浅析我国森林健康评价体系的研究现状

2016-12-26李小刚

中国绿色画报 2016年7期

李小刚

【摘要】：森林健康评价是当前国内外的热点问题，已成为国内外森林状况评估和森林资源管理的重要手段，但目前森林健康评价指标体系差别较大。对森林这样一个复杂系统的健康状况进行综合评价的方法很多，但是每种方法考虑问题的侧重点不尽相同。鉴于所选择的方法不同，有可能导致评价结果的不同，因而在进行不同类型森林健康评价时，应具体问题具体分析。与国外相比国内森林健康指标过多、过泛，部分指标可操作性差含义不清。需要制定统一和标准的森林健康评价指标每个指标的阈值可因地域、经营目标、森林类型各异。本文介绍了各种评价方法的优缺点以及应用实例，并对森林生态系统健康评价的研究趋势做了一个展望。

【关键词】：森林健康；评价方法；体系研究

1、引言

森林健康研究最早出现是在20世纪60年代，当时森林健康作为森林管理者的一个基本概念，强调的是森林病虫害、森林火灾和干旱等胁迫因子对森林的影响以及如何实施有效的治理等[1]。从60年代到80年代初期，随着人们对森林作为生态系统总体认识的不断深入以及环境污染、木材的过量消耗而造成的森林生态系统的不断退化对森林健康的理解也随之发生变化，对森林健康的研究也逐步从林分转移到森林生态系统上来[2] 。当时对森林健康的研究主要从两方面进行，一方面研究森林生态系统的物质循环和能量流动，主要是关于净初级生产力（NPP ）、碳截留与碳分配、营养物质循环等。一个健康的森林生态系统能够有效地利用资源并快速从胁迫状态中恢复；而一个亚健康或不健康的森林生态系统则包括森林生产力和多样性非正常地减少营养物质过快淋失，土壤侵蚀从胁迫状态恢复过程慢甚至不能恢复等。另一方面则是调查林分的生长率、死亡率和林冠状态这主要也是源于酸沉降和其他大气污染物的影响而造成对森林的损害。

到 80年代，随着对物种多样性濒危物种以及非经济森林价值概念的深入理解，森林健康的概念和研究内容也发生了变化，研究内容也涵盖了生态系统的结构和功能的变化、物种多样性保护和森林资源的持续管理等[3]。现代森林生态系统健康的概念己逐步发展为包括林分、森林群落、森林生态系统以及森林景观在内的一个复杂的系统概念。目前对森林生态系统健康的研究一方面强调森林生态系统健康与森林生态系统服务功能的关系[4-5]；另一方面强调森林生态系统的健康状况研究、森林健康胁迫因子、活力、组织、承载能力和恢复能力等[6]。随着遥感和G1S技术的发展，森林生态系统健康的监测与评价方法也得到很大提高，研究方法也逐步从定性化到定量化方向发展[7]。

2 、森林健康概述

一般认为，健康的森林是生物因素和非生物因素对森林的影响不会威胁到现在或将来森林资源经营的目标。健康的森林并非没有病虫害、没有枯立木、没有濒死木，而是它们一般只在较低水平存在，它们对于维护林中的生物链和生物多样性以及保持森林结构的稳定是有益的[8]。

2.1 健康森林的特征

在对森林进行健康评价时，首先要介绍一下健康森林具有什么特征。一个健康的森林不仅要有自持力和恢复力，更要能够满足人类日益增长的物质文化需要。健康的森林在整个演替过程中应远离生态系统失调综合症。生态系统失调综合症是指系统被破坏后导致其在正常生命期限前终结的不可逆过程[9]。目前，大量事实表明，许多受人类支配地区的诸多森林生态系统，均已受到高度胁迫而处于功能失调的境地。

健康的森林对灾难变化具有恢复力。恢复力是反映森林生态系统抵抗外界压力并且在外界压力消失的情况下逐步恢复到稳定状态的能力。事实上，破坏和恢复是森林生态系统永久循环的组成部分。尽管人类活动对森林造成了破坏，但是森林却呈现出了惊人的恢复力。主要植被生长所需的关键性资源的供给和需求处于平衡状态。对于生存所需必要资源，健康的森林是可以自给自足的。演替阶段的多样性及管理实践和生态系统过程不会危害邻近的生态系统。健康森林必须能为人类提供一定量的物质产品，因此生产力的大小是反映森林健康与否的重要特征之一。

