全 文 ：井冈山森林对区域生态环境的影响*
钟全林
(福建师范大学地理科学学院, 福州 350007)
=摘要> 根据井冈山林区近年来的森林资源、气候、水文、大气等数据资料,采用典型相关分析与多元线性
逐步回归分析相结合的综合分析方法, 分析了森林对区域水质、大气、气候等环境的影响, 确定了受森林影
响的主要气候、大气质量及水质因子,并建立了拟合经验方程. 研究表明,森林蓄积量对最大日降雨量、极
端最高气温、大气中 SO2浓度及河流中的 CODcr与氨氮含量有显著影响. 增加区域内的森林蓄积量, 可以
降低区域内的最大日降雨量及极端最高气温, 减少大气中的 SO2 浓度及河流水分中的 CODcr与氨氮含量.
森林覆盖率对大气中的 NOx 浓度及土壤侵蚀模数有显著影响. 增加区域内的森林覆盖率, 可以降低大气
中的 NOx 浓度,减少土壤流失量.
关键词 森林 生态环境 井冈山林区
文章编号 1001- 9332(2004) 08- 1463- 05 中图分类号 S7181 5 文献标识码 A
Effect of Jinggang Mountain for ests on regional ecological environment. ZHONG Quanlin ( College of Geo2
graphica l Science, Fuj ian Nor ma l Univer sity, Fuzhou 350007, China ) . 2Chin. J . Appl . Ecol . , 2004, 15( 8) :
1463~ 1467.
Based on the late years. data of forest resources, climate, hydrology and atmosphere in Jinggang Mountain region
and by the methods of canonical correlation analysis and mult iple linear stepwise regression, this paper analyzed
the influence of forests on t he climate, water quality and atmosphere of this region. The results showed that forest
volume had an evident effect on maximum daily precipitation, ext reme highest air temperature and atmospheric
SO2 concentr at ion, and on CODcr and ammonic nitrogen contents in river water . The greater the regional forest
volume, the less maximum daily precipitat ion and the lower extreme highest air temperatur e, atmospheric SO2
concentration and water CODcr and ammonic nitrogen contents. Forest cover percentage could remarkably affect
soil erosion modulus and atmospheric NOx concentration: the two latter were decreased as forest cover percentage
incr eased. These results will provide theoretic foundation for the evaluat ion of the environmental value and eco2
logical benefit of forest.
Key words Forest, Ecological environment, Jinggang Mountain forest region.
* 国家自然科学基金资助项目( 79760004) .
2003- 05- 30收稿, 2003- 12- 01接受.
1 引 言
森林作为陆地生态系统的主体, 在改善生态环
境,维护生态平衡,实现可持续发展中具有不可替代
的作用.董雅文[4]、杨士弘等[16]曾从分析树种的碳
氧平衡功能着手,对南京、广州等大城市市区的碳氧
平衡问题作过定量或半定量研究.叶文虎等[ 17]以济
南市为例,提出了绿当量概念,并通过计算不同绿地
类型的生态补偿能力(指吸收 CO2、SO2 及降尘等功
能) ,对城市内的二氧化碳、降尘和二氧化硫的生态
补偿办法进行了探讨. Altwegg、Costanza、等许多学
者依据某一地域上的森林内的临时或定位观测数
据,在对森林改善生态环境的功能与效益评价方面
进行过较多研究[1~ 3, 5~ 15] . 这些研究成果对研究森
林改善区域生态环境的效果等方面具有指导意义.
