劉金良，于澤群，張順祥，王迪海，趙 忠

(西北農(nóng)林科技大學 西部環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100)

森林健康評價體系構(gòu)建是森林可持續(xù)經(jīng)營的基礎(chǔ)，主要包括評價指標體系的構(gòu)建和評價模型的建立。迄今，國內(nèi)外眾多學者雖對此進行了大量研究[1-5]，一些成果也已在森林經(jīng)營中應(yīng)用，但由于對森林健康的認識存在許多分歧，且不同研究者的理解和研究尺度不同，因此在評價指標遴選和評價方法方面仍存在很大差異，即使對同一對象，評價結(jié)果也會不同。評價指標的代表性和評價模型的實用性是目前森林健康評價體系構(gòu)建中存在的主要問題。森林的健康評價可從不同的角度和層面去展開。從森林不但要能夠長期可持續(xù)發(fā)展又能發(fā)揮其生態(tài)和經(jīng)濟功能的角度出發(fā)，評價指標體系應(yīng)包括2部分，即森林維持其可持續(xù)發(fā)展的度量指標和提供生態(tài)和社會服務(wù)功能的度量指標。如果排除經(jīng)營者對森林的功利化需求，僅從森林自身持續(xù)發(fā)展的角度考慮，森林的健康則應(yīng)從其自身結(jié)構(gòu)(O)、活力(V)和穩(wěn)定性(R)等方面去評價[6]。

黃土高原由于特殊的氣候、地貌和土壤條件，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，在該區(qū)維持現(xiàn)有人工林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展是經(jīng)營管理的基本目標。因此，該地區(qū)的森林健康評價應(yīng)著眼于森林的持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。刺?Robiniapseudoacacia)是渭北黃土高原的主要造林樹種之一，對該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和維護發(fā)揮著重要作用。自國家實施退耕還林工程和天然林保護工程以來，渭北黃土高原的植被發(fā)生了很大變化，大面積刺槐人工林逐漸郁閉，但“重營林輕管護”的現(xiàn)象在各級林業(yè)部門及農(nóng)民的認識中普遍存在，大部分人工林未采取及時有效的撫育經(jīng)營措施，限制了其生態(tài)功能的有效發(fā)揮。

本研究在劉恩田等[7]對渭北地區(qū)刺槐人工林健康評價研究的基礎(chǔ)上，以評價刺槐人工林健康及可持續(xù)發(fā)展?jié)摿槟繕?，通過明晰評價因子內(nèi)涵，遴選和構(gòu)建評價指標體系，建立了健康指數(shù)模型，并運用層次分析的方法，按齡級對渭北黃土高原刺槐人工林自身的健康狀況進行了評價，以期為該區(qū)域刺槐林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣地調(diào)查

在劉恩田等[7]從陜西省永壽(YS)、扶風(FF)、白水(BS)3個縣刺槐人工林選取60塊樣地(20 m×20 m )的基礎(chǔ)上，于2012-07-09在永壽縣馬蓮灘刺槐人工林中，補充設(shè)置了24塊相同規(guī)格的樣地。記錄每個樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、坡位，對樣地的林齡、郁閉度、胸徑、樹高、冠幅以及枯梢、枯立木和病蟲害株數(shù)進行調(diào)查，并記錄灌木的種類、高度及數(shù)量。在各樣地的4個角和中心處設(shè)置5個1 m×1 m的草本樣方，調(diào)查草本和藤本植物的種類、高度、蓋度以及枯落物的厚度。

1.2 評價指標體系的構(gòu)建

健康評價指標體系構(gòu)建的技術(shù)路線為：確定指標遴選原則→界定評價因子內(nèi)涵→初步遴選評價指標→建立評價模型→計算評價指標權(quán)重→通過比較不同齡級各指標權(quán)重的差異，最終確定評價指標。

1.2.1 評價指標的遴選原則 從維持人工林持續(xù)發(fā)展目標出發(fā)，評價指標體系的構(gòu)建應(yīng)遵循以下3個原則。

1)系統(tǒng)性。從林分結(jié)構(gòu)、活力和穩(wěn)定性等方面系統(tǒng)構(gòu)建評價體系。

2)靈敏性。評價指標能夠深刻和實時地反映林分的生長發(fā)育狀況及存在的風險。

3)實用性。評價因子不宜過于復(fù)雜和繁多，且在野外使用常規(guī)計測工具或儀器即可進行測定或測量，以便于指導經(jīng)營或在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用。

1.2.2 評價因子內(nèi)涵的界定 依據(jù)Costanza等[6]提出的森林健康評價模型(該模型涉及森林的結(jié)構(gòu)、活力和穩(wěn)定性等因子)，結(jié)合國內(nèi)森林健康評價的研究現(xiàn)狀[8-15]，對評價因子的內(nèi)涵進行界定。

