于明含，孫保平，胡生君，王慧琴，趙 巖

(北京林業(yè)大學水土保持學院荒漠化防治重點實驗室，北京 100083)

耦合是近年來應用頻率比較高的專業(yè)術語之一，逐漸被應用于農業(yè)、生物、生態(tài)、地理等學科的研究中。將耦合的概念引入到生態(tài)學研究領域具有重要的創(chuàng)新意義，它強調的是一種深層次的因子之間關系及過程的研究，為揭示生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同、約束關系提供了理論基礎。黃土高原丘陵溝壑區(qū)位于我國西北部，該區(qū)溝壑發(fā)育，溝道侵蝕十分嚴重，土壤淺薄，水土流失問題嚴峻。造成水土流失的原因除原有地形、土壤、氣候因素外，土地的不合理利用、植被破壞也是一個重要原因，植被具有減少徑流、防治侵蝕的作用，所以植被建設是治理水土流失和改善生態(tài)環(huán)境的根本措施。2001年起黃土高原全面實施退耕還林還草工程，旨在改善黃土高原日益惡化的生態(tài)環(huán)境，建立起穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)以實現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。該系統(tǒng)中，植被和土壤是改善生態(tài)最重要的兩個影響因子，它們對于退耕還林地減少徑流和保持水土等生態(tài)效應有直接的作用。

在退耕還林工程的生態(tài)效應研究中，多數(shù)研究致力于探索不同退耕模式的配置，以期使退耕地有效的實現(xiàn)保持水土、涵養(yǎng)水源等功能。如不同尺度退耕還林地工程效益的評價［1-3］，不同退耕模式間的對比［4-5］，以及典型地區(qū)退耕還林工程與土壤、水文、微生物等單一生態(tài)因子的效應等［6-8］，這些研究多采用定性的方法或簡單的單因子分析進行描述，很少通過探索多因子之間的相互作用進而理解林地的生態(tài)效應。本文將系統(tǒng)耦合概念引入退耕還林工程的問題探討中，通過灰度關聯(lián)分析的方法研究林地結構與生態(tài)功能間的關系，并建立耦合模型，以期探索一種綜合的退耕還林林地結構與生態(tài)功能的評價方法，并以此為基礎對各退耕模式進行綜合分析，進而為提高退耕還林經(jīng)營水平、增強其生態(tài)效益提供理論指導。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1．1 研究區(qū)概況

吳起縣位于延安市西北部，地理坐標為107°38'57″—108°．32'49″E，36°33'33″—37°24'27″N，總土地面積3791km2，主要地貌類型為黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)。該縣地處中溫帶氣候區(qū)，屬典型的中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7．8℃，降雨量少，多年平均降雨量為478．3mm，降雨分布不均勻，主要集中在7—9月份，降雨量為 301．7mm，年蒸發(fā)量為891.23mm，無霜期短，平均為147d。本次研究區(qū)域為退耕還林10年的林地，樣地選擇基本滿足坡度坡向一致，土壤類型主要為黃土，土層厚度約60cm。該地區(qū)退耕地主要退耕模式主要有7種，分別為沙棘(Fructus Hippophae)、檸條(Caragana intermedia)、刺槐×沙棘(mixing Robinia pseucdoacacia with Fructus Hippophae)、刺槐(Robinia pseucdoacacia)、沙棘×山杏(mixing Siberian Apricotwith Fructus Hippophae)、山杏(Siberian Apricot)、油松(Pinus tabulaeformis)等。

1．2 研究方法

本研究以吳起縣林齡為10a的7種配置模式的退耕還林地為研究對象，通過實地的樣方調查及實驗分析，獲取所需的生物量及土壤數(shù)據(jù)。從中選取研究所需的林地結構因子，利用主成分分析法將因子降維，根據(jù)灰度關聯(lián)模型理論建立林地結構與生態(tài)功能互相匹配的關聯(lián)度矩陣，進而建立林地結構與生態(tài)功能的耦合度模型，然后再此基礎上測算吳起縣7種主要退耕還林類型的林地結構與生態(tài)功能系統(tǒng)耦合態(tài)勢。為保證模型的可靠度，本研究每種退耕類型的結構與生態(tài)因子調查6個重復樣本進行分析。

