（中南林業(yè)科技大學(xué) 理學(xué)院，湖南 長沙 410004）

森林健康是指森林具有較好的自我調(diào)節(jié)并保持其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的能力，健康的森林能夠充分地持續(xù)發(fā)揮其生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益[1]。如何客觀評價森林的健康性，有效地進行森林經(jīng)營，使森林資源能夠持續(xù)、穩(wěn)定地為人類提供服務(wù)功能，是森林可持續(xù)經(jīng)營的首要任務(wù)之一[2]。國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者開展了關(guān)于森林健康評價的研究工作，并根據(jù)不同區(qū)域特征、不同評價單元和評價目標(biāo)采取了不同的評價方法，制定了相應(yīng)的評價指標(biāo)體系[3]，但他們大多只做了小班尺度的定量評價，對景觀斑塊和區(qū)域尺度進行定量評價的研究比較少見。本研究結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，從小班、景觀斑塊、區(qū)域3個尺度對森林的健康狀況進行定量評價研究，為森林的可持續(xù)經(jīng)營與管理提供科學(xué)、合理的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣州市大嶺山林場位于廣東從化市東北部，總面積 2 596.7 hm2，地處 23′27″N，113′45″E。大嶺山林場地處北回歸線北緣，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候類型。受季風(fēng)影響，呈現(xiàn)出夏涼冬暖、光能充裕、雨量充沛等特征。林場內(nèi)分布著山地紅壤、山地赤紅壤、山地黃壤、山地草甸土等4個大類。林場內(nèi)的植被在中國植被區(qū)劃中屬于南亞熱帶常綠闊葉林地帶，有華南地區(qū)保存得較為完好的一片原始次生林，被稱為北回歸線的一片綠洲，境內(nèi)保存完整的南亞熱帶常綠闊葉林頂級森林群落。

2 森林健康評價指標(biāo)體系

根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價所依據(jù)的核心理論基礎(chǔ)和指標(biāo)體系的選擇原則，以及國內(nèi)外研究成果[4-5]，本研究整理了廣州市森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，得到與森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并初步建立廣州市大嶺山林場森林健康評價指標(biāo)體系。采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計軟件SPSS19.0對指標(biāo)體系進行定量分析篩選，結(jié)合指標(biāo)的操作性和應(yīng)用性進行定性篩選，得出最終的指標(biāo)體系。篩選出來的森林健康評價指標(biāo)體系包括3大類8個指標(biāo)：完整性指標(biāo)包括群落層次結(jié)構(gòu)和林分郁閉度；穩(wěn)定性指標(biāo)包括森林病蟲害程度、森林火險等級和近自然度；可持續(xù)指標(biāo)包括土壤侵蝕程度、公頃生物量和天然更新狀況。

2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

由于森林指標(biāo)多且復(fù)雜，指標(biāo)之間存在相關(guān)性，為了減少主觀因素對賦權(quán)的影響，因此應(yīng)用主成分分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重。應(yīng)用SPSS19.0中文版軟件中的“分析/降維/因子分析”過程對廣州地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價各指標(biāo)進行統(tǒng)計分析。

用因子載荷矩陣中的載荷因子除以對應(yīng)特征根的算術(shù)平方根得到主成分系數(shù)，把得到的主成分系數(shù)和對應(yīng)主成分的方差貢獻率做加權(quán)平均得到指標(biāo)權(quán)重，如表1。

表 1 森林健康評價指標(biāo)權(quán)重Table 1 Index weight of forest health assessment

2.2 指標(biāo)量化與標(biāo)準(zhǔn)化

森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)可以分為以下兩種類型：

（1）定性指標(biāo)，包括群落層次結(jié)構(gòu)、森林病蟲害程度、森林火險等級、天然更新狀況、近自然度和土壤侵蝕程度，其標(biāo)準(zhǔn)劃分根據(jù)廣東省森林資源二類調(diào)查技術(shù)規(guī)程直接確定。定性指標(biāo)量化和標(biāo)準(zhǔn)化是根據(jù)相應(yīng)等級直接取等級得分中值，優(yōu)質(zhì)[100，80)取90分，健康[80，60)取70分，亞健康[60，40)取50分，不健康[40，20)取30分，病態(tài)[20，0)取10分。

（2）定量指標(biāo)，公頃生物量是正向指標(biāo)，用100×(Xi－Xmin)/(Xmax－Xmin)將其標(biāo)準(zhǔn)化并轉(zhuǎn)化為百分制數(shù)據(jù)。林分郁閉度是適度指標(biāo)用100×(X優(yōu)－|Xi－X優(yōu)|)/X優(yōu)將其標(biāo)準(zhǔn)化并轉(zhuǎn)化為百分制數(shù)據(jù)，Xi指標(biāo)實際值；X優(yōu)為森林生態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)狀態(tài)時對應(yīng)的指標(biāo)值。

