露水河林業(yè)局森林健康多尺度評價*

沈 園，許 東，鄧紅兵，孔慶文

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.沈陽師范大學旅游管理學院，沈陽 110034； 4.吉林省長白山保護開發(fā)區(qū)自然保護管理中心，長白山保護開發(fā)區(qū) 133613)

·研究報告·

露水河林業(yè)局森林健康多尺度評價*

沈 園1， 2，許 東3※，鄧紅兵1，孔慶文4

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.沈陽師范大學旅游管理學院，沈陽 110034； 4.吉林省長白山保護開發(fā)區(qū)自然保護管理中心，長白山保護開發(fā)區(qū) 133613)

作為我國森林分布的重要區(qū)域，長白山區(qū)在木材生產(chǎn)以及維護生態(tài)平衡中起著重要作用，承擔著區(qū)域生態(tài)安全等重大責任，因而該區(qū)域的森林健康程度在很大程度上影響著其相應功能的發(fā)揮?；诼端恿謽I(yè)局森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和樣地調(diào)查數(shù)據(jù)等，從森林小班、景觀尺度構建森林健康評價指標。在森林經(jīng)營小班尺度上，以現(xiàn)代系統(tǒng)科學理論為基礎，從完整性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性3個方面初步構建健康評價指標，得到小班健康評價指標7個； 在景觀尺度上，以景觀生態(tài)學理論為基礎，從結構與格局、功能與過程兩個方面初步構建健康評價指標，得到景觀健康評價指標5個。在以上指標的基礎上，分別對露水河林業(yè)局2003年、2010年的森林健康情況進行了評價和比較。結果表明： 2003年與2010年，露水河林業(yè)局林分水平上處于中等健康和較不健康的最多，面積比例分別為35.32%、35.67%(2003年)和31.30%、40.26%(2010年)，屬于健康和不健康的小班較少，面積比分別占7.59%、7.71%(2003年)和14.98%、7.20%(2010年)，兩個年份相比， 2010年健康林分的比例和較不健康林分的比例都有所增加。在景觀尺度上，雜木林、胡桃楸林、水曲柳林、云杉林等森林景觀健康情況較差， 2010年與2003年相比，榆樹林、樟子松林景觀健康狀況有了一定好轉(zhuǎn)，而水曲柳林則仍然健康狀況堪憂。因此，整體來看露水河林業(yè)局森林亟需進行健康經(jīng)營和管理以提高健康等級。

森林健康 尺度 林分 景觀 長白山 露水河林場

0 引言

健康的森林能夠提供包括木材生產(chǎn)、生態(tài)安全和社會文化等多樣化的產(chǎn)品，因而森林健康是森林經(jīng)營中的重要問題，受到研究者和林業(yè)管理人員的重視。不同學者從概念[1-6]、理念與問題[6-15]、監(jiān)測與變化[16-23]、經(jīng)營方式[24-25]以及城市森林健康管理[16， 26]等不同的角度對森林健康進行了研究。而無論是在這些研究中還是實際的森林經(jīng)營中，森林健康與否以及森林健康程度是進行后續(xù)監(jiān)測以及經(jīng)營的前提，通過對森林健康進行診斷與評價，來揭示森林病變原理，提出健康調(diào)控機制，是森林可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。目前，國內(nèi)外學者和相關經(jīng)營機構已經(jīng)從諸多方面對森林健康評價進行了大量工作，提出了不同的評價指標，采用的評價方法也很多樣。然而分析發(fā)現(xiàn)，目前研究多關注于某單一尺度，如林分尺度、景觀尺度乃至區(qū)域尺度等。但森林是一個具有時空異質(zhì)性和等級結構的復雜系統(tǒng)，其健康本質(zhì)很難通過單一尺度上的評價得以全面揭示[27]，近年來興起的近自然林業(yè)、森林多目標經(jīng)營等現(xiàn)代森林經(jīng)營理念和方式也要求從林分、景觀等多個尺度來考慮森林經(jīng)營，因此進行多尺度評價是進行科學經(jīng)營，實現(xiàn)森林健康的關鍵。

