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侧柏人工林林分结构与色彩斑块间的耦合关系

赵凯 李金航 徐程扬

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侧柏人工林林分结构与色彩斑块间的耦合关系

    作者简介: 赵凯。主要研究方向:城市林业。Email:664366440@qq.com  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院.
    通讯作者: 徐程扬,博士,教授。主要研究方向:公益林、城市林业培育理论与技术。Email:cyxu@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 基金项目:

    林业公益性行业重大项目 20140430102

  • 中图分类号: 731.3

Coupling relationship between stand structure and color patch of Platycladus orientalis plantations

  • 摘要: 目的 色彩是森林景观中最易影响感官的信息要素,也是衡量景观质量高低的重要指标,而林分结构是影响林内景观质量的重要因子。本文旨在通过林分结构与色彩斑块的耦合关系,对北京山区侧柏人工风景林林内景观质量的影响机理进行探讨。方法 采用主成分分析构建林分结构因子,通过灰色关联度分析研究林分结构与景观色彩斑块的耦合关联程度,并结合单因素方差分析和多重比较的方法研究两者间的变化规律。结果 (1) 4个因子对林分结构的影响程度依次为:林内空间因子>植被生长因子>林木高度因子>林内竞争因子。(2)林分结构与景观色彩斑块的耦合关联度为0.6,属弱协调程度。其中,相关关系耦合度较大的指标包括:林内空间因子与色彩最大斑块比例(LPI)和斑块色彩多样性(SHDI)、植被生长因子与色彩斑块分离度(SPL)和色彩对比度(CPC)、林木高度因子与SHDI、SPL和CPC、林内竞争因子与色彩斑块亮度(CPB)。(3)植被生长仅在中低水平上对LPI有显著影响;林下相对高度仅在较高水平时对CPB和CPC有显著影响;而林内竞争程度在中低水平上对CPB和CPC有显著影响,在较高水平上对SPL有显著影响。结论 侧柏人工风景林林内景观色彩斑块与林分结构属中等关联程度,林分结构因子对色彩斑块的影响存在差异:不同林分结构因子所影响的色彩斑块指标、同一林分结构因子在不同水平上所影响的色彩斑块指标以及对色彩斑块的影响程度不尽相同,两者间存在相对复杂的耦合关系。
  • 图 1  不同林分结构特征的样地的比较

    Figure 1.  Comparison of sample plots of different forest structure features

    图 2  色彩斑块指标在不同林分结构因子等级间的多重比较

    Figure 2.  Multiple comparison of color patch index between different stand structure factor levels

    表 1  系统耦合协调度标准

    Table 1.  System coupling coordination standard

    协调度
    Coordination degree
    0≤C<0.4 0.4≤C<0.5 0.5≤C<0.6 0.6≤C<0.7 0.7≤C<0.8 0.8≤C<0.9 0.9≤C≤1.0
    协调评价
    Coordination assessment
    严重不协调
    Serious disharmony
    中度不协调
    Moderate disharmony
    轻度不协调
    Mild disharmony
    弱协调
    Weak coordination
    中度协调
    Moderate coordination
    良好协调
    Good coordination
    优质协调
    Quality coordination
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    表 2  林分结构指标间相关性分析

    Table 2.  Correlation analysis of stand structure indexes

    指标Index X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12
    X1 1.00
    X2 0.83** 1.00
    X3 0.69** 0.82** 1.00
    X4 -0.63** -0.78** -0.65** 1.00
    X5 0.64** 0.55** 0.45** -0.41** 1.00
    X6 -0.23 -0.20 -0.17 0.09 -0.10 1.00
    X7 0.49** 0.55** 0.51** -0.37** 0.35* -0.10 1.00
    X8 -0.18 -0.47** -0.26 0.52** -0.10 0.31* -0.13 1.00
    X9 -0.02 0.00 -0.31* -0.19 -0.10 0.25 -0.04 -0.24 1.00
    X10 0.19 0.22 0.14 -0.19 0.17 0.75** 0.50** 0.13 0.28 1.00
    X11 0.06 0.00 0.12 0.08 0.13 -0.64** 0.07 0.00 -0.54** -0.55** 1.00
    X12 -0.13 -0.19 -0.36* 0.04 -0.11 0.68** -0.12 0.07 0.57** 0.55** -0.72** 1.00
    注:*表示在0.05水平上显著相关; **表示在0.01水平上极显著相关。X1代表平均树高,X2代表平均胸径,X3代表平均冠幅,X4代表林分密度,X5代表平均活枝下高,X6代表灌木盖度,X7代表草本盖度,X8代表灌木高度,X9代表草本高度,X10代表灌草盖度,X11代表透视距离,X12代表郁闭度。下同。Notes: * indicates a significant correlation at the level of 0.05; ** indicates an extremely significant correlation at the level of 0.01. X1 represents average tree height, X2 represents average DBH, X3 represents average canopy width, X4 represents stand density, X5 represents average height under active branches, X6 represents shrub coverage, X7 represents herb coverage, X8 represents shrub height, X9 represents herb height, X10 represents shrub and herb coverage, X11 represents perspective distance,X12 represents canopy closure. The same below.
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    表 3  主成分分析

