張顥譯,王立,徐先英,,劉虎俊,張瑜忠,李雪寧
(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2. 甘肅省治沙研究所,荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點實驗室培育基地,甘肅 蘭州 730070;3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091)
森林健康評價是有效管理森林資源,服務(wù)于森林可持續(xù)經(jīng)營的最重要和緊迫的課題之一[1-2]。構(gòu)建適合防護(hù)林健康評價的指標(biāo)體系和評價方法,有利于防護(hù)林的科學(xué)管理和可持續(xù)經(jīng)營。目前,我國防護(hù)林健康評價落后于建設(shè)[3]。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對森林健康的概念、評價指標(biāo)和方法已有諸多的研究報道[1]。健康評價指標(biāo)的經(jīng)典模型,即“活力(V)-組織結(jié)構(gòu)(O)-抵抗力或恢復(fù)力(R)”模型[3],已被成功應(yīng)用于森林和草原等多種生態(tài)系統(tǒng)健康評價中[4-5]。常用的健康評價方法有健康指數(shù)法(HI)[5-6]和模糊綜合評價法[7-8]等。常用的防護(hù)林健康評價指標(biāo)體系有兩類,一類是選擇表示群落生物和生態(tài)特征的指標(biāo)[6],另一類則主張將功能指標(biāo)和人類影響也作為健康評價指標(biāo)納入分析[7]。目前,國內(nèi)外還尚未形成統(tǒng)一的防護(hù)林健康評價指標(biāo)體系[3,5],不同研究者針對防護(hù)林類型所選擇和應(yīng)用的評價指標(biāo)和方法有所不同[9-11]。
梭梭(Haloxylon ammodendron)生長在流動沙丘,是河西走廊防風(fēng)固沙林的骨干樹種[1-2]。位于石羊河下游的民勤是我國沙塵暴高發(fā)區(qū),人工防風(fēng)固沙林主要樹種梭梭[13-14],在保護(hù)區(qū)環(huán)境安全和減少沙塵天氣中發(fā)揮著重要作用。近年來,在研究梭梭林退化特征和變化基礎(chǔ)上,對梭梭人工林的健康也進(jìn)行了分析[6-7]。常兆豐等[6]建立了狀態(tài)指標(biāo)、病態(tài)指標(biāo)、多樣性指標(biāo)和自然更新能力指標(biāo),運(yùn)用模糊評判法對梭梭林健康狀況進(jìn)行了評價,論述了優(yōu)勢種植物和伴生植物與群落健康序列的關(guān)系。付貴全[7]選擇群落結(jié)構(gòu)、群落功能、健康風(fēng)險和生境因子指標(biāo),應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)模型比較了民勤的梭梭群落及其他典型植物群落的健康序列。但以上研究均沒有明確林齡,而不同林齡梭梭林退化特征是不同的[15-16],其健康特征也應(yīng)該存在差異。人工梭梭林群落單一、結(jié)構(gòu)簡單,更新困難[16],不同齡級的特征明顯[7,15-16]。因此,有必要從防護(hù)林群落的視角分析不同林齡的梭梭林健康狀況[5,17],研究其狀態(tài)和變化趨勢,為精準(zhǔn)管理提供依據(jù)。本研究參考森林生態(tài)系統(tǒng)和防護(hù)林健康評價的資料,建立梭梭防風(fēng)固沙林健康評價指標(biāo),比較不同齡級林健康特征,以期為石羊河下游防風(fēng)固沙林精準(zhǔn)管理和功能修復(fù)提供參考。
