西寧市油松人工林健康評價分析

谷鑫鑫，高云鶴，司劍華

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

森林生態(tài)健康的概念是由德國科學(xué)家在20世紀(jì)70年代提出[1].隨后，對于森林健康，其他國家也分別采用了相應(yīng)措施：美國于1930年建立了FIA(forest inventory and analysis)工程，并且從20世紀(jì)90年代起，開展了森林健康的監(jiān)測體系(forest health monitoring,FHM)工程[2]；德國由于酸雨的原因，對森林的健康狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測、分析[3]；歐洲其他國家的森林健康監(jiān)測體系是基于德國的監(jiān)測體系發(fā)展而來，且更偏重地面監(jiān)測[4].

我國對森林健康的研究起步較晚，一直以來，我國對森林的管理主要針對病蟲害和森林火災(zāi).21世紀(jì)初才開始森林健康評價[5]，多以森林生態(tài)系統(tǒng)的自身屬性或特征來構(gòu)建評價指標(biāo)體[6-7]，且從多尺度上展開評價過程[8-9].國內(nèi)經(jīng)過多年研究，目前已有多種評價方法[10-11]，其中指示物種法[12-13]、健康距離法[14]、個體評價法[15]、模糊綜合評價法[16-17]、主成分分析法[18]等較為常見.而有關(guān)油松人工林健康的評價多體現(xiàn)在內(nèi)蒙古[19-21]、陜西[4]等地區(qū)，青海省僅涉及到低效林的評價體系構(gòu)建[22]及朱柱等[23]對青海云杉林、華北落葉松林、白樺林、青海云杉-華北落葉松混交林以及青海云杉-白樺混交林5種林分的評價研究.

油松(Pinustabulaeformis)為松科(Pinaceae)松屬(PinusLinn)針葉常綠喬木，陽性樹種，具有較好的藥用、觀賞和工業(yè)價值，是中國特有樹種，在我國種植面積廣泛.油松作為西寧市南北兩山主要造林樹種，種植面積大，但由于立地條件以及后期撫育管理不當(dāng)?shù)仍?，致使西寧市油松人工林狀況參差不齊.本試驗以西寧市南北山樹齡20～30 a油松人工林為試驗對象，對油松進(jìn)行以實地調(diào)查為基礎(chǔ)的健康評價研究，希望能通過試驗結(jié)果客觀反映西寧市南北山油松人工林的健康狀況，從而為西寧市及周邊地區(qū)選擇適宜種植油松的立地條件以及為人工林的健康經(jīng)營提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于青海省西寧市，西寧市區(qū)海拔2 261 m，地理坐標(biāo)E 101°49′～46′、N 36°36′～38′，位于青藏高原東北部，屬于大陸性高原半干旱氣候.西寧市年平均降水量380 mm，蒸發(fā)量1 363.6 mm，年平均日照為1 939.7 h，年平均氣溫7.6 ℃，最高氣溫34.6 ℃，最低氣溫-18.9 ℃.研究區(qū)土壤類型以栗鈣土為主，植被類型較為豐富，主要樹種有油松(Pinustabulaeformis)、青楊(Populuscathayana)、青海云杉(Piceacrassifolia)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檉柳(Tamarixchinensis)、河北楊(Populushopeiensis)、檸條(CaraganaKorshinskii)等，草本植物以菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)、豆科(Leguminosae sp.)、薔薇科(Rosaceae)植被為主.

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計 參照國內(nèi)外有關(guān)的森林健康評價的理論，結(jié)合西寧市南北山油松人工林的實際情況，初步選定樹高年生長量、胸徑年生長量、冠幅、腐殖質(zhì)厚度、枯落物厚度、病蟲害危害程度、草本蓋度、郁閉度、林分密度、森林火險等級、人為因子(干擾)等11個評價指標(biāo).首先運用極差歸一法[21]對指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，用主成分分析法篩選評價指標(biāo)；其次通過均方差分析法確定出各評價指標(biāo)的權(quán)重；再次應(yīng)用Costanza等[24]提出的健康度指標(biāo)(HI)進(jìn)行健康指數(shù)的計算，并運用正態(tài)等距分析法得到健康等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)；最終得出西寧市油松人工林健康評價結(jié)果.

1.2.2 調(diào)查方法 1) 外業(yè)時間 2017年11月～2018年1月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置，2018年3月3日～20日進(jìn)行樹高胸徑的第1次測定，2018年7月、8月進(jìn)行病蟲害危害程度的調(diào)查；2018年10月2日～10月12日進(jìn)行樹高胸徑的第2次測定以及其他指標(biāo)的測定.

