林分结构与固碳功能的耦合关系模型研究

王秀云，宋绪忠，徐晓云，高美蓉，陈秀娟，杨 华，徐高福，方柄富

（1. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；2. 新安江开发总公司，浙江 淳安 311700；3. 新安江开发总公司小金山林场，浙江 淳安 311700 ）

林分结构与固碳功能的耦合关系模型研究

王秀云1，宋绪忠1，徐晓云1，高美蓉1，陈秀娟1，杨 华1，徐高福2，方柄富3

（1. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；2. 新安江开发总公司，浙江 淳安 311700；3. 新安江开发总公司小金山林场，浙江 淳安 311700 ）

2012年9月，在浙江省淳安县千岛湖林区选取纯林、混交林建立24个样地，测定胸径、树高等数据。运用主成分分析方法，分析了平均胸径、生物多样性指标、混交度等13个林分结构因子与固碳功能之间的关系，建立林分结构与功能耦合关系的模型，并根据模型的计算结果，对研究区的样地进行了综合分析。结果表明，阔叶林样地的固碳功能优于针阔混交林样地，针叶纯林的固碳功能最差。

林分结构；固碳功能；主成分分析；耦合模型

林分结构是林分特征的重要方面，是经营森林的理论基础。林分结构由空间结构和非空间结构组成。非空间结构描述的是林分特征的一种平均状态，如胸径、树高、林分密度等，已经被广泛应用于森林资源调查、经营、监测和评价体系中[1]。而林分空间结构体现了树木在林地上的分布格局及其属性在空间上的排列方式，是与林木空间位置有关的森林结构，反映了林分内物种的空间关系，如描述林木个体水平分布格局的角尺度、体现树种空间隔离程度的混交度以及反映林木个体竞争状态的大小比数[2-5]。结构决定功能，森林功能的发挥在很大程度上依赖森林结构是否合理。蒋桂娟等[6]、罗梅等[7]等开展了森林结构与水源涵养功能的耦合模型研究，但对林分结构和固碳功能的耦合关系研究还未见相关报道。以浙江省千岛湖林区为研究对象，选取不同类型的林分，构建林分结构与固碳功能的耦合关系模型，分析影响森林固碳功能的关键结构指标，进而提出有效的结构调整方法，以期对提高森林的碳汇经营水平提供指导。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究地点选择在浙江省淳安县千岛湖林区，118˚21′～ 119˚20′ E，29˚11′～ 30˚02′ N。属北亚热带季风气候南缘，温暖多雨，四季分明，光照充足，冬季长，春季短。年平均气温17℃，≥10℃的年积温5 410℃，年日照时数1 951 h，无霜期约263 d，年均降水量1 430 mm，相对湿度为76%，常年盛行东北风，年均风速2.1 m·s-1。土壤主要类型有红壤，分布于海拔700 m以下，pH 5.5 ～ 6.0；黄壤分布于海拔700 m以上，pH值5.5左右；石灰土分布于海拔700 m以下，pH值7.0以上。千岛湖植物共有143科，483属，801种[8]。千岛湖森林生态系统主要为暖性针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针阔混交林、竹林、灌丛、灌草丛等类型。其代表乔木有马尾松Pinus massoniana，杉木Cunninghamia lanceolata，柏木Cupressus funebris，苦槠Castanopsis sclerophylla，青冈Cyclobalanopsis glauca，柯Lithocarpus glaber，枫香树Liquidambar formosana，木荷Schima superba，油茶Camellia oleifera等；灌木有格药柃Eurya muricata，檵木Loropetalum chinense，短尾越桔Vaccinium carlesii，江南越桔V. andarinorum，马银花Rhododendron ov atum等，草本有里白Hicriopteris glauca，铁线蕨Adiantum capillus-veneris，狗脊Woodwardia japonica，蕺菜Houttuynia cordata等，藤本植物有菝葜Smilax china，紫藤Wisteria sinensis，络石Trachelospermum jasminoides等。

