陳雪鵑，李朝嬋，黃家湧，陳 翔

(1中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；2貴州師范大學，貴州 貴陽 5500011；3貴州百里杜鵑管理區(qū)管理委員會科研所，貴州 畢節(jié) 551700；4貴州省生物研究所，貴州 貴陽 550009)

開展森林健康現(xiàn)狀診斷是對森林進行有效保護及可持續(xù)性經(jīng)營管理的重要前提，也是森林動態(tài)變化研究中的主要研究內(nèi)容。目前，國內(nèi)外學者主要以通過構建評價指標體系的方法來實現(xiàn)對森林生態(tài)系統(tǒng)健康的評價測度。Caims(1993)最先從生態(tài)學、物理化學、社會經(jīng)濟3方面去選擇評價生態(tài)系統(tǒng)健康的指標體系[1]。Rapport(1998)主張從系統(tǒng)活力、組織結構和恢復力3方面評價森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，提出健康模型HI=V×O×R，要求使用權重因素去比較和綜合系統(tǒng)中不同組分[2]。曹春香(2013)提出了環(huán)境健康遙感診斷的概念，其核心是利用遙感技術實現(xiàn)對影響生態(tài)環(huán)境健康因子的宏觀把控[3]。王剛(2015)從典型性、抵抗力、活力和環(huán)境4要素出發(fā)，選用了大熊貓棲息地適應性、物種多樣性、森林病蟲害等9個經(jīng)典指標，建立了臥龍保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系[4]。劉芬(2016)基于Landsat 8影像，運用層次分析法，從原始單波段、纓帽變換和植被指數(shù)3種不同處理方面建立指標體系，開展了大興安嶺林區(qū)的森林健康評價[5]。

貴州百里杜鵑林區(qū)是目前世界面積最大、種類最多的天然杜鵑RhododendronL.林帶之一，是我國特有、珍貴的自然資源，具有重要的科研及保護價值[6]。由于百里杜鵑具有典型喀斯特地貌特征，且林區(qū)內(nèi)樹種相對單一，森林生態(tài)穩(wěn)定性較差，加之近年極速擴張的旅游資源開發(fā)帶來大量人為活動干擾，已使得該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)受到較大影響。目前，關于百里杜鵑林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康及其遙感診斷方面的研究未見報道。為掌握林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，更加合理地保護林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)及利用物種資源，我們自2015年(項目現(xiàn)狀年)起開展了“貴州百里杜鵑林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康遙感診斷與預測”專題研究，本文報道了其中部分內(nèi)容及研究結果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

百里杜鵑林區(qū)位于貴州省西北部畢節(jié)地區(qū)的黔西、大方兩縣交界處，總面積511.25 km2。該區(qū)地處黔西高原向黔中中山丘陵過渡的斜坡地帶，屬高原中山丘陵地貌類型，海拔1500～1800 m。區(qū)內(nèi)基巖主要為碳酸鹽巖，其分布面積約占70%。土壤類型以山地黃壤和山地黃棕壤為主，土壤表層pH值為4.5～6.5之間，下層pH值約為5.0。研究區(qū)地處低緯度、高海拔地區(qū)，氣候類型屬亞熱帶溫暖濕潤氣候。由于地勢較高，其氣候表現(xiàn)為亞熱帶高原溫涼氣候。年平均氣溫11.8 ℃，年降水量1180.8 mm，年平均相對濕度84%。主要災害性天氣有春季低溫、春旱及秋季低溫綿雨、暴雨、冰雹、霜凍等。該區(qū)地處中亞熱帶常綠闊葉林帶，地帶性植被是常綠闊葉林，全區(qū)森林覆蓋率62.85%，現(xiàn)有植被中多為各種灌叢植被，尤以種類繁多的天然杜鵑灌木林為主[7]。

1.2 森林健康遙感診斷指標體系構建

依據(jù)環(huán)境健康遙感診斷指標因子篩選的指導思想[3]，選取指標時需遵循科學性、完備性、可操作性、多樣性和同趨勢化等原則。在總結歸納研究區(qū)森林資源特點和社會需求分析的基礎上，以Rapport等提出的健康模型HI=V×O×R為理論框架基礎[2]，參考DB11/T 725—2010《森林健康經(jīng)營與生態(tài)系統(tǒng)健康評價規(guī)程》[8]，基于百里杜鵑林區(qū)1992年—2015年區(qū)域遙感數(shù)據(jù)并結合野外調(diào)查、文獻研究及問卷調(diào)研等資料，構建了森林健康遙感診斷指標體系(表1)。