長白山區(qū)是我國重要的林區(qū)，在區(qū)域木材生產(chǎn)以及維護生態(tài)平衡中起著重要作用，但由于受到多年的人為不合理開發(fā)和破壞，森林質(zhì)量明顯下降，因此研究此區(qū)域不同尺度上的森林健康狀況對于在不同經(jīng)營尺度水平上采取合理措施具有重要意義。文章嘗試以長白山區(qū)露水河林業(yè)局為例，從林分和景觀兩個尺度對其森林健康狀況進行分析評價，以實現(xiàn)森林健康評價尺度之間的轉(zhuǎn)換和耦合，一是為長白山區(qū)森林健康評價管理提供科學依據(jù)； 二是為我國森林健康評價提供新的視角和方法。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長白山西北麓，吉林省撫松縣境內(nèi)(42°24′～42°49′N， 127°29′～128°02′E)，東西寬約40 km，南北長約50 km，總經(jīng)營面積為1212.95 km2，是長白山林區(qū)具有代表性的森林經(jīng)營區(qū)域之一。海拔600～800 m，屬于寒溫帶大陸性氣候，土壤亞類主要有白漿暗棕壤、典型暗棕壤和暗色暗棕壤，低洼處有小面積的沼澤土，水平分布和垂直分布規(guī)律比較明顯。植被屬于長白山頂級植物群落區(qū)系，地帶性植被為闊葉紅松林(Pinuskoraiensis)。

該局為我國重要的木材生產(chǎn)基地，主要從事木材和鋸材生產(chǎn)。其采伐經(jīng)營過程經(jīng)歷了皆伐到采育兼顧伐和徑級伐，又到皆伐，直至20 世紀80 年代末才轉(zhuǎn)向較為合理的采伐經(jīng)營方式。在歷年的采伐之后，該局目前出現(xiàn)了很多問題，如采伐量大于生產(chǎn)量等，大量的采伐使林區(qū)資源已經(jīng)進入困危時期，造成采伐木林齡不合理，森林健康狀況堪憂。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 評價尺度與數(shù)據(jù)來源

考慮森林結構的空間異質(zhì)性以及現(xiàn)代森林經(jīng)營要求等，確定從林分和景觀兩個尺度對露水河森林健康進行評價。

在林分尺度上，采用露水河林業(yè)局森林資源二類調(diào)查的各小班數(shù)據(jù)； 在景觀尺度上，將地類、森林類型和優(yōu)勢樹種作為景觀類型劃分的標準，劃分為15類森林景觀類型。

以上兩個尺度評價分析均采用2003年與2010年的露水河林業(yè)局森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，以反映兩個年份的森林健康狀況，分析露水河林業(yè)局森林健康變化趨勢。

2.2 指標體系

2.2.1 林分尺度評價體系

在系統(tǒng)分析和整合國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎上，以近自然林業(yè)、森林演替、森林多目標經(jīng)營等理論為指導依據(jù)，綜合考慮系統(tǒng)性、科學性、實用性等評價原則，采用復合結構功能指標法，從完整性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性3個方面構建林分尺度上的森林健康評價指標體系。完整性指標包括群落層次結構、林分郁閉度、物種多樣性； 穩(wěn)定性指標包括病蟲害程度、火險等級、生態(tài)重要性、林分年齡，考慮到生態(tài)重要性、林齡指標與火險等級有較大重復，因此舍棄； 可持續(xù)性指標包括土壤厚度、近自然度(表1)。

應用以下數(shù)學模型對林分尺度上的森林健康進行評價：

(1)

