童建明，馬立榮

(國(guó)家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410014)

在生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，森林健康研究無疑是當(dāng)前森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的熱點(diǎn)之一，森林健康是指森林在保證自身良好發(fā)展的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮生態(tài)的服務(wù)功能[1-3]，前者是森林自身的基礎(chǔ)指標(biāo)，后者則是功能指標(biāo)，二者缺一不可。健康的森林可以保證自身的延續(xù)和不斷發(fā)展，最大限度地發(fā)揮生態(tài)效益，同時(shí)兼顧社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，是促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4-5]。林業(yè)上往往采用森林健康評(píng)價(jià)來研究森林的健康程度[6]，這些研究大部分都根據(jù)森林健康的定義和研究尺度來構(gòu)建森林健康評(píng)價(jià)體系[7]，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果為森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理提供理論指導(dǎo)，以提高其生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由全連接的神經(jīng)元陣列組成，是一種具備自我組織、自我學(xué)習(xí)特征的映射網(wǎng)絡(luò)，在各個(gè)研究領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[8]，尤其在空氣質(zhì)量評(píng)估、可視化、土地評(píng)價(jià)、文本分類等領(lǐng)域[9-11]。近年來，SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開始從其他領(lǐng)域轉(zhuǎn)向林業(yè)領(lǐng)域[12-13]。2014年，楚春暉等[14]通過SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究了海南省五指山市森林資源的健康情況，并分析了森林健康等級(jí)與齡組和郁閉度之間的關(guān)系，認(rèn)為采用該方法評(píng)價(jià)森林健康在理論上具有最優(yōu)性；2016年，段翔[15]結(jié)合SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)新化縣林地的森林健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為新化縣森林的總體健康水平不高，林分結(jié)構(gòu)、林種結(jié)構(gòu)、齡組結(jié)構(gòu)均有調(diào)整的空間。筆者基于前人的研究成果對(duì)城步苗族自治縣的森林健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為研究區(qū)的森林健康經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

城步苗族自治縣(以下簡(jiǎn)稱城步縣)坐落在湖南省西南部，因地處雪峰山脈與越城嶺山脈交匯處，地形以山地和丘陵為主，資水、巫水、渠水與潯江皆發(fā)源于境內(nèi)。區(qū)內(nèi)平均海拔696.8 m，氣候類型為中亞熱帶山地氣候，雨量充沛，四季分明，逆溫效應(yīng)較為明顯，年平均氣溫16.1 ℃，年平均降水量1 218.5 mm。城步縣境內(nèi)野生植物豐富，被譽(yù)為天然種質(zhì)基因庫(kù)，有蕨類植物45科118屬455種、種子植物179科784屬1930種(裸子植物8科15屬23 種、被子植物171科771屬1915種)；有國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物65種，其中有銀杉、資源冷杉、南方紅豆杉、伯樂樹等4種國(guó)家Ⅰ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

依據(jù)森林健康的內(nèi)涵和指標(biāo)選取原則，以城步縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，輔以野外踏查對(duì)相關(guān)因子進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充和驗(yàn)證，選取單位蓄積量、平均胸徑、平均樹高、土層厚度、枯落物厚度、群落結(jié)構(gòu)、草本覆蓋度、灌木覆蓋度、森林災(zāi)害等級(jí)、郁閉度、齡級(jí)和自然度等12個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照參考文獻(xiàn) [14-15]對(duì)自然度、群落結(jié)構(gòu)和森林災(zāi)害等級(jí)等定性指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化(表1)，再通過主成分分析篩選構(gòu)建森林健康評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 定性指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)表評(píng)價(jià)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)54321群落結(jié)構(gòu)——完整結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)自然度Ⅰ級(jí)Ⅱ級(jí)Ⅲ級(jí)Ⅳ級(jí)Ⅴ級(jí)森林災(zāi)害等級(jí)—無輕中等嚴(yán)重

