Document Type : Research Paper
Authors
Abstract
The effects of several factors and variables which determine forest stand structure, aren’t equal. Some of these factors, which have large effects, named as principal factors or principal components. Diagnosis and separating of this principal factors from others are very important. One of the suitable methods for determining of principal factors, is Principal Component Analysis (PCA).
In this research by PCA method, 12 forest stands of Oak (Quercus persica) and Pistachio (Pistasia atlantica), with different climatic and topographic conditions, selected and classified then by using of 31 environmental variables and structural characters, those principal factors were analysed. Results showed that variations between regions is relatively high, where 66.2 percent of total variations display in the first three axis. Regions of Cheshmehdaulat, Dalabpain and Nakhjirbala have minimum variability and regions of Melagavan, Meimeh, Nakhjirpain and Tajarian have maximum variability. In comparison to regions, we can named first axis as diameter or age axis and named second axis as almost species diversity. Variation between variables is too relatively high, where 61.3 percent of total variations display in the first three axis. Percent of health trunk, species diversity, tree density, number of dry branches, mean diameter at breast height and total canopy have larger variations in comparison to other variables.
Keywords
Main Subjects
بررسی عوامل اصلی توصیف کننده ساختار توده در جنگلهای بلوط زاگرس
جعفر حسین زاده*، علی نجفی فر و منوچهر طهماسبی
ایلام، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی ایلام
تاریخ دریافت: 12/8/93 تاریخ پذیرش: 12/3/94
چکیده
عوامل و متغیرهای متعدد تعیین ساختار یک توده جنگلی از تأثیر یکسانی برخوردار نیستند، برخی از آنها که اثرات عمدهای دارند، بعنوان عوامل اصلی محسوب میشوند. آنچه در اینجا اهمیت دارد، تشخیص و تفکیک عوامل اصلی از دیگر عوامل است. یکی از روشهای مناسب بهمنظور تعیین این عوامل اصلی، استفاده از روش تجزیه به مؤلفههای اصلی (PCA) است. در این تحقیق با کاربرد روش مذکور، تعداد 12 توده جنگلی بلوط و بنه با شرایط اقلیمی و توپوگرافی مختلف در استان ایلام انتخاب و ضمن دسته بندی، عوامل اصلی توصیف کننده ساختار آنها، با بکارگیری تعداد 31 متغیر محیطی و ساختاری، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که تغییرات بین مناطق به لحاظ متغیرهای مورد بررسی نسبتاً زیاد است، بااین وجود حدود 2/66 درصد از کل تغییرات در سه محور اول قابل توصیف است. مناطق چشمه دولت، دالاب پائین و نخجیر بالا از کمترین تغییرپذیری و مناطق ملهگون، میمه، نخجیر پائین و تجریان از بیشترین تغییرات برخوردار بودند. محور اول مربوط به مقایسه مناطق را میتوان محور قطر یا سن و محور دوم را تا حدودی میتوان محور تنوع گونهای نام گذاشت. تغییرات بین متغیرها هم نسبتاً زیاد است و حدود 3/61 درصد از کل تغییرات بین آنها در سه محور اول قابل توصیف میباشد. از بین متغیرهای ساختاری جنگل، درصد تنههای سالم، تنوع گونهای، تراکم درختان، تعداد شاخههای خشک، متوسط قطر برابرسینه و تاج پوشش کل به ترتیب از تغییرات بیشتری نسبت به سایر متغیرها برخوردار بودند.
