基于結構方程模型的大興安嶺北部天然林森林生態系統恢復能力評價研究

薩如拉,王子瑞,滑永春,呼日查,劉 磊,高明龍,于曉雨

(內蒙古農業大學林學院,內蒙古 呼和浩特 010019)

森林作為陸地生態系統的主體,具有固碳釋氧、水源涵養等多種生態功能[1]。近年來,由于人為干擾導致原本穩定的森林生態系統遭到破壞[2],致使森林生態系統朝著生物多樣性降低、物質流動減少的方向發展[3]。森林生態系統的退化是當前全世界范圍內所面臨的主要問題[4-5]。針對退化森林生態系統的相關研究較多,相關學者對其恢復效果的定性定量評價也展開了分析研究。有學者利用層次分析法確定了江西德興地區闊葉林生態系統恢復評價指標權重,得出森林生態系統的穩定性和物種多樣性是影響生態恢復的關鍵因素[6];組合賦權法也曾用于確定森林生態系統恢復力評價指標權重,通過空間疊加計算蓮花縣森林生態系統恢復力,研究得出森林生態系統恢復力主要受內部儲存的影響[7],但是層次分析法和組合賦權法均具有很大的缺陷,其主觀性較強,而且容易忽視指標間的互相影響[8]。這些研究成果在一定程度上推進了森林生態系統恢復能力評價的發展,但是所采用的評價方法較為主觀,所以評價結果會有一定的偏差,需采用全新的方法對森林生態系統恢復能力評價方法進行探索。本研究運用結構方程模型對森林生態系統恢復能力進行賦權,其優點是可以兼顧可觀測變量和不可觀測變量的研究,同時可以研究變量之間的直接影響和間接影響,并允許指標中存在測量誤差[9],具有能夠克服多種共線性的影響,以及能夠充分提取指標信息的能力[10]。

大興安嶺林區是我國唯一位于寒溫帶的森林生態系統,是我國北方重要的生態屏障[11]。因大興安嶺林區遭受到多次干擾和破壞,使其明亮針葉林頂極群落退化形成了大面積的次生林[12]。本研究以森林生態系統恢復能力為評價尺度,以森林生產力要素、林分結構要素、氣候要素和立地類型要素為一級指標,利用結構方程模型的優點構建科學的評價指標體系,對大興安嶺林區森林生態系統恢復能力進行評價。探明大興安嶺森林生態恢復過程中森林生態系統結構、功能、氣候和立地類型情況的動態變化,篩查出影響大興安嶺生態系統恢復能力的關鍵因素,為大興安嶺森林生態系統功能提升和實現森林可持續經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于大興安嶺北部原始林區(121°12′～127°00′E,50°10′～53°33′N),海拔233～1 087 m,屬于典型的寒溫帶季風氣候,年均氣溫-5.4 ℃,年均降水量200～500 mm,雨季集中在6—8月。大興安嶺地區主要土壤類型為棕色針葉林土、暗棕壤、草甸土、沼澤土、石灰土。該地主要喬木樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等,林下以越橘(Vacciniumvitisidaea)、杜香(Ledumpalustre)和草類為主。

1.2 樣地設置與調查

樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息

在全面踏查的基礎上,于2017—2021年在大興安嶺林區選擇典型林分,采用機械抽樣和公里網格的方法設置樣地96塊,記錄樣地GPS坐標、坡度、坡向、坡位、海拔等因子。樣地面積為30 m×30 m,在樣地范圍內以5 cm為起測胸徑,記錄各樣地林分調查因子,包括樹種、胸徑、樹高、冠幅等。在樣地中對角處設置2個10 m×10 m的灌木樣方,調查灌木的物種、株數、相對蓋度、高度和地徑等。在灌木樣方中的3個角分別設置3個1 m×1 m草本樣方進行草本調查,包括物種、株數、相對蓋度、高度等。

1.3 數據來源

土壤數據來源于世界土壤數據庫(www. fao. org /faostat / en / #data.),空間分辨率為30 m,利用樣地經緯度坐標讀取3個土壤數據,包括土壤容重、土壤飽和度、有機碳含量。

