東大河林區青海云杉林健康評價

劉建泉，孫建忠

(1.甘肅祁連山國家級自然保護區管理局，甘肅 張掖 734000；

2.甘肅祁連山國家級自然保護區東大河保護站，甘肅 金昌 737200)

森林生態系統健康理論是20世紀末出現的，指導森林資源經營管理和森林有害生物防治的一種全新的理論[1-2]。生態系統健康的內涵及相應的評估研究成為21世紀生態系統學研究的主要內容和迫切任務之一[3]。森林的健康狀況會直接影響人類生態安全和可持續發展，健康的森林是實現森林資源可持續經營的基礎[2-4]。森林健康經營理論和技術已成為當今世界林業研究的熱點[1，4]。對生態系統健康的概念、評估方法和思想等進行了很多探討[1-7]，但關于具體生態系統的健康評估實例尚不多見[5]。

東大河林區位于石羊河流域的上游，是祁連山水源涵養林區的重要組成部分，是金昌市唯一的寒溫性針葉林區和水源涵養林區，每年為東大河、西大河提供約4.19億m3的出山水，是金昌市生態安全和社會經濟環境可持續發展的重要屏障。青海云杉(Piceaclassifolia)林是東大河林區唯一的常綠喬木林，面積4 426.2 hm2，其健康狀況直接影響到生態效益的發揮和鎳都——金昌的發展。為了科學經營東大河青海云杉林，充分發揮其森林生態服務功能，探討定量化評估森林生態系統鍵康狀況的途徑，本研究運用主成分分析法、聚類分析法，構建青海云杉林健康綜合評價模型，對東大河林區青海云杉林的健康狀況進行了初步的評價。

1 材料與方法

1.1研究區概況 東大河林區位于河西走廊祁連山中部冷龍嶺北麓，金昌市永昌縣東大河、西大河中游,101°24′～102°10′ E,38°01′～38°10′ N,總面積33 480 hm2，海拔2 400～4 000 m，是石羊河流域重要的水源涵養林區。該區屬大陸性高寒半濕潤氣候，年平均氣溫1.9 ℃，最高氣溫31 ℃，最低氣溫-25 ℃，年降水量385.2 mm，多集中于7-9月，年蒸發量1 258.3 mm，年均相對濕度50%～60%，氣候干燥、寒冷，植物生長期135～150 d；土壤有山地灰鈣土、山地栗鈣土、山地黑鈣土、亞高山草甸土等，土壤母質為次生黃土或坡積物；主要植被有青海云杉林、爬地柏(Sabinavulgaris)灌叢、高山柳(Salixspp.)灌叢、鬼箭錦雞兒(Caraganajubata)灌叢、金露梅(Potentillafruticosa)灌叢等，構成山地荒漠植被帶、山地森林草原植被帶、亞高山灌叢植被帶、高山草甸植被帶等垂直帶譜；林區現有水源涵養林11 500.7 hm2，其中喬木林4 531.6 hm2，灌木林6 969.1 hm2，森林覆蓋率33.8%，活立木蓄積417 778 m3。青海云杉林呈塊狀或條狀分布在2 500～3 400 m的陰坡或半陽坡上，面積、蓄積分別占全林區的98.96%和99.45%，青海云杉是青海云杉林唯一的優勢種。

1.2青海云杉林健康評價指標的確定 根據青海云杉林的相關研究資料，結合多年研究的經驗，建立青海云杉林健康評價指標體系。

1.2.1指標確定的原則 指標體系建立包括科學性、可操作性、系統性與層次性相結合、主導要素4個原則[7]，結合東大河林區青海云杉林的實際情況，對其健康評價除考慮以上原則外，重點應考慮以下原則：1)主導要素原則[7]，選取的指標應該是反映青海云杉林健康狀況的主要因子[4]；2)可操作性原則[7]，反映森林健康的指標是多種多樣的，獲取的途徑、方法、手段也各不相同，因此，選取的指標應該是在實際調查中相對容易獲取到的指標；3)自然環境制約原則，生長在不同環境中的青海云杉林，其健康狀況受自然條件的制約，因此，選取的指標應該反映青海云杉林的生存環境。

