西寧市青海云杉人工林健康評價研究

雷占梅,才仁旦周,高云鶴*,萬發(fā)棟

(1.大通回族土族自治縣植物園，青海 大通 810100;2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

青海云杉(PiceacrassifoliaKom.) 是松科(Pinaceae)云杉屬(Picea)針葉常綠喬木，是中國特有樹種，并且在甘肅北部山區(qū)、祁連山區(qū)和青海東部得到推廣應(yīng)用。2015年7月24日，經(jīng)青海省十二屆人大常委會審議通過，決定將青海云杉確定為青海省省樹。青海云杉在青海省分布廣泛，面積為9.33×104hm2，占全省針葉林面積的44%，蓄積量為1.2×107m3。

森林健康是林業(yè)中的一新的術(shù)語[1-5]，這一概念的提出源于針對人工林森林大面積衰退、病蟲害、火災(zāi)的防治與管理中[6]。國外各國展開了廣泛研究，其評價指標(biāo)體系的構(gòu)建多以長期監(jiān)測為平臺，評價的指標(biāo)涉系統(tǒng)組成、活力和服務(wù)等眾多因子[2-10]。我國對于森林健康的認(rèn)識起步較晚。21世紀(jì)前僅僅有相關(guān)報道及相關(guān)概念的引入[11-15]。21世紀(jì)初才開始森林健康評價[16]，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[17-18]。

西寧市屬大陸性高原半干旱氣候，生態(tài)環(huán)境比較惡劣，不利于樹木生長。目前西寧市人工林過純過密、林分結(jié)構(gòu)不合理、穩(wěn)定性不高等問題較為突出。但是，西寧以及青海其他地區(qū)關(guān)于青海云杉的研究多為人工林地位級劃分、昆蟲物候預(yù)測、青海云杉林火險等級相關(guān)分析、青海云杉特性及育苗技術(shù)等，青海云杉人工林健康評價的相關(guān)研究卻相對較少。

本文以西寧市南北山20-30 a生青海云杉人工林為研究對象，對青海云杉進行實地調(diào)查，通過森林健康生態(tài)模型對所得數(shù)據(jù)進行分析，從而對西寧市青海云杉進行健康評價研究，通過評價結(jié)果反映人工林的健康狀況，本論文的研究具有良好的科學(xué)性、適用性和可操作性，同時，可以為西寧市林場人工林的管理提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

西寧市地處青藏高原東北部，在湟水及三條支流的交匯處。西寧市屬于高原大陸性氣候，主要的氣候特點表現(xiàn)在年平均氣溫為3.0-6.0℃，年平均降水量在330-450mm之間，85%的降水量集中在5-9月，且雨熱同季，氣象災(zāi)害多，危害較大；年日照時數(shù)為2560-2830h，年平均風(fēng)速約為2.0m/s，常年盛行東南風(fēng)；并且年蒸發(fā)量為1762.8mm，年相對濕度為56%，年平均氣壓為775mbar；無霜期約為120d，植物生長期150-160d；土壤類型為粟鈣土、土壤理化性質(zhì)呈弱堿性反應(yīng)。

1.2 試驗儀器

羅盤儀、皮尺、卷尺、勃魯萊測高器、輪尺、測繩、便攜式GPS經(jīng)緯度定位儀、環(huán)刀、土鏟、鋁盒、烘箱。

1.3 試驗設(shè)計

參照國內(nèi)外森林健康評價的理論，結(jié)合西寧市的實際情況，選定樹高年生長量、胸徑年生長量、草本蓋度、郁閉度、林分密度、土壤容重、土壤有機質(zhì)、病蟲危害程度、火險系數(shù)、人為干擾程度等10個評價指標(biāo)；根據(jù)不同立地條件、不同的撫育措施及生長狀況等設(shè)置面積為20m×20m樣地54個；對樣地林木每木檢尺測量樹高、胸徑的年生長量，并在同一時期對其他指標(biāo)進行調(diào)查；將指標(biāo)進行賦值和無量綱化處理[19]后，并用變異系數(shù)法[5]確定其權(quán)重，最后通過Costanza等[20]提出的健康度指標(biāo)(HI)構(gòu)建評價模型計算健康指數(shù)，并用正態(tài)等距法確定健康等級標(biāo)準(zhǔn)，分析得出西寧市南北山青海云杉人工林健康水平。

