一种基于主成分计算的绿化树种选择方法与流程

本发明涉及绿化树种，特别是用于土壤气候条件相近的平原区绿化树种的选择，也适用于立地条件相近的丘陵山区绿化树种选择的一种基于主成分计算的绿化树种选择方法。
背景技术：
：树种选择关系到造林工作的成败，如何筛选绿化树种值得深入探讨。国外通过制定树种选择手册或树种特性表，对树种进行选择。国内树种选择主要依据“适地适树”原则，比较宏观，在实际造林工作中难以贯彻执行，树种选择的基础研究较少，成果不系统，对树种选择的支撑能力较差。查阅国内外树种选择的相关文献，尚未建立系统的树种量化选择方法。森林是陆地生态系统的主体，在全球范围内发挥着重要的作用。森林生态功能及其价值是衡量森林生态系统质量的一个重要指标。选择生态适应性强、生态服务价值较高的树种造林，可以提高造林成活率及其综合效益。树种的生态适应性主要是指其抗寒、抗旱、抗风、抗病虫害情况，生态适应性较强的树种一般生长迅速，具有较高的生态价值。但是不同树种的生物学特性差别较大，在适应环境之后，生态价值差异也较大。森林中乔木层是影响生态系统功能的最重要层次，其生态价值主要表现在气体调节、土壤保持、水调节、营养积累等方面。本方法以平原区主要绿化树种为研究对象，对不同树种的生态适应性与生态服务功能进行测定，以这些树种生态适应性总指标值，气体调节、土壤保持、水调节、营养积累、生产木材的价值为依据，采用主成份分析法，计算各树种综合指标值，对造林树种进行量化选择，以保证绿化质量，但至今未见有公开报导。技术实现要素：针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于主成分计算的绿化树种选择方法，可有效解决树种的选择，保证绿化质量的问题。本发明解决的技术方案是，一种基于主成分计算的绿化树种选择方法是，对不同树种的生态适应性与生态功能进行测定，以这些树种生态适应性总指标值，气体调节、土壤保持、水调节、营养积累、生产木材的价值为依据，采用主成份分析法，对各树种以上指标进行主成分测定，计算树种综合指标值，对造林树种进行量化选择，具体包括以下步骤：(1)建立树种选择指标体系：根据树种的生态适应性，对树种进行筛选，在树种适应环境条件下，才能够提供较高的生态价值，在构建树种选择指标体系时，选择了生态适应性与生态价值指标；(2)设置标准地：在土壤气候条件相近的苗圃设为标准地，作为树种生态适应性与生态功能测定的场地；(3)生态适应性指标值测定与计算：在标准地中，观测记录不同树种抗寒、抗旱、抗病虫害、抗风情况，对以上4个指标进行测定分级量化，然后合计得出不同树种生态适应性总指标值；(4)气体调节价值测定与计算：在标准地中，用收获法测算林木地上与地下部分生物量，根据每个树种树龄及其生物量，计算出单位面积林木的年平均总生长量；采集不同树种地上与地下部分样品，测定样品的含碳量；根据不同树种生长量、含碳量，计算单位面积林木的总固碳量，采用瑞典的碳税率计算不同树种的固碳价值；根据林木年生长量，计算不同树种释氧量，然后根据释氧量与当年医用氧气的市场价格，计算林木释氧价值；(5)土壤保持价值测定与计算：在有林地与无林地标准地中，随机布设小样方并取样，测定样方内的土壤侵蚀模数，林木保土量为无林地土壤侵蚀模数与有林地土壤侵蚀模数的差值，水土流失使氮、磷、钾和有机质大量流失，从而增加土壤的化肥施用量，因此，把森林保持这些养分元素的价值换算成减少化肥施用的费用，计算林木土壤保持的价值；(6)水调节价值测定与计算：根据水库工程的蓄水成本确定林木涵养水源的价值，水库库容造价采用水库蓄洪工程投资费用，林木净化水质的单价采用当年城市居民用水平均价格；(7)营养积累价值测定与计算：分别在各标准地采集各树种枝、干与根样品，测定植物样品中氮、磷、钾含量，根据林木生长量与氮、磷、钾含量，计算不同林木积累氮、磷、钾量，把树木积累的氮、磷折合化肥，分别按照当年化肥市场价格，计算出林木营养积累的价值；(8)综合指标值计算：用excel2007与spss19.0软件对不同树种的生态适应性指标值与生态服务价值进行主成分分析，采用隶属函数法对备选树种的以上指标进行综合评价，计算各项指标的隶属度指数，求出各公因子负荷量与权重，算出各树种的综合指标值；(9)树种选择：根据不同树种的综合指标值排序，综合指标值高的树种适应环境的能力强，生态服务价值高，采用计算机及其数学模型计算机软件，计算不同树种的综合指标值，确定造林绿化选择的树种。