貴州寬闊水國家級自然保護區(qū)生態(tài)健康評價指標選取研究

楊昌乾，鐘燦輝，周長威▲，嚴令斌，喻理飛

(1貴州寬闊水國家級自然保護區(qū)管理局，貴州 遵義 563300；2貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025)

自然保護區(qū)主要包括自然遺跡、自然生態(tài)系統(tǒng)以及珍稀或瀕危野生動植物的天然集中分布地域，涵蓋陸域、水域及海域等，依照相關法律法規(guī)，劃出一定區(qū)域予以特殊保護和管理[1]。森林植被是我們?nèi)祟惒豢苫蛉钡闹匾h(huán)境資源之一，對我們?nèi)祟惖纳婧桶l(fā)展具有重要意義。森林植被生態(tài)系統(tǒng)也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最大、組成結構最復雜、生物資源最豐富、功能相對最完善的一種自然生態(tài)系統(tǒng)[2]。森林植被對保護物種多樣性和避免生態(tài)系統(tǒng)失衡方面也具有重大作用[3]。我國的森林植被資源還是相對緊張，森林植被覆蓋率和森林植被資源人均擁有量均低于世界平均水平[4]。但是，隨著經(jīng)濟的急速發(fā)展，人們的生活水平的提高，迫于各種壓力，森林植被遭到大量破壞，使森林資源變得更加的匱乏，生物多樣性和森林植被遭到極大的破壞。關于對森林植被健康評價的研究對改善生態(tài)環(huán)境、保護物種多樣性及林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等都具有重要意義。

李杰等[5]建立“金字塔”型森林植被生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，最底層為具體的調(diào)查指標，到頂層為目標指標。具體由“調(diào)查指標-閾值指標-評價指標-控制指標-目標指標”5個層次構成，相互關系為下一層指標為上一層指標服務，自下而上是森林植被健康評價的具體實施過程。其理論相對來說簡便清晰，可操作性也相對較好，具有一定的發(fā)展空間。任德智等[6]從森林資源系統(tǒng)的內(nèi)部組織結構和外部影響因子入手，研究了區(qū)域森林資源健康評價。評估了組織結構的完整狀況、穩(wěn)定性和其可持續(xù)能力、森林植被資源的質(zhì)量等方面，來評價森林植被的健康狀況。具體在調(diào)查指標上，森林組織結構選取了林層、齡級組成、樹種結構等24個指標來評價森林的組織結構。選取了豐富度、均勻度等10個指標來分析森林植被生態(tài)系統(tǒng)的活性；選取了森林立地氣候條件(包括坡度等16個指標)及災害(病蟲害、火災等5個指標)來評價森林植被的恢復力。

本研究以綏陽縣寬闊水自然保護區(qū)主要森林植被為對象，目的在于建立一套用于評價自然保護區(qū)主要森林植被健康狀況的指標體系；同時，用建立的評價指標體系對寬闊水自然保護區(qū)的主要森林植被進行評價研究。本研究與很多專家學者的森林健康評價研究有較大的區(qū)別。表現(xiàn)為評價對象的不同，他們是針對一個森林類型，本文針對的是一個保護區(qū)，以森林喬木為主的原始森林自然保護區(qū)，分核心、緩沖、實驗區(qū)3個功能區(qū)，其植被類型多樣、復雜。對于森林的健康評價研究五花八門[7-8]，有著很多不同的體系與方法。查閱相關文獻，在各專家學者的研究理論基礎上試著探索切合于寬闊水自然保護區(qū)主要森林植被健康評價的研究方法，因此，在一定程度上發(fā)展和豐富了森林植被健康評價的研究理論體系。同時，評價了寬闊水自然保護區(qū)的主要森林植被的健康狀況，更全面、深入的了解了寬闊水自然保護區(qū)的現(xiàn)狀，為進一步的規(guī)劃、發(fā)展和管理寬闊水自然保護區(qū)，充分實現(xiàn)其保護區(qū)的功能提供理論依據(jù)和技術支持，也為自然保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康評價研究提供一定程度上的借鑒依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

