石 亮,周 梅,馮倩倩,王梓璇,賀 敏,趙鵬武

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,呼和浩特 010020)

根河地區(qū)森林火災后生態(tài)現(xiàn)狀評價指標體系構(gòu)建

石 亮,周 梅,馮倩倩,王梓璇,賀 敏,趙鵬武

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,呼和浩特 010020)

森林火災的發(fā)生,在很多情況下是不可避免的,但森林火災過后的生態(tài)狀況,對于災后生態(tài)恢復以及相關林業(yè)活動卻有著重要意義,因此構(gòu)建森林火災后生態(tài)現(xiàn)狀評價指標體系就顯得尤為重要。選擇根河地區(qū)森林火災后的生態(tài)系統(tǒng)作為研究對象,通過對國內(nèi)外各類生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系的構(gòu)建方式進行分析,以及對指標的文獻篩選、頻度統(tǒng)計、可行性理論分析和敏感性分析,初步構(gòu)建了以森林火災后生態(tài)恢復現(xiàn)狀評價為目標,以生產(chǎn)力、更新能力、土壤條件、微生物因子、氣象與立地條件和生物多樣性為要素層,由23個指標構(gòu)成的根河地區(qū)森林火災后生態(tài)現(xiàn)狀評價體系,并運用熵權(quán)法確定指標體系中各項指標的權(quán)重。這種將定性分析與定量分析相結(jié)合進行指標體系建立的方法可以達到使用最少的指標反映最大量原始信息的目的。研究思路和方法在一定程度上豐富了森林生態(tài)系統(tǒng)評價研究理論與方法體系。

指標體系；森林火災；指標篩選

0 引言

森林作為構(gòu)成全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1],一直持續(xù)被生態(tài)學者們關注和研究,尤其是隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展、氣候變化和自然災害的影響,森林在全球生態(tài)系統(tǒng)中的作用進一步得到了人們的重視,所以對于森林生態(tài)系統(tǒng)的評價研究也隨之增多。森林生態(tài)系統(tǒng)評價研究是依托傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)評價理論衍生的一種評價研究[2],而生態(tài)系統(tǒng)評價是對生態(tài)系統(tǒng)健康進行定量分析的方法,是進行生態(tài)恢復和生態(tài)管理的理論工具。

生態(tài)評價方法一般可分為指示物種法和指標體系法兩種。指示物種法是生態(tài)系統(tǒng)健康研究最常見的方法。對于森林生態(tài)系統(tǒng)來說,很難選擇到合適指示物種和監(jiān)測參數(shù)來表征其狀態(tài)[3]。指標體系法則適用范圍更廣,它是在不同組織水平和考慮不同尺度的前提下對生態(tài)系統(tǒng)的各個組織水平的各類信息進行綜合評價[4]。由于森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性,所以更適合指標體系法。指標體系法中,評價指標體系構(gòu)建的恰當與否,是評價工作能否成功的重要基礎。

國內(nèi)外學者開展了許多的區(qū)域或單一地理形態(tài)生態(tài)評價研究,建立了許多較為完善且有影響力的生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系。國外學者在森林生態(tài)評價過程中,所選指標的理論性較強,更注重理論上的創(chuàng)新和研究。其中Caims等[5]從生態(tài)系統(tǒng)與人類社會的關系出發(fā),提出生態(tài)評價的指標體系分為三大類,即理化指標(大氣環(huán)境質(zhì)量、土壤質(zhì)量和水體質(zhì)量等)、生態(tài)學指標(穩(wěn)定性、恢復力、抵抗力等)和社會經(jīng)濟指標(經(jīng)濟水平、政府干預程度、社會認知程度等)。相對于國外學者的研究,國內(nèi)學者在森林生態(tài)評價過程中對指標的選擇目的性更強、數(shù)量上也更為廣泛。其中張麗謙[6]以評價北京山地森林生態(tài)脆弱性為目的,結(jié)合北京山地森林生態(tài)環(huán)境的實際情況,選取了環(huán)境因子、結(jié)構(gòu)和功能因子、干擾因子等3個系統(tǒng),22個指標,構(gòu)建以定量研究為主的山地森林生態(tài)脆弱性的環(huán)境質(zhì)量評價指標體系；嚴密等[7]對福州森林公園的生態(tài)環(huán)境的評價,主要選取生態(tài)因子是從生態(tài)服務功能方面出發(fā),其指標包括固碳釋氧量、大氣粉塵含量、水環(huán)境、聲環(huán)境等。也有些學者是基于某個單一問題對生態(tài)系統(tǒng)進行了評價,如戰(zhàn)金艷等[8]則對森林生態(tài)系統(tǒng)恢復力進行評價,從立地條件和生態(tài)儲存兩個方面出發(fā)來反映森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復能力。