1．2．1 耦合關系因子的確定

整合已有林地結構與功能關系的研究發(fā)現(xiàn)，森林生態(tài)系統(tǒng)的水文過程明顯地受森林枯落物與土壤特征［9-11］、森林類型和郁閉度［12-14］、林冠特征［15-16］、年齡階段［17-18］、生物量［19］等多方面因素的影響，本研究在因子選擇中借鑒前人研究為基礎，基于全面性的考慮進行因子選擇。本次調查林分為同齡林，所以林分年齡不作為耦合因子。

本研究選擇林地林分組成、郁閉度、平均高度、平均胸徑、枝葉生物量、根系生物量、草本生物量、枯落物生物量等8個林分結構因子，土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤穩(wěn)滲速率等3個土壤因子，冠層截留率、草本層截留率、枯落物容水量等3個林地水文因子，共14個表征林地特征的結構因子;選取地表徑流量、土壤侵蝕量等2個生態(tài)功能因子，以研究該地區(qū)退耕還林地結構與生態(tài)功能的關系。

1．2．2 耦合關系模型數(shù)據(jù)處理

研究數(shù)據(jù)中，如林分組成結構因子是非數(shù)值型數(shù)據(jù)，需要將其轉化為數(shù)值型數(shù)據(jù)，進行量化處理(表1)。

鑒于指標的原始數(shù)據(jù)量綱不同，在關聯(lián)分析之前，采用區(qū)間標準化的方法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。

表1 數(shù)據(jù)標準化處理Table 1 Standardization of data processing

1．2．3 林地結構因子分析

采用主成分分析的方法，找到影響林地結構的主成分因子，用較少的變量來研究影響退耕還林地的生態(tài)功能的林地結構因子。

選擇線性結構計算因子得分來描述不同退耕地的林地結構特點，計算表達式如下:

式中，Q 為因變量，x1，x2，x3，…，xn自變量，m1，m2，m3，…，mn為自變量系數(shù)。

模型表達式中代表自變量系數(shù)的m值可以由因子得分系數(shù)矩陣中得到，并根據(jù)因子得分系數(shù)和原始變量的觀測值(即自變量x)可以計算出各個退耕模式在求出的主成分因子上的得分，用Fi表示。

1．2．4 耦合關系模型構建

由于林地結構與生態(tài)功能的耦合作用的交錯性與復雜性，同時考慮兩個子系統(tǒng)的關聯(lián)性，本文采用能較為全面分析兩系統(tǒng)多因素交互作用的灰色關聯(lián)度模型［20］。以便對吳起縣退耕還林地的結構與生態(tài)功能耦合機制進行揭示，見公式(3)。

式中，L表示林地結構因子要素，ZLi(k)是第k個樣本點的林地結構系的第i個指標標準化值;類似地，I表示生態(tài)功能因子要素，ZIj(k)是第k個樣本點的生態(tài)功能的第j個指標標準化值。ρ為分辨系數(shù)，是0與1之間的數(shù)，在觀測序列沒有強烈干擾的情形下，一般取值為0．5。ξi(j)(k)是第k個樣本點的單指標i和j之間的絕對值關聯(lián)系數(shù)，它表示該樣本點的兩個子系統(tǒng)要素之間的關聯(lián)程度。

再次，將關聯(lián)系數(shù)按樣本數(shù)、求其平均值可以得到一個m×n的關聯(lián)度矩陣γ，它能夠從整體上反映林地結構子系統(tǒng)單個指標和生態(tài)功能子系統(tǒng)單個指標之間的關聯(lián)程度。如果γij值越靠近1，表明林地結構系統(tǒng)某指標 ZLi(k)與生態(tài)功能系統(tǒng)某指標ZI

j(k)之間的關聯(lián)性越大，單個指標之間的耦合作用越明顯［21］。

為進一步揭示林地結構與生態(tài)功能的交互耦合特征并識別各系統(tǒng)的主要影響因素，在關聯(lián)度矩陣γ基礎上，再分別依據(jù)公式(4)按行和列進行簡單平均，分別得到林地結構系統(tǒng)(L)對生態(tài)功能(I)產(chǎn)生約束的主要因素和生態(tài)功能(I)對林地生長及土壤條件(L)產(chǎn)生脅迫的主要因素。