2) 標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置 2018年2月，在西寧市南北山各油松混交林中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置，使用羅盤儀定向，用皮尺沿著定好的方向測量出20 m的距離，此為標(biāo)準(zhǔn)地的一條邊，以此類推得到面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地共60個，對樣地內(nèi)的喬木、灌木等木本植物進(jìn)行每木調(diào)查.在各標(biāo)準(zhǔn)地周邊中心的位置設(shè)4個1 m×1 m的草本樣方，在樣地中心設(shè)置1個1 m×1 m的土壤取樣點.將西寧市南北山不同坡向、坡位、坡度、海拔等立地因子以及不同生長狀況的樹齡20～30 a油松人工林涵蓋在內(nèi)，各標(biāo)準(zhǔn)地的基本信息見表1.

3) 生產(chǎn)力指標(biāo)的測量 使用勃魯萊測高器進(jìn)行樹高的測量，使用輪尺進(jìn)行胸徑的測量；使用樹冠投影測定方法進(jìn)行冠幅的測定，正午時樹冠投影近似為一個橢圓，橢圓的長軸即為冠幅，用皮尺測量即可得出冠幅大小.

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本信息

西山林場標(biāo)準(zhǔn)地為1～14號；湟水林場標(biāo)準(zhǔn)地為15～28號；青海淺山造林試驗站標(biāo)準(zhǔn)地為29～37號；北山林場標(biāo)準(zhǔn)地為38～48號；塔爾山林場標(biāo)準(zhǔn)地為49～54號；納家山林場標(biāo)準(zhǔn)地為55～60號.

Xishan forest farm No.1～14；Huangshui forest farm No.15～25；Qinghai Qianshan forst station No.29～37；Beishan forest farm No.38～48；Taershan forest farm No.49～54；Najiashan forest farm No.55～60.

4) 土壤指標(biāo)的調(diào)查 在標(biāo)準(zhǔn)地的中心部位挖制深度為20 cm的土壤剖面進(jìn)行調(diào)查，且用卷尺測出枯落物厚度、腐殖質(zhì)厚度.

5) 組織結(jié)構(gòu)的調(diào)查 使用測線法進(jìn)行郁閉度的測量.即標(biāo)準(zhǔn)地的兩條對角線上投影的長度與對角線的總長度的比值為郁閉度的大??；記錄每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)油松的數(shù)量，單位面積上油松的數(shù)量即為油松的林分密度；草本蓋度：草樣方內(nèi)草本植物垂直投影覆蓋面積與草樣方面積的比.在草樣方內(nèi)調(diào)查草本植物的垂直投影，即可求出每個草樣方的草本蓋度，標(biāo)準(zhǔn)地的草本蓋度即為4個草樣方的草本蓋度的平均值.

6) 抗逆性的調(diào)查 病蟲害危害程度調(diào)查：仔細(xì)檢查油松病蟲害情況，記錄株數(shù)，計算出病蟲害株數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)油松總株數(shù)的比值；森林火險等級的劃分：本試驗對調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行可燃物種類，易燃程度進(jìn)行實地勘察，在參考沈泉林[25]的劃分標(biāo)準(zhǔn)的同時，結(jié)合西寧南北山的實際情況，將火的干擾強度按從輕到重共分為 4個等級：無干擾、輕度干擾、中度干擾、重度干擾，并分別賦值為4、3、2、1.人為因子：人為因子主要是指人們的經(jīng)營活動如采摘、砍伐、放牧等行為對林木生長造成影響.在參考徐梅[26]研究結(jié)果的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合西寧市南北山實際情況，將人為因子等級進(jìn)行詳細(xì)描述并劃分，主要分為4個等級：有益干擾、輕度干擾、中度干擾、重度干擾，分別賦值為4、3、2、1.

表2 森林火險等級劃分表

表3 人為因子等級劃分表

1.2.3 分析方法 對西寧市油松人工林進(jìn)行健康評價分析，首先需要對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理.本試驗采用極差歸一法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后運用主成分分析法對指標(biāo)進(jìn)行篩選，再通過均方差分析確定指標(biāo)的權(quán)重，最后通過健康度指標(biāo)(HI)法，計算出各樣地的健康指數(shù)，用正態(tài)等距劃分法，進(jìn)行健康等級的劃分，得出各標(biāo)準(zhǔn)地的健康評價，最終得到西寧市油松人工林的健康評價.