從上述可以看出,目前研究者們提出的生態(tài)系統(tǒng)評價指標,大多都是從Rapport等[9]提出的系統(tǒng)活力、系統(tǒng)組織、系統(tǒng)恢復力等3個方面演化而來,指標構(gòu)成過于理論化且偏向主觀定論,在評價信息上會出現(xiàn)重復性?；诖?本文采用一種全新的指標篩選模式,以森林火災后生態(tài)系統(tǒng)恢復現(xiàn)狀為評價目標,以理論分析和指標量化為主體思路,通過對指標的重復性和貢獻率分析,構(gòu)建森林火災后生態(tài)恢復現(xiàn)狀評價指標體系,以期豐富森林生態(tài)系統(tǒng)評價的研究理論和方法體系。本文的研究對以后的林區(qū)工作和生態(tài)恢復具有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究地位于內(nèi)蒙古大興安嶺林管局根河林業(yè)局施業(yè)區(qū)內(nèi)(51°1′～51°51′N,121°1′～121°32′E)。該區(qū)屬寒溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫為-5.3～-5.5℃,極端最高溫度40.0℃,極端最低溫度為-51.6℃；年降水量為450～500mm(其中12%的降水來自于降雪),每年降水主要集中在7,8月份,年地表蒸發(fā)量為800～1 200mm。研究區(qū)土壤類型主要以棕色針葉林土為主,主要喬木有興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphlla)[10]。

1.2樣地設置與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)內(nèi)蒙古大興安嶺林管局防火辦的森林火災記錄,選擇2003年根河森林大火的火燒跡地為研究區(qū)域,過火面積約為2萬hm2。1)樣地設置。在整個研究區(qū)內(nèi)隨機設置41個典型研究區(qū),在每個研究區(qū)內(nèi)設置標準樣地(30m×30m)。標準樣地的類型,以盡量包含不同建群種、不同坡度、不同坡位、不同火燒程度等因素,達到能全面真實反映整個火燒跡地的恢復現(xiàn)狀。2)數(shù)據(jù)采集。41個標準樣地的野外調(diào)查和取樣后化驗分析得到的數(shù)據(jù)及防火辦提供的數(shù)據(jù)作為評價指標的基礎數(shù)據(jù)來源,以用于指標的敏感性分析。

1.3研究方法

1.3.1構(gòu)建思路與方法

具體的構(gòu)建思路與方法如圖1所示。

圖1 森林火災后生態(tài)恢復現(xiàn)狀評價指標體系構(gòu)建

1.3.2定性指標定量化處理

在體系指標篩選過程中部分評價指標為定量描述指標,需要對指標進行定量化處理,將其轉(zhuǎn)化為無量綱,再進行數(shù)據(jù)標準化處理。

1)坡向。

坡向為定性指標,是非定量化的數(shù)據(jù),且沒有次序,所以需要對坡向指標進行定量化處理,然后才能進行數(shù)據(jù)分析。這里采用方位角來進行坡向表達。方位角具有循環(huán)性,且不成序列,因此他們的數(shù)值大小與地面的水熱情況不成關系。研究過程中采用坡向指數(shù)法實現(xiàn)坡向角度的數(shù)量化轉(zhuǎn)換。坡向決定了它接受太陽輻射的多少,由此導致土壤溫度、濕度、水分蒸發(fā)等一系列因子的變化[11]。因此從陰坡經(jīng)半陰坡、半陽坡到陽坡就構(gòu)成了一個水熱條件的生態(tài)梯度序列、再將每個性質(zhì)的坡向細分為2個,并從陰坡到陽坡順序編號就構(gòu)成了1—8的坡向指數(shù)等級(圖2)。

