徐州侧柏人工林健康评价研究

徐 梅 关庆伟

(南京林业大学森林资源与环境学院，江苏 南京 210037)

徐州侧柏人工林健康评价研究

徐 梅 关庆伟

(南京林业大学森林资源与环境学院，江苏 南京 210037)

为了明晰徐州侧柏人工林的健康状况，选取群落垂直结构、郁闭度、单位面积蓄积量、林分更新、森林病虫害等级、森林火险指数等10个评价指标，建立评价指标体系。根据该评价体系，采用层次分析法和模糊数学方法，将森林健康分为优质、健康、亚健康、不健康和疾病5个等级，通过样地调查并结合现有相关数据，对60块典型样地进行评价。结果表明：在总评样地中，优质样地占5.00%，健康样地占15.00%，亚健康样地占43.33%，不健康样地占30.00%，疾病样地占6.67%。徐州侧柏人工林的整体健康等级为亚健康，建议通过增加林下木本植物种类和数量、对密度过大的样地进行间伐及开设林窗等途径提高徐州侧柏人工林的健康程度。

侧柏人工林；森林健康；评价体系；模糊综合评价法

森林健康评价是指采用完善的评估指标体系来诊断和评估现有森林生态系统的健康状况，是对森林生态系统生产力水平、结构状态、抵抗外界干扰能力以及服务功能等多方面综合能力的一种评估[1-2]。森林健康评价是目前对森林最为有效的管理手段，能够及时、准确地反应森林现状，在森林管理和保护中发挥着越来越重要的作用[3-5]。目前，国内外学者和机构已从诸多方面对森林健康评价进行大量研究，涉及的评价指标不同[6-8]，评价方法各异[9-10]。2012年，张文海[11]从生产力水平、可恢复性、水源涵养功能3个方面初步构建了华北土石山区典型区域水源涵养林健康评价指标体系。其中，水源涵养功能指标主要包括：叶面积指数、枯落物有效持水量、土壤持水力、土壤侵蚀度等；生产力水平指标主要包括：单位面积蓄积量、物种多样性、生态脆弱度、病虫害等级等；恢复能力指标包括：林龄结构、近自然度、群落垂直结构、林分郁闭度等。2013年，李杰等[12]选择2大类21个指标对金沟岭林场杨桦(Populus-Betula)次生林进行健康评价。第1类是基础指标，是森林健康的内在条件和次生林健康经营的基础，从系统活力、组织力、恢复力3方面，选择生物量指标、组织结构、层次结构、生物多样性、人为干扰程度5个指标；第2类是经营指标，反应了健康、合理的经营措施与保持森林健康之间的重要关系，从森林效能、林地环境及森林经营3个方面选择了经济价值、生态效益、土壤指标、改造措施4个指标。

纵观国内外研究进展，关于森林健康评价的研究还在丰富和完善的过程中，森林健康评价研究目前面临的主要问题有：没有统一的森林评价指标及其评价标准；目前森林健康评价多为某一时段的静态研究，然而静态研究不能够全面地揭示森林健康状况的动态变化规律和趋势；现阶段的森林健康评价尚未考虑森林的经营目的，与森林经营之间的关系还不明确，对森林健康经营的指导能力不足；国内多数学者采用指标体系评价法对森林进行健康评价，对指示物种评价法的研究相对较少[13-15]。

徐州市目前侧柏(Platycladusorientalis(L.)Franco)纯林达到2万多hm2。20世纪50—60年代，徐州市营造了大量侧柏人工林[16]，在改善环境等方面起到了非常重要的作用。但是，当时造林目的只为荒山绿化，缺乏长远的目标，并且后期的抚育管理不到位，导致现今的侧柏林存在许多问题，如出现生长缓慢、结构简单、林分密度过大、林木间竞争激烈、“小老树”现象严重、天然更新差等问题[17]。为了优化侧柏人工林结构，提高其健康程度，本文利用森林资源二类调查数据及样地调查数据，旨在建立徐州市石灰岩山地侧柏人工林健康评价指标体系，评价其健康程度，探讨实现其健康经营的途径，以期为该地区侧柏人工林的健康经营提供科学依据。