在進(jìn)行SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算之前先對(duì)參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式：

(1)

其中，Xk為原始數(shù)據(jù)，X′k為輸出數(shù)據(jù)，Xmax和Xmin為變量的最大值和最小值。

2.2 SOM網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

SOM是一種能模擬人腦處理信號(hào)方式的高維可視化和聚類的無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，其中最根本的特征是Winner Takes All競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法步驟為：網(wǎng)絡(luò)初始化→向量的輸入→計(jì)算映射層的輸入向量和權(quán)值向量的距離→權(quán)值的學(xué)習(xí)→計(jì)算輸出→判斷是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的要求，輸出結(jié)果達(dá)標(biāo)則算法結(jié)束；否則返回“向量的輸入”步驟，開始下一輪學(xué)習(xí)。本次研究分別采用train函數(shù)和sim函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練和仿真，將學(xué)習(xí)速率設(shè)定為0.1，輸出結(jié)果設(shè)定為5等，訓(xùn)練參數(shù)trainparam.epochs設(shè)為500。

2.3 主成分分析

通過主成分分析法篩選出影響城步苗族自治縣森林健康的主要指標(biāo)，軟件支持為SPSS19.0。

2.4 評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分

根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]的理論成果，將城步縣的森林健康劃分為五個(gè)等級(jí)，各等級(jí)的健康屬性見表2。

表2 評(píng)價(jià)等級(jí)分類表森林健康等級(jí)健康屬性不健康Ⅰ林分發(fā)育很差,生產(chǎn)力較很低,組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,物種單一,抵抗力與恢復(fù)力很差亞健康Ⅱ林分發(fā)育差,生產(chǎn)力較低,組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,植物種類少,抵抗力與恢復(fù)力差較健康Ⅲ林分發(fā)育一般,生產(chǎn)力一般,組織結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,物種豐富度一般,抵抗力與恢復(fù)力一般健康Ⅵ林分發(fā)育良好,生產(chǎn)力較高,組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜,物種豐富,抵抗力與恢復(fù)力強(qiáng)優(yōu)質(zhì)健康Ⅴ林分發(fā)育完整良好,生產(chǎn)力高且穩(wěn)定,組織結(jié)構(gòu)完整復(fù)雜,物種豐富多樣,抵抗力與恢復(fù)力很強(qiáng)

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)體系

利用主成份分析法篩選出與森林健康度相關(guān)性較大的指標(biāo)，運(yùn)用SPSS19.0對(duì)初選因子進(jìn)行主成分分析，確定評(píng)價(jià)體系主成分的數(shù)量，并求出主成分因子載荷以及各因子的得分。篩選出影響森林健康的主要的指標(biāo)，詳見表3、表4。

從表3可以發(fā)現(xiàn)，前7個(gè)主成分的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.698%，大于85%，故提取前7個(gè)主成分作為森林健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即平均胸徑、單位蓄積量、郁閉度、平均高、森林災(zāi)害等級(jí)、灌木覆蓋度和自然度。根據(jù)不同的準(zhǔn)則將所測(cè)指標(biāo)按照結(jié)構(gòu)完整度、功能穩(wěn)定性和系統(tǒng)活力分為3大類，指標(biāo)體系詳見表5。

3.2 森林健康分布狀況

通過森林健康評(píng)價(jià)體系，可計(jì)算出城步縣森林小班的健康狀況評(píng)價(jià)(表6)和健康等級(jí)分布(圖2)。

表3 主成分的統(tǒng)計(jì)信息表成分初始提取特征值方差貢獻(xiàn)率/%累積方差貢獻(xiàn)率/%特征值方差貢獻(xiàn)率/%累積方差貢獻(xiàn)率/%14.55935.33535.3354.55935.33535.33522.70819.03254.3672.70819.03254.36731.53911.53365.9001.53911.53365.90041.3759.35675.2561.3759.35675.25650.7725.11680.3720.7725.11680.37260.6614.31284.6840.6614.31284.68470.5874.01488.6980.5874.01488.69880.5193.61392.31190.4643.21195.522100.3172.04497.566110.1921.37398.939120.1481.061100.000

