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基于多功能经营的森林资源评价

2013-01-05魏晓慧孙玉军梅光义王轶夫

中南林业科技大学学报 2013年11期
关键词:林分林场小班

魏晓慧,孙玉军,梅光义,王轶夫

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083)

基于多功能经营的森林资源评价

魏晓慧,孙玉军,梅光义,王轶夫

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083)

基于将乐县国有林场研究区的数据资料,利用主成分分析法,在小班层次水平上分析了11个林分指标因子间的相关性。综合研究区生态环境的特征和福建省县市域生态功能区划的要求,将研究区的森林主要功能确定为防风固沙、风景游憩、木材生产、水土保持等。同时根据所构建的功能模型计算研究区域内1 039个小班的综合多功能得分F值,将F值标准化后得到评价指标Fb值。研究结果表明:森林多功能经营状况划分为优、良、中、差、极差5个等级,各等级所占小班个数依次为2个、17个、53个、241个、726个,其百分比依次为0.19%、1.64%、5.10%、23.20%、69.87%;针对将乐县国有林场的森林多功能经营评价结果符合实际,较理想。研究结果能较精确地定量反映森林生长和多功能经营效益状况,为森林多功能经营提供决策性信息。

森林资源评价;多功能经营;主成分分析

森林多功能经营是指为实现森林的多种功能所实施的各种森林经营活动的总称,使一定区域内的森林能够生产木材和非木材产品,为野生动物提供栖息地、保护生态环境、提供森林游憩资源等多种功能中的2种或以上[1]。侯元兆和曾祥谓认为森林多功能经营是指人们围绕林地对森林生态系统进行经营管理,使其能够生产一系列森林产品组合[2]。总之森林多功能经营是指在充分考虑森林自身的多功能禀赋和森林生态系统的特征基础上,通过实施综合的经营活动使森林充分发挥其多种功能效益。

随着社会的进步和人类生态意识的觉醒,尤其为满足人们对“绿色生态”的需求。自2008年全国推广 “林改”以来,森林多功能经营已成为适合多主体林业经营发展的主流。森林多功能经营能平衡社会所需的生态效益和各类经营主体自身的经济效益,以期达到综合效益最大化的森林经营目标。自1992年召开里约环发大会以来,多功能森林利用模式开始向永久性森林演变[3]。森林多功能经营有利于潜在植被与所处立地达到生态系统平衡的进展演替终态,反映在无人类干扰的情况下林分的发展趋势,最终发育成最稳定的一种顶极植被类型[4]。目前,在世界范围内森林资源遭到严重破坏并极度缺乏,人工林面积大且结构简单,导致生态功能、地理衰退、洪涝自然灾害等一系列环境问题[5]。森林多功能经营是森林健康发展、可持续发展的关键所在,关于多功能森林国内的研究中林业工作者大多提倡结构化经营[6-10]、生态采伐[11]、近自然林经营[12],国外的研究主要提倡近自然林经营和生态系统经营[13-14]等,这些研究理论促进了森林多功能的发展。森林多功能资源评价是林业科学者研究的焦点。顾丽[15]针对金沟岭林场进行了森林多功能效益方面的评价,估测了落叶松人工林、阔叶林、针叶林和针阔混交林的景观经林济价值,其中针阔混交林的景观价值最大。张德成等[16]探讨了针对小块林地和大区域林地两个层次上的森林多功能经营体系的利与弊。刘莉等[17]探讨了模拟多功能森林优化系统的算法和应用前景,主要定量分析了森林对二氧化碳的截获、野生动物生境的保护、水的涵养、生物多样性的保护等功能,并实现了对森林资源的变化和森林作业的有效监督。

基于多功能经营的森林资源评价实际上是多目标综合评价,针对各林分指标因子的数据特征(结合当地经营状况)进行综合性分析,找出其规律,构建符合多功能目标下的综合模型。多目标综合评价中最关键的是确定各指标因子的权重,只有确定科学合理的权重值,才能构建实际可用的功能模型。目前确定权重值利用最多的方法分为两类,即主观赋权法和客观赋权法。如层次分析法(AHP)、Delphi法和专家打分法等是常用的主观赋权法[18-20],主成分分析法、聚类分析法、熵权法、逐步分析法、标准离差法、交互式多目标决策法等是常用的客观赋权法[21-27]。

本研究采用SPSS20.0中的主成分分析法,针对2010年将乐县国有林场的小班数据进行客观性评价,构建评价森林资源的综合性功能模型,以期为定量分析、评价将乐县国有林场的森林多功能经营状况提供科学依据,旨在为森林资源的合理空间配置提供决策性信息。

