基于小班水平的東洞庭湖區域馬尾松林健康評價

陳望雄， 楊新榮， 黎振強， 施和平

(1．湖南理工學院 經濟與管理學院， 湖南 岳陽 414000； 2.景德鎮學院 經濟與管理系， 江西 景德鎮 333000)

基于小班水平的東洞庭湖區域馬尾松林健康評價

陳望雄1， 楊新榮1， 黎振強1， 施和平2

(1．湖南理工學院 經濟與管理學院， 湖南 岳陽 414000； 2.景德鎮學院 經濟與管理系， 江西 景德鎮 333000)

摘要：[目的] 對東洞庭湖區域的優勢樹種馬尾松林進行健康評價研究，為該區域科學經營森林，改善區域人居環境和生態環境建設提供參考和借鑒。 [方法] 依據馬尾松林樣地調查、岳陽市森林資源二類調查和湖南省林業資源信息系統獲取馬尾松林數據。并從生產力、結構性、可持續性及抗干擾性4個方面選擇了馬尾松林14個健康評價指標，依據方差貢獻率確定指標權重，計算有代表性的329個馬尾松林小班得分與既有的健康等級定性指標標準比較確定小班的健康狀況。 [結果] 優質小班14個，健康小班76個，亞健康小班221個，不健康小班18個，分別占所選樣本總面積的7.33%，24.62%，61.34%，6.71%。 [結論] 該區域馬尾松林總體上處于亞健康與不健康狀況；天然林健康狀況好于人工林；混交林健康狀況優于馬尾松純林；高海拔、陡坡、邊遠區域馬尾松林健康狀況明顯優于低海拔、居民密集區域。

關鍵詞：東洞庭湖區域; 馬尾松林; 小班; 方差貢獻率; 健康評價

健康的森林生態系統不僅體現在維持自身的穩定性和可持續性，更重要的是為人類社會提供生態服務功能。國內外有很多學者對森林健康進行一系列的定義和特點描述，如Costanza[1]從系統內穩定性、無疾病、多樣性、有活力、可恢復性和平衡性6個方面定義生態系統健康。Mageau等[2]認為健康的生態系統至少應考慮到生態系統的結構、生長能力、恢復能力，應將人納入到自然系統中去，既要考慮人類需求，也要注意人對自然界的影響。沈文君等[3]認為，一個健康的生態系統要從自身健康和滿足人類需求兩方面去衡量。馬克明等[4]，袁興中等[5]，張志城等[6]，Haworth[7]，Karr[8]等學者也從不同的角度定義了生態系統健康的概念。通過學者們對生態系統健康的定義可知，森林生態系統健康的標準是一個人類的標準，本身不存在健康與否，而是是否持續地為人類提供各種服務為標準，是生態—社會經濟—人類健康3個領域相結合的綜合性定義，不僅涉及生態學方面，更包括人類價值、倫理的、哲學、藝術、管理學和經濟學的觀點[9-10]。森林生態系統健康作為森林資源管理的一個目標，其健康評價作為森林資源管理的一種有效手段得到了越來越多的應用，正日益受到世界各國政府和林業學者的重視。馬尾松作為東洞庭湖區域的主要優勢樹種，對東洞庭湖區馬尾松林健康評價有利于對該區域的馬尾松林健康情況、經營質量做出科學判斷并采取合適的營林措施來改善其健康狀況，有利于正確處理經濟發展和資源、環境保護之間的關系，在建設“資源節約型、環境友好型”社會、改善區域人居環境以及生態環境建設決策方面也具有重要的參考和借鑒意義。

1研究區概況

東洞庭湖區域位于洞庭湖東北部，東倚幕阜山，西臨洞庭湖，北接長江，南連湘江、資江、沅江和澧水4條主干河流，地處北緯28°25′33″—29°51′00″，東經112°18′31″—114°09′06″，東西橫跨177.84 km，南北縱長157.87 km，含汨羅市、臨湘市2個縣級市，岳陽縣、華容縣、平江縣、湘陰縣4個縣，岳陽樓區、云溪區、君山區3個區，總面積15 019 km2，總人口548.34萬人。

