基于VOR模型的阿爾泰山林區森林生態系統健康評價

周泉，葉茂，趙凡凡

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

健康的生態系統是人類可持續發展的重要前提[1].森林作為陸地生態系統主體，是生物圈生態系統中分布最廣、類型最豐富、結構最復雜的生態系統，不僅為人類提供重要的社會、經濟及環境產品與服務，而且在維護全球生態平衡和生物多樣性、支持人類生命系統中發揮著不可取代的作用[2-3].森林生態系統健康的研究已成為當前林學領域研究的熱點，許多學者對森林生態系統健康的定義、測定、評估和管理進行積極地探索[4-6].眾多學者對生態系統健康進展和方法等進行研究[7-9]，發現維持森林生態系統健康仍然是今后森林經營發展的方向[10-11].目前森林生態系統健康的評估還沒有一套可靠且統一的標準，僅僅停留在定性判斷上，如何將定性判斷與定量評價有機結合，是森林生態系統健康研究的重要問題[12-17].

阿爾泰山是歐亞大陸腹地物種保存十分完整的天然基因庫之一，森林廣闊，是新疆極其重要的生態屏障，也是新疆北水南調項目的重要水源地，在新疆未來的社會經濟發展中處于十分重要的戰略位置[18-19].近年來，阿爾泰山林地由于過度開發、粗放管理等原因，使林地退化和生態環境質量下降.目前，對阿爾泰山林地的研究主要集中在群落物種多樣性[20-21]和生態環境問題等方面[22]，且關于阿爾泰山林地生態系統健康評價還少見報道.林地的健康狀況，對林地功能的發揮起著關鍵作用，對林地健康生態系統進行評價，可以清晰了解林地健康狀況.鑒于此，本研究以阿爾泰山林地為研究對象，通過野外調查，用獲得的數據建立林地生態系統健康評價的VOR指數模型，按照不同林區、不同林區各樣地等來定量評價阿爾泰山林地生態系統健康狀況，為阿爾泰山不同林場的林地管理與林地生態系統恢復提供參考.鑒于生態系統類型的多樣性及復雜性，不同專業的生態學家提出了不同的評價模式，本文采用了Constanza等[23]提出的VOR生態健康指數，對阿爾泰山森林生態系統的健康狀況進行分析與評價.

1 研究區概況

研究區(圖1)位于新疆維吾爾自治區東北部，東起青河縣，西至哈巴河縣，東北與蒙古接壤，西北與俄羅斯和哈薩克斯坦交界.地理坐標N 47°50′～49°5′，E 90°～91°40′.林區總面積225萬hm2，阿爾泰山由西北至東南跨幅470 km以上，西北部寬約150 km，東南部寬約80 km.屬溫帶干旱氣候區.年平均氣溫1.8 ℃，無霜期110 d.年平均降水量158 mm，年平均蒸發量1 692 mm.域內地勢復雜，地貌兼有山地、盆地、河谷、戈壁、沙漠5大類，海拔在1 000～3 500 m之間，地勢西北高東南低為瓶口狀.土壤類型有棕鈣土、栗鈣土、灰色森林土及棕色針葉林土，pH值偏酸性.阿爾泰山林區為北溫帶大陸性氣候，森林資源豐富，林區總面積25 324 km2，其中林地面積18 322.67 km2，占林區總面積的72.4%.根據第八次全國森林資源清查結果，我國森林蓄積量為151億m3，阿爾泰的森林蓄積量接近全國的1%，主要樹種有松、杉、楊、樺、柳等，其中山區針葉林是森林資源的主體[24].根據2010年統計，3 000～3 500 m以上植被為苔蘚類墊狀植物；2 600～3 500 m為高山-亞高山草甸草原；1 300～2 600 m為森林草原帶；800～1 300 m是灌木草原；植被分布下限由西向東升高，如森林下限為1 200～1 900 m，灌木草原下限為500～1 500 m，荒漠上限則為500～1 100 m.

圖1 研究區示意圖

2 材料與方法

2.1 樣地調查方法

對阿爾泰山林場森林進行群落和物種調查，共設置標準樣地185個，樣地面積為20 m×20 m，記錄并鑒定每樣方內的所有喬木,于高度1.3 m處漆上紅漆，用測樹鋼圍尺測量植物的胸徑，并記錄樹種名稱、樹高、胸徑、樣區位置.樣地測量工作于2019年12月完成，數據由監測人員錄入,可以隨時發現問題，最大限度提高錄入數據的精確度.