1 研究地概况

江苏省徐州市地处东经116°22′～118°40′，北纬33°43′～34°58′。该区属暖温带半湿润季风气候，四季分明，夏无酷暑，冬无严寒。年均气温为13～16℃，年均日照时数(绝对日照) 2 000 ～ 2 600 h，日照率52%～57%，年均无霜期200～220 d，年均降水量800～930 mm，雨季降水量占全年的56%。土层瘠薄，裸岩率较高，土壤类型为石灰岩发育而成的粗骨褐土和淋溶褐土。土壤大多无石灰反应，腐殖质少，保肥水能力差。

徐州的地带性植被原为落叶阔叶林，但由于历史上的种种原因，原生植被已不复存在。现有植被以20世纪50—60年代营造的人工林为主，侧柏人工林是徐州山体的主要植物群落类型，树龄40～50 a，林分密度725～ 3 450 株/hm2，平均胸径7.19～13.20 cm，平均树高4.75～6.77 m。侧柏林下灌木如酸枣(ZizipZhusjujuba)、胡枝子(Lespedezabicolor)等生长良好，一些土层较厚的地块逐渐出现小片落叶阔叶林，树种包括朴树(Celtissinensis)、槐树(Sophorajaponica)、臭椿(Ailanthusaltissima)、楸树(Catalpabungei)、青桐(Firmianasimplex)等。

2 数据来源

2012年10月，根据徐州侧柏人工林的生长及分布情况，结合该地区遥感图，在铜山县赵疃林场，市区云龙山、泉山、玉碧山、大横山、九里山、洞山等地段选取典型标准样地60块。每个标准地面积为20 m×20 m，标准地的划分均采用罗盘仪定向，皮尺量距，测设境界线，闭合差要求<1/200，用GPS对标准地起始点进行定位。

每块标准地内设置5个5 m×5 m中等样方和25个1 m×1 m的小样方，分别调查灌木和草本；土壤调查包括土壤样品的采集和土层厚度测定；林分更新调查在中等样方采用分层调查的方式对更新的乔木数量、种类进行调查；枯落物调查在中等样方中调查枯枝落叶厚度。内业分析主要包括土壤孔隙度、毛管孔隙度等各项指标的测定，测定方法参考文献[18]。

研究数据在样地调查的基础上，结合徐州市第七次森林资源二类调查数据，进行森林健康评价。

3 森林健康评价指标体系与评价模型的构建

3.1 森林健康评价指标体系的构建

在分析国内外研究现状的基础上，从森林结构完整性、系统稳定性、服务可持续性角度出发，依据评价体系构建科学性、可操作性、适用性及系统性等原则，结合徐州侧柏人工林的现状和特点，选取10个评价指标及8个亚指标，建立一个可利用指标体系，对徐州侧柏人工林健康状况进行评价。森林健康评价指标体系见表1。

表1 森林健康评价指标体系

本研究针对侧柏人工林进行健康评价研究，指标层指标标准处理分3种类型。

1) 群落垂直结构指标、郁闭度指标、森林病虫害指标、干扰指标、林分更新指标、叶面积指数指标与枯落物厚度指标，其标准划分在咨询专家的基础上结合研究区域实际情况，按照《森林资源规划设计调查主要技术规定》的相关规定进行划分。

2) 通过SPSS频数分析，单位面积蓄积量指标符合正态分布，指标标准通过正态等距分析法划分。

3) 采用平均值法计算森林火险指数、土壤持水力指标的标准。森林火险指数指标由主要树种、坡向、坡度、地被物盖度与平均枝下高等5个亚指标综合决定。土壤持水力指标由土层厚度、土壤总孔隙度、非毛管孔隙度等3个亚指标综合决定。

3.2 建立综合评价模型

3.2.1 评价指标权重的确定 权重是以某种数量形式，对比、权衡被评价事物总体中诸因素相对重要程度的量值。本文采用专家咨询法和层次分析法确定各指标权重，对25位林学和生态学专家发放调查问卷请专家进行打分，建立判断矩阵，并经过一致性检验，最后经过总排序得到各指标权重。

3.2.2 评价指标的标准划分 本研究中在指标层指标标准的制定过程中主要参考了《国家林业局森林资源规划设计调查主要技术规定》和《全国生态公益林建设标准》，在专家咨询的基础上结合该研究区域其他学者的研究情况，指标标准的划分见表2，其中，亚指标标准的划分见表3，干扰程度指标的具体分级描述见表4。

