基于物元分析的遵义市成熟林质量评价

孙 谦,姜兴艳,邹丽梅

(1.贵州省林业调查规划院,贵阳 550003；2.西秀区林业局,贵州 安顺 561000；3.贵州林业勘察设计有限公司,贵阳 550008)

森林是陆生生态系统的主体,为人类生产活动提供多种宝贵原材料,有着保持水土流失、防风固沙、气候调节等多方面功效,是林业可持续发展的基础[1]。森林资源是数量与质量的统一,森林资源数量、质量水平在一定程度上影响区域经济、社会的发展。发展高质量的森林资源是我国生态文明建设、绿色经济发展的重要抓手,是推动稳定高效的生态服务系统的重要手段[2]。全国第八次森林资源清查结果显示[3],我国森林资源仍然存在总量不足、质量低下、生态脆弱等系列问题。其中,森林覆盖率仅为世界平均水平的31%,人均森林蓄积量为世界人均水平的1/7,森林单位面积蓄积量仅为世界平均水平的69%。针对这些问题,应采用适当的方法及时有效反映森林质量现状及变化趋势,而森林质量评价即分析和评价森林资源质量水平[4],通过特定的质量评级指标和方法,建立森林质量评价体系,以此反映森林质量水平,对制定合理的营林措施提供科学依据,促进森林质量精准提升。

用于评价森林资源质量的方法多种多样,常用的有模糊综合评价法、集对分析法、物元分析法、因子分析法和层次分析法等[5]。其中,物元模型即结合物元和可拓集合两种理论,研究处理矛盾问题的思维过程,探索问题的规律和方法[6],是1983年由我国学者蔡文创立,主要通过物元的变换来研究事物变化的规律和联系。该理论发表后被广泛应用于各个领域的研究中[7-9]。如,武高洁等[10]于2010年首次将物元模型应用于森林质量评价的研究中,通过对比几种评价森林质量的主要方法对湖北省通山县和嘉鱼县森林质量等级进行评估,发现应用物元模型对森林资源质量评价是可行的；陈俊华等[11]将层次分析法与物元分析相结合,对平通流域防护林质量进行评价并取得满意效果。与其他评价方法相比,物元分析法原理易懂且计算简便,同时避免了人为主观对指标权重赋值,保证评价结果的客观真实性。因此,研究采用物元分析法对遵义市成熟林森林质量进行评价,以期为该地区的森林经营提供科学依据。

1 研究区概况

遵义市地处贵州省北部(27°13′15″～28°04′09″N,106°17′22″～107°26′25″E),与四川省、重庆市等地接壤,是国家规划长江中上游综合开发的重点区域。地势高低起伏,主要以山地丘陵为主,海拔一般介于800～1 600m之间,境内主体山脉大娄山最高峰海拔高达2 227m。地貌类型复杂多样,其中岩溶地貌分布最广,约占全市国土面积的75%。全市自然土以地带性土壤——黄壤分布面积最大,占44.3%,主要分布于大娄山以南的各县(区),土层一般在40cm以上,呈酸性或微酸性；石灰土镶嵌分布,占38.6%；在海拔1 400m以上地区多分布有黄棕壤,占2.6%；在赤水、桐梓北部、习水西北部和仁怀西部分布成片紫色土,占12.2%,其余各县呈零星分布；粗骨土占2.3%,各县均有零星分布。全市属亚热带常绿阔叶林区,自然植被以中亚热带针叶林、常绿阔叶林、针阔混交林和竹林为主要类型,主要树种为马尾松(PinusmassonianaLamb.)、柏木(CupressusfunebrisEndl.)、栎(QuercusL.)类等。水文资源丰富,其中,有水流的河长共约9 148.5km,主要为长江流域的乌江、赤水河、綦江等支流。遵义市气候宜人,四季分明,雨热同期,年均降水量1 100～1 200mm之间,其中夏季为降雨最多的季节；夏无酷暑,冬无严寒,年均气温约15.1℃,属中亚热带湿润季风气候区。境内矿产资源丰富,已发现矿产60余种,是我国钛、锰、烧碱、高性能钢丝绳等原材料的重要生产基地。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

