新疆天山中部沙灣林場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

羅磊，王蕾，劉平，李曦光，高亞琪

(新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830063)

0 引 言

【研究意義】森林生態(tài)系統(tǒng)是人類生存和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障，作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要類型和組成部分，森林生態(tài)系統(tǒng)的健康問題引起廣泛關(guān)注[1]。天山森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)屏障作用，直接關(guān)系到新疆綠洲的穩(wěn)定，針對(duì)天山中部林區(qū)森林結(jié)構(gòu)不合理、功能失調(diào)、穩(wěn)定性差、林分抗干擾能力差等問題。【前人研究進(jìn)展】操作性思維在生態(tài)系統(tǒng)健康學(xué)研究上起決定作用[2-3]，因此使研究方法逐步從定性化向定量化發(fā)展，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2-5]。近年來，國(guó)內(nèi)外在森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方面做了大量研究。20世紀(jì)70年代末期，德國(guó)針對(duì)國(guó)內(nèi)森林出現(xiàn)的生活力缺失情況，提出了森林健康狀態(tài)的概念并開始了觀測(cè)[6-8]。1992年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過了“森林生態(tài)系統(tǒng)健康和恢復(fù)法”，并在20世紀(jì)90年代期間，實(shí)施了一系列在國(guó)家范圍內(nèi)的評(píng)估和監(jiān)測(cè)森林健康的計(jì)劃[9-10]。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為一個(gè)健康的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的穩(wěn)定性、活力、組織結(jié)構(gòu)、服務(wù)能力、對(duì)外界的抵抗力和恢復(fù)力[11-12]。我國(guó)學(xué)者袁興中等[13-16]在森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了較深入的研究，提出了一系列生態(tài)系統(tǒng)尺度上的指標(biāo)體系。魯紹偉等[17-19]則建立了基于森林群落尺度的健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在森林生態(tài)系統(tǒng)健康思想的來源、概念等理論層面上已進(jìn)行了很多研究，但在定量判斷生態(tài)系統(tǒng)是否健康的具體方法研究方面，目前尚不多見。以天山中部沙灣林場(chǎng)為研究區(qū)，對(duì)沙灣林場(chǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究以新疆沙灣林場(chǎng)為研究對(duì)象，結(jié)合RS、GIS實(shí)測(cè)結(jié)果，通過相關(guān)性分析各因子對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康的指示作用和影響程度，利用熵權(quán)法和綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)新疆沙灣林場(chǎng)進(jìn)行森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用遙感數(shù)據(jù)和新疆森林資源數(shù)據(jù)，定量評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)健康，為森林生態(tài)系統(tǒng)健康管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

沙灣林場(chǎng)地處天山北麓中段，位于E85°07′～85°55′，N43°40′～43°59′，屬大陸性北溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，東西長(zhǎng)65 km，南北寬27 km；沙灣林場(chǎng)為天山褶皺帶，地勢(shì)南高北低，呈東西走向的狹長(zhǎng)形，坡度多在15°～45°，最高海拔3 867 m，最低海拔1 260 m，平均海拔1 900 m。森林主要集中在海拔1 850～2 850 m的中、低山帶。

研究數(shù)據(jù)源于第二次新疆森林資源二類調(diào)查結(jié)果，利用MOD17A3第一性生產(chǎn)力NPP源數(shù)據(jù)，SPOT-VGT的植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)，Landset5 TM影像，MODIS/ MOD15A2的植被葉面積指數(shù)LAI數(shù)據(jù)，DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)。

根據(jù)NPP、NDVI、TM、LAI數(shù)據(jù)的格式和類型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、裁切、幾何精較正、數(shù)據(jù)融合等，生成研究區(qū)統(tǒng)一坐標(biāo)、統(tǒng)一分辨率、統(tǒng)一格式的柵格數(shù)據(jù)。

以森林生態(tài)分類系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)，并參照森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定分類系統(tǒng)，結(jié)合本研究需要和實(shí)際情況，將研究區(qū)森林景觀按以下景觀分類方式予以合并歸類。表1

表1 研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)景觀分類Table 1 The landscape ecological classficition of forest system in study area

1.2 方 法

利用ARCGIS從森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)中提取各類森林資源景觀指數(shù)，通過指數(shù)值從不同角度反映森林群落的穩(wěn)定性、整體性等健康狀況[20-21]。

利用遙感技術(shù)，結(jié)合生態(tài)學(xué)方法，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)類型、植被凈第一性生產(chǎn)力、植被覆蓋度測(cè)量，分別對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)在氣體調(diào)節(jié)、涵養(yǎng)水源、水土保持、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)與利用等方面所產(chǎn)生的價(jià)值進(jìn)行定量計(jì)算[22]，將計(jì)算結(jié)果作為衡量研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康與否的指標(biāo)之一，與其它指標(biāo)一起對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