    Table 3.  Principal component analysis

    指标
    Index
    主成分因子Principal component factor
    F1 F2 F3 F4
    X1 -0.084 0.489 0.763 -0.163
    X2 -0.075 0.692 0.528 -0.389
    X3 -0.194 0.810 0.345 -0.087
    X4 -0.024 -0.530 -0.409 0.580
    X5 -0.022 0.182 0.894 0.039
    X6 0.877 -0.012 -0.096 0.240
    X7 0.095 0.801 0.145 -0.001
    X8 0.184 -0.184 -0.003 0.855
    X9 0.544 -0.279 0.020 -0.632
    X10 0.842 0.447 0.083 0.118
    X11 -0.801 0.010 0.142 0.066
    X12 0.819 -0.332 0.068 -0.147
    方差Variance 3.181 2.75 2.008 1.752
    方差贡献率Variance contribution rate 26.51% 22.92% 16.73% 14.60%
    累积贡献率Cumulative contribution rate 26.51% 49.43% 66.16% 80.76%
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    表 4  林分结构因子与色彩斑块因子耦合作用矩阵

    Table 4.  Coupling matrix of stand structure factors and color patch factors

    林分结构因子
    Stand structure factor
    因子权重
    Factorweight
    指标构成
    Index composition
    指标权重
    Index weight
    综合权重
    Comprehensive weight
    色彩斑块因子Color patch factor 均值
    Mean
    LPI SHDI SHEI DIV SPL CPB CPC
    F1 0.33 X6 0.26 0.09 0.64 0.65 0.56 0.58 0.55 0.57 0.59 0.59
    X10 0.25 0.08
    X12 0.25 0.08
    X11 0.24 0.08
    F2 0.28 X3 0.35 0.10 0.56 0.57 0.60 0.60 0.65 0.55 0.64 0.60
    X7 0.35 0.10
    X2 0.30 0.08
    F3 0.21 X5 0.54 0.11 0.60 0.61 0.59 0.57 0.61 0.57 0.67 0.60
    X1 0.46 0.10
    F4 0.18 X8 0.41 0.07 0.58 0.60 0.59 0.58 0.56 0.63 0.58 0.59
    X9 0.31 0.06
    X4 0.28 0.05
    均值Mean 0.60 0.61 0.59 0.58 0.59 0.58 0.62 0.60
    注:LPI为最大斑块指数; SHDI为色彩多样性指数; SHEI为色彩丰富度指数; DIV为斑块分裂指数; SPL为斑块分离度; CPB为色彩斑块亮度; CPC为色彩斑块对比度。F1代表林内空间因子; F2代表植被生长因子; F3代表林木高度因子; F4代表林内竞争因子。下同。Notes: LPI is the largest patch index; SHDI is the color diversity index; SHEI is the color richness index; DIV is the patch division index; SPL is the plaque separation degree; CPB is the brightness of color patch; CPC is the contrast of color patch. F1 represents forest space factor; F2 represents vegetation growth factor; F3 represents tree height factor; F4 represents forest competition factor. The same below.
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    表 5  林分结构因子聚类分级结果

    Table 5.  Clustering classification results of forest structure factor

    因子
    Factor
    林分结构因子
    Stand structure factor
    等级Classification
    F1 X6/% 70 50 20
    X10/% 80 60 30
    X11/m 12 17 20
    X12/% 75 60 40
    F2 X2/cm 10.2 11.1 14.9
    X3/m 3.8 4.3 5.6
    X7/% 10 20 40
    F3 X1/m 6.8 7.2 8
    X5/m 1.7 2.1 3.1
    F4 X8/m 0.5 1.1 1.6
    X9/m 0.03 0.15 0.2
    X4/(株·hm-2)
    X4/(tree·ha-1)
    1250 1500 2000
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    表 6  不同林分结构因子等级间景观斑块指标方差分析

    Table 6.  Analysis of variance of landscape patch index between different stand structure factors

    景观斑块
    Landscape patch
    变异来源Sources of variation
    F1 F2 F3 F4
    LPI F 2.152 3.273 0.494 2.83
    P 0.128 0.047* 0.613 0.069
    SHDI F 2.630 1.874 0.765 2.011
    P 0.083 0.165 0.471 0.145
    SHEI F 2.630 1.874 0.765 2.01
    P 0.083 0.165 0.471 0.145
    DIV F 1.839 2.454 0.714 2.22
    P 0.170 0.097 0.495 0.12
    SPL F 3.022 2.707 0.655 3.542
    P 0.058 0.077 0.524 0.037*
    CPB F 0.200 2.503 3.812 3.345
    P 0.820 0.093 0.029* 0.044*
    CPC F 1.200 2.596 3.758 4.217
    P 0.310 0.085 0.031 0.021*
    注:*表示在0.05水平上差异显著。Note:* indicates a significant correlation at the level of 0.05.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-10
  • 录用日期:  2018-12-07
  • 刊出日期:  2019-01-01

