陳望雄, 楊新榮, 黎振強(qiáng), 施和平
(1.湖南理工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 湖南 岳陽 414000; 2.景德鎮(zhèn)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理系, 江西 景德鎮(zhèn) 333000)
基于小班水平的東洞庭湖區(qū)域馬尾松林健康評價
陳望雄1, 楊新榮1, 黎振強(qiáng)1, 施和平2
(1.湖南理工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 湖南 岳陽 414000; 2.景德鎮(zhèn)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理系, 江西 景德鎮(zhèn) 333000)
摘要:[目的] 對東洞庭湖區(qū)域的優(yōu)勢樹種馬尾松林進(jìn)行健康評價研究,為該區(qū)域科學(xué)經(jīng)營森林,改善區(qū)域人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考和借鑒。 [方法] 依據(jù)馬尾松林樣地調(diào)查、岳陽市森林資源二類調(diào)查和湖南省林業(yè)資源信息系統(tǒng)獲取馬尾松林?jǐn)?shù)據(jù)。并從生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)性、可持續(xù)性及抗干擾性4個方面選擇了馬尾松林14個健康評價指標(biāo),依據(jù)方差貢獻(xiàn)率確定指標(biāo)權(quán)重,計算有代表性的329個馬尾松林小班得分與既有的健康等級定性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)比較確定小班的健康狀況。 [結(jié)果] 優(yōu)質(zhì)小班14個,健康小班76個,亞健康小班221個,不健康小班18個,分別占所選樣本總面積的7.33%,24.62%,61.34%,6.71%。 [結(jié)論] 該區(qū)域馬尾松林總體上處于亞健康與不健康狀況;天然林健康狀況好于人工林;混交林健康狀況優(yōu)于馬尾松純林;高海拔、陡坡、邊遠(yuǎn)區(qū)域馬尾松林健康狀況明顯優(yōu)于低海拔、居民密集區(qū)域。
關(guān)鍵詞:東洞庭湖區(qū)域; 馬尾松林; 小班; 方差貢獻(xiàn)率; 健康評價
健康的森林生態(tài)系統(tǒng)不僅體現(xiàn)在維持自身的穩(wěn)定性和可持續(xù)性,更重要的是為人類社會提供生態(tài)服務(wù)功能。國內(nèi)外有很多學(xué)者對森林健康進(jìn)行一系列的定義和特點(diǎn)描述,如Costanza[1]從系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定性、無疾病、多樣性、有活力、可恢復(fù)性和平衡性6個方面定義生態(tài)系統(tǒng)健康。Mageau等[2]認(rèn)為健康的生態(tài)系統(tǒng)至少應(yīng)考慮到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、生長能力、恢復(fù)能力,應(yīng)將人納入到自然系統(tǒng)中去,既要考慮人類需求,也要注意人對自然界的影響。沈文君等[3]認(rèn)為,一個健康的生態(tài)系統(tǒng)要從自身健康和滿足人類需求兩方面去衡量。馬克明等[4],袁興中等[5],張志城等[6],Haworth[7],Karr[8]等學(xué)者也從不同的角度定義了生態(tài)系統(tǒng)健康的概念。通過學(xué)者們對生態(tài)系統(tǒng)健康的定義可知,森林生態(tài)系統(tǒng)健康的標(biāo)準(zhǔn)是一個人類的標(biāo)準(zhǔn),本身不存在健康與否,而是是否持續(xù)地為人類提供各種服務(wù)為標(biāo)準(zhǔn),是生態(tài)—社會經(jīng)濟(jì)—人類健康3個領(lǐng)域相結(jié)合的綜合性定義,不僅涉及生態(tài)學(xué)方面,更包括人類價值、倫理的、哲學(xué)、藝術(shù)、管理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)[9-10]。森林生態(tài)系統(tǒng)健康作為森林資源管理的一個目標(biāo),其健康評價作為森林資源管理的一種有效手段得到了越來越多的應(yīng)用,正日益受到世界各國政府和林業(yè)學(xué)者的重視。馬尾松作為東洞庭湖區(qū)域的主要優(yōu)勢樹種,對東洞庭湖區(qū)馬尾松林健康評價有利于對該區(qū)域的馬尾松林健康情況、經(jīng)營質(zhì)量做出科學(xué)判斷并采取合適的營林措施來改善其健康狀況,有利于正確處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源、環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系,在建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會、改善區(qū)域人居環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)決策方面也具有重要的參考和借鑒意義。
