青海高寒黃土區(qū)典型水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)

朱 柱，楊海龍，黃 乾，趙嘉瑋

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083）

森林健康的相關(guān)研究開始于20世紀(jì)60年代，其理念是西方國(guó)家針對(duì)人工林林分結(jié)構(gòu)單一，森林病蟲害防治能力差，水土保持能力弱等提出的［1］。隨著研究的不斷深入，人們對(duì)于森林健康的認(rèn)識(shí)也由林分本身屬性轉(zhuǎn)移到了森林生態(tài)系統(tǒng)上，而森林健康的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)是了解森林健康狀態(tài)的重要手段［2］。及時(shí)了解森林健康狀況，對(duì)于合理經(jīng)營(yíng)森林，提高森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處等有著重要意義。截至目前，中國(guó)學(xué)者對(duì)森林健康評(píng)價(jià)進(jìn)行了諸多研究，并在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取［3-5］、評(píng)價(jià)方法的運(yùn)用［6-8］以及評(píng)價(jià)尺度［9-10］和健康劃分標(biāo)準(zhǔn)上都呈現(xiàn)多元化，但對(duì)于青海高寒黃土區(qū)的森林健康評(píng)價(jià)研究還相對(duì)較少。因此，及時(shí)監(jiān)測(cè)和了解該地區(qū)人工植被的生長(zhǎng)狀況對(duì)提高退耕還林（草）工程等生態(tài)恢復(fù)工程的生態(tài)效益有著重大意義。本研究選擇青海省大通回族土族自治縣退耕還林第2階段（20世紀(jì)80年代至90年代末）營(yíng)造的人工林中的5種典型水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象，通過構(gòu)建森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算5種林分的健康指數(shù)IH（health index）并進(jìn)行分析和比較，以期為該地區(qū)人工林植被結(jié)構(gòu)調(diào)整和多種服務(wù)功能綜合提升研究提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

有學(xué)者［11-12］認(rèn)為：高寒黃土區(qū)在中國(guó)自然規(guī)劃上屬于獨(dú)立的大區(qū)，特點(diǎn)是海拔高、輻射強(qiáng)、氣候寒冷，其自然植被主要受非地帶性因素的影響，存在生長(zhǎng)速度緩慢，發(fā)育不良以及生態(tài)效益低下等諸多問題。該區(qū)主要包括青海省的西寧、門源、湟中和貴德等縣市［13］。本研究試驗(yàn)地位于青海省西寧市大通回族土族自治縣（36°43′～37°23′N， 100°51′～101°56′E）， 地處黃土高原與祁連山地的過渡地帶， 海拔為2280～4622 m，屬高原大陸性氣候。該地區(qū)年平均降水量為523.3 mm，年平均氣溫為4.9℃，年平均蒸發(fā)量為1762.8 mm，年內(nèi)無霜期為61.0～133.0 d，年濕潤(rùn)指數(shù)為0.56～1.32，平均風(fēng)速2 m·s-1；土壤主要為山地棕褐土、栗鈣土和黑鈣土。本試驗(yàn)地在大通回族土族自治縣塔爾溝林場(chǎng)，現(xiàn)有植被主要為林齡為25～35年生的人工林，主要喬木樹種有青海云杉Picea crassifolia，青楊Populus cathayana，白樺Betula platyphylla和華北落葉松Larix principis-rupprechtii等；灌木有山杏Armeniaca sibirica，銀露梅Potentilla glabra，檸條Caragama koshinskii，沙棘Hippophae rhamnoides等；草本有草木犀Melilotus officinalis，艾蒿Artemisia argyi，蒲公英Taraxacum mongolicum，飛廉Carduus nutans和火絨草Leontopodium leontopodioides等。

1.2 樣地設(shè)置

2018年6-8月，在青海省大通回族土族自治縣塔爾溝林場(chǎng)進(jìn)行采樣和調(diào)查。在全面實(shí)地踏查的基礎(chǔ)上，選取當(dāng)?shù)?種典型水源涵養(yǎng)林，青海云杉林、白樺林、華北落葉松林、青海云杉-華北落葉松混交林和青海云杉-白樺混交林。每種水源涵養(yǎng)林選擇3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共布設(shè)15塊標(biāo)準(zhǔn)樣地。標(biāo)準(zhǔn)樣地的選擇滿足在地質(zhì)地貌、土壤、坡度和坡向等方面具有代表性和一致性，同時(shí)所選林分的密度為目前該地區(qū)立地條件下各林分最常見的經(jīng)營(yíng)密度。在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種、林齡、樹高、胸徑、冠幅、株數(shù)等。在喬木樣方內(nèi)部4個(gè)角及中心位置共設(shè)置5個(gè)5 m×5 m灌木樣方，記錄灌木種類、高度和蓋度等。在每個(gè)灌木樣方中心取1個(gè)1 m×1 m草本樣方，記錄草本種類、株數(shù)、高度和蓋度等。調(diào)查的15塊標(biāo)準(zhǔn)樣地的基本情況見表1。

