張 瑜，陳存友，胡希軍

（中南林業(yè)科技大學 風景園林學院，湖南 長沙410001）

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，提升生態(tài)功能、保障國家生態(tài)安全已日益迫切。合理評價森林生態(tài)功能，為提升森林生態(tài)功能制定相應(yīng)措施提供科學依據(jù)，是當前林業(yè)建設(shè)的一項重要工作。以《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2004）》中制定的評價方法[1]為依據(jù)，當前森林生態(tài)功能的研究主要有3個熱點。一是森林生態(tài)功能評價的出發(fā)點和評價角度。如郭玉文等[2]參考了日本林野廳對于森林生態(tài)功能的評價方式，提出通過影子價格[3]估算森林生態(tài)功能價值。賴興會[4]認為生態(tài)公益林生態(tài)功能評價應(yīng)當首先根據(jù)不同森林的主導(dǎo)功能作用制定評價標準和評價指標。二是將現(xiàn)有的評價方式與其他評價體系融合。如劉延飛[5]將現(xiàn)有評價體系與林地自然度、森林健康等內(nèi)容進行結(jié)合，共同評價。三是對現(xiàn)有評價方式的指標、指標賦值、數(shù)據(jù)處理方式、權(quán)重確定、評價角度等進行修正和增補。如尉衛(wèi)平[6]采用因子分析法、層次分析法重新確定了評價因子的權(quán)重。施恭明等[7]引入了投影尋蹤技術(shù)構(gòu)建森林生態(tài)功能評價模型，但缺乏對評價結(jié)果準確性的驗證。不同地區(qū)森林特征不同，所構(gòu)建的評價體系也不同；較其他方法而言，使用投影尋蹤技術(shù)進行森林生態(tài)功能評價準確度更高。本研究以廣東省南雄市觀音崠自然保護區(qū)為例，選擇19項評價指標，運用投影尋蹤分類法構(gòu)建森林生態(tài)功能評價體系，分析保護區(qū)林地特征，為觀音崠自然保護區(qū)功能區(qū)劃分、保護與發(fā)展提出相應(yīng)建議，同時為今后森林生態(tài)功能評價工作提供新的思路。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省南雄市百順鎮(zhèn)東南部，主要保護對象為亞熱帶常綠闊葉林等次生植被，以伯樂樹Bretschneidera sinensis為主要保護對象的亞熱帶典型森林生態(tài)群落，以伯樂樹、金毛狗Cibotium barometz、福建柏Fokienia hodginsii和金斑喙鳳蝶Teinopalpus aureus、豹貓Felis bengalensis、虎紋蛙Rana tigrina、蛇雕Spilornis cheela等為代表的國家重點保護珍稀瀕危野生動植物及其生境?？偯娣e為2 885.54 hm2，其中非林地74.47 hm2，有林地2 811.04 hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)來自南雄市林業(yè)局提供的2017年二類調(diào)查數(shù)據(jù)，自然保護區(qū)范圍帶有小班數(shù)據(jù)的1∶10 000地形圖，谷歌地圖下載的遙感影像圖。在綜合科學考察報告的基礎(chǔ)上，對觀音崠自然保護區(qū)植被類型、重點保護對象的類型及分布進行實地調(diào)研。

1.3 研究區(qū)域植被類型

根據(jù)《中國植被》[8]的分類原則和分類單位，以 “群落學—生態(tài)學”為原則，對保護區(qū)植物的種類組成、外貌結(jié)構(gòu)、生活型、建群種類、生態(tài)地理特征和動態(tài)特征進行調(diào)查并統(tǒng)計分析[9]。依據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》，觀音崠自然保護區(qū)植被按照其樹種蓄積情況可劃分為7個樹種結(jié)構(gòu)（表 1）。

表1 樹種結(jié)構(gòu)面積及占比Table 1 Structural area and proportion of tree species

2 研究方法

2.1 評價體系建立

2.1.1 指標選取 森林生態(tài)系統(tǒng)功能具有較強的綜合性，單個功能的研究往往會忽略生態(tài)系統(tǒng)各個功能之間的權(quán)衡，限制人們對多樣性影響生態(tài)系統(tǒng)功能的理解[10]。因此，本研究從決定森林生態(tài)功能的森林結(jié)構(gòu)[11]角度出發(fā)，以《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》中的森林生態(tài)功能評價指標為基礎(chǔ)，查閱立地條件[12]、森林結(jié)構(gòu)[13]等相關(guān)文獻，選取與森林生態(tài)功能相關(guān)的2個方面，共19項評價指標（表2）。

