基于干擾的汪清林區森林生態系統健康評價

袁 菲，張星耀，梁 軍，*

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所森林保護學國家林業局重點實驗室，北京 100091;2.北京市林業保護站，北京 100029)

森林健康評價是當前熱門的研究方向之一，可用來判斷一個地區森林健康狀況和森林經營趨勢，是進行森林健康經營的重要基礎［1］。不同的專家學者根據其學術側重點不同，選取的評價指標也大不一樣。魯紹偉等［2］提出物種多樣性、群落層次結構、郁閉度、灌木層蓋度、年齡結構、林分蓄積量、病蟲危害程度、土壤侵蝕程度8項指標，指標容易測量便于野外操作;李靜銳等［3］選取了生長狀況、有機質含量、地類、土層厚度、灌木豐富度、草本豐富度共6個指標，指標選取沒有考慮抗干擾能力指標和外界環境指標，指標涵蓋面較小;高志亮等［4］提出結構性指標、功能性指標和適應性指標3大類包括物種多樣性、平均生物量、葉面積指數、土壤有機質和森林病蟲害程度等8個指標，對于林分尺度森林健康研究具有指導意義;姬文元等［5］從森林群落方面入手提出郁閉度、下木總蓋度、地被物總蓋度、幼樹中建群種數量比例、更新等級、幼樹幼苗生長情況、單位面積活立木蓄積量、建群種的平均胸徑、建群種的平均樹高共9個指標，未考慮抗干擾能力指標;張仁等［6］提出單位面積蓄積量、林齡結構、土層厚度、群落結構、喬木郁閉度、灌木蓋度、草本蓋度、腐殖質厚度、天然更新狀況及病蟲害危害程度10個評價指標，指標選取合理，但未考慮到森林火險等指標。

從上述可以看出，目前很多研究者提出的評價指標，實際上很多都是從Costanza提出的系統活力、系統組織、系統恢復力3個方面演化而來，指標構成過于理論化。有些指標選取時因為所學專業的限制，沒有考慮到森林火災、森林病蟲害或者大氣污染等目前對森林生態系統健康影響較大的有害干擾因子。而近幾年來，我國森林受到的有害干擾越來越重，方式也越來越多樣化，嚴重影響了森林生態系統的健康。針對于此，本文根據對汪清林區的實地調查，采取一種全新的評價模式，即提出基于干擾理論的森林生態系統健康評價體系和評價模型，在一定程度上豐富了森林生態系統健康評價的研究理論和方法體系，對將來的生態系統健康評價工作有一定的借鑒意義。

1 試驗地概況

本文選擇處于寒溫帶森林生態系統的吉林省汪清林業局經營區為研究區。林區位于吉林省延邊朝鮮族自治州的東北部，長白山系的中低山區(43°05'—43°40'N，129°56'—131°04'E)，東、北部與黑龍江省寧安市、穆陵縣、東寧縣接壤，東南部與琿春市、圖們市毗鄰，西南部與敦化市、龍井市相接。總面積30.4萬hm2。汪清林區屬于中溫帶濕潤溫涼季風氣候區。春季溫度變化劇烈，冷暖干濕無常;夏季短暫，溫涼而潮濕;秋季涼爽，晝夜溫差大;冬季漫長而寒冷。年平均氣溫3.9℃，最高年份4.9℃，最低年份2.9℃。年平均降水量為547 mm，集中在6—8月，占全年降水量的65%。年平均無霜期135 d，無霜期最長的年份157 d，終霜期一般在5月9日左右，初霜期在9月24日左右出現。年平均日照時數2 358 h。林區地面高程為360—1 477 m，坡度變化范圍為0—45°。該區域植物種類繁多，結構復雜。深山區林相以針闊混交林為主，呈帶狀分布在海拔500—1100 m之間。針葉樹主要有落葉松 Larix spp.、紅松 Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.、云杉Picea meyeri Rehd.et Wils.，闊葉樹多為蒙古櫟 Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.var.mongolicodentata、楓樺 Betula costata Trautv.、色木槭Acer mono Maxim和白樺Betula platyphylla Suk等，平均樹高為26 m。主要土壤類型為暗棕色森林土，其間穿插有少量的沼澤土和草甸土。

