東大河林區(qū)青海云杉林健康評(píng)價(jià)

劉建泉，孫建忠

(1.甘肅祁連山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000；

2.甘肅祁連山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)東大河保護(hù)站，甘肅 金昌 737200)

森林生態(tài)系統(tǒng)健康理論是20世紀(jì)末出現(xiàn)的，指導(dǎo)森林資源經(jīng)營管理和森林有害生物防治的一種全新的理論[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵及相應(yīng)的評(píng)估研究成為21世紀(jì)生態(tài)系統(tǒng)學(xué)研究的主要內(nèi)容和迫切任務(wù)之一[3]。森林的健康狀況會(huì)直接影響人類生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展，健康的森林是實(shí)現(xiàn)森林資源可持續(xù)經(jīng)營的基礎(chǔ)[2-4]。森林健康經(jīng)營理論和技術(shù)已成為當(dāng)今世界林業(yè)研究的熱點(diǎn)[1，4]。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的概念、評(píng)估方法和思想等進(jìn)行了很多探討[1-7]，但關(guān)于具體生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)估實(shí)例尚不多見[5]。

東大河林區(qū)位于石羊河流域的上游，是祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)的重要組成部分，是金昌市唯一的寒溫性針葉林區(qū)和水源涵養(yǎng)林區(qū)，每年為東大河、西大河提供約4.19億m3的出山水，是金昌市生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要屏障。青海云杉(Piceaclassifolia)林是東大河林區(qū)唯一的常綠喬木林，面積4 426.2 hm2，其健康狀況直接影響到生態(tài)效益的發(fā)揮和鎳都——金昌的發(fā)展。為了科學(xué)經(jīng)營東大河青海云杉林，充分發(fā)揮其森林生態(tài)服務(wù)功能，探討定量化評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)鍵康狀況的途徑，本研究運(yùn)用主成分分析法、聚類分析法，構(gòu)建青海云杉林健康綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)東大河林區(qū)青海云杉林的健康狀況進(jìn)行了初步的評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 東大河林區(qū)位于河西走廊祁連山中部冷龍嶺北麓，金昌市永昌縣東大河、西大河中游,101°24′～102°10′ E,38°01′～38°10′ N,總面積33 480 hm2，海拔2 400～4 000 m，是石羊河流域重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)。該區(qū)屬大陸性高寒半濕潤氣候，年平均氣溫1.9 ℃，最高氣溫31 ℃，最低氣溫-25 ℃，年降水量385.2 mm，多集中于7-9月，年蒸發(fā)量1 258.3 mm，年均相對(duì)濕度50%～60%，氣候干燥、寒冷，植物生長期135～150 d；土壤有山地灰鈣土、山地栗鈣土、山地黑鈣土、亞高山草甸土等，土壤母質(zhì)為次生黃土或坡積物；主要植被有青海云杉林、爬地柏(Sabinavulgaris)灌叢、高山柳(Salixspp.)灌叢、鬼箭錦雞兒(Caraganajubata)灌叢、金露梅(Potentillafruticosa)灌叢等，構(gòu)成山地荒漠植被帶、山地森林草原植被帶、亞高山灌叢植被帶、高山草甸植被帶等垂直帶譜；林區(qū)現(xiàn)有水源涵養(yǎng)林11 500.7 hm2，其中喬木林4 531.6 hm2，灌木林6 969.1 hm2，森林覆蓋率33.8%，活立木蓄積417 778 m3。青海云杉林呈塊狀或條狀分布在2 500～3 400 m的陰坡或半陽坡上，面積、蓄積分別占全林區(qū)的98.96%和99.45%，青海云杉是青海云杉林唯一的優(yōu)勢(shì)種。

1.2青海云杉林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定 根據(jù)青海云杉林的相關(guān)研究資料，結(jié)合多年研究的經(jīng)驗(yàn)，建立青海云杉林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.2.1指標(biāo)確定的原則 指標(biāo)體系建立包括科學(xué)性、可操作性、系統(tǒng)性與層次性相結(jié)合、主導(dǎo)要素4個(gè)原則[7]，結(jié)合東大河林區(qū)青海云杉林的實(shí)際情況，對(duì)其健康評(píng)價(jià)除考慮以上原則外，重點(diǎn)應(yīng)考慮以下原則：1)主導(dǎo)要素原則[7]，選取的指標(biāo)應(yīng)該是反映青海云杉林健康狀況的主要因子[4]；2)可操作性原則[7]，反映森林健康的指標(biāo)是多種多樣的，獲取的途徑、方法、手段也各不相同，因此，選取的指標(biāo)應(yīng)該是在實(shí)際調(diào)查中相對(duì)容易獲取到的指標(biāo)；3)自然環(huán)境制約原則，生長在不同環(huán)境中的青海云杉林，其健康狀況受自然條件的制約，因此，選取的指標(biāo)應(yīng)該反映青海云杉林的生存環(huán)境。

