不同离海距离木麻黄防护林单木健康评价

刘贺娜　李茂瑾　王艳艳　江传阳　李坤玲　吴承祯　陈灿

摘  要：单木健康评价是森林健康监测的重要组分。强烈的沿海梯度环境造成我国沿海重要的人工防护林出现不同程度受损，但因忽视在生态系统脆弱情况下生长的树木健康情况，使得单木尺度和不同离海距离的健康评价研究甚少。为此，本研究以沿海木麻黄防护林为研究对象，将其离海距离由近到远划分为5个梯度，建立了由根部受损程度、冠层落叶度、树冠透视度、树冠重叠度、树冠枯梢比重、树冠层比重和树冠偏斜度等指标构成的单木健康评价体系。结果表明：沿海木麻黄防护林单木健康情况整体较差，17.78%的林木处于不健康等级，仅有4.44%的林木处于优质健康等级;由海岸向林地内部，木麻黄防护林表现出明显的健康变化趋势，距海越远，木麻黄单木健康程度越高;第1梯度不健康等级林木达33.33%，显著多于第2梯度（P<0.05），且没有优质健康等级的林木，而第5梯度不健康等级林木显著少于第3和第4梯度（P<0.05），且健康及以上等级林木占比93.33%。研究结果为沿海木麻黄防护林的健康管理提供依据。

关键词：单木健康评价;沿海防护林;森林健康;木麻黄

中图分类号：S792.93      文獻标识码：A

Single-wood Health Assessment in Casuarina Protection Forests at Different Distances from the Coastline

LIU Hena1，2， LI Maojin3， WANG Yanyan1，2， JIANG Chuanyang3， LI Kunling1，2， WU Chengzhen4， CHEN Can1，2*

1. School of Forestry， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China; 2. Collegiate Key Lab of Forest-Ecosystem Process and Management in Fujian， Fuzhou， Fujian 350002， China; 3. Fujian Quanzhou Forestry Bureau， Quanzhou， Fujian 362000， China; 4. Wuyi University， Nanping， Fujian 354300， China

Abstract： Single-wood health assessment is an important part of forest health monitoring. Coast protect forest is one of the critical plantation ecosystems in China， which is damaged to some extent in a strong variation environment with intense differences from the ocean to the land. But， at present the research on the assessment of forest health in a single-wood scale and in different distances from the coast line is so scarce due to overlooking the health of the trees growing in the weakness of the ecosystem. In order to make up the gap， we took different Casuarina forests as the study objects， divided their distances into five gradients from near to far， which was from the forest edge facing the sea to the forest interior， and established a single-wood health assessment system including the indexes of root damage， crown deciduous degree， canopy transparency， crown overlap， crown dieback， canopy weight and crown deviation. The overall health of single-wood trees in the coastal Casuarina forest was poor with 17.78% unhealthy and only 4.44% in good health. The different gradients of the coastal Casuarina forest showed obvious significant from the coast forest trees to the interior ones. The unhealthy grade trees in the first gradient were up to 33.33%， which was significantly more than that in the second one （P<0.05）， and there were no high grade trees. The unhealthy trees in the fifth gradient were significantly less than that in the third and fourth gradients （P<0.05） with 93.33% of the health and above grades. The study would lay a basis for the health management of coastal Casuarina protection forests.

Keywords： single-wood health assessment; coastal shelter forest; forest health; Casuarina

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.11.025

森林健康是森林可持續经营管理的重要组分，对森林健康水平和导致森林不健康原因的认知能够有力支持森林生态系统的可持续发展[1]。因此，21世纪后我国开始注重森林健康的研究与实施[2-4]，提出和建立了多种森林健康评价的指标体系和评价方法[5-7]，这些方法多数以森林类型、林分、小班等为评价单元[8-9]，但对于人工纯林这种特殊的森林类型来说，单木健康是保证森林生态系统健康的基础[10-11]。特别当森林所处环境具有显著的环境梯度差异时，若不从个体健康角度探讨林分健康，即使森林生态系统暂时拥有整体健康并不能代表每一个体的健康。因忽视处于最恶劣环境中林木的健康，错过最佳干预时间，将成为森林生态系统崩溃的隐患。

沿海防护林是处于海陆交界强烈沿海梯度环境中的人工林，也是我国重要的防护林生态系统和沿海生态安全屏障。我国拥有超过1.8万km的漫长大陆海岸线，因常年风灾沙害，自20世纪50年代开始建设沿海防护林体系，其中木麻黄（Casuarina equisetifolia L.）因其良好的防风固沙、涵养水源、保持水土和改良土壤等功能，在我国沿海广泛种植[12]，是东南沿海重要的防护林树种。

