森林健康預警體制探究

1、森林健康預警體制探究 作者：郭峰 陳麗華 汲文憲 宋恒川 單位：北京林業(yè)大學水土保持學院 1材料與方法 1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于灤河上游的河北省圍場滿族蒙古族自治縣境內(nèi)(41度47′42度06′n，116度51′117度45′e)，地處陰山山脈、大興安嶺山脈余脈向西南延伸和燕山山脈的結合部，海拔7501829m，自然坡度為1/150度1/350度。該地屬大陸性季風型高原山地氣候。年均氣溫-1.44.7，無霜期67128d，年均降水量380560mm，主要集中在68月，占全年降水量的69%。年均蒸發(fā)量1462.91556.8mm，平均相對濕度63

2、%。林管局林區(qū)土壤包括棕壤、褐土、風砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土和黑土等7個土類，土壤發(fā)育層次不明顯，含石礫較多，一般土層厚度約40cm。北溝林場是木蘭林管局10個直屬林場之一，林場總經(jīng)營面積約5730hm2，其中林地面積5000hm2，活立木蓄積2.84x105m3，森林覆蓋率88%。森林以天然次生林和人工林為主，主要喬木樹種有白樺（betulaplatyphylla）、油松（pinustabulaeformis）、華北落葉松（larixprincipis-rupprechtii）、山楊(populusdavidiana)、蒙古櫟(quercusmongolica)、五角楓（acertr

3、uncatum）、榆樹（ulmusspp）等；主要灌木有山杏（prunussibirica）灌叢、繡線菊（spiraeasalicifolia）灌叢、照山白（rhododendronmicranthum）灌叢、平榛（corylusmandshurica）灌叢和沙棘（hippophaerhamnoides）灌叢等。 1.2研究方法經(jīng)過全面踏勘，于2009年8月在河北省圍場縣木蘭圍場林管局北溝林場天然次生林內(nèi)設置4hm2典型樣地，樣地設在山地深處（海拔1350m），地理位置較偏僻（坡度19度，坡向南偏東8度），人為干擾程度較輕。該次生林樹齡為39年，平均胸徑15.33cm，平均數(shù)高11.3m，郁閉

4、度90%。將林地分為100個小班，每個小班的面積是20mx20m，對每個小班喬灌草進行常規(guī)外業(yè)調(diào)查。對喬木層進行調(diào)查，對胸徑大于5cm的樹木進行定位，記錄每株樹木的坐標、胸徑、樹高、冠幅等。灌木調(diào)查采用10mx10m小樣方進行，記錄灌木的種類、高度、地徑、分布狀況等。草本調(diào)查采用1mx1m小樣方進行，記錄草本的種類、高度、蓋度、生長狀況等；在樣地內(nèi)挖掘土壤剖面，將土壤樣品帶回研究分析。 2結果與分析 2.1森林健康預警指標體系的建立森林生態(tài)系統(tǒng)的結構決定功能的穩(wěn)定性。健康的森林是一個結構優(yōu)化、功能穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮其生態(tài)、經(jīng)濟和社會功能。對森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行預警，預警指標體系的

5、建立是首要和關鍵的步驟，預警指標體系建立的好壞直接關系到預警的科學性和準確程度。 2.1.1指標選取根據(jù)指標科學性、代表性、可操作性和系統(tǒng)性的構建原則，在分析和整理國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎上5-7，結合北溝林場的實際情況，采用復合結構功能指標法，本著科學性、代表性、可操作性和系統(tǒng)性的原則，初步構建北溝林場天然次生林森林健康預警指標體系（表1）。 2.1.2指標篩選由于森林健康預警指標之間多存在相關性，即包含重復的信息，因此用較少的綜合指標分別表示存在于各指標間的各類信息是有可能的，需要進行進一步的篩選。本研究采用定量和定性相結合的方法，對各指標進行篩選。（1）定量篩選。由于森林健康預警指標多且