表2 侧柏人工林健康评价指标权重及分级标准

表3 森林健康评价亚指标分级标准

表4 干扰程度等级划分标准

3.2.3 指标隶属度的确定 研究应用多级模糊综合评价法确定健康等级隶属度，其评价步骤如下。

1) 构建评价对象的指标或亚指标集。

U={U1，U2，…,Ui}

式中：Ui为评价对象指标，i=1，2，3，…，n。

2) 建立评价集。

V={V1，V2，…，Vj}

式中：Vj为评价等级，j=1，2，3，…，n。

3) 建立单因素评价矩阵。对指标集或亚指标集中的每一个指标根据评价集中的评价等级作出评价，即该指标在评价集中对每个评价等级有多大的隶属度，从而得到矩阵R：

4) 建立指标权重向量。由于每个指标的权重不同，需要对各指标赋予不同的权重值，可以表示为：

A=(A1，A2，…，Ai)，(i=1，2，3，…，n)

5) 模糊综合评价。

B=A×R=(B1，B2，…，Bj)，(j=1，2，3，…，n)

6) 林分健康等级Y的确定方法。

Y=Bk

Bk=max(B1，B2，…，Bj)

式中：Y为森林健康等级；Bk为评价等级中权重比例最大的数值。

4 结果与分析

对徐州侧柏林的60块样地进行健康评价，并对样地健康评价结果进行统计，结果见表5。

表5 徐州侧柏人工林样地健康评价结果统计

表5统计结果表明，在总评样地中，优质样地占5.00%，健康样地占15.00%，亚健康样地占43.33%，不健康样地占30.00%，疾病样地占6.67%。在60块样地中，亚健康样地比例最大，其次是不健康样地，这说明了徐州整体侧柏人工林的健康等级为亚健康。

针对徐州侧柏人工林处于亚健康状态这一评价结果，依据指标权重，本文从林分更新、林分密度、群落垂直结构、土壤持水力等4个方面，分析徐州山地侧柏人工林亚健康状况的原因。

1) 林分更新。此次调查，在60块样地中，林分更新指标级别健康的占3%，亚健康的占25%，不健康的占72%，综合更新力指标级别为不健康。其中，更新力健康的样地中平均更新330株，不健康的样地平均更新176株。统计发现，林下更新层出现频率超过50%的树种是侧柏、桑树(Morusspp.)、构树(Broussonetia papyrifera)、苦楝(Melia azedarach)、泡桐(Paulownia fortunei)、刺槐。对比优质样地与不健康样地林分更新调查结果，发现两者侧柏的出现频率相差16%，反映了不健康样地侧柏的更新力弱；桑树、构树等阔叶树在优质样地与不健康样地中都有更新，但不健康样地阔叶树的出现频率远低于优质样地。

2) 林分密度。调查表明，优质样地密度为 2 590～ 3 180 株/hm2，亚健康样地密度为 2 990～ 4 125 株/hm2。根据董鹏等调查结果[19]，徐州侧柏人工林合理的林分密度应当处于 2 325 ～ 3 225 株/hm2。在调查中，林分密度在此范围的样地有23块，占所有样地的38.3%；而林分密度为 3 225 ～ 4 125 株/hm2的样地有25块，占所有样地的41.7%。结果表明，徐州侧柏人工林林分密度偏大。而单位面积蓄积量与林分密度有关[20-21]，在合理密度范围内，林分蓄积量逐渐达到最大随后逐渐下降，波峰处于其间。因此，大于合理密度，林分蓄积量必定随着密度增大逐渐下降。此外，林分密度过大，导致单株个体生长受阻，林下植被光照较少，影响了群落的多样性。

3) 群落垂直结构。徐州侧柏人工林群落结构较为简单，一般可分为1～2层。乔木层平均高度7.5m，平均盖度65%，以侧柏为优势种，只伴生极少数的如臭椿、桑树、刺槐等阔叶树种。灌木层高0.8～2.0m，平均盖度为15%，该层主要由酸枣、胡枝子等树种构成。草本层几乎无。简单的群落结构导致生态系统的脆弱，生态稳定性低。

4) 土壤持水力。徐州山地土壤瘠薄，平均土层厚度15cm，平均总孔隙度62.4%，平均非毛管孔隙度16.6%。依据评价指标亚指标分级标准，得出土壤持水力隶属值为2.3，属于级别Ⅲ即亚健康等级。优质样地土壤持水力平均隶属值为4.5，不健康样地土壤持水力平均隶属值为1.4。因此，受贫瘠的土壤影响，侧柏人工林中个体生长受阻，生物多样性较低，生态系统处于亚健康状态。