1.2.2野外調(diào)查與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 利用東大河林區(qū)的林相圖選擇不同地段的青海云杉林，用GPS定位，設(shè)置20 m×20 m的樣地，進(jìn)行環(huán)境調(diào)查，記錄經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、人為和自然干擾等環(huán)境因子；將樣地劃分成5 m×5 m的相鄰格子樣方16個(gè)，進(jìn)行植被調(diào)查，記錄植物種類、高度、蓋度、生活型等植被因子，對(duì)喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種、郁閉度、胸徑(樹高≥1.5 m)、地徑(樹高<1.5 m)；在樣地的下方挖土壤剖面，按自然層次記錄土壤剖面性狀，測(cè)定土壤含水率；共調(diào)查樣地13塊，樣方208個(gè)，土壤剖面13個(gè)，樣地基本情況見表1。

1.2.3指標(biāo)的篩選與評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建 對(duì)坡度、坡向、群落類型進(jìn)行量化，對(duì)19個(gè)調(diào)查指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一指標(biāo)數(shù)據(jù)的綱量。采用主成分分析方法，對(duì)13個(gè)樣地的19個(gè)調(diào)查因子進(jìn)行主成分分析，確定主導(dǎo)因子(主成分)和各因子權(quán)重，以減少指標(biāo)間的相關(guān)性，且使指標(biāo)間相互獨(dú)立或不相關(guān)[8]。根據(jù)主導(dǎo)因子、特征根和因子得分系數(shù)，計(jì)算各主成分的綜合指標(biāo)：

式中，F(xiàn)i為各主成分的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，λi為各主成分的特征根，Cin為因子得分系數(shù)，ZXin為Xin標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。

以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建東大河林區(qū)青海云杉林健康綜合評(píng)價(jià)模型：

H=a1F1+a2F2+a3F3+…+aiFi，

i=1,2,…,n[3，4，8]。

式中，H為森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，ai為權(quán)重(主成分的貢獻(xiàn)率)，F(xiàn)i為主成分的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 調(diào)查樣地基本情況

1.2.4健康等級(jí)的劃分和確定 把樣地指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果分別代入所確定的各主成分中，求出主成分(綜合指標(biāo))數(shù)據(jù)矩陣，以此數(shù)據(jù)矩陣為基礎(chǔ)，對(duì)樣地健康狀況進(jìn)行聚類分析[3-4]。根據(jù)聚類結(jié)果，分別對(duì)每類計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)平均數(shù)，并代入健康綜合評(píng)價(jià)模型H，計(jì)算綜合得分。

主成分分析和聚類分析的計(jì)算過程，使用SPSS 13.0軟件在計(jì)算機(jī)上完成。

表2 青海云杉林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 結(jié)果與分析

2.1青海云杉林健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系 根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的指導(dǎo)思想和構(gòu)建指標(biāo)體系的原則，將青海云杉林健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系分成目標(biāo)層(青海云杉健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系)、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次[1，4](表2)。

2.2評(píng)價(jià)青海云杉林健康的主要指標(biāo) 主成分分析的計(jì)算結(jié)果(表3)表明，特征值大于1.000的主成分共有6個(gè)，主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.05%，因此，決定選取6個(gè)主成分(F1～F6)。F1的因子載荷≥0.5的有X7、X5、X16、X14、X17、X6、X12、X13、X9，共9個(gè)因子，是反映青海云杉林健康狀況的綜合指標(biāo)；F2的因子載荷≥0.5的有X12、X13、X18、X19、X3、X8、X9，共7個(gè)因子，主要反映青海云杉林的生產(chǎn)能力和潛力；F3的因子載荷≥0.5的有X10、X6、X2，共3個(gè)因子，主要反映優(yōu)勢(shì)種對(duì)群落的調(diào)控能力；F4的因子載荷≥0.5的有X8、X2、X4，共3個(gè)因子，主要反映自然環(huán)境對(duì)群落的影響；F5的因子載荷≥0.5的有X1、X15，共2個(gè)因子；F6的因子載荷≥0.5的僅有X15，共1個(gè)因子，其他主成分的因子載荷都<0.5；主成分F2～F19在不同程度上對(duì)F1進(jìn)行了補(bǔ)充。篩選出的6個(gè)主導(dǎo)因子(主成分)為：X7、X5、X16、X14、X17、X6。