采用綜合植被指數(shù)NDVI、植被第一性生產(chǎn)力NPP、森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值、地形因子(海拔、坡度、坡向)、景觀指數(shù)等有關(guān)生產(chǎn)力要素、生態(tài)要素和環(huán)境要素的因子，通過綜合降維評(píng)分，形成綜合健康評(píng)價(jià)指數(shù)。

研究擬在因子分析降維的基礎(chǔ)上，對(duì)幾類綜合因子基于森林景觀分類進(jìn)行熵權(quán)計(jì)算[23-26]，并對(duì)不同景觀類型下的各因子權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，以便接下來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

再通過因子分析降維歸類評(píng)價(jià)因子，再利用熵權(quán)法確定幾類因子的權(quán)重，進(jìn)而采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)幾類因子進(jìn)行綜合，形成綜合健康指數(shù)來評(píng)價(jià)森林生態(tài)的健康等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)因子指標(biāo)選取

通過對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)生理指標(biāo)凈初級(jí)生產(chǎn)力、歸一化植被指數(shù)NDVI和葉面積指數(shù)LAI，生態(tài)環(huán)境指標(biāo)、景觀格局指數(shù)及立地環(huán)境因子(海拔、坡度、坡向)，以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的分析，進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)和功能的不同角度來反映森林健康程度。評(píng)價(jià)因子主要來自4個(gè)方面，分別為生理、景觀生態(tài)、立地環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，這些因子將進(jìn)一步參與綜合健康評(píng)價(jià)。表2

表2 森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 The forest ecological health evaluation index system and significance

2.2 基于因子分析的指標(biāo)綜合降維

在SPSS中，利用因子分析工具，對(duì)各因子指標(biāo)進(jìn)行分析，從各因子的共同度量結(jié)果可知，經(jīng)因子分析降維，各指標(biāo)經(jīng)綜合因子的解釋程度效果較好，除坡向因子外，其余解釋效果均達(dá)到要求。可見，經(jīng)因子分析后各指標(biāo)對(duì)森林健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)度不存在質(zhì)的減弱，因而是可行的。

采用主成分提取法對(duì)公因子進(jìn)行提取。因子數(shù)量的確定采用公因子方差貢獻(xiàn)率，與主成分分析類似，提取前5個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到86.46%。從特征值來看，第5成分初始特征值為1.07，接近1.00，因子旋轉(zhuǎn)后為1.13，所以，該公因子的解釋力度能夠被認(rèn)可。表3

表3 各因子指標(biāo)解釋總方差Table 3 The factors index of the total variance explained

注：提取方法：主成分分析法
Note: Extract method：principal component analysis

采用方差最大正交旋轉(zhuǎn)(Varimax)法對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，研究表明，提取的第一個(gè)因子與景觀連通度、聚集度、分裂度、邊緣密度、分形維數(shù)、散布/毗鄰和最大斑塊指數(shù)7個(gè)景觀指數(shù)的載荷系數(shù)較大，主要解釋了這7個(gè)指標(biāo)因子。從影響森林健康的角度來看，它們主要表現(xiàn)為影響景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連通性、破碎性和聚集性等功能，因而可定義為邊緣、蔓延、散布測(cè)度；第二個(gè)因子與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、凈初級(jí)生產(chǎn)力、葉面積指數(shù)和歸一化植被指數(shù)4個(gè)變量的載荷系數(shù)較大，主要與森林生理功能及服務(wù)價(jià)值相關(guān)，可定義為生產(chǎn)力、郁閉度因子；第三個(gè)因子與景觀形狀指數(shù)和斑塊密度兩個(gè)景觀生態(tài)因子的載荷系數(shù)較大，可定義為形狀密度測(cè)度；第四個(gè)因子表現(xiàn)為與海拔和坡度的載荷系數(shù)較大，主要解釋了地形因子中海拔和坡度的共同作用，定義為海拔、坡度因子；第五個(gè)因子則與坡向的載荷系數(shù)較大，只解釋了坡向的影響，所以定義為坡向因子。因此，可將16個(gè)指標(biāo)因子降維到由以上5個(gè)共同因子來反映森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。表4

表4 各因子指標(biāo)旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 4 Each factor index rotating component matrix

注：提取方法：主成份分析法。旋轉(zhuǎn)法：具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法，旋轉(zhuǎn)在5次迭代后收斂
Note: Extraction method: Principal Component Analy sis.Rotation method: Orthogonal rotation method with Kaiser standardization.Rotation converges after 5 iterations

根據(jù)各指標(biāo)因子分析成分得分系數(shù)矩陣，可以將5個(gè)公因子表示為16個(gè)指標(biāo)的線性組合，得到相應(yīng)的公因子得分函數(shù)式。

