河北省木蘭圍場國有林場森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價

李大勇

(河北省木蘭圍場國有林場，河北 承德 067000)

1 引言

據(jù)第九次全國森林資源清查(2014～2018年)相關(guān)數(shù)據(jù)，我國森林面積達(dá)2.20億hm2，森林植被總碳儲量91.86億t，目前無論是森林面積，還是森林蓄積量，均實現(xiàn)大幅增長[1]。但是，森林植被總碳儲量中80%以上的貢獻(xiàn)來自天然林，雖然我國人造林面積達(dá)到世界之最，但是其在全國森林蓄積量中的占比不足20%，并且森林系統(tǒng)由于受到多種因素的影響，其生態(tài)健康受到嚴(yán)重威脅[2]。為此，各地森林資源開發(fā)與保護(hù)工作不僅要追求森林面積的增加，也更加關(guān)注森林功能質(zhì)量的提升，因此受到越來越多的關(guān)注，相關(guān)研究內(nèi)容也得以拓展。例如，羅佳等[3]對以長株潭城市群為生態(tài)綠心地區(qū)研究重點，對森林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能進(jìn)行評價。高帆等[4]通過大量走訪調(diào)查和研究，對1977～2018年貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評價，認(rèn)為貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在物質(zhì)量上呈增長趨勢，且涵養(yǎng)水源、固碳釋養(yǎng)以及對于生物多樣性的保護(hù)，在森林生態(tài)系統(tǒng)價值提升中發(fā)揮顯著優(yōu)勢。宋文璐等[5]基于CmKI對目前現(xiàn)有森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀與熱點進(jìn)行綜述，并對森林生態(tài)健康狀況進(jìn)行了比較全面的評價，為森林方面研究提供一定依據(jù)。秦會艷等[6]對我國省域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行探究，評價森林系統(tǒng)恢復(fù)力，得出我國大部分地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力均處于中高水平，為森林資源管理提供科學(xué)根據(jù)。除了上述研究外，也有學(xué)者開始關(guān)注我國與其他國家森林生態(tài)系統(tǒng)健康的評價，例如馬致遠(yuǎn)等[7]基于文獻(xiàn)計量研究方法，對中國-中東歐國家森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，為研究我國森林生態(tài)系統(tǒng)的未來發(fā)展指明了方向。從上述國內(nèi)相關(guān)研究可以看出，森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的研究成果多在近幾年集中發(fā)表，并且研究方向不斷增加，也從側(cè)面說明了我國對森林生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)注度與日俱增。河北省是森林資源大省，本研究以河北省木蘭圍場國有林場為例，采用定量化研究方法，對森林系統(tǒng)健康狀況加以評價，結(jié)合評價結(jié)果，為林場森林資源管理提供更多思路。

2 評價區(qū)概況

木蘭圍場國有林場位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣，始建于1963年，是全國“百佳國有林場”之一，總經(jīng)營面積154萬畝。木蘭圍場位于東經(jīng)116°32′～118°14′，北緯41°35′～42°40′之間，圍場屬北(寒)溫帶—中溫帶、半濕潤—半干旱、大陸性季風(fēng)型、高原—山地氣候，夏季多雨且高溫，冬季干燥寒冷，年平均氣溫3.3 ℃，晝夜溫差比較大，且壩上、壩下不同區(qū)域存在氣候條件差異大的特點。

3 評價方法

3.1 樣地選擇

沿緯度由南至北順序選取樣地[4]，選取5種林地類型，分別為幼齡林、近熟林、混交林、中齡林，樹種類型包括落葉松(A)、油松(B)、山楊(C)、白樺(D)、蒙古櫟(E)，按照不同林齡、林分情況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查時間為2019年5～7月份。每種樣地面積設(shè)定為50.0 m×50.0 m，設(shè)置3次重復(fù)。對每塊樣地內(nèi)的木本植物情況進(jìn)行調(diào)查，然后在每塊樣地中選取2.0 m×2.0 m樣方(共5個)，調(diào)查灌木植物。最后，在每塊樣地內(nèi)選取1.0 m×1.0 m樣方，調(diào)查其中草本植物情況。