表1 森林健康遙感診斷指標體系Tab.1 Remote sensing diagnosis index system of forest health

在指標權重賦值方面，應用了專家打分法結合文獻查閱的方法，首先確定3個準則層的相對權重值，再以專家咨詢及相關技術人員調(diào)查問卷結果為基礎，采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)確定具體指標在各準則層的相對權重，參考田蓉(2015)的方法[9]并利用層次分析法的輔助軟件Yaahp獲得具體指標的預設權重。

1.3 森林健康遙感診斷指標計算方法

1.3.1 組織結構指標

1)森林植被覆蓋度

參照穆少杰等(2012)的計算方法[10]，采用像元二分模型估算植被覆蓋度。假設每個像元的NDVI值(植被指數(shù))可以由植被和土壤兩部分合成，則其計算公式：

NDVI=NDVIvCi+NDVIs(1-Ci)

(1)

式中，NDVIv是植被覆蓋部分的NDVI值，NDVIs為土壤部分的NDVI值，Ci為植被覆蓋度。根據(jù)公式(1)，則Ci的計算公式：

(2)

分別使用森林區(qū)域NDVI最大值和最小值代替NDVIV和NDVIS，則Ci的計算公式：

(3)

依據(jù)公式(4)對待評價森林區(qū)域的植被覆蓋度進行歸一化計算：

SCi=10×Cmean

(4)

式中Cmean是指待評價森林區(qū)域的平均植被覆蓋度。

2)森林群落結構指數(shù)

參照DB11/T 725—2010《森林健康經(jīng)營與生態(tài)系統(tǒng)健康評價規(guī)程》[8]，森林群落結構指數(shù)對應分值(Sfs)可通過下列公式進行計算：

(5)

式中，Aa為喬灌草復層林群落面積，Ab為喬灌草單層林群落面積，Ac為喬灌木的群落面積，Ad為只有喬木草本的群落面積，Ae為只有喬木的群落面積，Af為只有灌草的群落面積，Ag為只有灌木的群落面積，Ah為只有草本的群落面積。單位均為km2。

3)生物多樣性

根據(jù)HJ623—2011《區(qū)域生物多樣性評價標準》[11]及馬廣仁(2016)的方法[12]，生物多樣性指數(shù)(BI)的表達式為公式(6)。

BI=[野生高等動物種類/635×0.25 +野生維管束植物種類/3662×0.25+物種特有性×0.25+受威脅物種的豐富度×0.125+(1-歸一化外來物種入侵度)×0.125]×100

(6)

式中，物種特有性見公式(7)，受威脅物種的豐富度見公式(8)，歸一化外來物種入侵度見公式(9)。

物種特有性=(評價區(qū)域內(nèi)中國特有的野生高等動物種數(shù)/635+評價區(qū)域內(nèi)中國特有的野生維管束植物種數(shù)/3662)/2/0.3340

(7)

受威脅物種的豐富度=(受威脅的野生高等動物種數(shù)/635+受威脅的野生維管束植物種數(shù)/3662)/2/0.1572

(8)

歸一化外來物種入侵度=外來入侵物動物、植物和微生物種數(shù)/本地野生高等動物和野生維管束植物種數(shù)之和/0.1441

(9)

生物多樣性分級按公式(10)歸一化：

(10)

式中，BI為生物多樣性指數(shù)；Sbi為生物多樣性指數(shù)打分結果。

4)森林破碎度

參照景觀格局分析中的景觀破碎度指數(shù)，采用李小妹等(2014)的方法[13]，使用遙感數(shù)據(jù)獲取的森林破碎度指數(shù)來測度森林景觀的破碎化程度，其表達式為：

(11)

式中，A為森林景觀面積；Ni為第i類景觀斑塊數(shù)，在景觀水平上是指針葉林、闊葉林等不同類型森林斑塊的總數(shù)；m是景觀中斑塊類型數(shù)。參考田蓉(2015)的方法[9]，以待評估區(qū)域待評價時相約20年前的森林景觀破碎度Ifr作為參考值，用評價年份的景觀破碎度與參考年份的景觀破碎度比值(即破碎化趨勢)來反映森林景觀受人為和自然影響的變化程度。該區(qū)域的森林破碎度指數(shù)歸一化分值SIf計算方式如下：

(12)