氣候數據來源于世界氣候數據庫(www.worldclim.org),空間分辨率為30 m,利用樣地經緯度坐標讀取4個氣候數據,包括年均氣溫、年均降水量、蒸散量、短波輻射凈強度。

1.4 評價方法

1.4.1 大興安嶺森林生態系統恢復能力評價指標權重的確定方法

采用結構方程模型對森林生態系統恢復能力指標進行權重確定,結構方程模型是一種可以全面考量潛變量與觀測變量、潛變量與潛變量之間作用關系的研究方法[13]。在結構上,可以根據變量之間的關系分為測量模型[式(1)(2)]和結構模型[式(3)]兩部分[14]:

X=ΛXξ+δ;

(1)

Y=ΛYη+ε;

(2)

η=Bη+Гξ+ζ。

(3)

式中:外因測量變量X為p×1階向量;外因潛變量ξ為m×1階向量;ΛX為X在ξ上的因子荷載矩陣,是p×m階矩陣;δ為測量誤差;內因測量變量Y為q×1階向量;內因潛變量η為n×1階向量;ΛY為Y在η上的因子荷載矩陣,是q×n階矩陣;ε為測量誤差;B為表示內生潛變量間的回歸系數;Г表示外因潛變量對內因潛變量之間的回歸系數;ζ為測量誤差。

利用大興安嶺森林生態系統恢復能力評價的結構方程模型可進行指標權重的確定,指標權重的確定過程大致可以分為構建理論模型、提出研究假設、信度與效度檢驗、模型適配度評估4個步驟。

1)構建理論模型。

結合本研究區的實際情況,將森林生產力、林分結構、氣候因子、立地類型4個指標作為森林生態系統恢復能力評價的準則層;將平均樹高、平均胸徑、單位面積蓄積量、平均冠幅、株數密度、大小比數、混交度、角尺度、年均氣溫、年均降水、短波輻射凈強度、蒸散量、海拔、坡度、有機碳含量、土壤容重、土壤飽和度作為森林生態系統恢復能力評價的指標層。為了避免各個潛變量和觀測變量之間存在信息冗余和重疊[15],利用MPLUS軟件對潛變量和觀測因子進行區分效度檢驗,以此構建森林生態系統恢復能力評價指標體系,從而科學合理地評價森林生態恢復能力。

2)提出研究假設。

在進行模型實證分析之前,根據國內現有的森林生態系統恢復評價理論[16],以及研究區的實際情況[17],提出下列假設:H1,森林生產力對森林生態系統恢復能力有顯著正向影響;H2,林分結構對森林生態系統恢復能力有顯著正向影響;H3,氣候因子對森林生態系統恢復能力有顯著正向影響;H4,立地類型對森林生態系統恢復能力有顯著正向影響。

3)信效度檢驗。

采用克朗巴哈和KMO檢驗對數據進行信效度檢驗,以此來判斷數據能否作為結構方程模型的建模數據。

4)模型適配度評估。

采用MPLUS 8.0軟件對提出的研究模型進行檢驗。選取了卡方(χ2)自由度(df)比(χ2/df)、比較擬合指數(CFI)、非標準擬合指數(TLI)、近似誤差均方根(RMSEA)和標準化殘差均方根(SRMR)等指標來衡量模型的擬合情況。

1.4.2 森林生態系統恢復能力評價指標評分標準的確定方法

本研究以大興安嶺森林的實地情況為基礎,利用K-means聚類分析法對森林生態系統恢復能力評價指標體系中的17個觀測變量按照由優到差進行分級,將其分為5個等級,進而對觀測變量進行加權賦值,劃分結果見表2。

表2 森林生態系統恢復能力評價指標評分標準

1.5 森林生態系統恢復能力評價指標合理性檢驗

為了確保各潛變量、觀測變量之間不存在相互包含或者重復的問題,運用MPLUS 8.0軟件首先對各指標進行區分效度檢驗。

1)對于森林生產力下面的5個變量即平均樹高、平均胸徑、單位面積蓄積量、平均冠幅、株數密度進行驗證性因子分析(CFA),結果為:χ2為4.851,近似誤差均方根<0.001,標準化均方根殘差為0.030,比較擬合指數(CFI)為1.000, 非標準擬合指數(TLI)為1.003。這表明5個變量之間具有良好的區分效度(可以被顯著區分為5個不同的變量),可以構成森林生產力,并互不重復影響。