東洞庭湖區域屬中國南部亞熱帶濕潤森林植物區系，據統計，有高等植物5 000種左右，其中木本植物1 900多種，地帶植被主要由木蘭科、樟科、殼斗科、山茶科、冬青科、金縷梅科、安息香科的植物組成，可以說是種類繁多，區系成分復雜，孤寡種屬多。主要用材樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、檫樹(Sassafrastsumu)、柏木(Cupressusfunebris)、楠木(Phoebezhennan)、火炬松(Pinustaeda)、濕地松(Pinuselliottii)、柳杉(Cryptomeriafortunei)、樟樹(Cinnamomumcamphora)、楊樹(Populus)等20多種。區域主要森林樹種為馬尾松、杉木、毛竹(Phyllostachysheterocycla)，2010年岳陽市林業局森林資源調查數據顯示，馬尾松蓄積量為4.24×106m3，占活立木總蓄積的29.04%，馬尾松林面積為1.48×105hm2；占林業用地面積的33.49%，主要分布于海拔500 m以下的山地、丘崗紅壤地區，為該區域主要優勢樹種，純林較少，多與杉木、毛竹、油茶樹、闊葉樹等伴生。

2研究方法

2.1　數據的獲取

采取典型樣地調查方法，選取東洞庭湖區域有代表性的馬尾松林群落，調查馬尾松純林樣地18塊，設立20 m×20 m的樣方，內設5個4 m×4 m的小樣方。樣地記錄內容： (1) 環境因子：海拔、坡位、坡向、土層厚度、土壤含水量、土壤有機質等； (2) 樣地上的喬木、灌木、草本的主要種類、株數、胸徑、高度、冠幅、生產力等； (3) 調查樣地所在小班的森林覆蓋率、齡級、植被組成和森林布局等。

同時借助岳陽市森林資源二類調查馬尾松林小班數據和湖南省林業資源信息系統，所獲取的數據主要包括胸徑、樹高、郁閉度、單位面積蓄積量、天然更新狀況、群落層次結構、土層厚度、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、土壤亞類、近自然度、坡位、坡向、海拔、森林病蟲害、火險等級等。

2.2　評價指標體系的構建

依據森林生態系統健康評價理論基礎和指標體系的選擇原則，參照學者們對特定區域和特定對象的森林生態系統評價指標的選擇[7-11]，考慮到森林生態系統健康評價密切相關的重要指標[12]，并結合數據的可獲性及區域的特殊性，初步構架了馬尾松林健康評價指標體系，其層次結構如圖1所示。

圖1　基于小班水平的馬尾松林健康評價指標體系

2.3　指標量化與標準化

馬尾松林生態系統健康評價指標體系可以分為以下兩種類型： 第1種為定性指標，包括群落層次結構、天然林更新狀況、土層厚度、近自然度、病蟲害程度、火險等級，其等級劃分依據湖南省森林調查操作技術規程直接確定。由于第一種為定性指標，依其定性指標標準，將健康5等級分級情況轉化為十分制數據，數值取等級值中間值，等級轉化成數值詳見表1。第2種為定量指標，包括馬尾松林分郁閉度、平均樹高、平均胸徑、單位面積活立木蓄積量、土壤速效氮、速效磷、速效鉀及土壤有機質。

表1　馬尾松林健康等級定性指標標準

定性指標依據馬尾松林小班所處健康等級賦值，而平均胸徑、平均樹高、單位面積活立木蓄積量、林分郁閉度、土壤有機質、土壤速效氮、速效磷、速效鉀均為正向定量指標，在一定的范圍之內越大越好，應將其標準化，并轉化為十分制數據，計算公式為：

X=10(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xmax——正向定量指標的最大值；Xmin——正向定量指標的最小值。