圖2 坡向指數(shù)的方位角范圍

2) 坡位。

坡位的定量化處理,是根據(jù)以往經(jīng)驗來進行劃分[12],即將坡位劃分為5個等級。1—5級分別為下部、中下部、中部、中上部和上部,其中將平地歸為1級與下部同為一個等級。

1.4數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2010對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標準化和初步處理,運用SPSS 20.0進行Pearson相關分析,運用和SAS 9.0進行主成分分析。通過2次分析的綜合結(jié)果判斷指標敏感性,并確定最終評價指標體系。

2 結(jié)果與分析

2.1評價指標初選

通過理論分析和對森林生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系在中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、Web of science和Ovid平臺等幾個主流數(shù)據(jù)庫中相關文獻搜索,選取1998—2015年內(nèi)116篇相關文獻進行分析和研究,將具有代表性的指標進行統(tǒng)計。通過理論分類,共篩選到7大類指標總計71個,其中出現(xiàn)次數(shù)達到3次及3次以上的所有指標保留,經(jīng)過篩選后剩余43個指標(表1)。

表1 森林生態(tài)系統(tǒng)評價指標頻度統(tǒng)計

注:小括號“()”內(nèi)數(shù)字為文獻中出現(xiàn)頻次。

2.2評價指標的可行性與理論性分析

通過指標初選的頻度分析后,對于剩下的43個指標進行了可行性和理論性分析。

1) 生產(chǎn)力指標。在生產(chǎn)力指標中,“林分生物量”和“單位面積生物量”兩個指標在獲取中是包含喬木生物量的,而本次評價是基于火災干擾后的森林生態(tài)現(xiàn)狀評價研究,并且在調(diào)查時,研究區(qū)恢復時間僅為12年,喬木恢復程度較差。即便是在火燒程度較輕的區(qū)域,原有喬木也出現(xiàn)了間斷性死亡的情況,所以認為對于喬木的生物量調(diào)查意義不大,在生產(chǎn)力指標類型中剔除這2個指標。將喬木恢復情況置于更新能力類型指標中進行研究。

2)土壤條件指標。在土壤條件指標中,認為“土壤類型”指標可以剔除,原因是由于本次指標體系研究屬于區(qū)域性評價研究,研究區(qū)范圍較小,土壤類型均為棕色針葉林土,沒有太大差異。而將土壤對N,P,K元素的含量進行細化,分為全效和速效來分別測定。

3)氣象與立地條件指標。在立地條件指標中,“年平均氣溫”、“年降水量”、“日照時數(shù)”和“風速”這4個指標,和土壤類型有相似原因,即區(qū)域性評價指標體系研究,研究區(qū)面積范圍較小,溫差、降水量、日照和風變化差異較小。

4)生物多樣性指標。在生物多樣性指標中,“樹種結(jié)構(gòu)”和“樹種類型”指標剔除,由于研究區(qū)內(nèi)均以興安落葉松林為主,有少數(shù)次生白樺林,樹種結(jié)構(gòu)簡單,類型較少。