1.4 調(diào)查方法

1.4.1 樣地設(shè)置

結(jié)合西寧市南北山已有的植被調(diào)查資料，在野外踏查的基礎(chǔ)上，于2017年12月進行樣地的設(shè)置，根據(jù)不同的立地因子(海拔、坡度、坡向、坡位)、不同的撫育措施等條件選取具有代表性的20-30a生青海云杉人工林調(diào)查樣地(標(biāo)準(zhǔn)地)共計54塊，使用相關(guān)儀器設(shè)置出面積為20m×20m的樣地。

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

選定標(biāo)準(zhǔn)地后，于2018年10月10日-10月22日利用GPS等儀器輔助測定并記錄標(biāo)準(zhǔn)地所處的地理位置、草本蓋度、郁閉度、林分密度、病蟲危害程度、火險系數(shù)、人為干擾情況等指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)地基本情況如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況Table.1 Basic situation of sample land

續(xù)表

1.4.3 指標(biāo)調(diào)查

(1)生長指標(biāo)

于2018年3月10日-17日、10月10日-20日使用勃魯萊測高器進行樹高的測量，使用輪尺進行胸徑的測量。

(2)組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)

①草本蓋度：每塊標(biāo)準(zhǔn)地中按對角線設(shè)置5個1m×1m的草本樣方，設(shè)置方式見圖1。測定單位面積上草本的枝葉垂直覆蓋到地面的百分比。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置Fig.1 Shows the setup

②郁閉度：使用測線法進行郁閉度的測量。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的兩條對角線上測量投影長度與對角線總長度的比值即為郁閉度。

③林分密度：記錄下每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)青海云杉的數(shù)量，單位面積上青海云杉的數(shù)量即為所需調(diào)查的林分密度。

(3)土壤指標(biāo)

于2018年10月23日每塊標(biāo)準(zhǔn)地按標(biāo)準(zhǔn)地對角線取土樣5份，2018年10月24日-10月31日在農(nóng)林系土壤實驗室用環(huán)刀法測定土壤容重、重鉻酸鉀法測定土壤有機質(zhì)。

(4)抵抗力指標(biāo)

①病蟲危害程度：通過對標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)林木病蟲害發(fā)生情況進行調(diào)查分析，參考梁軍[22]研究森林有害生物生態(tài)控制時所用的方法將林木受害狀況分為 4 級，無傷害、輕微傷害、中等傷害、嚴(yán)重傷害，并分別賦值為 4、3、2、1，如表2所示。

表2 病蟲害干擾劃分標(biāo)準(zhǔn)Table.2 Classification criteria of pests and diseases interference

②火險系數(shù)：火險系數(shù)大小與火的干擾強度相關(guān)聯(lián)，本研究對調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地進行可燃物種類，易燃程度進行實地勘察，參考沈泉林[23]的劃分方式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、中等干擾、嚴(yán)重干擾，并分賦別值為4、3、2、1。火干擾等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 火干擾等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table.3 Classification standard of fire interference level

③人為干擾程度：參考并改進徐梅[23]的方法，將干擾程度主要分為四個等級：無干擾、輕度干擾、中等干擾和嚴(yán)重干擾 4 個等級，分別賦值為4、3、2、1。人為干擾程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 人為干擾程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table.4 Classification criteria of degree of human disturbance

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 統(tǒng)計軟件對調(diào)查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪制圖表，通過 SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

對所列指標(biāo)實測數(shù)據(jù)歸一化的基礎(chǔ)上，運用變異系數(shù)法對西寧市南北山青海云杉人工林評價指標(biāo)進行權(quán)重的確定，各指標(biāo)的權(quán)重如表5所示。

表5 指標(biāo)的權(quán)重Table.5 weight of indicators

由表5可以得到，權(quán)重值最大的指標(biāo)是郁閉度，為1.1218，其次是病蟲危害程度，權(quán)重最小的指標(biāo)是土壤容重，為0.0755，其次是林分密度。

2.2 健康指數(shù)的計算

將各指標(biāo)的無量綱化值和權(quán)重代入健康度指標(biāo)(HI)構(gòu)建評價模型，即可得出健康評價綜合指數(shù)值。各標(biāo)準(zhǔn)地的評價指數(shù)見表6。

表6 標(biāo)準(zhǔn)地的健康指數(shù)Table.6 health index of the sample land

由表6可知，健康指數(shù)最大的是14號標(biāo)準(zhǔn)地，健康指數(shù)約為0.68，其次是13號標(biāo)準(zhǔn)地；健康指數(shù)最小的是23號標(biāo)準(zhǔn)地，健康指數(shù)約為0.22，其次是23號標(biāo)準(zhǔn)地。

