海南熱帶雨林國家公園森林健康評價(jià)及經(jīng)營優(yōu)化研究

張超

國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃院，湖南長沙 410014

熱帶雨林是地球上生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)[1]，為人類社會提供不可替代的生態(tài)功能服務(wù)，具有全球性保護(hù)價(jià)值和意義[2]。海南熱帶雨林位于熱帶北緣，系“大陸性島嶼型”熱帶雨林，是世界熱帶雨林的重要組成部分，是中國分布最集中、保存最完好、連片面積最大的熱帶雨林，是中國熱帶雨林的典型代表[3-4]。

森林健康是指森林作為一個綜合結(jié)構(gòu)體，在確保自身發(fā)展良好的前提下，森林所發(fā)揮出的生態(tài)服務(wù)功能[5]，森林健康評價(jià)是現(xiàn)階段制定森林經(jīng)營方案的重要參考依據(jù)[6]，健康的森林能夠持續(xù)發(fā)揮出森林的生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)當(dāng)?shù)囟喾矫娴姆€(wěn)定發(fā)展[7-8]。森林經(jīng)營是以森林和林地為對象，以提高森林質(zhì)量，建立健康穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)高效的森林生態(tài)系統(tǒng)為目標(biāo)[9-10]，而開展的一系列貫穿于整個森林生長周期的保護(hù)和培育森林的活動[11]。通過森林經(jīng)營可以進(jìn)一步修復(fù)和增強(qiáng)森林的供給、調(diào)節(jié)、服務(wù)、支持等多種功能[12]。

SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的其中一種，是由一個全連接神經(jīng)元陣列組成的自組織、自學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)體系[13]。該網(wǎng)絡(luò)模型現(xiàn)主要應(yīng)用于土地評價(jià)、水質(zhì)評價(jià)、可視化、文本分類等領(lǐng)域[14]，雖然在森林健康評價(jià)領(lǐng)域中應(yīng)用相對較少，但在也逐步有學(xué)者將此法應(yīng)用于，林業(yè)領(lǐng)域[15]。楚春暉[16]等通過SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究得出此評價(jià)方法在其他森林健康評價(jià)方法中的最優(yōu)性。該研究采用SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對熱帶雨林國家公園的森林健康狀況進(jìn)行評價(jià)，并結(jié)合實(shí)際情況對森林提出優(yōu)化建議，以期為熱帶雨林國家公園森林的可持續(xù)健康經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

海南熱帶雨林國家公園的規(guī)劃范圍涉及五指山、瓊中、白沙、東方、陵水、昌江、樂東、保亭、萬寧9個市縣，總面積4403km2，占海南島總面積的1/7，地處18°33′16″N ～19°14′16″N、108°44′32″E～110°04′43″E 之間，東起萬寧市南橋鎮(zhèn)，西至東方市板橋鎮(zhèn)，南至保亭黎族苗族自治縣毛感鄉(xiāng)，北至白沙黎族自治縣青松鄉(xiāng)。國家公園位于海南島中南部山脈的穹窿構(gòu)造山區(qū)，最高點(diǎn)為五指山，海拔1867m，是海南島的最高峰；氣候類型為熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫22.5℃～26.0℃之間，熱量條件優(yōu)越，年降雨量大，雨水充沛，多年平均降雨量為1759mm。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查、標(biāo)本考證及現(xiàn)有的研究資料，國家公園內(nèi)初步統(tǒng)計(jì)有野生維管植物3577 種，隸屬220 科1142 屬，包括蕨類植物43 科125 屬482 種、裸子植物6 科10 屬24 種、被子植物171 科1007 屬3071 種，其中雙子葉植物有142 科753 屬2384 種、單子葉植物有29 科254 屬687 種；脊椎動物資源涉及5 綱38 目145 科414 屬627 種。