本觀測調(diào)查樣地位于干旱荒漠區(qū)的石羊河下游,屬于甘肅省武威市民勤縣,境內(nèi)三面均為沙漠;區(qū)域氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂?,年平均日? 731.5 h,平均氣溫7.86 ℃,極端最低氣溫-30.8 ℃,極端最高氣溫40 ℃,日平均溫差15.9 ℃,年極端溫差62.4 ℃,無霜期175 d。多年平均凍土深度約53 cm,無霜期約173 d,平均風(fēng)速約2.4 m/s;平均空氣相對濕度約49%,該地區(qū)干熱風(fēng)主要出現(xiàn)在每年的6 月和7月中旬。風(fēng)沙土為境內(nèi)主要土壤類型,主要分布在西部和東部,鹽堿土廣泛分布于湖盆等低洼地區(qū)。民勤綠洲外圍植被形成了天然植被與人工植被交織結(jié)構(gòu),天然植被主要有白刺(Nitraria tangutorum)、檉柳(Tamarix ramosissima)和沙拐棗(Calligonum mongolicum)等[13-14],全縣人工造林保存面積15.32×104hm2以上,其中防風(fēng)固沙林主要是梭梭林。
根據(jù)前期研究,在石羊河下游,10 a 以上的人工梭梭林開始退化和自然稀疏,當(dāng)林齡達(dá)25 a以上時,林分密度趨于平穩(wěn)[2,10]。因此本研究選擇樣地林齡為:① 10 a 成熟林,所有植株全部開花結(jié)果,平均高度達(dá)到2.5~3.0 m,林地有自然稀疏現(xiàn)象,沒有林窗形成,植株中下部枝條開始死亡,林地死亡植株<1.0%。② 20 a 中熟林,林地出現(xiàn)面積大于10 m2以上的不連續(xù)林窗,自然稀疏明顯,植株下部枝條1/3 死亡,死亡植株占比為1.0%~30.0%。③ 30 a過熟林,連續(xù)分布的林窗出現(xiàn),密度<2 250株/hm2,死亡植株比例>30.0 %,植株中下部枝大部分死亡[13]。本研究以上述3種林齡的梭梭林為研究對象,分別在石羊河下游的老虎口(E 103°9′55″,N 38°45′39″)、西沙窩(E 102°53′46″,N 38°34′3″)和泉山林場(E 103°20′30″,N 38°49′18″)選擇樣地進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)地形地貌等環(huán)境相似原則,每個樣地平行設(shè)置間隔30 m 的20 m×20 m 灌木樣方3 個。調(diào)查記錄每個樣方內(nèi)植物高度(cm)、灌木基徑(cm)、冠幅(長軸與短軸,cm)、梭梭新枝長度(cm)、密度(株/m2)、1~5 a齡梭梭幼苗數(shù)量(株/m2),記錄樣方內(nèi)植物生活型等。其中,植物高度采用測高儀測量,冠幅采用鋼卷尺測量,基徑用游標(biāo)卡尺測量。用GPS記錄樣地經(jīng)緯度、海拔,同時記錄地表流沙面積以及結(jié)皮比率。
群落多樣性指數(shù):選取Margale 豐富度指數(shù)和Simpson指數(shù),具體計算公式如下:
式中:D為Margale 豐富度指數(shù),S為物種數(shù)目,N為全部物種個體總數(shù),Sim為Simpson 指數(shù),Pi為物種i的個體數(shù)與全部物種個體總數(shù)N的比值。
冠幅覆蓋度:觀測區(qū)域的總面積內(nèi)所有植株冠幅所占面積比。
式中:Lc為冠幅覆蓋度,PA為樣方面積A內(nèi)的植株總數(shù),C為樣方內(nèi)觀測植株的平均冠幅。
綜合優(yōu)勢比:植物密度比與蓋度比之和的平均數(shù),確定植物在群落中的的地位。
式中:SDR2為綜合優(yōu)勢比,Di為物種i的相對密度,Ci為物種的相對冠幅覆蓋度。
1.4.1 健康指標(biāo) 從林分(群落)尺度,應(yīng)用VOR模型,分析不同林齡梭梭林健康程度,比較其特征。VOR 綜合指數(shù)已于1999 年被國際生態(tài)系統(tǒng)健康大會接受為生態(tài)系統(tǒng)健康診斷指標(biāo),并在森林和草原等多種生態(tài)系統(tǒng)健康評價中成功應(yīng)用[1-5]。