2)對于林分結構下面的3個變量即大小比數、混交度、角尺度,CFA結果為(最優模型):χ2<0.001,近似誤差均方根與標準化均方根殘差均小于0.001,CFI為1.000, TLI為1.000。這表明3個變量之間具有良好的區分效度(可以被顯著區分為3個不同的變量),可以構成林分結構,并互不重復影響。

3)對于氣候因子下面的4個變量即年均氣溫、年均降水、蒸散量、短波輻射凈強度,CFA結果為:χ2為1.972,近似誤差均方根小于0.001,標準化均方根殘差為0.020,CFI為1.000, TLI為1.001。這表明4個變量之間具有良好地區分效度(可以被顯著區分為4個不同的變量),可以構成氣候因子,并互不重復影響。

4)對于立地類型下面的5個變量,即海拔、坡度、有機碳含量、土壤容重、土壤飽和度,CFA結果為:χ2為8.630,近似誤差均方根為0.087,標準化均方根殘差為0.045,CFI為0.951, TLI 為0.903。這表明5個變量之間具有良好的區分效度(可以被顯著區分為5個不同的變量),可以構成立地類型,并互不重復影響。

5)對二階的4個維度,即森林生產力、林分結構、氣候因子和立地類型,CFA結果為:χ2為134.335,近似誤差均方根為0.044,標準化均方根殘差為0.067,CFI為0.956, TLI為0.947。這表明4個維度之間具有良好的區分效度,可以構成生態恢復能力,并互不重復影響。

根據上述結果,可以看出森林生態系統恢復能力評價的指標能夠被很好地區分開來,不存在大量信息冗余。

1.6 森林生態系統恢復能力評價評分值的確定

生態系統恢復能力綜合評分計算公式如下:

(4)

式中:A為生態系統恢復能力綜合評分值;Wi為權重;且Wi≥0,∑Wi=1;W1、W2、W3、W4分別代表著森林生產力要素、林分結構要素、氣候因子要素、立地類型要素的權重;B1、B2、B3、B4分別代表著森林生產力要素、林分結構要素、氣候因子要素和立地類型要素的得分值。

森林生態系統恢復能力綜合得分值符合正態分布,可以使用等距劃分法來確定森林生態系統恢復能力的等級臨界值[18]。采用等距劃分法對森林生態系統恢復能力進行等級劃分,劃分為差、較差、良好、較好、優5個等級,各等級對應的分值分別為[1.50,1.92)、[1.92,2.34)、[2.34,2.76)、[2.76,3.18)、[3.18,3.60)。

2 結果與分析

2.1 森林生態系統恢復能力評價結構模型

2.1.1 建模數據的信效度檢驗

森林生產力、林分結構、氣候因子和立地類型的克朗巴哈系數分別為0.762、0.715、0.803和0.701;森林生產力、林分結構、氣候因子和立地類型的KMO檢驗系數分別為0.791、0.677、0.768和0.720(表3)。4個準則層變量的克朗巴哈系數和KMO檢驗系數高于可接受的最低值[19],說明各變量之間存在相關性,數據通過信效度檢驗,可進行后續研究使用。

表3 樣本數據信效度檢驗統計量

2.1.2 森林生態系統恢復能力評價結構方程適配度

運用MPLUS 8.0軟件對理論模型進行二階驗證性因子分析,結果表明,測量模型擬合結果良好:χ2/df= 1.220,RMSEA為0.048,SRMR 為0.071,CFI為0.948, TLI為 0.938。由于卡方自由度比越低越好,CFI和TLI的適用標準大于0.9,RMSEA和SRMR的最低接受標準為小于0.09,因此該測量模型適配度均滿足臨界值要求,說明4個準則層變量的指標體系以及邏輯關系整體是合理可信的。

各路徑系數均呈顯著正相關,即P<0.01,表明4個準則層變量與森林生態系統恢復能力存在因果關系。同樣,17個觀測變量與4個準則層變量之間也存在因果關系。說明森林生產力、林分結構、氣候因子和立地類型是影響森林生態系統恢復能力的重要因素,同樣也說明17個觀測變量是影響4個準則層變量的重要因素。

