徐 梅 關慶偉

(南京林業(yè)大學森林資源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210037)

徐州側柏人工林健康評價研究

徐 梅 關慶偉

(南京林業(yè)大學森林資源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210037)

為了明晰徐州側柏人工林的健康狀況，選取群落垂直結構、郁閉度、單位面積蓄積量、林分更新、森林病蟲害等級、森林火險指數(shù)等10個評價指標，建立評價指標體系。根據(jù)該評價體系，采用層次分析法和模糊數(shù)學方法，將森林健康分為優(yōu)質、健康、亞健康、不健康和疾病5個等級，通過樣地調查并結合現(xiàn)有相關數(shù)據(jù)，對60塊典型樣地進行評價。結果表明：在總評樣地中，優(yōu)質樣地占5.00%，健康樣地占15.00%，亞健康樣地占43.33%，不健康樣地占30.00%，疾病樣地占6.67%。徐州側柏人工林的整體健康等級為亞健康，建議通過增加林下木本植物種類和數(shù)量、對密度過大的樣地進行間伐及開設林窗等途徑提高徐州側柏人工林的健康程度。

側柏人工林；森林健康；評價體系；模糊綜合評價法

森林健康評價是指采用完善的評估指標體系來診斷和評估現(xiàn)有森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，是對森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平、結構狀態(tài)、抵抗外界干擾能力以及服務功能等多方面綜合能力的一種評估[1-2]。森林健康評價是目前對森林最為有效的管理手段，能夠及時、準確地反應森林現(xiàn)狀，在森林管理和保護中發(fā)揮著越來越重要的作用[3-5]。目前，國內(nèi)外學者和機構已從諸多方面對森林健康評價進行大量研究，涉及的評價指標不同[6-8]，評價方法各異[9-10]。2012年，張文海[11]從生產(chǎn)力水平、可恢復性、水源涵養(yǎng)功能3個方面初步構建了華北土石山區(qū)典型區(qū)域水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系。其中，水源涵養(yǎng)功能指標主要包括：葉面積指數(shù)、枯落物有效持水量、土壤持水力、土壤侵蝕度等；生產(chǎn)力水平指標主要包括：單位面積蓄積量、物種多樣性、生態(tài)脆弱度、病蟲害等級等；恢復能力指標包括：林齡結構、近自然度、群落垂直結構、林分郁閉度等。2013年，李杰等[12]選擇2大類21個指標對金溝嶺林場楊樺(Populus-Betula)次生林進行健康評價。第1類是基礎指標，是森林健康的內(nèi)在條件和次生林健康經(jīng)營的基礎，從系統(tǒng)活力、組織力、恢復力3方面，選擇生物量指標、組織結構、層次結構、生物多樣性、人為干擾程度5個指標；第2類是經(jīng)營指標，反應了健康、合理的經(jīng)營措施與保持森林健康之間的重要關系，從森林效能、林地環(huán)境及森林經(jīng)營3個方面選擇了經(jīng)濟價值、生態(tài)效益、土壤指標、改造措施4個指標。

縱觀國內(nèi)外研究進展，關于森林健康評價的研究還在豐富和完善的過程中，森林健康評價研究目前面臨的主要問題有：沒有統(tǒng)一的森林評價指標及其評價標準；目前森林健康評價多為某一時段的靜態(tài)研究，然而靜態(tài)研究不能夠全面地揭示森林健康狀況的動態(tài)變化規(guī)律和趨勢；現(xiàn)階段的森林健康評價尚未考慮森林的經(jīng)營目的，與森林經(jīng)營之間的關系還不明確，對森林健康經(jīng)營的指導能力不足；國內(nèi)多數(shù)學者采用指標體系評價法對森林進行健康評價，對指示物種評價法的研究相對較少[13-15]。