式中，Si為第i號小班森林健康的評價得分，Mij為第i號小班第j個指標森林健康等級得分，Wij為第i號小班第j個指標的權重。

在確定評價指標體系的基礎上，各指標的權重直接影響著綜合評價的結果，科學計算各指標的權重是森林健康評價過程中的一個重要步驟。在參考專家意見的基礎上，采用層次分析法來推算各個指標的權重[27](表1)。

表1 森林健康評價指標分級標準(林分尺度)

權重指標體系權重級別ⅠⅡⅢⅣⅤ完整性指標0.4群落層次結構(C1)0.7喬灌草復層林喬灌草單層林只有喬木灌草草本林分郁閉度(C2)0.20.5～0.70.3～0.5或0.7～0.80.2～0.3或0.8～0.90.1～0.2或0.9～0.950～0.1或0.95～1.0樹種組成(C3)0.154321穩(wěn)定性指標0.4病蟲害程度(是否針闊混交)(C4)0.8無危害輕微危害中等危害較重危害嚴重危害火險等級(林齡)(C5)0.2一級二級三級四級五級可持續(xù)性指標0.2土壤厚度(C6)/cm0.8厚中薄近自然度(C7)0.2極近似近似較為近似基本近似不近似

2.2.2 景觀尺度評價體系

結構與功能，格局和過程之間的聯(lián)系與反饋是景觀生態(tài)學的基本命題，依據(jù)景觀生態(tài)學相關理論，結合森林多目標經(jīng)營需求，根據(jù)系統(tǒng)性、科學性和完整性等原則，從結構與格局，功能與過程兩個方面來建立露水河林業(yè)局森林景觀健康評價的指標體系。

其中景觀結構與格局指標采用斑塊個數(shù)、斑塊平均大小、分形維數(shù)、邊緣密度等指標，景觀功能與格局指標這里采用小班健康評價的結果：小班健康分級指數(shù)，即采用每種景觀不同等級面積占其總面積的比例進行評價。

應用以下數(shù)學模型對森林景觀健康進行評價：

(2)

式中，Si為第i種森林景觀類型健康的評價得分，Mij為第i種森林景觀類型第j個指標森林健康等級得分，Wij為第i種森林景觀類型第j個指標的權重。

由于景觀結構與格局、功能與過程是來自研究對象健康屬性的兩個方面，同等重要，因此賦予相同的權重，即景觀結構與格局指標和景觀功能與格局指標的權重分別為0.5、0.5[27]。景觀結構與格局指標間相對重要性的確定采用專家打分法，得到森林景觀健康評價指標權重(表2)。

表2 森林景觀健康評價指標權重

準則層權重景觀結構與格局Bl景觀功能與過程B2層次總排序權重0.50.5目標層權重拼塊個數(shù)C10.25000.1250拼塊平均大小C20.25000.1250分形維數(shù)C30.25000.1250邊緣密度C40.25000.1250小班健康分級指數(shù)C510.5000

表3 森林健康評價分級標準

2.3 判斷標準與分類依據(jù)

采用自然斷點法對林分和景觀尺度的森林健康評價結果進行判定分級，劃分為5個等級：健康、較健康、中等健康、較不健康、不健康(表3)。

3 結果分析

3.1 林分尺度森林健康評價

通過上述的評價方法及步驟，分別對露水河林業(yè)局2003年、2010年的森林小班進行健康評價，得到結果見表4、圖1和圖2。

根據(jù)2003年和2010年的統(tǒng)計結果，可以發(fā)現(xiàn)露水河林業(yè)局森林經(jīng)營小班處于中等健康和較不健康的最多，面積比例分別為35.32%、35.67%(2003年)和31.30%、40.26%(2010年)，屬于健康和不健康的小班較少，面積比分別占7.59%、7.71%(2003年)和14.98%、7.20%(2010年)，兩個年份相比， 2010年健康林分的比例和較不健康林分的比例都有所增加。從整體來看，這說明露水河林業(yè)局亟需進行森林健康可持續(xù)經(jīng)營，提高森林健康等級。