侧柏人工林林分结构与色彩斑块间的耦合关系

    通讯作者: 徐程扬, cyxu@bjfu.edu.cn
    作者简介: 赵凯。主要研究方向:城市林业。Email:664366440@qq.com  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院
  • 北京林业大学林学院,省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京 100083
基金项目:  林业公益性行业重大项目 20140430102

摘要: 目的色彩是森林景观中最易影响感官的信息要素,也是衡量景观质量高低的重要指标,而林分结构是影响林内景观质量的重要因子。本文旨在通过林分结构与色彩斑块的耦合关系,对北京山区侧柏人工风景林林内景观质量的影响机理进行探讨。方法采用主成分分析构建林分结构因子,通过灰色关联度分析研究林分结构与景观色彩斑块的耦合关联程度,并结合单因素方差分析和多重比较的方法研究两者间的变化规律。结果(1) 4个因子对林分结构的影响程度依次为:林内空间因子>植被生长因子>林木高度因子>林内竞争因子。(2)林分结构与景观色彩斑块的耦合关联度为0.6,属弱协调程度。其中,相关关系耦合度较大的指标包括:林内空间因子与色彩最大斑块比例(LPI)和斑块色彩多样性(SHDI)、植被生长因子与色彩斑块分离度(SPL)和色彩对比度(CPC)、林木高度因子与SHDI、SPL和CPC、林内竞争因子与色彩斑块亮度(CPB)。(3)植被生长仅在中低水平上对LPI有显著影响;林下相对高度仅在较高水平时对CPB和CPC有显著影响;而林内竞争程度在中低水平上对CPB和CPC有显著影响,在较高水平上对SPL有显著影响。结论侧柏人工风景林林内景观色彩斑块与林分结构属中等关联程度,林分结构因子对色彩斑块的影响存在差异:不同林分结构因子所影响的色彩斑块指标、同一林分结构因子在不同水平上所影响的色彩斑块指标以及对色彩斑块的影响程度不尽相同,两者间存在相对复杂的耦合关系。

English Abstract

  • 侧柏(Platycladus orientalis)是北京山区针叶人工林的主要组成树种,由于抚育滞后、林分结构不合理等原因,未能充分满足人们观赏、游憩的需求[1-2]。林内景观显著影响游憩者的视觉欣赏效果和游憩环境的质量,同时,林内游憩还是森林游憩的重要组成部分[3],因此,研究侧柏人工林林内景观显得尤为重要。目前,关于影响林内景观质量的林分结构指标研究多集中于林木生长状况(包括胸径、树高、枝下高、冠幅等)、树种组成、林分密度、郁闭度、树干显示度、树冠圆满度、通透情况、林木分布方式、灌草高度、灌草盖度、枯枝数量等[4-8]。在美学机理指标选择上,通常借助ArcGIS或Photoshop对景观照片进行处理,获得与斑块形态、空间分布相关的指标,比如最大斑块指数、分离度等[9-10]。然而,前人对侧柏林的研究通常是分别对林分结构指标和美学机理指标进行分析,缺少对二者耦合关系的研究[2, 5],所以,林分结构影响林内景观质量的美学机理成为拟解决的关键问题。

    已知对耦合关系研究主要采用的方法有:(1)通过主成分分析或因子分析的方法,构建以林分结构指标为自变量、功能指标为因变量的模型表达式,并根据各功能指标权重,构建功能综合指数并进行聚类分析,以此作为功能评价与分级标准[11-13]; (2)分别以林分结构和功能作为两个系统,系统内的各个指标为要素,构建林分结构与功能间的灰色关联度模型,同时分析两系统各要素间、各要素与系统间以及两系统间的耦合关联度,并采用目前国际普遍采纳的系统协调度评价标准进行分级[14]

    在此基础上,本研究以北京山区侧柏人工风景林为研究对象,选择对林内景观质量影响显著的林分结构指标,通过灰度关联分析的方法,研究林内景观色彩斑块与林分结构间的耦合关系,并针对在不同林分结构水平上有显著差异的景观色彩斑块指标,探索其在不同林分结构水平上的变化规律,以期能够解释林分结构对林内景观质量的影响机理,从而为提升侧柏人工林的景观观赏价值提供参考。

    • 试验样地分布在北京市西山林场、九龙山林场和金海湖3个地区,其中:

      北京市西山林场位于北京市近郊小西山,所处小西山属太行山系的低海拔石质山,山区平均海拔200~400m,年降水量660mm。小西山土层较薄,一般30~50cm,土壤中石砾含量多,立地条件较差,不利于造林和树木生长。西山林场经营总面积5949hm2,植被类型属暖温带落叶阔叶林,主要组成树种有侧柏、油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、黄栌(Cotinus coggygria)、元宝枫(Acer trunoatum)、栾树(Koelreuteria paniculata)、栓皮栎(Quercus variabilis)、山桃(Prunus davidiana)和山杏(prunus armeniaca)等,天然分布的乔木树种有构树(Broussonetia papyrifera)、蒙桑(Morus mongolica)和臭椿(Ailanthus altissima)等,灌木组成有荆条(Vitex negundo)、酸枣(Ziziphus jujuba)、孩儿拳头(Grewia biloba)和绣线菊(Spiraea salicifolia)等。

      九龙山位于北京西郊门头沟区东南部,属太行山低山丘陵区,海拔100~997m。山体基本呈东西走向,形成典型的大阳坡和大阴坡。山坡普遍较陡,坡度多在25°以上,年均降水量623mm。土壤类型属于山地褐土,土层普遍较薄,含石量高。侧柏人工林主要分布于低阳薄松的立地上,面积为284.89hm2,占总面积的25%;蓄积为7265.31m3,占总蓄积的21%。乔木主要有侧柏、油松、栓皮栎、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、黄栌和白蜡树(Fraxinus chinensis)等; 灌木主要有酸枣、荆条和三裂绣线菊(Spiraea trilobata)等; 草本植物主要有狗尾草(Setaria viridis)、茜草(Rubia cordifolia)等。

      金海湖位于北京市平谷区东部,地处京、津、冀交汇处,主要山脉为燕山山脉西段。金海湖周边主要组成树种是侧柏和油松,以中幼龄林为主,林分密度较大; 灌木组成有酸枣(Ziziphus jujuba)、荆条(Vitex negundo)和小叶鼠李(Rhamnus parvifolia)等; 草本植物主要有紫堇(Corydalis edulis)和马唐(Digitaria sanguinalis)等。

    • 林分结构指标的测定与选择:本研究采用典型抽样的方法,共设置55块侧柏人工风景林样地,每块样地大小设置为20m×20m,调查、记录标准地内所有树木(检尺直径4cm); 在样地的4角和中间设置5个5m×5m的灌木样方和5个1m×1m的草本样方。选择平均树高(X1)、平均胸径(X2)、平均冠幅(X3)、林分密度(X4)、平均活枝下高(X5)、灌木盖度(X6)、草本盖度(X7)、灌木高度(X8)、草本高度(X9)、灌草盖度(X10)、透视距离(X11)、郁闭度(X12)共12个林分结构指标。

      色彩斑块指标的测定与选择:在进行林内景观照片拍摄时,为能够真实反映林内景观特征,拍摄过程中均使用Nikon D7100相机拍摄,具体拍摄要求参照前人研究[2]。将林内景观照片分为枝干、树冠、灌草、空地和天空5类色彩斑块,利用Photoshop CS5对样地照片色彩斑块进行处理,通过不同林分结构特征的样地照片比较发现(图 1),不同的林分结构导致林内景观色彩多样性、亮度、对比度、分离程度等指标存在差异,并根据前人经验,共选择7个色彩斑块指标进行分析。林内色彩斑块人工勾边采取以下方法[9]:(1)首先根据景观照片里的明显物体边缘线进行勾画,如树木枝干、明显裸露的空地和天空; (2)对于景观照片中景物不鲜明的地方以颜色区分,如树冠重叠的林冠层下面颜色较暗的为枝干; (3)将颜色相近的灌木和草本归为一类。最终计算得到色彩斑块亮度(CPB)、色彩斑块对比度(CPC)、最大斑块指数(LPI)、斑块色彩多样性(SHDI)、斑块色彩均匀度(SHEI)、斑块分裂指数(DIV)、斑块分离度(SPL)共7个色彩斑块指标。

      图  1  不同林分结构特征的样地的比较

      Figure 1.  Comparison of sample plots of different forest structure features

    • 耦合关系分析方法:为消除各林分结构指标间相关性的影响,采用主成分分析进行降维,构造林分结构因子,保证各因子间相互独立且达到降维的目的,用较少的因子研究林分结构与色彩斑块间的耦合关系。

    • 为全面分析林分结构与色彩斑块间多因素交互作用,本研究采用灰色关联度模型研究林分结构与色彩斑块耦合机制[15]

      $ \begin{array}{c}{\xi_{i(j)(k)}=} \\ {\frac{{minmin}\left|Z_{i}^{L}(k)-Z_{j}^{I}(k)\right|+\rho {maxmax}\left|Z_{i}^{L}(k)-Z_{j}^{I}(k)\right|}{\left|Z_{i}^{L}(k)-Z_{j}^{I}(k)\right|+\rho {maxmax}\left|Z_{i}^{L}(k)-Z_{j}^{I}(k)\right|}}\end{array} $

      (1)

      $ \gamma_{i j}=\frac{1}{k} \sum \xi_{i}(j)(k) $

      (2)