寬闊水自然保護區(qū)位于貴州省綏陽縣西北部，屬于大婁山山脈東部。海拔在650～1762 m之間，最高山峰在海拔1762 m的太陽山上。地理位置坐標為東經(jīng)107°02′22″～107°14′08″，北緯28°06′25″～28°19′25″。東西長是19 km，南北寬是25 km，保護區(qū)所轄涉及黃楊鎮(zhèn)、青岡塘鎮(zhèn)、茅婭鎮(zhèn)、寬闊鎮(zhèn)、旺草鎮(zhèn)和枧壩鎮(zhèn)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。保護區(qū)總的面積是26231 hm2，其中實驗區(qū)的面積是10960 hm2，緩沖區(qū)的面積是6186 hm2，核心區(qū)的面積是9085 hm2。保護區(qū)內(nèi)的地形切割相對來說比較強烈，落差也較大，多為喀斯特地貌，山地土壤主要由黃壤、黃棕壤組成，比較適合林木的生存發(fā)展。成土母巖主要由砂頁巖、綠色砂巖、泥巖及黃色砂巖構成。

保護區(qū)屬于中亞熱帶氣候區(qū)中，常年氣溫處于較低狀況，云霧相對來說也多，日照相對少，降雨量較大，具有較低緯度的山地季風濕潤氣候的相關特點。年平均氣溫在11.5～15.5 ℃之間，年平均相對濕度在80%以上。

寬闊水自然保護區(qū)具有很好的地理環(huán)境和復雜多樣的生境類型，具有我國原生性強、保護最完好、最具代表性集中連片的亮葉水青岡林1300公頃，以及數(shù)量繁多的國家一級保護動物黑葉猴和最具寬闊水特色的鳥類紅腹錦雞?，F(xiàn)已經(jīng)查明的動植物資源共有517科2425種。其中有國家級重點保護的野生動植物36種，國家一級保護野生動植物7種，二級野生動植物保護物種共29種。其重點保護的野生動植物主要包括紅豆杉(Taxus chinensis)、珙桐(Davidiainvolucrate)、南方紅豆杉(Taxus chinensis)、云豹(Neofelis nebulosi)、黑葉猴(Trachypithecus francoisi)、林麝(Moschus berezovskii)等[9]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

本研究的數(shù)據(jù)以2016年完成的寬闊水自然保護區(qū)森林資源二類清查數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源，以林相圖為底圖，利用地理信息系統(tǒng)的處理軟件(GIS)，構建小班水平上為基本單元的自然保護區(qū)森林植被資源數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫涵蓋近80個指標，記錄了8萬多條森林植被資源數(shù)據(jù)，包括地籍類信息、林地相關信息、森林植被相關信息、立地環(huán)境以及其他的一些相關信息。

在寬闊水自然保護區(qū)森林資源二類清查數(shù)據(jù)，分為2031個小班樣地，其中核心區(qū)小班數(shù)為636個，緩沖區(qū)461個，實驗區(qū)934個。保護區(qū)內(nèi)主要由≥25°坡耕地、人工造林未成林地、純林、竹林、灌木林、混交林、宜林荒山荒地等幾類地組成。

本研究還參考寬闊水自然保護區(qū)科學考察報告、總體規(guī)劃、植被圖、地形圖等相關文獻數(shù)據(jù)庫。

2.2 評價指標體系的構建

構建的主要森林植被健康評價指標體系為具體指標層、準則層和目標層的三層評價指標體系。目標層：表征自然保護區(qū)森林植被的總體狀態(tài)及其健康狀況。根據(jù)評價結果為保護區(qū)實踐提供指導依據(jù)。根據(jù)評價的基本原理，主要森林植被健康即為評價的總目標，其具體健康狀況由目標層的綜合評價得出。準則層：從某一方面反映保護區(qū)森林植被的行為和能力，包括森林植被的活力、組織結構和恢復力3個方面，各準則層上的健康指數(shù)利用權重，通過計算得出。指標層：指標層都由具體可描述性指標和其測量值組成。采用對比度高、有代表性、可直接測定的相關指標，直接表征準則層，是評價判斷森林植被健康狀況的資料數(shù)據(jù)直接來源，也是最根本、最主要的評價結構層次。

