鄂西南利中盆地馬尾松天然次生林森林健康評價

徐來仙 姚 蘭 郭秋菊 艾訓儒 朱 江

（1. 湖北民族大學生物資源保護與利用湖北省重點實驗室，湖北 恩施 445000；2. 湖北民族大學林學園藝學院，湖北 恩施 445000）

森林作為陸地生態系統中面積最大、群落結構最復雜和生物多樣性最豐富的生態系統[1]，不僅為人類提供重要的林產品與服務，而且具有調節氣候、保存生物多樣性和維護生態平衡等多種生態服務功能[2]。隨著經濟社會的快速發展和人們對森林資源的需求日益增長，森林破碎化的程度不斷增加，森林生態系統的健康面臨著巨大挑戰[3]。在此背景下，“森林健康”在森林資源管理與保護中越來越重要[4]。森林健康是指森林生態系統自身具有穩定、可持續的狀態，又能滿足人類對森林的各種需求，持續發揮其生態、社會和經濟效益[5-7]。森林健康評價是指對由于人為和自然因素造成的系統結構紊亂和功能失調，使森林生態系統服務功能和價值喪失的一種評估。

許多關于森林健康評價的研究一般只采用1種評價方法，例如主成分分析法[8]、層次分析法[9-10]、綜合指數評價法[11]、多元線性回歸法[12]、指標體系法[13]、指示物種評價法[14]、模糊綜合評價法[15]、人工神經網絡法[15-16]、健康距離法[16]和遙感技術[17]等，然而同一區域采用幾種評價方法同時進行森林健康評價并比較的研究較少。目前國內外學者已建立許多關于森林生態系統健康評價指標體系[9,18-21]，但這些評價指標體系的研究地區、對象和評價指標各不相同，部分指標實際操作性不強，適用范圍不廣。

馬尾松（Pinus massoniana）天然次生林是森林生態系統的重要組成成分。馬尾松是我國南方主要用材樹種之一，不僅具有適應性強、速生豐產和耐旱耐瘠等特點[22]，還具極高的生態和經濟價值。由于人為或自然因素，馬尾松天然次生林普遍存在林分結構不合理、生產力低和生態功能差等問題，但目前研究主要集中在馬尾松人工林的林分質量、森林健康等方面[5-6,22-23]，而對馬尾松天然次生林生產力、抵抗力及生態狀況等健康問題的關注與研究甚少。

馬尾松天然次生林是鄂西南利中盆地典型代表性的天然群落，但其健康狀況還未有相關研究，然而該群落的健康狀況將會影響整個區域森林群落的動態發展。為此，本研究在考慮方法的可操作性、有效性又兼顧客觀性或主觀性的前提下，采用森林健康研究常用的層次分析法（AHP）以及極少應用于森林健康評價的均方差決策綜合分析法（CA）和評價指標分值法（EIS）3種評價方法對該區馬尾松天然次生林的森林健康狀況進行對比評價，以分析影響鄂西南利中盆地馬尾松天然次生林森林健康的主要指標，并根據這些指標對不同等級的林分提出撫育經營建議。

1 研究區概況

研究區為鄂西南利中盆地（108°21′～109°18′E，29°42′～30°39′N），位于湖北省恩施土家族苗族自治州利川市的西北部、齊岳山麓以北，平均海拔1 150 m。該區屬亞熱帶大陸性季風氣候，以溫暖濕潤、降水量充沛為特點，年日照時間1 298.9 h，年平均氣溫12.7 ℃，無霜期255 d，年降水量1 470 mm，平均相對濕度82%，年蒸發量1 109.2 mm，10 ℃以上年積溫3 849 ℃。土壤主要有黃壤、黃棕壤和棕壤，典型植被為馬尾松天然次生林及馬尾松針闊葉混交林，主要喬木樹種有馬尾松、杉木（Cunninghamia lanceolata）、錐 栗（Castanea henryi）、刺 槐（Robiniapseudoacacia）等；灌木樹種以茶莢蒾（Viburnum setigerum）、無梗越桔（Vaccinium henryi）、宜昌莢蒾（Viburnum erosum）、細枝柃（Eurya loquaiana）等為主；主要草本植物有里白（Hicriopteris glauca）、鐵芒萁（Dicranopteris linearis）、頂芽狗脊（Woodwardia unigemmata）、五節芒（Miscanthus floridulus）等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2019年10月，根據不同坡向、坡位和立地條件，在研究區域內選取具有代表性的馬尾松天然次生林，參照熱帶森林科學中心（CTFS）樣地建立標準與技術規范[24]，建立34塊20 m×20 m的標準樣地。記錄各樣地經緯度、坡度、坡向、海拔、優勢種年齡（實際調查中，專家通過對優勢種的樹高、胸徑等形態特征估測優勢種年齡）和距主干道距離、腐殖質厚度（在樣地對角線及中心點選擇5個50 cm×50 cm的小樣點進行量測并計算平均值）、郁閉度、枯死木、伐倒木、林分人為干擾和幼苗更新情況等。對胸徑大于3 cm的木本植物鑒別物種名并進行每木檢尺，檢測其胸徑、樹高和枝下高，調查其枝條完整率和病蟲害程度等指標，對未檢尺的植物，記錄株數。記錄草本植物的種類、數量和蓋度。

