福建将乐林场杉木人工林主导功能研究

（北京林业大学 森林资源与环境管理国家林业局重点实验室，北京 100083）

杉木是我国南方重要的速生丰产树种。我国学者对杉木林的多种功能进行了大量研究，但多以研究其单一功能为主[1-20]，如唐松青[11]从林冠层、林下植被层、枯枝落叶层和土壤层研究杉木人工林含蓄水分以及土壤入渗的能力。郭剑芬等[3]通过实验研究杉木人工林枯枝落叶层截留降雨及保水保土功能。陈金花等[1]通过坐标综合评定法对重庆四面山杉木林保土功能进行综合评价。黄进等[4]选取林冠截流率、灌草层盖度等8个指标，构建了杉木林水土保持功能的综合评价方法。潘勇军等[10]对江西大岗山16年生杉木人工林生态系统碳储量和碳平衡进行研究，估算其碳汇/源功能。梅光义[9]使用ANP法构建了杉木风景游憩林评价指标体系，基于SBE法对其景观质量进行评价。定量分析杉木人工林结构与功能的关系，评价其主导功能，综合发挥其多种效益的研究鲜见报道。

森林具有多种功能，根据社会需求和森林资源特点，森林多功能具有主次之分。森林主导功能利用具有地域差异和时代特性[10-18]。根据区域经济社会发展需求合理评价和划分森林的主导功能对于多功能经营尤为重要。本研究以福建将乐林场杉木人工林为研究对象，尝试定量分析杉木人工林结构与功能关系，建立二者之间的耦合关系模型，以此确定各小班的主导功能，研究1996年至2007年10年间杉木人工林各小班主导功能的变化情况，旨在为杉木人工林多功能经营提供理论和方法依据。

1 研究区概况

福建将乐国有林场处武夷山支脉，属闽西北低山丘陵地带，地理坐标为 117°05′～ 117°40′E，26°26′～ 27°04′N。平均海拔在 400 ～ 800m。土壤以红壤分布范围最广，面积最大。属中亚热带季风性山地气候，年平均气温18.7℃，年平均降雨量1 700 mm。

根据将乐林场2007年森林资源规划设计调查资料，林场土地总面积为7 113.6 hm2，有林地面积6 568.9 hm2，森林覆盖率94.8%。主要的乔木树种有杉木Cunninghamia lanceolata、马尾松Pinus massoniana、木荷Schima superba、甜槠Castanopsis eyrei、苦槠Castanopis sclerophylla等。

2 材料与方法

2.1 数据来源

数据来源分为两个方面：1、1996年和2007年两次森林资源规划设计调查数据和森林经营方案；2、样地调查数据，包括2012年在研究区杉木人工林中选取不同坡度、不同海拔、不同生长状况的林分设置22块调查样地（20 m×30 m）。

样地调查内容：对样地中所有立木（DBH≥5 cm）进行检尺，对胸径、树高、枝下高、东西南北冠幅等因子进行量测。在样地的中心位置和四角设置5个小样方（5 m×5 m）进行灌木和幼树幼苗调查。另外，随机选取5个小样方（1 m×1 m）做草本调查。在每块样地中，根据林木直径株数分布，利用生长锥实测了4～8株林木的年龄（1.3 m处）。此外，挖取一个土壤剖面，调查其土壤厚度等理化指标。

2.2 结构与功能耦合模型的构建

根据研究对象的特点，本研究假定其结构与功能的关系为线性模型，表达式如下:

式中：A为功能，x i为结构变量，a i为变量系数。

3 结果与分析

3.1 研究区森林多功能需求分析

确定原则为：（1）可以进行定性与定量相结合评价；（2）有利于制定森林经营措施；（3）研究区区域社会发展急需。根据林场《“十二五”森林经营方案》，杉木人工林面积和蓄积分别占林场用材林总面积和总蓄积的为41.1%和47.8%。《将乐县国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》规定，将乐县将进一步开发森林旅游资源，建设精致秀美的生态山水城市。此外，将乐县水源丰富、雨量充沛，且地形较为破碎，水土流失日益加剧。

综上所述，本研究确定将乐林场杉木人工林多功能为木材生产功能、风景游憩功能和涵养水源功能。

3.2 指标的选取

森林结构决定森林功能，森林功能主要与年龄、坡度、郁闭度、草灌盖度、每公顷蓄积等结构因子有关[8]。本研究以科学性、可操作性、主导性为原则，根据系统科学的结构与功能关系，筛选年龄、郁闭度、平均胸径、草本盖度、坡度、平均树高、土壤厚度、每公顷蓄积共8个林分结构因子作为反映杉木人工林结构功能主要因子。

