森林自然度评价研究

刘宪钊 马 帅 陆元昌

(1.中国林业科学研究院资源信息所，北京 100091；2.中国林业科学研究院，北京 100091)



森林自然度评价研究

刘宪钊1马 帅2陆元昌1

(1.中国林业科学研究院资源信息所，北京 100091；2.中国林业科学研究院，北京 100091)

森林自然度作为森林功能区划和群落生境制图的参考指标，在近自然森林经营中具有重要的作用。通过综述国内外有关森林自然度评价的研究进展，从自然度的概念出发，在评价层次、评价指标、评价方法等方面对自然度评价的关键技术进行了综合分析。以森林的演替理论为基础，从时间尺度、空间分布格局和干扰程度3方面分析不同森林群落的自然度，将定性化的分类体系和定量化的指标分级相结合，提出适用于生态学和经营学的森林自然度评价指标体系和方法，以期为森林经营和保护提供理论依据和技术支持。

森林自然度;生态干扰度;评价指标体系;方法;标准

森林自然度是指当前森林群落植被与该地区原始森林植被之间的差异程度。在近自然林业建设、自然资源保护和森林经营领域，自然度是重要的评价指标[1-2]，广泛用于自然保护价值、多样性监测、森林现状的评价及森林经营计划的制定[3-5]。在过去的几十年间，许多欧洲国家和地区都结合自己的经营实践活动建立了森林自然度的评价方法，并在实际的应用中取得了良好的效果[6-7]。

本研究在分析国外相关文献的基础上，结合国内生态学研究中提出的“生态干扰度”和“天然性程度”等一些概念和度量方法，在时空尺度、干扰程度上对森林结构的异质性进行指标的分级和判定，建立了景观层和林分层相结合的自然度评价体系，在技术层面上满足了近自然森林经营及退化森林恢复和保护的需求[8]。

1 森林自然度评价理论的发展研究

植物学家和生态学家在对干扰状态下森林植被变化方向和程度的不断思索中逐步提出了森林自然度的概念。Thoreau在考虑林地起源的时候产生了将当前森林与原始状态进行比较的萌芽思想[9]；Bernatsky将森林的形成归为人的直接影响和山地动物的啃食造成，进一步阐述了干扰与森林变化之间的关系[10]。1955年芬兰学家Jalas首次提出了“生态干扰”用于描述那些直接或间接地通过人类活动引入的植物种类[11]。之后，德国生态学家Sukopp在此基础上提出了“生态干扰度”的概念，并将其正式的引入生态学范畴，用于描述人类干扰对植被和立地影响的强度。按照Sukopp的定义：生态干扰度是人类过去所有有意识和无意识地对立地和植被施加的干扰的一个总的量度，这一量度的不同强度等级即为生态干扰度[12-14]。与生态干扰度概念相对的是描述森林植被的“天然性程度”的概念，即现实森林植被与它们的天然状态之间的距离或相似性[15]。生态干扰度与天然性程度在本质上是相同的，其差别仅在于主要强调人的影响(生态干扰度)还是森林植被的状态属性(天然性程度)[16]。

从“森林的天然性程度”到“森林自然度”是以德国为主的欧洲国家在长期的近自然经营实践中对不同干扰程度下森林植被状况的再一次诠释，也可以说是欧洲学者在生态和经营2个层面上对于“生态干扰度”或“天然性程度”的理解[17]。森林自然度可以概括为：当前森林植被与同一地区原始森林植被或发生学所表现的潜在森林植被构成之间的差异程度，在近自然经营中“森林自然度的评价”对于群落生境的区划起着决定性的作用[18-19]。直到人们在发现和讨论了人类活动对森林植被及其存在立地的影响之后，才尝试把植物单元按这种影响的大小(或相反地按它们近似天然的程度)进行分类和评价[15]。按照Jalas的理解，新的植物种类在某一生态系统中的存在与否及多寡成为生态干扰度分级的一个最主要的参考标准[11]。Leibundgut对表达森林生态系统状态的林分结构的近自然性给予了描述，认为物种的混交状态和年龄结构能够体现人类的干扰情况[20]，Peterken将生物、非生物特征作为评价自然度的正向指标，而洪水、飓风等灾难性的事件作为负向指标[6]，在考虑了人为的干扰后Kowarik形成了一套较为完善的评判标准[21]。