واژههای کلیدی: ساختار جنگل، توده جنگل، زاگرس، تجزیه به مؤلفههای اصلی
* نویسنده مسئول، تلفن: 08413331237 ، پست الکترونیکی: J.hoseinzadeh@gmail.com
مقدمه
ساختار توده بعنوان یک نیروی پیش برنده مهم برای تنوع گونهای در جنگل معرفی شده و روابط نزدیکی بین خصوصیات ساختاری تودههای درختی با تنوع جانوری آنها در گزارشات مختلف اشاره شده است (16). گزارشات متعددی نیز از رابطه بین تنوع پوشش گیاهی کف با ساختار توده جنگل ارائه شده است (10 و 13).Berg و همکاران (9) جنبههای ساختاری ویژهای را از جنگلهای مسن به عنوان عناصر بحرانی برای گونههای تحت مدیریت در کشور سوئد معرفی نموده است. بعلاوه اینکه اثر تنوع ساختاری بر تولید، پایداری، انعطاف پذیری جنگلها و ترسیب کربن هم گزارش شده است (12، 14، 15 و 17). بطور کلی مجموعه اطلاعات مورد نیاز مدیران جنگل که ممکن است جنبههای مختلفی از خصوصیات جنگل را در بر داشته باشد و اهداف متفاوت یا چند منظورهای را دنبال نماید، عمدتاً از طریق بررسی ساختار توده قابل دستیابی است و این موضوع بویژه برای مدیریت منابع و تولیدات چندمنظوره درجنگل بسیارحائز اهمیت است (11). مطالعه ساختار جنگلهای طبیعی، مسیرهای توسعه مدیریت جنگل را برای رسیدن به یک ساختار مطلوب مشخص میکند. سطح تودههای جنگلی بسته به نوع و شرایط جنگل متفاوت است، بطوریکه برای جنگلهای شمال کشور حداقل نیم هکتار (7) و برای جنگلهای زاگرس حدود یک تا دو هکتار (4) گزارش شده است. پورهاشمی و همکاران (2) الگوی پراکنش مکانی گونه برودار در تودههای بهرهبرداری شده مریوان را کپهای و مناسبترین سطح قطعه نمونه برای بررسی الگوی مکانی را 75/0 هکتار اعلام کردهاند.
گرچه عوامل و متغیرهای بسیار زیادی وجود دارند که هریک به نوعی در تعیین ساختار یک توده جنگلی نقش دارند، اما واضح است که نقش این عوامل و تاُثیر آنها یکسان نخواهد بود. در عمل برای ارزیابی وضعیت یک توده یا بطورکلی یک جامعه، توجه به تمامی عوامل ممکن نیست و در موارد زیادی هم به صرفه نخواهد بود. طبقهبندیهای معمول برای تفکیک مناطق همگن در منابع طبیعی معمولاً بر مبنای یک یا تعداد معدودی از متغیرها صورت میگیرد که معمولاً اطلاع چندانی از نقش و میزان تأثیر آنها بر وضعیت کلی این منابع در دست نیست. بکار بردن روشی که بتواند ضمن تعیین رابطه بین متغیرها و گروههائی از متغیرها، تغییرات بین عوامل مختلف را بررسی کرده و با لحاظ اثر مجموعهای از متغیرها به دستهبندی یا طبقهبندی آنها بپردازد از اهمیت بالائی برخوردار خواهد بود. برای تعیین عوامل اصلی روشهای مختلفی وجود دارد، یکی از این روشها که از توانایی بالایی در تلفیق متغیرهای مختلف برخوردار است، روش PCA یا تجزیه به مؤلفههای اصلی (Principal Components Analysis) است. از این روش برای دو هدف استفاده میگردد: اول کاهش یا محدود کردن تعداد متغیرهای همبسته به چند متغیر غیر همبسته و دوم نمایش ساختار کلی روابط بین متغیرها که به عنوان متغیرهای دستهای یا طبقهای معروف هستند. این روش اولین بار توسط پیرسون در سال 1901 ارائه شده است (6). جنگلهای منطقه زاگرس بعنوان یکی از گستردهترین رویشگاههای گیاهی کشور ودومین اکوسیستم مهم جنگلی ایران، هر چند که جایگاه چندانی از لحاظ تولید چوب صنعتی ندارند اما بواسطه نقش مهمی که در تنظیم آب و خاک و تعادل اکولوژیک منطقه دارد، دراین مطالعه مورد توجه وارزیابی قرار گرفته است. هدف اصلی این مطالعه، بررسی کاربرد روش تجزیه به مؤلفههای اصلی (PCA) در ارزیابی ساختار تودههای جنگلی زاگرس و قضاوت در مورد متغیرها یا مؤلفههای مهم تعیین کننده ساختار آنها است.