表4 成分矩陣信息表成分平均胸徑單位蓄積量(竹株數(shù))郁閉度平均高森林災(zāi)害等級(jí)灌木覆蓋度土層厚度草本覆蓋度群落結(jié)構(gòu)自然度齡級(jí)枯落物厚度10.9140.867-0.0310.702-0.225-0.1440.1660.077-0.0220.9410.8140.22420.1420.1220.5790.0730.8060.792-0.454-0.501-0.1340.1070.347-0.37130.0550.0210.081-0.1030.3580.3360.8420.8350.2710.014-0.094-0.1374-0.002-0.0180.7330.022-0.142-0.2010.1130.174-0.805-0.037-0.1880.6175-0.017-0.007-0.195-0.2090.111-0.012-0.151-0.0380.468-0.1070.1410.61360.0340.057-0.1420.4790.0540.204-0.0270.0460.2050.074-0.3370.2787-0.018-0.054-0.217-0.0520.2820.3420.0670.065-0.287-0.0230.1440.301

表5 森林健康評(píng)價(jià)因子表目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層森林健康評(píng)價(jià)因子結(jié)構(gòu)完整性灌木覆蓋度郁閉度功能穩(wěn)定性自然度森林災(zāi)害等級(jí)平均胸徑系統(tǒng)活力性平均高單位蓄積量(竹株數(shù))

表6 城步苗族自治縣森林小班健康狀況表健康等級(jí)數(shù)量占比/%面積/ hm2占比/%Ⅰ4 79811.619 953.867.01Ⅱ12 18229.4930 261.6921.32Ⅲ24 33358.90101 700.6271.66Ⅵ13 35332.3250 857.9435.84Ⅴ6 09314.7527 028.7119.05

圖2 城步苗族自治縣森林健康狀況分布圖

從表6和圖2可知，城步縣的林地小班數(shù)為60759個(gè)，總面積達(dá)2 019 803 hm2，森林健康狀況較為理想。其中，不健康的森林小班數(shù)為4 798個(gè)，占森林總小班數(shù)的7.90%，面積為9 953.86 hm2，占森林總面積的 4.53%，是小班數(shù)和占地面積最少的健康等級(jí)，主要分布在縣域的北部和西南部；亞健康的森林小班數(shù)為12 182個(gè)，占森林總小班數(shù)的20.05%，面積為30 261.69 hm2，占森林總面積的 13.77%，主要分布在縣域內(nèi)的北部、南部以及中部偏東；較健康的森林小班數(shù)為24 333個(gè)，占森林總小班數(shù)的40.05%，面積為101 700.62 hm2，占森林總面積的46.27%，是小班數(shù)和占地面積最大的健康等級(jí)，分布在縣域內(nèi)的大部分區(qū)域，以東部、西部和中部最為集中；健康的森林小班數(shù)為13 353個(gè)，占森林總小班數(shù)的21.98%，面積為50 857.94 hm2，占森林總面積 的23.14%，集中分布在縣域內(nèi)的中部偏北和中部偏西南；優(yōu)質(zhì)健康的森林小班數(shù)為6 093個(gè)，占森林總小班數(shù)的10.03%，面積為27 028.71 hm2，占森林總面積 的12.30%，大多與健康等級(jí)的森林小班毗鄰，主要分散在縣域內(nèi)的中部偏北和中部偏西南。

