五盖山针阔混交林林分结构与水源涵养功能耦合关系研究

张广，禄鑫，李世波

（1.贵州林业勘察设计有限公司，贵州贵阳 550004；2.贵州省林业调查规划院，贵州贵阳 550003）

森林具有复杂的结构和功能，森林功能的发挥受森林结构的影响。林分结构影响林木的个体生长发育与林木质量、林分的健康状况及林分功能的发挥，林分结构是森林经营可调节的指标因子[1～2]，优化调整林分结构是培育多功能森林的重要途径[3]。

目前，国内学者对林分结构与功能的耦合关系研究大多数是对林分非空间结构与功能进行研究[4-7]，对于林分非空间结构与水源涵养功能、固碳功能、土壤养分等耦合关系的研究较多，但尚未对林分空间结构与非空间结构和水源涵养功能的耦合关系进行研究。对林分空间结构和非空间结构与林分功能之间的耦合关系的研究鲜见报道。因此，该研究以五盖山杉木-鹅掌楸混交林为研究对象，建立耦合关系模型，通过对林分结构与水源涵养功能进行分析，以期为杉木-鹅掌楸混交林可持续经营及合理经营密度提供参考。

1 研究区概况

五盖山位于湖南省东南部郴州市东南面45km处，为岭南山脉之一，五盖山境内成土母岩有板页岩、砂岩、花岗岩、砾岩和石灰岩。五盖山海拔高度在800m～1200m，最高海拔1619m，最低海拔351m。土壤为红壤、黄红壤、山地黄壤、山地黄棕壤和山地草甸土，腐殖层厚，肥沃湿润。五盖山林场区域属南岭亚热带季风湿润区，年平均气温17.8℃，绝对最高温30℃，最低温0℃，最热的七月平均气温28.5℃，最冷的一月平均温5.5℃，无霜期265d，平均降雨日182d，平均降雨量为1473mm。常见的是人工林和天然针阔叶次生混交林，森林覆盖率97.68%。

2 材料与方法

2.1 样地设置与调查

在对五盖山国有林场杉木林进行全面踏查的基础上，选择杉木林、杉木-鹅掌楸混交林设置固定标准地。该研究共设置了12 块面积为20m×30m 的固定标准地。基本调查因子包括林木的X，Y 坐标、乔木树种组成、年龄、株数、胸径、树高、冠幅、郁闭度，样地的海拔、坡相、土壤类型、土层厚度等因子。

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

2.2 研究方法

2.2.1 耦合关系因子选择

选取林分平均胸径、平均高、林分密度指数、树种组成、角尺度、大小比数、混交度、开敞度、林层指数、灌木盖度、灌木高、草本盖度、草本高、蓄积等14个林分结构因子作为林分结构与功能耦合关系的因子，表达林分结构与水源涵养功能的关系[8-11]。

2.2.2 水源涵养功能

通过环刀法获得原状土壤，采用烘干称量法测定土壤容重、土壤持水量与土壤孔隙度等土壤物理指标，具体计算公式为：

①土壤容重（Y）

式中，Y 为土壤容重（g/cm3）；g 为环刀内湿样质量（g）；V 为环刀体积（cm）3；W 为样品含水百分数（%）。②土壤持水量（W0）

式中，W0为土壤毛管持水量（%）；Pt为环刀内湿土质量（g）；P0为环刀内干土质量（g）。③土壤孔隙度（P1）

式中，P1为土壤孔隙度（%）；Y 为土壤容重（g/cm3）；W0为土壤持水量（%）。

2.2.3 数据处理及分析

采用SPSS19.0 软件，运用主成分分析法，通过降维从众多因子中找出主要的影响因子，用较少的林分结构变量来衡量林分的水源涵养功能，以此来研究林分结构与水源涵养功能之间的耦合关系。

3 结果与分析

3.1 因子分析

将代表林分空间结构与非空间结构指标因子的属性数据转换成数值型数据，对数据进行标准化处理，以此来消除数量级和量纲对实验的影响，然后对指标因子进行相关性分析，分析结果如表2 所示，标准化公式如下所示：