6、復雜，指標間存在相關性，需要找到一個合理的方法，減少分析指標的同時，盡量減少原指標包含信息的損失，對所收集的資料作全面的分析。由于各變量間存在一定的相關關系，因此有可能用較少的綜合指標分別綜合存在于各變量中的各類信息。應用spss19.0中文版軟件中的分析/降維/因子分析過程對森林健康各預警指標進行分析，輸出結果見表2、表3。從主成分的統(tǒng)計信息(表2)可以看出，相關矩陣的第1個特征值為6.213，第1個特征根的貢獻率為31.602%；前4個主成分的累計方差貢獻率已超過85%，因此取前4個主成分作為綜合預警指標，可以準確地描述原變量的信息，符合統(tǒng)計學的原理。從因子載荷矩陣表（表3）可以看出，群落

7、層次結構、郁閉度、林分生物量、葉面積指數(shù)、森林病蟲害程度在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分基本反映了這些指標的信息；森林病蟲害程度、森林火險等級在第二主成分上有較高的載荷，說明第二主成分基本反映了這2個指標的信息；葉面積指數(shù)在第三主成分上有較高載荷，說明第三主成分基本反映了這個指標的信息。第四主成分則可作為物種多樣性的描述指標。提取的4個主成分基本可以反映全部指標的信息，因此用這4個綜合變量代替原來的12個變量來進行分析是合理的。（2）定性篩選?？紤]到指標的可操作性和應用性，在通過數(shù)學統(tǒng)計軟件對指標體系進行定量篩選后，還應對指標結合定性分析進行篩選，以篩選出內(nèi)容全面且信息不重復的指標，從

8、而更好地滿足加法合成對預警指標的要求，得出更為準確、合理的預警結果。群落層次結構、物種多樣性8、郁閉度9、葉面積指數(shù)是反映群落特性的重要指標，應完整保留，用這4個指標共同反映林分的群落特性。森林火險等級和森林病蟲害程度能夠間接反映森林的抵抗力和恢復力，應予以保留，作為穩(wěn)定性指標可全面反映森林恢復力和抵抗力。綜上所述，通過定量和定性篩選，森林健康預警指標體系包括2個警兆指標和4個基質(zhì)指標。警兆指標包括森林病蟲害程度、森林火險等級；基質(zhì)指標包括群落層次結構、郁閉度、物種多樣性、葉面積指數(shù)。 2.2bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型的構建 2.2.1基本原理rumenlhart等10于1985年提出了誤差反傳遞算法，

9、簡稱bp算法，它由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個過程組成。輸入層各神經(jīng)元負責接收來自外界的輸入信息，并傳遞給中間層各神經(jīng)元；中間層是內(nèi)部信息處理層，負責信息變換，根據(jù)信息變化能力的需求，中間層可設計為單隱層或者多隱層結構；最后一個隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息，經(jīng)進一步處理后，完成一次學習的正向傳播處理過程，由輸出層向外界輸出信息處理結果。當實際輸出與期望輸出不符時，進入誤差的反向傳播階段。誤差通過輸出層，按誤差梯度下降的方式修正各層權值、向隱層、輸入層逐層反傳。周而復始的信息正向傳播和誤差反向傳播過程，是各層權值不斷調(diào)整的過程，也是神經(jīng)網(wǎng)絡學習訓練的過程，此過程一直進行到網(wǎng)絡輸出的誤差減

10、少到可接受的程度，或是預先設定的學習次數(shù)為止10-11。#p#分頁標題#e# 2.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡基本參數(shù)（1）隱含層構造。隱含層數(shù)目越多，bp網(wǎng)絡的非線性映射能力越強。但是隱含層數(shù)目不宜過大，否則會降低網(wǎng)絡的性能。由于單隱層的bp神經(jīng)網(wǎng)絡可以逼近一個任意的連續(xù)非線性函數(shù)，因此采用單隱層的網(wǎng)絡10。隱含層神經(jīng)元結點數(shù)應同時滿足條件2：2mnm姨wnr（10）姨式中，m為隱含層神經(jīng)元數(shù)，n為輸入層神經(jīng)元數(shù)，w為輸出層神經(jīng)元數(shù)，r(10)為010之間的任意數(shù)。在北溝林場的森林健康預警指標中，輸入層包括3個神經(jīng)元，輸出層包含1個神經(jīng)元，所以隱含層神經(jīng)元節(jié)點數(shù)為212。（2）選擇訓練函數(shù)。本研究采用tr