2.2 指標計算與數據分析

相對重要值、凈初級生產率（生物量占年齡的百分比，馬尾松生物量計算參照艾訓儒等[25]生物量回歸方程，年齡用空間代替時間法估算）、樹高生長率、胸徑生長率、樹冠率、枯損率、樹冠競爭因子（參照段劼等[26]樹冠競爭因子的公式進行測算）和病蟲害指數8個指標是通過對每個樣地中的所有優勢種（馬尾松）進行每木測量并計算后獲得。參照靳愛仙[5]賦值方法分別對部分指標進行分級和賦值（表1）。

表 1 馬尾松天然次生林部分指標賦值Table 1 Evaluation of partial indices of P. massoniana natural secondary forest

采用Excel軟件對數據進行轉換計算，SPSS 18.0軟件進行數據因子分析、單因素方差分析和多重比較（Duncan法）分析，Origin 9軟件繪制統計圖。為了讓各個指標數據之間具有可比性，對數據進行標準化處理[11]。

2.3 森林健康評價指標體系的構建

本研究在分析和整合國內外現有研究成果[27-28]的基礎上，遵循可操作性、科學性、可比性和獨立性原則，采用復合結構功能指標法[29]，構建馬尾松天然次生林森林健康評價指標體系。指標體系由優勢種活力、群落組織結構、群落抵抗力與恢復力3個一級指標和26個二級指標構成（表2），并對該指標體系的各指標采用SPSS 18.0進行定量和定性篩選。定量分析是將34個樣地乘以24個要素層因子變量，建立矩陣表，進行因子主成分分析，其中Kaiser Meyer Olkin檢驗統計量（KMO）＜0.6，不滿足主成分分析的先驗性檢驗，也表明該26個指標之間相關性很弱，指標選取合理。

2.4 評價模型與方法

本研究采用層次分析法、均方差決策綜合分析方法和評價指標分值法3種評價方法對鄂西南利中盆地馬尾松天然次生林進行森林健康評價，參照評價標準，確定各林分健康等級。

2.4.1 層次分析法

1）評價模型。采用森林健康指數（FEHI）[11]大小來反映森林的健康狀況。

式中：wi、wj、wr分別為優勢種活力、群落組織結構、群落抵抗力與恢復力指標各二級指標的權重；pi、pj、pr分別為優勢種活力、群落組織結構、群落抵抗力與恢復力指標中二級指標準化后的值，且w3分別為優勢種活力、群落組織結構、群落抵抗力與恢復力指標的權重，且

2）指標權重的確定。各級指標采用層次分析法[10-11]確定權重。便于決策定量化和增加可信度，邀請25個與生態學相關專業的專家在滿足層次分析法檢驗要求基礎上重新改進1～9標度方法（制作專家評分表），并作相對重要性判斷，構建判斷矩陣，再用幾何平均法計算指標權重，最后進行一致性檢驗（所有判斷矩陣符合一致性比率（CR）=0＜0.1）。

2.4.2 均方差決策綜合分析方法

1）評價模型。對數據進行標準化處理，將確定的所有評價指標加權平均法計算，建立綜合評價模型[30]。

式中：H為森林健康指數；Uij為各樣地不同指標森林健康等級得分（標準化處理后的值）；wj為指標的權重。

2）指標權重的確定。采用均方差決策綜合分析方法[6,30]確定指標權重，首先數據標準化，其次計算平均值，再計算各指標均方差，最后計算各指標的權重。

表 2 層次分析法和均方差決策綜合分析方法分別確定的評價指標權重Table 2 Evaluation index weight respectively determined by analytic hierarchy process and comprehensive analysis of mean squared decision

2.4.3 評價指標分值法

1）評價模型。此模型參考李仁平[31]的評價模型，其中采用層次分析法計算權重表示為“評價指標分值法1”；采用均方差決策綜合分析法計算權重表示為“評價指標分值法2”。

式中：Si為第i個樣地森林健康指數；n為評價指標個數；Mij為第i個樣地第j個指標森林健康等級得分；Wj為第j個指標的權重。

2）評價指標分級標準。綜合考慮國內外森林健康研究成果及本研究馬尾松天然次生林結構特點，采用評價指標分值法[9]，將森林健康評價的各項指標劃分為5個等級（表3）。為便于定量計算，取各級域的平均值進行相應計算。以樣地為單位按評價指標逐項計算各指標分值。

