世界各国植被发展水平的定量分析

世界各国植被发展水平的定量分析

王欣

（长春师范学院 城市与环境科学学院 吉林长春）

摘要：首先选取2003年全球20个国家的植被指标（森林面积，森林覆盖率，林木蓄积量，草地面积，4个指标），应用 SPSS统计软件对此进行了主成分分析；然后结合主成分分析结果，利用聚类分析方法得到了20个国家植被发展水平的区域谱系图；最后在此基础上，探讨各国植被发展的相似性和差异性。研究结果表明：利用主成分分析和系统聚类方法分析各国植被水平，不仅可以克服传统的基于人工选用指标进行综合分析所存在的数据不易处理的缺陷，而且结果准确性高，是对世界植被水平进行定量分析的一种新的尝试。

关键词：植被发展水平;；主成分分析; 系统聚类;

1． 引言

植被是实现环境发展与社会发展统一的关键纽带，是改善生态环境，促进人与自然协调和谐，实现可持续发展的必然之路。据科学统计，植被的生态效益大于其自身经济价值的10倍以上。植被在生产、生态、生活中具有不可替代的重要作用，对构建健康的生态环境，促进社会良性循环发展具有重要意义。植被不仅有良好的生态效益，在保障国土安全，农牧业生活生产中，发展国民经济上也发挥了重要作用。 全球200多个国家，每个国家森林面积，森林覆盖率，林木蓄积量不同，植被发展水平也存在着严重的差异性，这其中宝货自然因素，也包括人文因素。

为了世界和平发展，共同繁荣，本研究选取了2003年世界20个国家的4个植被指标，应用 SPSS统计软件对此进行了主成分分析；然后结合主成分分析结果，利用聚类分析方法得到了世界林业水平谱系图；最后结合各地区自身的地理状况和经济发展水平，探讨了世界植被发展水平的区域相似性和差异性。

2. 各国植被水平的“降维”分析

2.1指标选取

植被覆盖在某一地区地面上具有一定密度的许多植物的总和，森林和草地是最普遍的植被，森林覆盖率和林木蓄积量又是测定植被的重要指标。因此，本研究选取森林面积、森林覆盖率、林木蓄积量、草地面积4个指标作为分析各国林业发展水平的指标，并对这些指标进行主成分（降维）分析。

X1——森林面积 。森林面积指由乔木树种构成，郁闭度0.2以上（含0.2）的林地或冠幅宽度10米以上的林带的面积，即有林地面积。森林面积包括天然起源和人工起源的针叶林面积、阔叶林面积、针阔混交林面积和竹林面积，不包括灌木林地面积和疏林地面积。

X2——森林覆盖率。森林覆盖率通常指森林面积占土地总面积的百分比。反映一个国家或地区森林资源和绿化水平的重要指

标。又是确定森林经营和开发利用方针的重要依据之一

X3——林木蓄积量。林木蓄积量亦称森林蓄积量、木材蓄积量。是衡量一个国家或地区林业经营效益的重要指标，指一定森林省（14.37米3/人）。

X4——草地面积指牧区和农区用于放牧牲畜或割草，植被盖度在5％以上的草原、草坡、草山等面积。包括天然的和人工种植或改良的草地面积。

立木的材积总量，常按树种、径级、材种等分别统计不同活立木的材积总量。木材蓄积量也是反映一个国家或地区林业生产力的一项重要指标，它随树种和立地条件的不同而发生变化。全世界的木材蓄积量达3100亿立方米，平均每公顷森林蓄积量为110立方米，最高达234立方米（瑞士），我国仅为每公顷79立方米。世界木材蓄积量最多的是俄罗斯、巴西、美国、加拿大、中国、印尼等国。人均木材蓄积量最高的是南美洲（428米3/人），亚洲地区最低（17米3/人）。我国人均木材蓄积量最多的是黑龙江

2.2指标间的相关性分析

利用SPSS软件对原始数据做标准化处理，然后计算得出各指标之间的相关系数矩阵，其结果见表1。

表一 相关系数矩阵

Table 1 The correlated matrix of 4 indices

X1 X2 X3 X4

X1 1.000 0.224 0.748 0.349

X2 0.224 1.000 0.312 -0.195

X3 0.784 0.312 1.000 0.356

X4 0.349 -0.195 0.356 1.000

由表1不难得出，原始变量数据中，X1（森林面积）和X3（林木蓄积量）存在着较大的正相关。X2（森林覆盖率）和X4（草地面积），存在着负相关关系。X3 与 X2、 X3与 X4之间的关系较小。