森林的結(jié)構(gòu)因子主要包含2個方面：空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)?？臻g結(jié)構(gòu)包括林木空間分布格局、混交、大小分化等3個方面，涉及到的林分指標有冠層厚度、冠幅大小、冠高比、林齡結(jié)構(gòu)、郁閉度、密度、群落層次、灌草蓋度、凋落物厚度等。非空間結(jié)構(gòu)包括林木個體結(jié)構(gòu)、物種多樣性和物種豐富度，涉及到的林分指標有平均胸徑、徑級、平均樹高、優(yōu)勢木高、物種多樣性指數(shù)、枝下高、灌木高度、草本高度、干形、灌木地徑、林分起源、灌草豐富度、更新層豐富度。

森林的活力因子是指森林活立木生長與更新的能力，涉及到的評價指標有生物量、生長量和自然更新能力等，常用的指標有林分蓄積量、林分生物量、葉面積指數(shù)、樹高年生長量、胸徑年生長量、林分蓄積生長量、年凋落物量、植株結(jié)實狀況、枯立木數(shù)量、幼苗幼樹更新狀況等。

森林的穩(wěn)定性是指林分抵抗外界干擾的能力，包括林分抗病蟲害的能力和抗氣象災(zāi)害的能力2個方面。評價中常使用的穩(wěn)定性指標有病蟲害狀況、火險等級、有害昆蟲與天敵數(shù)量、自然災(zāi)害發(fā)生程度、林分易燃指數(shù)、風倒木數(shù)量、雷擊木數(shù)量、病蟲害發(fā)生面積、污染程度等。

1.3 評價模型的構(gòu)建

依據(jù)層次分析的原理，將刺槐人工林健康評價指標體系分為3層(目標層、準則層和指標層)，按兩級綜合評價的思路構(gòu)建評價模型。

1.3.1 數(shù)據(jù)的標準化 對野外調(diào)查數(shù)據(jù)進行歸納處理，對指標數(shù)據(jù)進行標準化處理[15]。標準化公式為：

可是等訂下婚約，父親要他重返蓬萊成婚，他又知悔了，跑了。他何嘗不曾“少年心性，心思機巧”，覺得天下的事、天下的人、天下的情，都當不得他一拳一劍，不在話下。誠心正意何其難，少年老成何其無趣，我又何必苛責這幾個孩子。

Yi=Xi/Xmax。

(1)

式中，Yi為標準化后值，Xi為指標的實測值，Xmax為該指標的最大值。

標準化后發(fā)現(xiàn)，評價指標可分為3類：(1)正相關(guān)指標。指標健康得分值越高，該指標健康程度越高，如立地質(zhì)量、平均樹高、平均胸徑。(2)負相關(guān)指標。指標健康得分值越高，該指標健康程度反而越低，如病蟲害、枯梢比等。(3)雙向指標。指標健康得分在某一區(qū)間時，該指標健康程度為最佳，隨著指標的升高或降低，該指標的健康程度降低，如郁閉度。由于雙向指標在本試驗中影響不大，故仍然使用公式(1)的處理方式進行處理。負相關(guān)指標使用公式X′=1-X進行轉(zhuǎn)換[7]。

1.3.2 權(quán)重及變異系數(shù)的計算 通過方差分析、Delphi-AHP法和層次分析法相結(jié)合的方式確定各評價指標的權(quán)重。通過計算不同齡級指標權(quán)重的變異系數(shù)，對指標進行再次篩選，變異系數(shù)計算公式為：

CV=σ/μ×100%。

(2)

式中：CV為變異系數(shù)，σ為標準差，μ為平均值。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析使用SPSS 20.0、OriginLab OriginPro 8.5和Excel 2007等軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價指標的初步遴選

在渭北地區(qū)，數(shù)千年的農(nóng)耕生產(chǎn)和頻繁的人為活動使當?shù)氐脑脖灰驯黄茐拇M，人工林下的植被多為在人工擾動下，植被恢復(fù)初期侵入的先鋒草本植物。郭琳等[16]的研究表明，渭北黃土高原人工刺槐林下植被的演替依次經(jīng)歷了艾蒿、葎草、葎草+糙蘇3種主要類型，主要建群種表現(xiàn)出由1年生向多年生、由低級向高級演替的趨勢，其Patrick、Shannon-Wiener、Simpson和Pielou等多樣性指數(shù)隨刺槐林齡級的增加均呈二次函數(shù)變化，說明該地區(qū)植物多樣性指標存在不穩(wěn)定性，其對人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性缺乏指示作用。因此，在該地區(qū)人工林健康評價中，可不考慮物種多樣性指標?；谝陨现笜隋噙x原則及其內(nèi)涵界定，本試驗從林分結(jié)構(gòu)、林分活力和林分穩(wěn)定性3類因子中，選擇能反映林分自身健康特性且易于測定的9個指標構(gòu)建評價指標體系[17-22]，結(jié)果見圖1。