2 研究方法

2.1 調查方法

2.1.1 樣地設置

綜合考慮海拔、坡向、齡組、經營歷史、森林健康狀況等因素，將林區分為4種類型:天然落葉松林(針葉樹比例91%—100%)15塊、人工落葉松林(針葉樹比例100%)15塊、針闊混交林(針葉樹比例11%—90%)14塊和闊葉混交林(針葉樹比例0—10%)16塊，共選取臨時樣地60塊。樣地為圓形，半徑為8.92 m，面積為250 m2。確定樣地中心點后，用皮尺實測半徑8.92 m之內的樹木。同時記載樣地號、森林類型、樣地面積、優勢樹種、林分起源、林種、樣地位置(林場、林班、小班)、GPS坐標、坡向、坡度、坡位、海拔、調查者、設置日期等內容。

2.1.2 樣地調查

調查樣地基本狀況包括:海拔、坡度、坡向、坡位、林齡結構、林分郁閉度、灌木總蓋度、草本總蓋度、群落層次結構、近自然等級、火源管控力度等。植被調查，對胸徑＞4 cm的喬木進行每木檢尺，記載其樹種、胸徑、樹高、發病率、有蟲株率及病蟲害的發生程度。沿樣地坡面設置1 m×1 m的草本樣方2個，并以此擴大成5 m×5 m的灌木樣方2個。記錄1 m×1 m樣方內所有草本植物種類、數量、高度、蓋度，記錄5 m×5 m的灌木樣方內所有灌木的種類、數量、高度、蓋度，在樣地中心附近設2 m×2 m的喬木更新調查樣方，分別記載2徑階以下苗木的各樹種名稱和株數。樣地中隨機選取10個點，調查枯枝落葉層的厚度。此外，樣地所屬林班森林病蟲害發生歷史、火災頻度數據、經營管理、撫育間伐措施亦可通過向有關部門搜集獲取。

2.2 基于干擾理論的森林健康評價體系構建及指標說明

2.2.1 評價指標體系的構建

根據汪清林區的實地情況最終確定有害干擾指標層:森林病害、森林蟲害、森林火險以及人為干擾，生態系統內部的增益指標層:樹種多樣性、群落層次結構、林分更新狀況、近自然度，即一個目標層A，兩個約束層B，8個指標層C以及12個分項指標D(表1)。

2.2.2 評價指標的測定

2.2.2.1 有害干擾指標

(1)森林病害

森林病害指標由發病率和病情指數來決定。

表1 基于干擾的汪清林區森林生態系統健康評價指標體系Table 1 Forest ecosystem health indicator system based on disturbance of WangQing forestry

病情指數(D2)是根據一定數目的植株各病級(把植株感染病害的輕重程度劃分為等級成為病級)來核計其發病株數所得平均發病程度的數值。計算公式為:

計算病情指數時，首先應該清楚林分的主要森林病害，然后根據病害的不同類型查出不同的病級分類標準，最后依據公式計算出病情指數。發病率與病情指數屬于負向指標，值越大說明森林病害程度越嚴重，即生態系統越不健康。森林病害計算公式為:

式中，w1、w2分別為D1和D2的權重。

(2)森林蟲害

森林蟲害指標由有蟲株率和蟲害危害程度來決定:

不同的有害生物引起的災害程度不一樣。本文將森林蟲害按不同的危害程度分為輕、中、重3個等級(表2)。根據樣地內蟲害的3個等級輕、中、重分別賦值1、2、3，無危害賦值為0，如果樣地內同時有幾種蟲害，以危害程度最重的一種進行分級和賦值。有蟲株率與蟲害程度屬于負向指標，值越大說明森林蟲害越嚴重，即生態系統越不健康。

表2 森林蟲害危害程度等級分級標準Table 2 Classification of forest pests damage degree

森林蟲害計算公式為

式中，w3、w4分別為D3和D4的權重。

(3)森林火險

構成森林火災的主要要素是火源、可燃物、適合的氣象條件，一定的地形條件則加快火災的蔓延速度。從歷年我國森林火災發生統計資料來看，我國每年發生的森林火災大部分都是由人為火源引發的，人為火源不僅與聚居人口多少、人口分布狀況等相對穩定人口因素有關，而且還與交通、旅游等動態人口因素有關，這方面數據調查受隨機概率的影響很大，直接獲得數據資料比較困難，因此本研究中應用火源管控力度來反映火源對森林火險等級的影響。另外，在目前全國的森林氣象條件等級中，不同的氣象條件形成不同的森林火險，適用于一定區域內的森林火險氣象等級。但是氣象條件每天都有不同，在本文中不考慮氣象條件。

