森林生態系統健康評估方法的現狀與前景

薛沛沛，王兵，牛香，李峰卿

(1.重慶市林業科學研究院，三峽庫區森林保護與恢復重慶市市級重點實驗室，400036，重慶;2.北京林業大學，100083，北京;3.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業局森林生態環境重點實驗室，100091，北京)

森林生態系統健康評估方法的現狀與前景

薛沛沛1，2，王兵3?，牛香2，李峰卿3

(1.重慶市林業科學研究院，三峽庫區森林保護與恢復重慶市市級重點實驗室，400036，重慶;2.北京林業大學，100083，北京;3.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業局森林生態環境重點實驗室，100091，北京)

森林是林業的主體，作為森林可持續經營的組成部分和重要措施，森林健康問題引起了國內外許多學者的關注，成為當前林業研究的重要領域之一。從森林健康的發展歷程和內涵入手，對森林健康評估指標體系法、生態指示者法和健康距離法3種主要方法進行綜述，并分析各種方法的優缺點。快速診斷和評估將是森林健康研究的重要方向，需要加強以下幾方面:1)界定森林生態系統健康內涵;2)形成森林生態系統健康快速診斷和評估的簡化指標體系;3)建立森林健康快速診斷和評估方法;4)森林健康快速診斷和評估的應用技術;5)森林健康快速診斷和評估多技術、多方法、多尺度的研究。

森林生態系統;森林健康;評估方法

據《2010年全球森林資源評估》統計，世界森林 總面積略超過40億hm2，占陸地總面積的31%［1］;因此，森林作為陸地生態系統的主體，是整個國民經濟持續、快速、健康發展的基礎。近年來，伴隨著世界范圍內的經濟發展，森林被過度采伐，森林資源不斷減少，加上公害事件的不斷發生，森林健康面臨著前所未有的挑戰。森林的生產力和健康水平直接關系到全球人類的社會生活，開展森林健康研究有著非常重要的社會意義［2-3］。20世紀90年代以來，森林健康作為林業科技的一個新方向得到了全世界的重視，學者們對森林生態系統健康的定義、監測、評估和管理進行了積極的探討和實踐［4］，并將“森林健康”作為森林狀況評估和森林資源管理的標準和目標［5］。

1 森林健康的發展歷程和內涵

森林健康是森林生態系統健康和恢復(Forest Ecosystem Health/Restoration)的簡稱，最早出現在20世紀60年代，是西方國家針對人工造林林分結構單一、森林病蟲害防治能力弱、水土保持能力差等問題提出來的。80年代以來，隨著國際社會的重視，森林健康的研究范圍和深度也得到了擴展和提升。關于森林健康的內涵，還未形成統一的認識。大致經歷了以下3個階段。

1)20世紀60年代，從森林病蟲害防治方面來定義森林健康。森林健康是針對具體人為因素(酸雨、大氣污染、砍伐及森林土地開發等)造成的森林衰退現象，如不正常脫葉、冠層稀疏、脫色、葉子卷曲、大面積死亡等，以及人工林雪壓、風折、森林火災和病蟲害威脅等現象［6-12］。森林健康是指某一森林中的生物因素和非生物因素(病蟲害、空氣污染、營林措施、木材采伐等)的影響不會威脅到該森林現在或將來森林資源經營的目標［13-14］。

2)20世紀80年代以來，森林健康從林分水平轉移到森林生態系統水平。

(1)表征森林應對干擾的恢復力上。森林健康代表森林的生產力和受壓后的恢復能力［15］。其指標歸納為生態系統的活力、組織結構和恢復力或抵抗力 3 個層面［16］。M.Twery 等［17］認為森林健康是一種狀態，它可以在景觀更新、對大范圍的干擾下具有恢復力，并能夠保持自身的生態彈性，滿足人們現在以及將來在經濟、使用、產品和服務方面的需要。W.W.Covington等［18］提出健康的森林是對變化有恢復力的森林。一個健康的森林在受到干擾時必須有維持自身的能力，而且具有快速恢復力［19］。