2 林分健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇是森林健康評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，一套科學(xué)、合理、適用性強(qiáng)的森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系直接影響著森林健康評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。高志亮等［14］采用定性和定量相結(jié)合的方法，構(gòu)建包括完整性指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和可持續(xù)性指標(biāo)共3類7個(gè)指標(biāo)，對(duì)北京松山自然保護(hù)區(qū)森林進(jìn)行了健康評(píng)價(jià)研究。魯紹偉等［15］運(yùn)用復(fù)合結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)法對(duì)八達(dá)嶺林場(chǎng)121個(gè)小班進(jìn)行健康評(píng)價(jià)并劃分4個(gè)等級(jí)。汪加魏等［16］提出水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的7個(gè)原則，并利用分層評(píng)價(jià)的指標(biāo)分值法對(duì)北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)景觀型水源涵養(yǎng)林進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。由于在青海高寒黃土區(qū)森林健康方面的研究還相對(duì)較少，因此本研究在參考前人關(guān)于森林健康評(píng)價(jià)或水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合森林健康相關(guān)理論、研究區(qū)水源涵養(yǎng)林實(shí)際情況和專家咨詢法，在滿足系統(tǒng)性、科學(xué)性和可操作性等指標(biāo)選取原則的條件下，篩選一套適合本研究區(qū)水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，主要包括完整性指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和可持續(xù)性指標(biāo)3個(gè)方面共11項(xiàng)指標(biāo)（表2）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況Table 1 Basic information of standard sample plots

表2 森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Assessment index system of forest health

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的調(diào)查和計(jì)算

評(píng)價(jià)指標(biāo)又可細(xì)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。定量指標(biāo)數(shù)據(jù)可通過外業(yè)調(diào)查結(jié)合內(nèi)業(yè)實(shí)驗(yàn)獲得，定性指標(biāo)則需要參考《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為定量數(shù)值。

2.2.1 定量指標(biāo)調(diào)查與計(jì)算 ①喬木密度：?jiǎn)挝幻娣e上喬木層樹木株數(shù)。②葉面積指數(shù)和郁閉度：利用WinSCANOPY 2006軟件設(shè)備的冠層分析儀在多云或者晴朗天氣的8:00-10:00，在離地面1.3 m處對(duì)喬木冠層進(jìn)行拍照，每個(gè)樣地選擇3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)拍5～10張照片。內(nèi)業(yè)分析時(shí)去掉曝光過度的照片，獲得標(biāo)準(zhǔn)樣地的冠層葉面積指數(shù)和冠層開闊度。其中：林分郁閉度=（1-冠層開闊度）×100%。③草本層Shannon-Wiener指數(shù)［17］：其中：Pi=Ni/N，N為樣地草本重要值總和，Ni為樣方中第i種草本的重要值，Pi為重要值比例（相對(duì)重要值），S為樣地的草本種數(shù)。④枯立木比例：標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)喬木層枯立木株數(shù)與喬木總株數(shù)之比。⑤土壤厚度：在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿著等高線的方向，等間隔設(shè)置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用特制的一根長(zhǎng)110 m，直徑10 mm的鋼釬敲入土壤中，以鋼釬入土深度作為該測(cè)點(diǎn)的土壤厚度值，以10個(gè)測(cè)點(diǎn)土壤厚度的平均值作為該標(biāo)準(zhǔn)樣地的土壤厚度值［18］。⑥土壤0～60 cm平均最大持水量：在每種水源涵養(yǎng)林的標(biāo)準(zhǔn)樣地中心位置，挖3個(gè)土壤剖面，用環(huán)刀在0～20，20～40和40～60 cm處分層取樣，每層3次重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室采用環(huán)刀法［19］測(cè)量土壤飽和持水量和總孔隙度，并用公式（1）和（2）計(jì)算土壤總孔隙度和每層最大持水量，最后對(duì)每個(gè)樣地的0～60 cm的土壤最大持水量計(jì)算平均值。