总之，森林自然度评价是为了解某一区域森林植被状况与原始(或潜在)森林植被状况之间的差异而作出的量化分级和评价，以便为森林经营功能区划和生态保护提供参考。相比于森林自然度定义的高度概括性，森林自然度评价则涵盖了在时空尺度、干扰等级上反映森林植被和立地状态差异性的多种指标。

2 森林自然度的评价原则和标准

2.1 评价原则

森林自然度评价的核心原则就是分析当前森林植被的天然性程度或其与天然状态的差距。李迈和[15]在总结前人研究成果的基础上提出了原生植被和潜在植被2条途径。认为最理想的是要找到一个对应的、从未受人类干扰仍处于天然状态的参照系，以便在植被、立地及生态系统的层面上去比较被评价对象的现实状态与其天然参照系之间的距离。但是，这样的参照系“除非在极个别的高山地段或深海地带”，现在几乎是无处可寻的[13]。按照“替代群落”的思想，通过一个从当前立地出发的“将来”参照系，去估算人类至今为止对植被的总影响，或现实植被状态与“将来”平衡状态之间的距离。这种“将来”的参照系即为潜在的自然植被[15]。

2.2 评价标准

森林自然度评价的标准受到包括评价者的目标和考虑问题方式等主观因素的影响，森林自然状态的不确定性，进一步扩大了评价标准的不确定性。以生态保护为目的自然度评价往往侧重于外来树种数量，以此为标准来判断当前森林被干扰的程度。Schirmer认为林分中乡土树种株数比小于50%的森林不能叫做半天然状态，所受的干扰也在中等之上。近自然经营中对自然度的评价常常被应用于群落生境制图和森林功能区划中，出于这种考虑的评价标准往往更加侧重森林立地和生境的近自然性，更多地考虑植被在演替中所处的阶段和生态位。在经过了评价指标选取、获取数据、评价模型计算后往往能够得到符合经营需求的一个值或几个值来反映森林的近自然状态。一般需要预先界定自然和不自然的数值区间，然后再依据此区间对所计算出的该林分的自然度值进行评判。这种评价标准简单明了，易于操作，能够发现非自然的大致偏差，解释偏差的原因。但是评判区间的划分直接影响对森林近自然程度的评价，近自然等级间的区别和界限并非十分清楚。

3 森林自然度的评价方法

根据评价原则，Schirmer将森林群落中潜在自然植被(乡土树种)的数量比例作为划分森林自然度等级的主要指标[22]，李迈和对其进行了适当的改动，但思路和方法没有发生变化，这也成为目前最主要的评价方法[15]。除此之外，Laarmann将森林自然度和林木的死亡方式建立关系，利用枯损模型和枯死木空间分布来评价森林的自然度[23]，Bartha利用方差分析研究了林分结构因子与森林自然度的关系[2]。但是从目前国内外的研究现状来看，比较统一的方法尚未建立，在此探讨了几种可能的方法。

3.1 生物指示物评价法

主要依据森林生态系统的指示植物、敏感植物、特有植物、特有动物、森林鸟类、森林昆虫、森林土壤动物和微生物等的多寡和分布状态来描述森林的近自然程度，最早应用在森林健康评价之中[24]。生物指示物评价法包括单物种评价和多物种评价，方法简单易用。但是如果只使用单一物种，当外界干扰在更高层次上对生态系统的结构和功能作用而没有造成物种变化时，这一方法就不敏感。可以考虑采用不同生物组织层次上的多个物种多个指标来反映这种变化。

