生態(tài)彈性視域下森林功能的擾動恢復(fù)分析

依 艷

(云南省勐臘縣林草局，云南 勐臘 666300)

1 引言

天然生態(tài)林本身具有完整的生態(tài)結(jié)構(gòu)，在遭到人類生產(chǎn)生活的影響后其結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一定程度的破壞，進(jìn)而造成區(qū)域或整體生態(tài)鏈的斷裂。通過人為干預(yù)可以在一定程度上加速森林功能的擾動恢復(fù)速度，通過遙感影像或森林資源調(diào)查等方式預(yù)防自然災(zāi)害和人為破壞對森林功能的影響。針對此類問題，本文將從生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在屬性角度出發(fā)，對影響案例地區(qū)森林功能的因素進(jìn)行分析，以此明確在林火防護(hù)預(yù)案基礎(chǔ)上可實現(xiàn)森林功能防控的應(yīng)用效果。

2 案例概況

為得到證實的分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以勐臘縣開展侵占林地種茶毀林等破壞森林資源違法違規(guī)問題專項整治工作為例。該地區(qū)自然生態(tài)保護(hù)林自1998年實施天然林保護(hù)工程以來，累計已經(jīng)完成公益林建設(shè)任務(wù)約58.9萬畝；自2002年實施退耕還林以來共計退耕還林約1167萬畝：其中全縣的林地面積約為912萬畝(包括農(nóng)用林地)，自然生態(tài)林地面積約為880.7萬畝，涵蓋國有林面積506萬畝，集體林面積406萬畝。其中，屬于國家級自然保護(hù)區(qū)的林地面積約200萬畝；公益林面積約為556.1萬畝。勐臘縣面積約為7083 km2，全縣森林覆蓋率可達(dá)86.24%；并且擁有豐富的自然資源，其中植物種與變種多達(dá)230科1174屬3890種，受國家重點保護(hù)的珍稀野生動物有97種。建成國際跨境林業(yè)示范區(qū)50萬畝。2012年以來全縣共種植珍貴用材林14.68萬畝(約540萬株)，主要樹種為:鐵力木、緬茄、降香黃檀、大紅酸枝等11個樹種。因該地區(qū)緊鄰國界，所以常年面臨鄰國林火問題的侵?jǐn)_，加之治理工作的開展受到資金投入、人員缺失、政策普及以及監(jiān)控力度的影響，導(dǎo)致林場并未得到全方位的防護(hù)監(jiān)察工作的全覆蓋。

3 研究方法及模型構(gòu)建

3.1 森林生態(tài)彈性

從生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在屬性角度出發(fā)，即生態(tài)彈性角度對用于模型構(gòu)建的評價指標(biāo)進(jìn)行挑選。因自然森林的生態(tài)彈性會受到很多因素的影響，所以需要對森林生態(tài)系統(tǒng)下所有用于本文分析的穩(wěn)定狀態(tài)閾值進(jìn)行測定，考慮到直接測量工作量大且測量工作相對困難，可運用直接推斷法進(jìn)行評估[1]。以森林生態(tài)系統(tǒng)的實際情況為基礎(chǔ)選取能夠側(cè)映出森林生態(tài)彈性變化的特征指標(biāo)因子，以此方式為模型構(gòu)建提供森林生態(tài)系統(tǒng)的實際彈性動態(tài)。結(jié)合林業(yè)專家對此次分析給出建議的基礎(chǔ)上，本文將從森林的結(jié)構(gòu)、組成與功能等角度出發(fā)，挑選與案例地區(qū)特點相同的森林生態(tài)系統(tǒng)的彈性指標(biāo)，如表1所示。

表1 森林生態(tài)彈性指標(biāo)體系

本文分析所用到的篩選彈性指標(biāo)可借助森林景觀模型模擬得出，并且其指標(biāo)還可為后續(xù)森林生態(tài)彈性發(fā)展預(yù)測提供參考基礎(chǔ)。在森林生態(tài)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)方面，將以地上生物量當(dāng)做森林生態(tài)彈性的指標(biāo)，輔助分析林火火情的發(fā)展走向。以森林郁閉程度作為映射森林結(jié)構(gòu)密度的指標(biāo)因子[2]。在案例森林的組分層面，本文將以老齡樹種在森林中占比情況作為一種森林生態(tài)彈性的指標(biāo)，即選擇柵格中闊葉樹齡大于60年針葉樹齡大于100年的所有老齡樹與總樹數(shù)比值[3]。