綜上所述,森林火災后生態(tài)系統(tǒng)恢復評價指標體系在經(jīng)過理論性分析后,剩余6大類型37個指標。

2.3指標敏感性分析

2.3.1指標相關性分析結(jié)果

通過對初步篩選后的6大類37個指標分別在各自要素層下進行Pearson相關性分析,剔除相關性較高的指標。當2個指標相關性達到極顯著水平時,一個指標反映的信息量可以代替另一個指標,只保留一個指標,這樣可以有效地縮減評價體系的指標數(shù)量且不丟失指標的信息量。分析后,在生產(chǎn)力要素層,入選平均胸徑、草本生物量、植被蓋度和單位面積株數(shù)4個指標；在更新能力要素層入選幼苗數(shù)量和幼苗基徑2個指標；在土壤條件要素層入選土壤含水量、pH值、土壤全N含量、土壤速效P含量、土壤全K含量、土壤速效K含量和腐殖質(zhì)厚度7個指標；在微生物因子要素層入選脲酶、轉(zhuǎn)化酶、細菌數(shù)量、真菌數(shù)量、微生物氮含量和微生物碳含量6個指標；在氣象與立地條件要素層入選坡向、坡度、海拔和道路距離4個指標；在生物多樣性要素層入選草本物種多樣性、草本豐富度和灌木物種多樣性3個指標。篩選后共保留了26個指標(表2)。

表2 相關性達到極顯著水平時篩選結(jié)果

注:“**”為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關。所有指標都進行了相關分析,只有達到了極顯著水平的2個之間的相關系數(shù)被列出。

2.3.2指標主成分分析結(jié)果

通過對6大類別37個指標,分別在各自要素層下進行主成分分析,選取累積方差貢獻率達到80%以上時各個主成分中因子負載絕對值較大的指標,這些指標可以很好地反映原來要素層的主體信息,并且達到縮減指標的目的,為后續(xù)評價提供了一個較為全面系統(tǒng)的指標體系。根據(jù)主成分分析篩選后,生產(chǎn)力指標有平均樹高、平均胸徑、單位面積株數(shù)和植被蓋度，更新能力指標有幼苗數(shù)量、幼苗基徑和幼苗高度，土壤條件指標有土壤含水量、土壤pH值、土壤全N含量、土壤全P含量、土壤速效P含量、土壤全K含量、土壤速效K含量和腐殖質(zhì)厚度，微生物指標有真菌數(shù)量、細菌數(shù)量、微生物碳含量、脲酶和轉(zhuǎn)化酶，氣象與立地條件指標有坡向、坡度、坡位、海拔和道路距離，生物多樣性指標有草本物種多樣性、灌木物種多樣性灌、灌木均勻度和灌木豐富度。以上合計29個指標(表3)。

2.4指標體系建立

本次研究通過指標文獻篩選、頻度統(tǒng)計、可行性分析、相關分析和主成分分析4個步驟對森林火災后生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀評價指標體系進行了綜合分析和篩選。其中定量篩選過程是用相關分析和主成分分析兩種方法進行,為了確保篩選過程更為科學嚴謹,最終評價指標需要同時通過兩種方法的檢驗,才能入選。本文森林火災后生態(tài)現(xiàn)狀評價指標體系由23個指標組成,結(jié)果如表4所示。

本次研究運用熵權(quán)法來完成賦權(quán)[13]。熵權(quán)法的特點是在所評價的樣本中,同一指標之間的差異性越大,其權(quán)重值也越大,采用這樣的方法可以很好地反映出森林火災后火燒跡地恢復差異。為了符合區(qū)域內(nèi)進行相對比較的目的,而不是與原始狀態(tài)進行比較的特點,因此,選定采用熵權(quán)法,最終權(quán)重結(jié)果如表5所示。

表3 累計貢獻率達到80%以上時主成分篩選結(jié)果

表4 森林火災后生態(tài)現(xiàn)狀評價指標體系

為了進一步檢驗指標體系反映信息的全面性。將篩選后的指標方差之和(trS)和海選指標的方差之和(trSh)帶入公式,得到篩選后指標對海選指標的信息貢獻率:

In=trS/trSh=1.70×1011/1.72×1011×100%=99.1%

也就是說構(gòu)成的指標體系可以反映出了99%的原始信息。

表5 森林火災后生態(tài)恢復現(xiàn)狀評價指標體系賦權(quán)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

