北京八达岭林场水源涵养林结构与功能耦合机理研究

（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）

水源涵养林作为北京市主要森林类型之一，研究其结构与生态功能的关系，对于改善北京市水资源状况、维护生态平衡具有重要意义[1-5]。

目前，国内很多学者对森林结构与功能的耦合关系进行了研究。王威[6]选取了树种组成、林分年龄、郁闭度等林分基本结构因子分析北京山区水源林结构与功能耦合关系；蒋桂娟等[7]利用2004年北京市八达岭林场森林资源二类调查数据，选取了小班面积、森林类型、林分起源等林分结构因子表达水源林结构与功能的关系；魏晓慧等[8]选取了树种组成、每公顷林分蓄积、小班蓄积等11个林分指标因子对福建将乐林场森林多功能状况进行评价；这些学者多是对林分基本结构（树种组成、年龄、郁闭度、起源等）与森林功能进行研究[9-11]，综合分析林分基本结构和空间结构与森林功能之间的耦合关系的研究鲜有见刊。林分空间结构特征不仅体现了树木在空间上的分布格局，对树木间的竞争势以及空间生态位起了决定作用，并且很大程度上对林分稳定性、发展的方向以及其经营措施起了决定作用[12-15]。

本研究以北京市八达岭林场水源涵养林为研究对象，采用定性与定量相结合的方式研究水源涵养林林分结构与生态功能的耦合关系，旨在为研究区水源涵养林的科学经营提供理论和方法依据。

1 研究区概况

北京市八达岭林场（115°55′E，48°17′N）位于延庆县东南部，总面积2 940 hm2，地处万里长城居庸关和八达岭之间。林场基本处于山区，东北部毗邻延庆县，南连昌平区，西部与河北省怀来县接壤。平均海拔为780 m，最高海拔达到1 238 m，最低海拔为450 m，相对高差为788 m。属大陆性季风气候，具备半干旱、半湿润的暖温带气候特点。年平均气温为10.8 ℃，7月份气温最高，月平均气温为26.9℃；1月份气温最低，月平均气温为-7.2 ℃。年平均降雨量454mm，集中在7、8月份，占年降雨量的59%。

林场人工林与天然林面积比为7∶3。其中人工林树种主要为油松Pinus tabuliformis、黄栌Cotinus coggygria、元宝枫Acer truncatum等，天然林树种主要为辽东栎Quercus liaotungensis、蒙古栎Quercus mongolica等。研究区水源涵养林主要森林类型有油松人工林、元宝枫人工林、黄栌人工林、辽东栎天然林等。

2 数据来源与研究方法

2.1 标准地的设置与调查

通过踏查，在具有代表性的地段选取油松人工林、元宝枫人工林、黄栌人工林、辽东栎天然林4种林分类型设置标准地对研究区水源涵养林林分结构与功能的耦合关系进行研究。记录标准地的位置、森林类型、样地面积、立地类型、林分起源、GPS坐标、海拔、坡度、坡位、坡向、经营历史等。

标准地调查：以10 m为间距将标准地分割为正方形的网格，调查并且记录各个样方内所有乔木（D≥4 cm）的种名、冠幅、胸径、树高、枝下高及其相对坐标；分别在标准地的四角及中心设5个灌木样方（5 m×5 m）和5个草本样方（1 m×1 m），分别调查并记录灌木和草本的名称、数量、高度、多度和盖度等。各标准地基本信息见表1。

表1 标准地基本信息Table 1 Basis information of samples

2.2 指标的选取与量化

森林结构决定森林功能，水源涵养林涵养水源、改善水质和保持水土等功能的发挥明显受到林分郁闭度、林分年龄、土壤厚度等林分结构因子的影响[16-18]。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，筛选林分年龄、郁闭度、灌草盖度、生物量、混交度、角尺度、大小比数、土壤厚度、树种组成9个林分结构因子作为反映研究区水源涵养林生态功能的主要因子。

运用Winkelmass1.0软件计算空间结构参数，选定相邻木n=4。为了避免边缘效应可能对林分结构产生的影响，设置3 m缓冲区。

将林分的结构因子属性数据转为数值型数据，并对数据进行标准化处理，结果见表2。

表2 数据标准化处理Table 2 Data quantitative processing

2.3 多元统计分析方法

采用因子分析法中的主成分分析法研究水源涵养林的林分结构与功能的耦合关系。数据处理主要在SPSS18.0软件中完成。

2.4 结构与功能耦合模型的构建

根据研究对象的特点，假定林分结构与功能的关系为线性模型，表达式如下：

式（1）中：A为功能，xi为结构变量，ai为变量系数。

3 结果与分析

3.1 主成分分析

为了消除不同林分结构因子的量纲不同对结果产生的影响，先将原始变量进行标准化处理，再进行相关性分析（表3）。通过各林分结构因子的相关系数可知，角尺度与树种组成强相关；郁闭度与林龄有较强的相关性；生物量与林龄、郁闭度等有较强的相关性。