式（1）和式（2）中：Pt為土壤總孔隙度，Wt為土壤最大持水量（t·hm-2），W0為空環(huán)刀質(zhì)量（g），W1為土樣和環(huán)刀烘干質(zhì)量（g），W2為土樣和環(huán)刀完全浸水12 h總質(zhì)量（g），h為每層土壤厚度（m）。⑦凋落物厚度和凋落物最大持水率：在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)25 cm×25 cm的小樣方，在小樣方內(nèi)調(diào)查凋落物的厚度并取樣，然后在室內(nèi)測(cè)定凋落物的最大持水率。首先，將取回的凋落物樣品稱量（鮮質(zhì)量w0），然后放置于烘箱中，在80℃條件下烘干至恒量后再次稱量（干質(zhì)量w1），最后將烘干的凋落物樣品裝入尼龍袋中后放水中完全浸水24 h后取出，空干后再次稱量（飽和濕質(zhì)量w2）。按公式（3）計(jì)算凋落物最大持水率（C）。

2.2.2 定性指標(biāo)的調(diào)查和轉(zhuǎn)化 根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將定性指標(biāo)分為4級(jí)，分值分別為Ⅰ級(jí)4分，Ⅱ級(jí)3分，Ⅲ級(jí)2分，Ⅳ1分（表3）。

表3 森林健康定性指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standards of forest health indicator classification

2.2.3 指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化 由于評(píng)價(jià)指標(biāo)來自不同的方面，各指標(biāo)的量綱不統(tǒng)一，而且不同指標(biāo)之間數(shù)據(jù)相差較大，因此需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用極值法［20］對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。正相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式：S′=（S-Smin）/（Smax-Smin）， 負(fù)相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式：S′=（Smax-S）/（Smax-Smin）。 其中：S′為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，S為指標(biāo)實(shí)際值，Smax為該指標(biāo)在所有標(biāo)準(zhǔn)樣地中的最大值，Smin為該指標(biāo)在所有標(biāo)準(zhǔn)樣地中的最小值。所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后處于［0，1］。本研究指標(biāo)體系中，枯立木比例為負(fù)相關(guān)指標(biāo)，其他指標(biāo)均為正相關(guān)指標(biāo)（病蟲害程度和火險(xiǎn)程度2項(xiàng)指標(biāo)，等級(jí)越低，賦值越高，量化數(shù)值為正相關(guān)）。森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值見表4。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重直接影響著森林健康評(píng)價(jià)的結(jié)果，科學(xué)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重是進(jìn)行森林健康評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。本研究采用熵權(quán)法［20］估算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，其本質(zhì)是在綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給決策者的信息量大小來確定指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)的信息熵（Hj）越小則表明該項(xiàng)指標(biāo)提供的信息量越大，其權(quán)重（Wj）也應(yīng)該越大。熵權(quán)法是一種比較客觀的權(quán)重確定方法。其計(jì)算公式如下：

式（4）和式（5）中：Hj為第j評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵，Wj為第j指標(biāo)的權(quán)重（總和為1），S′ij為第i樣地第j指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，i為第i樣地；j為森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表4 森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值Table 4 Standardized data of forest health assessment index

依據(jù)公式（4）和（5），對(duì)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得出5種典型水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵（Hj）和權(quán)重（Wj）見表 5。

表5 森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵及其權(quán)重Table 5 Entropy and weight of forest health assessment indicators

2.4 評(píng)價(jià)模型

森林健康評(píng)價(jià)的方法有很多，諸如健康距離法、模糊綜合評(píng)判法、綜合指數(shù)法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，在對(duì)森林健康評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)根據(jù)研究者的目的合理選擇評(píng)價(jià)方法和模型。本研究對(duì)5種配置模式的水源涵養(yǎng)林健康狀況進(jìn)行分析和比較，因此采用綜合指數(shù)法來進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。綜合指數(shù)法是通過將健康評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)信息進(jìn)行加權(quán)綜合，是一種相對(duì)比較完善的評(píng)價(jià)方法［21］。 其評(píng)價(jià)模型如下：

式（6）中：IHi為第i樣地森林健康指數(shù)；S′ij為第i樣地第j指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wj為第j指標(biāo)的權(quán)重；i為第i樣地；j為森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 森林健康等級(jí)劃分

參考前人關(guān)于森林健康方面的研究，結(jié)合青海高寒黃土區(qū)水源涵養(yǎng)林實(shí)際情況，將森林健康指數(shù)分為4大類，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)健康等級(jí)：優(yōu)質(zhì)、健康、亞健康和不健康。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 森林健康等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Standards of ranks on forest health