2 研究方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)初步篩選

該研究根據(jù)眾多影響森林健康度的因子中選取植被類型、平均胸徑、每公頃活立木蓄積、起源、土壤類型、齡組、枯落物厚度、郁閉度、土層厚度、自然度和林業(yè)有害生物受災(zāi)等級11 個因子作為評價(jià)指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

該研究采用海南省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為本底數(shù)據(jù)，通過野外調(diào)查的方式對植被類型、枯落物厚度、每公頃活立木蓄積等相關(guān)因子進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。上述11 個評價(jià)因子中，枯落物厚度、郁閉度、平均胸徑、土層厚度、每公頃活立木蓄積為定量指標(biāo)，自然度、起源、土壤類型、齡組、植被類型和林業(yè)有害生物受災(zāi)等級定性指標(biāo)，需要對其量化以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，量化標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 定性指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The quantitative standards of some qualitative indexes

2.3 森林健康度評價(jià)模型構(gòu)建

SOM 是一種高維可視化和聚類的無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。該研究選擇運(yùn)用Matlab 軟件建立SOM 網(wǎng)絡(luò)模型，建模過程如下：（1）將通過主成分分析篩選后的森林健康評價(jià)指標(biāo)作為SOM 網(wǎng)絡(luò)的輸入；（2）利用SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；（3）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，將各小班的評價(jià)指標(biāo)再次輸入SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)將之聚類；（4）最后通過仿真輸出評價(jià)結(jié)果。

該研究在SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中將熱帶雨林國家公園的森林健康程度劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 個等級，各等級的含義如表2 所示。

表2 評價(jià)等級分類Tab.2 Evaluation grade classification table

3 結(jié)果與分析

3.1 評價(jià)因子篩選及評價(jià)體系構(gòu)建

通過SPSS 軟件對初選因子進(jìn)行處理后，該研究按照方差累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%為原則，篩選出了與海南熱帶雨林國家公園森林健康度相關(guān)性較大的指標(biāo)，主成分分析得出的結(jié)果如下：

從表3 可知，前6 個主成分的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.726%（大于85%），故提取前6 個主成分作為森林健康評價(jià)指標(biāo)，分別是平均胸徑、每公頃活立木蓄積、齡級、郁閉度、植被類型、林業(yè)有害生物受災(zāi)等級。根據(jù)測定指標(biāo)的性質(zhì)，結(jié)合主成分對測定指標(biāo)進(jìn)行歸類，該研究最終確定森林小班健康評價(jià)的指標(biāo)體系如表4 所示。

表3 主成分的統(tǒng)計(jì)信息Tab.3 Statistics information of principal component

表4 森林健康評價(jià)因子Tab.4 Tree forest land health evaluation factor table

3.2 森林健康分布狀況

利用森林健康評價(jià)體系，對海南熱帶雨林國家公園的森林小班進(jìn)行健康狀況評價(jià)（表5），健康等級空間分布如圖1 所示。

表5 海南熱帶雨林國家公園森林小班健康狀況Tab.5 Health status of forest subcompartment in Hainan Tropical Rainforest National Park

從表5 和圖1 可知，熱帶雨林國家公園的森林小班數(shù)為51750 個，總面積高達(dá)420144.48hm2，森林健康狀況水平較高。其中，不健康的森林小班數(shù)為2152 個，面積為4336.53hm2，分別占森林總小班數(shù)和森林總面積的4.16%和1.03%，是小班數(shù)和占地面積最少的健康等級，主要零散分布在國家公園北部的鸚哥嶺片區(qū)。亞健康的森林小班數(shù)為5333 個，面積為36861.31hm2，分別占森林總小班數(shù)和森林總面積的10.31%和8.77%，主要分布在國家公園東部的吊羅山和黎母山片區(qū)。較健康的森林小班數(shù)為17311 個，面積為116581.61hm2，分別占森林總小班數(shù)和森林總面積的33.45%和27.75%，國家公園各區(qū)域均有分布，主要集中在中部霸王嶺和鸚哥嶺區(qū)域。健康的森林小班數(shù)為 11881 個， 面積為91135.03hm2，分別占森林總小班數(shù)和森林總面積的22.96%和22.67%，主要集中分布在尖峰嶺、黎母山、毛瑞等片區(qū)。優(yōu)質(zhì)健康的森林小班數(shù)為15073 個，面積為171230.00hm2，分別占森林總小班數(shù)和森林總面積的29.13%和40.76%，是占地面積最大的健康等級，在五指山、尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺和黎母山片區(qū)，從地形特征分析，主要是這些片區(qū)的海拔相對較高，人類活動干擾相對較小。