2.2 評價指標體系及分級標準

針對阿爾泰山林場林地的實際情況，根據選取評價指標應遵循的原則，選取對研究有重要意義的樹高、生物量、物種頻度、物種豐富度等指標進行分析，根據相關文獻，把阿爾泰山林場林地生態系統評價級別分為4個等級：1級(優質健康)、2級(健康)、3級(亞健康)、4級(不健康)[25-27].

參考魯紹偉等[28]對八達嶺林場森林健康等級劃分的研究成果，并結合各地健康綜合指數的概率分布，本文將阿爾泰山林地健康狀況分為4個等級，具體情況見表1.

表1 林地生態系統健康指數及健康等級

2.3 評價指標體系的建立

最早的經典評價指標體系來自生態系統健康評價.1992年，生態健康指數(health index，HI)由Costanza提出，從生態系統可持續能力的角度評價生態系統的健康狀況，主要由活力(vigor)、組織結構(organization)、恢復力(resilience)3項測量指標來綜合反映，后來經過Costanza[29]和Rapport D[30]進一步完善為VOR模型.

2.3.1 活力指數(V)的計算 活力表征系統的功能，是指系統物質生產與能量流動的活動性，體現生態系統中物質循環與能量流動的速率[31].本研究選用植物地上總生物產量表征系統的活力狀況.具體計算如下:

V=B/BCK

(1)

式中：活力指數(V)用植物地上生物量進行測算，B為監測點樣方植物群落地上生物量，BCK為對照樣地單位面積地上總生物產量.V∈[0,1]，如V>1，則取V=1.

2.3.2 組織力指數(O)的計算 組織力表征系統的結構，體現生態系統結構與功能的優化能力.本文利用物種頻率、相對生物量、植株相對高度計算系統的組織力[32].

具體計算如下：

O=OX/OCK

OX=∑[(Fi+Bi+Hi)/3]

Fi=Ni/N

Bi=Bij/Bj

Hi=Pi/Pmax

式中：組織力(O)，用植物群落物種頻度、高度和生物量進行測算；OCK為參照樣地的組織力值；OX為樣地組織力；Fi為第i物種的相對頻度；Ni為出現第i物種的樣方數；N是所有調查的樣方數.Bi為第i物種的相對生物量；Bij為第i物種在第j個樣方中的干質量，j=1,2,3…，N；Bj是第j個樣方的總地上生物量；Hi為各物種的相對高度；Pi為監測點植物中第i個植物種在樣方中的植株平均高度，Pmax為Pi中的最大值.

2.3.3 恢復力指數(R)的計算 恢復力是指系統受到脅迫后抵抗、反彈和恢復到原來狀態的能力[33].

根據前人的研究結果[34-35]，選用以下模型來計算系統恢復力(R):

式中：Li為物種i的壽命；Ii為物種i的相對生物量；P為物種數；V為活力，反映了生產力的恢復水平；SCK為對照，計算各單項指數時，選擇各監測點平均值為對照.

2.3.4VOR綜合指數的計算 根據研究區的基礎調查資料，得出C、V、O、R分指數，VOR綜合指數計算如下：

VOR=WV×V+WO×O+WR×R

WV+WO+WR=1

式中：WV、WO、WR分別對應分指數的權重數，且WV、WO、WR均大于或等于0，WV+WO+WR=1.本研究取樣背景清晰，故取值WV=WO=WR=1/3.VOR指數越接近1，表明系統越健康，越接近0，系統越接近病態.

2.4 數據處理與分析

采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行統計分析，Excel 2007和Origin 2017作圖.

3 結果與分析

3.1 阿爾泰山森林生態系統健康整體情況

對阿爾泰山7個林區33個樣點的185個樣方進行統計分析，根據生態系統健康綜合指數模型，計算綜合健康指數(VOR)，結果發現阿爾泰山林場林地VOR值分布范圍在0.21～1，VOR值主要集中在0.9～1.根據林地健康等級表，阿勒泰林地不健康和亞健康狀況的林地占44%，健康和優質健康的林地占56%(表2).經過統計分析得出阿爾泰山林地生態系統的活力V、組織力O、恢復力R和健康指數VOR的結果見圖1.可以看出阿爾泰山林地生態系統的平均健康指數VOR為0.78，在0.75～0.9范圍之間，屬于健康水平.林地的V值和R值均低于0.75的健康標準，但都大于0.6的不健康標準，因此阿爾泰山草地的活力和恢復力整體水平較低，但還沒有達到警戒狀態，僅O值高于0.75，說明阿爾泰山林地系統的組織能力較強，系統結構比較穩定.

