东大河林区青海云杉林健康评价

刘建泉，孙建忠

(1.甘肃祁连山国家级自然保护区管理局，甘肃 张掖 734000；

2.甘肃祁连山国家级自然保护区东大河保护站，甘肃 金昌 737200)

森林生态系统健康理论是20世纪末出现的，指导森林资源经营管理和森林有害生物防治的一种全新的理论[1-2]。生态系统健康的内涵及相应的评估研究成为21世纪生态系统学研究的主要内容和迫切任务之一[3]。森林的健康状况会直接影响人类生态安全和可持续发展，健康的森林是实现森林资源可持续经营的基础[2-4]。森林健康经营理论和技术已成为当今世界林业研究的热点[1，4]。对生态系统健康的概念、评估方法和思想等进行了很多探讨[1-7]，但关于具体生态系统的健康评估实例尚不多见[5]。

东大河林区位于石羊河流域的上游，是祁连山水源涵养林区的重要组成部分，是金昌市唯一的寒温性针叶林区和水源涵养林区，每年为东大河、西大河提供约4.19亿m3的出山水，是金昌市生态安全和社会经济环境可持续发展的重要屏障。青海云杉(Piceaclassifolia)林是东大河林区唯一的常绿乔木林，面积4 426.2 hm2，其健康状况直接影响到生态效益的发挥和镍都——金昌的发展。为了科学经营东大河青海云杉林，充分发挥其森林生态服务功能，探讨定量化评估森林生态系统键康状况的途径，本研究运用主成分分析法、聚类分析法，构建青海云杉林健康综合评价模型，对东大河林区青海云杉林的健康状况进行了初步的评价。

1 材料与方法

1.1研究区概况 东大河林区位于河西走廊祁连山中部冷龙岭北麓，金昌市永昌县东大河、西大河中游,101°24′～102°10′ E,38°01′～38°10′ N,总面积33 480 hm2，海拔2 400～4 000 m，是石羊河流域重要的水源涵养林区。该区属大陆性高寒半湿润气候，年平均气温1.9 ℃，最高气温31 ℃，最低气温-25 ℃，年降水量385.2 mm，多集中于7-9月，年蒸发量1 258.3 mm，年均相对湿度50%～60%，气候干燥、寒冷，植物生长期135～150 d；土壤有山地灰钙土、山地栗钙土、山地黑钙土、亚高山草甸土等，土壤母质为次生黄土或坡积物；主要植被有青海云杉林、爬地柏(Sabinavulgaris)灌丛、高山柳(Salixspp.)灌丛、鬼箭锦鸡儿(Caraganajubata)灌丛、金露梅(Potentillafruticosa)灌丛等，构成山地荒漠植被带、山地森林草原植被带、亚高山灌丛植被带、高山草甸植被带等垂直带谱；林区现有水源涵养林11 500.7 hm2，其中乔木林4 531.6 hm2，灌木林6 969.1 hm2，森林覆盖率33.8%，活立木蓄积417 778 m3。青海云杉林呈块状或条状分布在2 500～3 400 m的阴坡或半阳坡上，面积、蓄积分别占全林区的98.96%和99.45%，青海云杉是青海云杉林唯一的优势种。

1.2青海云杉林健康评价指标的确定 根据青海云杉林的相关研究资料，结合多年研究的经验，建立青海云杉林健康评价指标体系。

1.2.1指标确定的原则 指标体系建立包括科学性、可操作性、系统性与层次性相结合、主导要素4个原则[7]，结合东大河林区青海云杉林的实际情况，对其健康评价除考虑以上原则外，重点应考虑以下原则：1)主导要素原则[7]，选取的指标应该是反映青海云杉林健康状况的主要因子[4]；2)可操作性原则[7]，反映森林健康的指标是多种多样的，获取的途径、方法、手段也各不相同，因此，选取的指标应该是在实际调查中相对容易获取到的指标；3)自然环境制约原则，生长在不同环境中的青海云杉林，其健康状况受自然条件的制约，因此，选取的指标应该反映青海云杉林的生存环境。

1.2.2野外调查与数据转换 利用东大河林区的林相图选择不同地段的青海云杉林，用GPS定位，设置20 m×20 m的样地，进行环境调查，记录经纬度、海拔、坡度、坡向、坡位、人为和自然干扰等环境因子；将样地划分成5 m×5 m的相邻格子样方16个，进行植被调查，记录植物种类、高度、盖度、生活型等植被因子，对乔木进行每木检尺，记录树种、郁闭度、胸径(树高≥1.5 m)、地径(树高<1.5 m)；在样地的下方挖土壤剖面，按自然层次记录土壤剖面性状，测定土壤含水率；共调查样地13块，样方208个，土壤剖面13个，样地基本情况见表1。

1.2.3指标的筛选与评价模型的构建 对坡度、坡向、群落类型进行量化，对19个调查指标数据进行标准化，统一指标数据的纲量。采用主成分分析方法，对13个样地的19个调查因子进行主成分分析，确定主导因子(主成分)和各因子权重，以减少指标间的相关性，且使指标间相互独立或不相关[8]。根据主导因子、特征根和因子得分系数，计算各主成分的综合指标：