綜合霸王嶺、吊羅山、尖峰嶺、黎母山、毛瑞、五指山、鸚哥嶺7 個片區(qū)的森林健康度可知（如圖2 所示），霸王嶺、尖峰嶺、黎母山的片區(qū)森林健康度為優(yōu)質(zhì)健康等級，鸚哥嶺和五指山的片區(qū)森林健康度為健康等級，毛瑞和吊羅山的片區(qū)森林健康度為較健康等級。究其原因是霸王嶺、尖峰嶺和黎母山片區(qū)的植被類型以低地雨林和山地雨林為主，人工商品林相對其他片區(qū)較少，林分結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，林業(yè)有害生物受災(zāi)程度較低，人為干預(yù)較少。

3.3 森林經(jīng)營作業(yè)優(yōu)化

根據(jù)《全國森林經(jīng)營規(guī)劃（2016-2050 年）》《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃（2021-2035 年）》《海南省森林經(jīng)營規(guī)劃（2018-2050年）》明確的國家公園建設(shè)的相關(guān)內(nèi)容以及《全國主體功能規(guī)劃》確定的“海南島中部山區(qū)熱帶雨林重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)”建設(shè)的相關(guān)要求，結(jié)合海南熱帶雨林國家公園保護(hù)管理與社區(qū)發(fā)展對森林的生態(tài)保護(hù)調(diào)節(jié)、生態(tài)系統(tǒng)支持、林產(chǎn)品供給和生態(tài)文化服務(wù)等功能的需求，根據(jù)森林經(jīng)理學(xué)和生態(tài)學(xué)專家的意見，在植被類型的基礎(chǔ)上綜合考慮森林起源、森林健康度、經(jīng)營目標(biāo)、經(jīng)營現(xiàn)狀等因素，將國家公園內(nèi)的森林劃分為5 個經(jīng)營類型。經(jīng)營類型區(qū)劃如圖3 所示，共分為嚴(yán)格保護(hù)經(jīng)營類型區(qū)、保育修復(fù)經(jīng)營類型區(qū)、人工促進(jìn)修復(fù)經(jīng)營類型區(qū)、限制性經(jīng)營類型區(qū)、科普游憩經(jīng)營類型區(qū)（景觀改造經(jīng)營），各森林經(jīng)營類型的經(jīng)營作業(yè)法如下表（表6）所示。

從表6 可知，海南熱帶雨林國家公園的森林經(jīng)營作業(yè)法以保護(hù)經(jīng)營作業(yè)法和保育修復(fù)作業(yè)法為主。各經(jīng)營作業(yè)法的面積為：保育修復(fù)作業(yè)法＞保護(hù)經(jīng)營作業(yè)法＞限制性經(jīng)營作業(yè)法＞人工促進(jìn)修復(fù)作業(yè)法＞景觀改造作業(yè)法，其中，限制性經(jīng)營作業(yè)法、人工促進(jìn)修復(fù)作業(yè)法、景觀改造作業(yè)法的人為干涉相對較大，保護(hù)經(jīng)營作業(yè)法和保育修復(fù)作業(yè)法（有少量人為干擾）則更傾向于近自然經(jīng)營。

表6 海南熱帶雨林國家公園森林經(jīng)營作業(yè)法Tab.6 Forest management practices in Hainan Tropical Rainforest National Park