      式中:L表示林分结构要素,ZiL(k)是第k个样地的林地结构要素的第i个因子标准化值; 类似地,I表示色彩斑块要素,ZjI(k)是第k个样地的色彩斑块要素的第j个因子标准化值; ρ为分辨系数,是0与1之间的数,在观测序列没有强烈干扰的情形下,一般取值为0.5;ξi(j)(k)是第k个样地的林分结构因子i和色彩斑块因子j之间的绝对值关联系数,它表示该样地的两个因子要素之间的关联程度; γij表示k个样地中,任意两个ij指标间关联程度的均值。

      之后,将关联系数按样地数量求平均值可以得到一个m×n的关联度矩阵γ,它能够从整体上反映林分结构因子和色彩斑块因子之间的关联程度。如果γij值越靠近1,表明林分结构因子i与色彩斑块因子j之间的关联性越大,因子间的耦合作用越明显。

      为进一步揭示林分结构与色彩斑块的交合关系,在关联度矩阵γ基础上,再分别依据公式(3)对行和列求平均值,分别得到林分结构对色彩斑块产生影响的主要因素和色彩斑块对林分结构产生反馈的主要因素。

      $d_{i}=\frac{1}{m} \sum\limits_{i=1}^{m} \gamma_{i j} \quad d_{j}=\frac{1}{n} \sum\limits_{j=1}^{n} \gamma_{i j} $

      (3)

      式中:di为各林分结构因子i与所有色彩斑块因子关联程度的均值; di为各色彩斑块因子j与所有林分结构因子关联程度的均值; m为色彩斑块因子个数; n为林分结构因子个数。

    • 目前耦合协调度等级划分尚无统一的标准,参考前人的研究成果[16-17],采用目前国际性组织普遍采纳的系统协调度评价标准(表 1)。

      表 1  系统耦合协调度标准

      Table 1.  System coupling coordination standard

      协调度
      Coordination degree
      0≤C<0.4 0.4≤C<0.5 0.5≤C<0.6 0.6≤C<0.7 0.7≤C<0.8 0.8≤C<0.9 0.9≤C≤1.0
      协调评价
      Coordination assessment
      严重不协调
      Serious disharmony
      中度不协调
      Moderate disharmony
      轻度不协调
      Mild disharmony
      弱协调
      Weak coordination
      中度协调
      Moderate coordination
      良好协调
      Good coordination
      优质协调
      Quality coordination
    • 对标准化后的林分结构指标进行相关分析发现(表 2):X1X2X3X5X7之间极显著正相关(P < 0.01),与X4极显著负相关(P < 0.01);X2X3X5X7间极显著正相关(P < 0.01),与X4X8极显著负相关(P < 0.01);X3X5X7极显著正相关(P < 0.01),与X 4极显著负相关(P < 0.01),与X9X12显著负相关(P < 0.05);X4X8极显著正相关(P < 0.01),与X5X7极显著负相关(P < 0.01);X5X7显著正相关(P < 0.05);X6X10X12极显著正相关(P < 0.01),与X11极显著负相关(P < 0.01),与X8显著正相关(P < 0.05);X7X10极显著正相关(P < 0.01);X9X12极显著正相关(P < 0.01),与X11极显著负相关(P < 0.01);X10X12极显著正相关(P < 0.01),与X11极显著负相关(P < 0.01);X11X12极显著负相关(P < 0.01)。由于上述林分结构指标间存在显著关系,为消除各林分结构指标间的相关性对结构与色彩斑块耦合关系的影响,同时达到降维的目的,需进一步对林分结构指标进行主成分分析,构建彼此独立的林分结构因子。

      表 2  林分结构指标间相关性分析

      Table 2.  Correlation analysis of stand structure indexes

      指标Index X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12
      X1 1.00
      X2 0.83** 1.00
      X3 0.69** 0.82** 1.00
      X4 -0.63** -0.78** -0.65** 1.00
      X5 0.64** 0.55** 0.45** -0.41** 1.00
      X6 -0.23 -0.20 -0.17 0.09 -0.10 1.00
      X7 0.49** 0.55** 0.51** -0.37** 0.35* -0.10 1.00
      X8 -0.18 -0.47** -0.26 0.52** -0.10 0.31* -0.13 1.00
      X9 -0.02 0.00 -0.31* -0.19 -0.10 0.25 -0.04 -0.24 1.00
      X10 0.19 0.22 0.14 -0.19 0.17 0.75** 0.50** 0.13 0.28 1.00
      X11 0.06 0.00 0.12 0.08 0.13 -0.64** 0.07 0.00 -0.54** -0.55** 1.00
      X12 -0.13 -0.19 -0.36* 0.04 -0.11 0.68** -0.12 0.07 0.57** 0.55** -0.72** 1.00
      注:*表示在0.05水平上显著相关; **表示在0.01水平上极显著相关。X1代表平均树高,X2代表平均胸径,X3代表平均冠幅,X4代表林分密度,X5代表平均活枝下高,X6代表灌木盖度,X7代表草本盖度,X8代表灌木高度,X9代表草本高度,X10代表灌草盖度,X11代表透视距离,X12代表郁闭度。下同。Notes: * indicates a significant correlation at the level of 0.05; ** indicates an extremely significant correlation at the level of 0.01. X1 represents average tree height, X2 represents average DBH, X3 represents average canopy width, X4 represents stand density, X5 represents average height under active branches, X6 represents shrub coverage, X7 represents herb coverage, X8 represents shrub height, X9 represents herb height, X10 represents shrub and herb coverage, X11 represents perspective distance,X12 represents canopy closure. The same below.