徐州市目前側柏(Platycladusorientalis(L.)Franco)純林達到2萬多hm2。20世紀50—60年代，徐州市營造了大量側柏人工林[16]，在改善環(huán)境等方面起到了非常重要的作用。但是，當時造林目的只為荒山綠化，缺乏長遠的目標，并且后期的撫育管理不到位，導致現(xiàn)今的側柏林存在許多問題，如出現(xiàn)生長緩慢、結構簡單、林分密度過大、林木間競爭激烈、“小老樹”現(xiàn)象嚴重、天然更新差等問題[17]。為了優(yōu)化側柏人工林結構，提高其健康程度，本文利用森林資源二類調查數(shù)據(jù)及樣地調查數(shù)據(jù)，旨在建立徐州市石灰?guī)r山地側柏人工林健康評價指標體系，評價其健康程度，探討實現(xiàn)其健康經(jīng)營的途徑，以期為該地區(qū)側柏人工林的健康經(jīng)營提供科學依據(jù)。

1 研究地概況

江蘇省徐州市地處東經(jīng)116°22′～118°40′，北緯33°43′～34°58′。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，夏無酷暑，冬無嚴寒。年均氣溫為13～16℃，年均日照時數(shù)(絕對日照) 2 000 ～ 2 600 h，日照率52%～57%，年均無霜期200～220 d，年均降水量800～930 mm，雨季降水量占全年的56%。土層瘠薄，裸巖率較高，土壤類型為石灰?guī)r發(fā)育而成的粗骨褐土和淋溶褐土。土壤大多無石灰反應，腐殖質少，保肥水能力差。

徐州的地帶性植被原為落葉闊葉林，但由于歷史上的種種原因，原生植被已不復存在?，F(xiàn)有植被以20世紀50—60年代營造的人工林為主，側柏人工林是徐州山體的主要植物群落類型，樹齡40～50 a，林分密度725～ 3 450 株/hm2，平均胸徑7.19～13.20 cm，平均樹高4.75～6.77 m。側柏林下灌木如酸棗(ZizipZhusjujuba)、胡枝子(Lespedezabicolor)等生長良好，一些土層較厚的地塊逐漸出現(xiàn)小片落葉闊葉林，樹種包括樸樹(Celtissinensis)、槐樹(Sophorajaponica)、臭椿(Ailanthusaltissima)、楸樹(Catalpabungei)、青桐(Firmianasimplex)等。

2 數(shù)據(jù)來源

2012年10月，根據(jù)徐州側柏人工林的生長及分布情況，結合該地區(qū)遙感圖，在銅山縣趙疃林場，市區(qū)云龍山、泉山、玉碧山、大橫山、九里山、洞山等地段選取典型標準樣地60塊。每個標準地面積為20 m×20 m，標準地的劃分均采用羅盤儀定向，皮尺量距，測設境界線，閉合差要求<1/200，用GPS對標準地起始點進行定位。

每塊標準地內(nèi)設置5個5 m×5 m中等樣方和25個1 m×1 m的小樣方，分別調查灌木和草本；土壤調查包括土壤樣品的采集和土層厚度測定；林分更新調查在中等樣方采用分層調查的方式對更新的喬木數(shù)量、種類進行調查；枯落物調查在中等樣方中調查枯枝落葉厚度。內(nèi)業(yè)分析主要包括土壤孔隙度、毛管孔隙度等各項指標的測定，測定方法參考文獻[18]。

研究數(shù)據(jù)在樣地調查的基礎上，結合徐州市第七次森林資源二類調查數(shù)據(jù)，進行森林健康評價。

3 森林健康評價指標體系與評價模型的構建

3.1 森林健康評價指標體系的構建

在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，從森林結構完整性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、服務可持續(xù)性角度出發(fā)，依據(jù)評價體系構建科學性、可操作性、適用性及系統(tǒng)性等原則，結合徐州側柏人工林的現(xiàn)狀和特點，選取10個評價指標及8個亞指標，建立一個可利用指標體系，對徐州側柏人工林健康狀況進行評價。森林健康評價指標體系見表1。