總體而言，城步縣森林健康等級(jí)的空間分布存在如下特征：優(yōu)質(zhì)健康和健康等級(jí)的森林主要集中在中部偏北和中部偏西南，尤其是中部偏西南區(qū)域?yàn)楹夏仙絿?guó)家公園選址所在，人口分布較為稀疏，森林資源豐富且生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性較好；不健康和亞健康的森林主要分布在靠近武岡市的城步縣北部和靠近廣西的西南部，這兩處區(qū)域地勢(shì)起伏相對(duì)較小，人為活動(dòng)相對(duì)頻繁，森林受干擾程度較大。由此可知城步縣的森林健康水平與人類活動(dòng)有一定的相關(guān)性。

3.3 不同起源的森林健康狀況分析

城步縣天然林在健康等級(jí)(健康和優(yōu)質(zhì)健康)以上的面積為46 077.54 hm2，占天然林總面積的37.00%，天然林的健康等級(jí)排序?yàn)椋狠^健康(52.46%)>健康(25.66%)>優(yōu)質(zhì)健康(11.34%)>亞健康(10.46%)>不健康(0.08%)。人工林在健康等級(jí)以上面積為31 809.09 hm2，占人工林總面積的33.39%，人工林的健康等級(jí)排序?yàn)椋狠^健康(38.17%)>健康(19.85%)>亞健康(18.09%)>優(yōu)質(zhì)健康(13.55%)>不健康(10.35%)。天然林健康狀況要優(yōu)于人工林，這是因?yàn)樘烊涣侄嗵幱诘匦螐?fù)雜的山地，林分生長(zhǎng)年限較長(zhǎng)，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定；而人工林雖然大部分劃入生態(tài)公益林，其生長(zhǎng)模式越來越趨近于近自然生長(zhǎng)，但由于造林時(shí)樹種較為單一，且生長(zhǎng)年限低于天然林，群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)也不如天然林穩(wěn)定，故森林健康狀況劣于天然林。

3.4 不同齡組的森林健康狀況分析

各齡組的森林健康狀況如圖3所示。城步縣不同齡組的森林健康等級(jí)在健康等級(jí)以上的排序如下：過熟林>成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林。過熟林和成熟林的健康狀況比較理想，健康等級(jí)以上的面積百分比大于一半，；近熟林和中齡林以健康和較健康等級(jí)為主，發(fā)展趨于平穩(wěn)；幼齡林的健康狀況則不太理想，亞健康等級(jí)的比例較大。原因可能是過熟林和成熟林的群落結(jié)構(gòu)相對(duì)其他齡組較為完善，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且大部分為天然林，人類活動(dòng)極少，基本沒有森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，因此森林健康程度較高。

圖3 城步苗族自治縣齡組健康狀況分析圖

4 結(jié)論與討論

1) 采用主成分分析法篩選構(gòu)建城步縣森林健康評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)，通過Matlab構(gòu)建了森林健康評(píng)價(jià)的SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于計(jì)算城步縣森林健康等級(jí)，使計(jì)算結(jié)果排除主觀因素的干擾，更為客觀準(zhǔn)確。從研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)城步縣森林健康狀況較為理想，各森林健康等級(jí)排序如下：較健康>健康>亞健康>優(yōu)質(zhì)健康>不健康，健康等級(jí)在較健康等級(jí)以上的森林占森林總面積的81.70%，不健康的森林面積不大。。呈現(xiàn)優(yōu)質(zhì)健康和健康等級(jí)的森林主要集中在城步縣中部偏北和中部偏西南，不健康和亞健康主要零散分布在城步苗族自治縣北部和西南部的空間分布特征，并與人為干擾存在一定的相關(guān)性。

2) 天然林的林分生長(zhǎng)年限較大，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，森林健康狀況相對(duì)較好，人工林則因生長(zhǎng)年限和人為經(jīng)營(yíng)管理等諸多因素，森林健康狀況相對(duì)較差；過熟林和成熟林也因?yàn)槿郝浣Y(jié)構(gòu)完善，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，其健康狀況優(yōu)于他齡組。由此可知，森林群落結(jié)構(gòu)的完整性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是影響森林健康程度的主要因素。