圖1 渭北黃土高原刺槐人工林健康評價指標體系

2.2 評價指標的權(quán)重計算及再篩選

常見的權(quán)重計算方法有方差法、Delphi-AHP法和層次分析法。方差法是根據(jù)各指標方差大小分配權(quán)重，該權(quán)重是自然狀態(tài)的客觀體現(xiàn)，不含有任何的人為因素。Delphi-AHP法和層次分析法是對自然狀態(tài)的人為判斷，帶有一定的主觀性。本試驗采用3種方法相結(jié)合的方式計算權(quán)重，取三者權(quán)重的加權(quán)平均值，作為各評價指標的權(quán)重，結(jié)果見表1。

據(jù)“陜西省森林資源二類調(diào)查實施辦法”將刺槐人工林分為幼齡林(10年以下)、中齡林(11～20年)、成熟林(21～30年)、過熟林(31年以上)。采用公式(2)計算不同齡級刺槐人工林各指標權(quán)重的變異系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，更新狀況、郁閉度、平均胸徑3個指標權(quán)重的變異系數(shù)大于40%，表明這3個指標的權(quán)重在不同齡級間差異極顯著；立地質(zhì)量、枯梢比、密度、平均樹高、火險等級、病蟲害等6個指標權(quán)重的變異系數(shù)大于10%，表明這6個指標的權(quán)重在不同齡級間差異顯著。上述結(jié)果表明，篩選的9個評價指標靈敏度較高，可以作為最終構(gòu)建刺槐人工林健康評價指標體系的因子。

表1 渭北黃土高原刺槐人工林健康評價體系及其權(quán)重

2.3 評價模型的構(gòu)建

(3)

式中：HI為生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)，WB i為準則層各層權(quán)重，WC i為指標層各層權(quán)重，YC i為指標層各指標標準化值。

指標層單個指標健康指數(shù)的計算公式為：

Hi=Wi×Xi。

(4)

式中：Hi為單個指標健康指數(shù)，Wi為指標權(quán)重，Xi為指標標準化值。

2.4 各齡級刺槐林健康等級的劃分

采用聚類分析的方法，對刺槐林分的健康度得分進行聚類，并根據(jù)最終聚類中心劃分不健康和健康的臨界值。根據(jù)聚類結(jié)果，對渭北黃土高原刺槐人工林分進行分類，分類標準見表2。健康(Ⅲ)表示林分處于健康狀態(tài)，具有良好的持續(xù)發(fā)展?jié)摿?；亞健?Ⅱ)表示林分處于亞健康狀態(tài)，其持續(xù)發(fā)展存在障礙因子，應(yīng)通過及時撫育解除這些因子，使林分恢復(fù)健康狀態(tài)；不健康(Ⅰ)表示林分處于不健康狀態(tài)，存在多項障礙因子，即使通過撫育也很難恢復(fù)健康。

表2 渭北黃土高原刺槐人工林健康等級的劃分

2.5 評價體系的應(yīng)用

2.5.1 刺槐人工林健康評價結(jié)果 研究區(qū)3個縣84塊刺槐人工林調(diào)查樣地的健康評價結(jié)果(表3)表明，處于健康、亞健康和不健康狀況的樣地分別占樣地總數(shù)的45.2%， 42.9%和 11.9%，表明渭北黃土高原區(qū)刺槐人工林總體健康狀態(tài)不容樂觀，急需進行健康經(jīng)營撫育。

表3 渭北黃土高原刺槐人工林健康評價結(jié)果

2.5.2 3個縣刺槐人工林的健康評價結(jié)果 白水縣共有樣地23塊，其中不健康林分占17.4%，亞健康林分占47.8%，健康林分只占34.8%；扶風縣共有樣地16塊，其中不健康林分占25%，亞健康林分占56.3%，健康林分只占18.7%；永壽縣共有樣地45塊，其中不健康林分占4.4%，亞健康林分占 35.6%，健康林分占60%(圖2)。綜上可知，刺槐人工林健康狀況表現(xiàn)為永壽縣優(yōu)于白水縣，白水縣優(yōu)于扶風縣。

2.5.3 不同齡級刺槐人工林的健康評價結(jié)果 由圖3可知，幼齡林和中齡林的健康狀況優(yōu)于成熟林和過熟林。幼齡林中不健康林分占7.6%，亞健康林分占46.2%，健康林分占46.2%；中齡林中不健康林分占6.8%，亞健康林分占40.9%，健康林分占52.3%；成熟林中不健康林分占23.1%，亞健康林分占46.2%，健康林分占30.7%；過熟林中不健康林分占21.4%，亞健康林分占42.8%，健康林分占35.8%。