表 3 森林健康評價指標分級標準Table 3 Classification criteria of forest health evaluation indices

2.5 森林健康等級劃分

根據以上3種評價方法獲得馬尾松天然次生林的森林健康指數，結合鄂西南利中盆地實際情況與特點，參照張秋根等[32]對森林健康等級劃分標準，確定各林分健康等級（表4）。

表 4 森林健康等級劃分范圍Table 4 Range of forest health classification

3 結果與分析

3.1 不同評價方法的評價結果比較分析

以樣地為單元，計算各評價方法不同評價等級的百分比，結果見圖1。由圖1可知，“良好健康”等級樣地個數在不同評價方法之間明顯差異，平均個數為6個、平均百分比為16.18%。評價指標分值法1的“良好健康”個數最多（9個），是均方差決策綜合分析法的4.5倍，層次分析法的“良好健康”樣地個數占例居第二，比評價指標分值法2高75%。評價指標分值法1比評價指標分值法2的“良好健康”樣地個數多5個。不同評價方法的“健康”等級樣地平均所占比重為69.85%。3種方法的健康狀態樣地個數范圍為21～26，其中均方差決策綜合分析法的“健康”樣地個數最多（26個），比層次分析法多3個樣地，比評價指標分值法1多1個樣地；評價指標分值法2的“健康”樣地個數相對最少（21個），比均方差綜合分析法樣地個數少19.23%。“亞健康”等級樣地個數在3種方法間差異較大，平均個數為5個，平均百分比為13.97%。評價指標分值法1沒有“亞健康”等級樣地，而評價指標分值法2樣地個數最多（9個）。層次分析法樣地個數比評價指標分值法2少55.56%。均方差決策綜合分析法樣地個數居第2（6個），比層次分析法多50%。

3種方法對馬尾松天然次生林森林健康評價的總體結果為健康，但是各種方法間存在差異。具體為各森林健康等級內3種評價方法的差異，結果見圖1。由圖1可知，“良好健康”等級以評價指標分值法1最高，顯著高于均方差決策綜合分析法；“良好健康”和“健康”等級在層次分析法與評價指標分值法1時均無顯著差異，而在“亞健康”等級時層次分析法顯著高于評價指標分值法1；均方差決策綜合分析法的“健康”等級最高，顯著高于評價指標分值法2；“亞健康”等級以評價指標分值法1最低，顯著低于評價指標分值法2、均方差決策綜合分析法和層次分析法。根據鄂西南利中盆地馬尾松天然次生林實際狀況以及考慮目前均方差決策綜合分析法應用于森林健康的評價較少，且數據計算客觀性強又易操作，而層次分析法和評價指標分析法均是人為主觀賦值或打分，故選取均方差決策法為最優評價方法。

圖 1 不同評價方法對馬尾松天然次生林森林健康的評價結果Fig. 1 Evaluation results of different evaluation methods on forest health of P. massoniana natural secondary forest

3.2 森林健康指數和各評價指標之間的相關性

森林健康指數與各評價方法指標相關性分析結果見表5。由表5可知，26個指標中有19個指標與3種評價方法呈顯著相關，表明這些指標是影響森林健康的主要因子。

表 5 森林健康指數與各評價方法指標相關性分析Table 5 Correlation analysis of forest health index with each evaluation method index

對馬尾松天然次生林森林健康狀況進行評價時，在采用評價指標分值法1時得出的顯著相關因子最多，為10個指標；其次是層次分析法和均方差決策綜合分析法，均為8個主要因子，且均與喬木層Simpson指數、喬木層Shannon-Wiener指數和喬木層Pielou均勻度指數3個指標呈顯著相關（P＜0.05）；在均方差決策綜合分析法中，森林健康指數與灌木層Shannon-Wiener指數和灌木層Pielou指數呈顯著負相關（P＜0.05）。評價指標分值法2的顯著相關因子最少，為枯損率、立地指數、草本蓋度、灌木層Pielou均勻度指數和樹高生長率5個指標。

喬木層Simpson指數在上述3種評價方法的森林健康指數與各指標相關性分析中頻次最高（3次），草本蓋度等10個指標出現2次，喬木層豐富度等8個指標僅出現1次。因此，喬木層Simpson指數是影響馬尾松天然次生林森林健康狀況的最主要因子，草本蓋度、灌木層Pielou均勻度指數、喬木層Pielou均勻度指數、喬木層Shannon-Wiener指數、枯損率、立地指數、人為干擾指數、樹高生長率、腐殖層厚度和優勢種幼苗率10個指標次之。