表4 林分尺度健康評價結果

種類年份健康較健康中等健康較不健康不健康白樺200311.261.958.2753.3825.1420105.4037.423.9736.9916.23變化-5.8635.47-4.30-16.39-8.91椴樹20030.003.1143.5742.1411.1820100.000.00100.000.000.00變化0.00-3.1156.43-42.14-11.18紅松20030.438.3026.9948.8215.4720100.004.7020.5450.8123.95變化-0.43-3.60-6.451.998.48胡桃楸20036.731.9220.2255.7615.3820100.001.110.0041.8457.05變化-6.73-0.81-20.22-13.9241.67混交20035.258.7341.4739.445.1120108.7311.0030.3044.675.31變化3.482.27-11.175.230.20闊葉20037.3714.8345.5129.382.9120104.6217.0736.3337.224.75變化-2.752.24-9.187.841.84落葉松200315.879.754.5945.5324.26201018.3326.426.3832.4216.45變化2.4616.671.79-13.11-7.81水曲柳20030.004.807.1463.7724.2820100.000.000.5460.6838.78變化0.00-4.80-6.60-3.0914.50楊樹200317.7535.4118.6123.165.0720108.6215.9439.7434.301.40變化-9.13-19.4721.1311.14-3.67榆樹20030.000.0012.3270.7116.9820100.000.000.00100.000.00變化0.000.00-12.3229.29-16.98云杉20034.180.488.3967.5819.3720100.000.000.3875.0124.61變化-4.18-0.48-8.017.435.24雜木200352.790.002.7228.5915.9020107.720.0012.720.0079.56變化-45.070.0010.00-28.5963.66柞樹200311.3628.1226.1723.6710.67201010.0221.153.306.7358.80變化-1.34-6.97-22.87-16.9448.13樟子松20031.340.167.0359.9631.51201025.2534.614.9020.8814.36變化23.9134.45-2.13-39.08-17.15針葉20033.981.4827.7754.7911.9920105.0012.6412.2850.7119.37變化1.0211.16-15.49-4.087.38

圖1 2003年露水河林業(yè)局林分尺度森林健康分布 圖2 2010年露水河林業(yè)局林分尺度森林健康分布

在林分水平上，在所有森林小班類型中，除針闊混交、落葉松、樟子松等類型的森林小班處于健康的比例增大以外，其他類型都有所減少。

露水河林業(yè)局主要的優(yōu)勢類型為闊葉混交林和針闊混交林，其森林健康狀況的好壞變化影響著整個研究區(qū)域森林生態(tài)的好壞和生態(tài)功能的發(fā)揮，對露水河林業(yè)局的生態(tài)環(huán)境調(diào)控起著極為重要的作用。但從分析結果看，闊葉林和針闊混交林的健康狀況并不理想， 2003年中等健康以下的分別占到了77.8%和86.02%； 2010年則分別為78.3%和80.28%。闊葉林在健康水平上的林分的比例在2010年下降了2.75%，而針闊混交林的森林健康狀況則呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)好的趨勢，健康水平和較為健康水平的比例均有所增加(分別增加了3.48%和2.27%)。除闊葉林和針闊混交林之外，露水河林業(yè)局的另外一種主要森林類型，即針葉林在健康和較健康水平上的比例也都有所增加。這很有可能是1995年后露水河林業(yè)局的采伐方式改為采闊保針，致使闊葉林的健康程度受到一定的影響，森林采伐造成的干擾使闊葉混交林部分轉(zhuǎn)變?yōu)殚熑~混交林和針葉林。

在空間上看，健康狀況轉(zhuǎn)好的區(qū)域主要集中在東升、清水河、紅光等林場，健康狀況轉(zhuǎn)差的林分主要集中在黎明、四湖和西林河等林場。這也說明了2003～2010年間露水河林業(yè)局森林采伐的重點放在了黎明、四湖和西林河等，而東升、清水河、紅光等原來森林資源較好的林場已經(jīng)由采伐為重點轉(zhuǎn)變?yōu)闋I林為重點。