1.2 样地设置与处理

2012年9月在研究区内踏查的基础上，选取典型马尾松纯林、松阔混交林、杉木纯林、杉阔混交林、阔叶林，并分别根据立地条件、林分密度，用罗盘仪设置24块样地，样地规格为30 m×30 m。为了方便调查林木的坐标，将每块标准地划分成36个5 m×5 m的小样方。对每块样地内胸径大于5 cm的林木进行每木检尺并采用相邻格子法进行坐标定位，测量其胸径、树高，并记录样地的海拔、坡度等因子。样地基本情况见表1。

表1 样地基本概况Table 1 Basic information of sample plots

1.3 研究方法

1.3.1 多元统计分析方法 运用SPSS20.0分析软件中的主成分分析方法[9-10]，通过正交变换，在尽量不损失信息量的情况下，减少参评指标的原始变量个数，构建新的线性组合变量方程，同时可以减少指标间的相关性，使指标间相互独立或不相关。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。

采用SPSS软件中的主成分分析法研究林分结构与固碳功能之间的耦合关系。通过降维，从众多的因素中找出主要的影响因素，用较少的变量来衡量森林的固碳功能。

1.3.2 耦合关系因子的确定 选择代表林分非空间结构与空间结构的指标平均胸径、平均高、林分密度指数、乔木层物种丰富度指数、乔木层Simpson指数、乔木层Shannon-Wiener指数、径阶分布q值[11]，混交度[3]、角尺度[3]、胸径大小比数[3]、树高大小比数[3]、林层比[12]、开敞度[13]13个指标作为林分结构与功能耦合关系的因子，表达林分结构与固碳功能的关系，建立结构与功能关系模型。

1.3.3 固碳功能计算 依据杉木、马尾松、硬阔及软阔单木生物量模型[14]，计算样地单位面积生物量，换算到样地单位面积的固碳量，计算公式如下：

式中，C为单位面积固碳量；i为第i株树；Wi为第i株树的生物量；A为样地面积。

1.3.4 耦合模型的建立 选择线性模型对林分结构与固碳功能间的关系进行阐述，模型表达式如下：

式中，x1，x2… xn为变量；m1，m2… mn为变量系数。

各结构因子与功能的关系可以通过其方差贡献率来解释，所用模型如下式表示：

Fj的贡献率公式如下：

2 结果分析

2.1 主成分提取与表达

将林分平均胸径、平均高、林分密度指数、物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、径阶分布q值、混交度、角尺度、胸径大小比数、树高大小比数、林层比、开敞度13个因子进行标准化处理[10]，消除各指标量纲的影响。然后利用SPSS 20.0进行主成分分析。分析结果见表2，前4个主成分的样本特征值均 ＞1，且方差累积贡献率为81.683%，＞80.00%，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 contribution rate

由表3可知，所提取出的4个主分量基本解释了13个结构因子的变异信息。其中第1个主成分因子主要反映了林分的平均胸径、平均高、Shannon-Wiener指数，其载荷量依次为0.814，0.806，0.859，即第一主分量主要表达了林木生长和多样性的信息。第二个主成分因子主要是对林分密度指数、胸径大小比数、树高大小比数这3个指标信息的表达，其载荷量分别为0.718，0.607，0.554，可理解为林木竞争结构指标。第三个主成分因子主要是对林层比这一垂直结构指标的信息表达，其载荷量是0.726。第四个主成分因子主要是林木空间分布格局指标即角尺度的信息表达，其载荷量是0.771。

表3 因子载荷矩阵表Table 3 Component matrix

2.2 结构与功能耦合模型

根据主分量F1，F2，F3及F4的得分系数，可以列出结构指标与功能耦合线性模型式（5）至式（8）：

2.3 因子得分综合分析

对于某一林分类型的样地而言，各主成分因子得分和因子权重（主成分特征值）乘积之和便是主成分因子综合得分（D），即样地的固碳功能指数，具体表达如下：

式中，λ1=4.786，λ2=2.855，λ3=1.828，λ4=1.150。

通过建立的模型可以计算出24个样地的固碳功能指数，为利于等级划分，将D得分数值进行标准化，标准化后的值用Db表示，Db即为评价指标，范围在0 ～ 100之间，其标准化公式为：