3.2 自然度距离法

根据李迈和的研究结论认为，通过评估目标林分对象所处的状态与潜在森林植被状态(或目标)的差距来评价林分的自然度。自然度的度量可采用森林自然度距离来表示，森林自然度距离表示受干扰森林生态系统(或群落)偏离潜在森林生态系统的(即所谓的背景值状态)的距离。该方法能够进行量化计算，也能从景观尺度上甚至更大尺度上对森林近自然程度进行定量评估，具有一定的可操作性。但是采用这种方法需要明确潜在植被的组成和数量情况，而潜在植被群落信息的难以获取成为这一方法使用需要解决的瓶颈问题[15]。此方法的一个延伸是利用当前森林中外来树种丰富度和分布的时空动态变化来评价人为干扰强度，进一步判断当前森林的近自然程度[25]。

3.3 综合评价法

综合评价法是将多个评价指标的原始数据用某一个(类)统计方法构建一个综合性指标，以便对森林的近自然性作出一个全面的整体性的评价，这就需要把反映森林自然度的各方面的指标综合在一起，对于综合性的指标评价体系大多采用层次分析法(AHP)。虽然综合评价法从理论上和实践上都能得到一个反映森林近自然状况的测度值，但往往需要获取的数据多且不易取得，工作量大，各指标的权重很难客观确定，各因素之间的交互影响也很大，一部分指标的作用可能会被另外一些指标抵消，而且在各个指标对自然度的影响机理并不清楚的情况下，把多个指标综合在一起缺乏明显的理论依据。

4 森林自然度评价的内容及指标体系

4.1 森林自然度评价的对象及内容

造成植被偏离自然状态的主要原因是干扰，其中人为干扰的影响最为普遍，所以人类干扰就成为认识和评价森林自然度的主要因子。Jalas 将干扰后出现在生态系统中新的物种和数量多少作为衡量该区域生态系统受干扰的程度，以此来评估植被在干扰后的时空变化情况。此外，包括土壤、植被构成、森林演替状态和林分年龄等方面都可以作为评价森林自然度的对象[26]。

自然度评价是对森林生态系统状况和变化趋势的判断，以当前森林植被作为评价的对象，以原始(或潜在)植被状况作为参考对象，通过具体的指标来分析目标对象和参考对象之间的差距。自然度评价的尺度主要包括时间尺度、空间分布格局和干扰尺度，对于时间尺度的解释可以结合森林演替的概念，自然度作为当前植被与原始植被的差异性程度，按照演替顶级学说可以理解为对当前森林所处演替阶段的判定[27]，不同演替阶段森林的物种组成、结构、土壤、立地状况及空间分布的差异程度可以作为其自然度评价的主要内容。空间分布格局主要针对森林中林木的分布状况而言，根据植物发生学和生态学的相关原理认为林木的均匀分布、集群分布和随机分布是体现森林的近自然性的一个衡量标准[28]。干扰尺度也可以理解为干扰程度，主要包括人为干扰和自然干扰2个方面，干扰程度是判别森林自然度最直接的内容，按照轻度、中度和重度的干扰下森林的自然度逐渐的降低。

以上3个评价森林自然度的方面并非独立存在，主要表现为：

1) 假定环境和立地条件不变的情况下，随着森林的演替进程，林木空间的分布格局表现为由集群分布向随机分布的过渡；

2) 均匀分布在自然状态下极为罕见，人工按照一定株行距栽培的种群是最典型的均匀分布，其自然度最低；

3) 干扰程度不同所对应的森林演替格局也不同，严重的干扰(皆伐、火烧)可以使原始植被消失，森林出现逆行演替或次生演替。

4.2 森林自然度评价的指标体系

森林自然度评价的指标主要集中在景观层和林分层。景观层的尺度相对大，但涉及的评价指标较少。以植被组成和类型为指标，日本将森林自然度在景观层上划分为10个等级[29]。此外，奥地利，意大利，加拿大，芬兰等国家都开展了景观层的自然度评价工作[30-34]，评价的主要依据则是Jalas关于外来物种的种类和演替过程中森林的差异及土地利用方式。国内在这个层面上的研究也相对较多，但几乎所有的分类单元都和国外相似。

