童建明，馬立榮

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設計院，長沙 410014)

在生態(tài)文明建設的大背景下，森林健康研究無疑是當前森林可持續(xù)經(jīng)營的熱點之一，森林健康是指森林在保證自身良好發(fā)展的基礎上，充分發(fā)揮生態(tài)的服務功能[1-3]，前者是森林自身的基礎指標，后者則是功能指標，二者缺一不可。健康的森林可以保證自身的延續(xù)和不斷發(fā)展，最大限度地發(fā)揮生態(tài)效益，同時兼顧社會和經(jīng)濟效益，是促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4-5]。林業(yè)上往往采用森林健康評價來研究森林的健康程度[6]，這些研究大部分都根據(jù)森林健康的定義和研究尺度來構(gòu)建森林健康評價體系[7]，并根據(jù)評價結(jié)果為森林的可持續(xù)經(jīng)營管理提供理論指導，以提高其生態(tài)服務價值。

SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡由全連接的神經(jīng)元陣列組成，是一種具備自我組織、自我學習特征的映射網(wǎng)絡，在各個研究領域均有廣泛應用[8]，尤其在空氣質(zhì)量評估、可視化、土地評價、文本分類等領域[9-11]。近年來，SOM神經(jīng)網(wǎng)絡的應用開始從其他領域轉(zhuǎn)向林業(yè)領域[12-13]。2014年，楚春暉等[14]通過SOM神經(jīng)網(wǎng)絡方法研究了海南省五指山市森林資源的健康情況，并分析了森林健康等級與齡組和郁閉度之間的關系，認為采用該方法評價森林健康在理論上具有最優(yōu)性；2016年，段翔[15]結(jié)合SOM神經(jīng)網(wǎng)絡和地理信息系統(tǒng)技術對新化縣林地的森林健康進行了評價，認為新化縣森林的總體健康水平不高，林分結(jié)構(gòu)、林種結(jié)構(gòu)、齡組結(jié)構(gòu)均有調(diào)整的空間。筆者基于前人的研究成果對城步苗族自治縣的森林健康狀況進行評價，以期為研究區(qū)的森林健康經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

城步苗族自治縣(以下簡稱城步縣)坐落在湖南省西南部，因地處雪峰山脈與越城嶺山脈交匯處，地形以山地和丘陵為主，資水、巫水、渠水與潯江皆發(fā)源于境內(nèi)。區(qū)內(nèi)平均海拔696.8 m，氣候類型為中亞熱帶山地氣候，雨量充沛，四季分明，逆溫效應較為明顯，年平均氣溫16.1 ℃，年平均降水量1 218.5 mm。城步縣境內(nèi)野生植物豐富，被譽為天然種質(zhì)基因庫，有蕨類植物45科118屬455種、種子植物179科784屬1930種(裸子植物8科15屬23 種、被子植物171科771屬1915種)；有國家重點保護野生植物65種，其中有銀杉、資源冷杉、南方紅豆杉、伯樂樹等4種國家Ⅰ級重點保護野生植物。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預處理

依據(jù)森林健康的內(nèi)涵和指標選取原則，以城步縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，輔以野外踏查對相關因子進行數(shù)據(jù)補充和驗證，選取單位蓄積量、平均胸徑、平均樹高、土層厚度、枯落物厚度、群落結(jié)構(gòu)、草本覆蓋度、灌木覆蓋度、森林災害等級、郁閉度、齡級和自然度等12個因子作為評價指標，參照參考文獻 [14-15]對自然度、群落結(jié)構(gòu)和森林災害等級等定性指標的量化標準進行量化(表1)，再通過主成分分析篩選構(gòu)建森林健康評價體系的評價指標。

表1 定性指標的量化標準表評價指標量化標準54321群落結(jié)構(gòu)——完整結(jié)構(gòu)復雜結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)自然度Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅴ級森林災害等級—無輕中等嚴重

在進行SOM神經(jīng)網(wǎng)絡計算之前先對參評指標進行標準化處理，公式：

(1)

其中，Xk為原始數(shù)據(jù)，X′k為輸出數(shù)據(jù)，Xmax和Xmin為變量的最大值和最小值。

2.2 SOM網(wǎng)絡模型構(gòu)建

SOM是一種能模擬人腦處理信號方式的高維可視化和聚類的無監(jiān)督學習算法，其中最根本的特征是Winner Takes All競爭機制。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 SOM神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

SOM神經(jīng)網(wǎng)絡的學習算法步驟為：網(wǎng)絡初始化→向量的輸入→計算映射層的輸入向量和權值向量的距離→權值的學習→計算輸出→判斷是否達到預先設定的要求，輸出結(jié)果達標則算法結(jié)束；否則返回“向量的輸入”步驟，開始下一輪學習。本次研究分別采用train函數(shù)和sim函數(shù)進行訓練和仿真，將學習速率設定為0.1，輸出結(jié)果設定為5等，訓練參數(shù)trainparam.epochs設為500。