森林健康概念的发展，多变的沿海环境，使防护林健康研究越来越受到关注[13]，但是，对由海陆过渡特征和海洋侵蚀干扰造成木麻黄防护林不同程度的梯度受损的研究不够深入，适用于此类研究的单木健康评价也未见报道。对防护林生态系统薄弱处针对性防范措施的缺乏，增大了防护林生态系统退化的风险。因此，本研究以福建省赤湖林场的木麻黄防护林为对象，以离海距离为梯度，结合国内外对单木健康评价的研究，尝试建立不同离海距离的木麻黄单木健康评价体系，以期为沿海木麻黄防护林的健康可持续经营管理提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  研究地概况

福建惠安赤湖国有防护林场拥有我国木麻黄国家林木种质资源库，位于福建省泉州市惠安县崇武镇，地理坐标为245～252N，1184～ 1191E，地处亚热带海洋性季风气候区，年均温在17.5～20.2 ℃之间，年均降水量在1000 mm左右，无霜期超过300 d，年日照达2100 h。20世纪60年代，该林场开始建造大面积的沿海防护林，并逐步形成了以木麻黄沿海防护林为主的相对稳定的沿海防护林体系。

1.2  样地设置

以惠安县赤湖林场的木麻黄为观测对象，3个空白样方，15个分梯度样方。从距海10 m防护林开始，以30 m为一个梯度进行划分，共5个梯度（T1、T2、T3、T4和T5），每个梯度随机选取3个10 m×10 m的样方;在距海较远（超过150 m）的林场内部，取3个10 m×10 m空白样方（Tck）。在每个样地内采用五点取样法，随机选择5棵木麻黄样木。

1.3  林木调查和评价方法

1.3.1  调查因子和评价体系  根据程志楚等[14]提出的单木尺度的森林健康评价指标和评分标准，选取根部受损度、冠层落叶度、树冠透视度、树冠重叠度、树冠枯梢比重和树冠层比重6项指标作为本研究的单木健康评价指标;同时结合本研究实际情况并参考国内外研究[15-16]，特增加树冠偏斜度指标并建立相应的评分标准。根部受损度、冠层落叶度、树冠透视度、树冠重叠度和树冠枯梢比重均为视觉观测因子，树冠层比重和树冠偏斜度均需要计算求得。

树冠层比重计算公式：

（1）

式中：B为树冠层比重;H为树高;H为活枝高。

树冠偏斜度计算公式：

（2）

式中：C为树冠偏斜程度;CWe为东向冠幅;CWS为南向冠幅;CWw为西向冠幅;CWn为北向冠幅; 为平均冠幅。本研究求得的树冠偏斜度最大值为4，最小值为0，以平均值为评分标准将树冠偏斜度划分为5级，树冠偏斜度越大，评分越低。

以下7项指标构成沿海木麻黄防护林单木健康评价指标体系：根部受损程度（A1）、冠层落叶度（A2）、树冠透视度（A3）、树冠重叠度（A4）、树冠枯梢比重（A5）、树冠层比重（A6）和树冠偏斜度（A7），并建立单木健康调查指标及对应得分表作为评分标准（表1）：

1.3.2  指标评价的标准化处理  为消除指标体系量纲的差异，运用极差正规化对指标体系进行标准化处理，使其值域范围在0～1之间。计算公式为：

（3）

式中：X为指标原始值，X为指标处理后的值，Xmax为指标中的最大值，Xmin指标中的最小值。

1.3.3  指标权重的确立  常见的指标权重确定方法主要分为主观赋权法和客观赋权法两大类，由于主观赋权法人为影响较大，故本文选取客观赋权法中的熵值法[17]进行木麻黄单木健康评价指标权重的确立。为防止因某一评价指标数值较大而提升评价结果分值的情况出现，本研究在评价时采用了分段式评价函数进行单木健康评价，即：若某一项评价指标得分为0，该样木直接判定为不健康等级。

1.3.4  评价模型  结合张秋根等[18]的森林生态系统等级划分标准，制定沿海木麻黄单木健康等级划分标准，对单木健康度数值进行分级：0～0.4为不健康等级，0.4～0.55为亚健康等级，0.55～0.7为健康等级，0.7～0.85为良好健康等级，0.85～1为优质健康等级。

运用单木健康评价按综合指数公式（4）对无量纲化后的数据进行计算。

（4）

式中：H為单木健康度，m为指标数（m=7），n为每个指标下单木的个数，Wi为指标权重，Xij为第i个指标下第j个样本原始数据标准化后的值。

当有一项指标为0时，直接判定其为不健康等级。最终得到的评价模型为：

（5）

式中：A为任意一项评价指标，其他符号同公式（4）。

1.4  数据处理

采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比较（LSD），数据的整理分析和图表绘制均在Excel 2016软件中完成。