但是,在一定区域内,由于森林改善区域生态环境的
功能与效益大小除受自身质量影响外, 还受到其它
因素的制约与影响, 如林内与林外的温差并非受森
林单一因素影响, 对于同一森林地段而言,阴天的温
差要比晴天小.因此,仅仅依靠局部地域上的森林有
关数据,分析森林改善生态环境的效果,其结果难以
在制定相关森林生态补偿政策等实际工作中应用,
必须从某一区域整体的角度,系统地分析森林对生
态环境的影响.对于这方面的研究,目前还未发现相
关研究报道.为此,本文以江西省井冈山林区为研究
对象,根据该区域内多年的定位观测数据,采用典型
相关分析与多元线性逐步回归分析相结合的综合分
析方法,分析了森林资源对水质、大气、气候等环境
的影响,确定了受森林影响的主要气候、大气及水质
因子,并建立了拟合经验方程,为开展森林的生态环
境价值核算及生态公益林的价值补偿研究等提供理
论与实践依据,其分析结果亦可为预测区域生态环
应 用 生 态 学 报 2004 年 8 月 第 15 卷 第 8 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug. 2004, 15( 8)B1463~ 1467
境质量服务.
2 研究地区与研究方法
211 研究地区概况
井冈山林区地处江西省中西部 ,赣江中游,位于罗霄山
脉中段,地势极为险要, 地理位置为 113b46c ~ 115b46cE, 25b
8c~ 27b58cN,京九铁路、105 国道及赣江等由北向南从林区
中部穿越而过,形成东西两侧群山环绕、中部平坦开阔的地
形特点. 这种地形条件可以减少区域外部气候的干扰, 为开
展大气质量研究提供了方便. 全区属亚热带季风湿润气候,
年平均气温为 18 e ,极端最高气温达 411 3 e , 极端最低气
温- 121 5 e ,无霜期 283 d, 年平均降水量为 1 4871 4 mm.该
区属亚热带常绿阔叶林带,森林动植物资源丰富, 森林覆盖
率为 6512% (1999年) .
境内生态环境良好, 无大型造纸厂等污染型企业. 据环
保部门统计,近 10 年来/ 三废0排放量基本保持稳定. 每年工
业废水净排放量在 21 2@107 t左右, 工业废气净排放量约为
21233@109 Nm3, 固体废物净排放量在 31 35@104 t左右. 影
响该区域内环境质量的人为干扰因素基本保持稳定, 为分析
森林对区域生态环境影响研究提供了较好的研究条件.
212 资料的收集与整理
收集了江西省井冈山林区 1976、1983、1989、1994 和
1999 年森林资源连续清查资料, 1978~ 1999 年气候观测资
料, 1984~ 2000 年水质及大气质量资料. 根据分析需要, 将
各间隔期间的森林资源数据采用 3 次样条函数插值方法求
出 1976~ 1999年间各年度的森林覆盖率及活立木总蓄积
量. 气候观测数据以林区内遂川县、永丰县、新干县及吉安市
4 县(市)的平均数据为依据进行分析, 包括年降雨量、年最
大日降雨量、年平均气温、7 月份(最热月)平均气温、极端最
高气温、极端最低气温、1 月份(最冷月)平均气温、无霜期等
8 个主要因子;以区域内最主要的水系 ) ) ) 赣江内的水质数
据为依据进行水质量分析, 其主要因子包括水分的 pH 值及
CODcr(化学需氧量)、BOD5 (生化需氧量)、氨氮、硝酸盐氮、
亚硝酸盐氮、砷等因子的含量;以林区中心的吉州区的空气
质量数据为依据进行大气质量分析, 包括 SO2、NOx (氮氧化
物)等因子.另外, 还收集了赣江及其一级支流禾水、乌江、孤
江、蜀水内 1978~ 1999 年间各年的输沙量数据, 按流域面积
加权平均, 计算出各年度的平均土壤侵蚀模数(表 1~ 3) .