      通过对12个林分结构指标进行主成分分析,采用方差最大法进行旋转,按照累积方差贡献率大于80%的原则,抽取了4个因子,其累计贡献率为80.76%(表 3)。通过旋转后的因子载荷矩阵发现,第一公因子在灌木盖度(X6)、灌草盖度(X10)、透视距离(X11)、郁闭度(X12)上的载荷值较高,主要反映林下空间的开阔程度,故定义为林下开阔因子(F1); 第二公因子在平均胸径(X2)、平均冠幅(X3)、草本盖度(X7)上的载荷值较高,主要反映林木和草本生长情况,故定义为植被生长因子(F2); 第三公因子在平均树高(X1)、平均活枝下高(X5)上的载荷值较高,主要反映林下空间高度,因此,将其定义为林下高度因子(F3); 第四公因子在林分密度(X4)、灌木高度(X8)、草本高度(X9)上的载荷值较高,主要反映林内竞争程度,所以将其定义为林内竞争因子(F4)(表 3)。

      表 3  主成分分析

      Table 3.  Principal component analysis

      指标
      Index
      主成分因子Principal component factor
      F1 F2 F3 F4
      X1 -0.084 0.489 0.763 -0.163
      X2 -0.075 0.692 0.528 -0.389
      X3 -0.194 0.810 0.345 -0.087
      X4 -0.024 -0.530 -0.409 0.580
      X5 -0.022 0.182 0.894 0.039
      X6 0.877 -0.012 -0.096 0.240
      X7 0.095 0.801 0.145 -0.001
      X8 0.184 -0.184 -0.003 0.855
      X9 0.544 -0.279 0.020 -0.632
      X10 0.842 0.447 0.083 0.118
      X11 -0.801 0.010 0.142 0.066
      X12 0.819 -0.332 0.068 -0.147
      方差Variance 3.181 2.75 2.008 1.752
      方差贡献率Variance contribution rate 26.51% 22.92% 16.73% 14.60%
      累积贡献率Cumulative contribution rate 26.51% 49.43% 66.16% 80.76%

      根据表 3,构建林分结构因子表达式如下:

      $ F_{1}=0.877 X_{6}+0.842 X_{10}-0.801 X_{11}+0.819 X_{12} $

      (4)

      $ F_{2}=0.692 X_{2}+0.810 X_{3}+0.801 X_{7} $

      (5)

      $ F_{3}=0.763 X_{1}+0.894 X_{5} $

      (6)

      $ F_{4}=0.580 X_{4}+0.855 X_{8}-0.632 X_{9} $

      (7)

      根据各林分结构因子权重确定对林分结构的影响程度,将其排序为(表 4):林内空间因子(F1)>植被生长因子(F2)>林木高度因子(F3)>林内竞争因子(F4); 根据指标综合权重确定指标对林分结构影响程度排序为:平均活枝下高(X5)>平均冠幅(X3)>草本盖度(X7)>平均树高(X1)>灌木盖度(X6)>灌草盖度(X10)>郁闭度(X12)>透视距离(X11)>平均胸径(X2)>灌木高度(X8)>草本高度(X9)>林分密度(X4)(表 4)。