1.2.2野外調查與數據轉換 利用東大河林區的林相圖選擇不同地段的青海云杉林，用GPS定位，設置20 m×20 m的樣地，進行環境調查，記錄經緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、人為和自然干擾等環境因子；將樣地劃分成5 m×5 m的相鄰格子樣方16個，進行植被調查，記錄植物種類、高度、蓋度、生活型等植被因子，對喬木進行每木檢尺，記錄樹種、郁閉度、胸徑(樹高≥1.5 m)、地徑(樹高<1.5 m)；在樣地的下方挖土壤剖面，按自然層次記錄土壤剖面性狀，測定土壤含水率；共調查樣地13塊，樣方208個，土壤剖面13個，樣地基本情況見表1。

1.2.3指標的篩選與評價模型的構建 對坡度、坡向、群落類型進行量化，對19個調查指標數據進行標準化，統一指標數據的綱量。采用主成分分析方法，對13個樣地的19個調查因子進行主成分分析，確定主導因子(主成分)和各因子權重，以減少指標間的相關性，且使指標間相互獨立或不相關[8]。根據主導因子、特征根和因子得分系數，計算各主成分的綜合指標：

式中，Fi為各主成分的綜合評價指標，λi為各主成分的特征根，Cin為因子得分系數，ZXin為Xin標準化后的數值。

以各主成分的貢獻率為權重，構建東大河林區青海云杉林健康綜合評價模型：

H=a1F1+a2F2+a3F3+…+aiFi，

i=1,2,…,n[3，4，8]。

式中，H為森林健康評價指標，ai為權重(主成分的貢獻率)，Fi為主成分的綜合評價指標。

表1 調查樣地基本情況

1.2.4健康等級的劃分和確定 把樣地指標數據的標準化結果分別代入所確定的各主成分中，求出主成分(綜合指標)數據矩陣，以此數據矩陣為基礎，對樣地健康狀況進行聚類分析[3-4]。根據聚類結果，分別對每類計算綜合評價指標平均數，并代入健康綜合評價模型H，計算綜合得分。

主成分分析和聚類分析的計算過程，使用SPSS 13.0軟件在計算機上完成。

表2 青海云杉林健康評價指標體系

2 結果與分析

2.1青海云杉林健康評價的指標體系 根據評價指標體系的指導思想和構建指標體系的原則，將青海云杉林健康評價的指標體系分成目標層(青海云杉健康評價指標體系)、準則層和指標層3個層次[1，4](表2)。

2.2評價青海云杉林健康的主要指標 主成分分析的計算結果(表3)表明，特征值大于1.000的主成分共有6個，主成分的累計貢獻率為90.05%，因此，決定選取6個主成分(F1～F6)。F1的因子載荷≥0.5的有X7、X5、X16、X14、X17、X6、X12、X13、X9，共9個因子，是反映青海云杉林健康狀況的綜合指標；F2的因子載荷≥0.5的有X12、X13、X18、X19、X3、X8、X9，共7個因子，主要反映青海云杉林的生產能力和潛力；F3的因子載荷≥0.5的有X10、X6、X2，共3個因子，主要反映優勢種對群落的調控能力；F4的因子載荷≥0.5的有X8、X2、X4，共3個因子，主要反映自然環境對群落的影響；F5的因子載荷≥0.5的有X1、X15，共2個因子；F6的因子載荷≥0.5的僅有X15，共1個因子，其他主成分的因子載荷都<0.5；主成分F2～F19在不同程度上對F1進行了補充。篩選出的6個主導因子(主成分)為：X7、X5、X16、X14、X17、X6。

表3 特征值及主成分貢獻率

2.3青海云杉林健康綜合評價結果 對13個樣地進行聚類，當歐幾里德距離取15時，聚為3類：Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，并計算每一類的健康綜合評價指標的平均值。鑒于目前學術界尚沒有公認的森林生態系統健康標準[9]，本研究具體操作時，將青海云杉林健康評價標準分3個等級，即健康、亞健康、不健康(表4)。在青海云杉林13個樣地中，健康樣地7個，占53.82%；亞健康樣地4個，占30.77%；不健康樣地2個，占15.38%。

