林治成，楊貴才，夏銳，康建坤★，曾冠中，張偉

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）·地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055）

森林健康概念的提出可以追溯到20 世紀(jì)70 年代[1]。在此后的30 a 里，森林健康的研究對(duì)象由單一的樹(shù)木轉(zhuǎn)向了森林群落[2]，評(píng)價(jià)的結(jié)果越來(lái)越取決于指標(biāo)體系的選取[3]，不同地區(qū)和國(guó)家對(duì)森林健康評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)也存在差異，這要求學(xué)者們要結(jié)合研究地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析[4]。此外，21 世紀(jì)以來(lái)，遙感、GIS 技術(shù)的飛速發(fā)展，也給森林?jǐn)?shù)據(jù)的獲取提供了更高效、準(zhǔn)確的手段[5-6]。

森林健康評(píng)價(jià)是指對(duì)由于人為和自然因素造成的森林系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的不平衡，從而對(duì)缺失的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和價(jià)值的一種評(píng)估[7]，這種評(píng)價(jià)大多是定量的，森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性極大地影響了評(píng)價(jià)結(jié)果[8]，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)于森林健康評(píng)價(jià)的方法非常多樣（表1）。

表1 常見(jiàn)的森林健康評(píng)價(jià)方法Tab.1 Common forest health assessment methods

綜合考慮宜城市的實(shí)際情況，本文選擇先使用主成分分析法來(lái)剔除具有相關(guān)性的指標(biāo)，在健康評(píng)價(jià)階段，SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)須確認(rèn)各指標(biāo)的權(quán)重，就能夠有效地避免人為因素的干擾，將相互關(guān)系復(fù)雜且非線性的高維數(shù)據(jù)映射到低維空間，比較適合本研究，因此本文選擇SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練仿真，對(duì)宜城市森林健康進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 自然條件

宜城市屬湖北省襄陽(yáng)市下轄的縣級(jí)市，位于湖北省西北部、漢江中游，版圖呈“蝴蝶狀”，東西長(zhǎng)76 km，南北寬53 km，總面積211 500 hm2，漢江將全境自然分割為東西兩大部分，以漢江為界，分別往東西部呈平原、丘陵、山地的變勢(shì)，階梯式延伸。

1.2 森林基本情況

根據(jù)第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)，宜城市喬木林面積為49 567 hm2，占宜城市森林面積的99.33%，其中，人工喬木林的面積為18 022 hm2，占36.36%，天然喬木林的面積為31 545 hm2，占63.64%。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，宜城市樹(shù)種主要有：馬尾松（Pinus massoniana）、柏木（Cupressus funebris）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、三角楓（Acer buergerianum）、楊樹(shù)（Populus przewalskii）、黃檀（Dalbergia hupeana）、鹽膚木（Rhus chinensis）等。通過(guò)計(jì)算，森林總蓄積量為3 564 500 m3，單位面積蓄積量為71.43 m3·hm-2，森林蓄積量分布如圖1所示。

圖1 宜城市森林蓄積量分布Fig.1 Forest stock distribution map in Yicheng City

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于2022 年野外實(shí)地調(diào)查，依托湖北省森林資源連續(xù)清查的系統(tǒng)抽樣框架，根據(jù)森林調(diào)查精度要求，對(duì)宜城市建立網(wǎng)格單元大小為2 km×2 km 均勻抽樣格網(wǎng)，提取落入第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查森林圖斑內(nèi)的交叉點(diǎn)或選取附近具有代表性的點(diǎn)作為宜城市喬木林實(shí)地采樣點(diǎn)，每塊樣地調(diào)查面積667 m2，樣地形狀為正菱形，選取落在其中的林木進(jìn)行調(diào)查，測(cè)量并記錄其中林木的屬性值。在數(shù)據(jù)分析階段，剔除有明顯錯(cuò)誤的調(diào)查點(diǎn)后，共選取實(shí)地調(diào)查的70 個(gè)樣地點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用于評(píng)價(jià)宜城市喬木林的健康狀況。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