مواد و روشها
محدوده مورد بررسی در این تحقیق، جنگلهای بلوط استان ایلام واقع در جنوب غربی ایران، بعنوان بخشی از جنگلهای زاگرس مرکزی است که سطحی بالغ بر 600 هزار هکتار را دربر میگیرد. برای پوشش جهتها و ارتفاعات مختلف این جنگلها، تعداد 12 توده از تودههای کمتر تخریب یافته جنگلی دانهزاد و دانه و شاخهزاد بلوط و بنه در استان ایلام در شرایط اقلیمی و توپوگرافی مختلف (بعنوان بخشی از جنگلهای زاگرس)، انتخاب و در هریک از آنها چهار قطعه نمونه یک هکتاری بطور تصادفی منظم تعیین و اطلاعات مورد نیاز از قبیل: مشخصات کلی منطقه (ارتفاع ازسطح دریا، درصد شیب، وضعیت خاک، بارندگی و دما) و همچنین خصوصیات توده جنگلی (قطر برابرسینه، ارتفاع، قطرتاج، سطح مقطع برابرسینه، حجم سرپا و ...) اندازهگیری یا محاسبه شد. در نهایت از بین کلیه مشخصات بدست آمده از هر منطقه، تعداد 31 متغیر محیطی و ساختاری جنگل در مناطق مورد بررسی که در جدول (1) آمده است، مورد ارزیابی قرار گرفت. برای بکارگیری روش تجزیه به مولفههای اصلی (PCA) ابتدا با توجه به ماهیت مختلف متغیرها و واحدهای مختلف اندازهگیری، نسبت به استاندارد کردن آنها اقدام شد.
برای توصیف جایگاه و نقش هریک از مناطق و متغیرهای مورد بررسی، ضرایب همبستگی هریک از مناطق و متغیرها با همدیگر، واریانسهای استخراج شده برای 10 محور، تعداد 6 سری اول مقادیر بردارهای ویژه، و مختصات هر یک از متغیرها و مناطق مورد بررسی روی 6 محور از 10 محور مذکور محاسبه و مورد تحلیل قرار گرفت. در بخش دیگری از بررسیهای این قسمت، کل دادههای مورد بررسی به لحاظ برخی از خصوصیات مهم ساختاری طبقهبندی شد و نقش و جایگاه متغیرهای مختلف ساختاری نسبت به این طبقهبندی ارزیابی شد.
جدول 1- فهرست متغیرهای مورد استفاده در آنالیز PCA
ردیف |
علامت متغیر |
شرح متغیر |
واحد |
ردیف |
علامت متغیر |
شرح متغیر |
واحد |
1 |
SEALEV |
ارتفاع از سطح دریا |
متر |
17 |
TREENU |
تراکم درختان |
تعداد درهکتار |
2 |
SLOPE |
شیب دامنه |
% |
18 |
COPNUM |
تراکم بلوط شاخه زاد |
تعداد درهکتار |
3 |
SOILDE |
عمق خاک |
سانتیمتر |
19 |
SHUNUM |
تراکم درختچه ها |
تعداد درهکتار |
4 |
RAIN |
میانگین بارندگی سالانه |
میلیمتر |
20 |
PISNUM |
تراکم پسته وحشی |
تعداد درهکتار |
5 |
TEMP |
میانگین دمای سالانه |
درجه سانتیگراد |
21 |
TOTNEC |
تعداد درختان خشک |
تعداد درهکتار |
6 |
SPECNU |
تعداد گونه ها |
تعداد |
22 |
DRYNUM |
تعداد شاخه های خشک |
تعداد درهکتار |
7 |
TOTDBH |
متوسط قطر برابرسینه کل |
سانتیمتر |
23 |
TOTREG |
تعداد کل زادآوری |
تعداد درهکتار |
8 |
TRUNKL |
طول تنه بدون شاخه |
متر |
24 |