式中，If為待評價森林評價年份景觀破碎度指數(shù)；Ifr為待評價森林參考年份森林景觀破碎度指數(shù)。

1.3.2 活力指標

1)森林生物量

結合地面實測數(shù)據(jù)及待評價森林的植被分類，利用遙感影像獲取的植被指數(shù)進行不同植被生物量的估算。首先利用不同植被的實測生物量數(shù)據(jù)與植被指數(shù)建立生物量B的估算方程，可表示為：

Bi=f(VI1，VI2，…，VIi)

(13)

式中，Bi為某類植被的生物量，VI1，VI2，…，VIi為待評價森林區(qū)域該類植被對應的某個或某幾個植被指數(shù)，該方程具體計算公式需要結合待評價森林區(qū)域具體情況計算確定。

其次，使用MODIS的MYD13A3的月植被指數(shù)數(shù)據(jù)結合森林分類結果，基于生長季的植被指數(shù)變化趨勢，對待評價森林不同植被類型的歷史長勢狀況進行分析；同時結合實際調(diào)查結果，對待評價森林區(qū)域的歷史變化狀況進行判定，確定森林長勢的歷史最優(yōu)和最差年份。將最優(yōu)和最差年份對應的植被生物量作為該類植被生物量的劃分閾值，則可根據(jù)公式(14)計算森林生物量的歸一化分值SBmean：

(14)

式中，A1、A2…An對應待評價森林區(qū)域內(nèi)不同植被類型(如針葉林、針闊混交林等)的面積；Af為待評價森林的總面積；Bmean1、Bmean2…Bmeann，為待評估森林評價年份不同類型植被的生物量均值；Bmax1、Bmax2…Bmaxn，為歷史最優(yōu)年不同植被類型的生物量均值；Bmin1、Bmin2…Bminn，為歷史最差年不同植被類型的生物量均值。

2)森林凈初級生產(chǎn)力

植物凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)計算公式：

森林凈初級生產(chǎn)力NPP=總初級生產(chǎn)力-自養(yǎng)呼吸消耗

(15)

研究采用NPP產(chǎn)品，結合GIS分析，估算待評價區(qū)域的森林NPP。NPP數(shù)據(jù)來自美國NASA EOS /MODIS的MOD17A3數(shù)據(jù)(https：//lpdaac.usgs.gov/get_data/data_pool)。依據(jù)植被指數(shù)的變化確定待評價森林區(qū)域的歷史最優(yōu)年和最差年，將其對應的不同森林類別NPP數(shù)值分別作為最優(yōu)和最差的參考值，再根據(jù)公式(16)計算森林凈初級生產(chǎn)力值的歸一化分值：

(16)

式中，A1、A2…An對應待評價森林區(qū)域內(nèi)不同森林類型的面積；Af為待評價森林總面積；NPPmean1、NPPmean2…NPPmeann，為待評估森林不同類型植被的待評價年NPP均值；NPPmax1、NPPmax2…NPPmaxn，為相應植被類型的歷史最優(yōu)年NPP均值；NPPmin1、NPPmin2…NPPminn，為相應植被類型的歷史最差年NPP均值。

3)林木可更新能力

參照DB11/T 725—2010《森林健康經(jīng)營與生態(tài)系統(tǒng)健康評價規(guī)程》[8]，林木可更新能力IR用每公頃的有效更新株數(shù)來進行測度。其歸一化分值SR計算方式如下：

(17)

1.3.3 抵抗力指標

1)森林有害生物等級

森林有害生物成災率(BD)按以下公式進行計算：

森林有害生物成災率=森林病蟲鼠害發(fā)生面積/森林面積×100%

(18)

則森林有害生物等級歸一化分值Sbd計算方式如下：

Sbd=10×(1-BD) (0%≤BD≤100%)

(19)

2)森林火險等級

參照LY/T 1063—2008《全國森林火險區(qū)劃等級》[14]及DB11/T 725—2010《森林健康經(jīng)營與生態(tài)系統(tǒng)健康評價規(guī)程》[8]，利用二調(diào)小班數(shù)據(jù)獲取待評價森林區(qū)域的植被類型及優(yōu)勢樹種(組)作為評價森林火險等級依據(jù)，對應火險等級分值分別劃為火災地0分，易燃類3分，可燃類6分，難燃類10分。則森林火險等級歸一化分值SFf具體計算方式為：

(20)

式中，Ah為火災地面積；Ay為易燃類林地面積；Ak為可燃類林地面積；An為難燃類林地面積；Af為待評價森林區(qū)域總面積，單位均為km2。

3)人口密度

人口密度(Rd)采用森林生態(tài)系統(tǒng)所在最小行政單元內(nèi)人口總和與面積的比值表示[12]，單位：人/km2，歸一化公式為公式(21)。

(21)