21 3 研究方法
依据所收集的森林资源及气候、水质、大气因子数据, 利
用典型相关分析与多元线性逐步回归分析方法分别分析森
林覆盖率、森林蓄积对气候、水质、大气中各因子的影响, 求
出其显著相关经验方程, 确定受森林覆盖率及森林蓄积量影
响的主要气候、大气及水质因子. 数据计算过程全部利用
SAS软件完成.表 1 各年度森林资源及气候因子统计表
Table 1 Annual data of forest resources and cl imate factors
年度
Year
森林覆盖率
Forest
cover
percent
(X 1)
森林总蓄积量
Stock
volume of
the forest
(X 2)
( m3)
年降雨量
Annual total
precipitat ion
(X 3)
( mm)
最大日降雨量
Maximal
daily
precipitat ion
(X 4)
( mm)
年平均气温
Annual average
temperature
(X 5)
( e )
7月份平均气温
July average
temperature
(X 6)
( e )
极端最高气温
Extremely
highest
temperature
(X 7)
( e )
极端最低气温
Extremely
lowest
temperature
(X 8)
( e )
1月份平均气温
January
average
temperature
(X 9)
( e )
无霜期
Frost2 free
period
(X 10)
( d)
1978 014401 52224987 1151175 141100 18150 30158 39128 - 2138 7110 258175
1979 01432 52402247 1400135 158175 18140 30112 37160 - 3140 7140 285125
1980 014242 52382166 1725150 166150 17182 29155 38155 - 3175 6115 292125
1981 014171 52098966 1841152 169150 17185 29100 38168 - 2175 5105 272175
1982 014108 51486865 1881152 172125 17198 29120 37112 - 2175 7158 290100
1983 014054 50480084 1733142 164100 18125 29168 38195 - 3128 5160 273150
1984 014012 49053413 1675132 167100 17142 29172 38185 - 4135 3120 271150
1985 013991 47343920 1285138 170175 17185 29105 37175 - 3175 5188 291100
1986 013999 45529246 1158112 140175 18102 29108 38155 - 3122 6112 261100
1987 014046 43787028 1580170 152150 18142 28198 38172 - 2145 8158 263150
1988 014142 42294907 1380142 150125 17185 30168 39195 - 1122 6135 247100
1989 014296 41230521 1393172 159175 17195 28165 39110 - 2155 6110 258125
1990 014512 40735164 1616180 173100 18138 30128 39130 - 5100 6162 305175
1991 014774 40804749 1327185 168125 18132 30195 40142 - 7190 6122 256150
1992 015059 41398844 1756102 149100 18110 28140 39172 - 3135 6195 272175
1993 015347 42477018 1469170 175100 17182 27195 37110 - 3148 4172 265125
1994 015614 43998838 1889105 177125 18135 28180 38135 - 3175 7108 332100
1995 015845 45917170 1567105 153125 18108 29135 39125 - 2168 5190 263100
1996 016042 48158074 1461130 151150 18100 29120 37120 - 1170 6120 274125
1997 016215 50640906 2019185 195125 18122 27138 36118 - 2182 6198 282150
1998 016371 53285024 1795188 154150 19138 29162 38182 - 2195 6108 297175
1999 016518 56009785 1660135 155125 18165 27190 37115 - 5118 8115 272125
1464 应 用 生 态 学 报 15卷
表 2 各年度水质及大气资料统计表
Table 2 Annual data of water quality and atmospher e
年度
Year
水质因子
Water quality factors
pH
(X 11)
CODcr
(X12)
( mg#L- 1)
BOD5
(X13)
( mg#L- 1)
NH32N
( X14)
( mg#L- 1)
NO-3 2N
(X 15)
( mg#L- 1)
NO-2 2N
(X16)
( mg#L- 1)
As
( X17)
( mg#L- 1)
大气因子
Atmospheric factors
SO2
(X 18)
( mg#m- 3)
NOx
(X 19)
( mg#m- 3)
1984 715 216 114 0108 0117 01005 01004 01034 01027
1985 714 212 116 0108 0106 01004 01005 01024 01025