表1 森林健康評價指標體系

本研究針對側柏人工林進行健康評價研究，指標層指標標準處理分3種類型。

1) 群落垂直結構指標、郁閉度指標、森林病蟲害指標、干擾指標、林分更新指標、葉面積指數(shù)指標與枯落物厚度指標，其標準劃分在咨詢專家的基礎上結合研究區(qū)域實際情況，按照《森林資源規(guī)劃設計調查主要技術規(guī)定》的相關規(guī)定進行劃分。

2) 通過SPSS頻數(shù)分析，單位面積蓄積量指標符合正態(tài)分布，指標標準通過正態(tài)等距分析法劃分。

3) 采用平均值法計算森林火險指數(shù)、土壤持水力指標的標準。森林火險指數(shù)指標由主要樹種、坡向、坡度、地被物蓋度與平均枝下高等5個亞指標綜合決定。土壤持水力指標由土層厚度、土壤總孔隙度、非毛管孔隙度等3個亞指標綜合決定。

3.2 建立綜合評價模型

3.2.1 評價指標權重的確定 權重是以某種數(shù)量形式，對比、權衡被評價事物總體中諸因素相對重要程度的量值。本文采用專家咨詢法和層次分析法確定各指標權重，對25位林學和生態(tài)學專家發(fā)放調查問卷請專家進行打分，建立判斷矩陣，并經(jīng)過一致性檢驗，最后經(jīng)過總排序得到各指標權重。

3.2.2 評價指標的標準劃分 本研究中在指標層指標標準的制定過程中主要參考了《國家林業(yè)局森林資源規(guī)劃設計調查主要技術規(guī)定》和《全國生態(tài)公益林建設標準》，在專家咨詢的基礎上結合該研究區(qū)域其他學者的研究情況，指標標準的劃分見表2，其中，亞指標標準的劃分見表3，干擾程度指標的具體分級描述見表4。

表2 側柏人工林健康評價指標權重及分級標準

表3 森林健康評價亞指標分級標準

表4 干擾程度等級劃分標準

3.2.3 指標隸屬度的確定 研究應用多級模糊綜合評價法確定健康等級隸屬度，其評價步驟如下。

1) 構建評價對象的指標或亞指標集。

U={U1，U2，…,Ui}

式中：Ui為評價對象指標，i=1，2，3，…，n。

2) 建立評價集。

V={V1，V2，…，Vj}

式中：Vj為評價等級，j=1，2，3，…，n。

3) 建立單因素評價矩陣。對指標集或亞指標集中的每一個指標根據(jù)評價集中的評價等級作出評價，即該指標在評價集中對每個評價等級有多大的隸屬度，從而得到矩陣R：

4) 建立指標權重向量。由于每個指標的權重不同，需要對各指標賦予不同的權重值，可以表示為：

A=(A1，A2，…，Ai)，(i=1，2，3，…，n)

5) 模糊綜合評價。

B=A×R=(B1，B2，…，Bj)，(j=1，2，3，…，n)

6) 林分健康等級Y的確定方法。

Y=Bk

Bk=max(B1，B2，…，Bj)

式中：Y為森林健康等級；Bk為評價等級中權重比例最大的數(shù)值。

4 結果與分析

對徐州側柏林的60塊樣地進行健康評價，并對樣地健康評價結果進行統(tǒng)計，結果見表5。

表5 徐州側柏人工林樣地健康評價結果統(tǒng)計

表5統(tǒng)計結果表明，在總評樣地中，優(yōu)質樣地占5.00%，健康樣地占15.00%，亞健康樣地占43.33%，不健康樣地占30.00%，疾病樣地占6.67%。在60塊樣地中，亞健康樣地比例最大，其次是不健康樣地，這說明了徐州整體側柏人工林的健康等級為亞健康。

針對徐州側柏人工林處于亞健康狀態(tài)這一評價結果，依據(jù)指標權重，本文從林分更新、林分密度、群落垂直結構、土壤持水力等4個方面，分析徐州山地側柏人工林亞健康狀況的原因。