2.1.1数据来源

数据主要来源于贵州省第四次森林资源规划设计调查数据(1)贵州省林业局.贵州省第四次森林资源规划设计调查成果报告.2017.,样地为面积667m2的圆形样地。对样地内林木进行每木检尺并按顺序编号,起测胸径为5.0cm,分别记录其树种、胸径、树高、冠幅、枝下高等测树因子,同时记录每块样地的海拔、地貌、坡位、坡度、坡向、土壤类型、植被综合覆盖度和郁闭度等基本因子。此外,通过计算得到每块样地的平均胸径、平均树高、每公顷蓄积量、断面积和株数等林分因子。通过对异常数据、非林地上的乔木林地和平均胸径<5cm的小班数据进行剔除,共筛选出12 935个(58 182.55hm2)遵义市成熟林小班,对其森林质量等级进行评价。

2.1.2评价指标的选取

科学选取评价指标是进行森林质量评价的基础,在很大程度上影响着评价结果的真实性。本研究综合考虑能反映森林质量的多方面因素,根据评价指标选取的可操作性、系统性、可比性、真实性、独立性等原则[12],结合现有资料,选取平均胸径、平均树高、公顷蓄积、植被综合覆盖度、坡度、土壤厚度、树种结构及郁闭度等8个评价指标,并依次记录为D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,构建森林质量评价体系。

2.1.3数据的标准化处理

在森林资源规划设计调查数据中,所调查的因子通常包括定量和定性两种数据类型,同时各量化指标其取值区间也不一样[10]。因此,各指标有不同的量纲和数量级,若直接使用原始数据进行质量评价,会突出取值较高指标的在评价结果中的主导作用,导致评价结果与实际情况相悖。为消除这种影响,通常对原数据进行标准化处理。具体计算方法为:

(1)

式中:xij为评价指标i(i=1,2,3,…,n)第j(j=1,2,3,…,m)个样地的实际值；Xij为评价指标i第j样地归一化后取值；xi(min)为评价指标i的最小值；xi(max)为评价指标i的最大值。

2.2 物元模型的构建

2.2.1物元的确定

将本次森林评价记为事物A,模型评价指标和特征量值分别记录为C(C=(c1,c2,c3,…,cn)Τ)、V(V=v1,v2,v3,…,vn),三者构成物元三要素,并组成有序的三元组R=(A,C,V)作为描述事物的基本元,即物元[13-14]。若有n个特征c1,c2,c3,…,cn，其对应的量值为v1,v2,v3,…,vn,则称该物元为n维物元,用矩阵表示为:

(2)

2.2.2经典域 节域模型的构建

在利用物元模型对某事物进行综合评价的研究中,还需确定另外两种物元,即经典物元和节域物元。其中,经典物元是由各评价等级所建立起的物元,而节域物元则是由评价等级中关于评价指标的值域所建立,其表达式分别如(3)式、(4)式所示。

经典物元为:

(3)

节域物元表示为:

(4)

式中:i(i=1,2,3,…,n)表示事物评价等级,(ain,bin)⊂(apn,bpn)。

2.2.3关联函数与权系数的确定

关联函数是反映被评价单元与评价等级隶属程度的函数,在林分质量等级评价中,关联函数的选取对评价结果的精准性起着决定性作用。其表达式如(5)式所示。

(5)

其中

(6)

(7)

式中:i表示评价指标(i=1,2,3,…,8)；j表森林质量评价等级(j=1,2,3,4)。

然而,仅仅采用关联函数的隶属程度来确定森林质量的评价等级,会导致评价结果的主观性和不准确性。通常情况下会结合评价指标对质量等级的影响程度来准确反映森林质量等级,即权系数。其计算公式如(8)式所示。

(8)

由此,可得出森林质量综合关联函数为:

(9)

若Kj=max[kj(Nx)],则说明评价事物Nx属j等级。本研究根据各小班K(Nx)值对应的等级来确定该林地小班的最终质量等级。

3 结果分析

3.1 评价等级的划分

本研究结合贵州省第四次森林资源规划设计调查细则规定,以及已有森林质量评价相关文献[15-16],将遵义市成熟林质量划分为“差、中等、良好、优秀” 4个等级,即I、II、III、IV,等级越高说明森林质量越好。各指标评价标准划分及标准化后取值情况如表1、表2所示。

表1 各指标评价标准划分情况Tab.1 Division of evaluation criteria for each indicator

表2 指标等级标准化Tab.2 Standardization of index grades

3.2 物元模型建立结果

3.2.1经典域 节域物元模型的确定

由所划分的质量等级及其标准化后取值,可确定各评价等级所对应的经典物元及节域物元。

经典物元:

节域物元:

3.2.2权系数计算

结合(8)式计算出各评价指标的权系数得出:所有评价指标中,林分郁闭度(D8)对遵义市成熟林森林质量的影响最大,且在所划分的4个质量等级中,其权系数取值最高；其次分别为胸径(D1),树高(D2)、蓄积(D3)、植被盖度(D4)、坡度(D5)及树种结构(D7)等指标,它们对森林质量的影响程度几乎相同；而几种结构指标中,土壤厚度(D6)对森林质量的影响最小,其权系数取值相较于其他几个指标则为最低。具体情况如表3所示。

表3 权系数取值情况Tab.3 Values of weight coefficient

3.3 遵义市成熟林质量等级评价结果

3.3.1遵义市森林资源状况

根据贵州省第四次森林资源规划设计调查数据统计结果显示,遵义市乔木林总面积为1 177 982.27hm2,占遵义市土地总面积的38.3%。在14个县(市、区)中,习水县乔木林地面积165 578.63hm2,占14.06%；其次为湄潭县96 206.51hm2,占8.17%；而面积分布最少的区县分别是仁怀市和红花岗区,其有林地面积分别为55 335.33,53 862.2hm2,分别占4.70%和4.57%。具体情况如表4所示。

表4 遵义市各区县林地面积分布情况Tab.4 Distribution of woodland area in districts and counties of Zunyi

(续表)

根据数据分析,遵义市各龄组乔木林面积由大到小排序依次为中龄林、幼龄林、近熟林、成熟林、过熟林,其中:中龄林444 142.73hm2,占乔木林地总面积的37.70%；幼龄林432 634.69hm2,占36.72%；近熟林210 941.81hm2,占17.91%；成熟林84 766.14hm2,占7.20%；过熟林5 496.90hm2,占0.47%(表5)。

表5 各龄组面积Tab.5 Area of each age group

3.3.2评价对象森林资源状况

所筛选的12 935个小班中,各森林类别面积由大到小排序依次为商品林、国家级公益林、地方公益林,其中:商品林26 443.96hm2,占总面积的45.45%；国家级公益林18 327.75hm2,占31.50%；地方公益林13 410.84hm2,占23.05%(表6)。

表6 各森林类别面积Tab.6 Area of each forest category

所筛选的12 935个小班的林地保护等级共分为1,2,3,4四个等级,其中1级为林地保护最高等级并依次类推。总体而言,成熟林林地保护等级主要为4级,面积26 417.67hm2,占总面积的45.41%； 1级保护林地面积最少,为4 049.87hm2,仅占总面积的6.96%(表7)。

表7 各保护等级成熟林面积分布情况Tab.7 Area distribution of mature forest of each protection grade

3.3.3遵义市成熟林森林质量评价结果

将所筛选的12 935个成熟林小班数据,带入物元分析模型,采用相关公式对遵义市成熟林森林质量等级进行评价。以1号小班为例,通过计算该小班综合关联度K1=-0.157,K2=0.080,K3=-0.702,K4=-1.461,则可确定1号小班森林质量等级为II级,采用相同方法,依此对剩余小班所属质量等级进行评价。根据评价结果,Ⅰ级小班162个,面积910.46hm2,占成熟林总面积的1.56%； II级小班5 278个,面积26 598.49hm2,占45.72%；III级小班6 564个,面积26 687.51hm2,占45.87%；Ⅳ级小班931个,面积3 986.09 hm2,占6.85%。由此可知,属II、III等级即“中等、良好”的小班面积最大,共占成熟林总面积的91.59%(图1)。

图1 遵义市成熟林森林质量等级评价结果Fig.1 Evaluation results of forest quality grade of mature forest in Zunyi

全市14个县(市、区)森林质量等级均集中在II、III级,而属于I等级的面积最少。相比较而言,余庆县成熟林森林资源质量最好,中等以上(不含中等)成熟林面积共2 642.83hm2,占该县成熟林总面积的64.61%；其次为风冈县和播州区,中等以上成熟林面积分别为3 369.97,4 916.5hm2,分别占各县成熟林总面积的64.04%,63.53%；森林资源质量相对较差的为绥阳县、道真县,中等以上成熟林面积分别为2 120.32,1 694.15hm2,分别仅占各县成熟林总面积的39.74%,42.90%(表8)。