本发明方法新颖独特，科学合理，易操作，可有效用于绿化造林树种的选择，具有很强的实际应用价值，为实现绿化造林提供了技术支撑，有显著的经济和社会效益。附图说明图1为本发明的工艺流程图。图2为本发明树种选择指标体系框示图。图3为本发明的计算机软件操作流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。以平原区绿化树种选择为例，说明本发明的具体实施方式。由图1给出，一种基于主成分计算的绿化树种选择方法，包括以下步骤：(1)树种选择指标体系构建：由图2所示，根据树种选择需要，结合平原区生态环境条件，选择了生态适应性(1个指标类别，4个指标)与生态服务价值(5个指标类别，10个指标)共6个指标类别14个指标，构建了树种选择指标体系；(2)测定林地选择：在平原区选择立地条件相近的纯林地，树龄10—15年生，避免由于立地条件的差异而产生的误差；(3)标准地设置：每个树种设置3个标准地，标准地规格为20×20米，以20×20米的无林地样地作为对照，作为树种生态适应性与生态服务功能测定的场地；(4)生态适应性测定：在设置的标准地中，测定记录不同树种抗寒、抗旱、抗风、抗病虫害情况；(5)生态适应性指标值计算：对不同树种抗寒、抗旱、抗风、抗病虫害情况进行分级量化，具体是：a、不同树种的生态适应性指标值树种抗寒性抗旱性抗风性抗病性总指标值悬铃木444517石楠344415广玉兰343414107杨543416枇杷343414雪松544518紫叶李454316黄山栾544417白蜡554519旱柳543315垂柳543315女贞244414侧柏555520泡桐453315毛白杨453416圆柏545519国槐554519银杏544417b、不同树种的生态服务功能c、不同树种的生态服务价值(元/(公顷·年)类别气体调节水调节土壤保持营养积累木材价值悬铃木621681492827194340617644石楠361252538027670164810226广玉兰30509142742771220568642107杨506392615335317391519900枇杷35614252373347517038662雪松32106343932839818276264紫叶李914628166290786161453黄山栾27281215222895919137743白蜡283302988031865180125241旱柳33621166122819425669247垂柳29540157892796522218125女贞29662168622856416348397侧柏926133567269394933918泡桐346791613734122184517055毛白杨29260158212600615568305圆柏917134599283424883879国槐401141611632994213216430银杏483251749829127257014626d、不同树种的隶属函数值分别按照式(1)计算其指标值：s＝(1x1+2x2+3x3+4x4)/∑x式(1)式中，s为抗寒、抗旱、抗风、抗病虫害指标值；x1、x2、x3、x4为各树种各等级株数，抗性越强前面的常数越大；∑x为观测总株数；按照式(2)计算出不同树种的生态适应性总指标值：s总＝s抗寒+s抗旱+s抗风+s抗病虫害式(2)式中，s总为各树种生态适应性总指标值，s抗寒为各树种抗寒性指标值，s抗旱为各树种抗旱性指标值，s抗风为各树种抗风指标值，s抗病虫害为各树种抗病虫害指标值；从表1可以看出，根据生态适应性测定与计算结果，选择的18种主要乔木树种生态适应性总指标值变化范围为14—20：表1不同树种的生态适应性指标值(6)气体调节价值测定与计算：在标准地中，用收获法测定林木地上与地下部分生物量，根据每个树种树龄及其生物量，计算出单位面积林木地上与地下部分的年平均生长量。采集不同树种地上与地下部分样品，并测定样品的含碳量，分别计算地上与地下部分的含碳量，合计得到林木的总含碳量。