      表 4  林分结构因子与色彩斑块因子耦合作用矩阵

      Table 4.  Coupling matrix of stand structure factors and color patch factors

      林分结构因子
      Stand structure factor
      因子权重
      Factorweight
      指标构成
      Index composition
      指标权重
      Index weight
      综合权重
      Comprehensive weight
      色彩斑块因子Color patch factor 均值
      Mean
      LPI SHDI SHEI DIV SPL CPB CPC
      F1 0.33 X6 0.26 0.09 0.64 0.65 0.56 0.58 0.55 0.57 0.59 0.59
      X10 0.25 0.08
      X12 0.25 0.08
      X11 0.24 0.08
      F2 0.28 X3 0.35 0.10 0.56 0.57 0.60 0.60 0.65 0.55 0.64 0.60
      X7 0.35 0.10
      X2 0.30 0.08
      F3 0.21 X5 0.54 0.11 0.60 0.61 0.59 0.57 0.61 0.57 0.67 0.60
      X1 0.46 0.10
      F4 0.18 X8 0.41 0.07 0.58 0.60 0.59 0.58 0.56 0.63 0.58 0.59
      X9 0.31 0.06
      X4 0.28 0.05
      均值Mean 0.60 0.61 0.59 0.58 0.59 0.58 0.62 0.60
      注:LPI为最大斑块指数; SHDI为色彩多样性指数; SHEI为色彩丰富度指数; DIV为斑块分裂指数; SPL为斑块分离度; CPB为色彩斑块亮度; CPC为色彩斑块对比度。F1代表林内空间因子; F2代表植被生长因子; F3代表林木高度因子; F4代表林内竞争因子。下同。Notes: LPI is the largest patch index; SHDI is the color diversity index; SHEI is the color richness index; DIV is the patch division index; SPL is the plaque separation degree; CPB is the brightness of color patch; CPC is the contrast of color patch. F1 represents forest space factor; F2 represents vegetation growth factor; F3 represents tree height factor; F4 represents forest competition factor. The same below.
    • 根据公式(1)、(2)对林分结构因子与色彩斑块因子进行灰色关联分析,结果见表 4。林分结构与色彩斑块间联系密切,两要素各因子间的关联度均在0.5以上,属于中等关联程度。其中,F1与LPI、SHDI间的耦合关联度大于0.6,说明灌木盖度(X6)、灌草盖度(X10)、透视距离(X11)、郁闭度(X12)以及其协调反映的林下开阔程度对LPI和SHDI有明显影响; F2与SPL、CPC间的耦合关联度大于0.6,说明平均胸径(X2)、平均冠幅(X3)、草本盖度(X7)以及其协调反映的林木和草本生长情况对SPL和CPC有明显影响; F3与SHDI、SPL、CPC间的耦合关联度大于0.6,说明平均树高(X1)、平均活枝下高(X5)以及其协调反映的林下相对高度对SHDI、SPL、CPC有明显影响; F4与CPB间的耦合关联度大于0.6,说明林分密度(X4)、灌木高度(X8)、草本高度(X9)及其协调反映的林内竞争程度对CPB有明显影响。

    • 为进一步解释林分结构与林内景观色彩斑块的耦合关系,研究两者间的变化规律,采用欧氏距离对4个林分结构因子进行系统聚类,各分为3个等级(表 5),并对色彩斑块指标进行单因素方差分析,结果表明:色彩斑块指标在林内空间因子(F1)等级间均无显著差异(P>0.05),LPI在植被生长因子(F2)等级间存在显著差异(P<0.05),CPB和CPC在林下相对高度因子(F3)等级间存在显著差异(P<0.05),SPL、CPB和CPC在林内竞争因子(F4)等级间存在显著差异(P<0.05)(表 6)。

      表 5  林分结构因子聚类分级结果

      Table 5.  Clustering classification results of forest structure factor

      因子
      Factor
      林分结构因子
      Stand structure factor
      等级Classification
      F1 X6/% 70 50 20
      X10/% 80 60 30
      X11/m 12 17 20
      X12/% 75 60 40
      F2 X2/cm 10.2 11.1 14.9
      X3/m 3.8 4.3 5.6
      X7/% 10 20 40
      F3 X1/m 6.8 7.2 8
      X5/m 1.7 2.1 3.1
      F4 X8/m 0.5 1.1 1.6
      X9/m 0.03 0.15 0.2
      X4/(株·hm-2)
      X4/(tree·ha-1)
      1250 1500 2000

      表 6  不同林分结构因子等级间景观斑块指标方差分析

      Table 6.  Analysis of variance of landscape patch index between different stand structure factors

      景观斑块
      Landscape patch
      变异来源Sources of variation
      F1 F2 F3 F4
      LPI F 2.152 3.273 0.494 2.83
      P 0.128 0.047* 0.613 0.069
      SHDI F 2.630 1.874 0.765 2.011
      P 0.083 0.165 0.471 0.145
      SHEI F 2.630 1.874 0.765 2.01
      P 0.083 0.165 0.471 0.145
      DIV F 1.839 2.454 0.714 2.22
      P 0.170 0.097 0.495 0.12
      SPL F 3.022 2.707 0.655 3.542
      P 0.058 0.077 0.524 0.037*
      CPB F 0.200 2.503 3.812 3.345
      P 0.820 0.093 0.029* 0.044*
      CPC F 1.200 2.596 3.758 4.217
      P 0.310 0.085 0.031 0.021*
      注:*表示在0.05水平上差异显著。Note:* indicates a significant correlation at the level of 0.05.