2.4　評價指標權重確定

初步選定從生產力、結構性、可持續性、抗干擾性4個方面14個指標來進行馬尾松林健康評價，考慮到指標之間的相關性，為了減少主觀因素對某一方面賦權的影響，應用因子分析法中方差的貢獻率大小來確定指標的權重。應用SPSS 15.0軟件對馬尾松林生態系統健康評價各指標進行分析。

2.4.1KMO和巴特利特球度檢驗由于因子分析的主要任務是對原有變量進行濃縮，能夠用較少的變量解釋較多的變量且不丟失太多的信息，則要求變量之間存在較強的相關性，否則，變量無法進行濃縮，更無需進行因子分析。變量相關性大小先進行KMO和巴特利特球度檢驗。依據KMO和巴特利特球度檢驗要求，若KMO>0.7，則效果較好，若0.5

表2　KMO和巴特利特球度檢驗

從表2可知，KMO為0.713則符合因子分析要求。從上表顯著性檢驗系數為0的單側顯著性檢驗概率矩陣可知，說明變量兩兩之間存在較強的相關性。

2.4.2因子提取提取因子的關鍵是通過樣本數據求解因子載荷矩陣，依據基于主成分分析法，在設置因子提取閾值為特征值>0.9。根據主成分的統計信息(表3)，特征值由大到小排列，各主成分的貢獻率和累計貢獻量為：前6個主成分的特征值分別為3.244，2.474，1.682，1.222，1.048，0.925,他們能解釋總變異的百分比分別為23.174%，17.671%，12.011%，8.732%，7.488%，6.606%，前6個主成分的特征值大于或者接近于1，取前6個主成分來確定評價權重，此時的累計貢獻率達到了75.682%，符合統計學原理。根據因子載荷矩陣信息(表4)，第1主成分在胸徑、蓄積、有機質上有較高的載荷，第2主成分在速效氮、群落層次結構、土層厚度上有較高的載荷，第3主成分在速效磷、天然更新和速效鉀上有較高的載荷，第4主成分在郁閉度和樹高上有較高的載荷，第5主成分在病蟲害和火災等級方面有較高的載荷，第6主成分在近自然度方面有較高的載荷。

2.4.3評價指標權重計算每個評價指標的權重由主成分載荷和主成分的方差貢獻率來確定，具體計算方法為：

6個主成分的特征值和(∑)=3.244+2.474+1.682+1.222+1.048+0.925=10.595。

胸徑的權重=(0.891×3.244+0.124×2.474+0.023×1.682-0.107×1.222-0.206×1.048+0.066×0.925)/10.595=0.28。

同理，可確定蓄積、有機質、速效氮、群落層次結構、土層厚度、速效磷、天然林更新、速效鉀、郁閉度、樹高、森林病蟲害、火災等級、近自然度的權重分別為0.26，0.36，0.25，0.24，0.27，0.13，0.16，0.08，0.15，0.13，0.17，0.04，0.10。將計算權重結果歸一化，則胸徑、蓄積、有機質、速效氮、群落層次結構、土層厚度、速效磷、天然林更新、速效鉀、郁閉度、樹高、森林病蟲害、火災等級、近自然度的權重分別為0.11，0.10，0.14，0.09，0.09，0.10，0.05，0.06，0.03，0.06，0.05，0.06，0.02，0.04。

表3　特征值與方差貢獻(提取方法：主成分分析方法)

表4　因子載荷矩陣

2.5　健康等級

以東洞庭湖區域馬尾松林小班為評價單元，依據各項指標的標準化得分乘以各項指標的歸一化權重計算各個馬尾松林小班的健康得分值。參照學者們[5,13-19]從森林結構性、可持續性、抗干擾性方面確定森林健康等級及相應的評價得分(表5)，依據馬尾松林小班的健康得分值確定馬尾松林隸屬健康等級。