參考借鑒前人研究成果[20-24]，結(jié)合宜城市實(shí)際森林經(jīng)營(yíng)狀況，初步選取了能夠充分反映宜城市森林健康狀況的下列指標(biāo)：土壤厚度、枯枝落葉厚度、灌木覆蓋度、草本覆蓋度、平均樹(shù)齡、平均胸徑、平均樹(shù)高、郁閉度、單位面積蓄積量9 個(gè)定量指標(biāo)，以及齡組、起源、群落結(jié)構(gòu)、自然度4 個(gè)定性指標(biāo)，部分定性指標(biāo)的量化指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 部分評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值Tab.2 Quantitative values of some evaluation indicators

2 森林健康評(píng)價(jià)方法

2.1 主成分分析法

本文基于SPSS 26.0 的軟件環(huán)境，對(duì)選取的13 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，基于主成分分析的基本要求，特征值小于1 的主成分解釋力將會(huì)下降，因此本文設(shè)置特征值大于1，同時(shí)進(jìn)行KMO 和巴特利特球形度檢驗(yàn)。

2.1.1 KMO和巴特利特球形度檢驗(yàn)

KMO 和巴特利特球形度檢驗(yàn)常用于判斷數(shù)據(jù)是否適合做因子分析，當(dāng)KMO 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量越接近于1時(shí)，表明變量之間的偏相關(guān)性越強(qiáng)，因子分析的效果也就越好。具體檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 KMO和巴特利特球形度檢驗(yàn)Tab.3 KMO and Bartlett Spherical Test

KMO 值為0.603＞0.6，巴特利特球形度檢驗(yàn)的顯著性小于0.05，表明該數(shù)據(jù)可以進(jìn)行因子分析。

2.1.2 主成分提取

本文設(shè)置特征值大于1，主成分統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表4。成分矩陣信息見(jiàn)表5。

表4 主成分統(tǒng)計(jì)信息Tab.4 Principal component statistics

表5 成分矩陣信息Tab.5 Component matrix information

由表4 可知，前5 個(gè)主成分的特征值都大于1，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到71.465%，滿足主成分分析要求，因此選取前5個(gè)主成分。

由表5 可知，第一主成分主要有平均年齡、平均胸徑、平均樹(shù)高、單位面積蓄積量，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)活力的描述指標(biāo)；第二主成分主要有草本覆蓋度、自然度，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)受影響程度的描述指標(biāo)；第三主成分主要有森林群落結(jié)構(gòu)，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性的指標(biāo)；第四主成分主要有起源，可以作為森林生態(tài)系功能穩(wěn)定性的指標(biāo)；第五主成分主要有土壤厚度，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的指標(biāo)。

在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，由于枯枝落葉厚度、灌木覆蓋度、齡組、郁閉度這4 個(gè)指標(biāo)的成分值在5 個(gè)主成分中低于其他指標(biāo)，且平均樹(shù)高和平均胸徑的相關(guān)性過(guò)高，因此最終確定宜城市森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表6所示。

表6 宜城市森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.6 Forest health evaluation index system in Yicheng City

2.2 健康等級(jí)劃分

根據(jù)宜城市實(shí)際情況，將宜城市森林健康狀況分為Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅰ級(jí)5個(gè)等級(jí)，分別表示優(yōu)質(zhì)健康、健康、亞健康、不健康、極不健康，具體等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7。

表7 宜城市森林健康等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Evaluation standard of forest health grade in Yicheng City

2.3 SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

本文基于Matlab R2016a 軟件建立SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立前，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除變量間的量綱差異。

2.3.2 初始化

將隨機(jī)數(shù)作為輸入層和映射層間權(quán)值的初始值。

2.3.3 輸入向量并計(jì)算與權(quán)值向量的歐氏距離

將輸入向量X=(x1,x2,x3,…,xm)T傳遞給輸入層，并將映射層的權(quán)值向量和輸入向量的距離用歐氏距離表示，每個(gè)輸入向量與映射層第j個(gè)神經(jīng)元的距離由以下公式計(jì)算得到：