式中，di表示林地結構系統(tǒng)(L)第i種要素對生態(tài)功能(I)的影響關聯(lián)度，dj表示生態(tài)功能(I)第j種要素對林地結構系統(tǒng)(L)的影響關聯(lián)度。通過比較各個影響關聯(lián)度di和dj的大小，可以分析出林地結構系統(tǒng)中哪些因素對生態(tài)功能的約束作用大，以及生態(tài)功能中哪些因素對林地結構系統(tǒng)構成主要脅迫作用。

1．2．5 林地結構與生態(tài)功能耦合度模型構建

上述系統(tǒng)之間的關聯(lián)度并不能反映二者耦合程度，為從整體上判別林地結構與生態(tài)功能兩個系統(tǒng)匹配協(xié)調發(fā)展態(tài)勢，需要引入耦合度模型。因此，在式(3)的基礎上進一步構造林地結構與生態(tài)功能相互匹配的系統(tǒng)耦合度模型［22］，以定量評判樣本區(qū)林地結構與其生態(tài)功能的匹配協(xié)調發(fā)展程度。其計算公式為:

2 結果與分析

2．1 林地結構因子分析

由因子主成分分析結果得到，除了林分組成信息損失較大外，主成分幾乎包含了各個原始變量至少85%的信。為排除相關性較強的因子的重復效應，采取主成分因子分析法，得到前四個主成分特征值均＞1，特征值累計貢獻率達到90．759%?？梢哉J為，前四個主成分因子代表研究對象的林地結構特征。

通過因子旋轉，得到4個主成分因子的典型代表變量的因子載荷矩陣，如表2，由表可得，第一主成分因子主要反映了林地的喬木平均高度、平均胸徑、郁閉度、枯落物生物量、冠層截留率，可定義為喬木層林層結構及枯落物指標;第二主成分因子主要反映了林地的枝葉生物量、根系生物量，可定義為林地上層生物量結構指標;第3主成分因子主要反映了土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度及枯落物容水量，可以把它作為土壤層相關指標;第四主成分因子主要反映了草本層生物量、土壤穩(wěn)滲速率，定義為其它指標。

表2 旋轉后的因子載荷矩陣表Table 2 Rotated com ponentmatrixa

通過建立的林地結構因子分析模型，可以算出7個退耕模式的林地結構因子得分指數(shù)Fi，得到表3。

根據(jù)前文對公共因子的解釋，結合各種退耕模式4個公共因子上的得分和綜合得分，對各種退耕模式的林地結構水平進行評價。根據(jù)林地結構因子分析模型得出的主成分因子得分反映了該林地的結構特點，在F1喬木層林層結構因子中，得分最高的是刺槐以及刺槐、沙棘混交林;F2上層生物量因子中，得分最高的是檸條3．3，遠高于其他林地類型;F3土壤層因子中，得分最高的為沙棘3．26，遠高于其他;F4草本層及穩(wěn)滲速率因子中，得分最高的是沙棘和檸條，分別為2．3、2．29。綜合得分最高的為檸條，其值為 3．1。

表3 不同退耕模式因子得分表Table 3 Component score coefficientmatrix in the grain for green patterns

2．2 結構因子與生態(tài)功能耦合關聯(lián)分析

根據(jù)公式(4)將林地結構因子與生態(tài)功能因子進行灰色關聯(lián)分析，得到表4。

從表中可以看出，林地結構因子與生態(tài)功能因子之間的聯(lián)系與反饋是密切的，經(jīng)過計算得出兩要素各項因子之間的關聯(lián)度都在0．5以上，屬于中等關聯(lián)程度，表明結構因子與生態(tài)功能之間有較強的耦合特性，為進一步揭示兩因素之間交互耦合的機制及主要驅動力、脅迫力，將計算結果在同一層次上進行簡單平均(見平均值一欄)，則分別得到各林地結構因子對生態(tài)功能脅迫的主要作用因素和生態(tài)功能對林地結構因子的主要反饋作用，以及二者之間的相互耦合關系。