3 結果與分析

3.1 指標體系構建的原則

自然保護區(qū)主要森林植被健康評價指標體系的構建須符合以下幾個原則[10]：a.可以確切的反映主要森林植被的健康現(xiàn)狀；b.及時顯示出主要森林植被健康的變化趨勢；c.能夠為自然保護區(qū)的管理提供合理的策略；d.選取的評價指標具有一定的科學依據(jù)，能夠反映森林植被的健康狀況；e.選取的指標易于獲得、含義明確且計算簡便。

3.2 主觀判斷

通過咨詢保護區(qū)專家、生態(tài)專家、林學專家等進行初步判別，剔除地籍類信息(地籍號、流域代碼、地州代碼、縣市代碼、鄉(xiāng)鎮(zhèn)工區(qū)代碼、村林班代碼、內(nèi)業(yè)小班號、內(nèi)業(yè)細班號)，地籍類信息只是為了方便識別小班人為標明的小班序號；數(shù)據(jù)庫無有效信息類(可及度、林木蓄積、災害等級、成活保存率)，在數(shù)據(jù)庫中，可及度和林木蓄積的數(shù)據(jù)為0或者空白；已經(jīng)查閱《貴州省森林資源規(guī)劃設計調(diào)查技術操作細則(定稿)》其指標測量數(shù)據(jù)的具體含義發(fā)現(xiàn)與自然保護區(qū)森林植被健康明顯無關緊要的信息(主要有工程類別、用地性質(zhì)、公益林保護等級、林地所有權、區(qū)劃林種、林地使用權、石漠化成因、林木使用權、經(jīng)營措施、功能分區(qū))，由其他指標計算而來的信息(水土流失隱患等級、土壤侵蝕強度等級、生態(tài)功能等級)，重復類信息(森林景觀等級與自然度重復、石漠化程度等級，齡組與齡級、平均年齡，植被綜合蓋度與郁閉度)。初步保留14個評價指標。

用森林災害等級X1、地類X2、優(yōu)勢樹種組X3、郁閉度X4、齡級X5、平均胸徑X6、海拔X7、坡度X8、土壤名稱X9、土層厚度X10、天然更新等級X11、自然度X12、基巖裸露率X13、齡組X14等14項指標做客觀分析。

3.3 敏感性分析

變異系數(shù)是衡量所選指標敏感性的一種方法，是表示所選擇的指標中各個觀測數(shù)值變異程度的一個統(tǒng)計量，用CV表示，即利用各個指標數(shù)值的標準差與平均數(shù)的比值。變異系數(shù)法是選取介于最小值和最大值之間的指標來構成評價指標體系，因為指標的變異系數(shù)太小，在評價的時候區(qū)別力較差；CV太大，則意味著有極端值的存在。

對指標應用變異系數(shù)法進行計算，選擇變異系數(shù)在較大和較小之間的指標(0.05～0.55)確定為評價指標。

表1 敏感性分析篩選結果Tab.1 Screening results of sensitivity analysis

由表1的敏感性分析的結果可得：地類、優(yōu)勢樹種組、郁閉度坡度、坡度、土壤類型、土層厚度6個指標靈敏度較高，區(qū)別較大，適宜入選為評價指標。

3.4 相關性分析

相關系數(shù)可以衡量兩個變量之間線性相關性的密切程度，選取與其他項指標有相關的信息較少的和較多的指標用作評價指標，因為極顯著個數(shù)少能獨立的反映指標相關信息，極顯著個數(shù)多可以提供較多的代表性信息。

表2 指標相關系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients of indexes

以0.3為界值[33]，對每一指標與其余項指標的相關性進行比對，判斷以相關非常顯著個數(shù)多的(>9)和非常顯著個數(shù)少的(<4)的健康指標作為相關性評價指標[33]。