由于指标多、分析过程复杂，林分层的自然度的评价工作起步相对较晚，早期的研究也主要是由景观层逐步过渡到林分层。Bartha年开始探讨森林结构的异质性和森林的近自然之间的关系，在物种丰富度、冠层结构、年龄结构和冠层的郁闭程度4个方面对森林自然度进行了量化比较。Uriarte年将土地利用程度作为森林被干扰后所具有的自然度进行评价和分类，Laarmann将森林的天然性程度和林木的死亡类型和原因建立关系来评价森林的自然度。因此，林分尺度的自然度评价主要参考森林组成、结构、空间分布格局、土壤条件和外界干扰等指标[2, 23, 35]，评价指标体系见图1。

不论何种类型的森林，在未遭受到自然因素的破坏和人工采伐等严重地干扰，经过长期的自然生长枯损与演替的情况下，林分内部的直径、树高、冠幅以及林层、年龄和树种组成等许多特征因子，都具有一定的分布状态，而且表现出较为稳定的结构规律性，这些规律为研究森林近自然程度提供了明确的考量标准。例如，将胸径大小按径阶分配而形成的径级结构能够鲜明的表达同龄纯林的“近正态分布”和天然林的“倒J型”的直径分布状态，而这种由“近正态分布”向“倒J型”分布的趋向程度可以作为判断当前林分自然度的标准。林木垂直分布的层次结构和冠层的状况也能够表达森林的自然度，更接近自然状态的森林往往具有复杂的层次结构[2]，而以年龄为特征的古树数量也是判断森林自然度的一个重要指标[36]。此外，林分的空间分布格局也是表达自然度的一个鲜明指标，随着森林自然演替的进程，林分的空间格局由集群分布向随机分布过渡[23]。

植被组成和生长状况是反映森林自然度最为直观的因素，包括森林群落中植物、动物和微生物等外来物种和指示性关键物种的数量、比例和分布状态等方面。其中，乡土树种(尤其是关键树种)幼苗在林分中的组成比例越高，森林的近自然程度越高；不同垂直层(乔、灌、草)中物种的多样性程度越高，森林的近自然程度也越高。天然更新幼苗为实生的林分自然度高于萌生幼苗林分,更新幼苗为耐阴性慢生树种的林分自然度高于阳性速生树种的林分；郁闭度高的林分自然度往往高于郁闭度低的林分。此外，枯木(枯倒木、枯立木)的数量、分布状态和死亡原因也是判断林分自然发育程度的一个指标[ 2, 3, 11, 17, 37]。

除了森林自身的性状表达外，土壤条件和外界的干扰程度也是判断森林自然度的主要标准，包括土壤侵蚀模数、土壤养分发育状况、人为经营管理强度和道路可及度等反映干扰程度的指标都包含在林分层近自然评价的指标体系中。外界干扰严重的林分自然度较低，而土壤养分发育不良且易出现水土流失的林分被认为自然度低于土壤条件良好的林分[38-39]。

5 森林自然度评价的发展趋势及研究方向

由于研究的目的不同，加之对 “完全自然状态”评判标准的不同，森林自然度的评价指标不尽相同。除此之外，森林植被的自然度评价是个复杂的过程，所以尽管此方面的研究已经取得了极大进展，但还有许多问题值得以后研究中关注。

5.1 森林自然度评价指标研究

对于自然度的评价，国内的研究主要是以生态干扰为参考指标，在大尺度上进行宽泛的分类和评价，完整的评价体系或评价模式还不存在。国外虽然在林分层给出了一些自然度的评价方法和标准，但是考虑的指标往往过少，不能反映森林的整体特征。除此之外，虽然自然度反应的是森林的一个状态，森林植被的动态指标(过去一段时间森林的变化情况)更能说明森林的发展方向和近自然的可能。所以应该在评价体系中加入相关的森林动态指标。本研究在综合参考国内外自然度评价指标体系的基础上，提出了林分结构和分布、树种组成和生长、外界干扰和土壤状态4个方面的指标体系，能够从静态上反映森林的自然度状态，更重要的是以上指标均能通过人为经营措施的调控来实现直接或间接的动态变化，为人工促进森林恢复提供参考。

