退化森林生態系統評價指標體系研究進展

徐 歡,李美麗,,梁海斌, ,李宗善,伍 星,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 長安大學地球科學與資源學院,西安 710064

聯合國糧農組織2016年發布的報告指出：1990—2015年間,全球森林面積減少了1.29億hm2,2000—2010年間,熱帶地區國家每年森林面積凈減少700萬hm2[1]。由于森林面積銳減所導致的森林退化問題引發了席卷全球的生態環境危機[2],退化后的森林生態系統生產力下降,生物多樣性減少,調節氣候、涵養水分和防風固沙的作用減弱,貯存營養元素的能力降低,引起水土流失、沙漠化等嚴重的生態問題[3],是社會和經濟可持續發展的嚴重障礙。據估計,從2005年起,由于森林退化所造成的印尼木材產量每年減少4%[4]；Asner等對巴西亞馬遜地區進行研究發現,森林退化大約造成了近20%的溫室氣體排放[5]；還有研究指出在過去的幾十年里,印度約有41%的森林退化,使森林生產力下降至原來的三分之一[6]；同時,中國作為森林面積前十的國家,其森林生態系統退化現象十分廣泛,表現形式復雜多樣,并且還有進一步退化的趨勢[7]。森林對全球可持續發展有著不可低估的貢獻,因此,如何可持續地管理森林,恢復退化森林生態系統,并增加全球森林的覆蓋面積是當前國際社會的熱點問題之一[8]。準確評價退化森林生態系統是解決上述問題的首要任務,也是進行生態系統恢復和重建的前提和基礎[3],因為評價指標體系的準確性和科學性將直接影響森林退化程度的評估和恢復標準的制訂,以及國家相關恢復政策和措施的頒布與實施。

雖然國內外學者在退化森林生態系統評價方面已開展了一些工作[9-12],但大多數研究是基于遙感等手段來描述森林的退化狀況：例如利用DEM和NDVI建立監測模型,以森林植被變化率來評估其退化程度[13-14],但是有學者指出這種方法可能會低估森林退化的嚴重程度,因為樹木密度的變化往往會超過森林面積的變化[15-16]。因此,需要引入能夠表示森林功能性的指標(例如森林生產力等),但是這部分指標難以進行量化。Bahamondez等指出可以從生產力的角度定量地評估森林生態系統的退化程度[17]；還有的學者提出以生物多樣性為標準進行量化[18]；馬姜明等提出可以從生態系統健康的角度來進行定量評價[3]；還有一些學者通過構建標準環境敏感區指數來評估土地退化情況[19-20]。但是不同的研究者在評價退化森林生態系統時所處的立場不同[8],導致評價退化森林生態系統時選取的指標和分級標準也不盡相同。縱觀國內外的研究可以發現,當前研究仍然存在一些不足,這在一定程度上制約了生態恢復實踐和恢復生態學的發展,因此如何科學地評價退化森林生態系統的退化程度將是今后發展的方向和趨勢。準確評估森林狀況對穩定生態環境、確保生態安全,促進生產、生活、生態協調可持續發展具有重要意義[21],所以迫切需要構建一套評價指標體系以闡明森林退化狀況與監測指標間的量化關系,但如何篩選監測指標和構建指標體系卻存在較大差異。因此,有必要在現有研究的基礎上進行整理歸納,總結不同退化森林評價體系的方法及關鍵指標,梳理近年來一系列的研究進展,比較不同指標體系之間的優缺點,以此為基礎建立一套更合理、完善的退化森林生態系統的評價指標體系,從而對森林生態系統的退化狀況進行綜合評估,為我國退化森林生態系統的恢復和重建提供一定的科學依據。