3.2 森林健康評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)高寒黃土區(qū)5種典型水源涵養(yǎng)林共15塊標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，根據(jù)公式（6）計(jì)算出每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地的健康指數(shù)，并劃分出標(biāo)準(zhǔn)樣地的健康等級(jí)。結(jié)果見表7。5種水源涵養(yǎng)林的健康指數(shù)表明：青海云杉-白樺混交林為優(yōu)質(zhì)林，白樺林為健康林，青海云杉林和青海云杉-華北落葉松混交林為亞健康林，華北落葉松林為不健康林。水源涵養(yǎng)林健康指數(shù)從大到小總體表現(xiàn)為針闊混交林、闊葉林、針葉林。

表7 森林健康指數(shù)與等級(jí)Table 7 Forest health index and grade

林下植被的發(fā)育對(duì)水源涵養(yǎng)林發(fā)揮其功效起著重要作用［22］。本研究表明：5種水源涵養(yǎng)林的林下草本Shannon指數(shù)變化趨勢(shì)與王偉偉等［23］研究基本一致，從小到大表現(xiàn)為針葉林、闊葉林、針闊混交林，這與針葉林枝繁葉茂、林下光照和降水較少等原因有關(guān)［24］。其次，水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)應(yīng)注重其生態(tài)功能的發(fā)揮［16］，健康評(píng)價(jià)指標(biāo)中土壤0～60 cm平均最大持水率、凋落物厚度及凋落物最大持水率3項(xiàng)指標(biāo)能在一定程度上反映其水源涵養(yǎng)能力。青海云杉-白樺混交林的凋落物降解速度遠(yuǎn)小于白樺林，其凋落物厚度和凋落物最大持水率均大于針葉林和闊葉純林，這與劉凱等［25］研究一致。沈劍波等［26］在對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，森林病蟲害和森林火險(xiǎn)等級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)均排在前6位。本研究利用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重得出火險(xiǎn)等級(jí)和病蟲害程度的權(quán)重值分別為0.2423和0.1222（表5），在11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中位于第1位和第3位，進(jìn)一步驗(yàn)證了這2項(xiàng)指標(biāo)是影響林分健康的重要因子。

森林的生長(zhǎng)是一個(gè)連續(xù)的過程，其健康狀況的變化也是連續(xù)的［27］。本研究受限于森林調(diào)查數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的不完整性，只是針對(duì)5種水源涵養(yǎng)林處于現(xiàn)階段狀況下進(jìn)行初步的健康評(píng)價(jià)。因此，從人工林健康經(jīng)營(yíng)的角度出發(fā)，后期建立一套長(zhǎng)期的、合理有效的森林健康監(jiān)測(cè)體系是很有必要的。其次，在后續(xù)造林過程中，一方面可選擇青海云杉-白樺混交模式，不僅可以改善林下植被生存環(huán)境，增加灌草層的物種多樣性，還可以減少林分的病蟲害；另一方面，可以在人工林幼林期加大人工撫育力度，調(diào)整林分樹種組成和密度，并做好森林防火措施，使其朝著優(yōu)質(zhì)林的方向發(fā)展，在保證林分健康的情況下，提高其水源涵養(yǎng)能力。

4 結(jié)論

利用熵權(quán)法計(jì)算水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，使權(quán)重的確定更具有客觀性，其中指標(biāo)權(quán)重較大的有火險(xiǎn)等級(jí)、葉面積指數(shù)和病蟲害程度。這表明森林火險(xiǎn)等級(jí)和病蟲害程度是影響森林健康的重要因子。在今后人工林經(jīng)營(yíng)管理過程中，可通過采取嚴(yán)格控制林區(qū)用火安全及做好森林病蟲害防治等措施有效提高森林的健康水平。

本研究發(fā)現(xiàn)：青海云杉-白樺混交林健康值在5種典型水源涵養(yǎng)林中最高，是一種比較好的水源涵養(yǎng)林配置模式，建議在后續(xù)造林過程中采用。在造林期間，還可以通過加大撫育力度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林分生長(zhǎng)狀況等措施提高人工林質(zhì)量。

水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)的結(jié)果具有地域性和針對(duì)性。本研究對(duì)大通縣水源涵養(yǎng)林的合理經(jīng)營(yíng)有一定的理論指導(dǎo)意義；但對(duì)于其他地區(qū)或者其他功能的林分，森林健康評(píng)價(jià)需要重新篩選合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)。此外，水源涵養(yǎng)林健康評(píng)價(jià)在指標(biāo)篩選和定性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)劃分等方面，雖經(jīng)過權(quán)威專家的一致評(píng)判，但仍然具有一定的主觀性。在后續(xù)研究中，應(yīng)進(jìn)一步篩選、判定和完善。