2  结果与分析

2.1  指标权重

各指标的权重大小直接影响到综合评价值的高低[19]，从而影响到对单木健康状态的评价。运用熵值法求得各指标的权重，A1的权重为0.144，A2的为0.145，A3的为0.143，A4的为0.143，A5的为0.139，A6的为0.142，A7的为0.144。其中，A5的权重偏低，说明树冠枯梢比重在单木评价中作用偏小，其他指标权重大小相差不大。

2.2  沿海木麻黄单木健康评价各指标计算结果

调查显示，木麻黄样木最大胸径为62 cm，最高达16 m。由表2可知，标准化后的7项评价指标中，A4平均值最高为0.77，A1均值为0.76，说明林内重叠指数低，大多数林木根部状态良好，少部分有损伤。A2、A3和A7均值在0.58～0.70之间，说明林地中样木的落叶和枝干倾斜较为严重。此外，A5、A6仅0.5左右，说明部分林木的活力较低，且树冠出现落叶枯死，林木衰退现象明显。

计算结果显示，随离海距离的增加，A1中T1～T4的值均没有显著差异（P>0.05），仅有T5的值显著高于其他梯度（P<0.05）;这与调查前，因防火需要对林下部分凋落物进行清扫有关，清扫造成林内样木根部露出，而T1因距海较近，为减少海风对土壤的吹蚀，其林下凋落物反而被保留下来。A2中T1值显著低于其他梯度（P<0.05），T2、T3显著低于Tck（P<0.05），但T2、T3与T4、T5之间没有显著差异（P>0.05），说明离海距离确实对A2产生很大影响。A3中T1值显著低于其他梯度（P<0.05），因为T1受风吹蚀最严重，树叶在强风吹蚀下干枯脱落，使得树冠透视度高。A4各梯度均没有显著差异（P>0.05），这与调查前林地内部的间伐有关，间伐降低了树冠重叠度，提高了林地内部样木A4的分值。除T5外，各梯度的A5和A6值均显著低于Tck（P<0.05），且T1、T2、T3的A5、A6值没有显著差异（P>0.05），但T4的A5值显著高于T1（P<0.05），说明离海距离对A5、A6值均有很大影响。A7中T1值显著低于Tck（P<0.05），其他梯度没有显著差异（P>0.05），说明靠海最近的T1处样木的树冠偏斜程度最严重，且A7对T1的评分有很大影响。

2.3  沿海木麻黄防护林单木健康评价结果

单木健康评价结果见表3。在90棵木麻黄样木中，处于健康等级的最多，达37.78%;其次是良好健康等级的达31.11%;优质健康的最少，仅有4.44%;不健康等级的有17.78%。健康及以上等级的比例为73.33%，说明沿海防护林总体上保持健康，这得益于木麻黄本身较好的抗性和林场一定程度上的经营管理，但值得注意的是，仍有超1/4的林木不健康或亚健康，这也给防护林的可持续经营带来了挑战。

随着离海距离的增加，木麻黄单木整体健康情况趋好。离海最近的T1内，不健康等级样木显著高于T2（P<0.05），占比达33.33%;受沿海强风影响，各方向平均冠幅差值很大，树冠向西南方向严重偏斜，强风吹蚀导致部分林木根系裸漏，这是单木健康评价低的主要原因。T2中没有枯死木，风力减弱，冠幅差减小，单木生长状况较T1明显改善，不健康等级样木显著减少（P<0.05），仅有6.67%。T3内出现良好健康等级样木，显著多于T1、T2（P<0.05），达到26.67%;但处于不健康等级的样木显著多于T2（P<0.05），增加至33.33%;这与枯死木和低评分样木有关，此距离下木麻黄刚好进入亚健康等级范畴，抵抗病虫能力不高，但因离海有一段距离反而有利于病虫害发生。T4内大部分木麻黄已可较好存活，出现了6.67%的优质健康等级样木，未达到显著差异（P>0.05）;但有40.00%的良好健康等级样木，显著多于T1、T2（P<0.05）。T5内仅有6.67%的不健康等级样木，显著少于T3、T4（P<0.05），其余样木均达到健康及以上等级，说明在该梯度内木麻黄受海岸环境影响不大。空白梯度中没有不健康等级或者亚健康等级的样木，其中良好健康等级的数量显著高于各梯度（P<0.05），达73.33%。