因此，本研究主要從火源管控力度和可燃物兩個方面來對森林火險進行分級。

火源一般包括野外生產用火、生活用火、上墳燒紙等現象，根據這些現象以及人為旅游、砍伐等活動出現的頻率來劃分火源管控力度，并對其進行賦值(表3)。

表3 不同火源管控力度賦值及依據Table 3 Fire source control grade and valuation

森林可燃物主要由枯枝落葉層、草本植物和林木可燃樹種組成，因此用枯枝落葉層厚度、草本植物蓋度以及喬木樹種的易燃等級來決定可燃物的等級。其中，草本植物蓋度、枯枝落葉層厚度可由調查獲得。根據李艷梅等［7］可得，中國森林主要樹種的燃燒等級可以分為3類，分級情況與賦值見表4。

表4 中國森林主要樹種燃燒等級劃分［7］Table 4 Classification of combustibility of major trees inChina［7］

森林火險包括火源和可燃物，不同指標內容的權重比例不一樣，也決定了森林火險的最后數值的不同。森林火險指標屬于負向指標，值越大說明森林火險等級越高，即生態系統越不健康。森林火險公式為:

式中，w5、w6、w7、w8、w9分別為 D5、D6、D7、D8、D9的權重。

(4)人為干擾

由于人為干擾方式較多，很多人為干擾無法定量表示，因此，參考艾儒訓［8］人為干擾的分級標準，本研究對不同程度的撫育采伐強度、采伐后林分郁閉度大小、灌木和草本層結構、林相結構等人為干擾進行劃分(表5)，達到其中一項即按照表5情況賦值。

2.2.2.2 增益指標

(1)物種多樣性

物種多樣性指數反映了群落的物種多樣性的空間分布和變化特征的分析，群落中生物種類(喬木、灌木和草本)增多，代表群落的復雜程度增高，即群落所含的信息量愈大。本文采用Simpson指數分別計算林區喬木、灌木和草本的多樣性。Simpson指數公式為:

式中，Pi=Ni/N，是種i的個體數占所有種的個體數的比率，N是樣地的總個體數，Ni是第i種的個體數，S為種i所在樣方的物種數。分別計算喬木層、灌木層、草本層的多樣性指數，群落多樣性指數公式為

式中，w10、w11、w12分別為D10、D11、D12的權重。物種多樣性屬于正向指標，值越大說明森林生態系統越健康。

表5 不同人為干擾程度的分級標準和賦值Table 5 Human-caused disturbances grade and valuation

(2)群落層次結構

林分層次結構完備、合理是森林生態系統完整性的重要體現。根據北京市“十五”森林資源二類調查技術規程，層次結構依據植被層次確定記載，森林群落結構具體可分為完整結構、復雜結構、簡單結構3種。

完整結構 具有喬木層、下木層、草本層和地被層4個植被層的森林;

復雜結構 具有喬木層和其它1—2個植被層的森林;

簡單結構 只有喬木1個植被層的森林。

該指標值直接由二類調查數據獲得。其中，完整結構賦值3，復雜結構賦值2，簡單結構賦值1。群落層次結構屬于正向指標，值越大說明森林生態系統越健康。

(3)林分更新狀況

林分更新狀況主要根據林分中喬木樹種的更新數量來確定，該指標可以通過森林二類調查的數據獲得。林分更新數量屬于正向指標，值越大說明森林生態系統越健康。

(4)近自然度

近自然度是根據外業調查中對具體地段上的不同植物群落的空間位置、物種組成、立地條件、演替階段等因素的綜合評定。近自然度屬于正向指標，值越大說明森林生態系統越健康。調查時可根據北京市“十五”森林資源二類調查技術規程將近自然度分為如下5個等級，等級分級和賦值詳見表6。

