新疆天山中部沙湾林场生态系统健康评价

罗磊，王蕾，刘平，李曦光，高亚琪

(新疆林业科学院现代林业研究所，乌鲁木齐 830063)

0 引 言

【研究意义】森林生态系统是人类生存和社会发展的物质基础和保障，作为全球陆地生态系统中的一个重要类型和组成部分，森林生态系统的健康问题引起广泛关注[1]。天山森林生态系统具有重要的生态屏障作用，直接关系到新疆绿洲的稳定，针对天山中部林区森林结构不合理、功能失调、稳定性差、林分抗干扰能力差等问题。【前人研究进展】操作性思维在生态系统健康学研究上起决定作用[2-3]，因此使研究方法逐步从定性化向定量化发展，成为当前研究的热点[2-5]。近年来，国内外在森林生态系统健康评价方面做了大量研究。20世纪70年代末期，德国针对国内森林出现的生活力缺失情况，提出了森林健康状态的概念并开始了观测[6-8]。1992年，美国国会通过了“森林生态系统健康和恢复法”，并在20世纪90年代期间，实施了一系列在国家范围内的评估和监测森林健康的计划[9-10]。国外学者认为一个健康的生态系统应该具有良好的稳定性、活力、组织结构、服务能力、对外界的抵抗力和恢复力[11-12]。我国学者袁兴中等[13-16]在森林生态系统健康评价方面进行了较深入的研究，提出了一系列生态系统尺度上的指标体系。鲁绍伟等[17-19]则建立了基于森林群落尺度的健康评价指标体系。【本研究切入点】在森林生态系统健康思想的来源、概念等理论层面上已进行了很多研究，但在定量判断生态系统是否健康的具体方法研究方面，目前尚不多见。以天山中部沙湾林场为研究区，对沙湾林场森林生态系统健康进行评价。研究以新疆沙湾林场为研究对象，结合RS、GIS实测结果，通过相关性分析各因子对森林生态系统健康的指示作用和影响程度，利用熵权法和综合评价法，对新疆沙湾林场进行森林生态系统健康评价。【拟解决的关键问题】利用遥感数据和新疆森林资源数据，定量评估森林生态系统健康，为森林生态系统健康管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

沙湾林场地处天山北麓中段，位于E85°07′～85°55′，N43°40′～43°59′，属大陆性北温带干旱、半干旱气候区，东西长65 km，南北宽27 km；沙湾林场为天山褶皱带，地势南高北低，呈东西走向的狭长形，坡度多在15°～45°，最高海拔3 867 m，最低海拔1 260 m，平均海拔1 900 m。森林主要集中在海拔1 850～2 850 m的中、低山带。

研究数据源于第二次新疆森林资源二类调查结果，利用MOD17A3第一性生产力NPP源数据，SPOT-VGT的植被指数NDVI数据，Landset5 TM影像，MODIS/ MOD15A2的植被叶面积指数LAI数据，DEM(Digital Elevation Model)数据。

根据NPP、NDVI、TM、LAI数据的格式和类型，通过数据转换、裁切、几何精较正、数据融合等，生成研究区统一坐标、统一分辨率、统一格式的栅格数据。

以森林生态分类系统分类标准，并参照森林资源规划设计调查主要技术规定分类系统，结合本研究需要和实际情况，将研究区森林景观按以下景观分类方式予以合并归类。表1

表1 研究区森林生态系统景观分类Table 1 The landscape ecological classficition of forest system in study area

1.2 方 法

利用ARCGIS从森林资源二类调查数据中提取各类森林资源景观指数，通过指数值从不同角度反映森林群落的稳定性、整体性等健康状况[20-21]。

利用遥感技术，结合生态学方法，对生态系统类型、植被净第一性生产力、植被覆盖度测量，分别对森林生态系统在气体调节、涵养水源、水土保持、有机质生产、营养物质循环与利用等方面所产生的价值进行定量计算[22]，将计算结果作为衡量研究区森林生态系统健康与否的指标之一，与其它指标一起对森林生态系统的健康等级进行综合评价。

采用综合植被指数NDVI、植被第一性生产力NPP、森林生态系统服务功能价值、地形因子(海拔、坡度、坡向)、景观指数等有关生产力要素、生态要素和环境要素的因子，通过综合降维评分，形成综合健康评价指数。

研究拟在因子分析降维的基础上，对几类综合因子基于森林景观分类进行熵权计算[23-26]，并对不同景观类型下的各因子权重进行计算，以便接下来进行综合评价。

再通过因子分析降维归类评价因子，再利用熵权法确定几类因子的权重，进而采用综合评价法对几类因子进行综合，形成综合健康指数来评价森林生态的健康等级。

2 结果与分析

2.1 评价因子指标选取

通过对森林生态系统生理指标净初级生产力、归一化植被指数NDVI和叶面积指数LAI，生态环境指标、景观格局指数及立地环境因子(海拔、坡度、坡向)，以及生态系统服务功能价值的分析，进一步从结构和功能的不同角度来反映森林健康程度。评价因子主要来自4个方面，分别为生理、景观生态、立地环境、生态系统服务功能，这些因子将进一步参与综合健康评价。表2