QUREG |
تعداد زادآوری دانه زاد |
تعداد درهکتار |
9 |
TOTHEI |
متوسط ارتفاع کل درختان |
متر |
25 |
COPREG |
تعداد جست بلوط |
تعداد درهکتار |
10 |
CANODI |
متوسط قطرتاج کل درختان |
متر |
26 |
PISREG |
تعداد زادآوری پسته وحشی |
تعداد درهکتار |
11 |
BRANHE |
متوسط ارتفاع شروع انشعاب درختان |
متر |
27 |
QUAL1 |
نسبت تنه های درجه یک در توده |
% |
12 |
TOTCOP |
تعداد پاجوشهای اطراف کنده |
تعداد درهکتار |
28 |
QUAL2 |
نسبت تنه های درجه دو در توده |
% |
13 |
TCANOP |
تاج پوشش کل درهکتار |
مترمربع |
29 |
QUAL3 |
نسبت تنه های درجه سه در توده |
% |
14 |
TBASAL |
سطح مقطع برابرسینه درهکتار |
مترمربع |
30 |
BRAN% |
نسبت تنه های دارای انشعاب |
% |
15 |
TVOLUM |
حجم سرپا درهکتار |
مترمکعب |
31 |
QL/H |
نسبت طول تاج به ارتفاع درختان بلوط |
|
16 |
TOTNUM |
تراکم کل درختان ودرختچه ها |
تعداد درهکتار |
|
|
|
|
نتایج
تغییرات بین مناطق 12 گانه : با توجه به ارزش ویژه استخراج شده از مدل و آماره بروکن- استیک، تغییرات بین مناطق 12 گانه مورد بررسی به دلیل تعداد 31 متغیر محیطی و ساختاری مورد نظر درجنگل نسبتاً زیاد است، با این وجود حدود 2/66 درصد از کل تغییرات در سه محور اول توصیف شده است . به طوریکه 5/35 درصد آن در محور اول، 7/17 درصد در محور دوم و 9/12 درصد در محور سوم منعکس شد.
نمودارهای 1 و2 نشان میدهند که مناطق چشمه دولت، دالاب پائین، و نخجیر بالا که نزدیک به مرکز دو محور قراردارند، دارای شرایط یکسانی بوده و متغیرهای مورد بررسی در آن از کمترین تغییرپذیری برخوردار بودند. بعد از این گروه مناطق تختان، مورت وتونل کربلا با تغییرپذیری بیشتری نسبت به گروه فوق از شرایط مشابهی برخوردار بودند و گروه دوم را تشکیل دادند. بعد از این گروه منطقه دالاب بالا با تغییرپذیری مشابه گروه دوم قرار گرفت، لیکن به نظر میرسد که شرایط نسبتاً مجزائی از آنها داشته باشد. اما مناطق ملهگون، میمه، بانکول، نخجیر پائین و تجریان که در ابعاد و جهتهای مختلفی در روی محورها بودند، از تغییرات و تفاوتهای بسیار زیادی نسبت به بقیه مناطق برخوردار هستند.
با بررسی مقدار بردار ویژه هر متغیر و سهم آن در استخراج محورها نسبت به معرفی عامل تعیین کننده هر محور اقدام شد. با توجه به قرار گرفتن تودههای مسنتر (با متوسط قطر بالاتر) در بخش مثبت محور اول و قرار گرفتن تودههای جوانتر (با متوسط قطر پائینتر) در بخش منفی آن، میتوان محور اول را محور قطر یا سن توده نامید. محور دوم را تا حدودی میتوان محور تنوع گونهای نام گذاشت زیرا تودههای با تنوع کمتر در بخش منفی و تودههای با تنوع بیشتر در بخش مثبت محور قرار دارند.