3.3 主成分分析结果

运用SPSS16.0进行主成分分析，结果如下：8个主成分的特征值分别为3.491、1.097、1.022、0.933、0.576、0.499、0.292、0.090；方差贡献率分别为：43.633%、13.716%、12.776%、11.666%、7.195%、6.236%、3.656%、1.123%。其中，前3个主成分的特征值分别为3.491、1.097、1.022，均大于1，且累计方差贡献率达到70.125%。前3个主成分包含了预设指标体系中的绝大多数信息，因此认为，前3个主成分能代表杉木人工林的基本特征。

由因子负荷矩阵可知，第一主成分包括各结构指标的信息分别为：平均树高（0.264）、平均胸径（0.262）、每公顷蓄积量（0.242）、年龄（0.211）、郁闭度（0.194）、草本盖度（-0.044）、坡度（-0.054）、土壤厚度（0.052）。其中，前四个因子的载荷较大且均匀，即可将第一主成分定义为木材生产功能。

第二主成分包括各结构指标的信息分别为：坡度（0.696）、土壤厚度（-0.499）、草本盖度（0.309）、郁闭度（0.213）、年龄（-0.124）、每公顷蓄积量（0.109）、平均胸径（0.069）、平均树高（0.067）的信息。因子载荷集中表现在第一个因子上，而在第二、三、四个因子上也表现了相对较大的载荷，因此将第二主成分定义为涵养水源功能。

第三主成分包括各结构指标的信息分别为：草本盖度（0.867）、郁闭度（-0.327）、坡度（-0.242）、年龄（0.202）、平均胸径（0.101）、平均树高（0.090）、土壤厚度（0.029）、每公顷蓄积量（-0.026）。因子载荷集中表现在第一个因子上，第二个因子也具有一定的载荷，因此将第三主成分定义为风景游憩功能。

3.4 结构与功能耦合关系模型的表达

设年龄为x1、郁闭度为x2、平均胸径为x3、草本盖度为x4、坡度为x5、土壤厚度为x6、平均树高为x7、每公顷蓄积为x8。

将乐林场杉木人工林结构与功能耦合关系模型表达如下：

式中，A1为木材生产功能；A2为涵养水源功能；A3为风景游憩功能。

3.5 各小班主导功能类型的确定

分别评价1996年和2007年杉木人工林各小班的三种功能值，取贡献最大的为该小班的主导功能。杉木人工林各小班主导功能的划分结果（见表1～2）。

表1 1996年各小班主导功能划分结果Table 1 Results of sub-compartments’ dominant function in 1996

表2 2007年各小班主导功能划分结果Table 2 Results of sub-compartments’ dominant function in 2007

3.6 10年间杉木人工林主导功能变化分析

1996年杉木人工林中主导功能为木材生产、风景游憩和涵养水源的小班比例分别为33.15%、33.70%、33.15%。2007年杉木人工林小班中主导功能为木材生产、风景游憩和涵养水源的小班比例分别为37.83%、34.27%、27.90%（见图1）。

图1 1996年与2007年基于不同主导功能的小班所占百分比Fig.1 Percentage of sub-compartments of different dominant functions in 1996 and 2007

由图1可知，1996年杉木人工林中，主导功能为木材生产、风景游憩和涵养水源功能的小班数量大致相等；之后由于经营目的发生了变化，2007年不同主导功能的小班数量发生了较大的变化，主导功能为木材生产的小班最多，风景游憩功能次之，主导功能为涵养水源的小班最少。

与1996年相比，2007年以木材生产和风景游憩为主导功能的小班的数量比分别增加了4.68%和0.57%，而以涵养水源为主导功能的小班的数量比减少了5.25%。评价结果与将乐林场两期森林经营方案中林种规范内容相近，符合当地实际情况。

4 结论与讨论

选取了8个结构指标，分别构建了其与木材生产、风景游憩和涵养水源功能的相关关系模型，以此评价将乐林场杉木人工林各小班的主导功能。1996年至2007年10年间各小班主导功能的变化情况，与林场杉木人工林经营目的变化比较一致。

传统评价森林结构和功能的关系多采用线性模型[5-6,14-15]。由于森林结构与功能的关系十分复杂，在以后的研究中可尝试采用非线性模型做进一步分析研究。此外，在评价10年将乐林场杉木人工林各小班主导功能的变化情况时，仅考虑了其数量变化情况。引入GIS手段研究不同主导功能小班空间格局变化为今后的研究方向之一。

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