紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的建立與應(yīng)用

吳庭天，楊眾養(yǎng)，陳宗鑄，雷金睿，陳小花，李苑菱

（海南省林業(yè)科學研究院，海南?？?571100）

紅樹林森林是陸地向海洋過度的特殊生態(tài)系統(tǒng)，其作為熱帶海岸特有的景觀之一，不僅物種豐富多樣，而且具有較高的生產(chǎn)能力和生態(tài)保護功能，在當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中的地位不可估量。當今，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人工砍伐、圍墾養(yǎng)殖、過度捕撈和采集、水質(zhì)污染、基建占用、外來物種入侵、病蟲害頻發(fā)等問題日益突出，導致紅樹林森林生態(tài)環(huán)境破碎化現(xiàn)象日益明顯[1]。紅樹林森林資源面臨著前所未有的生態(tài)環(huán)境危機，它的健康狀況直接影響著當?shù)氐纳鷳B(tài)穩(wěn)定性和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。為此，針對熱帶紅樹林森林展開健康評估研究對海南省意義非凡。

森林生態(tài)系統(tǒng)健康和恢復（Forest Ecosystem Health/Restoration）簡稱森林健康，是西方國家針對森林生態(tài)危機，循序漸進發(fā)展出來的概念，旨在對森林生態(tài)系統(tǒng)有更全面、科學的研究及管理。在近幾十年，全球的研究學者對森林健康的定義、評估方法等進行了積極的探索和實踐。德國在20 世紀60年代首次提出森林健康狀態(tài)的概念，并建立森林健康狀態(tài)的調(diào)查監(jiān)測和分析評估體系；加拿大在20 世紀80 年代中期開始在全國建立了由150 個樣地組成的網(wǎng)絡(luò)對森林健康進行評估[2]；20 世紀90 年代美國通過“森林生態(tài)系統(tǒng)健康和恢復法”對森林、濕地等進行了重新評估，并在“綜合治理”的框架上提出了森林健康理論。中國于2002 年與美國展開森林健康合作，選取5 個省份設(shè)立試點，開展森林健康的調(diào)查研究及評估工作。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，世界各國對森林健康的概念已從初期的森林病蟲害防治等樸素的概念，發(fā)展到20 世紀80 年代的林分水平概念，再到如今涉及森林群落、森林生態(tài)系統(tǒng)、森林景觀等在內(nèi)復雜的系統(tǒng)概念。對于森林健康的認知，需要綜合森林生態(tài)系統(tǒng)的空間尺度、時間尺度及人類需求等諸多方面，才能更加科學、合理的管控森林資源[3-4]。

在森林健康評價方法上，國內(nèi)外專家根據(jù)自身研究成果，提出了不同的評估模式。從早期的定性評估法發(fā)展到現(xiàn)今利用多種技術(shù)方法和手段相結(jié)合的評估。如R.Costanza 等[5]為代表的以活力（vigor）、組織結(jié)構(gòu)（organization） 和恢復力（resilience）為基礎(chǔ)的指標體系，中國肖風勁[6]、陳高[7]、李秀英[8]、甘敬[9]等對此體系做了深入的研究，從生產(chǎn)力、組織結(jié)構(gòu)、土壤情況、森林經(jīng)營小班尺度、干擾等不同維度對指標進行的篩選，取得了良好效果；Thomiann 等通過對污染物和氣候變化影響的研究，提出森林生態(tài)系統(tǒng)健康中可檢測的各種污染物(一般污染物、重金屬、二氧化硫、光化學、酸性降水、氟化、亞硫酸鹽、硝酸)，并提出新的氣候變化的指標地衣[10]；Dash 通過衛(wèi)星和無人機的遙感數(shù)據(jù)對森林健康進行評估[11]；鄧須軍等采取層次分析法（AHP）、熵權(quán)法和模糊綜合評價法從3 個層次，18 個指標來構(gòu)建海南森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，并得出海南省森林資源處于優(yōu)質(zhì)健康水平的結(jié)論[11]；段翔等通過構(gòu)建SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從結(jié)構(gòu)完整性、可持續(xù)性、功能穩(wěn)定性和系統(tǒng)活力性4 個方面，采用主成分分析法對新化縣構(gòu)建森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系[12]；賴雨歡和鄧必平等采用層次分析法和模糊綜合法，結(jié)合森林資源二類調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)對大圍山國家森林公園森林進行健康等級評定[13]；另外楊雪春[14]、劉芬[15]、田耀武[16]等分別采用GIS 及遙感等不同方法對森林生態(tài)系統(tǒng)健康水平進行了評價。