式中，wij為輸入層的第i個(gè)神經(jīng)元和映射層的j神經(jīng)元之間的權(quán)值。經(jīng)過(guò)該公式計(jì)算獲得一個(gè)優(yōu)勝神經(jīng)元j*，即對(duì)于任意的j神經(jīng)元，都有某個(gè)單元k，使得dk= minj(dj)成立。

2.3.4 定義優(yōu)勝領(lǐng)域Nj*(t)

以j*為中心確定t 時(shí)刻的權(quán)值調(diào)整域，一般初始鄰域Nj*( 0 )較大，訓(xùn)練過(guò)程中Nj*(t)隨訓(xùn)練時(shí)間逐漸收縮。

2.3.5 調(diào)整權(quán)值

按照以下公式對(duì)優(yōu)勝鄰域Nj*(t)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)調(diào)整權(quán)值：

式中，η(t,N)是訓(xùn)練時(shí)間t和鄰域內(nèi)第j個(gè)神經(jīng)元與獲勝神經(jīng)元j*之間的拓?fù)渚嚯xN的函數(shù)。

2.3.6 獲得結(jié)果Ok

2.3.7 檢驗(yàn)是否滿足要求

當(dāng)結(jié)果滿足預(yù)期要求時(shí)則結(jié)束，否則重新進(jìn)行計(jì)算直到滿足預(yù)期要求。

3 結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)上述研究分析后，由圖2可知，宜城市喬木林優(yōu)質(zhì)健康樣地9 個(gè)，面積為0.600 3 hm2，占比12.86%；健康樣地12 個(gè)，面積為0.800 4 hm2，占比17.14%；亞健康樣地15 個(gè)，面積為1.000 5 hm2，占比21.43%；不健康樣地22 個(gè)，面積為1.467 4 hm2，占比31.43%；極不健康樣地12個(gè)，面積為0.800 4 hm2，占比17.14%。

圖2 宜城市森林各健康等級(jí)占比Fig.2 Proportion of forest health levels in Yicheng City

應(yīng)用ArcGis10.2 進(jìn)行繪圖，所得結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，不健康森林樣地主要集中在流水鎮(zhèn)東側(cè)和板橋店鎮(zhèn)東北側(cè)，極不健康樣地主要集中在雷河鎮(zhèn)、孔灣鎮(zhèn)、劉猴鎮(zhèn)的交界處和板橋店鎮(zhèn)東北側(cè)，優(yōu)質(zhì)健康、健康和亞健康樣地分布較為廣泛，無(wú)明顯分布特征。綜合來(lái)看，流水鎮(zhèn)和板橋店鎮(zhèn)森林健康狀況最差，小河鎮(zhèn)、南營(yíng)街道森林健康狀況最好。

圖3 宜城市森林調(diào)查點(diǎn)健康等級(jí)Fig.3 Health level of forest survey sites in Yicheng City

圖4 不同齡組森林健康等級(jí)統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistical of forest health levels in different age

圖5 不同郁閉度森林健康等級(jí)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistical of forest health level with different canopy density

圖6 不同起源森林健康等級(jí)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistical of forest health levels of different origins