表5　馬尾松林健康評價等級標準

3評價結果

在東洞庭湖區域選定有代表性的329個馬尾松林小班中，依據小班得分確定隸屬健康等級，通過分析可知，優質的馬尾松林小班14個，占所選個體總數的4.25%，面積為15.68 hm2，占所選樣本總面積的7.332%。該林分主要為馬尾松+闊葉林或馬尾松+杉木林，主要分布于離湖區較遠的高海拔、坡度較陡山區，人為影響因素小，如平江縣的幕府山、福壽山區域，岳陽縣的鐵山庫區、毛田鎮大云山林區及臨湘市五尖山森林公園、羊樓司鎮邊遠山區。這些林分群落層次結構較復雜，近自然程度高，郁閉度大，森林火險等級低，抗病蟲害能力很強。

健康的馬尾松林小班有76個，占所選個體總數的23.1%，面積為52.64 hm2，占所選樣本總面積的24.62%。主要是馬尾松林+天然闊葉林、馬尾松純林、馬尾松林+三杉(水杉、柳杉、池杉的合稱)、馬尾松+杉木林、馬尾松林+竹林組成，主要位于平江縣加義鎮、南江鎮、甕江鎮，岳陽縣的月田鎮劉廟村、大橋村、雙江村，張谷英鎮四維村。臨湘詹橋鎮、藥菇山、五尖山森林公園，華容的勝利林場、塔市林場。這些馬尾松林分群落層次結構較復雜，近自然程度較高，郁閉度較大，抗病蟲害能力強，森林火險等級較低。這些林分或位于較高海拔或較陡坡山區，人為影響因素小，或屬于國有林場，有專人經營管理。

亞健康的小班221個，占所選個體總數的67.17%，面積為131.17 hm2,占所選樣本總面積的61.34.%，主要由馬尾松純林、或馬尾松林與油茶樹、柑橘、胡柚等經濟林混交，或馬尾松與楊樹混交。處于在海拔150 m以下的丘崗地區或湖區，在岳陽樓區的郭鎮鄉，云溪的道仁磯，汨羅的古培鎮、弼時鎮、黃柏鎮、長樂鎮，臨湘的文橋鎮、忠防鎮、江南鎮，湘陰的梓樹、鐵角嘴，華容的東山、三封寺、萬庾等地大量分布。這些馬尾松林分群落層次結構簡單，近自然程度低，馬尾松或作為群落演替先鋒樹種或作為人工栽培樹種，這些區域土壤貧瘠、土壤透氣性差，林分郁閉度小、抗病蟲害能力中等，森林火險等級較高。

不健康的小班18個，占所選個體總數的5.47%，面積為14.349 hm2,占所選樣本總面積的6.71%，主要由人工馬尾松林、或為馬尾松與楊樹、柑桔、油茶、灌木混交。這些林分主要分布在國道、省道兩側區域，長嶺煉油廠、岳陽化工廠附近區域，或在不適合種樹的立地條件區域種植。這些林分群落層次結構簡單，近自然程度低，抗病蟲害能力弱，森林火險等級高。

綜上所述，亞健康、不健康的小班數占所選樣本個體總數的72.64%，兩者之和面積占所選樣本總面積的68.05%，所以從小班水平上看東洞庭湖區域馬尾松林總體上處于亞健康、不健康狀況，與岳陽市林業局利用森林資源二類調查或遙感數據分析馬尾松林的健康狀況大體一致。