極差歸一法：

式中，Hij′為標(biāo)準(zhǔn)化后值；Hij為實際測量值；Hijmin樣本觀測值中最小值；Hijmax為樣本觀測值中最大值.

均方差分析法：該方法反映隨機變量離散的程度大小，最關(guān)鍵的指標(biāo)就是隨機變量的均方差.

各指標(biāo)的平均值：

各指標(biāo)的均方差：

各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：

式中，Wi為各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，Si為各指標(biāo)均方差，i為某一評價指標(biāo).

健康度指標(biāo)(HI)：參考Costanza等提出的健康度指標(biāo)(HI)構(gòu)建評價模型：

式中，HI為生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)，WCi為各指標(biāo)權(quán)重，YCi為各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel軟件對調(diào)查得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和繪制圖表，通過 SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 森林健康評價指標(biāo)的篩選

本試驗選取了冠幅、郁閉度等11個指標(biāo)進(jìn)行健康評價，指標(biāo)與指標(biāo)之間信息上的重疊是難以避免的，而評價指標(biāo)的篩選可以減少試驗過程的復(fù)雜性以及指標(biāo)間信息的重疊性，因此選用主成分分析法對評價指標(biāo)進(jìn)行篩選.

2.1.1 KMO和Bartlett的檢驗 KMO和Bartlett的檢驗主要是為了檢驗多個指標(biāo)是否具有正態(tài)性以及是否可以做主成分分析.數(shù)理統(tǒng)計中，KMO>0.6且Bartlett的球形度檢驗的顯著性P<0.05，可證明數(shù)據(jù)之間具有關(guān)聯(lián)且具有正態(tài)性，檢驗結(jié)果見表4.

由表4可知，KMO為0.623>0.6，并且Bartlett的球形度檢驗的顯著性P=0.000<0.05，表示試驗選取的11個指標(biāo)具有正態(tài)性，且11個指標(biāo)之間存在很大的關(guān)聯(lián)，試驗數(shù)據(jù)可以用主成分分析法進(jìn)行分析.

2.1.2 主成分分析

2.1.2.1 解釋的總方差 解釋的總方差是SPSS軟件對原有的指標(biāo)進(jìn)行的一個公因子的提取，提取的公因子的累積方差為多少，即代表所提取的公因子代表了原來所有指標(biāo)信息量的多少，解釋的總方差結(jié)果見表5.

由表5可知，本試驗共提取了4個主成分，其中，第二列的值為各指標(biāo)因子的統(tǒng)計值，第三列的值為各指標(biāo)因子特征值與全體特征值總和之比的百分比，第四列為指標(biāo)因子累計百分比，也稱為指標(biāo)因子累計貢獻(xiàn)率.其中，成分1的特征值為4.016，成分2的特征值為2.759，成分3的特征值為1.171，成分4的特征值為1.027，成分5、6、7、8、9、10、11的特征值在1以下.成分1的貢獻(xiàn)率為36.510%，成分2的貢獻(xiàn)率為25.085%，成分3的貢獻(xiàn)率為10.647%，成分4的貢獻(xiàn)率為9.335%，前4個成分的貢獻(xiàn)率累積達(dá)到81.577%>80%，即前4個成分包含了預(yù)設(shè)指標(biāo)信息中的絕大多數(shù)信息，因此，取前4個成分作為西寧市油松人工林健康評價的主要成分.

表4 KMO和 Bartlett的檢驗

表5 解釋的總方差

2.1.2.2 成分矩陣 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣見表6，從表6中可以清楚的看出每個指標(biāo)因子到底歸屬于哪個因子(一般的可以將絕對值大于0.4的認(rèn)為是顯著的變量).

表6 旋轉(zhuǎn)成分矩陣

由表6可知，第一主成分包括枯落物厚度、腐殖質(zhì)厚度、林分密度、郁閉度、火險等級，第二主成分包括樹高年生長量、胸徑年生長量、病蟲害危害程度，第三主成分包括冠幅、草本蓋度，第四主成分是人為因子.

綜上可知，森林是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其健康不僅僅是單憑一兩個成分影響的，而是由多個因素互相聯(lián)系、互相影響、共同作用的結(jié)果，并且本次試驗所選取的指標(biāo)在信息上并沒有過大的重疊，故本次試驗未舍棄任何評價指標(biāo).