1 森林生態系統退化

正確認識森林生態系統退化的內涵是構建退化森林生態系統評價指標體系的基礎,應該在深刻理解其背景的前提下遴選適宜的監測指標作為評價森林生態系統退化的標準[22]。聯合國糧農組織將森林退化定義為逆向影響林分或立地的結構或功能,從而降低森林提供產品和服務能力的森林變化過程[23]；國際熱帶木材組織認為森林退化指的是森林潛在效益的全面、長期降低,包括木材、生物多樣性和任何其他產品或服務[24]；聯合國生物多樣性保護公約將森林退化定義為由人類活動引起的、喪失原有天然林正常的結構、功能、物種組成或生產力的次生林[25],主要側重于退化過程,并且提出了人類活動對于森林退化的影響；聯合國政府間氣候變化專門委員會認為森林退化是由人類活動引起的在一定時間內森林碳儲量的長期喪失[26],主要從森林覆蓋率、碳儲量和碳排放變化來評價森林退化程度。我國的學者也對森林退化的內涵進行了不同程度的探討,朱教君等認為森林退化可以理解為森林面積減少、結構喪失、質量降低、功能下降的過程[27]；劉國華等認為森林衰退是森林退化的一種表現形式,指森林樹木在生長發育過程中出現的生理機能下降、生長發育滯緩、生產力降低甚至死亡以及地力衰退等狀態[28]；雷靜品等則認為森林退化與森林衰退很難嚴格區分[29],二者都是指森林面積減少、結構衰退、生理生態功能下降的過程。張小全等認為應該區分不同的森林經營類型來定義森林退化的概念[30]。綜上,目前關于森林退化的定義基本一致,都是描述森林屬性、結構或功能的喪失[4],但在細微之處也有所差異,有些定義側重于森林的結構組成部分,而另一些定義采用功能方法,或基于資源等,但是都缺少可操作的森林退化評價體系和指標[31]。

圖1 森林生態系統退化過程Fig.1 The degrading process of forest ecosystems

森林生態系統退化會對森林的結構和功能造成破壞并失去固有平衡[32-33],是生態系統退化在森林尺度上的具體表現。該過程會使原來穩定的生態系統遭到破壞,從而朝著生物多樣性降低、物質能量流動減少、結構簡單化以及環境狀態不利于生命生存的方向發展[28]。森林生態系統一旦退化,所能提供的生態系統服務功能將逐漸下降,導致生命維持系統的破壞,最終物種滅絕,生命完全消失[34]。一般來說,森林生態系統退化過程主要有以下特征：首先,森林生態系統退化會使部分原有物種消失,一些外來物種得以入侵[35],從而造成系統的種類組成發生改變[36],進而會使生態系統中幼齡物種相對增加,造成系統中的年齡結構不合理,最終導致系統的穩定性差,抗干擾能力下降。其次,由于生態系統結構的改變會使生物生產力和生物量減少,從而導致系統中的物質循環、能量流動、生態服務以及自我調節能力減弱。生態系統的進一步退化會使系統中原有的土壤環境和小氣候趨于惡化,如土壤有機質成分減少、硬度改變[37],以及溫度升高、濕度下降等,這些變化均不利于原有系統的發展。此外,原系統中建立起來的各種穩定的種內和種間關系包括競爭、共生、寄生、捕食等也會發生相應改變,從而降低生態系統的穩定性,導致原有系統的演替途徑發生變化。由于組成系統的種類發生變化,土壤種子庫也發生了一定改變,小環境的惡化又不利于原系統中土壤種子庫的生長發育,造成原有森林生態系統的更新和撫育困難[28,38]。其退化階段主要有：頂級森林生態系統-次生林-雜木林-灌草叢-裸地或頂級森林生態系統-耕地-撂荒地(裸地)兩大類(圖1)。

2 退化森林生態系統評價指標體系研究進展

2.1 評價指標的篩選原則

評價退化森林生態系統是進行恢復和重建生態系統的前提,有利于提高其生態服務功能,改善生態環境狀況[28]。在構建評價指標體系時,評價指標的選取直接決定了評價結果的科學性與適用性,然而由于森林生態系統具有復雜的結構和功能[39],在全球尺度上種類繁多,用以診斷森林退化的指標相對較多,為了評價的準確性、客觀性,在建立生態退化指標體系時,大多數評價體系都遵循以下六大原則[11,38,40]：(1)整體性原則：在考慮諸多影響森林生態系統因子的基礎上,全面衡量并統籌考慮森林生態系統的退化過程和方向,采取能夠綜合反映森林生態系統結構、功能等方面的指標進行分析和評價；(2)概括性原則：評價指標應該具有概括性,能夠指示森林退化過程中的關鍵性變化,但是不能過多過細,使指標過于繁瑣,相互重疊,也不能過少過簡,避免指標遺漏,出現錯誤；(3)動態性原則：森林退化過程需要通過一定時間尺度的指標才能反映出來。因此,指標的選擇要充分考慮到森林的動態變化特點；(4)定性與定量相結合原則：評價指標要準確反映出退化森林的變化特征,另外,評價指標體系的設置、權重在各指標問的分配及評價標準的劃分都應該相適應；(5)層次性原則：指標體系的構建應該具有層次性,自上而下,從宏觀到微觀層層深入,形成一個不可分割的評價體系,各指標之間相互獨立,又彼此聯系；(6)實用性原則：遵循簡潔、方便、有效、實用的原則,選取符合理論概括、易于獲取和影響重大的因子或者模型,使理論與實際做到良好的結合,同時要容易監測,計算簡單,具有技術和經濟可行性。