表2 森林生態(tài)功能評價指標一覽表Table 2 List of evaluation indicators of forest ecological function

2.1.2 定性指標等級劃分 定量指標可直接用于計算，定性指標需要一定方式進行量化。根據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》、文獻[14]及觀音崠自然保護區(qū)的現(xiàn)狀情況，研究區(qū)森林生態(tài)功能的等級劃分與賦值如表3所示。

表3 森林生態(tài)功能評價指標分級及賦值表Table 3 Classification and apportionment table of forest ecological function evaluation indicators

2.2 投影尋蹤分類技術(shù)

2.2.1 投影尋蹤分類技術(shù)原理 投影尋蹤分類法（PPC法）[15]是指在未知指標權(quán)重系數(shù)的情況下，通過將高維數(shù)據(jù)投影到低維（1～3維）的子空間上，采用投影指標函數(shù)分析投影構(gòu)形，衡量投影暴露某種結(jié)構(gòu)的可能性大小，尋找能夠使投影指標函數(shù)達到最優(yōu)（即能反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征）的投影值，得出指標權(quán)重系數(shù)，分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征。具體算法如下。①樣本評價指標集數(shù)據(jù)的歸一化處理。評價指標量綱不同，數(shù)據(jù)分布也各不相同。計算之前需采用極值歸一法對評價指標的數(shù)據(jù)進行無量綱化處理：

式（1）～（2）中： xjmax、 xjmin分別表示樣本數(shù)據(jù)集中第 j個指標的最大值和最小值， yij（i=1-n， j=1-p）為標準化后的數(shù)據(jù)樣本值。②構(gòu)造投影指標函數(shù)。投影尋蹤方法就是把p維數(shù)據(jù)yij（i=1-n，j=1-p）綜合成以a=（a1，a2，…， ap）為投影方向的一維投影值 Zi：

式（4）～（5）中： SZ為投影值Zi的標準差， DZ為投影值Zi的局部密度， Z為 Zi（i=1-n）的平均值， u（R-rij）為單位階躍函數(shù)，當R-rij≥0時其函數(shù)值為1，而當R-rij＜0時其函數(shù)值為0。R為局部密度的窗口半徑，rij=|Z（i）-Z（j）|，表示 Z（i）與 Z（j）之間的距離。 熊聘等[16-17]在研究中指出， R 的取值在 rmax/5～rmax/3 范圍內(nèi)是合理的。因此，本次評價R取值rmax/5。③優(yōu)化投影指標函數(shù)。為了能夠最大化暴露高維度數(shù)據(jù)中某一特征結(jié)構(gòu)的投影方向，可以選擇求解投影指標函數(shù)的最大值。即：

本次尋優(yōu)求解以MATlab為運算平臺，選用群智能最優(yōu)化算法中基于混沌的人工蜂群算法[18]進行擇優(yōu)。在式（7）中求得最佳投影方向a*后，將其代入式（3）進行運算，便可以得到各個樣本數(shù)據(jù)的投影值Z*（i）。

2.2.2 投影尋蹤分類技術(shù)的運用 投影尋蹤分類法對于樣本數(shù)據(jù)計算得出的最佳向量a*即為評價體系的權(quán)重；通過分析權(quán)重大小，可得到一定的林地特征。計算所得的Z*（i）與Z*（j）越相近，代表兩者越趨向于同一類，以此為依據(jù)可以對樣本聚類。本次評價中，計算所得投影值Z*（i）聚類的結(jié)果即為評價結(jié)果。

2.3 評價結(jié)果等級劃分

根據(jù)投影值Zi的特征，結(jié)合ArcGIS自然間斷點法[19-20]劃分本次評價結(jié)果等級。單位面積得分（T）為：

式（9）中：j為小班數(shù)量，i為指標數(shù)，Wi為指標權(quán)重，Xi為指標得分，A為目標計算區(qū)域的面積（單位為m2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 權(quán)重分析