因上述影響森林生態(tài)系統(tǒng)彈性指標(biāo)存在量綱差異的問題，所以需要采用數(shù)據(jù)歸一方法對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]，即：

(1)

以變異系數(shù)法對彈性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行計算[5]。該方法主要依據(jù)各影響因子在整體評價中的實際數(shù)據(jù)而獲取權(quán)重，具有較強的客觀性，表達(dá)式為：

(2)

本分析將借助綜合彈性指標(biāo)評價實現(xiàn)案例地區(qū)森林功能擾動的計算和發(fā)展預(yù)測[6]。設(shè)計基本評價單元分辨率為90 m×90 m，利用加權(quán)求和法將上式(1)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加，使用ArcGIS軟件對每個分辨率柵格下的森林功能擾動彈性指標(biāo)進(jìn)行計算，表達(dá)式為：

(3)

以每個分辨率柵格下的計算結(jié)果為基礎(chǔ)融合土地利用的類型計為一個統(tǒng)計單元，將上述操作獲得每個土地類型下的景觀尺度作為森林功能擾動的彈性數(shù)值，表達(dá)式為：

Rj=(∑Ri)/Nj

(4)

式(4)中：Rj表示立地類型j的彈性指標(biāo)；Ri表示立地類型i下某柵格表示的森林功能擾動指標(biāo)；Nj表示立地類型j上涵蓋的所有柵格數(shù)。

3.2 模型設(shè)計思路

森林景觀模型可用于規(guī)模較大的時空尺度模擬中，以案例森林為例該模型可以實現(xiàn)對100～110 hm2范圍下時間跨度在10～105年的模擬[7]。森林生態(tài)系統(tǒng)中彈性變化因素可受林地更新、物種傳播、林火以及人為活動等因子影響，可將上述因素融入森林景觀模型中形成空間直觀景觀模型。森林景觀模型可基于上述柵格數(shù)據(jù)將案例下整個森林分為一系列柵格單位，通過計量柵格下關(guān)于樹木的林分信息，例如樹種、株數(shù)、齡級以及胸高等參數(shù)，實現(xiàn)對案例地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的時空擾動變化的動態(tài)模擬[8]。將已有林分密度概念引入森林景觀模型中，使模型可以直接調(diào)用案例森林實地調(diào)查數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)參數(shù)化并進(jìn)行校正與驗證。在該模塊中，案例森林的演替過程可視為樹種歷史屬性驅(qū)動的一種競爭過程，其演替可受林分密度影響決定林下立地植物生長空間稀疏演變，借此可實現(xiàn)對森林功能擾動的真實性推演。為此，本文將選擇案例地區(qū)存在危險級別較高的林火問題作為森林功能擾動的基本條件，在模擬中需要設(shè)置林火發(fā)生情況、蔓延情況以及火燒強度等3個主要過程，以此得到森林功能受到高強度擾動后真實的恢復(fù)演變情況[9]。

3.3 模型基礎(chǔ)參數(shù)

選擇數(shù)據(jù)分割法對森林景觀模型下的參數(shù)進(jìn)行驗證。首先需要對模型設(shè)定的初始參數(shù)化數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。本文分析中可隨機選擇70%森林面積的實地調(diào)查數(shù)據(jù)與2010年功能受損演變研究區(qū)下的林相圖進(jìn)行融合，從而獲得2010年至今的演變推演景觀數(shù)據(jù)[10，11]。通過對模型下樹種的生長曲線參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，獲取2010年時該地的初始景觀數(shù)據(jù)，將剩余30%森林面積的實地調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)為差異不顯著。其次需要對森林下潛在種子萌發(fā)情況進(jìn)行不斷調(diào)整，從而使模型模擬得到2010年森林實地調(diào)查數(shù)據(jù)能夠與實際景觀圖像相吻合。在模型中林火擾動的模擬結(jié)果會更偏向與林火的效果模擬，結(jié)合2010年至今的森林演變數(shù)據(jù)模擬災(zāi)后的恢復(fù)情況。以案例地區(qū)針對當(dāng)?shù)厣止芾韺嶋H情況頒布的林火預(yù)警預(yù)案為基礎(chǔ)，判斷有無預(yù)案條件下森林功能擾動的恢復(fù)情況。從該地歷史檢測數(shù)據(jù)中選擇40場低強度的林火災(zāi)后(林火治理后25年未發(fā)生二次林火的地區(qū))，模型中森林林火的火燒跡地演替時間(以2021年為基線)依次選擇1996、2001、2006、2011和2016年。每個時間段分別取8個樣點，各樣點下分別設(shè)置5個樣方，規(guī)格為20 m×20 m，記錄樹種、棵數(shù)和胸徑等基礎(chǔ)信息，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)比較實地調(diào)查數(shù)據(jù)(2020年)與模型的擾動恢復(fù)輸出。

