鄂西南利中盆地马尾松天然次生林森林健康评价

徐来仙 姚 兰 郭秋菊 艾训儒 朱 江

（1. 湖北民族大学生物资源保护与利用湖北省重点实验室，湖北 恩施 445000；2. 湖北民族大学林学园艺学院，湖北 恩施 445000）

森林作为陆地生态系统中面积最大、群落结构最复杂和生物多样性最丰富的生态系统[1]，不仅为人类提供重要的林产品与服务，而且具有调节气候、保存生物多样性和维护生态平衡等多种生态服务功能[2]。随着经济社会的快速发展和人们对森林资源的需求日益增长，森林破碎化的程度不断增加，森林生态系统的健康面临着巨大挑战[3]。在此背景下，“森林健康”在森林资源管理与保护中越来越重要[4]。森林健康是指森林生态系统自身具有稳定、可持续的状态，又能满足人类对森林的各种需求，持续发挥其生态、社会和经济效益[5-7]。森林健康评价是指对由于人为和自然因素造成的系统结构紊乱和功能失调，使森林生态系统服务功能和价值丧失的一种评估。

许多关于森林健康评价的研究一般只采用1种评价方法，例如主成分分析法[8]、层次分析法[9-10]、综合指数评价法[11]、多元线性回归法[12]、指标体系法[13]、指示物种评价法[14]、模糊综合评价法[15]、人工神经网络法[15-16]、健康距离法[16]和遥感技术[17]等，然而同一区域采用几种评价方法同时进行森林健康评价并比较的研究较少。目前国内外学者已建立许多关于森林生态系统健康评价指标体系[9,18-21]，但这些评价指标体系的研究地区、对象和评价指标各不相同，部分指标实际操作性不强，适用范围不广。

马尾松（Pinus massoniana）天然次生林是森林生态系统的重要组成成分。马尾松是我国南方主要用材树种之一，不仅具有适应性强、速生丰产和耐旱耐瘠等特点[22]，还具极高的生态和经济价值。由于人为或自然因素，马尾松天然次生林普遍存在林分结构不合理、生产力低和生态功能差等问题，但目前研究主要集中在马尾松人工林的林分质量、森林健康等方面[5-6,22-23]，而对马尾松天然次生林生产力、抵抗力及生态状况等健康问题的关注与研究甚少。

马尾松天然次生林是鄂西南利中盆地典型代表性的天然群落，但其健康状况还未有相关研究，然而该群落的健康状况将会影响整个区域森林群落的动态发展。为此，本研究在考虑方法的可操作性、有效性又兼顾客观性或主观性的前提下，采用森林健康研究常用的层次分析法（AHP）以及极少应用于森林健康评价的均方差决策综合分析法（CA）和评价指标分值法（EIS）3种评价方法对该区马尾松天然次生林的森林健康状况进行对比评价，以分析影响鄂西南利中盆地马尾松天然次生林森林健康的主要指标，并根据这些指标对不同等级的林分提出抚育经营建议。

1 研究区概况

研究区为鄂西南利中盆地（108°21′～109°18′E，29°42′～30°39′N），位于湖北省恩施土家族苗族自治州利川市的西北部、齐岳山麓以北，平均海拔1 150 m。该区属亚热带大陆性季风气候，以温暖湿润、降水量充沛为特点，年日照时间1 298.9 h，年平均气温12.7 ℃，无霜期255 d，年降水量1 470 mm，平均相对湿度82%，年蒸发量1 109.2 mm，10 ℃以上年积温3 849 ℃。土壤主要有黄壤、黄棕壤和棕壤，典型植被为马尾松天然次生林及马尾松针阔叶混交林，主要乔木树种有马尾松、杉木（Cunninghamia lanceolata）、锥 栗（Castanea henryi）、刺 槐（Robiniapseudoacacia）等；灌木树种以茶荚蒾（Viburnum setigerum）、无梗越桔（Vaccinium henryi）、宜昌荚蒾（Viburnum erosum）、细枝柃（Eurya loquaiana）等为主；主要草本植物有里白（Hicriopteris glauca）、铁芒萁（Dicranopteris linearis）、顶芽狗脊（Woodwardia unigemmata）、五节芒（Miscanthus floridulus）等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2019年10月，根据不同坡向、坡位和立地条件，在研究区域内选取具有代表性的马尾松天然次生林，参照热带森林科学中心（CTFS）样地建立标准与技术规范[24]，建立34块20 m×20 m的标准样地。记录各样地经纬度、坡度、坡向、海拔、优势种年龄（实际调查中，专家通过对优势种的树高、胸径等形态特征估测优势种年龄）和距主干道距离、腐殖质厚度（在样地对角线及中心点选择5个50 cm×50 cm的小样点进行量测并计算平均值）、郁闭度、枯死木、伐倒木、林分人为干扰和幼苗更新情况等。对胸径大于3 cm的木本植物鉴别物种名并进行每木检尺，检测其胸径、树高和枝下高，调查其枝条完整率和病虫害程度等指标，对未检尺的植物，记录株数。记录草本植物的种类、数量和盖度。

