河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)

李大勇

(河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)，河北 承德 067000)

1 引言

據(jù)第九次全國(guó)森林資源清查(2014～2018年)相關(guān)數(shù)據(jù)，我國(guó)森林面積達(dá)2.20億hm2，森林植被總碳儲(chǔ)量91.86億t，目前無(wú)論是森林面積，還是森林蓄積量，均實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)[1]。但是，森林植被總碳儲(chǔ)量中80%以上的貢獻(xiàn)來(lái)自天然林，雖然我國(guó)人造林面積達(dá)到世界之最，但是其在全國(guó)森林蓄積量中的占比不足20%，并且森林系統(tǒng)由于受到多種因素的影響，其生態(tài)健康受到嚴(yán)重威脅[2]。為此，各地森林資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)工作不僅要追求森林面積的增加，也更加關(guān)注森林功能質(zhì)量的提升，因此受到越來(lái)越多的關(guān)注，相關(guān)研究?jī)?nèi)容也得以拓展。例如，羅佳等[3]對(duì)以長(zhǎng)株潭城市群為生態(tài)綠心地區(qū)研究重點(diǎn)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。高帆等[4]通過(guò)大量走訪調(diào)查和研究，對(duì)1977～2018年貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在物質(zhì)量上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且涵養(yǎng)水源、固碳釋養(yǎng)以及對(duì)于生物多樣性的保護(hù)，在森林生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值提升中發(fā)揮顯著優(yōu)勢(shì)。宋文璐等[5]基于CmKI對(duì)目前現(xiàn)有森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)進(jìn)行綜述，并對(duì)森林生態(tài)健康狀況進(jìn)行了比較全面的評(píng)價(jià)，為森林方面研究提供一定依據(jù)。秦會(huì)艷等[6]對(duì)我國(guó)省域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行探究，評(píng)價(jià)森林系統(tǒng)恢復(fù)力，得出我國(guó)大部分地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力均處于中高水平，為森林資源管理提供科學(xué)根據(jù)。除了上述研究外，也有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注我國(guó)與其他國(guó)家森林生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)，例如馬致遠(yuǎn)等[7]基于文獻(xiàn)計(jì)量研究方法，對(duì)中國(guó)-中東歐國(guó)家森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑸檠芯课覈?guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展指明了方向。從上述國(guó)內(nèi)相關(guān)研究可以看出，森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的研究成果多在近幾年集中發(fā)表，并且研究方向不斷增加，也從側(cè)面說(shuō)明了我國(guó)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)注度與日俱增。河北省是森林資源大省，本研究以河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)為例，采用定量化研究方法，對(duì)森林系統(tǒng)健康狀況加以評(píng)價(jià)，結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果，為林場(chǎng)森林資源管理提供更多思路。

2 評(píng)價(jià)區(qū)概況

木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)位于河北省承德市圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣，始建于1963年，是全國(guó)“百佳國(guó)有林場(chǎng)”之一，總經(jīng)營(yíng)面積154萬(wàn)畝。木蘭圍場(chǎng)位于東經(jīng)116°32′～118°14′，北緯41°35′～42°40′之間，圍場(chǎng)屬北(寒)溫帶—中溫帶、半濕潤(rùn)—半干旱、大陸性季風(fēng)型、高原—山地氣候，夏季多雨且高溫，冬季干燥寒冷，年平均氣溫3.3 ℃，晝夜溫差比較大，且壩上、壩下不同區(qū)域存在氣候條件差異大的特點(diǎn)。

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 樣地選擇

沿緯度由南至北順序選取樣地[4]，選取5種林地類(lèi)型，分別為幼齡林、近熟林、混交林、中齡林，樹(shù)種類(lèi)型包括落葉松(A)、油松(B)、山楊(C)、白樺(D)、蒙古櫟(E)，按照不同林齡、林分情況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查時(shí)間為2019年5～7月份。每種樣地面積設(shè)定為50.0 m×50.0 m，設(shè)置3次重復(fù)。對(duì)每塊樣地內(nèi)的木本植物情況進(jìn)行調(diào)查，然后在每塊樣地中選取2.0 m×2.0 m樣方(共5個(gè))，調(diào)查灌木植物。最后，在每塊樣地內(nèi)選取1.0 m×1.0 m樣方，調(diào)查其中草本植物情況。