式中，Fi表示第i个样地的固碳功能综合评价值；Fmin表示样地固碳功能综合评价最小值；Fmax表示样地固碳功能综合评价最大值。

利用分析评价结果构建的方程计算样地主成分综合评价指数Db，从Db与固碳量关系散点图（图1）看，二者可以用线性关系表达，其相关系数达到0.842（P＜0.05）。

通过24个样地功能评价值Db的计算结果，固碳功能评价值达满分（100分）的样地只有1个，是地带性阔叶树种苦槠、木荷和柯的混交林，2008年经过疏松补阔抚育处理，林分结构合理；固碳功能综合评价值在60 ～80的样地有5个，其中3个为阔叶混交林，主要优势树种是木荷、苦槠与青冈，另2个分别是杉木与木荷、马尾松与柯的混交复层林；固碳功能综合评价值在40 ～ 59分的样地有3个，主要是杉木和木荷、柯的混交林，由于毛竹入侵，杉木生长受到严重影响；固碳功能综合评价值在20 ～ 39分的样地有10个，主要是马尾松与枫香树、柯、木荷的混交林，土层较薄，且多为沙质土壤，长期封山育林生长缓慢；固碳功能综合评价分在0 ～ 19较低的样地有5个，其中马尾松纯林样地3个，杉木纯林样地2个。

图1 主成分综合评价指数与固碳量相关关系散点图Figure 1 Scatter diagram of comprehensive evaluation index of principal components with carbon sequestration

3 结论与讨论

分析结果表明，主成分分析用于研究森林固碳功能的主要影响因子是可行的。通过寻找主导功能因子，可以简化数据，将13个林分结构因子降维为4个，从计算结果看，森林固碳功能的评价指标可以归并为生物多样性、林木竞争、垂直结构和空间分布格局4个方面。其贡献率最大的是生物多样性，林木竞争、垂直结构、空间分布格局等空间结构指标的贡献率较低。

以千岛湖林区样地数据为基础，利用主成分分析法建立结构指标与固碳功能的耦合关系模型，利用分析评价结果构建的方程计算样地主成分综合评价指数Db，从Db与固碳量关系散点图看出，二者相关关系显著，通过主成分分析法可以实现森林固碳功能评价，为森林增汇经营技术研究提供新的理论支持。

阔叶林的固碳功能优于针阔混交林，针叶纯林的固碳功能最弱。这是由森林结构所决定的，为充分发挥森林的固碳功能，建议科学合理调整林分结构，构建地带性阔叶混交林。

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Relationship between Forest Stand Structure and Carbon Sequestration

WANG Xiu-yun1，SONG Xu-zhong1，XU Xiao-yun1，GAO Mei-rong1，CHEN Xiu-juan1，YANG Hua1，XU Gao-fu2，FANG Bing-fu3

（1. Zhejiang Academy of Forestry, Hangzhou 310023, China; 2.Chun’an Xin’anjiang Development Corporation of Zhejiang, Chun’an 311700, China; 3. Xiaojinshan Forest Farm of Chun’an Xin’anjiang Development Corporation of Zhejiang, Chun’an 311700, China）

Establishment of 24 sample plots of pure and mixed forest were carried out in September 2012 in Qiandaohu, Chun’an of Zhejiang province and determinations were conducted on DBH, tree height, etc. 13 factors of forest stand structure were selected including DBH, biodiversity index, mingling to analyze relationship between these factors and carbon sequestration by principal component analysis. The coupling relationship between forest structure and carbon sequestration was modeled. Comprehensive analysis by calculations of sample plots demonstrated that carbon sequestration of broad-leaved forest was better than that of mixed forest of conifer and broad-leaved, and that of confer forest was the last.

forest stand structure; carbon sequestration; principal component analysis; model coupling

S718.54

：A

：1001-3776（2017）03-0043-05

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.03.008

2016-12-13 ；

2017-03-17

浙江省科技厅公益技术研究项目（2014C32118）；浙江省科技厅院所专项项目（2014F60001）；浙江省科技厅院所专项项目（2014F30021）

王秀云，博士，副研究员，从事林业碳汇与林业现代化研究；E-mail：lyhwxy@tom.com。