2.2 指标计算与数据分析

相对重要值、净初级生产率（生物量占年龄的百分比，马尾松生物量计算参照艾训儒等[25]生物量回归方程，年龄用空间代替时间法估算）、树高生长率、胸径生长率、树冠率、枯损率、树冠竞争因子（参照段劼等[26]树冠竞争因子的公式进行测算）和病虫害指数8个指标是通过对每个样地中的所有优势种（马尾松）进行每木测量并计算后获得。参照靳爱仙[5]赋值方法分别对部分指标进行分级和赋值（表1）。

表 1 马尾松天然次生林部分指标赋值Table 1 Evaluation of partial indices of P. massoniana natural secondary forest

采用Excel软件对数据进行转换计算，SPSS 18.0软件进行数据因子分析、单因素方差分析和多重比较（Duncan法）分析，Origin 9软件绘制统计图。为了让各个指标数据之间具有可比性，对数据进行标准化处理[11]。

2.3 森林健康评价指标体系的构建

本研究在分析和整合国内外现有研究成果[27-28]的基础上，遵循可操作性、科学性、可比性和独立性原则，采用复合结构功能指标法[29]，构建马尾松天然次生林森林健康评价指标体系。指标体系由优势种活力、群落组织结构、群落抵抗力与恢复力3个一级指标和26个二级指标构成（表2），并对该指标体系的各指标采用SPSS 18.0进行定量和定性筛选。定量分析是将34个样地乘以24个要素层因子变量，建立矩阵表，进行因子主成分分析，其中Kaiser Meyer Olkin检验统计量（KMO）＜0.6，不满足主成分分析的先验性检验，也表明该26个指标之间相关性很弱，指标选取合理。

2.4 评价模型与方法

本研究采用层次分析法、均方差决策综合分析方法和评价指标分值法3种评价方法对鄂西南利中盆地马尾松天然次生林进行森林健康评价，参照评价标准，确定各林分健康等级。

2.4.1 层次分析法

1）评价模型。采用森林健康指数（FEHI）[11]大小来反映森林的健康状况。

式中：wi、wj、wr分别为优势种活力、群落组织结构、群落抵抗力与恢复力指标各二级指标的权重；pi、pj、pr分别为优势种活力、群落组织结构、群落抵抗力与恢复力指标中二级指标准化后的值，且w3分别为优势种活力、群落组织结构、群落抵抗力与恢复力指标的权重，且

2）指标权重的确定。各级指标采用层次分析法[10-11]确定权重。便于决策定量化和增加可信度，邀请25个与生态学相关专业的专家在满足层次分析法检验要求基础上重新改进1～9标度方法（制作专家评分表），并作相对重要性判断，构建判断矩阵，再用几何平均法计算指标权重，最后进行一致性检验（所有判断矩阵符合一致性比率（CR）=0＜0.1）。

2.4.2 均方差决策综合分析方法

1）评价模型。对数据进行标准化处理，将确定的所有评价指标加权平均法计算，建立综合评价模型[30]。

式中：H为森林健康指数；Uij为各样地不同指标森林健康等级得分（标准化处理后的值）；wj为指标的权重。

2）指标权重的确定。采用均方差决策综合分析方法[6,30]确定指标权重，首先数据标准化，其次计算平均值，再计算各指标均方差，最后计算各指标的权重。

表 2 层次分析法和均方差决策综合分析方法分别确定的评价指标权重Table 2 Evaluation index weight respectively determined by analytic hierarchy process and comprehensive analysis of mean squared decision

2.4.3 评价指标分值法

1）评价模型。此模型参考李仁平[31]的评价模型，其中采用层次分析法计算权重表示为“评价指标分值法1”；采用均方差决策综合分析法计算权重表示为“评价指标分值法2”。

式中：Si为第i个样地森林健康指数；n为评价指标个数；Mij为第i个样地第j个指标森林健康等级得分；Wj为第j个指标的权重。

2）评价指标分级标准。综合考虑国内外森林健康研究成果及本研究马尾松天然次生林结构特点，采用评价指标分值法[9]，将森林健康评价的各项指标划分为5个等级（表3）。为便于定量计算，取各级域的平均值进行相应计算。以样地为单位按评价指标逐项计算各指标分值。