3 綜合評價模型的建立

3.1 評價模型

森林健康評價的方法主要包括健康距離法、指示物種法、綜合指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊綜合法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[6-9]。根據(jù)各類評價不同的特點，應(yīng)選擇不同的評價方法和模型。根據(jù)多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，采用綜合指數(shù)法來進行評價。綜合指數(shù)法是通過指標(biāo)體系將信息進行綜合，適用于任何類型的生態(tài)系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最多和比較完的評價方法，評價模型如下[10]：

式（1）中，H為森林健康指數(shù)，表示健康狀況的綜合評價值，wi表示第i個指標(biāo)的權(quán)重，bi表示第i個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

3.2 森林健康等級區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

以廣州大嶺山林場森林生態(tài)系統(tǒng)為評價對象，依據(jù)各項指標(biāo)等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，計算各個尺度森林的綜合得分值，小班尺度，根據(jù)建立的指標(biāo)體系和采用綜合指數(shù)法計算各個森林小班的綜合得分值；景觀斑塊尺度，根據(jù)基于小班網(wǎng)絡(luò)的景觀斑塊健康指數(shù)計算模型和小班節(jié)點的健康指數(shù)、PageRank等參數(shù)計算出各景觀斑塊的健康指數(shù)；區(qū)域尺度，根據(jù)基于景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域健康指數(shù)計算模型和景觀斑塊節(jié)點的健康指數(shù)、PageRank等參數(shù)計算區(qū)域的健康指數(shù)。按就近取整和基本等量的原則來劃分不同等級的劃分范圍及生態(tài)學(xué)涵義。從可持續(xù)性、抗干擾性、森林的結(jié)構(gòu)3個方面出發(fā)，將森林健康分為5個等級，如表2。

表 2 森林健康等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及生態(tài)學(xué)涵義Table 2 Grading standards of forest health and ecological implication

4 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的健康指數(shù)計算模型

（1）基于小班網(wǎng)絡(luò)的景觀斑塊健康指數(shù)計算模型

PageRank是表現(xiàn)該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的相對重要重要程度的參數(shù)，PageRank越大，對整個網(wǎng)絡(luò)的影響也越大，也就越重要，對于每個網(wǎng)絡(luò)，所有的PageRank之和等于1，對于面積分布均勻的小班構(gòu)成的小班網(wǎng)絡(luò)，基于小班網(wǎng)絡(luò)的景觀斑塊健康指數(shù)H的計算公式為：

式（2）中，hi代表第i個節(jié)點的權(quán)重；N是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的總數(shù)；Ri是第i個節(jié)點的PageRank值，表示該小班在該景觀斑塊森林生態(tài)系統(tǒng)中的相對重要程度。

（2）基于景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域健康指數(shù)計算模型

基于邊緣效應(yīng)的景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)，要考慮邊緣效應(yīng)的大小和公共邊長，也就是物質(zhì)和能量交流的帶寬，要充分利用每個節(jié)點的權(quán)重和邊的權(quán)重來計算網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)值，景觀斑塊的面積大小反映該節(jié)點的權(quán)重占整個區(qū)域的比例，基于景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域健康指數(shù)H的計算公式為：

式（3）中，hi代表第i個節(jié)點的權(quán)重，也就是編號為i的景觀斑塊健康指數(shù)；N是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的總數(shù)；Pi是第i個節(jié)點的度，也就是相鄰景觀斑塊數(shù)；Eik是指第i個節(jié)點第k條邊的權(quán)重，也就是與第k個相鄰景觀斑塊的邊緣效應(yīng)強度；Si表示第i個景觀斑塊的面積，lik表示第i個景觀斑塊的第k條公共邊長，Li表示第i個景觀斑塊的周長。

5 大嶺山林場森林健康綜合評價

5.1 基于小班網(wǎng)絡(luò)的森林景觀斑塊健康評價

根據(jù)篩選出來的指標(biāo)體系，把各小班指標(biāo)值代入公式1中，得到廣州市大嶺山林場216個小班的小班健康指數(shù)，根據(jù)健康等級區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)得到216個小班的健康等級，如圖1。

圖1 廣州市大嶺山林場森林小班健康等級Fig.1 Health grades of sub-compartment of DaLingshan Forest Farm in Guangzhou

把相鄰小班且樹種和齡組相同的小班合并，得到51個景觀斑塊。把每個景觀斑塊內(nèi)的小班構(gòu)建成小班網(wǎng)絡(luò)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)軟件Gephi，計算出各個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，利用每個節(jié)點的權(quán)重和PageRank代入公式2中，計算出51個景觀斑塊的健康指數(shù)，根據(jù)健康等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到51個景觀斑塊的健康等級，廣州市大嶺山林場景觀斑塊森林健康等級分布圖如圖2。