圖2 渭北黃土高原不同縣刺槐人工林健康評價結(jié)果

幼齡林處于林分發(fā)育的初級階段，林分內(nèi)部水分、養(yǎng)分、光照等條件充足，個體之間競爭程度弱，整體處于健康狀態(tài)。隨著林分的持續(xù)發(fā)育，中齡林個體之間對空間、養(yǎng)分、水分的競爭加劇，在胸徑、樹高、干形方面出現(xiàn)差異，健壯植株獲得更多資源，病弱植株營養(yǎng)、光照獲取受阻，生長勢持續(xù)下降，部分植株出現(xiàn)凋亡，林分總體密度減小，郁閉度增大，林分與個體的抗逆能力增強，平均胸徑、平均樹高持續(xù)增加。隨著齡級的增大，林分發(fā)育到成熟林，個體體積不斷增大，對養(yǎng)分、光照、水分的需求增加，個體間競爭激烈，病蟲危害加劇，部分個體生長勢減弱并出現(xiàn)枯死現(xiàn)象，林分表現(xiàn)為密度顯著減小，郁閉度減小，個體植株生物量增大，抗逆能力降低，此時應(yīng)該進行擇伐，以促進子代植株的發(fā)育，保證林分的可持續(xù)發(fā)育。過熟林林分個體大，密度與郁閉度小，林分對營養(yǎng)、空間、光照、水分的競爭趨于緩和，抵抗力減弱，林分整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 渭北黃土高原不同齡級刺槐人工林健康評價結(jié)果

3 結(jié)論與討論

森林健康評價是對林地進行評估監(jiān)測的一種有效的技術(shù)手段，其通過綜合考察分析森林生態(tài)系統(tǒng)中的多個生物和非生物因子，來評估林地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，發(fā)現(xiàn)對森林生態(tài)系統(tǒng)具有潛在威脅的因子，為森林的經(jīng)營管理提供依據(jù)，最終實現(xiàn)森林的可持續(xù)發(fā)展。

本研究在永壽縣槐平林場、扶風縣野河林場、白水縣方山林場選取84塊樣地作為研究對象，進行實地調(diào)查，基于科學性、代表性、操作性和系統(tǒng)性的原則，從林分自身生長發(fā)育和可持續(xù)經(jīng)營的角度出發(fā)，篩選出9個評價指標，通過林分活力、林分結(jié)構(gòu)和林分抗逆性3個層面對樣地進行健康評價。結(jié)果表明，所調(diào)查的刺槐林地總體處于亞健康狀態(tài)，健康林占45.2%，亞健康林占42.9%，不健康林占 11.9%，整體處于亞健康狀態(tài)。永壽縣刺槐人工林健康林分占60%，總體處于健康狀態(tài)；白水縣亞健康林分占47.8%，總體處于亞健康狀態(tài)；扶風縣亞健康林分占52.3%，總體處于亞健康狀態(tài)。永壽縣刺槐人工林的健康狀況最好，白水縣次之，扶風縣最差。幼齡林健康林分占46.2%，總體處于健康狀態(tài)；中齡林健康林分占52.3%，總體處于健康狀態(tài)；成熟林亞健康林分占46.2%，總體處于亞健康狀態(tài)；過熟林亞健康林分占42.8%，總體處于亞健康狀態(tài)。中齡林健康狀況優(yōu)于幼齡林，幼齡林優(yōu)于過熟林，過熟林優(yōu)于成熟林。據(jù)此，對幼齡林和中齡林應(yīng)進行疏伐、間伐和衛(wèi)生伐，伐掉林分內(nèi)的病弱植株，調(diào)整林分密度，提高林分的空間利用率；對成熟林和過熟林應(yīng)進行擇伐或主伐，調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，促進林分的自然更新。

通過對亞健康和不健康刺槐林的研究發(fā)現(xiàn)，林地內(nèi)植株個體間差異極大，病蟲害和枯梢化嚴重，人為破壞嚴重(放牧和盜伐)。故筆者建議，對個體間差異大的林分進行主伐，調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，提高對光照、水分和養(yǎng)分的利用率；對于病弱植株和枯梢化嚴重的植株進行衛(wèi)生伐；對病蟲害發(fā)生程度嚴重的地區(qū)，使用化學藥劑或生物方法進行防治；加強宣傳力度，禁止放牧，設(shè)立防護圍欄，降低人為活動對環(huán)境的影響。

本研究構(gòu)建的森林健康評價體系選擇的具體度量指標簡單易測，具有較高的可操作性，通過對不同地區(qū)和不同齡級刺槐林健康程度的比較分析表明，該指標體系及評價方法能客觀評估刺槐林的健康狀態(tài)，具有一定的科學性和靈敏性。該健康評價指標體系對黃土高原地區(qū)刺槐林的健康評價具有一定的參考價值，可為該地區(qū)刺槐林的健康經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

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