活力指標(biāo)(vigor,V):為群落新陳代謝和初級生產(chǎn)力,此指標(biāo)主要以生產(chǎn)力等測度為參考[1,5],反映生物學(xué)特征。本文應(yīng)用下述指標(biāo)進(jìn)行計算:樹高、基徑、新枝生長量、結(jié)實狀況(枝上中下內(nèi)外都有結(jié)實為3,中下內(nèi)外結(jié)實為2,中下外部結(jié)實為1.5,僅頂結(jié)實為0.5,不結(jié)實為0)。
式中:V代表活力指標(biāo);V·i代表一級指標(biāo)中的二級指標(biāo)的得分;wi代表二級指標(biāo)的權(quán)重,通過專家打分和計算得到樹高wi1、基徑wi2、新枝生長量wi3、結(jié)實狀況wi4的權(quán)重(wi1+wi·2+wi3+wi4=1)。
結(jié)構(gòu)指標(biāo)(Organization,O):系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu),群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)反映其物種組成結(jié)構(gòu)及物種間相互關(guān)系[1,5],應(yīng)用此指標(biāo)表征梭梭群落結(jié)構(gòu),包括植物組成及其空間結(jié)構(gòu)。物種生活型比例(以不同植物種數(shù)量占總植物數(shù)量的比值計算)、冠幅覆蓋度、密度和層片(以不同生活型植物數(shù)量占總植物數(shù)量的比值計算)。
式中:O代表結(jié)構(gòu)指標(biāo);Oi代表一級指標(biāo)中的二級指標(biāo)的得分;wi代表二級指標(biāo)的權(quán)重,通過專家打分和計算得到生活型比例wi1、冠幅覆蓋度wi2、密度wi3、層片wi4的權(quán)重(wi1+wi2+wi3+wi4=1)。
恢復(fù)指標(biāo)(Resilience,R):恢復(fù)力是生態(tài)系統(tǒng)在出現(xiàn)外界壓力的情況下,保持自身結(jié)構(gòu)或功能的程度,包括了植物群落的物種數(shù)[5]。此項指標(biāo)用于反映梭梭林受病蟲自然災(zāi)害的調(diào)節(jié)能力、恢復(fù)力和穩(wěn)定性,選擇地表結(jié)皮代表梭梭林的土壤環(huán)境狀況。物種多樣性(以物種豐富度表示)、更新苗(以梭梭1 a幼苗表示)、病蟲害(枝上中下內(nèi)外都有病枝為0,中下內(nèi)外有為0.1,中下外部0.3,僅頂0.5,沒有病枝為1)和地表結(jié)皮(地表結(jié)皮占樣方面積百分?jǐn)?shù))。
式中:R代表恢復(fù)指標(biāo)Ri代表一級指標(biāo)中的二級指標(biāo)的得分;wi代表二級指標(biāo)的權(quán)重,通過專家打分和計算得到物種豐富度wi1、樹齡1 a 幼苗wi2、病蟲害wi3、地表結(jié)皮wi4的權(quán)重(wi1+wi2+wi3+wi4=1)。
1.4.2 健康指數(shù)計算 健康指數(shù)法(HI)在多種生態(tài)系統(tǒng)健康評價中得到應(yīng)用和檢驗[1]。本文根據(jù)實際情況對其進(jìn)行了修正,以評價梭梭防風(fēng)固沙林群落健康狀況,具體模型如下。
式中:HI為綜合健康指數(shù),V、O、R分別代表活力指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)和恢復(fù)指標(biāo);Vi、Oj、Rk分別代表一級指標(biāo)中的二級指標(biāo)的得分;WV、WO、WR分別代表一級指標(biāo)的權(quán)重(WV+WO+WR=1),wi為二級指標(biāo)的得分權(quán)重。
應(yīng)用Microsoft Excel 2010進(jìn)行錄入、數(shù)據(jù)統(tǒng)計,分類計算和做圖,應(yīng)用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。
