（北京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境管理國家林業(yè)局重點實驗室，北京 100083）

水源涵養(yǎng)林作為北京市主要森林類型之一，研究其結構與生態(tài)功能的關系，對于改善北京市水資源狀況、維護生態(tài)平衡具有重要意義[1-5]。

目前，國內(nèi)很多學者對森林結構與功能的耦合關系進行了研究。王威[6]選取了樹種組成、林分年齡、郁閉度等林分基本結構因子分析北京山區(qū)水源林結構與功能耦合關系；蔣桂娟等[7]利用2004年北京市八達嶺林場森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，選取了小班面積、森林類型、林分起源等林分結構因子表達水源林結構與功能的關系；魏曉慧等[8]選取了樹種組成、每公頃林分蓄積、小班蓄積等11個林分指標因子對福建將樂林場森林多功能狀況進行評價；這些學者多是對林分基本結構（樹種組成、年齡、郁閉度、起源等）與森林功能進行研究[9-11]，綜合分析林分基本結構和空間結構與森林功能之間的耦合關系的研究鮮有見刊。林分空間結構特征不僅體現(xiàn)了樹木在空間上的分布格局，對樹木間的競爭勢以及空間生態(tài)位起了決定作用，并且很大程度上對林分穩(wěn)定性、發(fā)展的方向以及其經(jīng)營措施起了決定作用[12-15]。

本研究以北京市八達嶺林場水源涵養(yǎng)林為研究對象，采用定性與定量相結合的方式研究水源涵養(yǎng)林林分結構與生態(tài)功能的耦合關系，旨在為研究區(qū)水源涵養(yǎng)林的科學經(jīng)營提供理論和方法依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市八達嶺林場（115°55′E，48°17′N）位于延慶縣東南部，總面積2 940 hm2，地處萬里長城居庸關和八達嶺之間。林場基本處于山區(qū)，東北部毗鄰延慶縣，南連昌平區(qū)，西部與河北省懷來縣接壤。平均海拔為780 m，最高海拔達到1 238 m，最低海拔為450 m，相對高差為788 m。屬大陸性季風氣候，具備半干旱、半濕潤的暖溫帶氣候特點。年平均氣溫為10.8 ℃，7月份氣溫最高，月平均氣溫為26.9℃；1月份氣溫最低，月平均氣溫為-7.2 ℃。年平均降雨量454mm，集中在7、8月份，占年降雨量的59%。

林場人工林與天然林面積比為7∶3。其中人工林樹種主要為油松Pinus tabuliformis、黃櫨Cotinus coggygria、元寶楓Acer truncatum等，天然林樹種主要為遼東櫟Quercus liaotungensis、蒙古櫟Quercus mongolica等。研究區(qū)水源涵養(yǎng)林主要森林類型有油松人工林、元寶楓人工林、黃櫨人工林、遼東櫟天然林等。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 標準地的設置與調(diào)查

通過踏查，在具有代表性的地段選取油松人工林、元寶楓人工林、黃櫨人工林、遼東櫟天然林4種林分類型設置標準地對研究區(qū)水源涵養(yǎng)林林分結構與功能的耦合關系進行研究。記錄標準地的位置、森林類型、樣地面積、立地類型、林分起源、GPS坐標、海拔、坡度、坡位、坡向、經(jīng)營歷史等。

標準地調(diào)查：以10 m為間距將標準地分割為正方形的網(wǎng)格，調(diào)查并且記錄各個樣方內(nèi)所有喬木（D≥4 cm）的種名、冠幅、胸徑、樹高、枝下高及其相對坐標；分別在標準地的四角及中心設5個灌木樣方（5 m×5 m）和5個草本樣方（1 m×1 m），分別調(diào)查并記錄灌木和草本的名稱、數(shù)量、高度、多度和蓋度等。各標準地基本信息見表1。

表1 標準地基本信息Table 1 Basis information of samples

2.2 指標的選取與量化

森林結構決定森林功能，水源涵養(yǎng)林涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)和保持水土等功能的發(fā)揮明顯受到林分郁閉度、林分年齡、土壤厚度等林分結構因子的影響[16-18]。本研究以科學性、可操作性、主導性為原則，根據(jù)系統(tǒng)科學的結構與功能關系，篩選林分年齡、郁閉度、灌草蓋度、生物量、混交度、角尺度、大小比數(shù)、土壤厚度、樹種組成9個林分結構因子作為反映研究區(qū)水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的主要因子。

運用Winkelmass1.0軟件計算空間結構參數(shù)，選定相鄰木n=4。為了避免邊緣效應可能對林分結構產(chǎn)生的影響，設置3 m緩沖區(qū)。

將林分的結構因子屬性數(shù)據(jù)轉為數(shù)值型數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行標準化處理，結果見表2。

