北京市门头沟区侧柏人工林多功能评价研究

王荣新 ，孔庆云 ，余 海 ，郭 嘉 ，吴 迪 ，辛学兵

（中国林业科学研究院 华北林业实验中心，北京 102300）

北京市门头沟区侧柏人工林多功能评价研究

王荣新1，孔庆云2，余 海2，郭 嘉2，吴 迪2，辛学兵1

（中国林业科学研究院 华北林业实验中心，北京 102300）

以北京市门头沟区侧柏人工林为研究对象，采用定性与定量相结合的方式建立林分指标因子与林分功能的耦合关系模型，评价侧柏人工林各小班的森林多功能等级。结果表明：该区域侧柏森林多功能等级为优、良、中、差、极差的小班数量分别为9、11、23、5、7，占侧柏小班总数的16.36%、20.00%、41.82%、9.09%、12.73%，面积分别为91.3、66.3、145.6、34.1、80.1 hm2，分别占侧柏林总面积的21.87%、15.88%、34.88%、8.17%和19.19%，研究区侧柏人工林多功能水平较好，评价结果符合研究区实际情况。

北京市门头沟区；侧柏人工林；森林多功能；评价

侧柏Platycladus orientalis树干通直，材质坚硬，分布广，适应性强，是我国北京地区主要的造林树种之一[1]。侧柏人工林较丰富，主要分布在石原山区，它能适应干冷暖湿各种气候，具有涵养水源、保持水土、防风固沙、风景游憩等各种功能[2]，对维护首都生态安全和绿化美化具有重要意义。

近年来，国内学者对北京地区侧柏林进行了大量的研究。胡淑萍等[3]研究了不同立地因子对侧柏生长的影响。马丰丰等[4]采用优势木树高与年龄关系的数学模型，研制北京山区侧柏人工林的立地指数表。李效文等[5]研究了侧柏林抚育前后林下灌草生物多样性变化情况。段劼等[6]研究了不同抚育间伐强度对侧柏人工林及林下植被生长的影响。曹吉鑫[7]对北京北部山区不同林龄的油松和侧柏人工林碳库进行了研究。赵阳等[8]应用地面三维激光扫描技术，利用混角度、大小比数和角尺度3个指标分析了北京西山林区侧柏林的空间结构特征。陈英[9]对北京山区侧柏人工林生长模型及合理密度进行了研究。汪平[10]对北京西山侧柏林的抚育效果进行了研究。贾忠奎等[11]研究了北京山区侧柏人工林水源涵养功能对抚育间伐的响应。鲁绍伟等[12]以北京市八达岭石佛寺浅石区不同密度侧柏人工纯林为对象，对其枯落物层和土壤层水文效应进行了研究。研究侧柏人工林结构与功能的耦合关系，综合分析其森林多种功能的研究鲜见报道。本研究以北京市门头沟区侧柏人工林为研究对象，对林分指标因子与功能的关系进行定量分析，建立耦合关系模型，综合评价其多种功能，以期对北京地区侧柏人工林多功能经营提供理论依据。

1 研究区概况

门头沟区（115°25′00″～ 116°10′27″E，39°48′34″～ 40°10′37″N）位于北京市西部，属于太行山和燕山山系，地势西北高东南低，永定河、大清河和北运河3大水系流经境内。该区属中纬度大陆性季风气候，处在东部湿润区和西部干旱区之间，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥。全区土地面积1 455 km2，山区面积达98.5%，山高谷深，平地稀少，是北京市唯一的纯山区。平均海拔760 m，土壤属于地带性褐土，类型主要有山地棕壤、山地淋溶褐土和碳酸盐褐土。植被属于暖温带落叶阔叶林，在一些深山区还残存着部分天然次生林。

本区植物种类众多，森林乔木树种以桦树Betula、山杨Populus davidiana、油松Pinus tabuliformis、落叶松Larix gmelinii、洋槐Robinia pseudoacacia居多；散生乔木以山杏Armeniaca sibirica、香 椿Toona sinensis、山 核 桃 Carya cathayensis分布最广；灌木主要有黄栌Cotinus coggygria、胡枝子Lespedeza bicolor等。林地主要以灌木林或杂木混交林为主。侧柏是北京市门头沟区主要的造林树种。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据来源：北京市门头沟区2012年的小班调查数据；样地调查数据，包括2012年9月根据侧柏人工林立地条件、区域分布等因素在侧柏人工林中选择具有代表性的林分设置的17块样地（20 m×30 m）。