表2 林分结构因子相关性分析Tab.2 Correlation analysis of structure factors

由上表中的相关系数可以看出，代表林分结构的因子间具有不同程度的相关性，因子间相互作用。林分平均胸径与平均高、林分密度指数三者间有极显著相关关系，林分密度指数与林层指数和蓄积有极显著相关关系，树种组成与混交度存在极显著相关关系，角尺度与大小比数极显著相关，开阔比数与草本盖度和草本均高三者间存在极显著相关关系，草本盖度和草本均高与平均胸径存在极显著相关关系。但较多的因子使研究实验复杂且不确定哪些因子更具有代表性，因此运用因子分析法来简化信息，筛选出代表性因子。通过计算主成分因子的特征值和贡献率（表3）可知，前4 个主成分的累计贡献率为86.349%（＞80.00%），达到主成分的提取要求，因此选择这4 个主成分来表示林分结构特征。从因子载荷矩阵表中（表4）可以看出各主成分因子的代表变量，该代表变量反应了主成分的结构信息。由表3的载荷绝对值可知，第1 个主成分在林分的平均胸径、平均高、草本盖度、草本均高、林层指数、开阔比数、混交度、树种组成、灌木均高指标上有较大载荷，它们的载荷分别为0.914、0.888、0.805、0.884、0.867、0.798、0.792、0.699、0.640、-0.603；第2 个主成分在林分蓄积与林分密度指数上有较大载荷，它们的载荷分别为0.833、0.681；第3 个主成分主要表达了林分的大小比数和角尺度的空间结构特征，载荷分别为0.844、0.638；第4 主成分因子主要反映了林分的灌木盖度特征，它的载荷为-0.778。

表3 主成分特征值及贡献率Tab.3 Eigen value of each principal component and contribution rate

表4 因子载荷矩阵Tab.4 Component Matrix

3.2 耦合关系模型研建

根据主成分提取结果，将主成分因子与林分水源涵养功能指标结合，进行模型拟合。该研究选择线性模型来表达林分结构与水源涵养功能的关系，拟合模型如下：

式中：A 代表因变量；x1，x2，…xn代表自变量；m1，m2，…mn代表自变量系数。

其中，自变量系数m 的值通过因子得分系数矩阵即表5 获取，通过因子得分系数和原始变量的观测值，计算所有标准地在主成分上的得分。

表5 因子得分系数矩阵Tab.5 Component Score Coefficient Matrix

3.3 因子得分综合分析

各主成分因子的权重与因子得分的乘积之和表示主成分因子综合得分（F），也就是该研究所要得到的林分水源涵养功能指数，表达式如下：

式中：λ1=6.385，λ2=2.558，λ3=2.034 ，λ4=1.112。

通过前面已研建出的模型来计算标准地的水源涵养功能指数。为方便标准地水源涵养功能大小的等级划分，将标准地的综合得分F 值进行标准化，用P 来表示标准化之后的值（P 即为评价指数），P 值范围在0～100 之间。标准化公式如下：

式中：Fi代表第i个标准地的水源涵养功能综合评价值；Fmin代表标准地最小水源涵养功能综合评价值；Fmax代表标准地最大水源涵养功能综合评价值。

根据上面构建的公式计算杉木-鹅掌楸标准地的综合评价指数P，将P 值与林分水源涵养功能综合指数进行散点图（图1）的拟合，从图中可以看出其相关系数为0.8731（P＜0.05）。

通过对标准地的评价值P 的比较，我们可知：水源涵养功能综合指数最高为0.55，其对应的这成分综合评价值为100 分；林分的水源涵养功能综合评价指数介于0.38～0.55，主成分综合评价值主要集中分布在30～80 分之间。

图1 主成分综合评价指数与水源涵养综合指数相关关系散点图Fig.1 Scatter diagram of correlation between comprehensive evaluation index of principal components and comprehensive index of water conservation

4 结论与讨论

该研究通过因子分析降维方法将14 个林分结构因子简化为4 个方面，以此来代表林分水源涵养功能的主要结构因子。该研究以五盖山林场杉木-鹅掌楸混交林为研究对象，通过研建林分结构与水源涵养功能的耦合模型，计算出林分综合评价指数P，从拟合的散点图可以看出，综合评价指数P 与水源涵养功能具有显著相关关系。综合评价指数最高的样地其水源涵养功能也最高，该林分为中等密度(1400 株/hm2)、郁闭度为0.7 左右的复层林。这种结构特征有利于保持较好的水源涵养功能，是五盖山林场杉木——鹅掌楸混交林的最佳林分结构。

通过研究可知影响林分水源涵养功能的因子是多方面的，是由多个因子共同作用的结果，这体现了森林生态系统的复杂性。因此为了使林分功能更好地发挥，就要调控林分结构使其更具合理性[10-12]。

该研究选取线性模型对林分结构与功能进行关系模型的拟合，在今后的研究中可以进一步探索林分结构与功能的非线性关系模型。