青海高寒黃土區典型水源涵養林健康評價

朱 柱，楊海龍，黃 乾，趙嘉瑋

（北京林業大學 水土保持學院，北京 100083）

森林健康的相關研究開始于20世紀60年代，其理念是西方國家針對人工林林分結構單一，森林病蟲害防治能力差，水土保持能力弱等提出的［1］。隨著研究的不斷深入，人們對于森林健康的認識也由林分本身屬性轉移到了森林生態系統上，而森林健康的監測和評價是了解森林健康狀態的重要手段［2］。及時了解森林健康狀況，對于合理經營森林，提高森林生態系統服務功能，實現人與自然和諧相處等有著重要意義。截至目前，中國學者對森林健康評價進行了諸多研究，并在評價指標的選取［3-5］、評價方法的運用［6-8］以及評價尺度［9-10］和健康劃分標準上都呈現多元化，但對于青海高寒黃土區的森林健康評價研究還相對較少。因此，及時監測和了解該地區人工植被的生長狀況對提高退耕還林（草）工程等生態恢復工程的生態效益有著重大意義。本研究選擇青海省大通回族土族自治縣退耕還林第2階段（20世紀80年代至90年代末）營造的人工林中的5種典型水源涵養林為研究對象，通過構建森林健康評價指標體系，計算5種林分的健康指數IH（health index）并進行分析和比較，以期為該地區人工林植被結構調整和多種服務功能綜合提升研究提供理論指導和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

有學者［11-12］認為：高寒黃土區在中國自然規劃上屬于獨立的大區，特點是海拔高、輻射強、氣候寒冷，其自然植被主要受非地帶性因素的影響，存在生長速度緩慢，發育不良以及生態效益低下等諸多問題。該區主要包括青海省的西寧、門源、湟中和貴德等縣市［13］。本研究試驗地位于青海省西寧市大通回族土族自治縣（36°43′～37°23′N， 100°51′～101°56′E）， 地處黃土高原與祁連山地的過渡地帶， 海拔為2280～4622 m，屬高原大陸性氣候。該地區年平均降水量為523.3 mm，年平均氣溫為4.9℃，年平均蒸發量為1762.8 mm，年內無霜期為61.0～133.0 d，年濕潤指數為0.56～1.32，平均風速2 m·s-1；土壤主要為山地棕褐土、栗鈣土和黑鈣土。本試驗地在大通回族土族自治縣塔爾溝林場，現有植被主要為林齡為25～35年生的人工林，主要喬木樹種有青海云杉Picea crassifolia，青楊Populus cathayana，白樺Betula platyphylla和華北落葉松Larix principis-rupprechtii等；灌木有山杏Armeniaca sibirica，銀露梅Potentilla glabra，檸條Caragama koshinskii，沙棘Hippophae rhamnoides等；草本有草木犀Melilotus officinalis，艾蒿Artemisia argyi，蒲公英Taraxacum mongolicum，飛廉Carduus nutans和火絨草Leontopodium leontopodioides等。

1.2 樣地設置

2018年6-8月，在青海省大通回族土族自治縣塔爾溝林場進行采樣和調查。在全面實地踏查的基礎上，選取當地5種典型水源涵養林，青海云杉林、白樺林、華北落葉松林、青海云杉-華北落葉松混交林和青海云杉-白樺混交林。每種水源涵養林選擇3塊20 m×20 m的標準樣地，共布設15塊標準樣地。標準樣地的選擇滿足在地質地貌、土壤、坡度和坡向等方面具有代表性和一致性，同時所選林分的密度為目前該地區立地條件下各林分最常見的經營密度。在各標準樣地內進行每木檢尺，記錄樹種、林齡、樹高、胸徑、冠幅、株數等。在喬木樣方內部4個角及中心位置共設置5個5 m×5 m灌木樣方，記錄灌木種類、高度和蓋度等。在每個灌木樣方中心取1個1 m×1 m草本樣方，記錄草本種類、株數、高度和蓋度等。調查的15塊標準樣地的基本情況見表1。

2 林分健康評價指標體系的構建

2.1 評價指標選取

評價指標的選擇是森林健康評價的關鍵，一套科學、合理、適用性強的森林健康評價指標體系直接影響著森林健康評價結果的準確性。高志亮等［14］采用定性和定量相結合的方法，構建包括完整性指標、穩定性指標和可持續性指標共3類7個指標，對北京松山自然保護區森林進行了健康評價研究。魯紹偉等［15］運用復合結構功能指標法對八達嶺林場121個小班進行健康評價并劃分4個等級。汪加魏等［16］提出水源涵養林健康評價指標體系的7個原則，并利用分層評價的指標分值法對北京市八達嶺林場景觀型水源涵養林進行健康評價。由于在青海高寒黃土區森林健康方面的研究還相對較少，因此本研究在參考前人關于森林健康評價或水源涵養林健康評價指標篩選的研究成果基礎上，結合森林健康相關理論、研究區水源涵養林實際情況和專家咨詢法，在滿足系統性、科學性和可操作性等指標選取原則的條件下，篩選一套適合本研究區水源涵養林健康評價的指標體系，主要包括完整性指標、穩定性指標和可持續性指標3個方面共11項指標（表2）。