表2 森林生态系统健康评价指标Table 2 The forest ecological health evaluation index system and significance

2.2 基于因子分析的指标综合降维

在SPSS中，利用因子分析工具，对各因子指标进行分析，从各因子的共同度量结果可知，经因子分析降维，各指标经综合因子的解释程度效果较好，除坡向因子外，其余解释效果均达到要求。可见，经因子分析后各指标对森林健康的评价指标度不存在质的减弱，因而是可行的。

采用主成分提取法对公因子进行提取。因子数量的确定采用公因子方差贡献率，与主成分分析类似，提取前5个主成分，累计方差贡献率达到86.46%。从特征值来看，第5成分初始特征值为1.07，接近1.00，因子旋转后为1.13，所以，该公因子的解释力度能够被认可。表3

表3 各因子指标解释总方差Table 3 The factors index of the total variance explained

注：提取方法：主成分分析法
Note: Extract method：principal component analysis

采用方差最大正交旋转(Varimax)法对因子载荷矩阵进行旋转，研究表明，提取的第一个因子与景观连通度、聚集度、分裂度、边缘密度、分形维数、散布/毗邻和最大斑块指数7个景观指数的载荷系数较大，主要解释了这7个指标因子。从影响森林健康的角度来看，它们主要表现为影响景观的内部结构、连通性、破碎性和聚集性等功能，因而可定义为边缘、蔓延、散布测度；第二个因子与生态系统服务价值、净初级生产力、叶面积指数和归一化植被指数4个变量的载荷系数较大，主要与森林生理功能及服务价值相关，可定义为生产力、郁闭度因子；第三个因子与景观形状指数和斑块密度两个景观生态因子的载荷系数较大，可定义为形状密度测度；第四个因子表现为与海拔和坡度的载荷系数较大，主要解释了地形因子中海拔和坡度的共同作用，定义为海拔、坡度因子；第五个因子则与坡向的载荷系数较大，只解释了坡向的影响，所以定义为坡向因子。因此，可将16个指标因子降维到由以上5个共同因子来反映森林生态系统的健康状况。表4

表4 各因子指标旋转成分矩阵Table 4 Each factor index rotating component matrix

注：提取方法：主成份分析法。旋转法：具有Kaiser标准化的正交旋转法，旋转在5次迭代后收敛
Note: Extraction method: Principal Component Analy sis.Rotation method: Orthogonal rotation method with Kaiser standardization.Rotation converges after 5 iterations

根据各指标因子分析成分得分系数矩阵，可以将5个公因子表示为16个指标的线性组合，得到相应的公因子得分函数式。

(1)

表达式1中的Xi为标准化的16个指标因子。根据表达式，可计算每个地区对应的每一个公因子的取值，也称为因子得分(factor score)。每个公因子所得到的相应分数，再经过归一化处理(每个公因子均表现为大者优)，在GIS中，对每一个公因子的空间分布进行表达。图1

景观边缘、蔓延、散布测度因子(图1a)对森林生态系统的健康指示表明，对于破碎性较大的林斑，如中山带的针叶林景观及其它林地景观，得分相对较低，即从该公因子来看，其生态系统的健康程度较低，而具有较好聚集性和联通性的非林地景观反而具有较好的健康性。

生产力、郁闭度因子(图1b)对森林生态系统的健康指示表明生态系统生理指标的高度相关性，具有相互指标性，各因子综合起来可以更好的反映生态系统的健康程度。景观形状密度测度因子(图1c)对森林生态系统的健康指示与景观内部斑块的形状和斑块密度高度相关，在中山带的针叶林景观具有较好健康指示性。海拔、坡度环境因子(图1d)对森林生态系统的健康指示为海拔越低、坡度越小，森林环境条件相对更好，更有利于健康生长。但坡向环境因子(图1e)对森林生态系统的健康指示具有不确定性，对不同的植被在不同的坡向上生长情况不同，对整个森林生态系统的影响也不同，因而其表现具有复杂性。图1

图1 5个公因子得分对森林生态系统的健康指示
Fig.1 The instruction of forest ecosystem health for 5 common factor score

2.3 综合健康评价指数

5个公因子指标可以从不同程度反映森林生态系统的健康水平，但对不同的森林景观类型其权重各异。通过比较分析，采用综合评价法和熵权法将5个指标结合起来。

2.3.1 综合评价法

综合评价法是在确定研究对象评价指标体系基础上，根据所选择的评价模型，利用综合指数的计算形式，运用一定方法对各指标在研究领域内的重要程度(即其权重)进行确定，最终定量地对某现象进行综合评价的方法[27]。综合评价法能够有效地反映各因子对总体生态安全状况的贡献，并体现各指标的综合性、整体性和层次性。同时，可将分散的指标信息，通过模型集成，形成关于研究对象的综合特征信息，使人们从整体上认知和分析研究对象。其具体评价模型为:

(2)

式中，ESI为综合健康评价指数；Wi为第i个指标的权重值；Ci为其无量纲量化值，m为评价指标个数。

2.3.2 熵权法

研究根据各评价指标提供的信息，客观确定其权重。计算原理与方法为：

假设研究区像元数为n，采用的指标个数为m，则指标矩阵为：

(3)

R=(rij)m×n(i=1,…,m;j=1,…,n).