表 3 森林健康评价指标分级标准Table 3 Classification criteria of forest health evaluation indices

2.5 森林健康等级划分

根据以上3种评价方法获得马尾松天然次生林的森林健康指数，结合鄂西南利中盆地实际情况与特点，参照张秋根等[32]对森林健康等级划分标准，确定各林分健康等级（表4）。

表 4 森林健康等级划分范围Table 4 Range of forest health classification

3 结果与分析

3.1 不同评价方法的评价结果比较分析

以样地为单元，计算各评价方法不同评价等级的百分比，结果见图1。由图1可知，“良好健康”等级样地个数在不同评价方法之间明显差异，平均个数为6个、平均百分比为16.18%。评价指标分值法1的“良好健康”个数最多（9个），是均方差决策综合分析法的4.5倍，层次分析法的“良好健康”样地个数占例居第二，比评价指标分值法2高75%。评价指标分值法1比评价指标分值法2的“良好健康”样地个数多5个。不同评价方法的“健康”等级样地平均所占比重为69.85%。3种方法的健康状态样地个数范围为21～26，其中均方差决策综合分析法的“健康”样地个数最多（26个），比层次分析法多3个样地，比评价指标分值法1多1个样地；评价指标分值法2的“健康”样地个数相对最少（21个），比均方差综合分析法样地个数少19.23%。“亚健康”等级样地个数在3种方法间差异较大，平均个数为5个，平均百分比为13.97%。评价指标分值法1没有“亚健康”等级样地，而评价指标分值法2样地个数最多（9个）。层次分析法样地个数比评价指标分值法2少55.56%。均方差决策综合分析法样地个数居第2（6个），比层次分析法多50%。

3种方法对马尾松天然次生林森林健康评价的总体结果为健康，但是各种方法间存在差异。具体为各森林健康等级内3种评价方法的差异，结果见图1。由图1可知，“良好健康”等级以评价指标分值法1最高，显著高于均方差决策综合分析法；“良好健康”和“健康”等级在层次分析法与评价指标分值法1时均无显著差异，而在“亚健康”等级时层次分析法显著高于评价指标分值法1；均方差决策综合分析法的“健康”等级最高，显著高于评价指标分值法2；“亚健康”等级以评价指标分值法1最低，显著低于评价指标分值法2、均方差决策综合分析法和层次分析法。根据鄂西南利中盆地马尾松天然次生林实际状况以及考虑目前均方差决策综合分析法应用于森林健康的评价较少，且数据计算客观性强又易操作，而层次分析法和评价指标分析法均是人为主观赋值或打分，故选取均方差决策法为最优评价方法。

图 1 不同评价方法对马尾松天然次生林森林健康的评价结果Fig. 1 Evaluation results of different evaluation methods on forest health of P. massoniana natural secondary forest

3.2 森林健康指数和各评价指标之间的相关性

森林健康指数与各评价方法指标相关性分析结果见表5。由表5可知，26个指标中有19个指标与3种评价方法呈显著相关，表明这些指标是影响森林健康的主要因子。

表 5 森林健康指数与各评价方法指标相关性分析Table 5 Correlation analysis of forest health index with each evaluation method index

对马尾松天然次生林森林健康状况进行评价时，在采用评价指标分值法1时得出的显著相关因子最多，为10个指标；其次是层次分析法和均方差决策综合分析法，均为8个主要因子，且均与乔木层Simpson指数、乔木层Shannon-Wiener指数和乔木层Pielou均匀度指数3个指标呈显著相关（P＜0.05）；在均方差决策综合分析法中，森林健康指数与灌木层Shannon-Wiener指数和灌木层Pielou指数呈显著负相关（P＜0.05）。评价指标分值法2的显著相关因子最少，为枯损率、立地指数、草本盖度、灌木层Pielou均匀度指数和树高生长率5个指标。

乔木层Simpson指数在上述3种评价方法的森林健康指数与各指标相关性分析中频次最高（3次），草本盖度等10个指标出现2次，乔木层丰富度等8个指标仅出现1次。因此，乔木层Simpson指数是影响马尾松天然次生林森林健康状况的最主要因子，草本盖度、灌木层Pielou均匀度指数、乔木层Pielou均匀度指数、乔木层Shannon-Wiener指数、枯损率、立地指数、人为干扰指数、树高生长率、腐殖层厚度和优势种幼苗率10个指标次之。