通过SPSS软件计算得到主成分特征值、

贡献率、累积贡献率（如表2所示）。由表2可知，前二个主成分的累积贡献率为82.106%（理论上80%--85%），所以选取前二个主成分，就可以综合代表4个指标所反映的世界林业的特征和基本情况。主成分载荷矩阵（表3）表明：第一主成分（贡献率为52.259%）在森林面积和森林覆盖率上具有较大大的正载荷（0.908、0.924），这2

2.3主成分贡献率及其主成分载荷分析

个指标反映了世界大部分地区的植被水平以森林面积为主导这一事实，可以说明第一主成分在某种程度上代表着世界植被水平的整体状况。第二主成分（贡献率为29.846%）在在森林覆盖率上具有较大的正

载荷（0.846），在草地面积上具有较大的负载荷（-0.683），这说明第二主成分在一定程度上代表着植被的发展方向。同时也显示了第一主成分的重要性。

表2 主成分特征值、贡献率和累积贡献率

Table2 The eigenvalue,contribution rate and accumulative contribution rate of PC

初始特征值 提取平方和载入 旋转平方和载入

成份 合计% 方差的% 累积% 合计% 方差的% 累积% 合计% 方差的% 累积%

1 2.091 52.282 52.282 2.091 52.282 52.282 2.090 52.259 52.259

2 1.193 29.823 82.106 1.193 29.823 82.106 1.194 29.826 82.106

表3 主成分载荷矩阵 Table3 The load matrix of PCA

成份 1 2

X1 0.908 0.003 X2 0.330 0.846 X3 0.924 0.104 X4 0.551 -0.683

2.4世界各国主成分得分评价与分析

计算各国在第一、第二主成分上的得分，如果一个区域在某一主成分上的得分为正，则意味着这一区域的该主成分在平均发展水平之上；反之，得分为负则表明在平均

水平以下。另外。也可以按照各个主成分的贡献率，定义综合主成分得分，它反映了各个国家植被的综合发展水平。世界第一、第二主成分得分前五位的国家及其得分情况，具体见表4。

表4 第一、第二主成分得分前五名的省份

Table 4 The five best provinces with the high scores in PCA1，PCA2, respectively

第一主成分 第二主成分 序号 省份 得分 省份 得分 1 巴西 2.70346 印度尼西亚 2.07935 2 美国 1.66910 日本 1.53586 3 加拿大 1.28390 巴西 1.10723 4 匈牙利 0.78932 加拿大 0.42736 5 中国 0.66929 捷克 0.41713

从表4中可知，巴西、美国、加拿大、匈牙利、中国、印度尼西亚、日本、捷克等国家的主成分得分均为正，说明这些国家的植被的水平均在世界的平均水平之上。第一、第二主成分得分上的差异，综合反映了4个植被发展状况的评价指标在区域结合上的差异。巴西、美国、加拿大在森林面积上有很大优势。印度尼西亚、日本、巴西在森林覆盖率上表现突出。

综合得分（表略）排在前六的国家依次为巴西、印度尼西亚、加拿大、日本、美国、墨西哥。全球热带雨林面积7.186亿ha，有一半以上分布在巴西（41%）和印度尼西亚（13%）。巴西是南美洲第一大国，世界第五大国。位于南纬 15°45', 西经 47°57'，有世界上最大的平原，亚马孙平原，平原上有世界著名的亚马孙热带雨林，因此，巴西的森林资源非常丰富。森林覆盖率达67%。木材储量658亿立方米。水力资源丰富。美国国土面积世界第三，植被资源丰富，美国有超过17，000种本土的植物和树种，是世界上最多样化的，美国也是世界上最早开始重视环境保护的国家之一，因此，美国的植被发展水平是很高的。加拿大是世界第二大国，把枫树作为国树，加拿大的森林覆盖面积为全国面积的32.7%。加拿大