3.1.1 權(quán)重結(jié)果 表4為計算所得的森林生態(tài)功能的指標權(quán)重。結(jié)合樓文高等[21]提出的投影尋蹤分類模型構(gòu)建后權(quán)重最優(yōu)解的五大特征發(fā)現(xiàn)：本次計算中的常數(shù)項X7，計算得到的向量接近于0；指標的權(quán)重值大部分大于0.1。僅將X10～X19等10個變量的歸一化處理方式由式（1）變?yōu)槭剑?）后再次進行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2次計算結(jié)果互為相反數(shù)。說明本次計算的結(jié)果是最優(yōu)解。樓文高等[21]也指出，如果在投影尋蹤分類法的計算下為最優(yōu)解，則其相反數(shù)也為最優(yōu)解，因此本次計算所得權(quán)重可全部取其絕對值，即本次綜合評價模型可描述為：

式（10）中：立地條件Y1、組成結(jié)構(gòu)Y2、個體結(jié)構(gòu)Y3、年齡結(jié)構(gòu)Y4、空間結(jié)構(gòu)Y5、總體結(jié)構(gòu)Y6的計算方式分別為：

計算得到rmax=2.492 73，因此R取值0.498 546。投影值Zi的標準差SZ=0.282 248，投影值Zi的局部密度DZ=29 753.7，投影指標函數(shù)Qa=8 397.94。

表4 森林生態(tài)功能評價指標權(quán)重表Table 4 Weight table of forest ecological function evaluation indicators

3.1.2 權(quán)重分析 ①影響觀音崠自然保護區(qū)森林生態(tài)功能的指標重要性排序。投影尋蹤分類法中權(quán)重的絕對值代表了該項指標在所有篩選出的指標中的重要性程度，以此為依據(jù)可以對篩選出的指標進行排序。其結(jié)果為：郁閉度＞枯枝落葉厚度＞公頃株數(shù)＞平均高＞總覆蓋度＞坡位＞自然度＞海拔＞齡組＞土層厚度＞森林群落結(jié)構(gòu)＞平均胸徑＞坡向＞公頃生物量＞公頃蓄積量＞樹種結(jié)構(gòu)＞健康度＞坡度＞土壤類型。其中郁閉度、枯枝落葉厚度、公頃株數(shù)、平均高、總覆蓋度極重要，坡位、自然度、海拔、齡組、土層厚度、森林群落結(jié)構(gòu)、平均胸徑、坡向一般重要，公頃生物量、公頃蓄積量、樹種結(jié)構(gòu)、健康度、坡度、土壤類型不重要。②指標的影響方式。19個指標中有15個指標的向量為正值，說明這15個指標與保護區(qū)的森林生態(tài)功能呈現(xiàn)正向相關(guān)關(guān)系。坡度、海拔、土層厚度、樹種結(jié)構(gòu)這4個指標的權(quán)重為負值，除 “海拔”項為逆向指標（越小越好）外，其他3項均為正向指標（越大越好）?！捌露取表椬鳛槎ㄐ灾笜?，量化后變化為了正向指標。為驗證這4項指標與其他指標之間負相關(guān)關(guān)系的正確性，以SPSS 17.0為計算平臺，對數(shù)據(jù)進行了相關(guān)性分析（表5）?？梢钥闯觯?個指標與體系中的其他指標的數(shù)據(jù)呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，與指標權(quán)重計算結(jié)果一致；說明研究區(qū)林地立地條件較好，森林結(jié)構(gòu)較好的位置坡度較大，土層厚度較小，樹種以竹林或闊葉純林等低分段樹種組成為主，即觀音崠自然保護區(qū)中的低分段樹種（竹林或闊葉純林）森林結(jié)構(gòu)較好。

3.2 森林生態(tài)功能評價

3.2.1 評價結(jié)果分析 以地籍號為媒介，通過使用ArcGIS將樣本投影值Y與觀音崠自然保護區(qū)的小班信息進行整合，得到研究區(qū)森林生態(tài)功能評價結(jié)果（圖1）；統(tǒng)計計算得到觀音崠自然保護區(qū)中各個等級的森林面積與面積占比（表6）。代入式（10），計算可知觀音崠自然保護區(qū)的總體森林生態(tài)功能單位面積得分為1.759，評價等級為 “中”；與實地情況基本吻合。由表6可以看出：研究區(qū)中 “較優(yōu)”等級森林的面積占比最大，且斑塊分布均勻，說明 “較優(yōu)”等級森林占據(jù)明顯優(yōu)勢；但是保護區(qū)的整體評級為“中”，說明 “較差”和 “差”等級森林對其影響較大，需加大經(jīng)營力度。