(4)

式中rij为第j个像元上第i个指标的标准值，rij∈[0,1]。标准值按照归一化公式进行处理。

由第i个指标的熵定义为：

(5)

(6)

将所得熵权代入(1)式可得综合评价指数，在计算时，为使消除指标间不同单位影响及便于对结果的分析，Ci为各指标值标准化到[0,1]之间的值。

以各因子的归一化值为像元值，逐像元的基于不同森林景观类型下各因子分别计算熵权，7种景观类型对应每个因子都有7个权重，计算所得综合健康评价指数在空间上可分类进行直观表达，在ArcGis中，经过比较重分类，采用平均断点法，将结果分为5类，分别为不健康、亚健康、健康、良好健康和优质健康。因此，通过熵权法和综合指标法将5个因子结合起来形成综合健康指数，并分级评价，可以对森林健康状况进行较客观的评价。表5，表6，图3

表5 各综合因子对不同森林景观健康度量权重Table 5 The comprehensive factors of different forest landscape health measure of weigh

表6 根据综合健康指数的森林生态系统健康分级Table 6 According to the comprehensive health index of forest ecosystem health grading

根据综合健康指数的森林生态系统健康分级标准，研究区森林生态系统健康评价指数在0.12～0.59，大部分森林景观为健康等级，仅疏林地景观为亚健康，苗圃景观不健康，这与单因子指示具有一致性，同时由于综合各因子的指示作用，所以使结果更为精确、客观、标准。

对基于综合健康指数的森林生态系统健康评价结果进行分析，其中各林地景观由于具有较好的生产力和郁闭度，整体表现为健康等级；而非林地虽然生产力偏低，但由于生态系统空间结构稳定、功能完善、抗外压能力大，因而也表现为健康；但苗圃景观虽然具有较大的生产力、生态系统服务功能及郁闭度，但由于景观优势度小，斑块孤立，缺少联通性和聚集性，抗外压能力弱，因而整体表现为不健康。评价森林生态系统的健康必须从整体考虑各个因素的影响，综合各方面的正负影响才能正确、客观评价其生态系统的健康状况。表7

表7 基于综合健康指数的森林生态系统健康评价结果Table 7 Based on comprehensive health index of forest ecosystem health evaluation results

图2 基于综合健康指数的森林生态系统健康等级空间分布
Fig.2 Based on comprehensive health index of forest ecosystem health level space distribution

3 讨 论

森林生态系统健康评价是诊断人类活动与自然因素引起的森林生态系统结构紊乱和功能失调，使森林生态系统丧失服务功能和价值的一种评价,采用某种完善的评价指标方法来诊断和评估森林生态系统的健康状况，对合理的森林健康管理事半功倍[28]。目前，生态系统健康研究是新领域，森林生态系统健康评价至今还处于实验和摸索阶段，虽然产生了许多评价方法和技术手段，但仍然没有一种有效、简单、易操作的评价方法。天山中部森林生态系统地理空间范围广，地面调查难度大，且其变化速度受自然和人为因素交替影响严重。因此，遥感信息作为一种动态信息源，与GIS相结合，对森林生态系统的动态变化情况进行研究，可以为天山山脉中部森林生态系统分布地区综合健康评价提供参考依据，而且为天山山脉中部森林生态系统社会经济的可持续发展和宏观决策提供服务。

4 结 论

4.1 对多个指标进行因子分析降维，提取了5个公因子，分别为①边缘、蔓延、散布测度，影响景观的内部结构、连通性、破碎性和聚集性等；②生产力、郁闭度因子，与森林生理功能及服务价值相关；③形状密度测度，与景观形状指数和斑块密度两个景观生态因子相关；④海拔、坡度因子，主要解释地形因子中海拔和坡度的共同作用；⑤坡向因子，解释坡向的影响。将16个指标因子降维到5个公因子来反映森林生态系统的健康状况。

4.2 利用熵权法可从客观上对各公因子进行权重赋值，进而可采用综合评价法得到对森林生态系统健康评价的综合评价指数。结果表明，该评价方法在健康分级上标准较明确，对各公因子权重的衡量较客观，与专家打分法具有根本区别，评价效果具有综合性和可行性。

4.3 从遥感的角度提取森林生态系统的生理、生态、环境等指标因子，分别从生态系统服务功能、景观生态结构与功能、立地环境、生理生态状况等4个方面对森林健康进行了表征，对天山中部沙湾林场的森林生态系统进行了综合健康评价，形成了森林生态系统健康评价方法。