變量森林生產力要素、林分結構要素、氣候因子要素和立地類型要素與森林生態系統恢復能力之間的載荷系數分別為1.076、0.610、0.814和0.675(圖1),這4個值均大于0,說明森林生產力要素、林分結構要素、氣候因子要素和立地類型要素存在極顯著正向相關關系,符合上述提出的假設。觀測變量平均樹高、平均胸徑、單位面積蓄積量、平均冠幅、株數密度與森林生產力之間的載荷系數分別為0.590、0.686、0.648、0.607、0.593;觀測變量大小比數、混交度、角尺度與林分結構要素之間的載荷系數分別為0.639、0.715、0.686;觀測變量年均氣溫、年均降水量、蒸散量、短波輻射凈強度與氣候因子之間的載荷系數分別為0.862、0.653、0.713、0.628;觀測變量海拔、坡度、有機碳含量、土層容重、土壤飽和度與立地類型要素之間的載荷系數分別為0.621、0.655、0.597、0.547、0.435;通過以上載荷系數可知,4個準則層變量與森林生態系統恢復能力之間的關系為極顯著正相關;4個準則層變量與17個觀測變量之間的關系同樣也為極顯著正相關(P>0.01)。

***.P<0.01極顯著正相關extremely significant positive eorrelation; n1—n4為潛變量的殘差項residual term of latent variable;e1—e17為可觀測變量的殘差項residual term of observable variables。圖1 結構方程路徑圖Fig. 1 Structural equation path diagram

2.2 森林生態系統恢復能力評價指標權重確定

基于結構方程模型的路徑圖中的各路徑系數,通過加權平均的方式計算權重系數,從而得出森林生態系統恢復能力各指標權重結果見表4。

表4 森林生態系統恢復能力指標權重計算結果

由表4可知,森林生產力在4個準則層變量中所占權重最大,為0.339,這說明森林生產力對森林生態系統恢復能力的影響最大,是制約森林生態系統恢復能力的關鍵因素。林分結構、氣候因子和立地類型的權重分別為0.192、0.256和0.213。在森林生產力要素中觀測變量平均胸徑的權重最大,為0.220,說明平均胸徑是影響森林生產力要素的決定因素;在林分結構要素中觀測變量混交度的權重最大,為0.350,說明混交度是影響林分結構要素的決定因素;在氣候因子要素中觀測變量年均氣溫權重最大,為0.302,說明年均氣溫是影響氣候因子要素的決定因素;在立地類型要素中坡度的權重最大,為0.229,說明坡度是影響立地類型要素的決定因素。

森林生態系統恢復能力評價結果見表5。

表5 森林生態系統恢復能力評價綜合得分值

96塊樣地的森林生態系統恢復能力評價的綜合分值處于1.70～3.53,其中等級為“較差”的占比最大,為36塊樣地,占總數的37.5%;“差”為24塊樣地,占總數的25.0%;“良好”為20塊樣地,占總數的20.8%;“較好”為14塊樣地,占總數的14.6%;“優”為2塊樣地,占總數的2.1%?；旖涣稚鷳B系統恢復能力評價綜合得分較高,其中25塊樣地的綜合得分超過相關臨界值2.34[18],占混交林樣地總數的40.3%;純林樣地中有11塊樣地的綜合得分超過2.34,占純林樣地總數的32.4%。從整體上可以得出,2種森林的生態系統恢復能力等級為混交林>純林。