1.5.1 數(shù)據(jù)歸一化 因為觀測指標(biāo)包括了高度、長度、密度、幼苗數(shù)和結(jié)皮面積百分比等不同類型數(shù)值,所以應(yīng)用下式進(jìn)行歸一化計算。
式中:Yli為第l樣方第i指標(biāo)的歸化值,Xli為第l樣方第 i 指標(biāo)的觀測值。
1.5.2 指標(biāo)權(quán)重確定 首先邀約本領(lǐng)域的20位專家對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行打分,應(yīng)用AHP 層次法確定權(quán)重,即通過Yaahp 軟件得到權(quán)重判斷矩陣,再計算出最大特征向量,獲得各指標(biāo)的權(quán)重。再應(yīng)用熵值法進(jìn)行修正,最后結(jié)合主客觀方法確定綜合權(quán)重。
式中:Q代表各指標(biāo)的綜合權(quán)重,Q1代表AHP 層次法確定的權(quán)重,Q2代表熵值法確定的權(quán)重,將a賦值0.5。
不同林齡的梭梭防風(fēng)固沙林特征主要表現(xiàn)(表1)為:隨林齡的增加樹高與冠幅比有增大趨勢,30 a林齡的樹高與樹冠比分別是20 a林齡和10 a林齡的1.9倍和1.2倍,10 a林齡和30 a樹高與樹冠比相差較大,差異顯著(P<0.05)。10 a樹高與樹冠比標(biāo)準(zhǔn)差最大,說明樹齡增大,個體之間的冠幅差異較小。隨樹齡增大,梭梭的密度變小,且差異顯著(P<0.05),30 a 的梭梭林密度只有10 a 林齡的24.00%,20 a 林的出現(xiàn)林窗。30 a 林齡梭梭的物種豐富度指數(shù)是20 a 和10 a 的1.37 倍和1.79 倍,物種空間分布均勻度也增大,Simpson 指數(shù)增大,但是差異不顯著。30 a林齡的梭梭綜合優(yōu)勢比只有10 a林的37.81%。隨著林齡增大,物種多樣性增大,梭梭優(yōu)勢度降低。
表1 不同林齡梭梭防風(fēng)固沙林群落特征比較Table 1 Comparison of community feature of Haloxylon ammodendron at different forest ages
通過二級指標(biāo)對梭梭林健康度進(jìn)行分析(表2)。在活力指標(biāo)中,不同林齡的梭梭高度、新枝長、基徑和結(jié)實的差異不顯著(P>0.05)。新枝的權(quán)重最大(0.40),歸一化數(shù)值也是30 a林齡的新枝值最大,分別是10 a 和20 a 的1.51 倍和1.48 倍,對活力指標(biāo)影響較大,30 a 生梭梭還保持萌發(fā)生長活力。在結(jié)構(gòu)指標(biāo),30 a的生活型比例分別是10 a和20 a的1.45倍和1.34 倍。10 a的密度歸一化值分別是20 a和30 a的1.04 倍和2.42 倍,3 種林齡的密度差異較顯著(P<0.05),密度歸一化值的變異系數(shù)(30.43%)也較大?;謴?fù)指標(biāo)是土壤結(jié)皮的權(quán)重(0.34)最大,其次是物種豐富度(0.24)。土壤結(jié)皮數(shù)據(jù)的變異系數(shù)也最大,10 a梭梭林沒有結(jié)皮,而30 a林齡的結(jié)皮的歸一化數(shù)值分別是10 a和20 a的5.7倍和4.7倍。30 a林齡的土壤環(huán)境相對10 a 的不僅有流沙,土壤表面50%以上形成結(jié)皮。
表2 不同林齡防風(fēng)固沙梭梭林群落健康評價指標(biāo)Table 2 Community health evaluation indexes of Haloxylon ammodendron windbreak at different forest ages