3.2 調(diào)查內(nèi)容

(1)樣地基本情況：樣地所處位置海拔、坡度、坡向、坡位。

(2)植被現(xiàn)狀：包括樣地林齡結(jié)構(gòu)、林分郁閉度、林內(nèi)喬木(>1.3m)、林內(nèi)灌木、草本植物。

(3)昆蟲群落：采用隨機(jī)取樣方法，對樣地內(nèi)植物(喬木、灌木、草本)枝葉以及地面昆蟲種類和昆蟲數(shù)量進(jìn)行調(diào)查。

(4)土壤：取13類型樣地中土壤樣品，分析土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。

3.3 評價指標(biāo)

以國內(nèi)權(quán)威文獻(xiàn)[8]研究方法為例，確定木蘭圍場國有林場森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)，將森林生態(tài)系統(tǒng)活力、組織以及彈性為基礎(chǔ)，選取3個要素(森林生態(tài)要素、森林生產(chǎn)力要素、森林環(huán)境及脅迫要素)構(gòu)建健康狀況評價指標(biāo)。考慮到部分評價指標(biāo)所反映的信息存在相關(guān)性和重復(fù)性，無法反映內(nèi)在規(guī)律和真實特點，因此要對評價指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，通過參考文獻(xiàn)[9]，綜合專家意見，最終選取了22個評價指標(biāo)。

3.4 分析方法

評價指標(biāo)初步選取采用主成分分析方法，由22個評價指標(biāo)組成矩陣，計算影響樣地森林生態(tài)健康程度的每個主成分的特征向量，同時計算每個主成分的特征值以及貢獻(xiàn)率，當(dāng)m個主成分貢獻(xiàn)率(累積)超過85%時，則確定m個主成分，并由此將m個原始評價指標(biāo)替代。m個主成分分析因子得分用“Xm”表示，貢獻(xiàn)率采用“am”表示，計算評價指標(biāo)的權(quán)重，最終確定木蘭圍場國有林場森林生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(用“Z”表示)，計算公式如下[10,11]：

Z=a1X1+a2X2+a3X3+...+amXm

(1)

與此同時，采用聚類分析方法，根據(jù)所得“Z”值，結(jié)合綜合健康指數(shù)，對森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行分級，并組成數(shù)據(jù)矩陣，即：“Znm”，其中n表示樣本數(shù)量，m表示主成分?jǐn)?shù)量。所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計均采用DPS軟件進(jìn)行相應(yīng)處理。

4 結(jié)果

4.1 各主成分因子負(fù)荷量

結(jié)合調(diào)查內(nèi)容中的樣本數(shù)據(jù)計算特征值、貢獻(xiàn)率、因子負(fù)荷量，從計算結(jié)果可以看出，有6個特征根的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到89.01%，大于85%，因此確定6個主成分，然后計算6個主成分的因子負(fù)荷量，其含義見表1。

表1 各主成分因子負(fù)荷量含義

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，森林生產(chǎn)力、環(huán)境指標(biāo)、物種多樣性特征向量出現(xiàn)頻率比較高，且絕對值大，說明上述指標(biāo)對森林生態(tài)健康的影響比較大[12,13]。同時，上述結(jié)果也說明，森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況是受到多個因素共同影響的。

4.2 森林生態(tài)系統(tǒng)健康等級

結(jié)合表1中內(nèi)容及各主成分因子負(fù)荷量數(shù)據(jù)，計算森林生態(tài)系統(tǒng)的健康指數(shù)，進(jìn)而分析不同林分類型健康等級(相對優(yōu)劣程度)，共分為3類，即健康、亞健康、非健康，具體評價結(jié)果見表2。

表2 不同林地類型綜合健康指數(shù)評價結(jié)果

通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，C3、D2、D3可聚為相對健康類，其健康指數(shù)值較小，出現(xiàn)上述矛盾情況的主要原因可能是C3、D2、D3主成分因子負(fù)荷量相對比較接近[14]；與此同時，C3在坡度、物種多樣性、豐富度明顯低于D2、D3，說明上述評價指標(biāo)對森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價有著相對比較大的影響，這也是其健康指數(shù)低于D2和D3的原因之一[15]。通過表3中數(shù)據(jù)可以看出，D2、D3處于健康狀態(tài)，A1、A2、C1、C2、C3、D1、E2、E3處于亞健康狀態(tài)，B1、B2、E1則處于非健康狀態(tài)。

4.3 不同起源系統(tǒng)健康狀況評價

以林分起源作為劃分依據(jù)，對不同森林系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價，并做比較，見表3。

