作者：郭峰 陳麗華 汲文憲 宋恒川 單位：北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)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°47′~42°06′N，116°51′~117°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(jié)合部，海拔750~1829m，自然坡度為1/150°~1/350°。該地屬大陸性季風(fēng)型高原山地氣候。年均氣溫-1.4~4.7℃，無霜期67~128d，年均降水量380~560mm，主要集中在6~8月，占全年降水量的69%。年均蒸發(fā)量1462.9~1556.8mm，平均相對濕度63%。林管局林區(qū)土壤包括棕壤、褐土、風(fēng)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2.84×105m3，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（Acertruncatum）、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(shè)置4hm2典型樣地，樣地設(shè)在山地深處（海拔1350m），地理位置較偏僻（坡度19°，坡向南偏東8°），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，郁閉度90%。將林地分為100個小班，每個小班的面積是20m×20m，對每個小班喬灌草進(jìn)行常規(guī)外業(yè)調(diào)查。對喬木層進(jìn)行調(diào)查，對胸徑大于5cm的樹木進(jìn)行定位，記錄每株樹木的坐標(biāo)、胸徑、樹高、冠幅等。灌木調(diào)查采用10m×10m小樣方進(jìn)行，記錄灌木的種類、高度、地徑、分布狀況等。草本調(diào)查采用1m×1m小樣方進(jìn)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(jié)果與分析

2.1森林健康預(yù)警指標(biāo)體系的建立森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能的穩(wěn)定性。健康的森林是一個結(jié)構(gòu)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(jì)和社會功能。對森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警指標(biāo)體系的建立是首要和關(guān)鍵的步驟，預(yù)警指標(biāo)體系建立的好壞直接關(guān)系到預(yù)警的科學(xué)性和準(zhǔn)確程度。

2.1.1指標(biāo)選取根據(jù)指標(biāo)科學(xué)性、代表性、可操作性和系統(tǒng)性的構(gòu)建原則，在分析和整理國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上[5-7]，結(jié)合北溝林場的實(shí)際情況，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)法，本著科學(xué)性、代表性、可操作性和系統(tǒng)性的原則，初步構(gòu)建北溝林場天然次生林森林健康預(yù)警指標(biāo)體系（表1）。

2.1.2指標(biāo)篩選由于森林健康預(yù)警指標(biāo)之間多存在相關(guān)性，即包含重復(fù)的信息，因此用較少的綜合指標(biāo)分別表示存在于各指標(biāo)間的各類信息是有可能的，需要進(jìn)行進(jìn)一步的篩選。本研究采用定量和定性相結(jié)合的方法，對各指標(biāo)進(jìn)行篩選。（1）定量篩選。由于森林健康預(yù)警指標(biāo)多且復(fù)雜，指標(biāo)間存在相關(guān)性，需要找到一個合理的方法，減少分析指標(biāo)的同時，盡量減少原指標(biāo)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(guān)關(guān)系，因此有可能用較少的綜合指標(biāo)分別綜合存在于各變量中的各類信息。應(yīng)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(yù)警指標(biāo)進(jìn)行分析，輸出結(jié)果見表2、表3。從主成分的統(tǒng)計(jì)信息(表2)可以看出，相關(guān)矩陣的第1個特征值為6.213，第1個特征根的貢獻(xiàn)率為31.602%；前4個主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已超過85%，因此取前4個主成分作為綜合預(yù)警指標(biāo)，可以準(zhǔn)確地描述原變量的信息，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理。從因子載荷矩陣表（表3）可以看出，群落層次結(jié)構(gòu)、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(biāo)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(biāo)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(biāo)的信息。第四主成分則可作為物種多樣性的描述指標(biāo)。提取的4個主成分基本可以反映全部指標(biāo)的信息，因此用這4個綜合變量代替原來的12個變量來進(jìn)行分析是合理的。（2）定性篩選?？紤]到指標(biāo)的可操作性和應(yīng)用性，在通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件對指標(biāo)體系進(jìn)行定量篩選后，還應(yīng)對指標(biāo)結(jié)合定性分析進(jìn)行篩選，以篩選出內(nèi)容全面且信息不重復(fù)的指標(biāo)，從而更好地滿足加法合成對預(yù)警指標(biāo)的要求，得出更為準(zhǔn)確、合理的預(yù)警結(jié)果。群落層次結(jié)構(gòu)、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(biāo)，應(yīng)完整保留，用這4個指標(biāo)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(fù)力，應(yīng)予以保留，作為穩(wěn)定性指標(biāo)可全面反映森林恢復(fù)力和抵抗力。綜上所述，通過定量和定性篩選，森林健康預(yù)警指標(biāo)體系包括2個警兆指標(biāo)和4個基質(zhì)指標(biāo)。警兆指標(biāo)包括森林病蟲害程度、森林火險等級；基質(zhì)指標(biāo)包括群落層次結(jié)構(gòu)、郁閉度、物種多樣性、葉面積指數(shù)。

2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

2.2.1基本原理Rumenlhart等[10]于1985年提出了誤差反傳遞算法，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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)信息變換，根據(jù)信息變化能力的需求，中間層可設(shè)計(jì)為單隱層或者多隱層結(jié)構(gòu)；最后一個隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息，經(jīng)進(jìn)一步處理后，完成一次學(xué)習(xí)的正向傳播處理過程，由輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。當(dāng)實(shí)際輸出與期望輸出不符時，進(jìn)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(quán)值、向隱層、輸入層逐層反傳。周而復(fù)始的信息正向傳播和誤差反向傳播過程，是各層權(quán)值不斷調(diào)整的過程，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過程，此過程一直進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可接受的程度，或是預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止[10-11]。