本文拋開傳統(tǒng)的評價指標體系構(gòu)建方式,以大興安嶺林區(qū)2003年根河大火的火燒跡地為研究區(qū),以森林火災后生態(tài)系統(tǒng)恢復現(xiàn)狀為評價目標,運用了文獻篩選、頻度統(tǒng)計的方法對森林火災后生態(tài)恢復現(xiàn)狀評價指標體系進行了初選,使指標具有層次性、系統(tǒng)性和全面性；在初選指標的基礎上,再進行理論性和可觀測性分析,并對指標進行實地測定；再運用不同的統(tǒng)計方法,對實測指標進行了進一步的敏感性分析,最終建立了由23個指標構(gòu)成的指標體系。

在這個過程中不僅對指標完成了理論考察,而且對指標進行定量分析,采用多種角度和方法綜合確定了評價指標體系,剔除了不可行指標、相關性較大指標和負載信息較小的指標,使得整個指標體系更具有科學性、合理性。這種將定量分析與定性分析相結(jié)合進行指標體系建立的方法可以更加全面準確地反映原始信息。在賦權(quán)過程中采用熵權(quán)法進行了賦權(quán),這種方法可以充分反映同一片區(qū)域內(nèi)恢復現(xiàn)狀的差異性,對于區(qū)域性評價指標體系賦權(quán)是一個不錯的方法。

在指標敏感性分析過程中發(fā)現(xiàn)土壤有機碳含量較高且變異性較大,經(jīng)過相關性分析和主成分分析后,土壤有機碳被剔除。主要原因是由于本次研究區(qū)域為火燒跡地,在以往的一些研究中表明[14-15],在受到林火干擾后,土壤有機碳有顯著的增高趨勢,而不同火燒強度對土壤有機碳的影響也是不同,因此導致了土壤有機碳含量處于非正常水平且變異性較大。在微生物因子中各個指標的相關性不強,指標較為獨立,可能是由于采樣點的位置差異性和微生物自身更新周期較短導致。較短的更新周期使得微生物水平不能處于一個穩(wěn)定狀態(tài)[16]。這也說明對于一些特殊區(qū)域或基于干擾后的生態(tài)評價,在指標體系的選擇上需要有一定的針對性。人們關注熱點的變化,研究區(qū)域的變化以及時間變化,都可能影響到指標體系的適用性[17]。因此對于這種基于干擾后的生態(tài)評價指標體系構(gòu)建需要更有針對性,才能準備全面地反映生態(tài)現(xiàn)狀,從而達到服務于生態(tài)及林業(yè)工作目標。

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EstablishmentofEvaluationIndexSystemforEcologicalStatusofForestFiresinGenheBasedonCorrelationandPrincipalComponentAnalysis

SHI Liang,ZHOU Mei,FENG Qianqian,WANG Zixuan,HE Min,ZHAO Pengwu

(InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010020,China)

The occurrence of forest fires is unavoidable in many cases,but the understanding of ecological status after forest fires is of great significance for post-disaster ecological restoration and related forestry activities.Therefore,it is very important to construct an ecological status evaluation index system of forest fire.After analyzing the construction methods of the evaluation index system of ecosystems at home and abroad,this paper has chosen the forest ecosystem disturbedby forest fire disturbance as the research object.Through the index selection,frequency statistics,feasibility analysis and sensitivity,the evaluation of ecological status of forest ecosystems after forest fires was preliminarily established,which was constructed by productivity,regeneration capacity,soil conditions,microbial factors,site conditions and biodiversity,and 23 indicators of post-forest fire ecosystem assessment system.We use the entropy method to determine the indicators of the weight of the indicators.This method,which combines qualitative analysis with quantitative analysis,can achieve the goal of using the least indexes to reflect the maximum amount of original information.The application of this research idea and method should enrich the theory and method system of forest ecosystem evaluation research to a certain extent.

index system,forest fire,index screening

S718.557

A

1002-6622(2017)05-0093-08

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.016

2017-07-13；

2017-09-27

內(nèi)蒙古科技計劃項目(20130435)；國家自然科學基金項目(41563006)

石亮(1991-),男,巴彥淖爾人,在讀博士,主要從事森林生態(tài)、森林防火方面的研究。Email:327084694@qq.com

趙鵬武(1981-),男,呼和浩特人,講師,主要從事森林防火方面的研究。Email:24891041@qq.com