11、ainlm函數(shù)對預警模型進行訓練，主要訓練參數(shù)為目標誤差、訓練步長、最大訓練次數(shù)和學習速率，其值分別是0.02、50、10000、0.012。 2.2.3模擬結果精度檢驗采用spss19.0中的分析/回歸/線性過程對森林健康預警預測值與實測值進行線性回歸檢驗，結果見表4、表5。從表4可以看出，實測值與預測值之間存在直線關系。由表5可知，回歸系數(shù)達到顯著水平，且回歸方程為：y=0.825x+0.188，實測值與預測值的兩種結果可以擬合。 2.3綜合預警模型的建立 2.3.1預警基質(zhì)評價模型以小班為單位，應用以下數(shù)學模型對北溝林場天然次生林森林生態(tài)系統(tǒng)進行森林健康預警基質(zhì)評定12。統(tǒng)計結果見表6。

12、式中，fi為第i號小班森林健康預警基值得分，pij為第i號小班第j個指標森林健康等級得分，rj為第j個指標的權重，i為小班號，j為森林健康預警指標。 2.3.2指標權重的計算指標的權重對森林健康預警基值的評價結果有著重要影響，合理計算指標權重是森林健康預警基值評價過程中非常重要的一步。指標的權重不能用數(shù)學的方法直接求得。本研究在參考前人研究的基礎上，采用層次分析法來推算各個指標的權重(表7)。 2.3.3預警基值評價標準在建立森林健康預警指標體系后，需要確定各項預警指標的等級和具體量化范圍，再對森林進行預警基值評價。因此，結合北溝林場天然次生林森林結構與功能的特點，總結當前國內(nèi)外森林健康研究的

13、成果，將森林健康預警基值評價的各項指標劃分為5個等級，級域值范圍分別為80100、6079、4059、2039分和20分以下5(表8)。 2.4北溝林場天然次生林森林健康綜合預警警限的劃分可以提高預警的準確性，并且可以預防誤警和漏警的發(fā)生2。結合國內(nèi)外，對森林健康預警指標的各單項指標進行劃分等級，將各預警指標分為無警、輕警、中警、重警和巨警共5個警度13-19(表9)。采用matlab7.13軟件的人工神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱進行森林健康預警，預警統(tǒng)計結果見表10。由統(tǒng)計結果可知，在100個森林小班中，綠色警戒的森林小班有25個，面積為10000m2，占樣地總面積的25.00%。其林分的垂直結構復雜、林

14、齡較大、生物多樣性高、葉面積指數(shù)高，具有很高的生產(chǎn)能力，森林火險等級低，抗病蟲害能力強。藍色警戒的森林小班有48個，面積為19200m2，占樣地總面積的48.00%。其林齡適中，生物多樣性較高，垂直結構較復雜，抗病蟲害的能力較強，森林火險等級較高。黃色的森林小班有21個，面積為8400m2，占樣地總面積的21.00%。其林分結構相對簡單，林齡最老，葉面積指數(shù)低，抗病蟲害的能力中等，森林火險等級較高。橙色警戒的森林小班有6個，面積為2400m2，占樣地總面積的6.00%，結構最簡單，林齡最幼，葉面積指數(shù)較低，主要是荒山荒地，生產(chǎn)力較低，病蟲危害嚴重?？傮w上看，北溝林場天然次生林森林健康預警狀況整體處于綠色警戒和藍色警戒，健康狀況良好。 綜上所述，北溝林場天然次生林處于健康狀態(tài)，必須加大這一地區(qū)的森林經(jīng)營，使得森林朝著復層、異齡、混交林結構、具有比較發(fā)達的灌木層和草本層的方向發(fā)展，只有這樣的森林結構才具有較高的穩(wěn)定性、抗干擾性和活力，也是健康森林群落的理想結構。 3結語 本研究按照科學性、代表性、可操作性、系統(tǒng)性的原則，利用實地調(diào)查的數(shù)據(jù)指標以及通過計算可推演得到的與森林生態(tài)系統(tǒng)健康預警密切相關的重要指標，構建了北溝林場天然次生林森林生態(tài)系統(tǒng)健康預警指標體系：包括2個警兆指標和4個