(2)與森林生態系統的復雜性聯系起來。森林生態系統健康是一種狀態，向人類提供服務并維持自身復雜性［20-22］。有以下4個屬性:①在某一演替階段，物理環境、生物資源能支持森林活動的營養網絡;②在景觀水平上，具有抗災性變化的恢復力;③植物具有維持自身所需基本資源(水、養料、陽光等)的供給與需求之間達到平衡的能力;④在演替階段具有多樣性，并具有能為多種本土物種提供生境的林分結構和生態系統過程［23］。C.W.Dahms等［24］認為森林生態系統健康包含森林病蟲害管理、全球變化和生態系統經營。

3)20世紀90年代末期以來，從森林生態系統的時空異質性和人類需求等綜合方面來理解森林健康。隨著人們對森林作為生態系統主體認識的不斷深入，對森林健康的理解已逐步發展為包括林分、森林群落、森林生態系統以及森林景觀在內的一個復雜系統，其復雜性不僅包括空間尺度，還有時間尺度［25-26］。森林生態系統健康是包含時空尺度的概念，在空間尺度上，一棵樹的健康不等于一個林分的健康，一個健康林分中也可能存在著一定數量的被壓木、病態木、枯死木等，只是它們均在一個較低的水平上存在，對于維護健康森林中的食物鏈和生物多樣性、保持森林結構的穩定是有益的［27］。森林的健康不僅是自身的沒有疾病，而且還要滿足人類對森林的各種需求，這2方面也是森林是否健康的必要條件［28］。

總之，一個健康的森林的森林生態系統不僅內部具有良好的自我調節能力，而且對于外界環境的變化可以進行相應的自我調整，以保持一種穩定的、可持續的狀態［29］。

2 森林健康評估方法

森林生態系統健康評估是診斷人為因素和自然因素引起森林生態系統的破壞和退化所造成的森林生態系統結構紊亂和功能失調，是對森林生態系統生產力水平、結構狀態、抵抗外界干擾能力以及服務功能等多方面綜合能力的一種量化評估［30］。

2.1 森林健康評估發展歷程

生態系統健康監測和評估是伴隨著生態系統健康的產生而出現的。20世紀70年代末期，德國發現森林生活力缺失的情況，即新型森林受害現象，首先提出了森林健康狀態的概念并開始了觀測工作［31］，后來在原有的全國森林資源監測網絡加入森林健康狀態的調查監測和分析評估體系。加拿大在80年代中期開始對森林健康進行評估［32-33］，成立了ARNEws(全國酸雨早期預警系統)，在全國建立了由150個樣地組成的網絡［34］。1990年，美國實施FHM項目，于1999年加入FIA(forest inventory and analysis)工程，并逐步建立起了覆蓋全國的FHM(forest health management)體系，該體系包括監測、評估和研究3方面的內容。與此同時，美國環保局(U.S.Environmental Protection Agency，EPA)也開展了環境監測與評估項目(Environmental Monitoring and Assessment Program，EMAP)，該項目對森林、濕地、水體、沿海、農業和干旱6個生態系統進行監測，1999年開始對部分地區的森林進行健康評估［35］。澳大利亞在90年代中期也對全國的森林生態系統進行了健康調查和評估工作［36-37］。

20世紀80年代以前，我國對森林的生態管理都以控制病蟲鼠害為目標。從80年代開始，我國開始出現因環境污染而導致森林受害問題的報道，但大部分研究集中在酸雨的成因以及酸雨對單一物種及林分的影響。2001年，中美開展了森林健康合作。目前己建立了我國的病蟲害監測站點，但監測技術和網絡體系還不夠完善，森林資源與生態監測、評估工作落后于林業與生態環境建設的步伐和水平，很難對一個地區或區域的森林狀況進行準確評估。

2.2 森林健康評估方法現狀

森林生態系統健康的評估是一次綜合、全面的評估過程，包括森林生態系統的組成結構、功能過程、脅迫因素等。對于森林健康評估方法，從最初的定性評估法發展到目前利用多種技術方法和手段相結合的森林健康快速評估。常用的有指標體系法、生態指示者法、健康距離法。