隨著林齡增大,梭梭防風(fēng)固沙林健康指數(shù)增大,但是差異性不顯著(P>0.05),10 a、20 a和30 a林齡的健康指數(shù)分別為0.20、0.24和0.30(圖1)。活力指標(biāo)的權(quán)重(0.394 3)大于結(jié)構(gòu)指標(biāo)(0.331 6)和恢復(fù)指標(biāo)(0.274 1),活力指標(biāo)對于梭梭群落健康的影響較大。30 a林齡的活力指標(biāo)較大(指標(biāo)值0.50),10 a生的活力指標(biāo)最?。ㄖ笜?biāo)值0.22),二者相差2.27倍,差異顯著(P<0.05)。10 a 的結(jié)構(gòu)指標(biāo)分別為20 a 和30 a林齡的1.47倍和1.25倍,20 a林的結(jié)構(gòu)指標(biāo)小于30 a林的0.02,但3種林齡結(jié)構(gòu)指標(biāo)差異不顯著(P>0.05)?;謴?fù)指標(biāo)值小于結(jié)構(gòu)指標(biāo)和活力指標(biāo),10 a的恢復(fù)指標(biāo)分別為20 a 和30 a 林齡的81.73 %和60.51 %。隨著林齡增加,群落彈性或恢復(fù)力增大。
圖1 10 a、20 a 和30 a林齡梭梭林群落的健康評價指標(biāo)及健康指數(shù)Figure 1 Evalution index and health index of Haloxylon ammodendron community at 10 a,20 a and 30 a years old
隨著林齡增大,梭梭林群落覆蓋度降低、優(yōu)勢度下降,而其組成群落的物種多樣性和地表土壤結(jié)皮面積增大,這與大多數(shù)研究的結(jié)果相似[18-19]。梭梭林退化判定指標(biāo)主要是植株生長狀況、結(jié)實情況、實生苗和林地結(jié)皮覆蓋度[18],以此確定梭梭林退化等級。本研究所涉及10 a、20 a和30 a林齡的梭梭林變化較大的是密度,物種和群落生物多樣性增大,群落健康度差異不顯著(P<0.05);隨著林齡增加梭梭個體減少,優(yōu)勢度降低,幼苗數(shù)量少或無,梭梭種群處于退化過程。民勤沙區(qū)人工梭梭林自然稀疏過程(密度減少) 與林齡的相關(guān)性是極顯著的[16,20]。有研究認(rèn)為石羊河下游民勤的8 a 樹齡以上的梭梭林開始退化[19],10 a 樹齡以上的梭梭林其自然稀疏過程很快,當(dāng)梭梭林齡達(dá)25 a 以上時,林分密度變化平緩,趨于穩(wěn)定[16]。因此,石羊河下游10 a林齡左右的梭梭林處于變化拐點期,是梭梭林管理的關(guān)鍵時期。
應(yīng)用指標(biāo)體系評價森林生態(tài)系統(tǒng)健康是國內(nèi)外較常用的方法[5,21],但是,防護(hù)林健康評價指標(biāo)建立因人因地而異,至今尚未得到統(tǒng)一。健康指標(biāo)包括了反映森林植物的生物學(xué)特征,可以認(rèn)為是活力指標(biāo),應(yīng)用新陳代謝或初級生產(chǎn)力等測度;表征森林植物群落的組成及其空間結(jié)構(gòu)指標(biāo),可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)指標(biāo),包括物種組成及物種空間關(guān)系;反映森林植物抵抗病蟲等自然災(zāi)害的能力和脅迫下維持結(jié)構(gòu)和恢復(fù)功能的能力,可以認(rèn)為是恢復(fù)指標(biāo);也有的研究者將森林功能[7-8,22]、環(huán)境和經(jīng)營管理[25]指標(biāo)納入健康評價。健康的森林應(yīng)該具有穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)、對干擾的抵抗能力以及自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力,健康森林必然具有功能,因此防護(hù)林健康評價應(yīng)該以其生物和生態(tài)指標(biāo)為主。近年來,眾多學(xué)者應(yīng)用多種方法評價森林生態(tài)系統(tǒng)健康,常用的有健康指數(shù)法(HI)、距離法(HD)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法、主成分分析(PCA)、層次分析法(AHP)、模糊綜合評價法[23]等。