在森林生態(tài)系統(tǒng)的健康評價中，不僅涉及森林生態(tài)系統(tǒng)中多種因素定性、定量參數(shù)的變量，而且各因素之間又存在復雜的相互作用，可以說是一個復雜的非線性體系。因此，文章通過復合結(jié)構(gòu)和功能指標評價法，以?？谑袞|寨港紅樹林作為研究主體，結(jié)合相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)并從中篩選具有代表性的指標建立東寨港紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標體系，驗證該指標體系的正確性、科學性和實用性，為后續(xù)熱帶森林生態(tài)價值的評估體系研究工作提供積累及幫助。

1 研究區(qū)概況

“海南東寨港紅樹林國家級自然保護區(qū)（以下簡稱東寨港保護區(qū)）”位于海南省東北部的港灣內(nèi)，地處19°51′～20°1′N，110°32′～110°37′E，是以保護紅樹林濕地為主的北熱帶邊緣河口港灣和海洋灘涂生態(tài)系統(tǒng)及越冬鳥類棲息的重要自然保護區(qū)，也是中國目前面積最大的一片沿海灘涂森林（圖1）。保護區(qū)總面積3337.6hm2，其中核心區(qū)面積1635hm2、緩沖區(qū)面積1167.1hm2、實驗區(qū)面積535.5hm2。其中：紅樹林面積1578.2hm2、灘涂面積1759.4hm2。

東寨港保護區(qū)地處北回歸線以南，屬熱帶季風氣候，海拔區(qū)間0m～7m；年均氣溫在23.3℃～23.8℃之間；年均相對濕度85%；太陽年輻射量約為253kJ/cm2；年均降水量1676.4mm；海水表層年均溫度24.5℃，潮型為規(guī)則的全日潮。保護區(qū)內(nèi)分布有紅樹林植物19 科35 種，占全國紅樹林植物種類的97%。其中水椰(N.fruticans Wurmb)、紅欖李(Lumnitzera littorea(Jack.)Voigt)、海南海桑(Sonneratia hainanensisKO)、卵葉海桑(Sonneratiaovata) 、擬海桑(Sonneratia paracaseolaris)、木果楝(Xylocarpus granatum)、正紅樹(Rhizophora apiculata)和尖葉鹵蕨(Acrostichum speciosumWilld.)為珍貴樹種。保護區(qū)內(nèi)有鳥類204 種，其中珍貴的有黑臉琵鷺(Platalea minor)、褐翅鴉鵑(Centropus sinensis)、黑嘴鷗(Larus saundersi)、游隼(Falco peregrinus)等。軟體動物115種、魚類119 種、蟹類70 多種、蝦類40 多種。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 研究方法

2.1 標準地的選取

該研究以森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在東寨港紅樹林分布范圍內(nèi)隨機篩選100 個小班來進行森林健康評價指標的實例研究（圖2）。涉及外業(yè)的調(diào)查項目有結(jié)構(gòu)復雜性、生物多樣性、主要樹種調(diào)查、有機質(zhì)含量、自然度及調(diào)查區(qū)標準地害蟲統(tǒng)計等。

圖2 研究區(qū)域標準地分布Fig.2 Standard ground distribution of the research area

2.2 紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的建立

2.2.1 評價指標體系

森林生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，影響森林健康狀態(tài)的各因素之間又存在復雜的相互作用。對于森林生態(tài)系統(tǒng)健康的評價，可以從結(jié)構(gòu)和功能作為研究的切入點，采用Constanza 等研究小組提出的生態(tài)健康指數(shù)模型（HI=V·O·R），即活力、恢復力、組織結(jié)構(gòu)，結(jié)合指標權(quán)重來建立東寨港紅樹林的健康評價指標體系。其中活力（Vigor）是指生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入和營養(yǎng)循環(huán)容量，具體指標為生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力和物質(zhì)循環(huán)；恢復力（Resilience）是指脅迫消失時，系統(tǒng)克服壓力及反彈回復的容量；組織（Organization）是指系統(tǒng)的復雜性，會隨生態(tài)系統(tǒng)的次生演替而發(fā)生變化和作用。