样地调查内容：对胸径大于5 cm的乔木进行每木检尺，记录树高、枝下高、胸径、冠幅（东西、南北）等；在每个样地的四角和中间位置打小样方（5 m×5 m）进行灌木和幼树调查；在样地中随机选择5个小样方（1 m×1 m）进行草本调查。

2.2 耦合关系模型构建

本研究在前人研究的基础上，选择相对简单的线性模型[13-17]对侧柏人工林林分指标因子与功能的关系进行阐述。

式中：Y为林分功能；x1、x2、…、xn为林分指标因子；an1、an2、…、ann为系数。

3 结果与分析

3.1 森林多功能需求分析

侧柏具有较大的经济价值和环境价值。由于森林的不合理利用，全球气候愈来愈恶劣，侧柏作为高大乔木，在防风固沙方面具有十分重要的作用。侧柏人工林面积约占北京市森林总面积的25.96%，木材可供建筑和家具用材等用途。侧柏属于常绿乔木，寿命很长，常有百年和数百年以上的古树，它是城市绿化中的常用树种，在园林绿化中有着不可或缺的地位，人们对其风景游憩功能具有很大的需求。此外，侧柏人工林是北京市主要的水源涵养类型。因此确定北京市门头沟区侧柏人工林的森林多功能为防风固沙、木材生产、风景游憩和涵养水源功能。

3.2 指标的选取与量化

耦合关系因子的确定对建立林分指标因子与功能耦合关系模型具有重要作用。本研究在整合以往大量研究的基础上，根据样地调查情况，从北京市门头沟区侧柏人工林经营目的出发，以科学性、主导性和可操作性为原则，确定侧柏人工林林分指标因子为小班面积、平均年龄、平均胸径、平均树高、郁闭度、小班蓄积、坡度、土壤厚度、树种组成、植被覆盖度。

此外，需要对树种组成进行量化处理，侧柏纯林赋值1，针叶混交林赋值1.5，侧柏阔叶混交林赋值2。

3.3 主成分分析

由于小班面积、平均年龄等10个因子的量纲不同，直接进行主成分分析会导致结果失真，首先对各个因子进行标准化处理。然后用SPSS软件进行主成分分析，结果见表1、表2。由表1可知，10个成分中，前4个成分的特征值均大于1，且方差累计贡献率达到73.365%，说明前4个成分能代表北京市门头沟区侧柏人工林总体功能水平。各主成分代表的功能及林分指标因子的重要程度由因子得分系数矩阵（见表2）得到。

表1 特征值及贡献率解释Table 1 Eigen-values and cumulative-values explained

由表2可知，第一主成分在平均树高、植被覆盖度、郁闭度等因子上表现了相对较大的载荷，这与林分的防风固沙功能有关，将其定义为防风固沙功能；在小班蓄积、小班面积等因子上，第二主成分表现了较大且均匀的载荷，将其定义为木材生产功能；第三主成分在土壤厚度、坡度的因子上载荷相对较大，这与林分涵养水源功能有关，因此将第三主成分定义为涵养水源功能；在郁闭度和树种组成上，第四主成分表现了相对较大且均匀的载荷，并且在平均年龄、植被覆盖度等因子上也有一定的载荷，这与林分的风景游憩功能有关，将其定义为风景游憩功能。

表2 成分得分系数矩阵Table 2 Component score coefficient matrix

3.4 侧柏人工林耦合关系模型的构建

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式中：Y1为防风固沙功能；Y2为木材生产功能；

Y3为涵养水源功能；Y4为风景游憩功能。

3.5 侧柏人工林多功能指数分析

构建的北京市门头沟区侧柏人工林防风固沙功能、木材生产功能、涵养水源功能、风景游憩功能综合评价模型（公式6）为：

式中：F为森林多功能综合指数；λ1、λ2、λ3、λ4分别为防风固沙功能、木材生产功能、涵养水源功能、风景游憩功能相应的特征值，取值分别为2.981、1.894、1.350、1.112。

为了利于侧柏人工林多功能等级划分，将森林多功能指数F进行标准化（公式7）。

式中：P为标准化的森林多功能指数，值域为[0,10]；Fi为第i个小班的多功能综合指数；Fmin为所有小班多功能综合指数最小值；Fmax为所有小班多功能综合指数最大值。

3.6 侧柏人工林多功能等级划分

根据标准化的森林多功能指数P，对门头沟区侧柏人工林多功能情况进行等级划分（见表3）。

表3 森林多功能等级划分Table 3 Level division of forest multi-function

3.7 侧柏人工林各小班多功能等级

根据门头沟区2012年的小班调查数据，筛选优势树种为侧柏，且郁闭度≥0.2的小班共55个，面积为417.4 hm2。将这些小班数据分别代入公式（2）、（3）、（4）、（5）中，计算各小班不同功能值，进而计算森林多功能综合指数，评价各小班多功能等级，结果见表4。