森林的近自然性所传达出来的信息除了能够指导生态干扰研究外，还对森林经营、森林保护和恢复有着积极的影响，所以对于指标体系的建立不仅应包括森林状态、干扰类型和土壤条件等，还应包括森林经营技术措施和抵御森林病虫害能力等方面的指标，最终能够根据森林经营不同需要和经营目标，建立可行的指标评价体系。由于评价方法的不确定性，对于同一块森林近自然程度而言，采用不同的方法计算，其评估结果差异是非常明显的。在现有的几种评价方法中，对各方法的适用范围、准确性和一致性等问题研究还不够。使用层次分析法评价森林或植被的近自然状态，与评价森林生态系统健康等相关问题并无本质区别，只是把评价的对象换了一下。总的来看，对指标体系测度的各项数据如何综合利用，这方面还缺少比较完善的认识，还需要研究新的集成性更强的评价方法。

5.2 自然度评价在森林经营中的应用研究

目前自然度评价研究仅仅是对森林现状的评价，属于静态评价。如果没有指标的长期观测，就只反映某一时点的森林近自然状况，不能判断森林生态系统变化发展的趋势。评价就是要反映森林生态系统状况和变化趋势，进行森林自然性时间序列动态研究是今后研究的重要课题。目前，关于森林植被自然度评价的案例没有一个能够涵盖反映森林生态系统结构和功能的全部参数，并且许多指标难以标准化和量化，这是今后应重点解决的问题。

自然度评价对于森林经营最直接的用途是植被分类和区划，区别于传统对坡勾绘的森林区划来说，按照自然度进行的区划更符合植被的自然特性，更能体现立地对于植被变化的影响作用。对于多功能可持续为目的的人工林近自然化改造来说，经营方案制定前合理的森林自然度分析将会起到事半功倍的效果。

5.3 研究展望

不管是生态学家还是森林培育经营的研究者，对于森林自然度评价的最终结果是为了明确当前森林的状态属性、干扰等级和可恢复性，以便制定更加合理的经营、保护和恢复的方案[22]。目前，森林自然度的评价已经逐渐渗透到不同的领域中，在林业生产和科学研究中的作用越来越凸显出来。但是，学术界对其概念、评价理论和方法尚未达成一致意见，许多方面都处于探索阶段。

森林生态系统是一个非常复杂的系统，组成森林生态系统植被的自然性用目前使用的一些常用指标很难来概况和描述，需要掌握存在于该系统中的各种错综复杂的关系。除此之外，由于原始植被的缺失，对潜在植被的判断成为了影响评价效果最直接的因素(由于自然度是通过潜在植被度量出来的)。进行潜在植被的分析，并建立一个不同区域潜在的植被库，可能是除了该评价工作之外的另一个需要研究的方面。

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(责任编辑 韩明跃)

Research of Forest Naturalness Assessment

LIU Xian-zhao1，MA Shuai2，LU Yuan-chang1

(1.Institute of Forest Resource Information Techniques,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China; 2.Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China)

As the reference standards of the biotope mapping,naturalness assessing and grading are very important to the pre-zoning and later design of the natural forest management.Based on the concept of the degree of close-to-nature in the paper,the key technologies of evaluating the close-to-nature forest were analyzed from the evaluation levels,indicators,methods.The evaluation progress,relevant nature degree and degree of the ecological disturbance were reviewed.Considering the structure heterogeneity of different forest communities on the spatial scale,spatial pattern and the interference degree,and combing the qualitative system classification with quantitative indicator according to the forest succession theory,the evaluation system of close to nature forest was established. It provides a theoretical and technical support for the community zoning,mapping and management of the degraded forest.

forest naturalness;hemeroby;assessment index;assessment methods;assessment standard

2015-05-11

国家自然科学基金项目(31400538)资助；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(CAFYBB2014QB044)资助。

马帅(1981—),男，硕士，工程师。研究方向:森林可持续经营。Email:mashuai1119@163.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.04.018

S753.5

A

2095-1914(2015)04-0099-07

第1作者：刘宪钊(1981—)，男，博士，助理研究员。研究方向：近自然森林经营，生态系统经营。Email：lxz9179@163.com。