1) 林分更新。此次調查，在60塊樣地中，林分更新指標級別健康的占3%，亞健康的占25%，不健康的占72%，綜合更新力指標級別為不健康。其中，更新力健康的樣地中平均更新330株，不健康的樣地平均更新176株。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，林下更新層出現(xiàn)頻率超過50%的樹種是側柏、桑樹(Morusspp.)、構樹(Broussonetia papyrifera)、苦楝(Melia azedarach)、泡桐(Paulownia fortunei)、刺槐。對比優(yōu)質樣地與不健康樣地林分更新調查結果，發(fā)現(xiàn)兩者側柏的出現(xiàn)頻率相差16%，反映了不健康樣地側柏的更新力弱；桑樹、構樹等闊葉樹在優(yōu)質樣地與不健康樣地中都有更新，但不健康樣地闊葉樹的出現(xiàn)頻率遠低于優(yōu)質樣地。

2) 林分密度。調查表明，優(yōu)質樣地密度為 2 590～ 3 180 株/hm2，亞健康樣地密度為 2 990～ 4 125 株/hm2。根據(jù)董鵬等調查結果[19]，徐州側柏人工林合理的林分密度應當處于 2 325 ～ 3 225 株/hm2。在調查中，林分密度在此范圍的樣地有23塊，占所有樣地的38.3%；而林分密度為 3 225 ～ 4 125 株/hm2的樣地有25塊，占所有樣地的41.7%。結果表明，徐州側柏人工林林分密度偏大。而單位面積蓄積量與林分密度有關[20-21]，在合理密度范圍內(nèi)，林分蓄積量逐漸達到最大隨后逐漸下降，波峰處于其間。因此，大于合理密度，林分蓄積量必定隨著密度增大逐漸下降。此外，林分密度過大，導致單株個體生長受阻，林下植被光照較少，影響了群落的多樣性。

3) 群落垂直結構。徐州側柏人工林群落結構較為簡單，一般可分為1～2層。喬木層平均高度7.5m，平均蓋度65%，以側柏為優(yōu)勢種，只伴生極少數(shù)的如臭椿、桑樹、刺槐等闊葉樹種。灌木層高0.8～2.0m，平均蓋度為15%，該層主要由酸棗、胡枝子等樹種構成。草本層幾乎無。簡單的群落結構導致生態(tài)系統(tǒng)的脆弱，生態(tài)穩(wěn)定性低。

4) 土壤持水力。徐州山地土壤瘠薄，平均土層厚度15cm，平均總孔隙度62.4%，平均非毛管孔隙度16.6%。依據(jù)評價指標亞指標分級標準，得出土壤持水力隸屬值為2.3，屬于級別Ⅲ即亞健康等級。優(yōu)質樣地土壤持水力平均隸屬值為4.5，不健康樣地土壤持水力平均隸屬值為1.4。因此，受貧瘠的土壤影響，側柏人工林中個體生長受阻，生物多樣性較低，生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)。

5 結論與建議

針對徐州市側柏人工林處于不健康狀態(tài)的評價結果，建議通過增加林下木本植物、對密度過高的樣地進行間伐以及開設林窗等途徑，促進該地區(qū)側柏人工林形成復雜的群落結構和穩(wěn)定的發(fā)展模式。

1) 對于密度低的樣地以及群落層次結構簡單的樣地，選擇一些具有觀賞性較高、耐干旱瘠薄、易繁殖、生長迅速的鄉(xiāng)土樹種補植，如欒樹(Koelreuteria paniculata)、臭椿、火炬樹(Rhus typhina)、泡桐、三角楓(Acer buergerianum)、樸樹(Celtis sinensis)等闊葉喬木樹種以及小葉女貞(Ligustrum quihoui)、酸棗、胡枝子等灌木種類，增加林下木本植物的種類和數(shù)量，提高林下木本植物的多樣性，調整林分結構，促進下層植被的豐富并向多元化發(fā)展，實現(xiàn)側柏人工林的健康經(jīng)營。