3  讨论

木麻黄本身的优良抗性是其健康的基础。整体看来，该年龄段木麻黄较为健康，生长状况良好、冠幅饱满均体现了木麻黄对沿海环境的适应能力，值得注意的是树冠间重叠程度低，说明多年生木麻黄林已渡过早期的残酷竞争阶段，阳性树种对冠层有更大的空间需求，导致冠层竞争失败者无法存活到此阶段[20];研究区林木的林龄为27 a，木麻黄15～20 a即进入成熟期[21]，之后活细根生物量不断减小[22]，林木健康状况逐渐降低，直至死亡。此外，木麻黄的枝系具有较强的变异性和形态可塑性[23]，在沿海常年大风吹蚀下，树干因逐渐受力向背风面倾斜，而过于笔直者则易折断不被保留，这是造成林木树干倾斜现象的根本原因，也是T1树冠偏斜度评分显著低于对照组的原因（P<0.05）。

[12] 罗美娟. 沿海木麻黄防护林生态作用研究进展[J]. 防护林科技， 2002 （3）： 46-47， 57.

[13] 于金涛， 肖文发， 王鹏程， 等. 防护林健康评价研究进展[J]. 世界林业研究， 2013， 26（1）： 31-36.

[14] 程志楚， 曹迎春. 国家森林资源连续清查森林健康监测方法的探讨[J]. 河北林果研究， 2008， 23（ 2）： 142-145.

[15] Alexander S A， Palmer C J. Forest health monitoring in the United States： First four years[J]. Environmental monitoring and assessment， 1999， 55（2）： 267-277.

[16] 沈剑波， 雷相东， 舒清态， 等. 国内外森林健康评价指标体系综述[J]. 科技导报， 2011， 29（33）： 72-79.

[17] 宋丹丹， 郭  辉. 基于AHP和熵值法的新疆水资源承载力综合评价研究[J]. 广西师范学院学报（自然科学版）， 2014， 31（3）： 57-64.

[18] 张秋根， 王桃云， 钟全林. 森林生态环境健康评价初探[J]. 水土保持学报， 2003， 17（5）： 16-18.

[19] 王忠春， 亢新刚， 罗仙仙， 等. 森林健康评价研究进展[J]. 西北林学院学报， 2010， 25（5）： 163-169.

[20] 陈  灿， 洪  伟， 吴承祯， 等. 东南沿海防护林木麻黄种群生命表及生存分析[J]. 農学学报， 2011， 1（6）： 37-42.

[21] 叶功富， 俞新妥. 木麻黄营林研究综述[J]. 福建林学院学报， 1998， 18（3）： 273-276.

[22] 叶功富， 张立华， 侯  杰， 等. 滨海沙地木麻黄人工林细根生物量及其动态研究[J]. 应用与环境生物学报， 2007， 13（4）： 481-485.

[23] 张广帅， 邓浩俊， 俞  伟， 等. 不同密度下木麻黄幼苗枝系特征变化的研究[J]. 热带作物学报， 2014， 35（6）： 1062-1066.

[24] 罗时龙， 蔡  锋， 王厚杰. 海岸侵蚀及其管理研究的若干进展[J]. 地球科学进展， 2013， 28（11）： 1239-1247.

[25] 罗时龙， 蔡  锋， 刘建辉， 等. 福建海岸侵蚀风险评价研究[J]. 海洋学报（中文版）， 2014， 36（9）： 132-141.

[26] 何学友. 福建省沿海木麻黄衰枯原因的研究[J]. 福建林业科技， 1998， 25（3）： 40-45.

[27] 陈玉生， 张卓文， 韩  兰， 等. 连峡河小流域不同森林类型凋落物持水特性研究[J]. 华中农业大学学报， 2005， 24（2）： 207-212.

[28] 陈  洪， 叶功富， 林金顺， 等. 模拟海风对木麻黄苗木生理生化特性影响的研究[J]. 防护林科技， 2000（S1）： 190-193.

[29] 李茂瑾. 惠安赤湖林场木麻黄毒蛾发生和防治现状[J]. 防护林科技， 2010 （3）： 55-57.

[30] 陈绶柱， 岑  奋， 吴泽鹏. 沿海沙岸防风固沙木麻黄试验示范林抗御台风分析[J]. 广东林业科技， 1999， 15（1）： 26-30.

[31] 邱明红， 王荣丽， 丁冬静， 等. 台风“威马逊”对东寨港红树林灾害程度影响因子分析[J]. 生态科学， 2016， 35（2）： 118-122.

收稿日期  2019-10-29;修回日期  2019-12-22

基金项目  国家重点研发计划项目（No. 2017YFD060130403）;福建省林业科技项目（闽林科便函〔2018〕26号）;泉州林业局自然科学基金项目（No. KH1701740）。

作者简介  刘贺娜（1997—），女，硕士研究生，研究方向：空间异质性和海岸带森林与环境。*通信作者（Corresponding author）：陈  灿（CHEN Can），E-mail：canchen@fafu.edu.cn。