3 討 論

森林退化導致森林生態系統功能的退化日益嚴重,恢復退化森林生態系統、提高森林生態系統功能成為改善森林環境問題的關鍵。目前許多學者在這方面的研究取得了一定的進展,但在權重的確定上還存在許多爭議,因此采用客觀合理的權重確定方法仍然是學者們需要解決的難題。本研究以森林生產力、林分結構、氣候因子和立地類型為一階因子,以森林生態系統恢復能力為二階因子,利用結構方程模型確定森林生態系統恢復能力評價指標權重,與層次分析法[6]和組合賦權法[7]等方法相比,結構方程模型確定權重的方式更加客觀,評價結果更加簡便。從結果來看,研究區96塊樣地中有36塊樣地的森林生態系統恢復能力處于較差的狀態,這與相關研究結果一致[12]。從森林生態系統恢復能力指標權重中可以得出,森林生產力所占權重最大,說明森林生產力是影響森林生態系統恢復能力評價的關鍵因素,與戰金艷等[7]的研究成果一致。因此為提高森林生產力,需通過合理的林分改造措施,在增強生物多樣性的同時能夠顯著增加單位面積林分的生產力[20-21],通過合理的采伐措施后,林木株數減少,林分密度減少,降低了樣方內的胸徑等級數和樹高等級數,林分結構異質性降低,同時保留木可擁有較為充足的生長空間和養分供給,有效地降低了個體間的競爭,促進保留木的生長發育[22],通過提高林分生產力對森林生態恢復能力進行改善。氣候因子是影響森林生態系統恢復能力評價的次要因素,不同氣候條件對森林生態系統恢復能力具有顯著的正向影響。目前,隨著全球氣候變暖,森林生態系統恢復能力也隨之發生變化,許多研究表明適應性森林管理是應對氣候變化的最有效的方式之一[23],加強對天然林的保護,適度補植,控制合理的林分密度,制定科學的森林經營政策,提高森林對氣候變化的適應性,進而提高森林生態系統恢復能力[24]。同時,本研究發現,在立地類型要素中,坡度所占權重最大,這是因為林分生長所需的養分和水分會隨著坡度的增加而減少[9],導致森林生態系統恢復能力較弱,所以需要對坡度較大的林分進行保護,避免森林生態系統被人為破壞后難以恢復。在結構要素中,混交度所占權重最大,說明林分中林木混交度越高,林分空間結構越優[25-27],因此采取合理的改造措施,改良原有森林結構,有助于提高森林生態系統的功能恢復能力。

進一步分析表明,混交林生態恢復能力評價綜合得分較高,究其原因,樹種單一的純林與樹種復雜的混交林相比,林分土壤肥力會降低,生物多樣性減少,使得林分抗逆性降低,導致林分抵御災害能力和生態恢復能力降低[28];而混交林充分利用了林分空間,其水平結構和垂直結構更為復雜,樹冠分層現象更為明顯,林內光照的利用率更高,林內光照強度隨高度減小逐漸減弱,林內直射光比例較低,散射光比例更高且分布合理。同時,混交林地表覆蓋的森林枯落物相較純林數量更大,成分更復雜,更有利于土壤微生物數量和種類的增加。森林枯落物分解后,可以改良土壤,并有效提高土壤理化性質。因此,需以混交林中綜合得分為優的林分為參照,對純林進行改造,以此來提高純林林分的生態恢復能力。

本研究以林分尺度對大興安嶺森林生態系統恢復能力進行評價,林分尺度評價關注的是林分的完整性、穩定性和可持續發展方向,單木尺度評價則更多地關注林木根部、干形、樹冠等特征要素。林分尺度對森林生態系統恢復能力評價是屬于對林分進行宏觀上的評價,無法做到單木尺度對林分進行微觀上的評價,所以對森林生態系統恢復能力評價還存在缺陷。因此在以后對于森林生態系統恢復能力評價中,需要采用將林分尺度和單木尺度相結合的方式進行評價。

綜上所述,科學合理的森林經營措施將提高林分生產力、優化林分結構、改善立地條件,以及優化保育保護等多方面,進而調節森林生態系統總體狀況,提高退化森林生態系統功能恢復能力。需要進一步開展可持續經營決策對退化森林生態系統功能恢復的作用機制方面的研究。

4 結 論

1)通過96塊樣地的評價結果對大興安嶺國有林區森林現狀有了全面了解。在森林生產力、林分結構、氣候因子、立地類型4個變量中森林生產力對森林生態系統恢復能力的影響最大,林分結構、氣候因子和立地類型對森林生態系統恢復能力的影響相對較小,因此提高大興安嶺森林生態系統恢復能力,需要加強對森林生產力的建設。

2)大興安嶺地區2種森林的生態系統恢復能力呈現出混交林>純林,即混交林有利于森林生態系統恢復能力的提升。評價結果客觀地反映了大興安嶺地區2種森林的生態系統恢復能力。