3.2 調(diào)查內(nèi)容

(1)樣地基本情況：樣地所處位置海拔、坡度、坡向、坡位。

(2)植被現(xiàn)狀：包括樣地林齡結(jié)構(gòu)、林分郁閉度、林內(nèi)喬木(>1.3m)、林內(nèi)灌木、草本植物。

(3)昆蟲(chóng)群落：采用隨機(jī)取樣方法，對(duì)樣地內(nèi)植物(喬木、灌木、草本)枝葉以及地面昆蟲(chóng)種類(lèi)和昆蟲(chóng)數(shù)量進(jìn)行調(diào)查。

(4)土壤：取13類(lèi)型樣地中土壤樣品，分析土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以國(guó)內(nèi)權(quán)威文獻(xiàn)[8]研究方法為例，確定木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，將森林生態(tài)系統(tǒng)活力、組織以及彈性為基礎(chǔ)，選取3個(gè)要素(森林生態(tài)要素、森林生產(chǎn)力要素、森林環(huán)境及脅迫要素)構(gòu)建健康狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)。考慮到部分評(píng)價(jià)指標(biāo)所反映的信息存在相關(guān)性和重復(fù)性，無(wú)法反映內(nèi)在規(guī)律和真實(shí)特點(diǎn)，因此要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，通過(guò)參考文獻(xiàn)[9]，綜合專(zhuān)家意見(jiàn)，最終選取了22個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.4 分析方法

評(píng)價(jià)指標(biāo)初步選取采用主成分分析方法，由22個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成矩陣，計(jì)算影響樣地森林生態(tài)健康程度的每個(gè)主成分的特征向量，同時(shí)計(jì)算每個(gè)主成分的特征值以及貢獻(xiàn)率，當(dāng)m個(gè)主成分貢獻(xiàn)率(累積)超過(guò)85%時(shí)，則確定m個(gè)主成分，并由此將m個(gè)原始評(píng)價(jià)指標(biāo)替代。m個(gè)主成分分析因子得分用“Xm”表示，貢獻(xiàn)率采用“am”表示，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，最終確定木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(用“Z”表示)，計(jì)算公式如下[10,11]：

Z=a1X1+a2X2+a3X3+...+amXm

(1)

與此同時(shí)，采用聚類(lèi)分析方法，根據(jù)所得“Z”值，結(jié)合綜合健康指數(shù)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行分級(jí)，并組成數(shù)據(jù)矩陣，即：“Znm”，其中n表示樣本數(shù)量，m表示主成分?jǐn)?shù)量。所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均采用DPS軟件進(jìn)行相應(yīng)處理。

4 結(jié)果

4.1 各主成分因子負(fù)荷量

結(jié)合調(diào)查內(nèi)容中的樣本數(shù)據(jù)計(jì)算特征值、貢獻(xiàn)率、因子負(fù)荷量，從計(jì)算結(jié)果可以看出，有6個(gè)特征根的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到89.01%，大于85%，因此確定6個(gè)主成分，然后計(jì)算6個(gè)主成分的因子負(fù)荷量，其含義見(jiàn)表1。

表1 各主成分因子負(fù)荷量含義

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，森林生產(chǎn)力、環(huán)境指標(biāo)、物種多樣性特征向量出現(xiàn)頻率比較高，且絕對(duì)值大，說(shuō)明上述指標(biāo)對(duì)森林生態(tài)健康的影響比較大[12,13]。同時(shí)，上述結(jié)果也說(shuō)明，森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況是受到多個(gè)因素共同影響的。

4.2 森林生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)

結(jié)合表1中內(nèi)容及各主成分因子負(fù)荷量數(shù)據(jù)，計(jì)算森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指數(shù)，進(jìn)而分析不同林分類(lèi)型健康等級(jí)(相對(duì)優(yōu)劣程度)，共分為3類(lèi)，即健康、亞健康、非健康，具體評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同林地類(lèi)型綜合健康指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)，C3、D2、D3可聚為相對(duì)健康類(lèi)，其健康指數(shù)值較小，出現(xiàn)上述矛盾情況的主要原因可能是C3、D2、D3主成分因子負(fù)荷量相對(duì)比較接近[14]；與此同時(shí)，C3在坡度、物種多樣性、豐富度明顯低于D2、D3，說(shuō)明上述評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)有著相對(duì)比較大的影響，這也是其健康指數(shù)低于D2和D3的原因之一[15]。通過(guò)表3中數(shù)據(jù)可以看出，D2、D3處于健康狀態(tài)，A1、A2、C1、C2、C3、D1、E2、E3處于亞健康狀態(tài)，B1、B2、E1則處于非健康狀態(tài)。