式中，SRd為人口密度的歸一化分值，Rd為人口密度。

4)土地利用強度

土地利用強度可以待評價森林所在最小行政單元內(nèi)農(nóng)業(yè)、建設用地、畜牧業(yè)等土地面積占評價區(qū)域土地總面積的百分比(PLu)來表示[12]，該指標歸一化公式為公式(22)。

(22)

式中，SLu為土地利用強度的歸一化分值，PLu為農(nóng)業(yè)、建設用地、畜牧業(yè)等土地面積占評價森林所在最小行政單元土地總面積的百分比。

5)森林保護意識

森林保護意識通過問卷調(diào)查結果中有森林保護意識的問卷與總問卷數(shù)的比例來表示[9]。從所有問卷中提取有效問卷，其數(shù)量用NV表示；問卷滿分為100分，得分50分以上為合格并表示被調(diào)查者具有保護意識，其數(shù)量用Ny表示。根據(jù)公式(23)計算森林保護意識指標Sys歸一化值[12]：

Sys=Ny/NV×10

(23)

1.3.4 森林健康指數(shù)

最終結果森林健康指數(shù)(Forest Health Indicator，F(xiàn)HI)為上述所有3級評價指標分值的加權和，計算方法如公式(24)所示。

FHI=∑HSi×HWi，i=1，2，…，n

(24)

式中，F(xiàn)HI為森林健康指數(shù)；HSi為第i個評價指標的歸一化分值；HWi為第i個評價指標對應的權重，i代表不同評價指標。

根據(jù)森林健康指數(shù)的分值，可將森林健康分為優(yōu)質(zhì)、健康、亞健康、不健康4個等級[15](表2)。依據(jù)上述所有3級指標的歸一化分值及指標權重，按公式(24)最終計算得到百里杜鵑林區(qū)森林健康指數(shù)。

表2 森林健康等級表Tab.2 Forest health scale

2 結果與討論

2.1 結果

上述各項指標計算結果見表3。由于刊文篇幅所限，具體推衍與計算過程從略。

表3 百里杜鵑林區(qū)2015年森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果Tab.3 Assessment results of forest ecosystem healthin Baili Dujuan Forest Park in 2015

2.2 討論

2.2.1 森林組織結構

以單項10分滿分計，百里杜鵑林區(qū)森林健康組織結構指數(shù)中，植被覆蓋度得分較高，為8.73，表明該區(qū)植被長勢較為茂密。群落結構得分7.43分，表明該區(qū)森林結構較為合理，然而結合研究區(qū)實地調(diào)查結果，該區(qū)僅雜木林區(qū)域的植被群落結構相對較為合理，而區(qū)內(nèi)杜鵑林和針葉林的群落組成結構較為單一。生物多樣性得分4.44分，表明該區(qū)內(nèi)生物多樣性相對較差。結合實地調(diào)查結果可知，該區(qū)生物多樣性近年來呈現(xiàn)大幅降低的現(xiàn)象，尤其是大型獸類動物分布減少較為明顯，主因是該區(qū)人為活動較多，尤其是近年來每年3、4月份集中開展的旅游觀光活動以及較多旅游設施、道路基建工程等項目的開展，對野生動植物棲息地的影響較大。研究區(qū)森林破碎度指數(shù)得分為7.88分，表明該區(qū)現(xiàn)狀年(2015年)的景觀破碎化程度與參考年(1992年)相比有上升趨勢。結合景觀格局變化分析結果可知，百里杜鵑森林區(qū)域近年來景觀總體趨于復雜化和破碎化，主因也是當?shù)卮罅康娜藶榛顒优c項目建設干擾。

2.2.2 森林活力

在百里杜鵑林區(qū)森林活力指標中，森林生物量得分5.36，森林凈初級生產(chǎn)力得分為6.52分，表明該區(qū)森林的物質(zhì)生產(chǎn)能力與其歷史水平相比，屬于中等水平。從林木可更新能力的得分7.75分看，百里杜鵑林區(qū)的林木更新能力總體尚可。但是，通過對林區(qū)最重要森林資源——杜鵑林的野外調(diào)查不難發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)特色杜鵑林中作為主要建群種和優(yōu)勢種的馬纓杜鵑R.delavayi、迷人杜鵑R.agastum及露珠杜鵑R.irroratum三種杜鵑普遍存在林齡較大、林下天然更新狀況較差的現(xiàn)象，尤以馬纓杜鵑、迷人杜鵑兩種為甚。一旦原生林出現(xiàn)死亡，相當一段時間內(nèi)將無法得到及時更新和恢復。因此，當?shù)亓謽I(yè)管理部門近年來也在大力加強杜鵑種質(zhì)資源的保護并在當?shù)胤e極培育幼苗，以促進天然杜鵑群落的更新?lián)嵊ぷ鳌?/p>