按照式(3)计算林木固碳释氧价值：u气体调节＝(c碳r碳+1.19c氧)×b年式(3)式中，u气体调节为林木固碳释氧价值，单位：元/(公顷·年)；c碳为固碳价格，单位：元/吨；c氧为氧气价格，单位：元/吨；r碳为林木总含碳量，单位：‰；b年为林木年总生长量，单位：吨/(公顷·年)；(7)水调节价值测定与计算：在标准地测定林地年径流量，根据水库工程的蓄水成本确定林木涵养水源的价值，水库库容造价采用水库蓄洪工程投资费用来代替水库工程单位库容造价；林木净化水质费用采用河南省当年城市居民用水平均价格，按照式(4)计算不同生长涵养水源的价值：u涵养水源＝(10c库+10k)(p－e－c)式(4)式中，u涵养水源为水库建设单位库容投资，单位：元/(公顷·年)；k为水的净化费用，单位：元/吨；p为降水量，单位：毫米/年；e为林分蒸散量，单位：毫米/年；c为地表径流量，单位：毫米/年；c库为水库建设单位库容投资，单位：元/立方米；(8)土壤保持价值测定与计算：在标准地中，测定土壤侵蚀模数，在每个标准地内随机布设3个小样方(0.5×0.5米)，在0—60厘米土层取土3次，测定样方内的土壤有机质、氮、磷、钾含量，按照式(5)计算林木保育土壤的价值：u固土保肥＝c土(x2－x1)/ρb+(x2－x1)(nc1/r1+pc1/r2+kc2/r3+mc3)式(5)式中，u固土保肥为固土保肥价值，单位：元/(公顷·年)；x1为林地土壤侵蚀模数，单位：吨/(公顷·年)；x2为无林地土壤侵蚀模数，单位：吨/(公顷·年)；c土为挖取和运输单位体积土方所需费用，单位：元/立方米；ρb为土壤容重，单位：吨/立方米；n为林分土壤平均含氮量，单位：‰；p为林分土壤平均含磷量，单位：‰；k为林分土壤平均含钾量，单位：‰；m为林分土壤平均有机质含量，单位：‰；r1为磷酸二铵化肥含氮量，单位：‰；r2为磷酸二铵化肥含磷量，单位：‰；r3为氯化钾化肥含钾量，单位：‰；c1为磷酸二铵化肥价格，单位：元/吨；c2为氯化钾化肥价格，单位：元/吨；c3为有机质价格，单位：元/吨；(9)营养积累价值测定与计算：分别在各标准地采集各树种地上与地下部分样品，测定植物样品中氮、磷、钾含量，按照地上与地下部分生长量占总生长量百分比，计算各树种氮、磷、钾含量，按照式(6)计算林木积累营养价值：u积累营养＝b年(n营养c1/r1+p营养c1/r2+k营养c2/r3)式(6)式中，u积累营养为林木积累营养价值，单位：元/(公顷·年)；n营养为林木平均含氮量，单位：‰；p营养为林木平均含磷量，单位：‰；k营养为林木平均含钾量，单位：‰；r1为磷酸二铵化肥含氮量，单位：‰；r2为磷酸二铵化肥含磷量，单位：‰；r3为氯化钾化肥含钾量，单位：‰；c1为磷酸二铵化肥价格，单位：元/吨；c2为氯化钾化肥价格，单位：元/吨；b年为林木年总生长量，吨/(公顷·年)；(10)木材价值测定与计算：测定各树种树干的年生长量与木材密度，计算其单位面积木材材积，按照不同树种的材积及其当年的平均市场价格，扣除木材生产成本(植树与管理费用)，按照式(7)计算各树种生产的价值：v木＝g年t/ρ(j—c成本)式(7)式中，v木为木材生产的价值，单位：元/(公顷·年)；g年为林干年生长量，单位：吨/(公顷·年)；t为平均出材率，单位：％；ρ为木材密度，单位：千克/立方米；j为木材销售价格，单位：元/立方米；c成本为平均木材生产成本，单位：元/立方米；(11)不同树种的生态服务价值：根据测定的不同树种生态服务功能，根据式(3)—(7)计算其生态服务价值；根据测定结果，在表2中列出了不同树种的生态服务功能，这些基础数据是计算林木生态服务价值的依据；表2不同树种的生态服务功能不同树种生态适应性与生态服务价值测定与计算结果列于表3中，由表3可知，不同树种气体调节价值，悬铃木、107杨、银杏、国槐、石楠与枇杷较高，白蜡、黄山栾、圆柏、侧柏与紫叶李较低，其它树种中等；不同树种水调节价值，圆柏、雪松、侧柏、白蜡、紫叶李与107杨较高，泡桐、国槐、毛白杨、垂柳、悬铃木与广玉兰较低，其它树种中等；不同树种土壤保持价值，107杨、泡桐、枇杷、国槐、白蜡与银杏较高，垂柳、广玉兰、石楠、悬铃木、侧柏与毛白杨低，其它树种中等；不同树种营养积累价值，107杨、悬铃木、银杏、旱柳、垂柳与国槐较高，石楠、女贞、毛白杨、紫叶李、侧柏与圆柏较低，其它树种中等；表3不同树种的生态服务价值(元/(公顷·年)类别气体调节水调节土壤保持营养积累木材价值悬铃木621681492827194340617644石楠361252538027670164810226广玉兰30509142742771220568642107杨506392615335317391519900枇杷35614252373347517038662雪松32106343932839818276264紫叶李914628166290786161453黄山栾27281215222895919137743白蜡283302988031865180125241旱柳33621166122819425