1 研究区概况、数据来源与方法

1.1 研究区概况

将乐县位于福建省西北部,地理坐标为东经117°05′~ 117°40′,北纬 26°26′~ 27°04′。土地总面积2 246.7 km2,全县辖6个镇7个乡,人口16.74万人。福建省将乐县国有林场场部设在将乐县水南镇,地处武夷山脉东南麓、金溪河畔,为闽西北低丘陵地带,平均海拔高为400~800 m,最高海拔1 203 m,最低海拔140 m。年平均气温18.7 ℃,年平均降水量1 669 mm,年平均蒸发量1 204 mm,霜日72 d,无霜日287 d,气候温和,土层深厚,土壤肥沃,土壤以红壤为主,并分布有黄红壤,适宜培育以杉木Cunninghamia lancedata、马尾松Pinus massoniana为主的用材林和乡土珍贵树种。福建省将乐国有林场现有经营总面积7 186.67 hm2,经营区的林地分布在金溪河两岸和省道延泰公路两侧,经营区内有林区公路和林区便道分布,水陆交通十分发达。全场用材林森林覆盖率达93.76%,年木材生产量达1.5万m3,年收入达1 000多万元。

为精确表述研究区内森林资源概况,根据树种龄级和龄组的划分标准[28]统计分析了森林各龄组林分的总蓄积、小班面积及每公顷平均林木株数的调查状况(见表1)。

1.2 数据来源及标准化处理

研究中利用的小班数据来源于将乐县国有林场小班统计资料(2010年),从中选取树种组成、林分起源、郁闭度、林分年龄、平均胸径、平均树高、公顷林木株数、每公顷林分蓄积、小班林分蓄积、坡度、小班面积等11个林分指标因子,这些指标因子能较全面地评价分析森林资源多功能经营状况。将定量描述性林分因子树种组成和林分起源转化成数值型数据进行定量化赋值。其中将树种组成为针叶纯林赋值为1,阔叶纯林赋值为1.5,针叶混交林赋值为2,阔叶混交林赋值为2.5,针阔混交林赋值为3;林分起源为人工林时赋值为1,天然林时赋值为2。

表1 研究区内森林各龄组林分现状Table 1 Status quo of forest stand data about each tree age group in studied area

1.3 研究方法

运用SPSS20.0分析软件中的主成分分析数据,基于“降维”的思维,通过正交变换,综合简化参评指标的原始变量,在尽量减少损失信息量的情况下,构建新的线性组合变量方程。数据分析时,特征根累积百分率代表所提取主成分对总方差的贡献率,特征向量反映各指标因子对主成分的贡献大小,可据此确定权重的大小。主成分提取时,提取样本方差累积贡献率一般情况下应>80.00%,且各主成分对应的特征值>1。

2 主成分分析法建模及森林多功能经营状况评价结果分析

首先将树种组成、林分起源、林分郁闭度、林分年龄、平均胸径、平均树高、公顷林木株数、每公顷林分蓄积、小班林分蓄积、坡度和小班面积11个林分指标因子进行标准化处理,消除各指标量纲的影响。然后利用SPSS 20.0统计分析软件,对将乐县国有林场的1 039个小班数据建模。表2表明,前4个主成分的样本特征值均>1,且方差累积贡献率为81.795%>80.00%,即符合主成分提取原则。

表2 主成分特征值及贡献率Table 2 Eigen-value of each principal component and its contribution rate

表3代表样本各林分指标因子的原始数据通过主成分后得到的主成分系数,据此构建适合评价森林多功能经营状况的线性模型。

表3 各林分指标因子的主成分得分系数Table 3 Principal component score coefficients of each forest stand index factors

研究区森林主要功能的确定:福建省的地貌、气候、土壤、水系和植被具有较强的相对独立性,使得其森林所维持的生态环境同样具有很强的相对独立性。福建省热量丰富,雨量充沛,树木生长速率较快,是重要的速生生产基地。河川径流较多且含沙量很低,这得益于上游地区森林的水土保持功能。福建省的生态环境质量在很大程度上依赖于陆域的森林资源和植被生长状况。综合福建省县市域生态功能区划的要求,研究区的森林主要功能确定为防风固沙、风景游憩、木材生产、保持水土功能等。