2.2 影响森林健康的因素

影响森林健康的因素很多，这些因素不仅能影响个体树木的健康，也能引起林分甚至森林生态系统的健康。认识并掌握这些因素的作用机制和途径对于选择合适的评价指标有很大帮助。对森林健康有影响的因素分为自然因素和人为因素[10]，这2种因素或单独或同时起作用[11-12]。另外，人为因素的影响能够改变自然因素的发生及其严重性。各种影响森林健康的因素都可能会发生变化，相同的因素在不同的时间所起的作用也不一样。

3 、森林健康评价方法研究进展

森林健康评价是诊断由于人类活动和自然因素引起森林生态系统的破坏和退化所造成的森林生态系统的结构紊乱和功能失调使森林生态系统丧失服务功能和价值的一种评估[13] ，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[14]。

3.1 指示物种类群评价法

指示物种评价森林健康，主要是依据生态系统的关键物种、特有物种、指示物种、濒危物种、长寿命物种和环境敏感物种等的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及其一些生理生态指标来描述生态系统的健康状况[15]。主要分为当生态系统受到外界胁迫后，生态系统的结构和功能受到影响，这些指示物种的适宜生境受到胁迫，指示物种结构功能指标将产生明显的变化。因此，可以通过这些指示物种的结构功能指标和数量的变化来表示生态系统的健康程度或受胁迫程度，同时也可以通过这些指示物种的恢复能力表示生态系统受胁迫的恢复能力。

主要优点：生物指示法是生态系统中的动物、植物或微生物，但某一生态系统受到自然力和人类获得的干扰后，生物指示法可以发生种群数量或种群行为的明显变化。因此，生物指示物平价法具有快捷、高效的特点符合生态系统健康评价的实用可操作原则。

主要缺点：指示物种的筛选标准不明确，找到真正合理的指示物种组合决非易事，有些采用了不合适的类群等，同时难于测定每个物种的作用[16]；此外指示物种的一些监测参数的选择不恰当也会给生态系统健康评价带来偏差。

3.2 综合指标评价法

综合指标评价法评价生态系统健康，首先要选用能够表征生态系统主要特征的指标，其次要对这些特征进行归类区分分析各个特征对生态健康的意义，再次是对这些特征因子进行度量，最后建立生态系统健康评价的指标体系。

综合运用不同尺度信息的指标体系，应该是未来生态系统健康评价的发展方向。生态系统健康的评价指标有活力、组织结构、恢复力、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康影响等 8个方面[17]。

综合指标评价法评价生态系统健康的优点是，综合了生态系统的多项指标，通过指标体系评价，将这些信息进行综合反映了生态系统的健康程度。同时也反映生态系统的健康负荷能力及其受胁迫后的健康恢复能力，反映了生态系统的不同尺度的健康评价转换，这类方法适用于任何类型的生态系统，是目前比较完善的森林生态系统健康评价方法。

3.3 健康距离（HD）法

陈高[18]以阔叶红松林生态系统为例，从对森林生态系统健康的理解和评价出发，通过引入模式生态系统集的思想，提出了对森林生态系统健康理解的独创看法，并以此提出生态系统健康评估的一种方法——健康距离（HD）法。并推导出计算公式，提出一般的干扰越大压力越大健康损益值越大HD 越大，该生态系统（群落）就偏离模式生态系统越远越不健康，对人类的服务功能就越弱，这样通过建立一个指标体系集来综合说明，将可以很方便地对森林生态系统健康进行评估操作。

3.4 主成分分析法

主成分分析（简称 PCA）是由卡尔（Karl）和皮尔逊（Pearson）最早在 1901 年提出，只不过当时是应用于非随机变量。1933 年霍蒂林（Hotelling）将这个概念推广到随机向量。该方法是利用降维的思想把多指标转化为几个综合指标的多元统计分析方法。

赵小亮[19]以河北省承德县森林生态系统为研究对象，将数学统计方法中的主成分分析法应用于指标选取和健康值的计算中，探讨了该方法在森林生态系统健康评价中应用的合理、可操作性。部分评价指标之间有时存在一定程度的相关关系，若直接应用该指标体系可能会使被评价对象反映的信息有所重复。

主要优点：根据评价指标中存在着一定相关性的特点，用较少的指标来代替原来较多的指标，并使这些较少的指标尽可能地反映原来指标的信息，从根本上解决了指标间的信息重叠问题，又大大简化了原指标体系的指标结构；另外各综合因子的权重不是人为确定的，而是根据综合因子的贡献率的大小确定的。这就克服了某些评价方法中人为确定权数的缺陷使得综合评价结果唯一而且客观合理。