表1 標準樣地基本情況Table 1 Basic information of standard sample plots

表2 森林健康評價指標體系Table 2 Assessment index system of forest health

2.2 評價指標的調查和計算

評價指標又可細分為定量指標和定性指標。定量指標數據可通過外業調查結合內業實驗獲得，定性指標則需要參考《森林資源規劃設計調查技術規程》等標準轉化為定量數值。

2.2.1 定量指標調查與計算 ①喬木密度：單位面積上喬木層樹木株數。②葉面積指數和郁閉度：利用WinSCANOPY 2006軟件設備的冠層分析儀在多云或者晴朗天氣的8:00-10:00，在離地面1.3 m處對喬木冠層進行拍照，每個樣地選擇3個點，每個點拍5～10張照片。內業分析時去掉曝光過度的照片，獲得標準樣地的冠層葉面積指數和冠層開闊度。其中：林分郁閉度=（1-冠層開闊度）×100%。③草本層Shannon-Wiener指數［17］：其中：Pi=Ni/N，N為樣地草本重要值總和，Ni為樣方中第i種草本的重要值，Pi為重要值比例（相對重要值），S為樣地的草本種數。④枯立木比例：標準樣地內喬木層枯立木株數與喬木總株數之比。⑤土壤厚度：在每個標準樣地內沿著等高線的方向，等間隔設置10個測點，利用特制的一根長110 m，直徑10 mm的鋼釬敲入土壤中，以鋼釬入土深度作為該測點的土壤厚度值，以10個測點土壤厚度的平均值作為該標準樣地的土壤厚度值［18］。⑥土壤0～60 cm平均最大持水量：在每種水源涵養林的標準樣地中心位置，挖3個土壤剖面，用環刀在0～20，20～40和40～60 cm處分層取樣，每層3次重復，帶回實驗室采用環刀法［19］測量土壤飽和持水量和總孔隙度，并用公式（1）和（2）計算土壤總孔隙度和每層最大持水量，最后對每個樣地的0～60 cm的土壤最大持水量計算平均值。

式（1）和式（2）中：Pt為土壤總孔隙度，Wt為土壤最大持水量（t·hm-2），W0為空環刀質量（g），W1為土樣和環刀烘干質量（g），W2為土樣和環刀完全浸水12 h總質量（g），h為每層土壤厚度（m）。⑦凋落物厚度和凋落物最大持水率：在每個標準樣地內沿對角線設置3個25 cm×25 cm的小樣方，在小樣方內調查凋落物的厚度并取樣，然后在室內測定凋落物的最大持水率。首先，將取回的凋落物樣品稱量（鮮質量w0），然后放置于烘箱中，在80℃條件下烘干至恒量后再次稱量（干質量w1），最后將烘干的凋落物樣品裝入尼龍袋中后放水中完全浸水24 h后取出，空干后再次稱量（飽和濕質量w2）。按公式（3）計算凋落物最大持水率（C）。

2.2.2 定性指標的調查和轉化 根據研究區實際情況和相關標準將定性指標分為4級，分值分別為Ⅰ級4分，Ⅱ級3分，Ⅲ級2分，Ⅳ1分（表3）。

表3 森林健康定性指標分級標準Table 3 Standards of forest health indicator classification

2.2.3 指標的標準化 由于評價指標來自不同的方面，各指標的量綱不統一，而且不同指標之間數據相差較大，因此需要對評價指標進行標準化處理。本研究采用極值法［20］對原始數據進行標準化處理。正相關指標的標準化公式：S′=（S-Smin）/（Smax-Smin）， 負相關指標的標準化公式：S′=（Smax-S）/（Smax-Smin）。 其中：S′為指標標準化值，S為指標實際值，Smax為該指標在所有標準樣地中的最大值，Smin為該指標在所有標準樣地中的最小值。所有數據進行標準化處理后處于［0，1］。本研究指標體系中，枯立木比例為負相關指標，其他指標均為正相關指標（病蟲害程度和火險程度2項指標，等級越低，賦值越高，量化數值為正相關）。森林健康評價指標標準化值見表4。

2.3 評價指標權重確定

評價指標的權重直接影響著森林健康評價的結果，科學計算評價指標權重是進行森林健康評價的關鍵。本研究采用熵權法［20］估算各評價指標的權重，其本質是在綜合考慮各項指標實測數據傳遞給決策者的信息量大小來確定指標權重。指標的信息熵（Hj）越小則表明該項指標提供的信息量越大，其權重（Wj）也應該越大。熵權法是一種比較客觀的權重確定方法。其計算公式如下：