2.2 退化森林生態系統評價體系的構建

鑒于森林生態系統的多樣性和復雜性,我國退化森林生態系統的評價由于對象、功能以及區域范圍的不同,所選取的退化指標及分級標準在一定程度上有所差異[41],如表1所示。

續表準則層Criterion layer二級指標層Second index layer三級指標層Third index layer優點Advantages缺點Disadvantages文獻References物種多樣性-植被結構-生態學過程Diversity-structure-process物種多樣性物種豐富度、多度植被結構植被蓋度、喬木密度、高度、胸高斷面積、生物量、凋落物結構生態學過程養分庫、土壤有機質、生物間的相互關系該指標體系以恢復成功的生態系統特征作為評價,對植被恢復和重建有指示意義只是提出了評價的概念性框架,沒有進行定量評價,實際可操作性較差[3]

在對現有的退化森林評價體系進行比較分析時發現,現有的一級指標層在劃分上存在一定差異,一級指標中絕大多數都是涉及到生態系統組成、結構和功能的評價[11-12,29],二級指標則以描述群落的氣候、土壤、組成、結構、生物量、生產力、碳儲量等變量為主[12],可用于直接獲得數據的三級指標通常是表示森林屬性的狀態,包括木材儲存量、森林的破碎度、物種的豐富和生物多樣性、樹種結構組成、森林生產力、土壤養分、土壤侵蝕和水分等,這些指標都與森林生態系統退化狀況息息相關,在一定程度上能夠體現森林退化的特征。但現有的評價體系中還存在一些問題：(1)有些評價體系的指標不可測,例如生物間相互關系[3]、捕撈的嚴重程度[10]等；(2)隨著技術的發展,有許多數據的獲取可以通過遙感手段得到,但是利用遙感在進行計算時并不能反映森林的真實退化程度,通過遙感方法得到的森林覆蓋率、生物量、生產力都普遍偏高[15-16,42]；(3)此外,上述評價體系還有一個局限在于只能進行某個時間點上的測量,很難描述森林退化過程中的動態變化,甚至可能會出現偏差；(4)有些指標體系只關注森林的結構組成,沒有考慮與森林動態有關的功能過程,例如：樹種的組成結構,林齡以及生產力指標等。

因此,本文在總結分析上述評價體系優缺點的基礎上,根據退化生態系統評價指標體系選擇原則,對這些體系中主要指標及關鍵因子進行重新篩選,構建了一個4層次的評價指標體系(表2)。以退化森林生態系統指標體系作為總目標層,用以評價生態系統的退化程度。一級指標層是生態系統退化的直接表現,由生態系統的組成結構、功能和生境三部分構成,森林生態系統的組成結構是評價的基礎,它決定了生態系統發揮生態功能和社會功能的大小[48],而生境條件則與森林組成結構息息相關,相互影響；二級指標層是對一級指標層的詳細分解,以數量、植被、結構、生產力、生化作用強度、土壤和生境氣候等指標作為二級指標層；三級指標由具體能夠直接度量并體現各二級指標層特征的指標構成,其中,年凈第一性生產力在評價指標中占據絕對優勢,相對于其他指標來看,最能反映森林生態系統的退化狀況。還有的研究者認為生物多樣性與生物呼吸速率在評價體系中也占據重要地位,因為生物多樣性與退化森林生態系統的恢復狀況緊密連接,生物呼吸作用則對土壤生化作用強度有很強的指示性[11-12,29]。這三者作為評價體系中的關鍵性指標,任何一個微小變化都可能會引起森林生態系統的顯著改變。此外,三級指標層中的物種豐富度、生物量、喬灌草比例、森林破碎化指數等對于森林生態系統退化狀況的指示也較為突出,可用來作為評價體系中的輔助性指標。指標數據的獲取方法以遙感、實際觀測、室內分析相結合,盡量能夠全面準確的表征森林生態系統退化過程。