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

將無量綱化后的數(shù)據(jù)代入平均值公式、各指標(biāo)均方差公式、指標(biāo)權(quán)重公式中[15]，所得各指標(biāo)平均值、均方差、權(quán)重系數(shù)結(jié)果見表7.

表7 各指標(biāo)權(quán)重的確定

由表7可知，在11個評價指標(biāo)中，人為因子權(quán)重為0.139 1，相較其他指標(biāo)而言較大，樹高年生長量權(quán)重為0.067 3，相較其他指標(biāo)而言較小.

2.3 油松人工林健康指數(shù)的計算

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)地健康指數(shù)的計算 將各指標(biāo)權(quán)重值、無量綱化值代入HI公式中，所得各標(biāo)準(zhǔn)地健康指數(shù)見表8.

2.3.2 健康等級的劃分 運用正態(tài)等距分析法將上表60個健康指數(shù)劃分為健康、亞健康、中健康、不健康4個等級.健康等級取值見表9.

表8 各標(biāo)準(zhǔn)地健康指數(shù)

表9 健康等級取值范圍

2.4 西寧市油松人工林健康評價結(jié)果

2.4.1 各標(biāo)準(zhǔn)地的評價結(jié)果 根據(jù)表8和表9可以得到各標(biāo)準(zhǔn)地的健康評價等級，健康評價等級見表10.由表10可知，60塊標(biāo)準(zhǔn)地中，有11塊標(biāo)準(zhǔn)地為不健康，有19塊標(biāo)準(zhǔn)地為中健康，有21塊標(biāo)準(zhǔn)地為亞健康，有9塊標(biāo)準(zhǔn)地為健康，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)地處于亞健康與中健康的健康等級.

表10 各標(biāo)準(zhǔn)地健康評價等級

續(xù)表10 Continuedtable10標(biāo)準(zhǔn)地號Standardnumber健康指數(shù)Healthindex健康等級Healthlevel標(biāo)準(zhǔn)地號Standardnumber健康指數(shù)Healthindex健康等級Healthlevel40.42中健康Moderatehealth340.55亞健康Sub-health50.36中健康Moderatehealth350.62健康Health60.58健康Health360.57健康Health70.61健康Health370.37中健康Moderatehealth80.53亞健康Sub-health380.47亞健康Sub-health90.61健康Health390.39中健康Moderatehealth100.49亞健康Sub-health400.36中健康Moderatehealth110.51亞健康Sub-health410.42中健康Moderatehealth120.61健康Health420.48亞健康Sub-health130.47亞健康Sub-health430.30不健康Unhealth140.49亞健康Sub-health440.40中健康Moderatehealth150.50亞健康Sub-health450.40中健康Moderatehealth160.49亞健康Sub-health460.41中健康Moderatehealth170.52亞健康Sub-health470.33不健康Unhealth180.53亞健康Sub-health480.27不健康Unhealth190.55亞健康Sub-health490.36中健康Moderatehealth200.42中健康Moderatehealth500.25不健康Unhealth210.51亞健康Sub-health510.31不健康Unhealth220.50亞健康Sub-health520.34不健康Unhealth230.52亞健康Sub-health530.39中健康Moderatehealth240.52亞健康Sub-health540.34不健康Unhealth250.58健康Health550.29不健康Unhealth260.42中健康Moderatehealth560.40中健康Moderatehealth270.44中健康Moderatehealth570.39中健康Moderatehealth280.48亞健康580.42中健康Moderatehealth290.51亞健康Sub-health590.28不健康Unhealth300.56亞健康Sub-health600.31不健康Unhealth

2.4.2 林場標(biāo)準(zhǔn)地健康等級統(tǒng)計 根據(jù)表1、表9以及表10，統(tǒng)計各林場的標(biāo)準(zhǔn)地健康等級，結(jié)果見表11.由表11可知，西山林場共設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地14塊，其中，4塊標(biāo)準(zhǔn)地為健康，5塊標(biāo)準(zhǔn)地為亞健康，4塊標(biāo)準(zhǔn)地為中健康，1塊標(biāo)準(zhǔn)地為不健康.湟水林場共設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地14塊，其中1塊標(biāo)準(zhǔn)地為健康，10塊標(biāo)準(zhǔn)地為亞健康，3塊標(biāo)準(zhǔn)地為中健康.青海省淺山造林試驗站共設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地8塊，其中，4塊標(biāo)準(zhǔn)地為健康，4塊標(biāo)準(zhǔn)地為亞健康.北山林場共設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地11塊，其中2塊標(biāo)準(zhǔn)地為亞健康，7塊標(biāo)準(zhǔn)地為中健康，2塊標(biāo)準(zhǔn)地為不健康.塔爾山林場共設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地7塊，其中2塊標(biāo)準(zhǔn)地為中健康，5塊標(biāo)準(zhǔn)地為不健康.納家山林場共設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地6塊，其中3塊標(biāo)準(zhǔn)地為中健康，3塊標(biāo)準(zhǔn)地為不健康.