2.2.1 指標體系法 指標體系法(index system method)以其提供信息的全面性和綜合性而被廣泛應用于生態系統健康評估中［38］。它適合于所有森林生態系統健康的評估。將指標體系與層次分析法、主成分分析法、指數評估法等結合起來，構造一個或幾個綜合性指標，簡化了評估工作的難度。由于研究地點、研究方法、研究目的、研究對象的差異，研究者提出了不同的森林生態系統健康評估的指標體系。

1)以 R.Costanza 等［16］為代表的以活力(vigor)、組織結構(organization)和恢復力(resilience)為基礎的指標體系。肖風勁等［39］與陳高等［40］對指標進行細化，還加入了一些新的衡量因子，使森林健康的衡量標準量化細化，在實際操作上方便易行。李秀英［41］提出了由生產力、組織結構、抵抗力和土壤狀況4方面29個指標組成的森林生態系統健康評估指標體系。甘敬［42］在森林經營小班尺度上，從完整性、穩定性和可持續性3方面初步構建健康評估指標14個。王兵等［43］從森林生態系統生產力、結構、干擾和服務功能4方面出發，構建了森林健康評估的30個指標。

2)以森林生態系統服務功能為基礎的指標體系，體現了生態系統的社會性和人類的價值取向［44］。它越來越成為評估生態系統健康的一個關鍵性的指標。從20世紀初期開始，國外的Dafdon于1941年用費用支出法核算了森林和野生生物的經濟價值，Davis于1964年對森林的游憩價值進行了評估［45］。R.Costanza 等［46］對全球生態系統服務功能進行研究。我國的生態系統服務功能及其價值評估開始于80年代，主要有實物資源價值、固碳釋氧、保育土壤、涵養水源和凈化環境、林木積累營養物質和凈化大氣、森林防護、生物多樣性保護和森林游憩等［47-49］。

3)以森林遭受的危害為基礎的指標體系。美國林務局［50］統一了森林健康的3個主要指標:森林面積的改變、樹木生長和死亡。A.Patel等［51］以安大略省立公園的森林作為研究案例，構建了物種豐度、物種密度、植被蓋度、鄉土樹種比例、個體高度、昆蟲取食造成的葉片傷害等6項生態指標。澳大利亞的森林健康監測中，使用了遙感技術開展輻射松落葉病的危害情況評估［52］。

4)將森林健康的評估與森林健康監測和森林資源調查相結合的指標體系。美國林務局提出了包括林地生產力、生物多樣性保護、森林生態系統健康與活力、水源涵養、土壤保持、全球碳循環6個領域的多個指標［53］。

2.2.2 生態指示者法 鑒于生態系統的復雜性，人們經常需要采用一些指示類群(indicator taxa)來監測生態系統健康［54］。即生物指示物評估法，也稱為生態指示者法(ecological instructions method)。該方法依據森林生態系統的指示植物、敏感植物、特有植物、特有動物、森林鳥類、森林昆蟲、森林土壤動物和森林土壤微生物等來描述森林生態系統的健康狀況［55］。如應用昆蟲監測生態系統健康已在國外廣泛應用［56］，I.R.Noble 等［57］也是生態指示者法的典范。D.A.Neher［58］指出線蟲群落(nematode community)可以作為土壤健康的指示生物。R.T.Kingsford［59］利用河漫灘濕地水鳥在航空調查中的時空變化來研究水生生態系統的健康狀況，這個方法不僅清楚地認識了濕地健康和與它連接的河流的健康之間的聯系，而且水鳥也成為受到公眾認可且具有立法依據的超級指標;但是，根據J.Hilty等［60］對作為自然生態系統健康指示生物的100種脊椎動物和32種無脊椎動物類群的研究發現，大多數指示物種都缺乏與生態系統變化的相關關系。孔紅梅［61］選用對森林生態系統健康程度影響較大的一些指示指標，如喬木、灌木、草本、土壤動物等構成評估指標體系，共有21個指標。該指標體系中土壤動物因素比例過大，指標具有一定片面性。陸慶軒等［62］以光肩星天牛(Anoplophora glabripennis)為生物指示物，對沈陽城市森林生態系統進行評估，結果表明沈陽城市森林生態系統的總體健康水平處于亞健康狀態。