功能模型的确定:国内外很多研究表明,森林的防风固沙功能与胸径、树高、每公顷林分蓄积、林分年龄等林分因子呈正比;风景林的美景度与很多林分因子的相关性很大,如林分起源、林分树种组成、林分密度(每公顷林木株数)、林分年龄等。1)林分起源于天然林时美景度比人工林高,因为天然林的生物多样性比人工林高,生态系统复杂多样且稳定性强,生态效益也较高;2)林分树种组成越丰富时,美景度越高,即混交林的美景度高于纯林,因为混交林形成的林相较纯林的多样,林分树种组成与美景度呈正比;3)林分密度(每公顷林分株数)越大,美景度越低,因为密度过大树木一般长势不好,但排除某些具特殊功能的林分,林分密度与风景游憩功能呈负相关;4)一般情况下林分林龄越大美景度越高,即林龄与美景度呈正比;木材生产功能与小班面积和小班林分蓄积呈正比。比如,林分蓄积量高且树木个体均匀的林分适于木材生产,即木材生产的潜在效果就高。森林的水土保持功能与林分所处的坡度、郁闭度、林分密度有较高的相关性:1)森林能削弱洪峰,降低暴雨对土壤的冲刷,减少径流量,并能提高土壤对雨水的下渗能力,因此森林具有很好的固土保水的功能,尤其处于较高坡度的林分水土保持功能的效益更显著;2)乔木层的林冠层可以避免雨滴对土壤的直接侵蚀,大大减缓雨滴的降落速度,并推迟降雨的时间。林冠截留量的大小与郁闭度大小有关,林分郁闭度越大其雨水截留量越大。另外,一般林分密度(每亩林木株数)越大形成的冠层越多,树枝越繁茂,截留量就越大。

从表3可以看出,第一主成分Y1中,树高、胸径、每公顷林分蓄积、林分年龄等林分因子的载荷量相对较大,依次为0.251、0.246、0.225、0.185,这些载荷量较大的林分因子与森林的防风固沙功能有很高的相关性;第二主成分Y2中,林分起源、林分树种组成、林分密度(每公顷林木株数)、林分年龄等林分因子的载荷量相对较大,依次为 0.308、0.225、-0.298、0.217,这些载荷量较大的林分因子与森林的风景游憩功能有很高的相关性;第三主成分Y3中,小班面积和小班林分蓄积林分因子的载荷量相对较大,依次为0.524和0.436,这2个载荷量较大的林分因子与森林的木材生产功能有很高的相关性;第四主成分中Y4中,坡度、郁闭度、林分密度(每公顷林木株数)等林分因子的载荷量相对较大,依次为0.585、0.510、0.409,这些载荷量较大的林分因子与森林的水土保持功能有很高的相关性。因此综合表3主成分得分系数和各林分指标因子载荷量的大小情况,将Y1、Y2、Y3、Y4依次定义为防风固沙、风景游憩、木材生产、水土保持功能评价模型。

构建森林多功能(防风固沙、风景游憩、木材生产、水土保持)经营状况综合评价模型F,针对某个样本小班而言其多功能经营综合得分应为各单功能与其对应特征值的乘积除以各个特征值的总和。构建模型如下:

统计森林多功能经营综合得分时,为利于等级划分,将F得分数值进行标准化,标准化后的值用Fb表示,Fb即为评价指标,范围在0~100之间,标准化公式为:

式中:Fi表示第i个小班的多功能综合评价值;Fmin表示小班多功能综合评价最小值;Fmax表示小班多功能综合评价最大值。

根据多功能经营综合得分Fb值,对小班多功能经营状况进行等级划分。将多功能经营状况划分为优、良、中、差、极差5个等级,划分标准见表4。针对福建省将乐县国有林场1 039个小班的多功能经营综合得分Fb值进行统计,其中等级为优的小班个数为2,其个数百分比为0.19,小班面积为48.53 hm2,对应百分比为0.85,无论是小班个数或是小班面积其所在比重都是最小;等级为极差的小班个数为726,其个数百分比为69.87,小班面积为2 612.73 hm2,对应百分比为45.59,无论是小班个数或是小班面积其所在比重都是最大(见表5)。说明将乐县国有林场的森林多功能经营状况总体不佳,急需制订科学合理的适宜充分发挥森林多功能的营林措施,改进森林多功能经营技术。

表4 森林多功能经营等级划分标准Table 4 Grading standards of multi-function forest management

按乡镇统计森林多功能经营综合得分时,Fb得分最高值为100分,此小班是位于水南镇水南村的杉木过熟林Fb,得分最低值为0分,此小班是位于南口乡蛟湖村的马尾松与木荷的幼龄林,其中树种组成为马尾松占8成木荷占2成(见表6)。