آماره بروکن– استیک |
درصد تجمعی تغییرات |
درصد تغییرات |
ارزش آیگن |
شماره محور |
027/4 |
529/35 |
529/35 |
014/11 |
1 |
027/3 |
240/53 |
711/17 |
490/5 |
2 |
527/2 |
158/66 |
918/12 |
005/4 |
3 |
194/2 |
952/76 |
793/10 |
346/3 |
4 |
944/1 |
640/86 |
688/9 |
003/3 |
5 |
744/1 |
558/91 |
919/4 |
525/1 |
6 |
577/1 |
792/94 |
234/3 |
002/1 |
7 |
434/1 |
123/97 |
331/2 |
723/0 |
8 |
309/1 |
760/98 |
637/1 |
507/0 |
9 |
198/1 |
661/99 |
901/0 |
279/0 |
10 |
تغییرات بین متغیرها: تغییرات بین متغیرها در مناطق 12 گانه مورد بررسی طوری است که 3/61 درصد از کل تغییرات آنها در 3 محور اول منعکس شده است، بطوریکه 2/28 درصد در محور اول، 2/18 درصد در محور دوم و 9/14 درصد در محور سوم میباشد. البته محورهای چهارم و پنجم نیز به ترتیب 1/13 و 1/9 درصد از تغییرات را توجیه نمودند. با بررسی مقدار بردار ویژه هر متغیر و سهم آن در استخراج محورها و مشاهده نمودارهای این قسمت روشن شد که از بین متغیرهای محیطی مورد بررسی، متوسط دمای سالانه (temp)، عمق خاک (soildep)، بارندگی (rain) و ارتفاع از سطح دریا (sealev) به ترتیب دارای تغییرات بیشتری بودند. البته همانطور که دیده میشود، هیچکدام از متغیرهای مورد بررسی در مرکز محور قرار نگرفته است که این نشان دهنده تأثیر آنها ( هرچند که در بعضی موارد اندک است ) بر تغییر پذیری مناطق و تفاوتهای آنها با همدیگر است .
از بین متغیرهای ساختاری جنگل، با توجه به همبستگی بین متغیرهای مورد بررسی و محورهای مدل، معلوم شده است که درصد تنههای سالم (qual1)، تنوع گونه (specnum)، تراکم درختان (treenum)، تعداد شاخههای خشک (drynum)، متوسط قطر برابرسینه (dbh) و تاج پوشش کل (tcanop) به ترتیب نقش بیشتری نسبت به سایر متغیرها در توصیف تغییرات ساختاری جنگل داشتند. بعد از آنها متوسط طول تنه، متوسط ارتفاع و متوسط قطرتاج بصورت یک گروه مشابه در تغییر پذیری ایفای نقش نمودند.
بحث ونتیجه گیری
مطالعه ساختار جنگلهای طبیعی، مسیرهای توسعه مدیریت جنگل را برای رسیدن به یک ساختار مطلوب مشخص میکند. با نگاهی به موقعیت مناطق 12 گانه مورد بررسی روی محورهای ارائه شده مشخص میشود که تغییرات بین مناطق مورد بررسی به لحاظ تعداد 31 متغیر محیطی و ساختاری مورد نظر درجنگل نسبتاً زیاد است. این موضوع علی رغم ظاهر یکسان جنگل، تنوع شرایط ساختاری در جنگلهای زاگرس را نشان می دهد. احتمالا یکی از دلایل این امر به بهره برداری های صورت گرفته در این جنگلها مربوط باشد. جزیرهای و ابراهیمی رستاقی (3) در این رابطه اظهار داشتهاند که برداشت بیش از توان تولید این جنگلها نه فقط موجب کاهش سطح آنها شده، بلکه کاهش کیفی آنها را نیز درپی داشته است (3).