表3 特征值及主成分貢獻(xiàn)率

2.3青海云杉林健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果 對(duì)13個(gè)樣地進(jìn)行聚類，當(dāng)歐幾里德距離取15時(shí)，聚為3類：Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，并計(jì)算每一類的健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值。鑒于目前學(xué)術(shù)界尚沒有公認(rèn)的森林生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)[9]，本研究具體操作時(shí)，將青海云杉林健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分3個(gè)等級(jí)，即健康、亞健康、不健康(表4)。在青海云杉林13個(gè)樣地中，健康樣地7個(gè)，占53.82%；亞健康樣地4個(gè)，占30.77%；不健康樣地2個(gè)，占15.38%。

2.4青海云杉林健康狀況分析 根據(jù)主成分分析、小班聚類和健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，將3類、6個(gè)主成分的樣地調(diào)查指標(biāo)的平均值進(jìn)行計(jì)算(表5)。在郁閉度為0.8、灌木層蓋度為2.6%、樣地蓄積量為3.016 7 m3、土壤吸濕水含量為29.99%、土壤含水量為33.31%時(shí)，青海云杉林屬于健康狀態(tài)，能夠有效地調(diào)節(jié)降水和發(fā)揮生產(chǎn)潛力，生態(tài)功能正常；當(dāng)郁閉度為0.4、灌木層蓋度為94.0%、樣地蓄積量為0.546 6 m3、土壤吸濕水含量為58.24%、土壤含水量為62.42%時(shí)，青海云杉林屬于不健康狀態(tài)，水源涵養(yǎng)能力下降，生產(chǎn)力和生產(chǎn)潛力不能充分發(fā)揮。

表4 青海云杉林健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 青海云杉林6個(gè)主導(dǎo)因子的平均值

3 討論與結(jié)論

本研究以東大河林區(qū)13塊青海云杉林樣地調(diào)查資料為基礎(chǔ)，利用群落的自然環(huán)境、群落特征、恢復(fù)能力、生產(chǎn)能力和潛力5方面的19個(gè)指標(biāo)，初步構(gòu)建了青海云杉林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以19個(gè)指標(biāo)為基礎(chǔ)，利用主成分分析方法，篩選出影響青海云杉林健康的主要指標(biāo)有群落類型、郁閉度、灌木層蓋度、林分蓄積量、土壤吸濕水、土壤含水量共6個(gè)指標(biāo)。通過聚類分析，將青海云杉林13塊樣地分為3類，Ⅰ類健康，包括7塊苔蘚-青海云杉林樣地，占53.82%；Ⅱ類亞健康，包括1塊苔蘚-青海云杉林樣地和3塊草類-青海云杉林樣地，占30.77%；Ⅲ類不健康，包括2塊灌木-青海云杉林樣地，占15.38%。由此可見，東大河林區(qū)的青海云杉林健康狀況比較好，但仍然存在森林健康的問題。

草類-青海云杉林和苔蘚-青海云杉林是青海云杉林中較為穩(wěn)定的類型[10]，在東大河林區(qū)，苔蘚-青海云杉林健康狀況良好，而草類-青海云杉林則處于亞健康狀況，這與青海云杉林的演替和東大河林區(qū)自20世紀(jì)80年代初開始禁止森林采伐、全面封山育林的森林恢復(fù)措施密切相關(guān)。

對(duì)不同地域的森林生態(tài)系統(tǒng)來說，不同類型森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、物質(zhì)和能量流動(dòng)具有各自的特點(diǎn)，因此，森林健康具有相對(duì)性。根據(jù)《中國植被》對(duì)植被的分類原則，植物群系(Formation)是“優(yōu)勢(shì)層片的優(yōu)勢(shì)種相同或其生態(tài)習(xí)性一致，并具有相同標(biāo)志種的群叢聯(lián)合”[11]，因此，從群落水平對(duì)森林健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)的基本對(duì)象應(yīng)該是植物群系，更高級(jí)的植被分類單位都會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏可比性。

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