表2 整體樣地情況

圖2 阿爾泰山林地生態系統健康各項指數整體評價

從阿爾泰山7個林區林地生態系統的整體狀況來看(圖3)，兩河源林區、阿勒泰林區、富蘊林區、福海林區、布爾津林區和青河林區林地生態系統屬于健康狀態(VOR>0.75)，而哈巴河林區林地生態系統處于不健康狀態(VOR<0.75).7個林區林地生態系統健康等級排序依次為：兩河源林區>阿勒泰林區>富蘊林區>福海林區>布爾津林區>青河林區>哈巴河林區.

圖3 阿爾泰山不同林區林地生態系統健康VOR指數

從阿爾泰山7個林區林地生態系統的各項健康指標來看(圖4)，只有兩河源的活力指數V大于0.75，說明兩河源林區的林地活力較強，林地的生物量較高.除兩河源林區外，阿爾泰山其他6個林區的活力指數V均小于0.75，說明這6個林區的林地活力低，林地的生物量較低，其中哈巴河林區的活力最低.

圖4 阿爾泰山不同林區林地生態系統健康各項指數

7個林區林地生態系統內部的組織能力都很強，組織力指數O均大于0.84.其中阿勒泰林地生態系統的內部組織力最強，組織力指數O為0.92，布爾津林地的組織力指數最低，O為0.84.雖然哈巴河林區林地的組織力水平相對較高，O值大于0.75，但是由于它的活力V和恢復力R相對低，均低于0.75，因此導致其林地生態系統整體處于不健康狀態.

兩河源林區和富蘊林區林地生態系統的恢復力R值均大于0.79，說明這兩個林區的恢復能力較強.阿勒泰林區的林地恢復能力略微大于0.75，而布爾津林區、福海林區、青河林區和哈巴河林區的恢復能力較弱，其R值均小于0.75，其中哈巴河林地的恢復能力最弱.

3.2 阿爾泰山不同林區森林生態系統健康指數分析評價

對阿勒泰林區前山山坡、前山河流和后山山坡3個樣點進行調查，計算結果表明(圖5)，阿勒泰林區前山山坡和后山山坡的VOR值均大于0.75，說明這兩點區域林地生態系統處于健康狀態.前山河流的VOR值小于0.75，說明此區域林地生態系統處于亞健康狀態.阿勒泰林區后山山坡林地生態系統的VOR值高達0.98，林地的活力、組織力和恢復力均很強，數值均在0.96以上.說明阿勒泰林區后山山坡林地生態系統很健康.

布爾津林區重點對河谷、旅游區、禾木山坡和賈登峪山坡進行調查.計算結果表明(圖5)，布爾津林區禾木山坡和賈登峪山坡的林地生態系統VOR值大于0.75，處于健康狀態.禾木山坡的林地生態系統VOR值為0.80，林地的活力、組織力和恢復力均強，數值均在0.78以上.賈登峪山坡的林地生態系統VOR值為0.82，雖然林地的恢復力不強，但是R值接近0.75，且此地點的活力和組織力較強.河谷和旅游區這些人類干擾頻繁的區域，林地生態系統的VOR值均小于0.75.雖然河谷的組織力比較強，O值大于0.75，但是活力和恢復力很低.旅游區的活力、組織力和恢復力均在0.59以下，整體呈現出不健康狀態.

福海林區的3個調查樣點計算結果表明(圖5)，山坡2和礦區的VOR值大于0.84，且這兩個區域的V、O和R值均大于0.77，說明山坡2和礦區的活力、組織力和恢復力較強，林地處于健康狀態.山坡1的VOR值低于0.75，說明山坡1處林地生態系統處于非健康狀態.雖然O值很高，大于0.86，但是V和R值低于0.75，說明這個區域組織力高，但活力和恢復力很弱.