4.3 不同起源系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)

以林分起源作為劃分依據(jù)，對(duì)不同森林系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并做比較，見(jiàn)表3。

表3 不同林分起源健康狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，人工林主要由兩部分生態(tài)系統(tǒng)組成，分別為非健康狀態(tài)林分系統(tǒng)和亞健康狀態(tài)林分系統(tǒng)，天然林也由兩部分組成，分別為健康狀態(tài)林分系統(tǒng)和亞健康林分系統(tǒng)，天然林健康狀況優(yōu)于人工林，而出現(xiàn)此種狀況的原因在于人工林受到人為干擾因素的影響，如原生態(tài)修通被人為改變、采伐強(qiáng)度等，導(dǎo)致人工林健康程度出現(xiàn)顯著的下降，不僅對(duì)木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)平衡性造成一定影響，同時(shí)也會(huì)在一定程度上影響到其自身的修復(fù)功能[16]。

4.4 不同林齡系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)

由于本次調(diào)查中齡林和混交林均為單獨(dú)一種，因此將中齡林(C2)和混交林(E3)生態(tài)類(lèi)型剔除，評(píng)價(jià)不同林分系統(tǒng)林齡生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 不同林齡系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果分析

從表4內(nèi)容中可以看到，不同林齡對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康的影響存在一定差異，其中近熟及成熟林處于非健康和亞健康狀態(tài)的林地明顯少于幼齡林(包括人工林和天然林)，與植被正常演替規(guī)律相符，而出現(xiàn)此種情況的主要原因在于幼齡林中各群落尚處于生長(zhǎng)和發(fā)育初期，其健康狀況不夠穩(wěn)定[17，18]。而近熟及成熟林功能比較完整，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，生物生長(zhǎng)已經(jīng)適應(yīng)自然環(huán)境和條件[19]。

5 結(jié)論與討論

本研究采用定量化研究方法，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，在系統(tǒng)整合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究成果的前提下，在眾多指標(biāo)中選取22個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，具有一定代表性。同時(shí)，采用聚類(lèi)與主成分相結(jié)合的分析方法，評(píng)估木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，通過(guò)調(diào)查，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)聚類(lèi)分析結(jié)果的研究認(rèn)為，河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)13種森林生態(tài)系統(tǒng)中，多數(shù)處于亞健康狀態(tài)，處于非健康狀態(tài)的共3種，處于健康狀態(tài)的共2種，而介于兩者之間亞健康狀態(tài)林分系統(tǒng)共8種，說(shuō)明該林場(chǎng)森林系統(tǒng)自身健康雖然受到一定損害，但是尚未完全失去自我修復(fù)能力。提示在未來(lái)森林生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)工作中，除了要加強(qiáng)經(jīng)營(yíng)管理質(zhì)量，也要盡量降低人為破壞[20]。

(2)不同起源林分系統(tǒng)健康狀況存在一定差異，其中人工林健康狀況普遍不如天然林，原因在于人工林結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，且受到人為因素的影響，提示在進(jìn)行森林系統(tǒng)維護(hù)和林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理時(shí)，要充分利用自然條件，并且降低了對(duì)人工林的人為干擾，使人工林逐漸演變?yōu)榻烊涣郑瑥亩粩嗵嵘浣】邓健?/p>

(3)不同林齡森林生態(tài)系統(tǒng)，幼齡林因其處于演替初期，其健康狀況普遍不如近熟林和成熟林，隨著幼齡林逐漸進(jìn)入到演替中期和后期階段，其林分結(jié)構(gòu)將不斷得到完善，且森林系統(tǒng)功能也將趨于完備[21]。

依據(jù)對(duì)河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的調(diào)查，天然林的健康狀況明顯優(yōu)于人工林，演替中后期近熟林、成熟林健康狀況高于演替初期幼齡林。林場(chǎng)森林生態(tài)整體處于健康狀態(tài)，主要原因在于人為干擾比較少，加之林場(chǎng)水土資源豐富，污染治理成效顯著。與此同時(shí)，天然林、近熟林、成熟林健康狀況良好，但是容易受到一些因素的影響，需要對(duì)此加以關(guān)注，并采取一定措施進(jìn)行干預(yù)，以提升整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。