表2 數(shù)據(jù)標準化處理Table 2 Data quantitative processing

2.3 多元統(tǒng)計分析方法

采用因子分析法中的主成分分析法研究水源涵養(yǎng)林的林分結構與功能的耦合關系。數(shù)據(jù)處理主要在SPSS18.0軟件中完成。

2.4 結構與功能耦合模型的構建

根據(jù)研究對象的特點，假定林分結構與功能的關系為線性模型，表達式如下：

式（1）中：A為功能，xi為結構變量，ai為變量系數(shù)。

3 結果與分析

3.1 主成分分析

為了消除不同林分結構因子的量綱不同對結果產(chǎn)生的影響，先將原始變量進行標準化處理，再進行相關性分析（表3）。通過各林分結構因子的相關系數(shù)可知，角尺度與樹種組成強相關；郁閉度與林齡有較強的相關性；生物量與林齡、郁閉度等有較強的相關性。

表3 林分結構因子相關性分析?Table 3 Correlation analysis of structural factors of forest stands

采用主成分分析法得到各組分的特征值及方差貢獻率，前3個組份的特征值及方差貢獻率見表4?？梢钥闯觯?個主成分的特征值均大于1，且方差累計貢獻率達到91.008%，說明前3個主成分能代表北京市八達嶺林場水源涵養(yǎng)林的總體功能水平。各主成分代表的功能及林分指標因子的重要程度由成分得分系數(shù)矩陣（見表5）得到。

由表5可以看出，第一個主成分在郁閉度（0.953）、樹種組成（0.824）、角尺度（0.817）等具有較大的載荷，由于不同郁閉度和樹種組成等對于降水中各種元素淋溶和吸附作用不同，這與水源涵養(yǎng)林改善水質(zhì)的功能有關，因此將第一主成分定義為改善水質(zhì)功能；第二個主成分反映了灌草蓋度（0.776）、林齡（0.656）等因子，灌草層自身具有一定的持水和截留降雨的能力，不同年齡的林分涵養(yǎng)水源功能不同，因此將第二主成分定義為涵養(yǎng)水源功能；第三個主成分的因子載荷集中表現(xiàn)在土壤厚度（0.745）和灌草蓋度（0.735）上，這主要與水源涵養(yǎng)林的水土保持功能有關，將其定義為水土保持功能。

表4 特征值及貢獻率解釋Table 4 Eigen-values and cumulative-values explained

表5 成分得分系數(shù)矩陣?Table 5 Component score coefficient matrix

3.2 結構與功能耦合關系模型的表達

根據(jù)以上研究結果，可以得到北京八達嶺林場水源涵養(yǎng)林結構與功能的耦合關系模型，如下：

式中，M1表示改善水質(zhì)功能；M2表示涵養(yǎng)水源功能；M3表示水土保持功能。

3.3 多功能綜合指數(shù)分析

構建北京八達嶺林場水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的綜合評價模型（公式5）。

式中，F(xiàn)為水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能綜合指數(shù)；λ1、λ2、λ3分別為改善水質(zhì)功能、涵養(yǎng)水源功能和保持水土功能相應的特征值，取值分別為4.609，2.305，1.277。

3.4 水源涵養(yǎng)林功能評價

根據(jù)上述結構與功能耦合關系模型，對研究區(qū)水源涵養(yǎng)林4種主要森林類型功能進行評價，結果如表6所示。由表6可知，改善水質(zhì)功能大小順序：遼東櫟天然林＞油松人工林＞元寶楓人工林＞黃櫨人工林；涵養(yǎng)水源功能大小順序：遼東櫟天然林＞黃櫨人工林＞油松人工林＞元寶楓人工林；保持水土功能大小順序：油松人工林＞遼東櫟天然林＞元寶楓林人工＞黃櫨人工林；水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的綜合排序：遼東櫟天然林＞油松人工林＞元寶楓人工林＞黃櫨人工林。

表6 北京八達嶺林場水源涵養(yǎng)林主要森林類型功能評價Table 6 Evaluation of functions of main forest types of water conservation forest in Badaling forest farm of Beijing

4 結論與討論

主成分分析用于研究水源涵養(yǎng)林結構與功能的關系是可行的。以科學性、可操作性和主導性為原則，篩選的反映水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的林分結構因子涵蓋了林分基本結構因子、空間結構因子和土壤因子，通過主成分分析建立結構與功能的耦合模型，在林分尺度上評價不同森林類型水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能。

遼東櫟天然林的生態(tài)功能最優(yōu)。水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能最優(yōu)的林分具有起源為天然，異齡，混交林，郁閉度在0.6～0.8，林下灌草蓋度較高、土壤厚度較大、林木空間結構良好等特點。

由于森林生態(tài)系統(tǒng)具有的復雜結構和功能特性，影響水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的因子是多方面的，其功能大小是多個因素共同作用的結果。只有在確保其結構合理的基礎上，才能最大限度發(fā)揮其生態(tài)功能。研究區(qū)可以制定科學的經(jīng)營措施來調(diào)整水源涵養(yǎng)林的林分結構，以期最大發(fā)揮其生態(tài)效益。

本研究在建立水源涵養(yǎng)林結構與功能耦合關系模型時，僅選擇了與森林功能聯(lián)系較緊密的9個指標因子，所選指標可能不夠全面，今后仍需進一步完善。采用非線性模型研究森林結構與功能的關系也將是今后研究的熱點之一。

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