富蘊林區的4個調查樣點計算結果表明(圖5)，喀依爾特山坡的VOR值大于0.75，喀依爾特山坡的V、O和R值均大于0.8，說明喀依爾特山坡林地的活力、組織力和恢復力較強，林地處于健康狀態.河谷的VOR值也大于0.75，雖然整體處于健康狀態，但是河谷的V值小于0.75，說明河谷的活力較低.庫依山坡和沙庫爾布依克山坡的VOR值小于0.75，說明這兩個樣點的林地生態系統處于不健康狀態.

哈巴河林區4個調查樣地計算結果表明(圖5)，只有白哈巴的VOR值大于0.75，表現出健康狀態.白哈巴的O值和R值大于0.75，而V值小于0.75，說明其林地的組織力和恢復力較強，組織力較弱.那仁山坡、齊巴契列克山坡和鐵列克山坡林地生態系統VOR值均小于0.75，表現出不健康的狀態.其中那仁山坡和鐵列克山坡的林地VOR值僅為0.37和0.48，表明其林地生態系統處于不健康狀態，需要保護和恢復.

兩河源林區林地生態系統整體處于健康狀態，7個調查樣點林地的VOR值均高于0.79，只有喀依爾特河谷的V值低于0.75，其他6個樣點的林地活力均高于0.75，說明喀依爾特河谷的活力低，其他6個樣點的活力均很強.7個樣點的O值均大于0.77，說明兩河源林地的組織力均很強.喀依爾特山坡和庫爾木圖山坡的R值低于0.75，而其他5個地點的R值均高于0.75，說明喀依爾特山坡和庫爾木圖山坡的恢復力弱，其他樣點的林地生態系統恢復力強.

從青河林區8個樣點來看(圖5)，東布哈林河谷、臘斯特山坡、納仁薩拉河谷和納仁薩拉山坡的VOR值均大于0.75，說明這4個區域的林地生態系統屬于健康狀態，且這4個區域的V、O和R值均大于0.75，說明各個林地的活力、組織力和恢復力均較高，林地生態系統較為穩定.東布哈林山坡、奇巴哈勒蓋山坡、奇巴哈勒蓋河谷和天保辦山坡的VOR值均低于0.75，說明這4個區域的林地生態系統不屬于健康狀態.東布哈林、奇巴哈勒蓋和奇巴哈勒蓋河谷雖然O值很高，均高于0.9，但是V和R值均低于0.75，說明這3個區域的組織力高，但是活力和恢復力很低.天保辦林地的V值大于0.75，但是O和R小于0.75，說明這個區域的活力強，但是組織力和恢復力差.

圖5 阿爾泰山各林區不同地點的生態系統的健康狀況

表3 各林場樣地情況

3.3 阿爾泰山各林區森林生態系統健康差異性分析

對阿爾泰山7個林區林地生態系統健康各項指標進行差異性分析，結果見表4.阿爾泰山7個林區草地生態系統健康的VOR整體上差異不顯著(P>0.05).7個林區的草地健康的各項指標O和R均差異不顯著(P>0.05)，而O值呈現顯著差異(P<0.05).

表4 阿爾泰山7個林區林地生態系統健康各項指標ANOVA分析

從阿爾泰山7個林區之間的差異性對比分析結果看(表5)，林地處于非健康狀態的哈巴河與林地處于健康狀態的福海、富蘊和兩河源林區差異顯著(P>0.05)，而與阿勒泰、布爾津和青河的林地生態系統健康水平差異不顯著(P>0.05)，說明阿勒泰、布爾津和的青河林地生態系統正處于健康狀態向非健康狀態轉化的臨界值.

表5 阿爾泰山林區林地生態系統VOR指數多重比較分析

對處于健康狀態下的阿勒泰、布爾津、福海、富蘊、兩河源和青河6個林區的林地生態系統進行多重比較分析發現，阿勒泰林區林地生態系統健康水平與其他區域的林地生態系統健康水平差異不顯著(P>0.05)；布爾津林區林地生態系統健康水平與其他區域的林地生態系統健康水平差異不顯著(P>0.05)；福海林區林地生態系統健康水平與富蘊、兩河源和青河的林地生態系統健康水平差異不顯著(P>0.05)；富蘊林區林地生態系統健康水平與兩河源和青河的林地生態系統健康水平差異不顯著(P>0.05)；哈巴河林區林地生態系統健康水平和青河林區林地生態系統健康水平差異不顯著(P>0.05)；兩河源林區林地生態系統健康水平和青河林區林地生態系統健康水平差異顯著(P<0.05).