表3 相關系數(shù)法篩選結果Tab.3 Screening results of correlation coefficient method

3.5 主成分法

主成分分析是利用降維的思想，加上一定的數(shù)學運算來簡化生態(tài)指標復雜結構的方法，其能夠分析指標的重要性。

為了找出影響保護區(qū)森林植被健康的主要因子，對森林小班數(shù)據(jù)做主成分分析，對上述因子做主成分分析，表4是指原來各個變量指標相關系數(shù)的矩陣，很多指標的相關系數(shù)處于較高，各指標也呈現(xiàn)出較強的線性相關關系。因此，能夠根據(jù)其提取公共因子，可以利用其做因子分析。前3個主成分的累積貢獻率達到了66.2%，其表征的特征值也均>1(表4)，說明提取的主成分基本包括了森林健康指標的大部分信息。

表4 總方差解釋Tab.4 Total variance explanation

提取方法：主成分分析。

在進行主成分分析時，得出評價指標因子的載荷矩陣，其各評價指標因子的典型代表變量并不是很突出，無法對各個評價指標因子做出很明確的解釋。所以，對評價指標因子的載荷矩陣進行方差的最大正交旋轉(zhuǎn)，以使各評價指標因子的載荷系數(shù)取值顯示得更加極端，具體見表5。

表5 主成分分析旋轉(zhuǎn)后成分矩陣Tab.5 Rotated component matrix for principalcomponent analysis(PCA)

提取方法：主成分分析。

旋轉(zhuǎn)方法：Kaiser標準化最大方差法。a旋轉(zhuǎn)在7次迭代后已收斂。

從表5中，可以清楚的得出以下結論：

第1公因子中各個指標載荷值可得到，其正向指標較大的有：災害等級、地類、優(yōu)勢樹種組、郁閉度、齡級、平均胸徑、土壤類型、天然更新等級、自然度、齡組；

第2公因子中各個指標載荷值可得到，其正向指標顯示較大的有：坡度、土壤厚度、基巖裸露率；

第3公因子中各個指標載荷值得到，其正向指標顯示較大的有：海拔。

綜合以上分析，通過主成分分析法最終保留以下評價指標，如表6。

表6 主成分分析法篩選結果Tab.6 Screening results of principal componentanalysis(PCA)

3.6 綜合篩選

綜合以上3種分析結果，其中被選大于2次的指標通過篩選，綜合結果如表7。

表7 綜合篩選結果Tab.7 Comprehensive screening results

綜合以上指標篩選結果，本研究的森林植被健康評價指標體系由活力、組織結構、恢復力三方面組成，包括齡組、自然度、森林災害等級等10個指標(表8)。

表8 森林健康評價指標體系Tab.8 Index system for health evaluation of forest vegetation

3.7 指標權重的確定

利用上述建立的指標體系，應用層次分析法(APH)來確定評價指標的權重。層次分析法[46-48]是將定量與定性相互結合的一種決策分析方法。利用此權重確定法，我們可以將相對復雜的問題分解為若干個因素和若干個層次，在各個不同層次、各個不同因素之間來作相對簡單的對比和計算，就可以得到不同評價指標的權重，為最佳評價指標方案的確定提供理論依據(jù)。具體如表9。

表9 層次分析法指標權重Tab.9 Index weight by AHP

本研究是根據(jù)寬闊水自然保護區(qū)的實際情況采用Delphi-AHP 法來確定各健康評價指標的具體權重。首先請保護區(qū)專家、林業(yè)專家等，依據(jù)郭鵬等[10-11]改進的九級記分法判斷相對重要性，得到各指標權重的判斷矩陣；再應用層次分析法來計算各個健康評價指標的具體權重；最后，作一致性檢驗：當判斷矩陣的IC<0.1和CR<0.1，即表示其已經(jīng)通過一致性檢驗，否則必須調(diào)整判斷矩陣。

由表9計算結果可知，在寬闊水自然保護區(qū)主要森林植被健康評價中，齡組的比重最大，對評價的結果影響最大，也反映出齡組對森林植被健康評價具有重要意義，不可或缺；海撥、土層厚度2項指標，對本研究的森林植被健康評價的貢獻次之，但在健康評價中也有很大的影響力。

基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，通過對各類指標進行敏感性、相關性、顯著性分析，綜合篩選出優(yōu)勢種、地類、自然度、郁閉度、齡組、森林災害等級、海撥、土層厚度、坡度、土壤類型共10個指標，據(jù)此建立了寬闊水自然保護區(qū)森林植被健康評價指標體系。