4 結論與討論

本研究采用層次分析法、均方差決策分析法和評價指標分值法3種方法（4種計算方式），其評價結果總體為“健康”。與劉曉玥等[33]采用層次分析法、熵權法和組合賦權法研究將樂林場常綠闊葉林的健康狀況結果相似，3種方法評價結果一致。層次分析法是森林健康研究常采用的評價方法[10-11,33]，而均方差決策綜合分析法和評價指標分值法少應用于森林健康評價。靳愛仙[5]和楊枝林[6]均采用均方差決策綜合分析法研究馬尾松人工林森林健康狀況，避免了人為主觀因素的影響，使評價結果更具有說服力。因此，今后對該區域馬尾松天然次生林進行森林健康狀況評價時，可選均方差決策綜合分析法進行評價。

Pearson相關性分析顯示，影響鄂西南利中盆地馬尾松天然次生林森林健康狀況的主要因子為喬木層Simpson指數、草本蓋度、立地指數、灌木層Pielou均勻度指數、枯損率、喬木層Pielou均勻度指數、喬木層Shannon-Wiener指數、人為干擾指數、樹高生長率、腐殖層厚度和優勢種幼苗率。目前在其他指標體系中很少應用立地指數和枯損率指標，但其相對重要性卻很高又是影響馬尾松天然次生林的主要因子。立地指數（林分在基準年齡高峰時的優勢木高）是造林和營林所依據的理論基礎中最重要、最基本的指標，可根據立地指數反映森林收獲量的高低[34]。枯損率越高表明林分活力越低、總體情況越差。因此在今后對天然林進行健康評價時，可根據林分情況，適當考慮引入立地指數和枯損率這2個指標參與分析、評估。

本研究得出影響馬尾松天然次生林的主要因子與楊枝林[6]確定馬尾松人工林林分活力與健康中多樣性指數和物種豐富度2個關鍵因子一致，與熊修文等[11]研究華山松人工林健康狀況中平均胸徑、平均樹高和單位面積蓄積量3個主要因子相同，與李梅[8]研究華北落葉松人工林生態系統健康中草本多樣性、天然更新密度、樹木大小多樣性和灌木多樣性主要因子相同，其他關鍵因子則不同，這可能是由于林齡、樹種組成、區域和林源存在一定差異。同時，與柴宗政[35]研究沁河源頭區油松林健康的單位面積蓄積量和喬木物種數主要因子完全一致。因此，在構建森林健康評價指標體系時，可考慮引入凈初級生產率、喬木層平均胸徑、優勢種幼苗率、樹高生長率、草本蓋度、喬灌草物種豐富度和多樣性指數。另外，均方差決策綜合分析法中森林健康指數與灌木層Shannon-Wiener指數和灌木層Pielou指數呈顯著負相關，結合鄂西南利中盆地馬尾松天然次生林實際情況，部分樣地林下草灌木多樣性高，豐富的林下草灌木對營養物質和生存空間等競爭激烈，導致穩定性較差，建議這部分林分可根據實際情況適當伐除灌木和草本，降低林下植被覆蓋率，提高馬尾松天然次生林的健康程度；同時，這也進一步表明均方差決策綜合分析法比層次分析法和評價指標分值法更全面反映該區域馬尾松天然次生林的林分實際狀況。

森林的健康狀態影響森林資源的經營與發展，對其健康程度進行評價是林學的研究熱點之一。森林健康評價的關鍵是建立科學、合理的評價指標體系，建立的正確與否直接關系到評價結果的準確性與科學性。本研究以群落穩定性、群落持續性和群落結構功能完備性為評價標準，用復合結構功能指標法確定評價指標體系，包括3大類26個指標，其中73%（19個指標）的指標與層次分析法、均方差決策分析法和評價指標分值法3種評價方法呈顯著相關，且指標簡單易測，具有較高的可操作性。

鄂西南利中盆地馬尾松天然次生林森林健康評價結果為健康狀態，該區馬尾松天然次生林樣地中“健康”等級的樣地占比達69.85%，16.18%的樣地為“良好健康”，處于“亞健康”樣地占總數的13.97%，無不健康林分。在今后經營過程中對于“良好健康”等級的天然次生林，繼續維持，以促進其向“優質”狀態轉變。“健康”等級應繼續維持生物多樣性，適當調整林分結構，合理間伐林下灌木層植被，以提高喬木層植被的豐富度與多樣性。針對“亞健康”林分可適當伐除灌木和草本，增加腐殖層厚度，為群落主要優勢種及其更新提供一定資源空間，增加群落穩定性等。

結合樣地實際情況與指標客觀性，均方差決策綜合分析法是最客觀、最易操作的最優評價方法，因此今后對該區馬尾松林的健康評價可采用此方法。此外，本研究對馬尾松天然次生林森林健康評價只是基于現有數據，未考慮其動態發展過程，為了更加客觀、準確地評價森林健康狀況，今后應形成對森林健康的動態監測和評價。