贵州百里杜鹃林区森林生态系统健康遥感诊断*

2022-01-11陈雪鹃李朝婵黄家湧

贵州科学 2021年6期

陈雪鹃，李朝婵，黄家湧，陈翔

(1中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100101；2贵州师范大学，贵州贵阳 5500011；3贵州百里杜鹃管理区管理委员会科研所，贵州毕节 551700；4贵州省生物研究所，贵州贵阳 550009)

开展森林健康现状诊断是对森林进行有效保护及可持续性经营管理的重要前提，也是森林动态变化研究中的主要研究内容。目前，国内外学者主要以通过构建评价指标体系的方法来实现对森林生态系统健康的评价测度。Caims(1993)最先从生态学、物理化学、社会经济3方面去选择评价生态系统健康的指标体系[1]。Rapport(1998)主张从系统活力、组织结构和恢复力3方面评价森林生态系统健康状况，提出健康模型HI=V×O×R，要求使用权重因素去比较和综合系统中不同组分[2]。曹春香(2013)提出了环境健康遥感诊断的概念，其核心是利用遥感技术实现对影响生态环境健康因子的宏观把控[3]。王刚(2015)从典型性、抵抗力、活力和环境4要素出发，选用了大熊猫栖息地适应性、物种多样性、森林病虫害等9个经典指标，建立了卧龙保护区森林生态系统健康评价指标体系[4]。刘芬(2016)基于Landsat 8影像，运用层次分析法，从原始单波段、缨帽变换和植被指数3种不同处理方面建立指标体系，开展了大兴安岭林区的森林健康评价[5]。

贵州百里杜鹃林区是目前世界面积最大、种类最多的天然杜鹃RhododendronL.林带之一，是我国特有、珍贵的自然资源，具有重要的科研及保护价值[6]。由于百里杜鹃具有典型喀斯特地貌特征，且林区内树种相对单一，森林生态稳定性较差，加之近年极速扩张的旅游资源开发带来大量人为活动干扰，已使得该区森林生态系统受到较大影响。目前，关于百里杜鹃林区森林生态系统健康及其遥感诊断方面的研究未见报道。为掌握林区森林生态系统健康状况，更加合理地保护林区生态系统及利用物种资源，我们自2015年(项目现状年)起开展了“贵州百里杜鹃林区森林生态系统健康遥感诊断与预测”专题研究，本文报道了其中部分内容及研究结果。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

百里杜鹃林区位于贵州省西北部毕节地区的黔西、大方两县交界处，总面积511.25 km2。该区地处黔西高原向黔中中山丘陵过渡的斜坡地带，属高原中山丘陵地貌类型，海拔1500～1800 m。区内基岩主要为碳酸盐岩，其分布面积约占70%。土壤类型以山地黄壤和山地黄棕壤为主，土壤表层pH值为4.5～6.5之间，下层pH值约为5.0。研究区地处低纬度、高海拔地区，气候类型属亚热带温暖湿润气候。由于地势较高，其气候表现为亚热带高原温凉气候。年平均气温11.8 ℃，年降水量1180.8 mm，年平均相对湿度84%。主要灾害性天气有春季低温、春旱及秋季低温绵雨、暴雨、冰雹、霜冻等。该区地处中亚热带常绿阔叶林带，地带性植被是常绿阔叶林，全区森林覆盖率62.85%，现有植被中多为各种灌丛植被，尤以种类繁多的天然杜鹃灌木林为主[7]。

1.2 森林健康遥感诊断指标体系构建

依据环境健康遥感诊断指标因子筛选的指导思想[3]，选取指标时需遵循科学性、完备性、可操作性、多样性和同趋势化等原则。在总结归纳研究区森林资源特点和社会需求分析的基础上，以Rapport等提出的健康模型HI=V×O×R为理论框架基础[2]，参考DB11/T 725—2010《森林健康经营与生态系统健康评价规程》[8]，基于百里杜鹃林区1992年—2015年区域遥感数据并结合野外调查、文献研究及问卷调研等资料，构建了森林健康遥感诊断指标体系(表1)。

表1 森林健康遥感诊断指标体系Tab.1 Remote sensing diagnosis index system of forest health

在指标权重赋值方面，应用了专家打分法结合文献查阅的方法，首先确定3个准则层的相对权重值，再以专家咨询及相关技术人员调查问卷结果为基础，采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)确定具体指标在各准则层的相对权重，参考田蓉(2015)的方法[9]并利用层次分析法的辅助软件Yaahp获得具体指标的预设权重。

1.3 森林健康遥感诊断指标计算方法

1.3.1 组织结构指标

1)森林植被覆盖度

参照穆少杰等(2012)的计算方法[10]，采用像元二分模型估算植被覆盖度。假设每个像元的NDVI值(植被指数)可以由植被和土壤两部分合成，则其计算公式：

NDVI=NDVIvCi+NDVIs(1-Ci)

(1)

式中，NDVIv是植被覆盖部分的NDVI值，NDVIs为土壤部分的NDVI值，Ci为植被覆盖度。根据公式(1)，则Ci的计算公式：

(2)

分别使用森林区域NDVI最大值和最小值代替NDVIV和NDVIS，则Ci的计算公式：

(3)

依据公式(4)对待评价森林区域的植被覆盖度进行归一化计算：

SCi=10×Cmean

(4)