(1)

表達(dá)式1中的Xi為標(biāo)準(zhǔn)化的16個(gè)指標(biāo)因子。根據(jù)表達(dá)式，可計(jì)算每個(gè)地區(qū)對(duì)應(yīng)的每一個(gè)公因子的取值，也稱為因子得分(factor score)。每個(gè)公因子所得到的相應(yīng)分?jǐn)?shù)，再經(jīng)過歸一化處理(每個(gè)公因子均表現(xiàn)為大者優(yōu))，在GIS中，對(duì)每一個(gè)公因子的空間分布進(jìn)行表達(dá)。圖1

景觀邊緣、蔓延、散布測(cè)度因子(圖1a)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指示表明，對(duì)于破碎性較大的林斑，如中山帶的針葉林景觀及其它林地景觀，得分相對(duì)較低，即從該公因子來看，其生態(tài)系統(tǒng)的健康程度較低，而具有較好聚集性和聯(lián)通性的非林地景觀反而具有較好的健康性。

生產(chǎn)力、郁閉度因子(圖1b)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指示表明生態(tài)系統(tǒng)生理指標(biāo)的高度相關(guān)性，具有相互指標(biāo)性，各因子綜合起來可以更好的反映生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。景觀形狀密度測(cè)度因子(圖1c)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指示與景觀內(nèi)部斑塊的形狀和斑塊密度高度相關(guān)，在中山帶的針葉林景觀具有較好健康指示性。海拔、坡度環(huán)境因子(圖1d)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指示為海拔越低、坡度越小，森林環(huán)境條件相對(duì)更好，更有利于健康生長(zhǎng)。但坡向環(huán)境因子(圖1e)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指示具有不確定性，對(duì)不同的植被在不同的坡向上生長(zhǎng)情況不同，對(duì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也不同，因而其表現(xiàn)具有復(fù)雜性。圖1

圖1 5個(gè)公因子得分對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指示
Fig.1 The instruction of forest ecosystem health for 5 common factor score

2.3 綜合健康評(píng)價(jià)指數(shù)

5個(gè)公因子指標(biāo)可以從不同程度反映森林生態(tài)系統(tǒng)的健康水平，但對(duì)不同的森林景觀類型其權(quán)重各異。通過比較分析，采用綜合評(píng)價(jià)法和熵權(quán)法將5個(gè)指標(biāo)結(jié)合起來。

2.3.1 綜合評(píng)價(jià)法

綜合評(píng)價(jià)法是在確定研究對(duì)象評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，根據(jù)所選擇的評(píng)價(jià)模型，利用綜合指數(shù)的計(jì)算形式，運(yùn)用一定方法對(duì)各指標(biāo)在研究領(lǐng)域內(nèi)的重要程度(即其權(quán)重)進(jìn)行確定，最終定量地對(duì)某現(xiàn)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法[27]。綜合評(píng)價(jià)法能夠有效地反映各因子對(duì)總體生態(tài)安全狀況的貢獻(xiàn)，并體現(xiàn)各指標(biāo)的綜合性、整體性和層次性。同時(shí)，可將分散的指標(biāo)信息，通過模型集成，形成關(guān)于研究對(duì)象的綜合特征信息，使人們從整體上認(rèn)知和分析研究對(duì)象。其具體評(píng)價(jià)模型為:

(2)

式中，ESI為綜合健康評(píng)價(jià)指數(shù)；Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；Ci為其無量綱量化值，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.3.2 熵權(quán)法

研究根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)提供的信息，客觀確定其權(quán)重。計(jì)算原理與方法為：

假設(shè)研究區(qū)像元數(shù)為n，采用的指標(biāo)個(gè)數(shù)為m，則指標(biāo)矩陣為：

(3)

R=(rij)m×n(i=1,…,m;j=1,…,n).

(4)

式中rij為第j個(gè)像元上第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，rij∈[0,1]。標(biāo)準(zhǔn)值按照歸一化公式進(jìn)行處理。

由第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為：

(5)

(6)

將所得熵權(quán)代入(1)式可得綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，在計(jì)算時(shí)，為使消除指標(biāo)間不同單位影響及便于對(duì)結(jié)果的分析，Ci為各指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化到[0,1]之間的值。

以各因子的歸一化值為像元值，逐像元的基于不同森林景觀類型下各因子分別計(jì)算熵權(quán)，7種景觀類型對(duì)應(yīng)每個(gè)因子都有7個(gè)權(quán)重，計(jì)算所得綜合健康評(píng)價(jià)指數(shù)在空間上可分類進(jìn)行直觀表達(dá)，在ArcGis中，經(jīng)過比較重分類，采用平均斷點(diǎn)法，將結(jié)果分為5類，分別為不健康、亞健康、健康、良好健康和優(yōu)質(zhì)健康。因此，通過熵權(quán)法和綜合指標(biāo)法將5個(gè)因子結(jié)合起來形成綜合健康指數(shù)，并分級(jí)評(píng)價(jià)，可以對(duì)森林健康狀況進(jìn)行較客觀的評(píng)價(jià)。表5，表6，圖3

