红树林生态系统健康评价指标体系的建立与应用

2020-07-08吴庭天杨众养陈宗铸雷金睿陈小花李苑菱

热带林业 2020年1期

吴庭天，杨众养，陈宗铸，雷金睿，陈小花，李苑菱

（海南省林业科学研究院，海南海口 571100）

红树林森林是陆地向海洋过度的特殊生态系统，其作为热带海岸特有的景观之一，不仅物种丰富多样，而且具有较高的生产能力和生态保护功能，在当地生态系统中的地位不可估量。当今，随着社会经济的高速发展，人工砍伐、围垦养殖、过度捕捞和采集、水质污染、基建占用、外来物种入侵、病虫害频发等问题日益突出，导致红树林森林生态环境破碎化现象日益明显[1]。红树林森林资源面临着前所未有的生态环境危机，它的健康状况直接影响着当地的生态稳定性和经济社会的可持续发展。为此，针对热带红树林森林展开健康评估研究对海南省意义非凡。

森林生态系统健康和恢复（Forest Ecosystem Health/Restoration）简称森林健康，是西方国家针对森林生态危机，循序渐进发展出来的概念，旨在对森林生态系统有更全面、科学的研究及管理。在近几十年，全球的研究学者对森林健康的定义、评估方法等进行了积极的探索和实践。德国在20 世纪60年代首次提出森林健康状态的概念，并建立森林健康状态的调查监测和分析评估体系；加拿大在20 世纪80 年代中期开始在全国建立了由150 个样地组成的网络对森林健康进行评估[2]；20 世纪90 年代美国通过“森林生态系统健康和恢复法”对森林、湿地等进行了重新评估，并在“综合治理”的框架上提出了森林健康理论。中国于2002 年与美国展开森林健康合作，选取5 个省份设立试点，开展森林健康的调查研究及评估工作。经过几十年的发展，世界各国对森林健康的概念已从初期的森林病虫害防治等朴素的概念，发展到20 世纪80 年代的林分水平概念，再到如今涉及森林群落、森林生态系统、森林景观等在内复杂的系统概念。对于森林健康的认知，需要综合森林生态系统的空间尺度、时间尺度及人类需求等诸多方面，才能更加科学、合理的管控森林资源[3-4]。

在森林健康评价方法上，国内外专家根据自身研究成果，提出了不同的评估模式。从早期的定性评估法发展到现今利用多种技术方法和手段相结合的评估。如R.Costanza 等[5]为代表的以活力（vigor）、组织结构（organization）和恢复力（resilience）为基础的指标体系，中国肖风劲[6]、陈高[7]、李秀英[8]、甘敬[9]等对此体系做了深入的研究，从生产力、组织结构、土壤情况、森林经营小班尺度、干扰等不同维度对指标进行的筛选，取得了良好效果；Thomiann 等通过对污染物和气候变化影响的研究，提出森林生态系统健康中可检测的各种污染物(一般污染物、重金属、二氧化硫、光化学、酸性降水、氟化、亚硫酸盐、硝酸)，并提出新的气候变化的指标地衣[10]；Dash 通过卫星和无人机的遥感数据对森林健康进行评估[11]；邓须军等采取层次分析法（AHP）、熵权法和模糊综合评价法从3 个层次，18 个指标来构建海南森林生态系统健康评价指标体系，并得出海南省森林资源处于优质健康水平的结论[11]；段翔等通过构建SOM 神经网络模型，从结构完整性、可持续性、功能稳定性和系统活力性4 个方面，采用主成分分析法对新化县构建森林生态系统健康评价指标体系[12]；赖雨欢和邓必平等采用层次分析法和模糊综合法，结合森林资源二类调查结果数据对大围山国家森林公园森林进行健康等级评定[13]；另外杨雪春[14]、刘芬[15]、田耀武[16]等分别采用GIS 及遥感等不同方法对森林生态系统健康水平进行了评价。

在森林生态系统的健康评价中，不仅涉及森林生态系统中多种因素定性、定量参数的变量，而且各因素之间又存在复杂的相互作用，可以说是一个复杂的非线性体系。因此，文章通过复合结构和功能指标评价法，以海口市东寨港红树林作为研究主体，结合相关调查数据并从中筛选具有代表性的指标建立东寨港红树林生态系统健康的评价指标体系，验证该指标体系的正确性、科学性和实用性，为后续热带森林生态价值的评估体系研究工作提供积累及帮助。

1 研究区概况

“海南东寨港红树林国家级自然保护区（以下简称东寨港保护区）”位于海南省东北部的港湾内，地处19°51′～20°1′N，110°32′～110°37′E，是以保护红树林湿地为主的北热带边缘河口港湾和海洋滩涂生态系统及越冬鸟类栖息的重要自然保护区，也是中国目前面积最大的一片沿海滩涂森林（图1）。保护区总面积3337.6hm2，其中核心区面积1635hm2、缓冲区面积1167.1hm2、实验区面积535.5hm2。其中：红树林面积1578.2hm2、滩涂面积1759.4hm2。