2.3 主成分分析

通過主成分分析法篩選出影響城步苗族自治縣森林健康的主要指標，軟件支持為SPSS19.0。

2.4 評價等級的劃分

根據(jù)參考文獻[15]的理論成果，將城步縣的森林健康劃分為五個等級，各等級的健康屬性見表2。

表2 評價等級分類表森林健康等級健康屬性不健康Ⅰ林分發(fā)育很差,生產(chǎn)力較很低,組織結(jié)構(gòu)簡單,物種單一,抵抗力與恢復力很差亞健康Ⅱ林分發(fā)育差,生產(chǎn)力較低,組織結(jié)構(gòu)簡單,植物種類少,抵抗力與恢復力差較健康Ⅲ林分發(fā)育一般,生產(chǎn)力一般,組織結(jié)構(gòu)相對復雜,物種豐富度一般,抵抗力與恢復力一般健康Ⅵ林分發(fā)育良好,生產(chǎn)力較高,組織結(jié)構(gòu)復雜,物種豐富,抵抗力與恢復力強優(yōu)質(zhì)健康Ⅴ林分發(fā)育完整良好,生產(chǎn)力高且穩(wěn)定,組織結(jié)構(gòu)完整復雜,物種豐富多樣,抵抗力與恢復力很強

3 結(jié)果與分析

3.1 評價體系

利用主成份分析法篩選出與森林健康度相關性較大的指標，運用SPSS19.0對初選因子進行主成分分析，確定評價體系主成分的數(shù)量，并求出主成分因子載荷以及各因子的得分。篩選出影響森林健康的主要的指標，詳見表3、表4。

從表3可以發(fā)現(xiàn)，前7個主成分的方差累計貢獻率為88.698%，大于85%，故提取前7個主成分作為森林健康的評價指標，即平均胸徑、單位蓄積量、郁閉度、平均高、森林災害等級、灌木覆蓋度和自然度。根據(jù)不同的準則將所測指標按照結(jié)構(gòu)完整度、功能穩(wěn)定性和系統(tǒng)活力分為3大類，指標體系詳見表5。

3.2 森林健康分布狀況

通過森林健康評價體系，可計算出城步縣森林小班的健康狀況評價(表6)和健康等級分布(圖2)。

表3 主成分的統(tǒng)計信息表成分初始提取特征值方差貢獻率/%累積方差貢獻率/%特征值方差貢獻率/%累積方差貢獻率/%14.55935.33535.3354.55935.33535.33522.70819.03254.3672.70819.03254.36731.53911.53365.9001.53911.53365.90041.3759.35675.2561.3759.35675.25650.7725.11680.3720.7725.11680.37260.6614.31284.6840.6614.31284.68470.5874.01488.6980.5874.01488.69880.5193.61392.31190.4643.21195.522100.3172.04497.566110.1921.37398.939120.1481.061100.000

表4 成分矩陣信息表成分平均胸徑單位蓄積量(竹株數(shù))郁閉度平均高森林災害等級灌木覆蓋度土層厚度草本覆蓋度群落結(jié)構(gòu)自然度齡級枯落物厚度10.9140.867-0.0310.702-0.225-0.1440.1660.077-0.0220.9410.8140.22420.1420.1220.5790.0730.8060.792-0.454-0.501-0.1340.1070.347-0.37130.0550.0210.081-0.1030.3580.3360.8420.8350.2710.014-0.094-0.1374-0.002-0.0180.7330.022-0.142-0.2010.1130.174-0.805-0.037-0.1880.6175-0.017-0.007-0.195-0.2090.111-0.012-0.151-0.0380.468-0.1070.1410.61360.0340.057-0.1420.4790.0540.204-0.0270.0460.2050.074-0.3370.2787-0.018-0.054-0.217-0.0520.2820.3420.0670.065-0.287-0.0230.1440.301

表5 森林健康評價因子表目標層準則層指標層森林健康評價因子結(jié)構(gòu)完整性灌木覆蓋度郁閉度功能穩(wěn)定性自然度森林災害等級平均胸徑系統(tǒng)活力性平均高單位蓄積量(竹株數(shù))

表6 城步苗族自治縣森林小班健康狀況表健康等級數(shù)量占比/%面積/ hm2占比/%Ⅰ4 79811.619 953.867.01Ⅱ12 18229.4930 261.6921.32Ⅲ24 33358.90101 700.6271.66Ⅵ13 35332.3250 857.9435.84Ⅴ6 09314.7527 028.7119.05