表6 近自然度等級及賦值Table 6 Nature closeness grade and valuation

2.2.3 指標權重的確定

本文采用主客觀相結合的權重賦值法，即運用層次分析法［9-12］計算評價指標相對重要性的大小，用變異系數法［13］來確定相對離散程度大小，根據二者的算數平均數［13］來確定最后的權重值。這樣，既考慮了相對重要性的大小又考慮了相對離散程度大小，得到較為理想且實際的權重值。

各指標的變異系數［13］。

式中，σi是第i項指標的標準差，i是第i項指標的均值。各指標的權重［13］:

主觀客觀相結合賦權法的公式為［13］:

式中，W主表示第i個指標的主觀權重即層次分析法求得的權重;W客表示第i個指標的客觀權重即變異系數法求得的權重;δi表示第i個指標的綜合指標權重;n為指標數目。這也意味著綜合指標權重是客觀權重和主觀權重的算術平均，即為算術均數組合賦權法。

2.2.4 評價指標的標準化

由于評價指標體系的參評因子來自不同的方面，直接利用它們去評價是困難的，因為各系數間的量綱不統一，所以沒有對比性。即使對于同一個參數，盡管可以根據它們的實測值的大小來判斷他們對健康影響程度，但也缺乏一個可以比較的環境標準而無法確切的反映其對健康的貢獻。因此，應該對參評因子進行量化處理，用標準化方法來解決參數間不可比性的難題。標準化方法如式:

式中，Si為參評因子標準化值，xi為參評因子實測值，xmax為實測最大值，xmin為實測最小值。參評因子原始數據和標準化數據在SPSS中處理。

2.2.5 評價模型

本研究是基于干擾的森林生態系統健康評價，根據評價指標體系，將評價指標分為了兩個方面即有害干擾與增益指標。其中有害干擾為負向指標，增益指標為正向指標，即有害干擾越嚴重，增益指標越小，森林生態系統越不健康，反之亦然。因此，根據研究指標體系構建原則與意義，作者首次提出基于干擾的森林生態系統健康評價模型:

式中，H為森林健康綜合指數，系量綱數值;B1、B2分別為有害干擾和增益指標值，W1和W2分別為有害干擾和增益指標的權重值。

2.2.6 評價等級劃分

根據基于干擾的森林生態系統健康綜合評價模型，可以將其森林生態系統健康等級可劃分為優質、健康、亞健康和不健康4個等級(表7)。

表7 汪清林區林分健康等級劃分范圍Table 7 Grade division of Wangqing forest health

3 結果與分析

3.1 評價指標權重

運用層次分析法和變異系數法對汪清林區的森林生態系統健康評價指標權重進行賦值。本研究認為約束層有害干擾、增益指標兩個方面對森林健康的意義相同，因此權重均為0.5。通過主客觀賦權法對C層的8個評價指標和D層的12個分項指標的權重值進行歸納(表8)。

表8 基于干擾的森林生態系統健康評價各指標的最終權重值Table 8 Final weight of forest ecosystem health assessment indicators based on disturbances

圖1 汪清林區四種不同林分抽樣樣地健康狀況Fig.1 Health situation of four different types in Wangqing forest sample plots

3.2 不同林分樣地的健康評價結果

由各樣地健康指數分析可知，汪清林區60塊樣地中，處于優質狀態的樣地有6 塊(6、7、11、36、43、58)，占總樣地數的10%，健康指數均大于0.2;處于健康狀態的林分 13 塊(1、2、8、12、13、14、37、38、39、41、46、59、60)，占總樣地數的 21.67%，健康指數在 0.1-0.2 之間;處于亞健康狀態的林分 23 塊(3、4、5、9、10、15、28、31、32、33、34、35、40、42、44、45、47、48、51、53、55、56、57)，占總樣地數的38.33%，健康指數在0-0.1之間;處于不健康的林分 18 塊(16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、29、30、49、50、52、54)，占總樣地數的30%，健康指數小于0。