表5 各綜合因子對(duì)不同森林景觀健康度量權(quán)重Table 5 The comprehensive factors of different forest landscape health measure of weigh

表6 根據(jù)綜合健康指數(shù)的森林生態(tài)系統(tǒng)健康分級(jí)Table 6 According to the comprehensive health index of forest ecosystem health grading

根據(jù)綜合健康指數(shù)的森林生態(tài)系統(tǒng)健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指數(shù)在0.12～0.59，大部分森林景觀為健康等級(jí)，僅疏林地景觀為亞健康，苗圃景觀不健康，這與單因子指示具有一致性，同時(shí)由于綜合各因子的指示作用，所以使結(jié)果更為精確、客觀、標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)基于綜合健康指數(shù)的森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，其中各林地景觀由于具有較好的生產(chǎn)力和郁閉度，整體表現(xiàn)為健康等級(jí)；而非林地雖然生產(chǎn)力偏低，但由于生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能完善、抗外壓能力大，因而也表現(xiàn)為健康；但苗圃景觀雖然具有較大的生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及郁閉度，但由于景觀優(yōu)勢(shì)度小，斑塊孤立，缺少聯(lián)通性和聚集性，抗外壓能力弱，因而整體表現(xiàn)為不健康。評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康必須從整體考慮各個(gè)因素的影響，綜合各方面的正負(fù)影響才能正確、客觀評(píng)價(jià)其生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。表7

表7 基于綜合健康指數(shù)的森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Based on comprehensive health index of forest ecosystem health evaluation results

圖2 基于綜合健康指數(shù)的森林生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)空間分布
Fig.2 Based on comprehensive health index of forest ecosystem health level space distribution

3 討 論

森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是診斷人類活動(dòng)與自然因素引起的森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紊亂和功能失調(diào)，使森林生態(tài)系統(tǒng)喪失服務(wù)功能和價(jià)值的一種評(píng)價(jià),采用某種完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)方法來診斷和評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，對(duì)合理的森林健康管理事半功倍[28]。目前，生態(tài)系統(tǒng)健康研究是新領(lǐng)域，森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)至今還處于實(shí)驗(yàn)和摸索階段，雖然產(chǎn)生了許多評(píng)價(jià)方法和技術(shù)手段，但仍然沒有一種有效、簡(jiǎn)單、易操作的評(píng)價(jià)方法。天山中部森林生態(tài)系統(tǒng)地理空間范圍廣，地面調(diào)查難度大，且其變化速度受自然和人為因素交替影響嚴(yán)重。因此，遙感信息作為一種動(dòng)態(tài)信息源，與GIS相結(jié)合，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行研究，可以為天山山脈中部森林生態(tài)系統(tǒng)分布地區(qū)綜合健康評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)，而且為天山山脈中部森林生態(tài)系統(tǒng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和宏觀決策提供服務(wù)。

4 結(jié) 論

4.1 對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行因子分析降維，提取了5個(gè)公因子，分別為①邊緣、蔓延、散布測(cè)度，影響景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連通性、破碎性和聚集性等；②生產(chǎn)力、郁閉度因子，與森林生理功能及服務(wù)價(jià)值相關(guān)；③形狀密度測(cè)度，與景觀形狀指數(shù)和斑塊密度兩個(gè)景觀生態(tài)因子相關(guān)；④海拔、坡度因子，主要解釋地形因子中海拔和坡度的共同作用；⑤坡向因子，解釋坡向的影響。將16個(gè)指標(biāo)因子降維到5個(gè)公因子來反映森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

4.2 利用熵權(quán)法可從客觀上對(duì)各公因子進(jìn)行權(quán)重賦值，進(jìn)而可采用綜合評(píng)價(jià)法得到對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)方法在健康分級(jí)上標(biāo)準(zhǔn)較明確，對(duì)各公因子權(quán)重的衡量較客觀，與專家打分法具有根本區(qū)別，評(píng)價(jià)效果具有綜合性和可行性。

4.3 從遙感的角度提取森林生態(tài)系統(tǒng)的生理、生態(tài)、環(huán)境等指標(biāo)因子，分別從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能、立地環(huán)境、生理生態(tài)狀況等4個(gè)方面對(duì)森林健康進(jìn)行了表征，對(duì)天山中部沙灣林場(chǎng)的森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合健康評(píng)價(jià)，形成了森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法。