1986 717 310 112 0108 0120 01005 01006 01082 01024
1987 718 117 114 0113 0115 01006 01004 01034 01021
1988 717 413 113 0111 0118 01005 01004 01044 01032
1989 713 311 110 0122 0123 01003 01005 01064 01028
1990 714 311 015 0155 0129 01002 01004 01098 01028
1991 717 210 110 0132 0138 01006 01004 01047 01020
1992 714 210 110 0124 0135 01005 01004 01058 01026
1993 714 217 110 0108 0144 01007 01007 01044 01018
1994 713 313 110 0111 0142 01010 01004 01063 01022
1995 712 215 110 0124 0140 01012 01004 01054 01022
1996 713 310 210 0120 0156 01012 01004 01048 01028
1997 711 211 015 0124 0175 01010 01004 01045 01020
1998 715 119 017 0103 0143 01015 01004 01043 01018
1999 716 116 018 0105 0144 01014 01004 01037 01021
表 3 各年度土壤侵蚀模数
Table 3 Annual data of soil er osion modulus
年度
Year
平均土壤侵蚀模数
Soil erosion modulus
(X20) ( t#hm- 2)
年度
Year
平均土壤侵蚀模数
Soil erosion modulus
(X 20) ( t#hm- 2)
1978 211863 1989 21163
1979 212282 1990 119724
1980 114834 1991 018006
1981 313063 1992 311458
1982 311403 1993 019541
1983 411064 1994 118018
1984 315028 1995 111397
1985 216325 1996 018838
1986 117508 1997 110991
1987 211918 1998 114429
1988 214453 1999 018197
3 结果与分析
311 森林对气候因子的影响
31111典型相关分析 利用 1978~ 1999 年的森林
覆盖率( X 1)、森林蓄积(X 2) 与年降雨量(X 3)、最
大日降雨量( X 4)、年平均气温( X5)、7月份平均气
温( X6)、极端最高气温(X 7)、极端最低气温( X8)、1
月份平均气温( X 9)、无霜期( X 10) 等气候因子数据
进行典型相关分析. 分析结果表明,第 1对典型变量
为:
U1 = - 015583X1 + 017287X 2
V1 = 016864X 3 - 016217X4 + 015751X5 +
012787X 6 - 110685X 7 - 012258X 8 -
013578X 9 - 011971X10
它们的典型的相关系数为 018838, 其相关信息
占总相关信息的 86181%( P < 0105) . 在典型相关分
析中,变量的系数值越大, 则表示其越重要.森林蓄
积( X2) 对极端最高气温(X 7) 影响最大, 其次是年
降雨量( X 3)、最大日降雨量(X 4)、年平均气温( X5)
等气候因子.第 2对典型变量因其相关系数在检验
水平 014689下显著,因此不宜考虑.
31112 多元逐步回归分析
取 A= 0105, 样本数 n = 22. 多元逐步回归分
析结果如下:
X 3 = - 1931967 + 101950X 4
( R = 01588, F = 101544, P < 0101)
X 4 = 3971871- 9173E - 07X 2+ 010289X 3 -
61423X 7 - 31478X 8
( R = 01812, F = 81206, P < 0101)
X 5 = 171003+ 01183X9
( R = 01537, F = 81087, P < 0101)
X 6 = 71258+ 01572X7
( R = 01669, F = 161226, P < 0101)
X 7 = 251941- 1118E - 07X2+ 1174E - 03X 3
- 3178E - 02X 4+ 01735X 6
( R = 01872, F = 131531, P < 0101)
X 9 = - 22128+ 11577X 5
( R = 01537, F = 81087, P < 0101)
X 10 = 2081451+ 010432X3
( R = 01540, F = 81251, P < 0101)
从上述各经验模型中可以看出, 森林与气候因
子之间及气候因子内部之间是相互联系、相互影响
的.其中, 森林蓄积量( X2) 对最大日降雨量( X4)、
14658 期 钟全林:井冈山森林对区域生态环境的影响分析
极端最高气温( X 7) 有显著影响,最大日降雨量与极
端最高气温随着森林蓄积量的增加而减小. 森林覆
盖率(X 1) 对气候条件无显著影响, 这是由于在一定
区域范围内,当森林面积达到一定数量时,对气候条
件的影响大小主要决定于森林质量(如单位面积蓄
积量, 森林内的树种及其空间格局等)的缘故. 从回
归分析过程中还发现, 尽管森林面积与蓄积量不是
影响年降雨量的主要因子, 但区域内年降雨量与森
林面积与蓄积量成正相关, 说明增加区域内的森林
资源数量, 可能使区域内的年降雨量会有一定数量
的增加,但效果不显著, 且会明显减少最大日降雨
量,这样既可提供区域内丰富的天然水资源, 又可防
止和减少因短时降雨量过大而造成洪灾及水土流失
等灾害发生.分析结果与典型相关分析结果具有一
致性,证明了森林具有蓄洪、涵养水源、调节夏季气
温及消暑降温等功能.