1研究區(qū)概況
東洞庭湖區(qū)域位于洞庭湖東北部,東倚幕阜山,西臨洞庭湖,北接長江,南連湘江、資江、沅江和澧水4條主干河流,地處北緯28°25′33″—29°51′00″,東經(jīng)112°18′31″—114°09′06″,東西橫跨177.84 km,南北縱長157.87 km,含汨羅市、臨湘市2個縣級市,岳陽縣、華容縣、平江縣、湘陰縣4個縣,岳陽樓區(qū)、云溪區(qū)、君山區(qū)3個區(qū),總面積15 019 km2,總?cè)丝?48.34萬人。
東洞庭湖區(qū)域?qū)僦袊喜縼啛釒駶櫳种参飬^(qū)系,據(jù)統(tǒng)計,有高等植物5 000種左右,其中木本植物1 900多種,地帶植被主要由木蘭科、樟科、殼斗科、山茶科、冬青科、金縷梅科、安息香科的植物組成,可以說是種類繁多,區(qū)系成分復(fù)雜,孤寡種屬多。主要用材樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、檫樹(Sassafrastsumu)、柏木(Cupressusfunebris)、楠木(Phoebezhennan)、火炬松(Pinustaeda)、濕地松(Pinuselliottii)、柳杉(Cryptomeriafortunei)、樟樹(Cinnamomumcamphora)、楊樹(Populus)等20多種。區(qū)域主要森林樹種為馬尾松、杉木、毛竹(Phyllostachysheterocycla),2010年岳陽市林業(yè)局森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,馬尾松蓄積量為4.24×106m3,占活立木總蓄積的29.04%,馬尾松林面積為1.48×105hm2;占林業(yè)用地面積的33.49%,主要分布于海拔500 m以下的山地、丘崗紅壤地區(qū),為該區(qū)域主要優(yōu)勢樹種,純林較少,多與杉木、毛竹、油茶樹、闊葉樹等伴生。
2研究方法
采取典型樣地調(diào)查方法,選取東洞庭湖區(qū)域有代表性的馬尾松林群落,調(diào)查馬尾松純林樣地18塊,設(shè)立20 m×20 m的樣方,內(nèi)設(shè)5個4 m×4 m的小樣方。樣地記錄內(nèi)容: (1) 環(huán)境因子:海拔、坡位、坡向、土層厚度、土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)等; (2) 樣地上的喬木、灌木、草本的主要種類、株數(shù)、胸徑、高度、冠幅、生產(chǎn)力等; (3) 調(diào)查樣地所在小班的森林覆蓋率、齡級、植被組成和森林布局等。
同時借助岳陽市森林資源二類調(diào)查馬尾松林小班數(shù)據(jù)和湖南省林業(yè)資源信息系統(tǒng),所獲取的數(shù)據(jù)主要包括胸徑、樹高、郁閉度、單位面積蓄積量、天然更新狀況、群落層次結(jié)構(gòu)、土層厚度、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、土壤亞類、近自然度、坡位、坡向、海拔、森林病蟲害、火險等級等。
依據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價理論基礎(chǔ)和指標(biāo)體系的選擇原則,參照學(xué)者們對特定區(qū)域和特定對象的森林生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)的選擇[7-11],考慮到森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價密切相關(guān)的重要指標(biāo)[12],并結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲性及區(qū)域的特殊性,初步構(gòu)架了馬尾松林健康評價指標(biāo)體系,其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 基于小班水平的馬尾松林健康評價指標(biāo)體系
馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系可以分為以下兩種類型: 第1種為定性指標(biāo),包括群落層次結(jié)構(gòu)、天然林更新狀況、土層厚度、近自然度、病蟲害程度、火險等級,其等級劃分依據(jù)湖南省森林調(diào)查操作技術(shù)規(guī)程直接確定。由于第一種為定性指標(biāo),依其定性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),將健康5等級分級情況轉(zhuǎn)化為十分制數(shù)據(jù),數(shù)值取等級值中間值,等級轉(zhuǎn)化成數(shù)值詳見表1。第2種為定量指標(biāo),包括馬尾松林分郁閉度、平均樹高、平均胸徑、單位面積活立木蓄積量、土壤速效氮、速效磷、速效鉀及土壤有機(jī)質(zhì)。