5 结论与建议

针对徐州市侧柏人工林处于不健康状态的评价结果，建议通过增加林下木本植物、对密度过高的样地进行间伐以及开设林窗等途径，促进该地区侧柏人工林形成复杂的群落结构和稳定的发展模式。

1) 对于密度低的样地以及群落层次结构简单的样地，选择一些具有观赏性较高、耐干旱瘠薄、易繁殖、生长迅速的乡土树种补植，如栾树(Koelreuteria paniculata)、臭椿、火炬树(Rhus typhina)、泡桐、三角枫(Acer buergerianum)、朴树(Celtis sinensis)等阔叶乔木树种以及小叶女贞(Ligustrum quihoui)、酸枣、胡枝子等灌木种类，增加林下木本植物的种类和数量，提高林下木本植物的多样性，调整林分结构，促进下层植被的丰富并向多元化发展，实现侧柏人工林的健康经营。

2) 对密度高的样地进行间伐，达到降低郁闭度，促进林下植被生长，改变林分结构，增加森林蓄积量的作用。间伐是森林经营的一种手段，对样地进行间伐时应考虑间伐的强度和间隔期。此次调查结果，徐州侧柏人工林林分密度偏大，因此对于密度大于 3 125 株/hm2、生长缓慢、健康指数差的林分，应伐去密度大、树干弯曲、多杈、偏冠以及受害的、生长衰弱的林木，使得保留的、健康的树种有足够的营养空间，从而加快其生长速度。在间伐过程中应遵循以下几个原则：(1)采坏留好，伐除病腐枯死木、弯曲多枝和机械损伤木，保留生长良好的林木、干形通直的林木和没有损伤及病虫害的林木(在考虑林分结构多样稳定的基础上，也可以适当的保留一些不同腐烂程度和一定分布密度的枯立木)，在满足稳定结构的同时也为森林动物、微生物提供栖息和生存场所。(2)采针留阔、改变纯林结构，保留生态系统中具有关键作用的混交树种。(3)采伐后能够形成大小适宜、分布均匀的林间空地，为林下植被的生长提供适宜条件。(4)采伐后使得林分形成不同年龄、树种合理搭配的异龄林。

3) 对密度过大的亚健康和不健康侧柏人工林进行疏伐，不仅能够降低郁闭度，还具有开设人工林窗的效果。林窗是人工诱导与定向恢复及更新的有效驱动力，能形成具有边缘效应的生态交错微区，在一定尺度范围内引起微环境因子发生变化，为幼苗萌发和生长提供必要的生态条件，有利于幼苗的萌发、存活和生长，让林下灌木层、草本层自然更新和生长，对森林的更新和生长起到促进作用[22]。开设人工林窗时除了遵守间伐的原则外，采伐那些能在伐后形成适宜大小林隙的林木，还需要考虑林窗的形状、大小、年龄以及边缘木等。疏伐后，在林窗部位种植阔叶幼苗、幼树。与针叶树相比，阔叶树灰分含量高，养分周转能力强，抗病虫能力强。因此，可以通过补充阔叶树调整林分结构的改造方法，改善养分循环状况，促进系统的自我维持，提高系统活力和恢复力，同时还可以促进地表可燃物的分解。

[1] 王宗军.综合评价的方法、问题及其研究趋势[J].管理科学学报，1998，1(1)：75-79.

[2] 肖风劲，欧阳华，孙江华，等.森林生态系统健康评价指标与方法[J].林业资源管理，2004(1)：27-30.

[3] 王彦辉.酸化森林生态系统对环境变化的影响[M].北京：华文出版社，2001.

[4] 胡涌，李吉跃，冯仲科.森林生态系统健康监测评价的3S技术体系[J].北京林业大学学报，2005，27(S1)：24-27.

[5]RapportDJ.Gainingrespectability:Developmentofquantitativemethodsinecosystemhealth[J].EcosystemHealth, 1999, 5(1): 1-2.

[6] Costanza R , Norton B G, Haskell B D. Ecosystem Health: New Goals for Environmental Management[M]. Island Pr, 1992.