东寨港保护区地处北回归线以南，属热带季风气候，海拔区间0m～7m；年均气温在23.3℃～23.8℃之间；年均相对湿度85%；太阳年辐射量约为253kJ/cm2；年均降水量1676.4mm；海水表层年均温度24.5℃，潮型为规则的全日潮。保护区内分布有红树林植物19 科35 种，占全国红树林植物种类的97%。其中水椰(N.fruticans Wurmb)、红榄李(Lumnitzera littorea(Jack.)Voigt)、海南海桑(Sonneratia hainanensisKO)、卵叶海桑(Sonneratiaovata) 、拟海桑(Sonneratia paracaseolaris)、木果楝(Xylocarpus granatum)、正红树(Rhizophora apiculata)和尖叶卤蕨(Acrostichum speciosumWilld.)为珍贵树种。保护区内有鸟类204 种，其中珍贵的有黑脸琵鹭(Platalea minor)、褐翅鸦鹃(Centropus sinensis)、黑嘴鸥(Larus saundersi)、游隼(Falco peregrinus)等。软体动物115种、鱼类119 种、蟹类70 多种、虾类40 多种。

图1 研究区域位置Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 研究方法

2.1 标准地的选取

该研究以森林资源二类调查数据为基础，在东寨港红树林分布范围内随机筛选100 个小班来进行森林健康评价指标的实例研究（图2）。涉及外业的调查项目有结构复杂性、生物多样性、主要树种调查、有机质含量、自然度及调查区标准地害虫统计等。

图2 研究区域标准地分布Fig.2 Standard ground distribution of the research area

2.2 红树林生态系统健康评价指标体系的建立

2.2.1 评价指标体系

森林生态系统是一个复杂的生态系统，影响森林健康状态的各因素之间又存在复杂的相互作用。对于森林生态系统健康的评价，可以从结构和功能作为研究的切入点，采用Constanza 等研究小组提出的生态健康指数模型（HI=V·O·R），即活力、恢复力、组织结构，结合指标权重来建立东寨港红树林的健康评价指标体系。其中活力（Vigor）是指生态系统的能量输入和营养循环容量，具体指标为生态系统的初级生产力和物质循环；恢复力（Resilience）是指胁迫消失时，系统克服压力及反弹回复的容量；组织（Organization）是指系统的复杂性，会随生态系统的次生演替而发生变化和作用。

2.2.2 森林健康评价方法

以小班为单位，采用以下数学公式对东寨港红树林进行健康判定。

其中Yi——第i号小班森林健康评价得分；Xij——第i号小班第j个指标森林健康等级得分；Wj—— 第j个指标的权值；i——小班号；j——森林健康评价指标。

2.3 指标体系的建立

2.3.1 评价指标的选取及权重

在构建东寨港红树林森林健康评价的指标体系过程中，使用定量分析和定性分析相结合的方法[15]，依据评价指标的筛选原则对森林健康的指标进行选择，并对所选择的指标采用层次分析法计算确认权值。选取的指标及权重值，如下表所示。

表1 东寨港红树林生态系统评价指标及权重值Tab.1 Evaluation index and weight of mangrove ecosystem in dongzhai port

2.3.2 森林健康等级划分

根据东寨港红树林林木的生长发育、外观表象特征及土壤理化性质等综合情况来评定森林健康等级划分，并根据评价指标分值法以小班为单位计算指标分值，取值越大，健康程度越高，如下表。

表2 红树林健康等级划分Tab.2 Classification of health of mangrove ecosystem

3 结果与分析

结合生态健康指数模型和层次分析法，对东寨港红树林选取的100 个小班进行健康评价，如表3所示。按照健康等级的划分，健康小班个数19 个，面积占比60.12%；亚健康小班个数68 个，面积占比30.16%；中健康小班个数11 个，面积占比8.62%；不健康小班个数2 个，面积占比1.1%。总体上看，东寨港红树林健康等级整体处于健康级和亚健康级，其总体健康状况良好。

表3 东寨港红树林生态系统健康评价结果Tab.3 Results of mangrove ecosystem health assessment in Dongzhai port

从图3 可以看出，研究区域中2 个不健康小班都分布在保护区范围的边缘地区，距离村庄较近，土地利用属性均为养殖塘，人为干扰大；中健康小班同样分布于保护区及陆地边缘地带，主要为退塘还湿的养殖塘及海岸线最外围稀疏红树林地；亚健康小班数量最多，其土地利用属性多为零星分布、斑块破碎化的红树林地，大多分布于红树林沟槽周边及陆海交界地带，干扰主要来自渔民作业及热带风暴；评价结果中健康小班主要分布在保护区红树林主体区域，其面积较大，功能结构完整，人为干扰较少，在面对外界压力时具有较强的抗干扰及修复能力。

图3 东寨港红树林健康评价结果Fig.3 Schematic diagram of health assessment results of mangrove ecosystem in Dongzhai port

4 结论与讨论

4.1 结论

在基于森林资源二类调查数据的基础上，采用森林健康状况的指标体系和评价方法对海南东寨港红树林生态系统进行评估。东寨港红树林健康等级评价结果显示，研究区域中健康、亚健康、中健康和不健康的面积比分别为60.12%、30.16%、8.62%和1.1%。其中，健康级和亚健康级占到总比值的90.28%，说明东寨港地区森林健康状况总体表现良好，也进一步说明该研究选取的指标体系及评价方法基本能够客观地描述东寨港红树林的健康状况，可以为后续热带森林生态价值的评估体系研究提供一定的帮助。