表1 馬尾松林健康等級定性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)
定性指標(biāo)依據(jù)馬尾松林小班所處健康等級賦值,而平均胸徑、平均樹高、單位面積活立木蓄積量、林分郁閉度、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤速效氮、速效磷、速效鉀均為正向定量指標(biāo),在一定的范圍之內(nèi)越大越好,應(yīng)將其標(biāo)準(zhǔn)化,并轉(zhuǎn)化為十分制數(shù)據(jù),計算公式為:
X=10(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)
式中:Xmax——正向定量指標(biāo)的最大值;Xmin——正向定量指標(biāo)的最小值。
初步選定從生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)性、可持續(xù)性、抗干擾性4個方面14個指標(biāo)來進(jìn)行馬尾松林健康評價,考慮到指標(biāo)之間的相關(guān)性,為了減少主觀因素對某一方面賦權(quán)的影響,應(yīng)用因子分析法中方差的貢獻(xiàn)率大小來確定指標(biāo)的權(quán)重。應(yīng)用SPSS 15.0軟件對馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)健康評價各指標(biāo)進(jìn)行分析。
2.4.1KMO和巴特利特球度檢驗(yàn)由于因子分析的主要任務(wù)是對原有變量進(jìn)行濃縮,能夠用較少的變量解釋較多的變量且不丟失太多的信息,則要求變量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,否則,變量無法進(jìn)行濃縮,更無需進(jìn)行因子分析。變量相關(guān)性大小先進(jìn)行KMO和巴特利特球度檢驗(yàn)。依據(jù)KMO和巴特利特球度檢驗(yàn)要求,若KMO>0.7,則效果較好,若0.5 表2 KMO和巴特利特球度檢驗(yàn) 從表2可知,KMO為0.713則符合因子分析要求。從上表顯著性檢驗(yàn)系數(shù)為0的單側(cè)顯著性檢驗(yàn)概率矩陣可知,說明變量兩兩之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。 2.4.2因子提取提取因子的關(guān)鍵是通過樣本數(shù)據(jù)求解因子載荷矩陣,依據(jù)基于主成分分析法,在設(shè)置因子提取閾值為特征值>0.9。根據(jù)主成分的統(tǒng)計信息(表3),特征值由大到小排列,各主成分的貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)量為:前6個主成分的特征值分別為3.244,2.474,1.682,1.222,1.048,0.925,他們能解釋總變異的百分比分別為23.174%,17.671%,12.011%,8.732%,7.488%,6.606%,前6個主成分的特征值大于或者接近于1,取前6個主成分來確定評價權(quán)重,此時的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到了75.682%,符合統(tǒng)計學(xué)原理。根據(jù)因子載荷矩陣信息(表4),第1主成分在胸徑、蓄積、有機(jī)質(zhì)上有較高的載荷,第2主成分在速效氮、群落層次結(jié)構(gòu)、土層厚度上有較高的載荷,第3主成分在速效磷、天然更新和速效鉀上有較高的載荷,第4主成分在郁閉度和樹高上有較高的載荷,第5主成分在病蟲害和火災(zāi)等級方面有較高的載荷,第6主成分在近自然度方面有較高的載荷。 2.4.3評價指標(biāo)權(quán)重計算每個評價指標(biāo)的權(quán)重由主成分載荷和主成分的方差貢獻(xiàn)率來確定,具體計算方法為: 6個主成分的特征值和(∑)=3.244+2.474+1.682+1.222+1.048+0.925=10.595。 胸徑的權(quán)重=(0.891×3.244+0.124×2.474+0.023×1.682-0.107×1.222-0.206×1.048+0.066×0.925)/10.595=0.28。 同理,可確定蓄積、有機(jī)質(zhì)、速效氮、群落層次結(jié)構(gòu)、土層厚度、速效磷、天然林更新、速效鉀、郁閉度、樹高、森林病蟲害、火災(zāi)等級、近自然度的權(quán)重分別為0.26,0.36,0.25,0.24,0.27,0.13,0.16,0.08,0.15,0.13,0.17,0.04,0.10。將計算權(quán)重結(jié)果歸一化,則胸徑、蓄積、有機(jī)質(zhì)、速效氮、群落層次結(jié)構(gòu)、土層厚度、速效磷、天然林更新、速效鉀、郁閉度、樹高、森林病蟲害、火災(zāi)等級、近自然度的權(quán)重分別為0.11,0.10,0.14,0.09,0.09,0.10,0.05,0.06,0.03,0.06,0.05,0.06,0.02,0.04。 