有五大地理区。分别是东部大西洋区、中部区，草原区、西海岸地区和北部区。气候条件，和良好的地形条件为发展植被提供了便利。印度尼西亚位于亚洲东部，地跨赤道，是除了中国外亚洲领土最广泛的国家，典型的热带雨林气候，植被资源丰富，其中要用植物最丰富。日本是亚洲大陆东岸的岛国，境内多山，森林面积和森林覆盖率都很高。墨西哥是拉美第三大国，墨西哥气候复杂多样。沿海和东南部平原属热带气候，年平均气温为25℃—27.7℃；墨西哥高原终年气候温和，山间盆地为24℃，地势较高地区17℃左右；西北内陆为大陆性气候。大部分地区全年分旱、雨两季，雨季集中了全年75%的降水量。年平均降水量西北部不足250毫米，内地为750—1,000毫米，墨西哥湾沿岸中部与太平洋沿岸南部为1,000— 2,000毫米。因墨境内多为高原地形，冬无严寒，夏无酷暑，四季万木常青，自然条件极其优越，有“高原明珠”的美称，因此，墨西哥的植被发展也十分突出。

需要要说明的是：各国在地理位置上存在着差异性，它会对植被的发展有明显的作用和影响。例如综合得分排在后四位的依次是中国、尼日利亚、英国和澳大利亚，其得分分别为：-1.05846、-1.09855、-1.42076、

-1.81891，说明这几个地区的植被发展水平居于世界平均水平之下。其中澳大利亚一畜牧也为主，草地面积广大，在第一主成分和第二主成分方面优势不明显。因此这个四个国家在植被资源方面均属于不够全面、不够发达的地区。

被发展水平的区域相似性和差异性作综合和系统的分析。

3.1 基于欧氏距离的聚类计算

首先采用标准差标准化方法对三个主成分得分的数据进行处理；然后采用欧氏距离测度样本间距离；最后计算出6种系统聚

类分析方法的结果，有最近邻元素余弦、最近邻元素平方Euclidean距离、质心聚类法person相关性、组间联系person相关性、中位数聚类法chebycher距离、最近邻元素Educlidean距离。通过比较选出 中位数聚类法Chebycher距离并对样本进行分类，从而得到世界各国植被发展水平的区域谱系图（见图1）。

3.各国植被水平的区域相似性和差异性分析

系统聚类分析方法是定量地研究地理事物分类问题和地理分区问题的重要方法。因此我们采用系统聚类分析方法对世界各国植

当Chebycher距离取 22.5（谱系图中第一条长竖线所示）和15.0（谱系图中第二条长竖线所示）时，可以将世界20个国家分为两个类和五个亚类。

当取22.5时，分为两类。其中，德国、波兰、罗马尼亚、法国、印度、意大利、匈牙利、尼日利亚、英国、捷克、保加利亚、中国、澳大利亚、加拿大、墨西哥、美国、日本，印度尼西亚为一类。巴西自成一类。把第一类中的澳大利亚与第二类的巴西做

比较。澳大利亚的国土面积居世界第六，国土辽阔。澳大利亚曾号称\骑在羊背上的国家。农牧业和农畜产品加工业发达。但澳大利亚以乳畜业为主，草地面积比森林面积大得多.澳大利亚80年代以来，把77%的天然林划为生态环境效益为主的非生产林，而森林经济利用重点则转向人工林，进行分类经营。巴西国土面积世界第五，拥有辽阔的农田和广袤的雨林。巴西大部分地区属热带气侯，南部部分地区为亚热带气候。有41%的热带雨林分布在巴西。因此巴西的植被水平极高，综合排名第一。巴西天然林分布主要有亚马孙森林，大西洋森林，热带高原森林，狭叶南洋杉森林等。是世界上森林资源最丰富的国家之一。我们能够看出，澳大利亚和巴西的国土面积相近，都位于南半球，但森林面积和草地面积正好相反，这首先取决于两国的地理位置和气候条件。巴西横跨迟到，有热带雨林气候，水热条件好，植被水平高。而奥达利亚纬度叫巴西偏南。此外，两国的经济发展模式的差别也造成了植被水平的差异，澳大利亚以畜牧业为主，有辽阔的天然牧场，巴西则不然。

当距离取15.0时，可分为五个型。 第一型中，. 德国、波兰、罗马尼亚、法国、印度、意大利、匈牙利、尼日利亚、英国为一簇。这些国家大多位于欧洲，属于世界的温带深林带，森林面积比较稳定，甚至通过植树造林，植被面积略有扩大。捷克、保加利亚为一簇。这两国气候温和，领土内丘陵起伏，气候条件和地形条件都适于植被生长。此外，这些国家的经济发展较好。注重环境保护。第一亚类的11个国家中，除了印度的森林覆盖面积排名相对靠前以外，其他都排在后面。