表5 各小班森林多功能经营状况统计Table 5 Management performance statistics of each plot’s multi-function forests

表6 各乡镇森林多功能经营状况Table 6 Management performance statistics of each township’s multi-function forests

表6表明福建省将乐县国有林场的黄潭镇的Fb平均分最高,为21.478;而古镛镇的Fb平均分最低,为11.897。总体而言,黄潭镇的森林多功能经营最好,古镛镇的森林多功能经营状况最差,其多功能经营技术需要改进。

3 结论与展望

3.1 结 论

以将乐县国有林场2010年小班数据为基础,利用主成分分析法对研究对象1 039个小班评价分析,实现了在小班层次上的森林多功能评价。防风固沙、风景游憩、木材生产、水土保持功能等功能均以小班为评价对象,为森林多功能经营技术提供理论支持并为其制定多功能经营措施打下基础。探索了用主成分分析法对森林多功能进行综合评价,并利用分析评价结果构建的方程计算将乐县国有林场的1 039个小班多功能经营状况的Fb得分,并进行等级划分,将研究对象划分为优、良、中、差、极差5个森林多功能类型。评价结果显示多功能经营等级为极差的小班无论是个数或是面积所占比例都为最大,而经营等级为优的小班所占比例最小。说明将乐县国有林场森林多功能经营状况整体较差,急需制订科学合理的经营模式。按乡镇统计森林多功能经营状况时,评价结果为黄潭镇的森林多功能经营最好,Fb平均得分为21.478,其他乡镇可以在一定程度上借鉴黄潭镇的经营管理体制。

评价福建省将乐县国有林场的森林资源价值,为合理规划其森林多功能经营方案提供理论支持。通过实地调查来了解林分结构和立地条件,综合其潜在的价值,确定森林经营目标,经营过程中按照所期待的森林功能实施合理的抚育措施进行诱导林木的生长。

3.2 展 望

在后续的研究工作中应充分考虑林分立地质量、灌草生物量、枯落物厚度、生物多样性、土壤厚度等林分因子对森林多功能效益发挥的重要性。在小班层次上评价森林多功能经营状况的基础上,深入分析天然林与人工林多功能效益发挥的差异性。以Arc GIS为技术平台,利用遥感数据将森林多功能经营状况可视化,为实现森林资源的合理空间配置提供科学依据,促进森林多功能经营的快速发展。

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Comprehensive evaluation of forest resources based on multi-function management

WEI Xiao-hui, SUN Yu-jun, MEI Guang-yi, WANG Yi-fu

(Key Lab. for Silviculture and Conservation Supported by Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

∶ Based on the studied area data information of state-owned forest form in Jiangle county, the correlations among 11 stand index factors were analyzed by using the principal component analysis and on the hierarchical level of sub-lot. Taking into account the ecoenvironment characteristics of the studied area and the ecological function zoning requirements of counties and cities domain in Fujian province, the studied area’s forests primary functions were determined as the aspects of windbreak and sand fixation, scenery recreation,wood production, soil and water conservation etc.. According to the built functional models, the comprehensive multi-function score values (F) of 1034 sub-lots in the studied area were calculated, then the F value was standardized and finally the standardized evaluating indicators Fb were obtained. The results show that the forest multi-function management status can be divided into five-levels such as optimal, good, medium, bad and extreme bad, every level in the sub-lot were 2, 17, 53, 241, 726 respectively, theirs percentage were 0.19, 1.64, 5.10, 23.20, 69.87 successively; The results of multi-function management conformed to the reality of the studied area and the evaluation effect was ideal, which was suitable for Jiangle county state-owned forest; The research results could specifically and accurately reflect the performance of forest growth and multi-function management benefits, so the evaluation system could provide decision-information for forest multi-function management.

∶ forest resources evaluation; multi-function management; principal component analysis

S757.1

A

1673-923X(2013)11-0103-06

2013-01-26

林业公益性行业科研专项“基于林改的森林多功能经营技术研究与示范”(200904003)

魏晓慧(1987-),女,硕士研究生,研究方向为森林经营管理技术;E-mail:weixh.222@163.com

孙玉军(1963-),男, 教授,博导,北京人,主要从事森林资源与环境监测以及生态旅游等研究;E-mail:sunyj@bjfu.edu.cn

[本文编校:谢荣秀]

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