      对单因素方差分析差异显著的指标进行多重比较发现:对于植被生长因子(F2),LPI在Ⅰ、Ⅱ等级间和Ⅰ、Ⅲ等级间差异显著,在Ⅱ、Ⅲ等级间无显著差异; 对于林下相对高度因子(F3),CPB和CPC均在Ⅰ、Ⅲ等级间和Ⅱ、Ⅲ等级间存在显著差异(P<0.05),而在Ⅰ、Ⅱ等级间差异不显著; 对于林内竞争因子(F4),SPL在Ⅰ、Ⅲ等级间和Ⅱ、Ⅲ等级间差异显著,在Ⅰ、Ⅱ等级间无显著差异,CPB和CPC均在Ⅰ、Ⅱ等级间和Ⅰ、Ⅲ等级间存在显著差异(P<0.05),而在Ⅱ、Ⅲ等级间无显著差异(图 2)。

      图  2  色彩斑块指标在不同林分结构因子等级间的多重比较

      Figure 2.  Multiple comparison of color patch index between different stand structure factor levels

    • 在森林景观中,色彩是最易影响感官的信息要素,色彩依靠相应载体体现出来后,作用于人的视觉神经,更容易被人们所感知[18-20],因此,森林色彩是森林景观欣赏中的重要因素,也是衡量森林景观质量高低的重要指标[21-22]。目前,对森林色彩的研究多针对色彩斑块的定量化分析,相关研究发现,斑块多样性、斑块形状及斑块破碎程度等对景观质量具有显著影响[23],但林分结构对色彩斑块的影响机理则鲜有研究。由于影响森林景观的林分结构指标较多,且各指标间又相互联系与制约[5, 24],因此,本研究选择了12个具有代表性的林分结构指标,并通过主成分分析构建了4个相互独立的林分结构因子,以达到全面研究林分结构对林内景观质量影响的美学机理的目的。

      本研究采用灰色关联度分析的方法研究林分结构与林内色彩斑块间的耦合关系,发现林内景观色彩斑块与林分结构属弱协调状态(耦合度在0.6左右)。其中,林下开阔程度与LPI和SHDI间耦合度较大,通过图 1a发现,林下灌草影响林内空间开阔程度,导致色彩斑块破碎化,从而影响最大斑块比例,但与此同时,林下灌草的增加又提高了景观的色彩多样性; 此外,林木和草本生长情况与SPL和CPC间耦合度较大。根据图 1b,乔木胸径、冠幅的生长以及草本盖度对SPL和CPC具有明显作用; 林下相对空间高度由平均树高和平均枝下高共同决定,该指标与SHDI、SPL和CPC间耦合度较大。通过图 1c可知,林下相对空间高度的变化对SHDI、SPL和CPC具有显著影响; 另外,林内竞争程度与CPB间耦合度较大。图 1d中,林分密度大小影响林内通透程度,灌草高度影响林下空间,因此两者均对色彩亮度产生明显影响。

      在研究侧柏人工林林分结构变化对林内景观色彩斑块的影响时发现:植被生长仅在中低水平上对色彩斑块变化有显著影响,随着乔木生长和林下草本盖度增加,LPI显著增加,当植被生长到一定程度后,LPI不再随植被生长而发生显著变化。林下相对高度仅在较高水平时对色彩斑块变化有显著影响,当树高和枝下高上升到较大水平时,林下相对高度的增加才会对CPB产生显著的增强作用,同时对CPC产生显著的减弱作用。林内竞争程度在不同水平上对色彩斑块的影响也各不相同,随着林分密度和林下植被高度增加,林内竞争程度增强,使斑块色彩亮度显著降低、对比度显著增强,但当林内竞争强度较高时,亮度和对比度不再随林内竞争强度的增强和发生显著变化,而此时,SPL开始显著增加。

      北京山区在进行侧柏人工风景林林内景观质量调控实践过程中,应控制林分结构处于适当的水平,以达到提升林内景观质量的目的:根据前人研究结果,LPI与美景度呈显著正相关,SPL与美景度呈显著负相关[9],故应使植被生长因子(F2)处于Ⅲ级水平,即:胸径在14.9cm左右、冠幅在5.6m左右、草本盖度在40%左右; 林内竞争因子(F4)处于Ⅰ、Ⅱ级水平,即:灌木高度小于1.1m、草本高度小于0.15m、林分密度在1500株/hm2以下。在实际森林经营活动中,根据经营目的,若要提高林内景观色彩亮度,则需保持林下相对高度因子(F3)处于Ⅲ级水平、林内竞争因子(F4)处于Ⅰ级水平,即:平均树高在8.0m左右、枝下高在3.1m左右、灌木高度在0.5m左右、草本高度在0.03m左右、林分密度在1250株/hm2左右; 若要提高林内景观色彩对比度,则需控制林下相对高度因子(F3)处于Ⅰ、Ⅱ级水平,林内竞争因子(F4)处于Ⅱ级水平,即:平均树高小于7.2m、枝下高小于2.1m、灌木高度在1.1m左右、草本高度在0.15m左右、林分密度在1500株/hm2左右。同时,要注意不同林分结构指标间的相互关联作用对林内景观质量的影响,以达到对林内景观质量进行综合调控的目的。

      综上所述,北京山区侧柏人工风景林林内景观色彩斑块与林分结构属中等关联程度,林分结构因子对色彩斑块的影响存在差异,不同林分结构因子所影响的色彩斑块指标、同一林分结构因子在不同水平上所影响的色彩斑块指标以及对色彩斑块的影响程度不尽相同,两者间存在相对复杂的耦合关系。

参考文献 (24)

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