式中，Fi为各主成分的综合评价指标，λi为各主成分的特征根，Cin为因子得分系数，ZXin为Xin标准化后的数值。

以各主成分的贡献率为权重，构建东大河林区青海云杉林健康综合评价模型：

H=a1F1+a2F2+a3F3+…+aiFi，

i=1,2,…,n[3，4，8]。

式中，H为森林健康评价指标，ai为权重(主成分的贡献率)，Fi为主成分的综合评价指标。

表1 调查样地基本情况

1.2.4健康等级的划分和确定 把样地指标数据的标准化结果分别代入所确定的各主成分中，求出主成分(综合指标)数据矩阵，以此数据矩阵为基础，对样地健康状况进行聚类分析[3-4]。根据聚类结果，分别对每类计算综合评价指标平均数，并代入健康综合评价模型H，计算综合得分。

主成分分析和聚类分析的计算过程，使用SPSS 13.0软件在计算机上完成。

表2 青海云杉林健康评价指标体系

2 结果与分析

2.1青海云杉林健康评价的指标体系 根据评价指标体系的指导思想和构建指标体系的原则，将青海云杉林健康评价的指标体系分成目标层(青海云杉健康评价指标体系)、准则层和指标层3个层次[1，4](表2)。

2.2评价青海云杉林健康的主要指标 主成分分析的计算结果(表3)表明，特征值大于1.000的主成分共有6个，主成分的累计贡献率为90.05%，因此，决定选取6个主成分(F1～F6)。F1的因子载荷≥0.5的有X7、X5、X16、X14、X17、X6、X12、X13、X9，共9个因子，是反映青海云杉林健康状况的综合指标；F2的因子载荷≥0.5的有X12、X13、X18、X19、X3、X8、X9，共7个因子，主要反映青海云杉林的生产能力和潜力；F3的因子载荷≥0.5的有X10、X6、X2，共3个因子，主要反映优势种对群落的调控能力；F4的因子载荷≥0.5的有X8、X2、X4，共3个因子，主要反映自然环境对群落的影响；F5的因子载荷≥0.5的有X1、X15，共2个因子；F6的因子载荷≥0.5的仅有X15，共1个因子，其他主成分的因子载荷都<0.5；主成分F2～F19在不同程度上对F1进行了补充。筛选出的6个主导因子(主成分)为：X7、X5、X16、X14、X17、X6。

表3 特征值及主成分贡献率

2.3青海云杉林健康综合评价结果 对13个样地进行聚类，当欧几里德距离取15时，聚为3类：Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类，并计算每一类的健康综合评价指标的平均值。鉴于目前学术界尚没有公认的森林生态系统健康标准[9]，本研究具体操作时，将青海云杉林健康评价标准分3个等级，即健康、亚健康、不健康(表4)。在青海云杉林13个样地中，健康样地7个，占53.82%；亚健康样地4个，占30.77%；不健康样地2个，占15.38%。

2.4青海云杉林健康状况分析 根据主成分分析、小班聚类和健康综合评价结果，将3类、6个主成分的样地调查指标的平均值进行计算(表5)。在郁闭度为0.8、灌木层盖度为2.6%、样地蓄积量为3.016 7 m3、土壤吸湿水含量为29.99%、土壤含水量为33.31%时，青海云杉林属于健康状态，能够有效地调节降水和发挥生产潜力，生态功能正常；当郁闭度为0.4、灌木层盖度为94.0%、样地蓄积量为0.546 6 m3、土壤吸湿水含量为58.24%、土壤含水量为62.42%时，青海云杉林属于不健康状态，水源涵养能力下降，生产力和生产潜力不能充分发挥。

表4 青海云杉林健康综合评价结果

表5 青海云杉林6个主导因子的平均值

3 讨论与结论

本研究以东大河林区13块青海云杉林样地调查资料为基础，利用群落的自然环境、群落特征、恢复能力、生产能力和潜力5方面的19个指标，初步构建了青海云杉林健康评价指标体系，并以19个指标为基础，利用主成分分析方法，筛选出影响青海云杉林健康的主要指标有群落类型、郁闭度、灌木层盖度、林分蓄积量、土壤吸湿水、土壤含水量共6个指标。通过聚类分析，将青海云杉林13块样地分为3类，Ⅰ类健康，包括7块苔藓-青海云杉林样地，占53.82%；Ⅱ类亚健康，包括1块苔藓-青海云杉林样地和3块草类-青海云杉林样地，占30.77%；Ⅲ类不健康，包括2块灌木-青海云杉林样地，占15.38%。由此可见，东大河林区的青海云杉林健康状况比较好，但仍然存在森林健康的问题。

草类-青海云杉林和苔藓-青海云杉林是青海云杉林中较为稳定的类型[10]，在东大河林区，苔藓-青海云杉林健康状况良好，而草类-青海云杉林则处于亚健康状况，这与青海云杉林的演替和东大河林区自20世纪80年代初开始禁止森林采伐、全面封山育林的森林恢复措施密切相关。

对不同地域的森林生态系统来说，不同类型森林生态系统的结构、功能、物质和能量流动具有各自的特点，因此，森林健康具有相对性。根据《中国植被》对植被的分类原则，植物群系(Formation)是“优势层片的优势种相同或其生态习性一致，并具有相同标志种的群丛联合”[11]，因此，从群落水平对森林健康状况进行评价时，评价的基本对象应该是植物群系，更高级的植被分类单位都会造成评价结果缺乏可比性。

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