4討 論

森林健康狀況評價指標的選擇應考慮到森林的自然性、社會、經濟和人類健康狀況，應具有綜合性和全面性。目前中國對森林健康評價研究難以大范圍開展生態監測工作，故有些數據難以獲取，給指標的選取帶來不少困難。很多學者對森林健康評價主要是參考森林健康的文獻資料，要考慮數據的可獲得性，但能獲取同行廣泛認可的評價指標體系卻很少。其次是指標的量化。有些指標對評價森林健康在理論上很有代表性，能反映森林的健康狀況，卻難以量化，故無法進行客觀比較，會影響森林健康評價的科學性和完整性。再次是指標權重確認，很多學者選擇層次分析法(AHP)，采用專家打分法和專家咨詢相結合構造判斷矩陣，進行層次排序，再進行一致性檢驗，此方法權重確認很大程度上存在主觀因素。本研究將小班樣本數據輸入SPSS軟件，應用該軟件菜單因子分析法中方差貢獻率大小來確定指標的權重，減少主管因素對指標權重確認影響。在這種情況下，經過深入研究，依據馬尾松林生態系統類型差別性與東洞庭湖區域的特殊性，本研究從4個方面選擇14個具體指標建立基于小班水平的馬尾松林健康評價指標體系，依據方差貢獻率大小確定指標權重，以期更準確地反映馬尾松林健康水平。

5結 論

(1) 東洞庭湖區域馬尾松林總體上處于亞健康與不健康狀況。從亞健康、不健康的小班數占所選樣本個體總數的72.64%，占所選樣本總面積的68.05%可以看出。土壤有機質、土壤速效氮、群落層次結構、土層厚度等評價指標方面得分較低，應從這些方面加以改善來提高馬尾松林健康等級。

(2) 東洞庭湖區域馬尾松健康狀況大致可以概括為：天然林健康狀況優于人工林；馬尾松混交林健康狀況好于馬尾松純林；高海拔、陡坡、邊遠區域馬尾松小班健康狀況明顯優于低海拔、居民密集區域。

(3) 東洞庭湖區域馬尾松林健康狀況總體上處于亞健康與不健康狀況，還有較大的上升空間，馬尾松林要持續發揮其生態服務功能和經濟效益，就必須調整經營模式，加大營林力度，落實營林措施，提高營林管理水平，才能更大地發揮其綜合效益。

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Health Assessment of Masson Pine Forest Based on Sublot Level in East Dongting Lake Area

CHEN Wangxiong1, YANG Xinrong1, LI Zhenqiang1, SHI Heping2

(1.CollegeofEconomicsandManagement,HunanCollegeofScienceandTechnology，Yueyang，Hu’nan414000,China; 2.DepartmentofEconomicsandManagement,JingdezhenUniversity,Jingdezhen,Jiangxi333000,China)

Abstract：[Objective] The research on massion pine forest as superior tree species in East Dongting Lake area can provide the reference in scientific management for the regional forest, and improve regional environment and ecological environment construction. [Methods] The data about masson pine forest were gained through typical sublot survey, the second-class investigation of Yueyang forest resources and forest resources management information system in Hu’nan Province. The 14 indexes were selected and the index weight was ensured according to variance contribution rate. Then the score of sublots was determined by calculating represent 329 sublots compared with the existing health grade index. [Results] The evaluation results showed that the number of high quality sbulots was 14, healthy sublots was 76, sub-healthy sublots was 221, unhealthy sublots 18, possessing total area of the selected samples 7.33%,24.62%,61.34%,6.71%, respectively. [Conclusion] The masson pine forest in studied area was between sub-health and unhealthy in general; the natural forest health was much better than the plantation; the health situation of masson pine forest in high altitude, slope, remote area was significantly better than that in low altitude, dense population area.

Keywords:East Dongting Lake area; masson pine forest; sublot; variance contribution rate; health assessment

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)04-0176-06

中圖分類號：S718.55

通信作者：楊新榮(1956—),男(漢族),湖南省岳陽市人,碩士,教授,碩士生導師,主要從事農業經濟發展研究。E-mail:yxr 8847009@163.com。

收稿日期：2014-06-12修回日期：2014-06-23

資助項目：國家自然科學基金項目“基于濕地保護的生態農業體系構建及其運行機制研究：以洞庭湖區為例”(71173073); 湖南省教育廳科學研究一般項目“東洞庭湖區域森林健康評價與資源可持續利用機制研究”(14C0519)

第一作者：陳望雄(1974—),男(漢族),湖南省岳陽市人,博士,講師,主要從事生態旅游與資源可持續利用研究。E-mail:357973445@qq.com。