2.2.2 森林健康評價方法

以小班為單位，采用以下數(shù)學公式對東寨港紅樹林進行健康判定。

其中Yi——第i號小班森林健康評價得分；Xij——第i號小班第j個指標森林健康等級得分；Wj—— 第j個指標的權(quán)值；i——小班號；j——森林健康評價指標。

2.3 指標體系的建立

2.3.1 評價指標的選取及權(quán)重

在構(gòu)建東寨港紅樹林森林健康評價的指標體系過程中，使用定量分析和定性分析相結(jié)合的方法[15]，依據(jù)評價指標的篩選原則對森林健康的指標進行選擇，并對所選擇的指標采用層次分析法計算確認權(quán)值。選取的指標及權(quán)重值，如下表所示。

表1 東寨港紅樹林生態(tài)系統(tǒng)評價指標及權(quán)重值Tab.1 Evaluation index and weight of mangrove ecosystem in dongzhai port

2.3.2 森林健康等級劃分

根據(jù)東寨港紅樹林林木的生長發(fā)育、外觀表象特征及土壤理化性質(zhì)等綜合情況來評定森林健康等級劃分，并根據(jù)評價指標分值法以小班為單位計算指標分值，取值越大，健康程度越高，如下表。

表2 紅樹林健康等級劃分Tab.2 Classification of health of mangrove ecosystem

3 結(jié)果與分析

結(jié)合生態(tài)健康指數(shù)模型和層次分析法，對東寨港紅樹林選取的100 個小班進行健康評價，如表3所示。按照健康等級的劃分，健康小班個數(shù)19 個，面積占比60.12%；亞健康小班個數(shù)68 個，面積占比30.16%；中健康小班個數(shù)11 個，面積占比8.62%；不健康小班個數(shù)2 個，面積占比1.1%?？傮w上看，東寨港紅樹林健康等級整體處于健康級和亞健康級，其總體健康狀況良好。

表3 東寨港紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果Tab.3 Results of mangrove ecosystem health assessment in Dongzhai port

從圖3 可以看出，研究區(qū)域中2 個不健康小班都分布在保護區(qū)范圍的邊緣地區(qū)，距離村莊較近，土地利用屬性均為養(yǎng)殖塘，人為干擾大；中健康小班同樣分布于保護區(qū)及陸地邊緣地帶，主要為退塘還濕的養(yǎng)殖塘及海岸線最外圍稀疏紅樹林地；亞健康小班數(shù)量最多，其土地利用屬性多為零星分布、斑塊破碎化的紅樹林地，大多分布于紅樹林溝槽周邊及陸海交界地帶，干擾主要來自漁民作業(yè)及熱帶風暴；評價結(jié)果中健康小班主要分布在保護區(qū)紅樹林主體區(qū)域，其面積較大，功能結(jié)構(gòu)完整，人為干擾較少，在面對外界壓力時具有較強的抗干擾及修復能力。

圖3 東寨港紅樹林健康評價結(jié)果Fig.3 Schematic diagram of health assessment results of mangrove ecosystem in Dongzhai port

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

在基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用森林健康狀況的指標體系和評價方法對海南東寨港紅樹林生態(tài)系統(tǒng)進行評估。東寨港紅樹林健康等級評價結(jié)果顯示，研究區(qū)域中健康、亞健康、中健康和不健康的面積比分別為60.12%、30.16%、8.62%和1.1%。其中，健康級和亞健康級占到總比值的90.28%，說明東寨港地區(qū)森林健康狀況總體表現(xiàn)良好，也進一步說明該研究選取的指標體系及評價方法基本能夠客觀地描述東寨港紅樹林的健康狀況，可以為后續(xù)熱帶森林生態(tài)價值的評估體系研究提供一定的幫助。

4.2 討論

森林健康研究的關(guān)鍵問題是評價指標的選取。森林生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，該研究僅基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)來進行評估，必定存在偏差。對于熱帶森林生態(tài)價值的評估還需要對其他森林進行深入研究，利用新技術(shù)，采集更多生態(tài)因子，科學選擇評價指標，最終建立一個健全、普適性高的熱帶森林生態(tài)價值的評估體系。