表3 不同林分起源健康狀況的評價結(jié)果對比

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，人工林主要由兩部分生態(tài)系統(tǒng)組成，分別為非健康狀態(tài)林分系統(tǒng)和亞健康狀態(tài)林分系統(tǒng)，天然林也由兩部分組成，分別為健康狀態(tài)林分系統(tǒng)和亞健康林分系統(tǒng)，天然林健康狀況優(yōu)于人工林，而出現(xiàn)此種狀況的原因在于人工林受到人為干擾因素的影響，如原生態(tài)修通被人為改變、采伐強(qiáng)度等，導(dǎo)致人工林健康程度出現(xiàn)顯著的下降，不僅對木蘭圍場國有林場森林生態(tài)系統(tǒng)平衡性造成一定影響，同時也會在一定程度上影響到其自身的修復(fù)功能[16]。

4.4 不同林齡系統(tǒng)健康狀況評價

由于本次調(diào)查中齡林和混交林均為單獨一種，因此將中齡林(C2)和混交林(E3)生態(tài)類型剔除，評價不同林分系統(tǒng)林齡生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，結(jié)果詳見表4。

表4 不同林齡系統(tǒng)健康狀況評價結(jié)果分析

從表4內(nèi)容中可以看到，不同林齡對森林生態(tài)系統(tǒng)健康的影響存在一定差異，其中近熟及成熟林處于非健康和亞健康狀態(tài)的林地明顯少于幼齡林(包括人工林和天然林)，與植被正常演替規(guī)律相符，而出現(xiàn)此種情況的主要原因在于幼齡林中各群落尚處于生長和發(fā)育初期，其健康狀況不夠穩(wěn)定[17，18]。而近熟及成熟林功能比較完整，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，生物生長已經(jīng)適應(yīng)自然環(huán)境和條件[19]。

5 結(jié)論與討論

本研究采用定量化研究方法，建立評價指標(biāo)，在系統(tǒng)整合國內(nèi)現(xiàn)有研究成果的前提下，在眾多指標(biāo)中選取22個評價指標(biāo)，具有一定代表性。同時，采用聚類與主成分相結(jié)合的分析方法，評估木蘭圍場國有林場森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，通過調(diào)查，得出以下幾點結(jié)論：

(1)通過對聚類分析結(jié)果的研究認(rèn)為，河北省木蘭圍場國有林場13種森林生態(tài)系統(tǒng)中，多數(shù)處于亞健康狀態(tài)，處于非健康狀態(tài)的共3種，處于健康狀態(tài)的共2種，而介于兩者之間亞健康狀態(tài)林分系統(tǒng)共8種，說明該林場森林系統(tǒng)自身健康雖然受到一定損害，但是尚未完全失去自我修復(fù)能力。提示在未來森林生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)工作中，除了要加強(qiáng)經(jīng)營管理質(zhì)量，也要盡量降低人為破壞[20]。

(2)不同起源林分系統(tǒng)健康狀況存在一定差異，其中人工林健康狀況普遍不如天然林，原因在于人工林結(jié)構(gòu)相對單一，且受到人為因素的影響，提示在進(jìn)行森林系統(tǒng)維護(hù)和林業(yè)經(jīng)營管理時，要充分利用自然條件，并且降低了對人工林的人為干擾，使人工林逐漸演變?yōu)榻烊涣郑瑥亩粩嗵嵘浣】邓健?/p>

(3)不同林齡森林生態(tài)系統(tǒng)，幼齡林因其處于演替初期，其健康狀況普遍不如近熟林和成熟林，隨著幼齡林逐漸進(jìn)入到演替中期和后期階段，其林分結(jié)構(gòu)將不斷得到完善，且森林系統(tǒng)功能也將趨于完備[21]。

依據(jù)對河北省木蘭圍場國有林場森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的調(diào)查，天然林的健康狀況明顯優(yōu)于人工林，演替中后期近熟林、成熟林健康狀況高于演替初期幼齡林。林場森林生態(tài)整體處于健康狀態(tài)，主要原因在于人為干擾比較少，加之林場水土資源豐富，污染治理成效顯著。與此同時，天然林、近熟林、成熟林健康狀況良好，但是容易受到一些因素的影響，需要對此加以關(guān)注，并采取一定措施進(jìn)行干預(yù)，以提升整個森林生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。