主要缺点：计算过程比较繁琐且对样本量的要求较大；评价的结果跟样本量的规模有关系；主成分分析法假设指标之间的关系都为线性关系。但在实际应用时，若指标之间的关系并非为线性关系，那么就有可能导致评价结果的偏差。

3.5 层次分析法

层次分析法是美国著名运筹学家 F.L. Santy 于 20 世纪 70 年代提出的（简称 AHP），这种方法可将一些量化困难的定性问题在严格数学运算基础上定量化将一些定量、定性混杂的问题综合为统一整体进行综合分析。在目前所有确定指标权重的方法中AHP 因是一种较为科学合理、简单易行的方法而被广泛使用。是目前确定森林生态系统健康评价指标权重最普遍的一种方法。

主要优点：把定性分析与定量分析有机结合起来的较好的科学决策方法。它通过两两比较标度值的方法，把人们依靠主观经验来判断的定性问题，定量化既有效地吸收了定性分析的结果又发挥了定量分析的优势；既包含了主观的逻辑判断和分析又依靠客观的精确计算和推演。

主要缺点：虽然层次分析法较好地考虑和集成了综合评价过程中的各种定性与定量信息，但是在应用中仍摆脱不了评价过程中的随机性和评价专家主观上的不确定性及认识上的模糊性。

3.6 模糊综合评价法

模糊综合评判法是由 1980 年汪培庄教授提出的。利用多个指标刻画事物的本质与特征，由于对一个事物的评价往往不是简单的好与不好，而是采用模糊语言分为不同程度的评语。由于森林生态系统及其健康评价系统的动态性和复杂性其健康程度评价往往设计多指标、多因素这时就要根据多个因素对生态系统作综合评价，且各评价因素的评价具有模糊性，因此采用模糊综合评判法对各要素进行评判可获得科学的评价结果。

阮作庆[20]以森林生态系统健康评价理论为基础，通过定性和定量分析相结合的方法，建立了森林生态系统健康评价指标体系，同时应用模糊数学法中的多层次综合评判法，建立评价模型评价结果符合实际具有较好的评价效果。

主要优点：首先隶属函数和模糊统计方法为定性指标定量化提供了有效的方法，实现了定性和定量方法的有效集合；其次在客观事物中一些问题往往不是绝对的肯定或绝对的否定，涉及到模糊因素而模糊综合评判方法，则很好地解决了判断的模糊性和不确定性问题。最后所得结果为一向量克服了传统数学方法结果单一性的缺陷。

主要缺点：该方法不能解决评价指标间相关造成的评价信息重复问题；且各因素权重的确定带有一定的主观性；同时在某些情况下隶属函数的确定有一定困难；尤其是多目标评价模型要对每一目标、每个因素确定隶属度函数过于繁琐实用性不强。

3.7 人工神经网络法

人工神经网络（简称 ANN）是在对大脑的生理研究的基础上，用模拟生物神经元的某些基本功能元件（即人上神经元），按各种不同的联结方式组成的一个网络。模拟大脑的某些机制，实现某个方面的功能可以用在模仿视觉、函数逼近、模式识别、分类和数据压缩等领域。它不需要任何先验公式就能从已有数据中自动地归纳规则，获得这些数据的内在规律，具有自学习性、自组织性、自适应性和很强的非线性映射能力，特别适合于因果关系复杂的非确定性推理、判断、识别和分类等问题。

甘敬，朱建刚[21]在拟定 RAFH 指标后通过对训练样本的模式识别来构建一个 BP神经网络，并以测试样本为新的输入项进行模拟将模拟值与森林健康精准评价（简称 PAFH）结果（期望值）进行误差分析比较，检验了指标的合理性为森林生态系统健康实践提供理论依据。

李静锐[22]根据神经网络模型原理，从生态系统健康评价的基础理论和原理出发，同时结合实际调查情况对生态系统进行单项健康指标的分析和评价。然后以生态系统综合健康评价的模式为基础，利用BP神经网络模型根据生态系统的组织结构、生态功能和社会效益等健康指标，对八达岭地区森林生态系统的健康进行数字化表达。

3.8 灰色关联度法

灰色关联度分析，是根据系统各个因素间或系统行为间的数据列或指标列的发展态势与行为作相似或相异程度的比较，以判断因素的关联度和行为的接近。灰色关联度是一种多因素统计分析方法。它以各因素的样本数据为依据用灰色关联度来描述因素间关系的强弱、大小和次序其基本思想是根据曲线几何形状的相似程度来判断关联度程度。该方法定量考虑多个因子的作用得出具有可比性的综合性指标，从而提高综合评估的准确性和有效性，避免了人为评判的主观性。