3.2.2 林地特征分析 對各個等級森林的特征分析可知：評價為 “優(yōu)”的森林以非林地附近、立地條件較好的中齡高密度竹林為主。評價為 “較優(yōu)”的森林大多為立地條件較好、森林結(jié)構(gòu)較為完整、中齡或近熟的純天然闊葉林或針葉混交林。評價為 “中”的森林大多也為純天然闊葉林、針葉混交林或針闊混交林。相比 “較優(yōu)”等級森林，其立地條件略差，森林結(jié)構(gòu)相對較簡單，樹齡以幼齡為主?！拜^優(yōu)”“中”等級的森林基本包含了觀音崠自然保護區(qū)主要保護的次生植被和森林生態(tài)群落主體。評價為 “較差”的森林以遠離非林地密集處的幼齡竹林為主。以竹林本身的生長特征及植物特征而言，其蓄積量、森林生態(tài)功能的發(fā)揮并不足以達到 “優(yōu)”等級，但在此次評價過程中，“優(yōu)”等森林基本以竹林為主。說明人為干擾會改變自然生長竹林的空間結(jié)構(gòu)和蓄積情況，雖然這樣會增加竹林的生態(tài)功能的發(fā)揮，但這樣的方式并不利于保護區(qū)植物的生長發(fā)育和正常演替。評價為 “差”的森林以高海拔的人工單層針葉純林為主。“較差”和 “差”等級的森林將是今后治理與經(jīng)營的重點。

表5 森林生態(tài)功能評價指標相關(guān)性分析表Table 5 Relevance analysis table of forest ecological function evaluation indicators

表6 總體評價等級及面積占比明細表Table 6 Overall evaluation grade and area proportion list

4 結(jié)論與建議

針對上述結(jié)果，總結(jié)如下并提出以下幾點發(fā)展建議。評價為 “優(yōu)”的竹林需人為管控，防止其向外擴張。評價為 “較優(yōu)”的森林建議以監(jiān)測與保護為主，不宜過多干擾；評價為 “中”的森林建議采取以重點監(jiān)測為主的措施找出得分較低的原因，對癥下藥；評價為 “較差”與 “差”的森林，建議以封山撫育為主，重點經(jīng)營，調(diào)整其森林結(jié)構(gòu)，增加其抗干擾能力。由于每個功能區(qū)中均包含各個評價等級的森林，以上措施應(yīng)當在符合國家對于各個功能區(qū)的規(guī)定的情況下進行。

圖1 森林生態(tài)功能總體評價結(jié)果示意圖Figure 1 Overall evaluation results of forest ecological function

實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)：觀音崠自然保護區(qū)的竹林大多為人工種植后物種入侵形成。保護區(qū)內(nèi)竹林較多，且占據(jù)立地條件較好位置，應(yīng)當控制保護區(qū)內(nèi)竹林的生長范圍不再擴大，減弱人對于竹林的干擾，誘導(dǎo)其回到自然演替的過程中。針對針葉人工純林，應(yīng)當誘使其演替為鄉(xiāng)土針闊混交人工林[22]。

根據(jù)國家對于自然保護區(qū)功能分區(qū)的規(guī)定，保護區(qū)功能區(qū)劃分的過程中應(yīng)當盡量將評價等級高的森林劃入核心區(qū)和緩沖區(qū)中，評價等級低的森林則劃入實驗區(qū)中，方便進行一定的森林結(jié)構(gòu)調(diào)整和撫育。

本研究選取19項指標，通過投影尋蹤分類法構(gòu)建了觀音崠自然保護區(qū)森林生態(tài)功能評價體系，并完成評價。但由于計算結(jié)果僅來源于觀音崠自然保護區(qū)的數(shù)據(jù)，因此指標的重要性也僅能說明觀音崠自然保護區(qū)的情況。對于后期同類型森林類型自然保護區(qū)或同緯度、特征相同森林的進行評價時，還需數(shù)據(jù)驗證。本次評價還發(fā)現(xiàn)，指標權(quán)重部分的重要性排序上與施恭明等[7]計算出的指標權(quán)重、《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》中的指標權(quán)重還存在較大出入，可能與指標選取、森林特征不同有關(guān)。對于是否需要在計算權(quán)重的過程加入指標重要性排序的約束條件，還需進一步的思考和驗證。