[7] McCune B. Lichen communities as indicators of forest health[J]. The Bryologist, 2000, 103(2): 353-356.

[8] Zarnoch S J, Bechtold W A, Stolte K W. Using crown condition variables as indicators of forest health[J].Canadian Journal of Forest Research, 2004, 34(5): 1057-1070.

[9] 陈高，代力民，姬兰柱.森林生态系统健康评估I：模式、计算方法和指标体系[J].应用生态学报，2004，15(10)：1473-1479．

[10] 王义平，吴鸿，徐华潮.以昆虫作为指示生物评估森林健康的生物学与生态学基础[J].应用生态学报，2008，19(7)：1625-1630．

[11] 张文海. 华北土石山区典型区域水源涵养林健康评价研究[D].北京：北京林业大学，2012.

[12] 李杰，宁杨翠，郑小贤. 金钩岭林场杨桦次生林健康评价研究[J].西北林学院学报，2013，28(2)：191-195.

[13] 雷相东，唐守正.林分结构多样性指标研究综述[J].林业科学，2002，38(3)：140-146.

[14] Biging G S, Dobbertin M. Evaluation of competition indices in individual tree growth models[J]. Forest Science, 1995, 41(2): 360-377.

[15] Hanus M L, Hann D W, Marshall D D. Reconstructing the spatial pattern of trees from routine stand examination measurements[J]. Forest Science, 1998, 44(1): 125-133.

[16] 尤海梅，孟繁国，王仲宇.徐州市侧柏人工林主要树木种群种间联结性[J].中南林业科技大学学报，2008，28(2)：63-68．

[17] 王振营，董鹏，李朝，等.徐州侧柏人工林现状调查与土壤分析[J].江苏林业科技，2010，37(2)：15-19.

[18] 赵阳，余新晓，吴海龙，等.华北土石山区典型森林枯落物层和土壤层水文效应[J].水土保持学报，2011，25(6)：148-152.

[19] 董鹏，张昊楠，关庆伟，等.徐州侧柏林林分密度与林木生长关系的研究[J].中国城市林业，2010，8(5)：39-42.

[20] 黄家荣.贵州杉木人工林经营密度模型初探[J].北京林业大学学报，1993，15(4)：32-36.

[21] 叶功富，林武性，张水松，等.不同密度管理措施对杉木林分的生长、生态效应的研究[J].福建林业科技，1995，22(3)：1-8.

[22] 于宁楼.九龙山不同森林类型立地长期生产力研究[D].北京：中国林业科学研究院，2001.

(责任编辑 赵粉侠)

Health Assessment ofPlatycladusorientalisPlantation in Xuzhou

XU Mei, GUAN Qing-wei

(College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China)

In order to evaluate the health status ofPlatycladusorientalisplantations in Xuzhou Municipality, a forest health assessment index system was formulated by integrating 10 indexes such as the vertical structure of the community, canopy density, standing stock per unit area, forest regeneration, damage grade of forest pests, hazard index of forest fire, etc. According to the health assessment index system, and by means of the analytical hierarchy process (AHP) and fuzzy mathematics method, the forest health status was divided into five classes, i.e., superior healthy, healthy, sub-healthy, unhealthy and ill. 60 typical sample polts chosen from Xuzhou were evaluated by combining the sample plot survey with existing relative data. The results showed that the superior healthy sample plots accounted for 5%, health sample plots accounted for 15%, sub-healthy sample plots accounted for 43.33%, unhealthy sample plots accounted for 30%, and the ill sample plots accounted for 6.67% of the total 60 sample plots. It illustrated that the overall health grade ofP.orientalisplantation in Xuzhou was sub-healthy. It was proposed to increase the quantity and species of understory woody plants, conduct thinning in the over-densed sample plots, and open forest gaps to improve the health status of theP.orientalisplantations in Xuzhou.

Platycladusorientalisplantation; forest health; health assessment; fuzzy mathematics method

2013-11-14

国家林业公益性行业科研专项(201104075)资助；江苏高校优势学科建设工程项目资助。

关庆伟(1964—)，男，博士，教授，博士生导师。研究方向：城市森林生态学。Email：guanjapan999@163.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.02.008

S725.7

A

2095-1914(2014)02-0039-05

第1作者：徐梅(1985—)，女，硕士生。研究方向：城市林业与城市生态学。Email：530525335@qq.com。