式（4）和式（5）中：Hj為第j評價指標的熵，Wj為第j指標的權重（總和為1），S′ij為第i樣地第j指標的標準化值，i為第i樣地；j為森林健康評價指標。

表4 森林健康評價指標標準化值Table 4 Standardized data of forest health assessment index

依據公式（4）和（5），對經標準化處理的評價指標進行計算，得出5種典型水源涵養林健康評價指標的熵（Hj）和權重（Wj）見表 5。

表5 森林健康評價指標的熵及其權重Table 5 Entropy and weight of forest health assessment indicators

2.4 評價模型

森林健康評價的方法有很多，諸如健康距離法、模糊綜合評判法、綜合指數法以及人工神經網絡法等。每種方法都有其優缺點及適用范圍，在對森林健康評價時應根據研究者的目的合理選擇評價方法和模型。本研究對5種配置模式的水源涵養林健康狀況進行分析和比較，因此采用綜合指數法來進行健康評價。綜合指數法是通過將健康評價體系中各指標信息進行加權綜合，是一種相對比較完善的評價方法［21］。 其評價模型如下：

式（6）中：IHi為第i樣地森林健康指數；S′ij為第i樣地第j指標的標準化值；Wj為第j指標的權重；i為第i樣地；j為森林健康評價指標。

3 結果與討論

3.1 森林健康等級劃分

參考前人關于森林健康方面的研究，結合青海高寒黃土區水源涵養林實際情況，將森林健康指數分為4大類，分別對應4個健康等級：優質、健康、亞健康和不健康。具體劃分標準見表6。

表6 森林健康等級劃分標準Table 6 Standards of ranks on forest health

3.2 森林健康評價結果

對高寒黃土區5種典型水源涵養林共15塊標準樣地進行健康評價，根據公式（6）計算出每塊標準樣地的健康指數，并劃分出標準樣地的健康等級。結果見表7。5種水源涵養林的健康指數表明：青海云杉-白樺混交林為優質林，白樺林為健康林，青海云杉林和青海云杉-華北落葉松混交林為亞健康林，華北落葉松林為不健康林。水源涵養林健康指數從大到小總體表現為針闊混交林、闊葉林、針葉林。

表7 森林健康指數與等級Table 7 Forest health index and grade

林下植被的發育對水源涵養林發揮其功效起著重要作用［22］。本研究表明：5種水源涵養林的林下草本Shannon指數變化趨勢與王偉偉等［23］研究基本一致，從小到大表現為針葉林、闊葉林、針闊混交林，這與針葉林枝繁葉茂、林下光照和降水較少等原因有關［24］。其次，水源涵養林健康評價應注重其生態功能的發揮［16］，健康評價指標中土壤0～60 cm平均最大持水率、凋落物厚度及凋落物最大持水率3項指標能在一定程度上反映其水源涵養能力。青海云杉-白樺混交林的凋落物降解速度遠小于白樺林，其凋落物厚度和凋落物最大持水率均大于針葉林和闊葉純林，這與劉凱等［25］研究一致。沈劍波等［26］在對國內外關于森林健康評價指標篩選的文獻統計中發現，森林病蟲害和森林火險等級出現的次數均排在前6位。本研究利用熵權法計算指標權重得出火險等級和病蟲害程度的權重值分別為0.2423和0.1222（表5），在11項評價指標中位于第1位和第3位，進一步驗證了這2項指標是影響林分健康的重要因子。

森林的生長是一個連續的過程，其健康狀況的變化也是連續的［27］。本研究受限于森林調查數據在時間和空間上的不完整性，只是針對5種水源涵養林處于現階段狀況下進行初步的健康評價。因此，從人工林健康經營的角度出發，后期建立一套長期的、合理有效的森林健康監測體系是很有必要的。其次，在后續造林過程中，一方面可選擇青海云杉-白樺混交模式，不僅可以改善林下植被生存環境，增加灌草層的物種多樣性，還可以減少林分的病蟲害；另一方面，可以在人工林幼林期加大人工撫育力度，調整林分樹種組成和密度，并做好森林防火措施，使其朝著優質林的方向發展，在保證林分健康的情況下，提高其水源涵養能力。

4 結論

利用熵權法計算水源涵養林健康評價指標權重，使權重的確定更具有客觀性，其中指標權重較大的有火險等級、葉面積指數和病蟲害程度。這表明森林火險等級和病蟲害程度是影響森林健康的重要因子。在今后人工林經營管理過程中，可通過采取嚴格控制林區用火安全及做好森林病蟲害防治等措施有效提高森林的健康水平。

本研究發現：青海云杉-白樺混交林健康值在5種典型水源涵養林中最高，是一種比較好的水源涵養林配置模式，建議在后續造林過程中采用。在造林期間，還可以通過加大撫育力度，實時監測林分生長狀況等措施提高人工林質量。

水源涵養林健康評價的結果具有地域性和針對性。本研究對大通縣水源涵養林的合理經營有一定的理論指導意義；但對于其他地區或者其他功能的林分，森林健康評價需要重新篩選合適的評價指標。此外，水源涵養林健康評價在指標篩選和定性指標標準劃分等方面，雖經過權威專家的一致評判，但仍然具有一定的主觀性。在后續研究中，應進一步篩選、判定和完善。