表11 各林場健康等級標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)

2.4.3 西寧市油松人工林健康評價 通過統(tǒng)計表10的各標(biāo)準(zhǔn)地健康等級，得到圖1的結(jié)果.

由圖1可知，健康人工林占15%，亞健康人工林占35%，中健康人工林占31.67%，不健康人工林占18.33%.按照隸屬度最大原則，西寧市南北山油松人工林的健康等級為亞健康.

圖1 西寧市油松人工林健康評價結(jié)果

3 討論

縱觀眾多試驗案例，評價體指標(biāo)體系有幾十種，評價指標(biāo)達(dá)到上百種，但沒有一個通用的評價體系.本文以前人[22-23]選取的評價指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合西寧市油松的生長現(xiàn)狀選取具有代表性的指標(biāo)僅有11個.因此，隨著西寧市南北山林木的生長發(fā)育以及植被的恢復(fù)，今后的研究應(yīng)該納入更多的評價指標(biāo)，進(jìn)行更全面、更準(zhǔn)確的評價.設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地時，在涵蓋各種立地因素以及研究對象的不同生長狀況的基礎(chǔ)上，盡量增加標(biāo)準(zhǔn)地的數(shù)量，以增強試驗的嚴(yán)謹(jǐn)性.

本文對人為干擾程度、火險系數(shù)等2個定性指標(biāo)進(jìn)行描述賦值，將指標(biāo)根據(jù)好壞分為若干個等級，在定量過程中，由于調(diào)查者經(jīng)驗不同，可能會存在一定的差異.而且對比郭艷榮[21]用植物組成、郁閉度、坡向、坡度、海拔、樹木平均枝下高等子指標(biāo)確定火險等級的方法，本文的火險系數(shù)的定量過程相對直接、簡單.

森林健康評價等級的劃分也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)是3～6個等級，本文將油松人工林的健康狀況劃分成4個等級，與沈泉林[25]和朱宇[27]的劃分標(biāo)準(zhǔn)一致.

本文的評價結(jié)果顯示，目前西寧市20～30 a齡油松人工林處于亞健康狀態(tài).從評價的過程分析得到這種結(jié)果的原因可能是：用極差歸一法對指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，使指標(biāo)的取值保持在0～1的范圍內(nèi)，有可能改變了指標(biāo)的重要度；在確定評價指標(biāo)的權(quán)重時僅使用了均方差法，該方法是通過數(shù)學(xué)計算過程得到權(quán)重，與劉金良[24]應(yīng)用方差法、Delphi-AHP法和層次分析3種方法確定指標(biāo)權(quán)重的方法相比較，結(jié)果過于客觀.從油松林分的實際情況分析，不健康的林分主要表現(xiàn)出密度過大、配置不合理、缺乏撫育措施等特征.根據(jù)評價結(jié)果，建議優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)，建立西寧市森林健康監(jiān)測與評價技術(shù)體系，建立西寧市油松人工林健康經(jīng)營技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推廣健康經(jīng)營模式，重視森林健康理念的宣傳，強化相關(guān)領(lǐng)域及部門的合作，全面提高森林健康等級，實現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展.

4 結(jié)論

1) 西寧市南北山20～30 a油松人工林各評價指標(biāo)的權(quán)重為：年高生長量為0.0673、年徑生長量為0.0713、冠幅為0.094、枯落物厚度為0.0847、腐殖質(zhì)厚度為0.072、病蟲害危害程度為0.0951、林分密度為0.0887、郁閉度為0.1011、草本蓋度為0.081、火險等級為0.1053、人為因子為0.1391.

2) 西寧市南北山20～30 a油松人工林健康評價等級分為4級，等級范圍為健康[0.565,0.67]、亞健康[0.460,0.564]、中健康[0.355,0.459]、不健康[0.25,0.354].

3) 西寧市南北山20～30 a油松人工林健康評價結(jié)果為：健康人工林占15%；亞健康人工林占35%;中健康人工林占31.67%；不健康人工林占18.33%.按照隸屬度最大原則，西寧市南北山油松人工林的健康等級為亞健康.