آماره بروکن– استیک |
درصد تجمعی تغییرات |
درصد تغییرات |
ارزش آیگن |
شماره محور |
103/3 |
170/28 |
170/28 |
380/3 |
1 |
103/2 |
383/46 |
213/18 |
186/2 |
2 |
603/1 |
264/61 |
881/14 |
786/1 |
3 |
270/1 |
358/74 |
094/13 |
571/1 |
4 |
020/1 |
463/83 |
105/9 |
093/1 |
5 |
820/0 |
351/89 |
888/5 |
707/0 |
6 |
653/0 |
320/93 |
968/3 |
476/0 |
7 |
510/0 |
979/95 |
659/2 |
319/0 |
8 |
385/0 |
252/98 |
273/2 |
273/0 |
9 |
274/0 |
349/99 |
097/1 |
132/0 |
10 |
|
|
بررسی نمودارهای این بخش نشان میدهد که از بین متغیرهای محیطی مورد بررسی، متوسط دمای سالانه، عمق خاک، بارندگی و ارتفاع از سطح دریا به ترتیب دارای تغییرات بیشتری هستند و موجبات این تنوع را فراهم کردهاند. این نتیجه با نتایج محققان دیگر از جمله Barnes و همکاران (1998) مطابقت دارد، که در این رابطه اعلام کردهاند گیاهان برآیندی از خصوصیات محیطـی هــرمنطقــه و آینــه تمــام نمــای خصوصــیات رویشگاهی آن منطقه محسـوب مـیشـوند. حسینی (5) در تحقیق خود اثر جهت دامنه را بر تنوع، غنا و یکنواختی اشکوب درختی معنیدار اعلام کرده و جهتهای جنوبی و شمالی را بالاترین تنوع، غنا و یکنواختی گزارش کرده است.
به نظر می رسد دلیل تفاوت این مناطق به این شرح باشد که، منطقه مله گون دارای توده ای مسن و با تراکم نسبتاً ضعیف از درختان بلوط ایرانی (Quercus persica ) است که زیر اشکوب قوی و متراکمی از گونههای دافنه (Daphne angustifolia)، سیاهارجن (Rhamnus catartica ) و شن (Lonicera numularifolia) سطح جنگل را پوشانیده است. درختان بلوط در این توده به نحو چشمگیری مورد تهاجم گونه نیمه انگلی موخور (Loranthus europea) هستند و شاید به همین خاطر از مرگ ومیر بالاتری هم برخوردار است. منطقه میمه دارای تودهای مسن و با تراکم قابل توجه از درختان تنومند بلوط ایرانی و بنه (Pistacia atlantica ) است که از بالاترین سطح مقطع و حجم سرپا در هکتار برخوردار است. مناطق نخجیرپائین و تجریان که به صورت دانه وشاخهزاد هستند، جوانترین و متراکمترین تودهها را تشکیل داده و از درصد تنههای سالم بالاتری نیز برخوردارند.
تغییرات بین متغیرها یا ویژگیهای ساختاری جنگل در مناطق 12 گانه مورد بررسی به گونهای است که 3/61 درصد از کل تغییرات آنها در 3 محور اول منعکس شده است. براساس نتایج این تحقیق، از بین متغیرهای ساختاری جنگل، درصد تنههای سالم، تنوع گونهای، تراکم درختان، تعداد شاخههای خشک، متوسط قطر برابرسینه و تاج پوشش به ترتیب از تغییرات بیشتری نسبت به سایر متغیرها برخوردار بودهاند. بعد از آنها متوسط ارتفاع و متوسط قطرتاج بصورت یک گروه مشابه در تغییر پذیری ایفای نقش کردهاند. همانطور که امینی (1) به ضرورت بررسی ویژگیهای متعدد برای توصیف ساختار توده در جنگلهای شمال کشور پرداخته و بر توجه به ویژگیهای هر یک از گروهها یا تیپها به عنوان مبنای قضاوت و برنامهریزی جنگل تأکید کرده است، در جنگلهای زاگرس نیز توجه به ویژگیهای جزئیتر تودهها میتواند در توصیف بهتر ساختار آنها کمک نماید. در مجموع بدلیل تنوع شرایط محیطی و زیستی در این جنگلها، عوامل زیادی در توصیف ساختار توده ها نقش دارند و هریک از آنها بخشی از تغییرات ساختاری را دربر میگیرد، بنابراین می توان عوامل مهم آنها را استخراج کرده و برای بحرانهایی مانند زوال یا تغییرات احتمالی مورد توجه قرار داد.