1）從齡組角度看，森林的齡組結(jié)構(gòu)較為不合理。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，幼齡林中不健康樣地（38.78%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占30.61%；中齡林中極不健康樣地（36.84%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占31.58%；近熟林由于樣地?cái)?shù)量較少，不健康（50%）和極不健康（50%）等級(jí)的樣地占比相同，樣地中無(wú)成熟林和過(guò)熟林。這表明研究區(qū)中齡林健康狀況整體略優(yōu)于幼齡林，且各齡組段的森林均表現(xiàn)為亞健康、不健康和極不健康樣地占比更多，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)宜城市森林大多數(shù)屬于幼齡林和中齡林，近熟林、成熟林、過(guò)熟林非常少，表明原始森林生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)遭到了較大的破壞，森林生態(tài)系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性、可持續(xù)性和系統(tǒng)活力受到了很大的影響。因此，齡組結(jié)構(gòu)的不合理極有可能是造成宜城市森林健康狀況欠佳的主要原因之一，并且這種類型的森林結(jié)構(gòu)還會(huì)造成森林齡組間的斷層，不能達(dá)到森林可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，進(jìn)而對(duì)宜城市的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生不良的影響。

2）從郁閉度角度看，根據(jù)宜城市森林郁閉度實(shí)際情況，將宜城市森林按照郁閉度劃分為0～≤0.3、0.3～≤0.6、0.6～1.0 三個(gè)區(qū)間。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，在郁閉度為0～≤0.3 的區(qū)間中，健康（33.33%）與極不健康（33.33%）的森林樣地占大部分，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占50%；在郁閉度為0.3～≤0.6 的區(qū)間中，極不健康森林樣地占比最大（28.57%），優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占28.57%；在郁閉度為0.6～1.0 的區(qū)間中，不健康森林樣地占比最大（36%），優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占28%。推斷很有可能是郁閉度越大，導(dǎo)致光照強(qiáng)度越低，樣地的生態(tài)系統(tǒng)所受影響也越大，因此，對(duì)密度過(guò)高的林區(qū)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿嵊煞?，使郁閉度保持在一個(gè)中等且合理的水平，從而增加林內(nèi)的透光度以及土壤中微生物的活性，加速有機(jī)質(zhì)的分解，使得土壤的養(yǎng)分得到增加。

3）從起源角度看，宜城市森林中人工林健康狀況優(yōu)于天然林。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，天然林中，不健康樣地（33.33%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占26.32%。人工林中，健康樣地（38.46%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占46.15%。這說(shuō)明宜城市人工林發(fā)育得更好，通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人工林多屬于以杉、松為主的純林，森林林種結(jié)構(gòu)較為單一，一般用材林面積占比達(dá)到了70.15%，表明宜城市對(duì)人工林的需求比較大，因此更加注重人工林的培育，但相比于人工林，天然林不僅具有優(yōu)秀的土壤肥力、組織結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，還有良好的生產(chǎn)力基礎(chǔ)，并且抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)，未來(lái)應(yīng)當(dāng)多注重對(duì)原始天然林健康的監(jiān)測(cè)。

5 總結(jié)與建議

本文依據(jù)主成分分析法和SOM 自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)宜城市森林健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，主要有以下結(jié)論與建議：

1）總體來(lái)看，宜城市喬木林大部分集中于亞健康、不健康、極不健康等級(jí)，優(yōu)質(zhì)健康與健康森林僅占30%，這表明宜城市的森林整體健康狀況有待改善，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2）宜城市喬木林的齡組結(jié)構(gòu)較為不合理，幼齡林、中齡林占比過(guò)大，這極有可能是造成宜城市森林健康狀況欠佳的主要原因之一。此外，宜城市林種結(jié)構(gòu)也不合理，森林樹(shù)種多以杉、松為主，且為純林，結(jié)構(gòu)較為單一，這主要是因?yàn)槿藗儗?duì)于一般用材林的需求比較大，進(jìn)而導(dǎo)致宜城市森林的結(jié)構(gòu)完整性、功能穩(wěn)定性和系統(tǒng)活力都偏低，不利于森林生態(tài)系統(tǒng)多樣化發(fā)展。未來(lái)可以加強(qiáng)對(duì)幼樹(shù)和灌草的保護(hù)，提升森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)乃赏潦┓?，改善土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)林下灌木蓋度過(guò)大的林分適當(dāng)割灌，為林下幼苗與草本生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境，促進(jìn)森林天然更新、自然演替。