第二型中，中国和澳大利亚各为一簇。中国土地辽阔，森林面积大，但是人均植被占有量较少。澳大利亚的国土面积居世界第六，国土辽阔，但澳大利亚以乳畜业为主，草地多，森林少.澳大利亚80年代以来，把77%的天然林划为生态环境效益为主的非

生产林，森林经济利用重点则转向人工林，进行分类经营。中国也属于这种经营模式。除了森林蓄积量中国和澳大利亚有较大差别以为，森林面积，森林覆盖率，草地面积都差别不大。从这些方面看，中国和澳大利亚有一定的相似性和差异性。

第三型中，加拿大、墨西哥为一簇，美国为一簇。三个国家森林面积的排名为3、2、4.这三个国家均在拉丁美洲，国土面积都很大，自然地理条件有很多相似性。由于植被很高的生态效益和经济效益，北美的国家特别注重伐木方法，原始森林的采伐数量和强度。加拿大提出新的管理方法，建有10个样板森林，占地700万ha，在那里采用在生态方面最完善的林业作业方法，对每个样板森林以持久供应木材为目标加以管理。而美国西北部太平洋沿岸的伐木也也有一定的标准。拉丁美洲有一般的热带潮湿落叶林，墨西哥高原分布的大量热带高原森林。美国幅员辽阔，资源丰富，植被发展水平相对稳定，因此拉丁美洲的植被水平是非常高的。

第四型中，日本，印度尼西亚各为一簇。两国的森林面积排名分别为8、9.日本国是位于亚洲大陆东岸外的太平洋岛国。日本属于发达国家，国民拥有很高的生活质量，高新电子技术十分发达。日本境内多山，山地和丘陵占总面积的71%，国土森林覆盖率高达67%。河流流程短，水能资源丰富。国民非常注重保护植被，植树造林。印度尼西亚岛屿众多，典型的热带雨林气候，全球热带雨林面积7.186亿ha，有一半以上分布在巴西（41%）和印度尼西亚（13%）。日本和印度尼西亚除了在草地面积上差距较大以为，其他方面都极为类似。

第五型：巴西。巴西拥有辽阔的农田和广袤的雨林。巴西大部分地区属热带气侯，南部部分地区为亚热带气候。有41%的热带雨林分布在巴西。因此巴西的植被水平极高，综合排名第一。四个指标

的排名也都为第一。巴西重视生态城市分布主要有亚马孙森林，大西洋森林，热带高原森林，狭叶南洋杉森林等。是世界上森林资源最丰富的国家之一。 4．结论

通过主成分分析将选用的用于分析世界植被发展的4个指标，“降维”成2个综合的、独立且功能明确的主成分，避免了4个斜交的、相关的指标在分析问题上造成的偏差。2个主成分累计贡献律达82.106%；由主成分载荷可知X1（森林面积）和X2（森林覆盖率）对世界植被发展水平的影响作用

建设，讲求人与自然和谐相处。天然林 突出；各主成分得分和综合主成分得分，清楚地反映出了各国植被在综合交通发展水平上的差异和特点。

主成分得分基础上的系统聚类分析结果（谱系图），揭示出了世界各国植被发展水平在各地区的相似性、差异性特点和规律。此方法是对世界各国间综合交通发展水平进行定量分析的一种新的尝试。由于谱系图的结论客观准确，因此也为各个国家和世界未来植被的发展提供了客观指导依据。

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The countries all over the world of the development level of vegetation quantitative analysis

Wang Xin 0909140108

Abstract: first selecting the 2003’s global 20 countries of vegetation index (forest area, the forest coverage rate, forest, grassland area, volume 4 index), SPSS statistical software to the principal component analysis; And then combining with principal component analysis results, make use of cluster analysis method for 20 countries vegetation development level of regional dendritic diagram; Finally based on this, this paper discusses the development of all countries vegetation similarities and differences. The results of the study show that, using the principal component analysis and system clustering method to analyze all vegetation level, can not only overcome

traditional based on artificial selection index analysis of the existing data tricky defects, and the accuracy is high, the level of the world for quantitative analysis of vegetation a new attempt.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4j4r.html