根據(jù)各景觀斑塊內(nèi)小班網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)和小班的健康指數(shù)，結(jié)合公式2計算出研究區(qū)各景觀斑塊的健康狀況結(jié)果如下：

（1）優(yōu)質(zhì)的景觀斑塊有14個，面積為1 962.30 hm2，占研究區(qū)總面積的 75.57%，主要是闊葉林成熟林和闊葉林中齡林，主要分布在中心地帶的高海拔地區(qū)，森林防火等級高，抗病蟲害能力強，海拔高，受到人為干擾強度較弱。

圖2 廣州市大嶺山林場景觀斑塊健康等級Fig.2 Health grades of landscape patches of Dalingshan Forest Fram in Guangzhou

（2）健康的景觀斑塊有21個，面積為277.20 hm2，占研究區(qū)總面積的10.68%，主要是闊葉林幼齡林、杉木中齡林、杉木成熟林、松類成熟林和竹林，主要分布優(yōu)質(zhì)景觀斑塊附近的，處于中高海拔地區(qū)。

（3）亞健康的景觀斑塊有11個，面積為263.10 hm2，占研究區(qū)總面積的10.13%，主要是松類幼齡林和果樹林，林分層次結(jié)構(gòu)簡單，抗病蟲害的能力中等，森林防火等級為中等。

（4）不健康的景觀斑塊有3個，面積為74.30 hm2，占研究區(qū)總面積的2.86%，主要是果樹林。林分結(jié)構(gòu)單一，抗病蟲害能力弱，森林火險等級高。

（5）病態(tài)的景觀斑塊有2個，面積為19.80 hm2，占總面積的 0.76%，兩個塊地都是荒地，只有簡單的草本和灌木，處于低海拔地區(qū)，受人為干擾因素較大。

5.2 基于景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域森林健康評價

把51個景觀斑塊抽象成網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，根據(jù)鄰接關(guān)系，如果兩個斑塊有公共邊，則相連，構(gòu)成相應(yīng)的邊，不考慮作用力的方向，所以構(gòu)成的是無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)[14]，把抽象出來的節(jié)點表和邊關(guān)系表導(dǎo)入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)軟件Gephi，構(gòu)建無向網(wǎng)絡(luò)，如圖3。

根據(jù)邊緣效應(yīng)計算公式得到景觀斑塊間的邊緣效應(yīng)強度，根據(jù)各個景觀斑塊的面積，各個景觀斑塊的周長，相鄰景觀斑塊的公共邊長，各個景觀斑塊間的邊緣效應(yīng)強度，各個景觀斑塊節(jié)點的度和各個景觀斑塊的健康指數(shù)， 代入公式3中，得到整個廣州市大嶺山林場的健康指數(shù)為78.62，健康等級為健康。根據(jù)景觀斑塊健康等級數(shù)據(jù)和景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的PageRank數(shù)據(jù)可知，PageRank等級高的景觀斑塊大多健康等級也高，也就是說重要區(qū)域都比較健康，所以研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)非常穩(wěn)定。

圖3 廣州市大嶺山林場景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Network of landscape patches of Dalingshan Forest Farm in Guangzhou

6 結(jié)論與討論

（1）經(jīng)過定量篩選和定性篩選，森林健康評價指標(biāo)體系包括3大類8個指標(biāo)。完整性指標(biāo)包括群落層次結(jié)構(gòu)和林分郁閉度；穩(wěn)定性指標(biāo)包括森林病蟲害程度、森林火險等級和近自然度；可持續(xù)指標(biāo)包括土壤侵蝕程度、公頃生物量和天然更新狀況。

（2）廣州大嶺山林場216個小班大部分處于優(yōu)質(zhì)和健康狀態(tài)，占林場總面積的87.68%，主要由天然闊葉林和天然針葉林組成。劃分成的51個景觀斑塊中，優(yōu)質(zhì)的景觀斑塊有14個，占研究區(qū)總面積的75.57%，主要是闊葉林成熟林和闊葉林中齡林。整個研究區(qū)的健康指數(shù)為78.62，健康等級為健康。處于亞健康的景觀斑塊主要是人工果樹林，須采取切實可行的森林經(jīng)營管理措施，提高經(jīng)營管理水平，改善果樹林的健康狀況，提高整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康等級。

（3）本研究以優(yōu)勢樹種類型及其所屬齡組進行景觀斑塊劃分，并在此基礎(chǔ)上對景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)進行分析。景觀類型的不同劃分方法將直接影響對網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果。如何劃分景觀斑塊類型以提高研究的準(zhǔn)確性，有待于進一步深入研宄。

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