2) 對密度高的樣地進行間伐，達到降低郁閉度，促進林下植被生長，改變林分結構，增加森林蓄積量的作用。間伐是森林經(jīng)營的一種手段，對樣地進行間伐時應考慮間伐的強度和間隔期。此次調查結果，徐州側柏人工林林分密度偏大，因此對于密度大于 3 125 株/hm2、生長緩慢、健康指數(shù)差的林分，應伐去密度大、樹干彎曲、多杈、偏冠以及受害的、生長衰弱的林木，使得保留的、健康的樹種有足夠的營養(yǎng)空間，從而加快其生長速度。在間伐過程中應遵循以下幾個原則：(1)采壞留好，伐除病腐枯死木、彎曲多枝和機械損傷木，保留生長良好的林木、干形通直的林木和沒有損傷及病蟲害的林木(在考慮林分結構多樣穩(wěn)定的基礎上，也可以適當?shù)谋Ａ粢恍┎煌癄€程度和一定分布密度的枯立木)，在滿足穩(wěn)定結構的同時也為森林動物、微生物提供棲息和生存場所。(2)采針留闊、改變純林結構，保留生態(tài)系統(tǒng)中具有關鍵作用的混交樹種。(3)采伐后能夠形成大小適宜、分布均勻的林間空地，為林下植被的生長提供適宜條件。(4)采伐后使得林分形成不同年齡、樹種合理搭配的異齡林。

3) 對密度過大的亞健康和不健康側柏人工林進行疏伐，不僅能夠降低郁閉度，還具有開設人工林窗的效果。林窗是人工誘導與定向恢復及更新的有效驅動力，能形成具有邊緣效應的生態(tài)交錯微區(qū)，在一定尺度范圍內(nèi)引起微環(huán)境因子發(fā)生變化，為幼苗萌發(fā)和生長提供必要的生態(tài)條件，有利于幼苗的萌發(fā)、存活和生長，讓林下灌木層、草本層自然更新和生長，對森林的更新和生長起到促進作用[22]。開設人工林窗時除了遵守間伐的原則外，采伐那些能在伐后形成適宜大小林隙的林木，還需要考慮林窗的形狀、大小、年齡以及邊緣木等。疏伐后，在林窗部位種植闊葉幼苗、幼樹。與針葉樹相比，闊葉樹灰分含量高，養(yǎng)分周轉能力強，抗病蟲能力強。因此，可以通過補充闊葉樹調整林分結構的改造方法，改善養(yǎng)分循環(huán)狀況，促進系統(tǒng)的自我維持，提高系統(tǒng)活力和恢復力，同時還可以促進地表可燃物的分解。

[1] 王宗軍.綜合評價的方法、問題及其研究趨勢[J].管理科學學報，1998，1(1)：75-79.

[2] 肖風勁，歐陽華，孫江華，等.森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標與方法[J].林業(yè)資源管理，2004(1)：27-30.

[3] 王彥輝.酸化森林生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化的影響[M].北京：華文出版社，2001.

[4] 胡涌，李吉躍，馮仲科.森林生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測評價的3S技術體系[J].北京林業(yè)大學學報，2005，27(S1)：24-27.

[5]RapportDJ.Gainingrespectability:Developmentofquantitativemethodsinecosystemhealth[J].EcosystemHealth, 1999, 5(1): 1-2.

[6] Costanza R , Norton B G, Haskell B D. Ecosystem Health: New Goals for Environmental Management[M]. Island Pr, 1992.

[7] McCune B. Lichen communities as indicators of forest health[J]. The Bryologist, 2000, 103(2): 353-356.

[8] Zarnoch S J, Bechtold W A, Stolte K W. Using crown condition variables as indicators of forest health[J].Canadian Journal of Forest Research, 2004, 34(5): 1057-1070.