林地結構因子對生態(tài)功能的作用明顯表現(xiàn)在地表徑流量的改變，各因子對地表徑流的平均關聯(lián)系數(shù)為0．67，遠大于對土壤侵蝕率的系數(shù)，這很可能與徑流對土壤侵蝕的影響有關，徑流量的大小與強度對于土壤侵蝕率是有因果關系的。林分組成、冠層截留率、枯落物生物量、草本層截留率以及草本層生物量對地表徑流的影響尤為明顯，關聯(lián)系數(shù)都在0．7以上，在林地結構因子分析中，分屬于主成分F1、F2、F4;而土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度則對徑流影響較小，系數(shù)均小于0．6，說明主成分F4土壤因子對地表徑流作用不明顯。

從土壤侵蝕率與林地結構因子關聯(lián)系數(shù)中可以看出，草本層生物量和枯落物生物量對土壤侵蝕率的作用較為明顯，系數(shù)分別為0．72和0．64，其他因子與土壤侵蝕率的關聯(lián)系數(shù)均低于0．6?？梢钥闯鼋咏乇淼母采w度對于減少降雨對于地表的破壞和侵蝕有明顯的作用，這與實際情況也是相符合的。

表4 吳起縣退耕還林地林地結構與生態(tài)功能耦合作用矩陣Table 4 Thematrix of forest structure and ecological function coup ling in the grain for green patterns

2．3 林地結構與生態(tài)功能耦合度分析

上述系統(tǒng)之間的關聯(lián)度并不能完全反映二者耦合程度，為從整體上判別林地結構與生態(tài)功能兩個系統(tǒng)匹配協(xié)調發(fā)展程度，需要測度系統(tǒng)耦合度，將灰色關聯(lián)度系數(shù)帶入公式(5)，得到系統(tǒng)耦合度，表6展示了整個樣本區(qū)各退耕類型林地結構功能系統(tǒng)耦合的匹配協(xié)調程度。如果取最大值C(k)=1，則說明表明林地結構與生態(tài)功能的耦合處于完全匹配協(xié)調狀態(tài)，如果取最小值C(k)=0，表明系統(tǒng)處于完全不匹配協(xié)調狀態(tài)。目前耦合協(xié)調度等級劃分尚無同一的標準，參考前人的研究成果［23-24］，采用目前國際性組織普遍采納的系統(tǒng)協(xié)調度評價標準如表5所示。

表5 系統(tǒng)耦合協(xié)調度標準Table 5 Standerd of ecosystem coordination

從表中可以看出，7種不同退耕還林模式的林地結構與生態(tài)功能的系統(tǒng)協(xié)調度并不完全一致，其中協(xié)調度指數(shù)沙棘純林＞沙棘山杏混交林＞檸條純林＞刺槐沙棘混交林＞刺槐純林＞山杏純林＞油松純林，只有沙棘純林和沙棘山杏混交林的耦合度值高于0.7，處于中度協(xié)調型，結合主成分得分系數(shù)表的結果，發(fā)現(xiàn)沙棘純林和沙棘山杏混交林的F值也較高，充分說明沙棘樹種在該地區(qū)的適應性較好，其生長狀況有明顯優(yōu)勢且與生態(tài)功能協(xié)調度較好，可以考慮在今后退耕工程建設中擴大其種植面積。

其他退耕模式均未實現(xiàn)良好的協(xié)調度，尤其油松屬于嚴重不協(xié)調型，由前文的各退耕類型的因子得分系數(shù)中可以看出，油松的因子得分F值最低，且其各項因子得分均明顯低于其他樹種，說明油松生長狀況不良且其幾乎對地表徑流及土壤侵蝕的改善沒有起到明顯作用。

