10}、S4={4}、S5={6}、S6={7}、S7={8}。

至此，全部的因素都已經(jīng)歸類完成。

3.5 影響域與影響強度

影響域可以通過計算元素在系統(tǒng)中的影響范圍得到，經(jīng)過計算得到Mλ=3；而元素的影響強度則是用來評價系統(tǒng)元素的影響范圍大小的綜合評價指標。

經(jīng)計算得各元素的影響域與影響強度統(tǒng)計表，如表1所示。

表1 各元素的影響域與影響強度統(tǒng)計表Tab.1 The statistical table of influence domain and influence intensity of each element序號因子影響域影響強度1坡相81002造林密度784.383撫育措施好壞559.384造林方式337.505土壤條件443.756當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展條件228.137海拔112.508周圍居民對人工林的態(tài)度009地勢112.5010氣候條件437.50

從表1可以看出，坡相因子的影響域最高為8，影響強度最高為100；其次是造林密度，影響域為7，影響強度為84.38；土壤條件與氣候條件的影響域相同，均為4；海拔與地勢的影響域相同，均為1；造林方式與氣候條件的影響強度相同，均為37.50；海拔與地勢的影響強度相同，均為12.50；周圍居民對人工林的態(tài)度相比于其他因子而言，其影響域與影響強度均較低。

3.6 骨架矩陣構(gòu)建與關系圖重構(gòu)

骨架矩陣指去掉傳遞枝后所得到的矩陣(在同一回路中的元素之間的關系除外)。本研究的骨架矩陣Ma：

通過上述計算，將原問題進行重構(gòu)，關系重構(gòu)圖如圖2所示：

通過矩陣計算最終得到關系重構(gòu)圖，從圖中可以看出，杉木人工林生長的主要影響因素影響程度從大到小依次為坡相>造林密度>撫育措施好壞>土壤條件>造林方式=氣候條件>當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展條件>海拔=地勢>周圍居民對人工林的態(tài)度。

4 結(jié)論與討論

經(jīng)過系統(tǒng)診斷結(jié)果表明，影響湖南省青羊湖林場杉木人工林生長的主要因素為坡相和造林密度。該林場提高杉木人工林質(zhì)量的關鍵在于選擇適宜杉木人工林生長的坡位、坡度、坡向來造林，造林密度的確定也極為重要。這與王鋒、陳洪華等人的研究結(jié)果一致[13-14]，人工林生長過程中，林分密度往往直接影響林木高徑生長和林分生產(chǎn)力，人工林密度不同其土壤結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，林分密度是影響人工林生長的一個主要因素[15]。本文的研究結(jié)論對今后杉木人工林的經(jīng)營具有重要的指導意義。

本研究所列出的杉木人工林生長影響因素指標可能不夠全面，所以在今后研究過程中，仍然需要學者們對整個杉木林系統(tǒng)進行挖掘與分析。同時，這也是廣大林業(yè)工作者長期奮斗的重要方向。