2.2.3 森林抵抗力

依據(jù)百里杜鵑林區(qū)森林抵抗力指標計算結果，該區(qū)生物災害指標得分相對較高，為9.48分。依據(jù)2014—2016年實地調(diào)查數(shù)據(jù)及林業(yè)局調(diào)查結果顯示，百里杜鵑的馬纓杜鵑群落出現(xiàn)了較大范圍的灰霉病和根腐病感染情況，造成了部分植株死亡現(xiàn)象。馬纓杜鵑是該區(qū)杜鵑林的主要建群種和優(yōu)勢種，必須引起足夠的重視。如不及時干預和治理，病害有可能會對馬纓杜鵑原生林造成不可估量的破壞。該區(qū)森林火險得分為5.77分，按照森林火險級別劃分，該區(qū)的火險隱患主要在于大片的杜鵑群落。雖然與普通灌叢相比，該區(qū)的杜鵑群落主要是常綠闊葉大灌木，燃燒級別會低于落葉小灌木，但區(qū)內(nèi)森林防火工作也不容忽視。從人口密度和土地利用強度得分結果看，當前百里杜鵑管理區(qū)的人口較多，土地利用強度非常大，對區(qū)內(nèi)森林資源產(chǎn)生了較大影響。從保護意識的打分結果來看，該區(qū)民眾目前已經(jīng)具有一定的森林生態(tài)系統(tǒng)基本常識及環(huán)境保護意識，但仍有待提高。

2.2.4 森林生態(tài)系統(tǒng)健康綜合診斷

綜上所述，按滿分10分計，百里杜鵑林區(qū)森林健康指數(shù)最終得分為6.67分。依據(jù)森林健康等級表的劃分，結果表明百里杜鵑林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)在項目現(xiàn)狀年(2015年)處于亞健康狀況，并在一定程度上接近健康水平。針對林區(qū)中最具有保護利用價值的天然杜鵑灌木林而言，其主要表現(xiàn)為組織結構不合理，系統(tǒng)不穩(wěn)定且活力較差，抵御外界壓力的能力不強，森林景觀受人為及自然因素影響壓力較大。整體來看，百里杜鵑林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不容樂觀，應引起相關部門的高度重視。建議地方管理部門進一步加大對野生杜鵑資源的保育力度，科學合理地開展景區(qū)旅游活動，嚴格控制各類建設項目并不斷加大對民眾自然保護意識的科普教育，促進百里杜鵑林區(qū)森林健康狀況向好發(fā)展。

由于森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受自然、社會、經(jīng)濟等多重因素的影響，加之其本身的復雜性、動態(tài)性和難以度量性，因此目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的診斷指標體系。本文在分析研究區(qū)域森林資源特點和社會需求分析的基礎上，應用遙感診斷技術和數(shù)據(jù)并結合野外調(diào)查、研究文獻等多種資料，首次構建了百里杜鵑林區(qū)森林健康遙感診斷指標體系并針對其健康現(xiàn)狀進行了分析診斷。研究成果在推動保護林區(qū)原生杜鵑森林資源、提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及服務功能、促進資源可持續(xù)開發(fā)利用等方面均具有重要科學指導意義，并可為其他類型森林生態(tài)系統(tǒng)的健康診斷提供方法參考。然而，由于部分歷史數(shù)據(jù)無法獲取，對過去某個特定時間的森林健康狀況進行診斷還具有一定的難度和局限性。

當前，遙感技術、GIS技術和信息化等技術發(fā)展非常迅速，為林業(yè)管理工作提供了有力的技術保障，建議林業(yè)管理部門盡快開展信息化平臺建設，借助現(xiàn)代科技手段實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)變化監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化、自動化采集管理，為后續(xù)研究提供系統(tǒng)可靠的本底數(shù)據(jù)并使林業(yè)管理工作更加高效。

3 致謝

貴州百里杜鵑管理區(qū)管理委員會及下屬林業(yè)環(huán)保局等部門在野外調(diào)查及文獻資料方面提供了大力支持和幫助，特此致謝！