表3 林分结构因子相关性分析†Table 3 Correlation analysis of structural factors of forest stands

采用主成分分析法得到各组分的特征值及方差贡献率，前3个组份的特征值及方差贡献率见表4。可以看出，前3个主成分的特征值均大于1，且方差累计贡献率达到91.008%，说明前3个主成分能代表北京市八达岭林场水源涵养林的总体功能水平。各主成分代表的功能及林分指标因子的重要程度由成分得分系数矩阵（见表5）得到。

由表5可以看出，第一个主成分在郁闭度（0.953）、树种组成（0.824）、角尺度（0.817）等具有较大的载荷，由于不同郁闭度和树种组成等对于降水中各种元素淋溶和吸附作用不同，这与水源涵养林改善水质的功能有关，因此将第一主成分定义为改善水质功能；第二个主成分反映了灌草盖度（0.776）、林龄（0.656）等因子，灌草层自身具有一定的持水和截留降雨的能力，不同年龄的林分涵养水源功能不同，因此将第二主成分定义为涵养水源功能；第三个主成分的因子载荷集中表现在土壤厚度（0.745）和灌草盖度（0.735）上，这主要与水源涵养林的水土保持功能有关，将其定义为水土保持功能。

表4 特征值及贡献率解释Table 4 Eigen-values and cumulative-values explained

表5 成分得分系数矩阵†Table 5 Component score coefficient matrix

3.2 结构与功能耦合关系模型的表达

根据以上研究结果，可以得到北京八达岭林场水源涵养林结构与功能的耦合关系模型，如下：

式中，M1表示改善水质功能；M2表示涵养水源功能；M3表示水土保持功能。

3.3 多功能综合指数分析

构建北京八达岭林场水源涵养林生态功能的综合评价模型（公式5）。

式中，F为水源涵养林生态功能综合指数；λ1、λ2、λ3分别为改善水质功能、涵养水源功能和保持水土功能相应的特征值，取值分别为4.609，2.305，1.277。

3.4 水源涵养林功能评价

根据上述结构与功能耦合关系模型，对研究区水源涵养林4种主要森林类型功能进行评价，结果如表6所示。由表6可知，改善水质功能大小顺序：辽东栎天然林＞油松人工林＞元宝枫人工林＞黄栌人工林；涵养水源功能大小顺序：辽东栎天然林＞黄栌人工林＞油松人工林＞元宝枫人工林；保持水土功能大小顺序：油松人工林＞辽东栎天然林＞元宝枫林人工＞黄栌人工林；水源涵养林生态功能的综合排序：辽东栎天然林＞油松人工林＞元宝枫人工林＞黄栌人工林。

表6 北京八达岭林场水源涵养林主要森林类型功能评价Table 6 Evaluation of functions of main forest types of water conservation forest in Badaling forest farm of Beijing

4 结论与讨论

主成分分析用于研究水源涵养林结构与功能的关系是可行的。以科学性、可操作性和主导性为原则，筛选的反映水源涵养林生态功能的林分结构因子涵盖了林分基本结构因子、空间结构因子和土壤因子，通过主成分分析建立结构与功能的耦合模型，在林分尺度上评价不同森林类型水源涵养林的生态功能。

辽东栎天然林的生态功能最优。水源涵养林的生态功能最优的林分具有起源为天然，异龄，混交林，郁闭度在0.6～0.8，林下灌草盖度较高、土壤厚度较大、林木空间结构良好等特点。

由于森林生态系统具有的复杂结构和功能特性，影响水源涵养林生态功能的因子是多方面的，其功能大小是多个因素共同作用的结果。只有在确保其结构合理的基础上，才能最大限度发挥其生态功能。研究区可以制定科学的经营措施来调整水源涵养林的林分结构，以期最大发挥其生态效益。

本研究在建立水源涵养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9个指标因子，所选指标可能不够全面，今后仍需进一步完善。采用非线性模型研究森林结构与功能的关系也将是今后研究的热点之一。

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