表3 特征值與方差貢獻(xiàn)(提取方法:主成分分析方法) 表4 因子載荷矩陣 以東洞庭湖區(qū)域馬尾松林小班為評價單元,依據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化得分乘以各項(xiàng)指標(biāo)的歸一化權(quán)重計算各個馬尾松林小班的健康得分值。參照學(xué)者們[5,13-19]從森林結(jié)構(gòu)性、可持續(xù)性、抗干擾性方面確定森林健康等級及相應(yīng)的評價得分(表5),依據(jù)馬尾松林小班的健康得分值確定馬尾松林隸屬健康等級。 表5 馬尾松林健康評價等級標(biāo)準(zhǔn) 3評價結(jié)果 在東洞庭湖區(qū)域選定有代表性的329個馬尾松林小班中,依據(jù)小班得分確定隸屬健康等級,通過分析可知,優(yōu)質(zhì)的馬尾松林小班14個,占所選個體總數(shù)的4.25%,面積為15.68 hm2,占所選樣本總面積的7.332%。該林分主要為馬尾松+闊葉林或馬尾松+杉木林,主要分布于離湖區(qū)較遠(yuǎn)的高海拔、坡度較陡山區(qū),人為影響因素小,如平江縣的幕府山、福壽山區(qū)域,岳陽縣的鐵山庫區(qū)、毛田鎮(zhèn)大云山林區(qū)及臨湘市五尖山森林公園、羊樓司鎮(zhèn)邊遠(yuǎn)山區(qū)。這些林分群落層次結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,近自然程度高,郁閉度大,森林火險等級低,抗病蟲害能力很強(qiáng)。 健康的馬尾松林小班有76個,占所選個體總數(shù)的23.1%,面積為52.64 hm2,占所選樣本總面積的24.62%。主要是馬尾松林+天然闊葉林、馬尾松純林、馬尾松林+三杉(水杉、柳杉、池杉的合稱)、馬尾松+杉木林、馬尾松林+竹林組成,主要位于平江縣加義鎮(zhèn)、南江鎮(zhèn)、甕江鎮(zhèn),岳陽縣的月田鎮(zhèn)劉廟村、大橋村、雙江村,張谷英鎮(zhèn)四維村。臨湘詹橋鎮(zhèn)、藥菇山、五尖山森林公園,華容的勝利林場、塔市林場。這些馬尾松林分群落層次結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,近自然程度較高,郁閉度較大,抗病蟲害能力強(qiáng),森林火險等級較低。這些林分或位于較高海拔或較陡坡山區(qū),人為影響因素小,或?qū)儆趪辛謭?,有專人?jīng)營管理。 亞健康的小班221個,占所選個體總數(shù)的67.17%,面積為131.17 hm2,占所選樣本總面積的61.34.%,主要由馬尾松純林、或馬尾松林與油茶樹、柑橘、胡柚等經(jīng)濟(jì)林混交,或馬尾松與楊樹混交。處于在海拔150 m以下的丘崗地區(qū)或湖區(qū),在岳陽樓區(qū)的郭鎮(zhèn)鄉(xiāng),云溪的道仁磯,汨羅的古培鎮(zhèn)、弼時鎮(zhèn)、黃柏鎮(zhèn)、長樂鎮(zhèn),臨湘的文橋鎮(zhèn)、忠防鎮(zhèn)、江南鎮(zhèn),湘陰的梓樹、鐵角嘴,華容的東山、三封寺、萬庾等地大量分布。這些馬尾松林分群落層次結(jié)構(gòu)簡單,近自然程度低,馬尾松或作為群落演替先鋒樹種或作為人工栽培樹種,這些區(qū)域土壤貧瘠、土壤透氣性差,林分郁閉度小、抗病蟲害能力中等,森林火險等級較高。 不健康的小班18個,占所選個體總數(shù)的5.47%,面積為14.349 hm2,占所選樣本總面積的6.71%,主要由人工馬尾松林、或?yàn)轳R尾松與楊樹、柑桔、油茶、灌木混交。這些林分主要分布在國道、省道兩側(cè)區(qū)域,長嶺煉油廠、岳陽化工廠附近區(qū)域,或在不適合種樹的立地條件區(qū)域種植。這些林分群落層次結(jié)構(gòu)簡單,近自然程度低,抗病蟲害能力弱,森林火險等級高。 綜上所述,亞健康、不健康的小班數(shù)占所選樣本個體總數(shù)的72.64%,兩者之和面積占所選樣本總面積的68.05%,所以從小班水平上看東洞庭湖區(qū)域馬尾松林總體上處于亞健康、不健康狀況,與岳陽市林業(yè)局利用森林資源二類調(diào)查或遙感數(shù)據(jù)分析馬尾松林的健康狀況大體一致。 4討 論 森林健康狀況評價指標(biāo)的選擇應(yīng)考慮到森林的自然性、社會、經(jīng)濟(jì)和人類健康狀況,應(yīng)具有綜合性和全面性。目前中國對森林健康評價研究難以大范圍開展生態(tài)監(jiān)測工作,故有些數(shù)據(jù)難以獲取,給指標(biāo)的選取帶來不少困難。很多學(xué)者對森林健康評價主要是參考森林健康的文獻(xiàn)資料,要考慮數(shù)據(jù)的可獲得性,但能獲取同行廣泛認(rèn)可的評價指標(biāo)體系卻很少。其次是指標(biāo)的量化。有些指標(biāo)對評價森林健康在理論上很有代表性,能反映森林的健康狀況,卻難以量化,故無法進(jìn)行客觀比較,會影響森林健康評價的科學(xué)性和完整性。再次是指標(biāo)權(quán)重確認(rèn),很多學(xué)者選擇層次分析法(AHP),采用專家打分法和專家咨詢相結(jié)合構(gòu)造判斷矩陣,進(jìn)行層次排序,再進(jìn)行一致性檢驗(yàn),此方法權(quán)重確認(rèn)很大程度上存在主觀因素。