表2 退化森林生態系統評價指標體系

2.3 評價指標的權重

由于現有指標多為定性指標,且指標的針對性強、代表性差、適用范圍窄,可操作性不高,評價指標的數據來源也存在不確定性[31,49],因此缺乏對于指標的定量分析。此外,對不同評價指標所分配的權重會直接影響到評價結果的可靠性,因此,合理確定評價指標的權重是建立評價指標體系的關鍵[12]。當前評價指標研究中使用較多的權重確定方法主要有四種：(1)聚類分析：找出一些能夠度量評價指標之間相似程度的統計量,以這些統計量為劃分類型的依據,把相似程度較大的指標聚合為一類,直到把所有的指標聚合。(2)主成分分析：是將原來眾多具有一定相關性的n個指標,重新組合成一組新的綜合指標,該方法主要根據原始數據之間的關系通過一定的數學方法來確定權重。(3)層次分析法：是在建立評價指標體系的基礎上,通過比較同一層次各指標的相對重要性來綜合計算指標的權重系數[50]。(4)群落排序法：主要是通過計算不同生態系統(群落)的非相似矩陣系數,來評價生態系統的退化程度或恢復程度[51]。本文針對這四種方法進行總結分析,闡述各方法的優缺點(表3),為進一步完善我國退化森林生態系統評價體系提供科學方法。總的來看,層次分析法是目前使用最廣泛的一種方法,可操作性較強,但存在一定的主觀性;群落排序法在生態系統評價中應用較少,但能夠更客觀地反映生態系統的自然狀態,具有廣闊的應用前景。

表3 不同評價指標權重確定方法的比較

3 問題及展望

森林是陸地生態系統的主體,其覆蓋面積占總面積的31%,在維持生物多樣性和為全球提供生態服務方面起著重要作用[3]。近幾十年來,由于森林生態系統的退化所導致的生態環境問題日益嚴重,恢復和重建我國退化森林生態系統,提高其生態服務功能,是改善我國生態環境狀況的關鍵所在[1]。因此,建立一套能全面反映森林生態系統退化程度的評價指標體系對于我國森林生態系統的恢復和重建具有重要意義。目前研究中由于不同區域間的自然條件的差異使得退化森林生態系統評價指標體系在建立上產生了一些問題：(1)評價指標體系差異較大。我國退化森林生態系統分布廣泛,有東北部的寒溫帶退化森林生態系統、暖溫帶森林退化生態系統、亞熱帶退化森林生態系統、西南亞高山森林退化生態系統和熱帶森林退化生態系統等[28]。現有的退化森林生態系統評價指標體系的研究主要以上述不同森林類型為基礎,這會導致不同區域內的評價指標有所不同,無法從整個生態系統的角度進行綜合評價[2]；(2)研究認識不夠深入。雖然現有研究中關于森林退化原因,退化特征,退化過程的具體描述,但是關于退化機制還缺乏深入的、系統性的研究[34],由此導致評價指標的選取因為缺乏理論基礎而不具有代表性；(3)指標權重的不確定性。目前研究中對指標進行賦值時一般采用專家打分法和問卷調查法,主觀性較大,在不同的評價體系中沒有可比性,難以大范圍推廣應用；(4)對于某些指標的獲取還存在一定難度。以物種間相互關系為例,該指標可以用來指示森林生態系統的健康狀況,決定森林過渡方向和速率，但是直接評估的難度較大。

因此,退化森林類型的多樣化導致了退化評價指標的多樣化,制定統一的退化評價體系有一定的困難。本研究文在比較分析前人研究的基礎上,選擇更加具有代表性的指標來不斷完善我國退化森林生態系統評價指標體系,所選的32個評價指標彼此之間相互影響,相互聯系,森林退化會使原有的物種組成發生變化,改變生態系統中年齡結構,從而導致系統中的生產力和生物量減少,此外,還會使土壤和生境指標有所下降,小環境的惡化又會限制森林的結構和功能。總的來說,該指標體系能夠較全面地從不同角度、不同深度反映森林生態系統的主要特征、退化狀況以及存在的問題,但是也存在一些不足之處。對于退化森林生態系統評價體系的現狀與存在的問題,我們今后應在以下幾個方面開展深入的研究和探索：(1)構建我國退化森林生態系統評價指標的長期連續觀測網絡,以便對森林生態系統退化過程的不同階段進行長期監測、對比和判斷；(2)選擇更為合適的數學和模型方法對退化森林生態系統的評價指標進行綜合的定量評價；(3)加強從生態系統功能和服務的角度對退化森林生態系統評價的研究；(4)將遙感分析與樣地調查相結合,從區域尺度上分析退化森林生態系統的空間分布狀況及其生態學過程。