4 結(jié)論與討論

該研究采用主成分分析法，篩選了海南熱帶雨林國家公園內(nèi)森林的郁閉度、植被類型、平均胸徑等11 個評價(jià)指標(biāo)中6 個最具影響力的因子構(gòu)建SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過模型計(jì)算了熱帶雨林國家公園的森林健康度，并將其劃分為5 個等級：Ⅰ級（不健康）、Ⅱ級（亞健康）、Ⅲ級（較健康）、Ⅳ級（健康）和Ⅴ級（優(yōu)質(zhì)健康），用于評價(jià)海南熱帶雨林國家公園的森林健康程度。研究結(jié)果表明：

海南熱帶雨林國家公園的森林健康等級面積排序如下：優(yōu)質(zhì)健康（171230.00hm2，40.76%）＞較健康（116581.61hm2，27.75%）＞健康（91135.03hm2，21.69%）＞亞健康（36861.31hm2，7.44%）＞不健康（4336.53hm2，1.03%），處于Ⅳ級（健康）以上（包括健康、優(yōu)質(zhì)健康）的森林占森林總面積的62.45%，森林健康狀況理想。

從空間分布分析，海南熱帶雨林國家公園的森林健康度呈現(xiàn)西高東低的趨勢，而且海拔相對較高的區(qū)域，森林健康度較高，其中，優(yōu)質(zhì)健康的森林主要分布在五指山、尖峰嶺、霸王嶺、鸚哥嶺和黎母山片區(qū)。在霸王嶺、鸚哥嶺等7 個片區(qū)中，霸王嶺、尖峰嶺、黎母山的片區(qū)森林健康度為優(yōu)質(zhì)健康等級，鸚哥嶺和五指山的片區(qū)森林健康度為健康等級，毛瑞和吊羅山的片區(qū)森林健康度為較健康等級。究其原因是霸王嶺、尖峰嶺和黎母山片區(qū)的植被類型以低地雨林和山地雨林為主，均為天然林，人工商品林相對其他片區(qū)較少，林分結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，林業(yè)有害生物受災(zāi)程度較低。從地形特征分析，這些片區(qū)的海拔相對較高，人類活動干擾相對較小，由此可見人類的經(jīng)營活動是對森林健康度造成影響的重要因素。

根據(jù)森林經(jīng)理學(xué)和生態(tài)學(xué)專家的意見，將國家公園內(nèi)的森林劃分為5 個經(jīng)營類型：嚴(yán)格保護(hù)經(jīng)營類型區(qū)、保育修復(fù)經(jīng)營類型區(qū)、人工促進(jìn)修復(fù)經(jīng)營類型區(qū)、限制性經(jīng)營類型區(qū)、科普游憩經(jīng)營類型區(qū)（景觀改造經(jīng)營）。在經(jīng)營作業(yè)方法上對不同的經(jīng)營類型區(qū)分區(qū)施策，各經(jīng)營作業(yè)法的面積為：保育修復(fù)作業(yè)法＞保護(hù)經(jīng)營作業(yè)法＞限制性經(jīng)營作業(yè)法＞人工促進(jìn)修復(fù)作業(yè)法＞景觀改造作業(yè)法，其中經(jīng)營作業(yè)法面積最大的為保育修復(fù)作業(yè)法，其目的是為了進(jìn)一步修復(fù)退化林和受災(zāi)林，使其森林健康程度提升，從而增強(qiáng)海南熱帶雨林國家公園森林的生態(tài)服務(wù)功能。

雖然文章基于植被類型以及其他因素對國家公園內(nèi)的森林進(jìn)行了經(jīng)營類型區(qū)劃，但是區(qū)劃方法所考慮的因素相對較少，如何采取更加科學(xué)客觀的方法劃分經(jīng)營類型，精準(zhǔn)提升森林的健康度，將是該研究下一步的重點(diǎn)研究方向。