4 、我国森林健康评价存在的问题与趋势展望

现阶段我国学者研究森林健康问题，已经不仅仅是简单的介绍国外的观点和理念，而是更加注重引进再创新，并开始试着构建适合我国国情和林情的森林健康理论体系和评价体系。但是由于森林健康评价在我国开展的时间很短，对森林健康的认识无法统一，导致森林健康评价依然面临诸多问题。

4.1森林健康概念和内涵不统一，评价尺度划分模糊

很多学者都是从自己所研究的领域定义森林健康的概念，同时，不同的尺度所研究的内容有很大的不同，所采用的评价指标和方法也有差异，尺度划分不清导致大量工作重复。

4.2 评价指标片面化和评价方法不统一。

国内学者在选择森林健康评价指标时往往出现片面化现象，只注重森林内部结构指标，却很少涉及经济和社会属性等方面的指标；在森林健康评价中所采取的定性指标较多，缺少定量化研究。另外，我国对于森林健康综合评价还缺乏具体可行的评价方法。

4.3 森林健康评价不能够充分利用现有的监测数据

不能够充分利用现有的监测数据使健康监测和评价的发展非常不平衡，从而导致了数据和资源的浪费。同时，我国森林一、二类调查存在着调查内容不全面的问题，这使我们在进行森林健康评价时需要重新调查很多指标。

4.4 现阶段的森林健康评价没有考虑森林经营目的

经营目的不同的森林，达到健康状态时的林分结构及生态系统结构不同，因此，不同林种的森林不能用同一个标准进行评价。森林健康评价直接关系到人类的生存和发展。要对森林健康进行更加深入的研究，统一森林健康的概念，界定好各个评价尺度之间的关系；对森林健康进行评价必须进行综合性的评价，这主要体现在评价指标体系要能充分体现森林的整体情况，不能以偏概全；在对评价指标选择时，既要考虑定量和定性指标的比例，也要充分考虑生态、经济和社会指标对森林健康的不同影响。同时，对森林健康进行评价必须进行动态的评价，如果只在一点对森林的健康状况进行评价，那就有可能会出现错误的情况。另外，对森林进行健康评价时，应对不同林种的森林建立不同的评价指标体系，也可以通过对不同林种相同的指标赋予不同的权重值来进行评价。我国森林健康研究还处于起步阶段，依然存在着很多问题，这些问题有待进一步研究。

5 、评价方法总结和未来研究趋势

综上所述，对森林生态系统这样一个复杂系统的健康状况进行综合评价的方法很多。但是，每种方法考虑问题的侧重点不尽相同。鉴于所选择的方法不同有可能导致评价结果的不同。因而，在进行不同类型森林生态系统健康评价时，应具体问题具体分析，根据被评价对象本身的特性在遵循客观性、可操作性和有效性原则的基础，选择合适的评价方法。

6、森林生态系统健康评价未来研究趋势

第一，森林生态系统健康不仅仅反应在自然生态层面上，还反映在其他方面，我国许多研究者提出的社会、经济等方面指标。因为健康是一个综合概念，各方面都需要考虑到形成一套综合的量化的森林健康评价体系，是我国森林健康评价的一个研究发展。

第二，综合考虑森林生长发育的历史过程，并综合考虑环境因素的影响来评估森林的健康状况，并通过动态的健康评价预测未来的森林健康变化，即森林健康的动态评价方向。

第三，包括 3S 技术在内的多方面的技术、方法长时间的健康监测和健康状况预测也是今后森林健康研究的发展方向。

【参考文献】：

[1] 马安平.对实施森林健康工作的一些探讨[J].陕西林业科技，2005（3）：75-77.

[2] 殷建强，于曙明，高艳平.美国森林健康与可持续林业引进实践[J].贵州林业科技，2008，36（2）：56-60.

[3] 阳彬，王熙钱，欧阳勋志.森林健康的概念、特征及其影响因素探析[J].江西林业科技，2007（6）：26-29.

[4] 陈高，邓红兵，王庆礼，等.森林生态系统健康评估的一般性途径探讨[J].应用生态学报，2003（6）：995-999.

[5] 甘敬，张振明，余新晓，等.森林健康监测与评价研究[J].水土保持研究，2006，13（3）：177-180.

[6] 高均凯.中国森林健康的主要干扰研究[J].林业调查规划，2008，33（6）：34-38.

[7] 李志洪，叶渭贤.浅论广东省林分结构与森林健康[J].中南林业调查规划，2005，24（2）：5-7.