從圖1可知，在落葉松天然林、針闊混交林和闊葉混交林中，亞健康林分所占的比例均最高，分別是6塊、8塊和8塊;其次是健康林分，分別為6塊、4塊和3塊;而優質林分分別為3塊、2塊和1塊。這說明在天然林中，無論是針葉純林還是針闊混交林、闊葉混交林，大多處于亞健康和健康的狀況，林分具有較好的自我調節能力，一旦爆發有病蟲災害，能夠通過自身的能力進行調節并將病蟲害控制在不造成大面積危害的限度內，即維持林分生態系統的穩定性。而在闊葉混交林中有4塊不健康的林分，這四塊不健康林分中，主要為白樺、青楊、五角楓、椴樹等闊葉樹，受食葉害蟲危害很大，受害率達到100%，且食葉害蟲的危害程度嚴重，林分中一些蒙古櫟被蛀干害蟲蛀食，樹木已經枯死，林分中伐樁多，林下枯枝落葉層很厚，且折斷的樹枝枯枝堆積未清理，因此與其他的天然林分相比，這四塊林分森林病害、森林蟲害、森林火險和人為干擾都很嚴重，如果不及時控制食葉害蟲的危害，這些受食葉害蟲危害的樹木衰弱后，很容易遭受到蛀干害蟲的入侵，加速樹木死亡。同時，林下的枯枝落葉層應該及時清理，已減少在大風干燥的天氣中出現森林火情。

在落葉松人工林分中，不健康的占有絕大多數，14塊，而亞健康的只有1塊。落葉松人工林為純林，林分自我調節能力差，一旦遭受到森林病蟲害的入侵，將造成災難性的后果，且病蟲害在純林中的傳播蔓延速度非常快，加快樹木的死亡。落葉松純林屬于易燃樹種，尤其要注意在高火險天氣下的森林火情。同時，由于落葉松人工純林物種多樣性低，群落結構簡單，近自然度最小，林下幾乎未見有自然更新的樹種，因此人工林分的增益能力弱，而有害干擾強，因此呈現出不健康的狀態。

4 結論與討論

(1)本文摒棄傳統的評價觀念提出基于干擾理論的森林生態系統健康評價。基于干擾的森林生態系統健康評價指標通過定性篩選出2個約束層，8個指標，包括森林病害、森林蟲害、森林火險等級、人為干擾、物種多樣性、群落層次結構、林木更新狀況和近自然度，這些都是在綜合和分析了以往研究者的評價指標體系，篩選出最能代表生態系統健康的指標，且指標容易測量，調查時不需要攜帶大量大型的實驗儀器，適合于對林分進行簡單、快速合理的生態系統健康評價。

(2)本文采用了層次分析法和變異系數法相結合的主客觀賦權法計算指標的權重值。層次分析法計算出來的結果受主觀因素干擾較大，主觀成分太多;而單純的客觀賦值法通過對評價統計數據本身所包含的客觀信息進行提取分析，從中找出規律，以確定權重系數的大小，該方法過分依賴客觀數據，而忽視了專家在確定權重中應有的重要性，計算出的結果往往不盡人意或差別甚遠。因此，主客觀相結合的賦權法克服了層次分析法和變異系數法的缺點，保留了二者的優點，是確定權重一個不錯的方法。

(3)根據本文基于干擾的森林生態系統健康評價體系，首次提出森林生態系統健康評價的模型，即增益干指標減去有害干擾的綜合健康指數。此模型的提出是建立在基于干擾的森林生態系統健康評價體系的基礎之上的，其中有害干擾包括了人們熟知的“森林三害”:森林火災、林業有害生物和濫砍濫伐，增益指標包括物種多樣性、群落層次結構、林木更新狀況和近自然度，基于干擾的森林生態系統健康模型能夠全面的反映森林生態系統的健康程度。這個模型保留了傳統的前者關于生態系統組織結構、系統活力最有代表性的指標，同時有將有害干擾指標單提出來，第一是在指標選取上是一種創新，第二也保留了最能代表森林生態系統健康的指標，第三是指標的賦值和測量都比較簡單，有利于野外基層工作人員的掌握和應用。

(4)基于干擾的森林生態系統健康評價體系有一定的局限性。因為在不同時期，影響森林生態系統健康的因子也是不一樣的，人們關注的熱點也在不停的變化。比如某些地區可能大氣污染比較嚴重，某些地區可能森林鼠兔害嚴重，因此對于基于干擾的森林生態系統健康評價模型，應該根據所選擇區域和時期的不同，有針對性的對指標進行篩選，特別是有害干擾層的指標，這樣才能更準確的反應目前森林生態系統的健康狀況。

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