2.2.3 健康距離法 健康距離法(health distance method)由陳高等［63］提出。健康距離表示受干擾生態系統(或群落)的健康程度偏離模式生態系統的健康程度(即所謂的背景值狀態)的距離，可以用于解釋生態系統(或群落)的健康評估計算。一般地，干擾越大，壓力越大，健康損益值越大，健康距離(health distance)越大，該生態系統(群落)就偏離模式生態系統越遠，越不健康，對人類的服務功能就越弱。健康距離法是一種計算所觀測森林生態系統與最接近原始狀態的森林生態系統之間的距離的方法。

陳高等［40］運用健康距離法構建一套指標體系，整個指標體系從自然—經濟—社會3個基本方面出發，給出了能夠表征闊葉紅松(Pinus koraiensis)林生態系統健康狀態的64個指標，雖然指標較全面，但指標過多，數據收集困難，許多數據需要精細的或者長期的實驗來獲得;因此，該指標體系用于科學研究還可以，但在大尺度上推廣存在一定困難。此外，該體系中有些指標很難量化或很難得到一個較客觀的值。

2.2.4 評估方法對比 指標體系法構建便捷，以其反映信息的全面性和完整性在目前的森林健康評估中占有重要地位。在實際操作中，它存在以下幾個缺點:1)由于生態系統的復雜性，指標體系的構建非常復雜;2)由于評估對象不同，實施評估的研究者不同，指標體系的構建存在著主觀性和隨意性;3)評估結構大多表現為定性描述，量化描述所占比例較小;4)某些指標體系過分強調生態系統某一方面的因素，而忽視了其他方面因素的考慮，具有一定的片面性;5)某些指標體系中，指標太多，評估觀測與資料收集所需時間較長，實際應用中可操作性較差。理論上，指標的選擇上存在困難，因為種類繁多，在不同時間尺度可以測量不同的指標精度。實踐中，指標的選擇存在個人喜好、技術問題和知識局限性。選擇合適的時空尺度指標是關鍵［64］。

生態指示者評估法包括單物種生態系統健康評估和多物種生態系統健康評估，具有快捷、高效、簡單易用的特點，符合生態系統健康評估的實用可操作原則。雖然采用指示物種評估生態系統健康的研究取得了很大進展，但是仍存在一些問題。如果只使用單一物種，當外界干擾在更高層次上對生態系統的結構和功能作用而沒有造成物種變化時，這一方法就不敏感。多物種的使用可解決上述問題，是評估自然生態系統健康較好的方法之一;但由于指示物種的篩選標準及其對生態系統健康指示作用的強弱不明確［65］，且未考慮社會經濟和人類健康因素，所以難以全面反映生態系統的健康狀況［66］，尤其不適用于人類活動為主導的復雜生態系統的健康評估。

健康距離法能從群落尺度上甚至更大尺度上對森林生態系統健康進行定量評估，具有一定的可操作性;但存在以下缺點:1)在采用健康距離法進行評估時，找到與被評估森林類型相同的未受干擾生態系統(原始森林)是非常困難的;2)在計算指標權重時帶有很強的主觀性。目前，在森林生態系統評估中的應用尚不太多。

綜上所述，盡管上述方法各有優點，但還存在著諸多的不足之處，還遠未達到森林健康快速評估的目的。隨著人們對森林健康重要性認識的提高以及對森林健康評估的深入研究，新型的森林健康快速評估方法將是今后森林健康評估研究的主要方向。結構—功能組法、同位素技術以及不同方法相結合將是今后森林健康快速診斷和評估的主要方法。

3 森林健康評估方法前景

森林健康作為近年來一個新興的領域，得到了國內外學者的廣泛關注，也吸引了大批學者的研究，在森林健康研究方面均取得了大量的成績;但是，森林健康評估方法的研究還存在著爭議。在未來的研究中，認為下述4方面將是森林生態系統健康診斷和評估的主要關注的方向和熱點。