表8 各区县成熟林森林质量各等级小班分布情况Tab.8 Distribution of mature forest quality in each district and county

对遵义市成熟林各森林类别质量等级进行评价得出,各森林类别森林质量等级主要为II、III级,即处于“中等、良好”的成熟林分布最多。就3种森林类别相比较而言,商品林成熟林森林质量最好,处于中等水平以上(不含中等)的面积共14 761.92hm2,占商品林成熟林总面积的55.83%；其次为地方公益林,处于中等水平以上的成熟林面积共7 392.91hm2,占地方公益林成熟林总面积的55.12%；质量相对较差的为国家级公益林,处于中等水平以上的成熟林面积共8 518.77hm2,仅占国家级公益林成熟林总面积的46.48%(表9)。

表9 各森林类别质量等级评价结果Tab.9 Evaluation results of quality grade of each forest category

对遵义市成熟林各林地保护等级森林质量进行评价得出,各林地保护等级中,森林质量等级均主要分布在II、III等级。相比较而言,3级保护林地的成熟林森林质量最高,处于中等水平以上(不含中等)的面积共6 876.27hm2,占3级保护林地成熟林总面积的55.85%；其次为4级保护林地,处于中等水平以上的面积共14 751.72hm2,占4级保护林地成熟林总面积的55.84%；质量相对较差的为1级保护林地,处于中等水平以上的面积共1 433.1hm2,仅占1级保护林地成熟林总面积的35.39%(表10)。

表10 各林地保护等级森林质量评价结果Tab.10 Forest quality evaluation results of each forest protection grade

4 结论与讨论

4.1 结论

利用贵州省第四次森林资源规划设计调查成果,结合物元分析法,以遵义市成熟林为例对其质量等级进行评价,得出结论如下:

1)遵义市乔木林地总面积为1 177 982.27hm2,占遵义市土地总面积的38.3%。其中习水、湄潭两县分布最多,分别占全市乔木林总面积的14.06%和8.17%。就各龄组来看,幼、中龄林面积分布最多,分别占乔木林总面积的37.70%,36.73%,而过熟林面积最少,仅占0.47%。在所筛选的12 935个小班中,就森林类别而言,商品林面积最大,占45.45%；就林地保护等级而言,4级保护林地面积最大,占45.41%。

2)评价结果显示,遵义市成熟林森林质量等级主要集中在II、III等级,即“中等、良好”状态,其面积占比分别为45.72%和45.87%,各县(市、区)中,余庆县、凤冈县、播州区森林质量等级相对较高,中等以上水平的成熟林面积占比均在60%以上；而绥阳县、道真县森林质量相对较差,中等以上水平的成熟林面积分别仅占39.74%,42.90%。各森林类别中,商品林森林质量最佳,中等以上水平的成熟林面积占比高达55.83%；国家级公益林森林质量相对较差,中等以上水平的成熟林面积占比仅为46.48%。各林地保护等级中,3级保护林地的森林质量相对较好,处于中等以上水平的成熟林面积占比为55.85%；1级保护林地森林质量相对较差,处于中等以上水平的成熟林面积占比仅为35.39%。

4.2 讨论

研究将遵义市成熟林森林质量评价标准、评价指标及其特征值作为物元,对小班实际调查数据、森林质量评价标准进行归一化处理后,得到模型的经典域、节域、权系数及综合关联度,构建出遵义市成熟林森林质量物元模型,首次对遵义市成熟林森林质量进行评价。评价结果显示,遵义市成熟林大多处于“中等、良好”水平,而处于“优秀”的森林相对较少,仅为全市成熟林面积的6.85%,说明遵义市成熟林质量提升空间较大。在今后生产实践中,可通过制定中长期森林经营管理措施、完善立体监测平台、对退化森林进行及时有效的修复等措施[17-18],坚持尊重自然、顺应自然、生态优先、保育结合的经营理念[19]来综合提升森林整体质量水平。

本研究克服了人为主观赋值对评价结果的影响,评价结果较为客观真实地反映遵义市成熟林质量的综合水平,可为今后成熟林森林质量评价及森林质量精准提升提供可靠依据。但研究所选取的评价指标仅考虑森林生产力、森林结构等森林内在价值,而对于其健康、服务效能等方面并未涉及,在今后的研究中,可将相关指标纳入评价体系中,全面系统地对森林质量等级进行评价,以此保证评价结果的全面性和系统性。