通過計算所有樣本整體，得到吳起縣退耕還林地林地結構和生態(tài)功能的綜合耦合度為0．6，系統(tǒng)耦合發(fā)展處于一種弱協(xié)調態(tài)勢?？梢娫谕烁€林工程中，林地自身結構的優(yōu)化與生態(tài)功能的實現(xiàn)還未想成良好的協(xié)同狀態(tài)，仍需要進一步改良探索。

表6 不同退耕還林模式林地結構與生態(tài)功能系統(tǒng)耦合協(xié)調狀況評判結果Table 6 Evaluation results of ecosystem coordination in the grain for green patterns

3 結論與討論

(1)林地結構與生態(tài)功能要素的耦合機制是復雜的，總體上表現(xiàn)在林地結構的差異對生態(tài)功能的約束作用，通過灰色關聯(lián)分析表明:林地結構因子總體上對地表徑流量大小的影響大于對土壤侵蝕率的影響。林分組成對于地表徑流影響非常明顯，結合調查數(shù)據(jù)可以得出，混交林的地表徑流量小于其相應純林的地表徑流量，如沙棘+山杏混交林的地表徑流量要小于沙棘純林、山杏純林的地表徑流;其次是冠層截留率、草本層截留率也對徑流量有明顯影響，截留率越大的退耕模式，地表徑流越小;枯落物生物量以及草本層生物量對地表徑流也有比較明顯的作用，枯落物生物量以及草本層生物量越大的林地，其地表徑流相越小;土壤相關因子與地表徑流的關聯(lián)系數(shù)最小，這可能是由于土壤相關因子的性質除了受退耕類型本身樹種不同的影響，還受人為活動的影響較大，而人為活動相關因子不在本次研究指標體系內，所以土壤因子在生態(tài)功能中的作用還有待更細致的研究。由土壤侵蝕率與各林地結構因子的關聯(lián)系數(shù)可以看出，草本層生物量、枯落物生物量等近地表的相關結構對土壤侵蝕的作用很明顯。

(2)不同退耕模式林地結構與生態(tài)功能的系統(tǒng)耦合在協(xié)調度上表現(xiàn)出差異，其中只有沙棘純林和沙棘、山杏混交林的耦合協(xié)調度較高，處于中度協(xié)調狀態(tài)，油松純林的耦合協(xié)調度最低。結合各退耕模式的因子得分系數(shù)矩陣，可以看出，油松純林在吳起縣退耕還林工程中的生態(tài)效益較低，在林地配置上需要改善。而在今后的退耕還林工程的后續(xù)建設中，可考慮將沙棘純林與沙棘山杏混交林作為該地區(qū)的生態(tài)適宜模式，進行積極的推廣。吳起縣退耕還林地的綜合耦合度僅為0．6，處于弱協(xié)調狀態(tài)，這表明目前吳起縣退耕區(qū)林地結構與相應生態(tài)功能之間并沒有完全實現(xiàn)合理匹配與協(xié)調，需要進一步調整。

(3)目前耦合系統(tǒng)多應用于生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)耦合的建立，單純用于探索森林結構與功能關系的研究較少。本研究將耦合系統(tǒng)的概念引入對退耕還林地的林地結構與功能之間的關系的研究，是退耕還林工程相關研究中的一個探索性嘗試，有明顯創(chuàng)新意義。從以上結果來看，該分析方法有以下幾個特點:一是通過主成分的簡化，因子整合后生態(tài)意義明確，有利于明確影響生態(tài)功能的主要因素;二是，該模型為定量化模型，其減少了評價過程中主觀判斷的影響，結果更加客觀。但是對于因子的選擇以及評判標準的合理性，還處于嘗試階段，需要今后再做更多的分析以修正和完善。

(4)影響退耕還林地生態(tài)功能的因子是多方面的，由森林生態(tài)系統(tǒng)所獨具的復雜的結構、功能特性決定了其生態(tài)功能的大小是由多個影響因素相互聯(lián)系、共同作用的結果，所以，在探討問題時既要有要單因子的細致深入的研究，也應該從系統(tǒng)整體的角度做判斷，二者相互補充，最終為退耕還林工程的后續(xù)建設做理論指導。

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