1)森林健康評價當前選取的指標主要還局限于森林環境或森林結構單方面［67］，尚未有統一的能夠準確評估森林健康的指標體系，也沒有一個各種生態系統發展階段都適用的準則［68］。不同的指標涉及生態系統健康的不同方面，帶有一定的主觀性。同時，還存在指標過多、耗費時間和人力過大的問題。其困難不僅是因為森林生態系統健康所涉及的因素復雜多樣，還在于多數因素的量度與研究尺度密切相關［69-70］。因此，要充分掌握森林生態系統的健康和完整性，必須選擇最有效、最關鍵且能對健康狀況有直接影響的指標，更科學、快速、簡化、精準的森林生態系統健康評估指標體系是今后研究的主要方向之一。

2)目前常用的森林健康評估方法有指標體系法、生態指示者法和健康距離法3種，但各有優缺點。在小尺度上評估生態系統健康狀況的另外一種有用的方法就是功能組方法(functional group method)，功能組可以定義為一系列對生態系統某一特定過程具有相似影響的物種［71］。從已有報道來看，功能組法是森林健康快速評估的較為有效的方法之一，但目前的研究還處于初始階段。將結構與功能相結合而形成的結構—功能組法是森林健康評估方法的創新，尚未有報道。因此，指標體系法與結構-功能組法相結合，通過個體與群體的結合、微觀與宏觀的結合，來評估森林健康狀況將是森林健康研究的重要突破之一。

3)近年來，由于土地利用變化、大氣中痕量氣體增加、廢水處理和排放以及有機和無機污染物排放等過程，向社會發起挑戰，森林健康也面臨著嚴重的威脅。科學家們越來越多地使用同位素分析來探討大尺度生態健康狀況。這種監測將作為生態變化的早期預警。應用同位素分析探尋森林的結構、功能特征的各種交叉信息，以及如何用同位素技術來闡明森林健康的變化，都將是森林健康研究的重點和難點之一。

4)多技術、多方法、多尺度相結合的森林健康快速診斷和評估的研究。在以上幾種森林健康評估方法中，指標體系法和生態指示者法是較常用的方法，已有大量的應用實例。健康距離法已有初步研究，功能組法和同位素法尚未得到應用;但從長遠來看，森林健康快速評估研究仍需多種方法結合、多種技術手段的支持，同時將生態系統尺度與景觀尺度(樣地調查與GIS)相結合，也是未來森林健康快速評估研究的方向。

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Present situation and prospect of assessment methods of forest ecosystem health

Xue Peipei1，2，Wang Bing3，Niu Xiang2，Li Fengqing3

(1.Chongqing Forestry Academy，Chongqing Municipal Key Laboratory of Forest Protection and Restoration of Three Gorges Reservoir Area，400036，Chongqing;2.Beijing Forestry University，100083，Beijing;3.Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection of Chinese Academy of Forestry，Key Laboratory of Forest Ecological Environment of State Forestry Administration，100091，Beijing:China)

Forest is the main body of forestry and is a constituent part and essential measure of sustainable forest management.Forest health has attracted more attention at home and abroad，and became one of the important domains of forestry research.Based on the development history and connotation of forest ecosystem health，the main assessment methods of forest health were summarized in detail in this paper:index system method，ecological instructions method and health distance method.The merits and shortcomings of different methods were analyzed.In future researches，rapid diagnosis and assessment methods will be the key orientation，and the following aspects should be paid more attention:1)to define the conception of forest ecosystem health;2)to form simplified index systems of rapid diagnose and evaluation of forest health;3)to establish methods for rapid diagnose and evaluation of forest health;4)applied technology of rapid diagnosis and assessment of forest health;5)studies on rapid diagnose and evaluation of forest health with multi-technologies，multi-methods and in multiscales.

forest ecosystem;forest health;assessment methods

2011-12-31

2012-07-22

項目名稱:科技部林業公益性行業科研專項項目“江西大崗山森林生態系統健康維護與經營技術研究”(200804022E);國家“973”計劃項目“天然森林和草地土壤碳儲量及時空格局”(2011CB403201)

薛沛沛(1982—)，女，博士，工程師。主要研究方向:森林生態。E-mail:xuepeipei_cq@163.com

?責任作者簡介:王兵(1965—)，男，博士，研究員。主要研究方向:森林生態系統關鍵過程長期觀測與模擬。E-mail:wangbing_cfern@126.com

(責任編輯:程 云)