3.2 景觀尺度森林健康評價

根據(jù)景觀尺度計算方法得到露水河林業(yè)局森林景觀健康結果如表5。

表5 景觀尺度健康評價結果

級別年份健康較健康中等健康較不健康不健康景觀類型2003楊樹、針闊混交、闊葉混交落葉松、紅松白樺、雜木、柞樹胡桃楸、云杉、椴樹、針葉榆樹、水曲柳、樟子松2010針闊混交林、闊葉混交林落葉松林、楊樹林紅松林、針葉混交林、樟子松林榆樹林、椴樹林、柞樹林、白樺林雜木林、胡桃楸林、水曲柳林、云杉林

從以上結果中可以看出，在景觀尺度的健康評價上，處于中等以下的森林景觀類型比例較大， 2003年為10種，而2010年則變?yōu)榱?1種，說明在景觀尺度上，露水河林業(yè)局森林健康也處于不理想的狀態(tài)。

從景觀水平來看，針闊混交林、闊葉林等該區(qū)重要的景觀生態(tài)類型呈現(xiàn)出健康的狀態(tài)，說明在景觀水平上，對整個露水河林業(yè)局的生態(tài)環(huán)境演變起到主導作用的景觀類型未受到根本性的破壞，與上述林分水平的分析結果相結合，未來闊葉林、針闊混交林在森林經(jīng)營上應逐漸走向更加合理化，使闊葉林、針闊混交林等森林景觀類型在保持景觀水平健康的同時，林分健康質(zhì)量得到明顯改善。

雜木林、胡桃楸林、水曲柳林、云杉林等森林景觀被確定為不健康，其原因主要是：景觀的平均斑塊面積、邊緣密度都較小，景觀多樣性指數(shù)值均顯著偏低，另外其小班健康度也較低。

而2010年和2003年相比，榆樹林、樟子松林景觀健康狀況有了一定好轉(zhuǎn)，而水曲柳林則仍然健康狀況堪憂； 楊樹林景觀則由原來的健康轉(zhuǎn)變?yōu)檩^健康。

通過以上分析可以看出，露水河林業(yè)局的森林無論是在森林小班水平上還是在森林景觀斑塊水平上較不健康和不健康的比例很大，說明亟需進行可持續(xù)經(jīng)營。

4 結論與討論

森林健康評價是實現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展的重要基礎工作，經(jīng)過對露水河林業(yè)局林分、景觀兩個尺度的分析，發(fā)現(xiàn)在林分尺度上， 2003年和2010年露水河林業(yè)局森林經(jīng)營小班處于中等健康和較不健康的最多，面積比例分別為35.32%、35.67%(2003年)和31.30%、40.26%(2010年)，屬于健康和不健康的小班較少，兩個年份相比， 2010年健康林分的比例和較不健康林分的比例都有所增加。健康林分的增加主要表現(xiàn)在針葉林和針闊混交林健康林分的增多上，而不健康林分比例的增大則主要是由闊葉林不健康林分的增多而引起的。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生很有可能是1995年后露水河林業(yè)局的采伐方式改為采闊保針，森林采伐造成的干擾使闊葉混交林部分轉(zhuǎn)變?yōu)殚熑~混交林和針葉林，從而使闊葉林健康程度降低。