312 森林对水质及大气质量的影响
31211森林对水质的影响 利用 1984~ 1999 年的
森林覆盖率( X1)、森林蓄积量( X2)与 pH 值(X 11 )、
CODcr( X12)、BOD5 ( X13)、氨氮 ( X14)、硝酸盐氮
(X 15)、亚硝酸盐氮( X16)、砷(X 17) 等水质因子数据
分别进行典型相关分析与多元逐步回归分析. 1) 典
型相关分析.第 1对典型变量为:
U1 = 019412X 1+ 010944X2
V1 = - 011178X 11 - 010518X 12 - 011073X 13
+ 010519X 14+ 012651X 15+ 017284X 16
+ 010297X 17
它们的典型相关系数为 019832, 其相关信息占
总相关信息的 96168%( P < 0101) . 上述结果结果
表明, 森林覆盖率 ( X 1) 对水质中的亚硝酸盐氮
(X 16) 因子影响最大, 其次是硝酸盐氮 (X 15) , 而对
其它水质因子则影响很小. 第 2 对典型变量因其相
关系数在检验水平 013451下显著,因此该对典型变
量的相关信息不可信, 不宜考虑. 2) 多元逐步回归
分析结果如下:
X11 = 71676 - 01645X 15
( R = 01565, F = 61568, P = 01023)
X12 = 51763 - 61976E - 08X2
( R = 01454, F = 31641, P = 01077)
X14 = 11367 - 11774E - 8X 2 - 01120X13 -
581643X 17
( R = 01753, F = 51233, P < 0105)
X15 = - 01787 + 21639X 1 - 271082X16
( R = 01907, F = 301216, P < 0101)
X 16 = - 91567E - 03 + 31716E - 02X 1 -
91456E - 03X14
( R = 01947, F = 561561, P < 0101)
由上述结果可以看出,各因子之间存在着一定
的联系, 其中森林蓄积量 ( X2 ) 与河流水分中的
CODcr( X12)及氨氮( X 14)含量存在显著的负相关,
说明森林吸收、分解水中的 CODcr及氨氮能力较强.
另外还发现, 森林覆盖率( X 1)与河水中的硝酸盐氮
( X15)及亚硝酸盐氮( X 16 )含量有显著的正相关关
系,这是由于森林所能吸收、分解的硝酸盐氮与亚硝
酸盐氮的能力相对较弱或流入河水中的周边表土与
废水(物)中的硝酸盐氮与亚硝酸盐氮含量较高等原
因所造成.