森林多功能等级为优、良、中、差、极差的小班数量分别为9、11、23、5、7，所占的比例 分 别 为 16.36%、20.00%、41.82%、9.09%、12.73%； 面 积 分 别 为 91.30、66.30、145.60、34.10、80.10 hm2，所占比例分别为21.87%、15.88%、34.88%、8.17%和19.19%（见图1）。

表4 侧柏人工林各小班森林多功能等级Table 4 Multi-functional level of sublots of Platycladus orientalis plantation

图1 不同森林多功能等级小班的数量和面积Fig.1 Quantity and area of sublots with different multifunctional level

由图1可知，门头沟区侧柏人工林森林多功能等级为中的小班数量最多，面积最大；森林多功能等级为优良的小班总数量和面积均约占近1/3；多功能等级为差和极差的小班总数量约占21.82%，面积约占27.36%。说明门头沟区急需定制科学合理的营林措施，提高多功能等级为差和极差的小班的森林多功能经营水平，更大发挥其森林多种功能。

4 结论与讨论

以北京市门头沟区侧柏人工林为研究对象，利用主成分分析建立林分指标因子与功能的线性模型，在小班层次上评价侧柏人工林森林多功能水平。防风固沙功能、木材生产功能、涵养水源功能、风景游憩功能均以小班为评价对象，为制定森林多功能经营措施提供理论依据。

研究区侧柏人工林森林多功能等级为中的小班数量最多，面积最大。多功能等级为中等（含）以上的小班数量和面积约占总数的近3/4，而多功能等级为中等以下的小班数量和面积约占总数的近1/4，说明该地区侧柏人工林森林多功能等级较好。

由于森林生态系统具有的复杂结构和功能特性，影响侧柏人工林森林功能的因子是多方面的，其功能大小是多个因素功能作用的结果，只有在确保其结构合理的基础上，才能最大限度发挥其森林多功能。研究区可以制定科学合理的经营措施来调整侧柏人工林的平均胸径、平均树高、郁闭度、小班蓄积、树种组成等结构因子，以期最大发挥其森林多功能。

本研究在建立侧柏人工林结构与功能耦合关系模型时，仅选择了与森林功能联系较紧密的10个指标因子，所选指标可能不够全面，森林多功能还与水文气象、当地社会经济条件等有关，今后仍需进一步完善。此外，在今后的研究中，可尝试在林分、景观和区域多尺度耦合对森林多功能进行研究。采用非线性模型研究森林结构与功能的关系也为今后研究的热点之一。

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Research and evaluation on multi-function of Platycladus orientalis plantation in Mentougou district of Beijing

WANG Rong-xin1, KONG Qing-yun2, YU Hai2, GUO Jia2, WU Di2, XIN Xue-bing1
(Forestry Experiment Center of North China, Chinese Academy of Forestry, Beijing 102300, China)

Platycladus orientalis plantation in Mentougou District of Beijing was taken as the research object this paper. The model of coupling relationship between the index factor and function of the stand was built by the integrating qualitative evaluation with quantitative analysis. Then multi-function level of the sublots was evaluated based on the model. The results showed that the sublots withmulti-functional level of best quality, better quality, medium, poor quality and extremely poor quality are 9, 11, 23, 5 and 7 respectively,their percentages were 16.36%, 20.00%, 41.82% , 9.09% and 12.73% respectively. The areas of them were 91.3 hm2, 66.3 hm2, 145.6 hm2, 34.1 hm2and 80.1 hm2respectively equal to21.87%, 15.88%, 34.88%, 8.17% and 19.19% respectively. The multifunction level of arborvitae plantation in the region was better according with actual conditions.The evaluation results would provide scienti fi c basis for multi-function managing with arborvitae plantation in Beijing.

Mentougou district of Beijing; Platycladus orientalis plantation; multi-function; evaluation

S791.27

A

1673-923X(2016)05-0058-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.011

2014-12-10

中央级公益性科研院所基本科研业务专项（CAFYBB2014MA017）

王荣新，硕士研究生 通讯作者：辛学兵，副研究员；E-mail：xinxb01@163.com

王荣新，孔庆云，余 海，等.北京市门头沟区侧柏人工林多功能评价研究[J].中南林业科技大学学报, 2016,36(5):58-62.

[本文编校：谢荣秀]