而從景觀水平來看，處于中等健康以下的景觀類型有10種，所占比例較大。2010年與2003年相比，中等健康以下的景觀類型增加了一種，沒有出現(xiàn)太大變化。針闊混交林、闊葉林等該區(qū)重要的景觀生態(tài)類型兩個年份都呈現(xiàn)出健康的狀態(tài)，說明在景觀水平上，對整個露水河林業(yè)局的生態(tài)環(huán)境演變起到主導作用的景觀類型未受到根本性的破壞。與林分尺度上的森林小班類型相對照可以發(fā)現(xiàn)，無論是在林分尺度還是景觀尺度，水曲柳、樟子松等不健康的比例都較大，表明在未來的森林經(jīng)營中，這兩種林型應作為重點進行對待。從露水河整體未來森林發(fā)展來看，近年來雖然隨著我國林業(yè)經(jīng)營主導思想的轉(zhuǎn)變和天保工程的實施，該局生產(chǎn)經(jīng)營方式和經(jīng)營格局進行了調(diào)整，一定程度上保證了森林資源的接續(xù)，但須采取切實可行的森林經(jīng)營管理措施，提高經(jīng)營管理水平，提高森林健康水平，發(fā)揮森林更大的綜合效益。

從林分和景觀尺度對森林健康進行評價能夠避免單一尺度的不足，切合了森林生態(tài)系統(tǒng)本身的性質(zhì)，滿足了森林多目標經(jīng)營的需求。森林健康評價所選擇的方法和指標不同，可能導致評價結果的不同，該研究中從林分尺度提出了7個評價指標，景觀尺度上提出了5個評價指標，基本上滿足了兩個尺度的評價需求。針對林業(yè)經(jīng)營實際需求，建立有效、統(tǒng)一的評價指標體系和科學合理、因地制宜的健康標準是未來森林經(jīng)營工作中開展森林生態(tài)系統(tǒng)健康多尺度評價的重點，具體的閾值可以根據(jù)地理環(huán)境、森林類型以及經(jīng)營目標從不同尺度上來設定。從基層林業(yè)需求來看，建立簡潔的指標測度方法也將是未來森林健康多尺度評價的趨勢。

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MULTI-SCALE ASSESSMENT OF FOREST HEALTH IN LUSHUIHE FORESTRY BUREAU

Shen Yuan1， 2，Xu Dong3※，Deng Hongbing1，Kong Qingwen4

(1. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3.Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China;4.Natural Conservation Center, Changbai Mountain Protection & Development Zone 133613, China)

The forests in the Changbai Mountain area play an important role in maintaining ecological balance and regional ecological security. Based on Forest Resource Inventory data and samples survey data of Lushuihe Forestry Bureau, forest health was evaluated at stand and landscape scale. At stand scale, 7 evaluation indexes were established in terms of integrity, stability and sustainability based on modern systems science theory. At landscape scale, 5 evaluation indexes were established from the structure and pattern, function and process based on landscape ecology theory. The results showed that: in 2003 and 2010, at stand level, the area of healthy and less healthy accounted for 35.32%, 35.67% (2003) and 31.30%, 40.26% (2010) of the total forest area, the less healthy and unhealthy area accounted for 7.59%, 7.71% (2003) and 14.98%, 7.20% (in 2010), respectively. The proportion of healthy and less healthy of forest stands arised in 2010. At landscape scale, the health conditions of weed, walnut, ash, spruce and other forests were poor. From 2003 to 2010, health status at landscape scale of elm forest and pine forest had been improved except the ash forest. Therefore, it was urgent to enhance the comprehensive management of forest health in Lushuihe Forestry Bureau.

forest health; scale; stand; landscape; Changbai Mountain; Lushuihe woodland

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160404

2015-04-08

沈園(1989—)，女，江蘇蘇州人，博士研究生。研究方向：生態(tài)系統(tǒng)健康與管理?！ㄓ嵶髡撸涸S東(1979—)，男，山東單縣人，博士、副教授。研究方向：景觀生態(tài)學。Email：xudong1222@126.com

*資助項目：“十二五”農(nóng)村領域國家科技支撐計劃重點項目“長白山森林多目標經(jīng)營規(guī)劃技術研究與示范”(2012BAD22B0409)

X173； F307.2

A

1005-9121[2016]04-0024-07