31212森林对大气因子的影响 利用 1984~ 1999
年的森林覆盖率 ( X 1 )、森林蓄积量 ( X2 ) 与 SO2
( X18)、NOx( X19)两个主要反映大气质量因子的数
据分别进行典型相关分析与多元逐步回归分析. 1)
典型相关分析表明,第 1对典型变量为:
U1 = - 017609X 1 - 013394X2
V1 = 012184X 18 + 019201X 19
其典型相关系数为 015323, 相关信息占总相关
信息的 56180% ,虽然相关系数在检验水平 011146
下显著,但仍需要考虑此对典型变量的相关信息.森
林覆盖率( X1)对降低大气中的 NOx( X19)含量有较
大影响, 说明森林面积大小对吸附与降解大气中的
NOx 含量有一定的作用.第 2对典型变量为:
U2 = - 019803X 1+ 111936X2
V2 = - 110133X 18+ 014774X 19
其典型相关系数为 014808, 虽然相关信息占总
相关信息的 43120% , 但因其相关系数在检验水平
010697下显著,故也需要考虑此对典型变量的相关
信息.森林蓄积量( X2)对降低大气中的 SO2 ( X 18)
含量有较大的影响, 说明当森林面积达到一定数量
后,森林对 SO2的吸附与降解作用大小主要决定于
森林的质量. 2)多元逐步回归分析,取 A= 0105, 样
本数 n= 16.经计算,得结果如下:
X 18= 01135- 11837E- 09X2
( R= 01455, F= 31661, P = 01076)
X 19= 0103554 - 0102367X1
( R= 01538, F= 51417, P < 0105)
从上述方程中可以看出,森林覆盖率( X 1)与大
气中的 NOx ( X19)含量存在显著的负相关. 森林蓄
1466 应 用 生 态 学 报 15卷
积量( X 2)则与区域内大气中的 SO2 (X 18 )含量呈显
著的负相关.这一结果与典型相关分析结果具有一
致性, 也说明森林可吸收并降解大气中一定数量的
SO2 与 NOx.
313 森林对减少土壤侵蚀的影响
土壤侵蚀一般受地形、森林资源、气候(如降雨
量等)及土地利用活动等因素的综合影响.在井冈山
林区,由于近 20年无大的土地开发利用活动,因此,
其土壤侵蚀主要受森林资源及气候条件的影响. 为
了能从理论上说明森林对减少土壤侵蚀的贡献, 以
表3中各年度的平均土壤侵蚀模数( X20) 为因变
量,以表1中对应年度的森林覆盖率(X 1)、森林蓄积
(X 2)、年降雨量( X3)、最大日降雨量( X 4) 为自变
量,采用多元逐步回归分析方法对其进行拟合,得经
验方程如下:
X11 = 31498- 91059X1+ 0100185X 3
( n = 22, R = 01806, F = 171644, P < 0101)
从上述方程中可以看出, 土壤侵蚀模数与森林
覆盖率及年降雨量存在显著的线性相关关系, 其中
与森林覆盖率呈负相关, 与年降雨量呈正相关.结果
表明,在井冈山林区,森林面积对防止土壤流失的作
用要比森林蓄积量的作用要大, 这说明当林分郁闭
达到一定程度后,对防止土壤流失量而言,增大森林
面积的防治效果要比增加其单位面积蓄积量要好.
4 结 论
411 森林对调节区域内的雨量分配,增加年降雨总
量,蓄洪, 调节夏季气温及消暑降温等方面具有一定
的影响.增加区域内的森林资源数量,年降雨量会有
一定数量的增加,但效果不显著.最大日降雨量与极
端最高气温受森林蓄积量的显著影响, 它们会随着
森林蓄积量的增加而显著下降.
412 森林具有改善水质与大气质量的功能. 河流水
分中的 CODcr、氨氮含量及大气中的 SO2 的浓度受
森林蓄积量的显著影响. 森林蓄积量越大,则越能降
低赣江水系中水分的 CODcr及氨氮含量, 并可显著
地减少区域内大气中的 SO2 浓度. 森林覆盖率和森
林面积大小对大气 NOx 的吸收、降解有显著影响.
413 森林可以减少土壤流失量.土壤侵蚀模数受森
林覆盖率及年降雨量的显著影响,与森林覆盖率呈
负相关,与年降雨量呈正相关.当林分郁闭达到一定
程度后,对防止土壤流失量而言,增大森林面积的防
治效果要比增加其单位面积蓄积量要好.
414 在正常情况下,利用逐步回归分析方法所得出
的相关经验模型, 可以对区域气候、大气及水质方面
的生态环境质量状况进行预测.
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作者简介 钟全林, 男, 1965 年生, 博士, 教授, 主要从事森
林生态学与森林资源管理研究, 发表论文 30 余篇. E2mail:
qlzhong@126. com
14678 期 钟全林:井冈山森林对区域生态环境的影响分析