2.4青海云杉林健康狀況分析 根據主成分分析、小班聚類和健康綜合評價結果，將3類、6個主成分的樣地調查指標的平均值進行計算(表5)。在郁閉度為0.8、灌木層蓋度為2.6%、樣地蓄積量為3.016 7 m3、土壤吸濕水含量為29.99%、土壤含水量為33.31%時，青海云杉林屬于健康狀態，能夠有效地調節降水和發揮生產潛力，生態功能正常；當郁閉度為0.4、灌木層蓋度為94.0%、樣地蓄積量為0.546 6 m3、土壤吸濕水含量為58.24%、土壤含水量為62.42%時，青海云杉林屬于不健康狀態，水源涵養能力下降，生產力和生產潛力不能充分發揮。

表4 青海云杉林健康綜合評價結果

表5 青海云杉林6個主導因子的平均值

3 討論與結論

本研究以東大河林區13塊青海云杉林樣地調查資料為基礎，利用群落的自然環境、群落特征、恢復能力、生產能力和潛力5方面的19個指標，初步構建了青海云杉林健康評價指標體系，并以19個指標為基礎，利用主成分分析方法，篩選出影響青海云杉林健康的主要指標有群落類型、郁閉度、灌木層蓋度、林分蓄積量、土壤吸濕水、土壤含水量共6個指標。通過聚類分析，將青海云杉林13塊樣地分為3類，Ⅰ類健康，包括7塊苔蘚-青海云杉林樣地，占53.82%；Ⅱ類亞健康，包括1塊苔蘚-青海云杉林樣地和3塊草類-青海云杉林樣地，占30.77%；Ⅲ類不健康，包括2塊灌木-青海云杉林樣地，占15.38%。由此可見，東大河林區的青海云杉林健康狀況比較好，但仍然存在森林健康的問題。

草類-青海云杉林和苔蘚-青海云杉林是青海云杉林中較為穩定的類型[10]，在東大河林區，苔蘚-青海云杉林健康狀況良好，而草類-青海云杉林則處于亞健康狀況，這與青海云杉林的演替和東大河林區自20世紀80年代初開始禁止森林采伐、全面封山育林的森林恢復措施密切相關。

對不同地域的森林生態系統來說，不同類型森林生態系統的結構、功能、物質和能量流動具有各自的特點，因此，森林健康具有相對性。根據《中國植被》對植被的分類原則，植物群系(Formation)是“優勢層片的優勢種相同或其生態習性一致，并具有相同標志種的群叢聯合”[11]，因此，從群落水平對森林健康狀況進行評價時，評價的基本對象應該是植物群系，更高級的植被分類單位都會造成評價結果缺乏可比性。

[1]邢韶華，姬文元，郭寧，等.森林生態系統健康研究進展[J].生態學雜志，2009，28(10)：2102-2106.

[2]王懿祥，陸元昌，張守攻，等.森林生態系統健康評價現狀及展望[J].林業科學，2010，46(2)：134-140.

[3]王雄賓，余新曉，谷建才，等.華北土石山區油松林生態系統健康評價[J].中國水土保持科學，2009，7(1)：97-102.

[4]閆淑英，席青虎，鐵牛.寒溫帶杜香-興安落葉松林林分健康評價研究[J].南京林業大學學報，2010，34(6)：81-86.

[5]陳高，鄧紅兵，代力民，等.森林生態系統健康評估Ⅱ.案例實踐[J].應用生態學報，2005，16(1)：1-6.

[6]趙良平.森林生態系統健康理論的形成與實踐[J].南京林業大學學報，2007，31(3)：1-7.

[7]姬文元，邢韶華，郭寧，等.川西米亞羅林區云冷杉林健康狀況評價[J].林業科學，2009，45(3)：13-18.

[8]王彤.醫學統計學與SPSS軟件應用[M].北京：北京大學醫學出版社，2008.

[9]官冬杰，蘇維詞.城市生態系統健康評價方法及其應用研究[J].環境科學學報，2006，26(10)：1716-1722.

[10]劉建泉，丁國民，郝虎，等.青海云杉群落特征和動態的研究[J].西北林學院學報，2008，23(1)：14-17.

[11]宋永昌.植被生態學[M].上海：華東師范大學出版社，2010：355-358.