[9] 陳高，代力民，姬蘭柱.森林生態(tài)系統(tǒng)健康評估I：模式、計算方法和指標體系[J].應用生態(tài)學報，2004，15(10)：1473-1479．

[10] 王義平，吳鴻，徐華潮.以昆蟲作為指示生物評估森林健康的生物學與生態(tài)學基礎[J].應用生態(tài)學報，2008，19(7)：1625-1630．

[11] 張文海. 華北土石山區(qū)典型區(qū)域水源涵養(yǎng)林健康評價研究[D].北京：北京林業(yè)大學，2012.

[12] 李杰，寧楊翠，鄭小賢. 金鉤嶺林場楊樺次生林健康評價研究[J].西北林學院學報，2013，28(2)：191-195.

[13] 雷相東，唐守正.林分結構多樣性指標研究綜述[J].林業(yè)科學，2002，38(3)：140-146.

[14] Biging G S, Dobbertin M. Evaluation of competition indices in individual tree growth models[J]. Forest Science, 1995, 41(2): 360-377.

[15] Hanus M L, Hann D W, Marshall D D. Reconstructing the spatial pattern of trees from routine stand examination measurements[J]. Forest Science, 1998, 44(1): 125-133.

[16] 尤海梅，孟繁國，王仲宇.徐州市側柏人工林主要樹木種群種間聯(lián)結性[J].中南林業(yè)科技大學學報，2008，28(2)：63-68．

[17] 王振營，董鵬，李朝，等.徐州側柏人工林現(xiàn)狀調查與土壤分析[J].江蘇林業(yè)科技，2010，37(2)：15-19.

[18] 趙陽，余新曉，吳海龍，等.華北土石山區(qū)典型森林枯落物層和土壤層水文效應[J].水土保持學報，2011，25(6)：148-152.

[19] 董鵬，張昊楠，關慶偉，等.徐州側柏林林分密度與林木生長關系的研究[J].中國城市林業(yè)，2010，8(5)：39-42.

[20] 黃家榮.貴州杉木人工林經(jīng)營密度模型初探[J].北京林業(yè)大學學報，1993，15(4)：32-36.

[21] 葉功富，林武性，張水松，等.不同密度管理措施對杉木林分的生長、生態(tài)效應的研究[J].福建林業(yè)科技，1995，22(3)：1-8.

[22] 于寧樓.九龍山不同森林類型立地長期生產(chǎn)力研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2001.

(責任編輯 趙粉俠)

Health Assessment ofPlatycladusorientalisPlantation in Xuzhou

XU Mei, GUAN Qing-wei

(College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China)

In order to evaluate the health status ofPlatycladusorientalisplantations in Xuzhou Municipality, a forest health assessment index system was formulated by integrating 10 indexes such as the vertical structure of the community, canopy density, standing stock per unit area, forest regeneration, damage grade of forest pests, hazard index of forest fire, etc. According to the health assessment index system, and by means of the analytical hierarchy process (AHP) and fuzzy mathematics method, the forest health status was divided into five classes, i.e., superior healthy, healthy, sub-healthy, unhealthy and ill. 60 typical sample polts chosen from Xuzhou were evaluated by combining the sample plot survey with existing relative data. The results showed that the superior healthy sample plots accounted for 5%, health sample plots accounted for 15%, sub-healthy sample plots accounted for 43.33%, unhealthy sample plots accounted for 30%, and the ill sample plots accounted for 6.67% of the total 60 sample plots. It illustrated that the overall health grade ofP.orientalisplantation in Xuzhou was sub-healthy. It was proposed to increase the quantity and species of understory woody plants, conduct thinning in the over-densed sample plots, and open forest gaps to improve the health status of theP.orientalisplantations in Xuzhou.

Platycladusorientalisplantation; forest health; health assessment; fuzzy mathematics method

2013-11-14

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104075)資助；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目資助。

關慶偉(1964—)，男，博士，教授，博士生導師。研究方向：城市森林生態(tài)學。Email：guanjapan999@163.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.02.008

S725.7

A

2095-1914(2014)02-0039-05

第1作者：徐梅(1985—)，女，碩士生。研究方向：城市林業(yè)與城市生態(tài)學。Email：530525335@qq.com。