4 结论与讨论

本研究采用层次分析法、均方差决策分析法和评价指标分值法3种方法（4种计算方式），其评价结果总体为“健康”。与刘晓玥等[33]采用层次分析法、熵权法和组合赋权法研究将乐林场常绿阔叶林的健康状况结果相似，3种方法评价结果一致。层次分析法是森林健康研究常采用的评价方法[10-11,33]，而均方差决策综合分析法和评价指标分值法少应用于森林健康评价。靳爱仙[5]和杨枝林[6]均采用均方差决策综合分析法研究马尾松人工林森林健康状况，避免了人为主观因素的影响，使评价结果更具有说服力。因此，今后对该区域马尾松天然次生林进行森林健康状况评价时，可选均方差决策综合分析法进行评价。

Pearson相关性分析显示，影响鄂西南利中盆地马尾松天然次生林森林健康状况的主要因子为乔木层Simpson指数、草本盖度、立地指数、灌木层Pielou均匀度指数、枯损率、乔木层Pielou均匀度指数、乔木层Shannon-Wiener指数、人为干扰指数、树高生长率、腐殖层厚度和优势种幼苗率。目前在其他指标体系中很少应用立地指数和枯损率指标，但其相对重要性却很高又是影响马尾松天然次生林的主要因子。立地指数（林分在基准年龄高峰时的优势木高）是造林和营林所依据的理论基础中最重要、最基本的指标，可根据立地指数反映森林收获量的高低[34]。枯损率越高表明林分活力越低、总体情况越差。因此在今后对天然林进行健康评价时，可根据林分情况，适当考虑引入立地指数和枯损率这2个指标参与分析、评估。

本研究得出影响马尾松天然次生林的主要因子与杨枝林[6]确定马尾松人工林林分活力与健康中多样性指数和物种丰富度2个关键因子一致，与熊修文等[11]研究华山松人工林健康状况中平均胸径、平均树高和单位面积蓄积量3个主要因子相同，与李梅[8]研究华北落叶松人工林生态系统健康中草本多样性、天然更新密度、树木大小多样性和灌木多样性主要因子相同，其他关键因子则不同，这可能是由于林龄、树种组成、区域和林源存在一定差异。同时，与柴宗政[35]研究沁河源头区油松林健康的单位面积蓄积量和乔木物种数主要因子完全一致。因此，在构建森林健康评价指标体系时，可考虑引入净初级生产率、乔木层平均胸径、优势种幼苗率、树高生长率、草本盖度、乔灌草物种丰富度和多样性指数。另外，均方差决策综合分析法中森林健康指数与灌木层Shannon-Wiener指数和灌木层Pielou指数呈显著负相关，结合鄂西南利中盆地马尾松天然次生林实际情况，部分样地林下草灌木多样性高，丰富的林下草灌木对营养物质和生存空间等竞争激烈，导致稳定性较差，建议这部分林分可根据实际情况适当伐除灌木和草本，降低林下植被覆盖率，提高马尾松天然次生林的健康程度；同时，这也进一步表明均方差决策综合分析法比层次分析法和评价指标分值法更全面反映该区域马尾松天然次生林的林分实际状况。

森林的健康状态影响森林资源的经营与发展，对其健康程度进行评价是林学的研究热点之一。森林健康评价的关键是建立科学、合理的评价指标体系，建立的正确与否直接关系到评价结果的准确性与科学性。本研究以群落稳定性、群落持续性和群落结构功能完备性为评价标准，用复合结构功能指标法确定评价指标体系，包括3大类26个指标，其中73%（19个指标）的指标与层次分析法、均方差决策分析法和评价指标分值法3种评价方法呈显著相关，且指标简单易测，具有较高的可操作性。

鄂西南利中盆地马尾松天然次生林森林健康评价结果为健康状态，该区马尾松天然次生林样地中“健康”等级的样地占比达69.85%，16.18%的样地为“良好健康”，处于“亚健康”样地占总数的13.97%，无不健康林分。在今后经营过程中对于“良好健康”等级的天然次生林，继续维持，以促进其向“优质”状态转变。“健康”等级应继续维持生物多样性，适当调整林分结构，合理间伐林下灌木层植被，以提高乔木层植被的丰富度与多样性。针对“亚健康”林分可适当伐除灌木和草本，增加腐殖层厚度，为群落主要优势种及其更新提供一定资源空间，增加群落稳定性等。

结合样地实际情况与指标客观性，均方差决策综合分析法是最客观、最易操作的最优评价方法，因此今后对该区马尾松林的健康评价可采用此方法。此外，本研究对马尾松天然次生林森林健康评价只是基于现有数据，未考虑其动态发展过程，为了更加客观、准确地评价森林健康状况，今后应形成对森林健康的动态监测和评价。