本研究將小班樣本數(shù)據(jù)輸入SPSS軟件,應(yīng)用該軟件菜單因子分析法中方差貢獻(xiàn)率大小來確定指標(biāo)的權(quán)重,減少主管因素對指標(biāo)權(quán)重確認(rèn)影響。在這種情況下,經(jīng)過深入研究,依據(jù)馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)類型差別性與東洞庭湖區(qū)域的特殊性,本研究從4個方面選擇14個具體指標(biāo)建立基于小班水平的馬尾松林健康評價指標(biāo)體系,依據(jù)方差貢獻(xiàn)率大小確定指標(biāo)權(quán)重,以期更準(zhǔn)確地反映馬尾松林健康水平。 5結(jié) 論 (1) 東洞庭湖區(qū)域馬尾松林總體上處于亞健康與不健康狀況。從亞健康、不健康的小班數(shù)占所選樣本個體總數(shù)的72.64%,占所選樣本總面積的68.05%可以看出。土壤有機(jī)質(zhì)、土壤速效氮、群落層次結(jié)構(gòu)、土層厚度等評價指標(biāo)方面得分較低,應(yīng)從這些方面加以改善來提高馬尾松林健康等級。 (2) 東洞庭湖區(qū)域馬尾松健康狀況大致可以概括為:天然林健康狀況優(yōu)于人工林;馬尾松混交林健康狀況好于馬尾松純林;高海拔、陡坡、邊遠(yuǎn)區(qū)域馬尾松小班健康狀況明顯優(yōu)于低海拔、居民密集區(qū)域。 (3) 東洞庭湖區(qū)域馬尾松林健康狀況總體上處于亞健康與不健康狀況,還有較大的上升空間,馬尾松林要持續(xù)發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能和經(jīng)濟(jì)效益,就必須調(diào)整經(jīng)營模式,加大營林力度,落實(shí)營林措施,提高營林管理水平,才能更大地發(fā)揮其綜合效益。 [參考文獻(xiàn)] [1]Costanza R, Norton B G, Haskell B D. 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Then the score of sublots was determined by calculating represent 329 sublots compared with the existing health grade index. [Results] The evaluation results showed that the number of high quality sbulots was 14, healthy sublots was 76, sub-healthy sublots was 221, unhealthy sublots 18, possessing total area of the selected samples 7.33%,24.62%,61.34%,6.71%, respectively. [Conclusion] The masson pine forest in studied area was between sub-health and unhealthy in general; the natural forest health was much better than the plantation; the health situation of masson pine forest in high altitude, slope, remote area was significantly better than that in low altitude, dense population area. Keywords:East Dongting Lake area; masson pine forest; sublot; variance contribution rate; health assessment 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1000-288X(2015)04-0176-06 中圖分類號:S718.55 通信作者:楊新榮(1956—),男(漢族),湖南省岳陽市人,碩士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究。E-mail:yxr 8847009@163.com。 收稿日期:2014-06-12修回日期:2014-06-23 資助項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于濕地保護(hù)的生態(tài)農(nóng)業(yè)體系構(gòu)建及其運(yùn)行機(jī)制研究:以洞庭湖區(qū)為例”(71173073); 湖南省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目“東洞庭湖區(qū)域森林健康評價與資源可持續(xù)利用機(jī)制研究”(14C0519) 第一作者:陳望雄(1974—),男(漢族),湖南省岳陽市人,博士,講師,主要從事生態(tài)旅游與資源可持續(xù)利用研究。E-mail:357973445@qq.com。2.5 健康等級