圖2 城步苗族自治縣森林健康狀況分布圖

從表6和圖2可知，城步縣的林地小班數(shù)為60759個，總面積達2 019 803 hm2，森林健康狀況較為理想。其中，不健康的森林小班數(shù)為4 798個，占森林總小班數(shù)的7.90%，面積為9 953.86 hm2，占森林總面積的 4.53%，是小班數(shù)和占地面積最少的健康等級，主要分布在縣域的北部和西南部；亞健康的森林小班數(shù)為12 182個，占森林總小班數(shù)的20.05%，面積為30 261.69 hm2，占森林總面積的 13.77%，主要分布在縣域內(nèi)的北部、南部以及中部偏東；較健康的森林小班數(shù)為24 333個，占森林總小班數(shù)的40.05%，面積為101 700.62 hm2，占森林總面積的46.27%，是小班數(shù)和占地面積最大的健康等級，分布在縣域內(nèi)的大部分區(qū)域，以東部、西部和中部最為集中；健康的森林小班數(shù)為13 353個，占森林總小班數(shù)的21.98%，面積為50 857.94 hm2，占森林總面積 的23.14%，集中分布在縣域內(nèi)的中部偏北和中部偏西南；優(yōu)質(zhì)健康的森林小班數(shù)為6 093個，占森林總小班數(shù)的10.03%，面積為27 028.71 hm2，占森林總面積 的12.30%，大多與健康等級的森林小班毗鄰，主要分散在縣域內(nèi)的中部偏北和中部偏西南。

總體而言，城步縣森林健康等級的空間分布存在如下特征：優(yōu)質(zhì)健康和健康等級的森林主要集中在中部偏北和中部偏西南，尤其是中部偏西南區(qū)域為湖南南山國家公園選址所在，人口分布較為稀疏，森林資源豐富且生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性較好；不健康和亞健康的森林主要分布在靠近武岡市的城步縣北部和靠近廣西的西南部，這兩處區(qū)域地勢起伏相對較小，人為活動相對頻繁，森林受干擾程度較大。由此可知城步縣的森林健康水平與人類活動有一定的相關性。

3.3 不同起源的森林健康狀況分析

城步縣天然林在健康等級(健康和優(yōu)質(zhì)健康)以上的面積為46 077.54 hm2，占天然林總面積的37.00%，天然林的健康等級排序為：較健康(52.46%)>健康(25.66%)>優(yōu)質(zhì)健康(11.34%)>亞健康(10.46%)>不健康(0.08%)。人工林在健康等級以上面積為31 809.09 hm2，占人工林總面積的33.39%，人工林的健康等級排序為：較健康(38.17%)>健康(19.85%)>亞健康(18.09%)>優(yōu)質(zhì)健康(13.55%)>不健康(10.35%)。天然林健康狀況要優(yōu)于人工林，這是因為天然林多處于地形復雜的山地，林分生長年限較長，群落結(jié)構(gòu)復雜，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定；而人工林雖然大部分劃入生態(tài)公益林，其生長模式越來越趨近于近自然生長，但由于造林時樹種較為單一，且生長年限低于天然林，群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)也不如天然林穩(wěn)定，故森林健康狀況劣于天然林。

3.4 不同齡組的森林健康狀況分析

各齡組的森林健康狀況如圖3所示。城步縣不同齡組的森林健康等級在健康等級以上的排序如下：過熟林>成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林。過熟林和成熟林的健康狀況比較理想，健康等級以上的面積百分比大于一半，；近熟林和中齡林以健康和較健康等級為主，發(fā)展趨于平穩(wěn)；幼齡林的健康狀況則不太理想，亞健康等級的比例較大。原因可能是過熟林和成熟林的群落結(jié)構(gòu)相對其他齡組較為完善，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且大部分為天然林，人類活動極少，基本沒有森林經(jīng)營活動，因此森林健康程度較高。

圖3 城步苗族自治縣齡組健康狀況分析圖

4 結(jié)論與討論

1) 采用主成分分析法篩選構(gòu)建城步縣森林健康評價體系的指標，通過Matlab構(gòu)建了森林健康評價的SOM神經(jīng)網(wǎng)絡模型，用于計算城步縣森林健康等級，使計算結(jié)果排除主觀因素的干擾，更為客觀準確。從研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)城步縣森林健康狀況較為理想，各森林健康等級排序如下：較健康>健康>亞健康>優(yōu)質(zhì)健康>不健康，健康等級在較健康等級以上的森林占森林總面積的81.70%，不健康的森林面積不大。。呈現(xiàn)優(yōu)質(zhì)健康和健康等級的森林主要集中在城步縣中部偏北和中部偏西南，不健康和亞健康主要零散分布在城步苗族自治縣北部和西南部的空間分布特征，并與人為干擾存在一定的相關性。

2) 天然林的林分生長年限較大，群落結(jié)構(gòu)復雜，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，森林健康狀況相對較好，人工林則因生長年限和人為經(jīng)營管理等諸多因素，森林健康狀況相對較差；過熟林和成熟林也因為群落結(jié)構(gòu)完善，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，其健康狀況優(yōu)于他齡組。由此可知，森林群落結(jié)構(gòu)的完整性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是影響森林健康程度的主要因素。