其中健康指數(shù)法(HI)應(yīng)用較多,此方法也被國際生態(tài)系統(tǒng)健康大會接受為生態(tài)系統(tǒng)健康診斷模型,在多種生態(tài)系統(tǒng)健康評價中得到應(yīng)用和檢驗[7,17,24]。因此,本文應(yīng)用VOR綜合指數(shù)模型對3種林齡的梭梭林進(jìn)行健康評價,應(yīng)用健康指數(shù)法,建立梭梭林健康評價二級指標(biāo),對梭梭防風(fēng)固沙林健康進(jìn)行評價。其中一級健康指標(biāo)只設(shè)立活力指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、恢復(fù)指標(biāo),這與健康指數(shù)法所確定指標(biāo)一致[1,4],因為防護(hù)林結(jié)構(gòu)決定防護(hù)林的功能[25-26]。另外由于當(dāng)前對于梭梭防風(fēng)固沙林健康功能與價值的研究尚處于完善階段,難以客觀描述其健康社會屬性的特征值,如果采用了這些信息將可能導(dǎo)致評價結(jié)果出現(xiàn)較大偏差[7],因此本文的評價研究未將梭梭林生態(tài)功能列入。生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力、恢復(fù)能力及適應(yīng)環(huán)境變化能力的物質(zhì)基礎(chǔ)[27],因此,本研究將生物多樣性指標(biāo)歸入恢復(fù)力指標(biāo),評價不同林齡梭梭防風(fēng)固沙林的恢復(fù)力及穩(wěn)定性。這是本文不同于其他研究的方面。民勤梭梭林的退化主要是因為水資源減少和土壤結(jié)構(gòu)變化[15-16,18-19]。因此,梭梭林健康評價未列入人為影響指標(biāo)。
隨著林齡增大,森林生態(tài)系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)等都發(fā)生變化,林齡是森林健康評價的指標(biāo)之一[13],已有應(yīng)用不同判定范圍確定水土保持林的健康度的研究報道[10]。健康森林特征應(yīng)該是個體較好的保持生物特征、能夠完成生物和生理過程、群落結(jié)構(gòu)完整、功能協(xié)調(diào)并具有較強(qiáng)的可持續(xù)發(fā)展能力,且能維持對脅迫的恢復(fù)力[3]。研究分析結(jié)果表明,民勤10 a、20 a和30a 梭梭林的健康指數(shù)差異不顯著(P>0.05),梭梭林在8 a后開始退化[19],30 a以上林齡梭梭仍能開花結(jié)實[6]。30 a梭梭林的健康度大于20 a,這與常兆豐等[6]應(yīng)用模糊判別方法對民勤的梭梭林健康度進(jìn)行評價結(jié)果相似。民勤梭梭林的退化是個體數(shù)量的減少,是種群退化,而群落健康度反而隨著林齡增大有所增加,這與梭梭林物種多樣性增加相關(guān)。
隨著林齡增加,梭梭林的密度和優(yōu)勢度降低,林內(nèi)梭梭幼苗少或無,種群處于退化過程。但是,梭梭林物種多樣性和土壤結(jié)皮面積增加,結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。3種林齡的梭梭林群落健康指數(shù)表現(xiàn)為30 a>20 a>10 a,但是差異性不顯著。差異較大的是活力指標(biāo),10 a林和30 a林的差異顯著(P<0.05),其次是恢復(fù)指標(biāo)。30 a梭梭的新枝長大于10 a和20 a林齡的,具有一定生育活力。3種林齡的密度差異較顯著(P<0.1),10 a林群落的結(jié)構(gòu)指數(shù)大于20 a和30 a的梭梭林。10 a 梭梭林的活力指數(shù)較低,病蟲害指數(shù)也較大,群落屬于相對變動較大時期,是管理的關(guān)鍵時期。