2.3 健康等級標(biāo)準(zhǔn)的確定

用K-S法對健康評價綜合指數(shù)值進行正態(tài)性檢驗，發(fā)現(xiàn)總體呈正態(tài)分布(表7)，因此，采用等距分組法來劃分健康等級標(biāo)準(zhǔn)，見表8。

表7 樣本的K-S檢驗Table.7 7K-S test of samples

表8 健康等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table.8 Health classification criteria

表8中的不健康表示林分處于疾病狀態(tài)，存在很多影響林木生長的障礙因子，即使進行撫育也很難恢復(fù)到健康狀態(tài)；中健康表示林分處于不健康狀態(tài)，存在較多影響林木生長的障礙因子，若進行合適的撫育管理，可能有部分林木會恢復(fù)至健康狀態(tài)；亞健康表示林分處于亞健康狀態(tài)，說明存在影響林木生長的障礙因子，應(yīng)通過及時撫育解除這些因子；健康表示林分處于健康狀態(tài)，具有良好的持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.4 西寧市南北山青海云杉人工林健康評價結(jié)果分析

根據(jù)表6各標(biāo)準(zhǔn)地的健康指數(shù)和表8健康等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定各標(biāo)準(zhǔn)地的健康等級，結(jié)果見表9。

表9 標(biāo)準(zhǔn)地的健康等級Table.9 Health status of the sample plots

由表9可以看出，54個標(biāo)準(zhǔn)地中，健康標(biāo)準(zhǔn)地有9個，亞健康標(biāo)準(zhǔn)地有23個，中健康標(biāo)準(zhǔn)地有15個，不健康標(biāo)準(zhǔn)地有7個。通過對表10標(biāo)準(zhǔn)地的健康等級進行統(tǒng)計分析，得到西寧市南北山青海云杉人工林健康評價結(jié)果，見圖2。

圖2 西寧市南北山青海云杉人工林健康評價結(jié)果Fig.2 Results of health evaluation of spruce plantationsin qinghai，north and south mountains of xining city

由圖2可知，西寧市南北山青海云杉人工林中有17%處于健康狀態(tài)、42%處于亞健康狀態(tài)、28%處于中健康狀態(tài)、13%處于不健康狀態(tài)，所以，健康等級比重從大到小依次為亞健康>中健康>健康>不健康，根據(jù)隸屬度最大原則，說明目前西寧市南北山青海云杉人工林是亞健康水平。

3 討論

西寧市人工林生態(tài)系統(tǒng)健康的理論與方法的研究仍處于探索階段，影響森林健康的因素眾多，選擇越多的指標(biāo)對評價結(jié)果越精確，在條件允許的情況下，可以盡量選取更多的指標(biāo)，但研究受到時間、資料及研究手段等因素的限制，雖有一些方法的改進，但仍存在一些問題，有待于進一步研究與完善。

選擇有代表性的標(biāo)準(zhǔn)地是評價的基礎(chǔ)，一個區(qū)域的森林健康評價如何選取更準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)地，標(biāo)準(zhǔn)地的數(shù)量比例合適范圍，還有待進一步探究，且本研究為了爭取以最便捷的方法得到較準(zhǔn)確的評價結(jié)果，所以將火險系數(shù)、病蟲害強度、人為干擾強度等指標(biāo)采用定性評分中的等級評分法進行數(shù)量化，將指標(biāo)根據(jù)好壞分為若干個等級，因此在定量過程中，由于調(diào)查者經(jīng)驗不同，會存在一定的差異。

本文的評價結(jié)果只是一個時間點的健康狀態(tài)，只有通過一定時間的評價監(jiān)測，整理出一套適應(yīng)青海云杉人工林各種健康狀況的經(jīng)營方案，才能實現(xiàn)森林的健康經(jīng)營，為森林的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。國內(nèi)外現(xiàn)有的文獻案例中使用的評價方法千差萬別，方法的不同導(dǎo)致評價結(jié)果的準(zhǔn)確性也不盡相同，即使對同一目標(biāo)，不同的評價方法，最終的評價結(jié)果也不同，甚至出現(xiàn)完全相反的結(jié)論，評價方法的準(zhǔn)確性問題成為健康評價工作中不得不重視的問題。但目前國內(nèi)外對健康評價方法的優(yōu)缺點和適用范圍研究較少，基礎(chǔ)理論工作的研究有待進一步深入。