3.4 阿爾泰山不同林區海拔對生態系統健康影響評價

對阿爾泰山7個林區海拔在900～2 600 m范圍內林地進行調查.隨著海拔高度增加，7個林區林地生態系統健康VOR指標變化統計結果如圖6所示.可以看出，隨著海拔的升高，除青河林區外，其他6個林區林地生態系統健康VOR指標均有不同程度增加，但增加趨勢不明顯.其中，哈巴河林區和福海林區林地生態系統健康指數隨著海拔升高增加的趨勢要略快于其他林區增加速度.

圖6 阿爾泰山不同林區不同海拔林地生態系統健康分析

將阿爾泰山7個林區所有海拔與林地生態系統健康各項指數作相關分析，見圖7.由圖7可以看出，在海拔900～2 600 m范圍內，林地生態系統健康各項指數V、O、R和VOR值變化趨勢不明顯.從林地生態系統健康各項指數分析，林地的組織力指數(O)數值分布較為集中，活力指數(V)、恢復力指數(R)數值分布范圍廣，導致了隨著海拔的增加，7個林區林地健康指數(VOR)分布范圍較廣，增加趨勢不明顯.

圖7 阿爾泰山不同海拔林地生態系統健康各項指數分析

4 討論

目前國內在森林資源健康評價方面研究依然薄弱，還不能精確掌握經營區森林資源的健康狀況.本研究建立的阿爾泰山森林生態系統健康評價指標，參考了國內諸多學者的研究評價指標，如閆東峰等[13]、馬向前等[35]、周傳猛等[36]，比較適宜于阿爾泰山的森林系統.

利用本文建立的森林生態系統健康評價系統對185個樣地的數據進行處理比較，發現區域是評價阿爾泰山森林生態系統健康的重要因子之一.與區域密切相關的是人為干擾，如旅游、放牧和采礦.整體上看7個林區生態系統健康最好的是兩河源，因為兩河源是自然保護區，受到的人為干擾最小.哈巴河林區生態系統健康評價最差，可能是由于本身組織力弱，且受到的人為干擾程度最大，尤其是當地牧民的過度放牧.生態系統差異性上，哈巴河林場與青河、阿勒泰和布爾津林場差異性不顯著，表明了這三個地方也有變差的風險，而實際上，阿勒泰、布爾津和青河不僅是重要的放牧場地，更是北疆的重要旅游地，如喀納斯風景區等，這與陳維社[37]、韓永新[38]的研究一致.

除對區域進行區分評價分析外，參考閆東峰等[13]、姬文元等[27]的研究結果，本文也將海拔作為考慮因素之一，但是計算出的結果發現，生態系統的各項指標隨海拔變化并不明顯，可能是由于雖然阿爾泰山絕對海拔差比較大，但是相對海拔高差不大，對同區域的植物生長影響不大.另外本文的樣地設置較多，減少了數據本身誤差，更接近真實情況.

本文從多角度對阿爾泰山林地生態系統進行健康評價，完善了阿爾泰山林地健康狀況的研究，為阿爾泰山林地管理與生態恢復提供了準確、詳細的參考.

5 結論

7個林區林地生態系統健康等級排序依次為：兩河源林區>阿勒泰林區>富蘊林區>福海林區>布爾津林區>青河林區>哈巴河林區.

阿勒泰林地、布爾津林地、福海林地和青河林地，從平均值看屬于健康等級，從樣地數量比例上看總體質量相對一般.富蘊林地和兩河源保護區林地，從平均值上看屬于健康等級，從樣地數量比例上看總體健康質量相對較好.哈巴河林地，從平均值上看屬于亞健康等級.從樣地數量比例上看哈巴河林場的總體健康質量相對偏低.阿爾泰山林場林地，從平均值上看屬于健康等級，從樣地數量比例上看阿爾泰山林場的總體健康質量相對一般.阿勒泰、布爾津和青河林地生態系統正處于健康狀態向非健康狀態轉化的臨界值，說明阿勒泰、布爾津和青河林地生態系統有變差的危險.在林地管理中應對哈巴河林區進行林地修復，對阿勒泰、布爾津和青河林地進行重點關注.

阿爾泰山不同林區生態系統健康以及各項指標隨海拔變化不明顯，說明海拔對生態系統健康的影響較小.