669247垂柳29540157892796522218125女贞29662168622856416348397侧柏926133567269394933918泡桐346791613734122184517055毛白杨29260158212600615568305圆柏917134599283424883879国槐401141611632994213216430银杏483251749829127257014626(12)主成分分析：选用1个生态适应性总指标、5个生态服务价值指标类别，共6个指标类别(图2)，筛选乔木树种(表1、2)，由图3所示，用spss19.0软件对不同树种的生态适应性总指标值与生态服务价值进行主成分测定，再用式(8)对树种进行隶属函数值计算；隶属函数值计算u(xi)＝(xi-xmin)/(xmax-xmin)i＝1,2,3,…,n式(8)式中，u(xi)为隶属度函数值，xi为指标值；xmin和xmax为某一指标的最小值和最大值；按照公式(9)，根据表2中数据，用excel2007软件，计算各因子的隶属函数值(表4)：表4不同树种的隶属函数值表5、6给出了不同树种生态适应性指标值与生态服务价值的成分矩阵、解释的总方差，从因子主成分的贡献率来看，第一主成分的贡献率最大，在第一主成分中，气体调节的贡献率均为0.924，营养积累的贡献率为0.922，木材价值的贡献率为0.784，具有较大的荷载；在第二主成份中，生态适应性总指标值的贡献率是0.739，水调节的贡献率为0.618，土壤保持的贡献率均为0.568，具有较大的荷载(表5)：表5成份矩阵公因子贡献率计算(pi)：根据spss19.0软件分析结果，得到公因子贡献率，其结果见表6：表6公因子贡献率公因子权重计算：根据表6列出了不同因子的主成分分析结果(表7)，由表5、7可知，第一主成分的贡献率不能完全代表原变量的信息，所以计算中用了第一、第二主成分的值。用公式(9)，求出第一、第二主成分的因子权重，然后用excel软件求出公因子权重(表8)：式中，wi表示第i个公因子在所有公因子中的权重，i为各树种第i个公因子，pi表示了各树种第i个公因子的贡献率；表7不同树种生态适应性指标值与生态服务价值因子贡献率主成分123456贡献率51.61324.94612.9506.2132.7981.480累计贡献率51.61376.55989.50995.72398.520100表8因子负荷与权重(13)综合指标值计算：根据隶属度函数值与公因子权重，根据式(10)，用excel软件计算各树种的综合指标值(表10)：式中，d值为各树种生态适应性与生态服务价值综合指标值；u(xi)为隶属度函数值；wi表示第i个公因子在所有公因子中的权重；单一的因子评价的重点集中于某些主要因子的变化上，不能反映树木生态适应性指标值与生态服务价值的总体情况，所以树木生态适应性指标值与生态服务价值总体变化难以精确的比较，综合指标值能够全面反映各因子的总体情况，其值越大，生态适应性与生态服务价值指标值越高；(14)树种选择：由表10可知，不同乔木树种综合指标值：107杨＞悬铃木＞国槐＞白蜡＞泡桐＞银杏＞枇杷＞旱柳＞黄山栾＞垂柳＞石楠＞广玉兰与雪松＞女贞＞毛白杨＞圆柏＞侧柏＞紫叶李，综合指标值反映了不同树种生态适应性与生态服务价值的总体差异性，综合指标值可作为树种选择的依据，在造林绿化工作中优先选择综合指标值较高，即综合表现较好的树种。表10不同树种的综合指标值上述量化指标的计算，均采用计算机及其计算机数学模型软件，用excel2007软件计算公因子权重，根据隶属度指标值与公因子权重，用excel2007软件计算不同树种的综合指标值，确定树种选择，具体操作方法见图3所示。由上述可以看出，本发明是以平原区主要绿化树种为研究对象，对不同树种的生态适应性与生态服务功能进行测定，以这些树种生态适应性总指标值，气体调节、土壤保持、水调节、营养积累、生产木材的价值为依据，采用主成份分析法，对各树种以上指标进行主成分分析，计算各树种综合指标值，对造林树种进行量化选择，以保证绿化质量，根据树种生态的自然规律，采用科学的技术手段，以数学模型，采用计算机及其软件，最终实现绿化树种的选择，方法易操作，符合当地选择树种绿化造林的实际，并经反复多次实验，均取得了相同和相近似的结果，并与当地实地情况验证，非常一致，表明方法稳定可靠，具有实际的应用价值，可为绿化造林提供有效的技术手段，实现科学绿化造林的种植和管理，有显著的经济和社会效益。当前第1页12