4 結(jié)果與分析

由圖1可知，以森林調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，2010年初始化森林景觀的樹種結(jié)構(gòu)與2010年實際森林景觀數(shù)據(jù)具有一定相似性。

圖1 案例試驗區(qū)2010年實際與模型輸出數(shù)據(jù)的比較

由圖1試驗地區(qū)實際情況和森林功能擾動彈性模型產(chǎn)生數(shù)據(jù)可知，其模型得出林火后地區(qū)森林的林分密度與胸高斷面積較為貼合實際情況，即林分密度下模型與實際的相關(guān)系數(shù)相差0.018；胸高斷面積相關(guān)系數(shù)相差0.029。由此可證明：本文所提模型具有一定的真實推演能力，能夠很好地預(yù)測擾動后森林的實際走向，表明該模型得出數(shù)據(jù)可作為預(yù)案落實現(xiàn)狀的預(yù)測方法?；趯嶋H與模型產(chǎn)生的幾處林火火燒情況提出林火防護(hù)預(yù)案，并將預(yù)案引入本文所提模型中進(jìn)行預(yù)案推演，由推演結(jié)果表明，上述選取的5個時間點位下林火擾動后森林生態(tài)的演變情況與實際大致相同，并且模擬值均處在可監(jiān)控觀測值的預(yù)測變化范圍內(nèi)[12，13]，詳細(xì)差異如圖2所示。從森林功能擾動的恢復(fù)總體趨勢可得，林火后的10年時間內(nèi)試驗區(qū)下的斑塊林分密度明顯增加，但達(dá)到峰值之后便持續(xù)降低。由圖3中數(shù)據(jù)能夠看出，2010和2020年段下的森林恢復(fù)觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)不同齡級的林分密度數(shù)值相對接近，因有近60%森林面積的研究區(qū)被幼齡樹所占據(jù)，只有少量樹種維持在成熟林階段[14，15]。由此可證明將護(hù)林預(yù)案代入到模型中得到的恢復(fù)推演數(shù)據(jù)仍與實際情況大致相符，進(jìn)一步證明本文所提模型對森林功能的擾動恢復(fù)具有較高推演能力，其推演數(shù)據(jù)可作為生態(tài)彈性的約束指標(biāo)，進(jìn)行針對性的預(yù)案優(yōu)化或更改。

5 結(jié)語

本文通過構(gòu)建森林生態(tài)擾動模型對案例地區(qū)森林的演變進(jìn)程進(jìn)行研究，通過詳細(xì)分析各項影響演變的因素和林火過后的自然演變影響因子，得到最貼合實際的推演模擬數(shù)據(jù)。由結(jié)果可知，該模型可以通過構(gòu)建地域空間演變趨勢的方式分析森林功能擾動后的恢復(fù)情況，以此可對森林保護(hù)方案進(jìn)行模擬，進(jìn)而從模擬數(shù)據(jù)中判斷方案的可行性與科學(xué)性，從而加強了護(hù)林方案落實之后的影響效果。希望能夠通過本文分析可以為相關(guān)生態(tài)林保護(hù)工作提供幫助。

圖2 不同研究區(qū)林火后各階段林火模擬的結(jié)果對比

圖3 2010與2020 年時間尺度下不同齡級樹種災(zāi)后的林分密度觀測值與模擬值