式中Cmean是指待评价森林区域的平均植被覆盖度。

2)森林群落结构指数

参照DB11/T 725—2010《森林健康经营与生态系统健康评价规程》[8]，森林群落结构指数对应分值(Sfs)可通过下列公式进行计算：

(5)

式中，Aa为乔灌草复层林群落面积，Ab为乔灌草单层林群落面积，Ac为乔灌木的群落面积，Ad为只有乔木草本的群落面积，Ae为只有乔木的群落面积，Af为只有灌草的群落面积，Ag为只有灌木的群落面积，Ah为只有草本的群落面积。单位均为km2。

3)生物多样性

根据HJ623—2011《区域生物多样性评价标准》[11]及马广仁(2016)的方法[12]，生物多样性指数(BI)的表达式为公式(6)。

BI=[野生高等动物种类/635×0.25 +野生维管束植物种类/3662×0.25+物种特有性×0.25+受威胁物种的丰富度×0.125+(1-归一化外来物种入侵度)×0.125]×100

(6)

式中，物种特有性见公式(7)，受威胁物种的丰富度见公式(8)，归一化外来物种入侵度见公式(9)。

物种特有性=(评价区域内中国特有的野生高等动物种数/635+评价区域内中国特有的野生维管束植物种数/3662)/2/0.3340

(7)

受威胁物种的丰富度=(受威胁的野生高等动物种数/635+受威胁的野生维管束植物种数/3662)/2/0.1572

(8)

归一化外来物种入侵度=外来入侵物动物、植物和微生物种数/本地野生高等动物和野生维管束植物种数之和/0.1441

(9)

生物多样性分级按公式(10)归一化：

(10)

式中，BI为生物多样性指数；Sbi为生物多样性指数打分结果。

4)森林破碎度

参照景观格局分析中的景观破碎度指数，采用李小妹等(2014)的方法[13]，使用遥感数据获取的森林破碎度指数来测度森林景观的破碎化程度，其表达式为：

(11)

式中，A为森林景观面积；Ni为第i类景观斑块数，在景观水平上是指针叶林、阔叶林等不同类型森林斑块的总数；m是景观中斑块类型数。参考田蓉(2015)的方法[9]，以待评估区域待评价时相约20年前的森林景观破碎度Ifr作为参考值，用评价年份的景观破碎度与参考年份的景观破碎度比值(即破碎化趋势)来反映森林景观受人为和自然影响的变化程度。该区域的森林破碎度指数归一化分值SIf计算方式如下：

(12)

式中，If为待评价森林评价年份景观破碎度指数；Ifr为待评价森林参考年份森林景观破碎度指数。

1.3.2 活力指标

1)森林生物量

结合地面实测数据及待评价森林的植被分类，利用遥感影像获取的植被指数进行不同植被生物量的估算。首先利用不同植被的实测生物量数据与植被指数建立生物量B的估算方程，可表示为：

Bi=f(VI1，VI2，…，VIi)

(13)

式中，Bi为某类植被的生物量，VI1，VI2，…，VIi为待评价森林区域该类植被对应的某个或某几个植被指数，该方程具体计算公式需要结合待评价森林区域具体情况计算确定。

其次，使用MODIS的MYD13A3的月植被指数数据结合森林分类结果，基于生长季的植被指数变化趋势，对待评价森林不同植被类型的历史长势状况进行分析；同时结合实际调查结果，对待评价森林区域的历史变化状况进行判定，确定森林长势的历史最优和最差年份。将最优和最差年份对应的植被生物量作为该类植被生物量的划分阈值，则可根据公式(14)计算森林生物量的归一化分值SBmean：

(14)

式中，A1、A2…An对应待评价森林区域内不同植被类型(如针叶林、针阔混交林等)的面积；Af为待评价森林的总面积；Bmean1、Bmean2…Bmeann，为待评估森林评价年份不同类型植被的生物量均值；Bmax1、Bmax2…Bmaxn，为历史最优年不同植被类型的生物量均值；Bmin1、Bmin2…Bminn，为历史最差年不同植被类型的生物量均值。

2)森林净初级生产力

植物净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)计算公式：

森林净初级生产力NPP=总初级生产力-自养呼吸消耗

(15)

研究采用NPP产品，结合GIS分析，估算待评价区域的森林NPP。NPP数据来自美国NASA EOS /MODIS的MOD17A3数据(https：//lpdaac.usgs.gov/get_data/data_pool)。依据植被指数的变化确定待评价森林区域的历史最优年和最差年，将其对应的不同森林类别NPP数值分别作为最优和最差的参考值，再根据公式(16)计算森林净初级生产力值的归一化分值：

(16)

式中，A1、A2…An对应待评价森林区域内不同森林类型的面积；Af为待评价森林总面积；NPPmean1、NPPmean2…NPPmeann，为待评估森林不同类型植被的待评价年NPP均值；NPPmax1、NPPmax2…NPPmaxn，为相应植被类型的历史最优年NPP均值；NPPmin1、NPPmin2…NPPminn，为相应植被类型的历史最差年NPP均值。

3)林木可更新能力

参照DB11/T 725—2010《森林健康经营与生态系统健康评价规程》[8]，林木可更新能力IR用每公顷的有效更新株数来进行测度。其归一化分值SR计算方式如下：

(17)

1.3.3 抵抗力指标

1)森林有害生物等级

森林有害生物成灾率(BD)按以下公式进行计算：

森林有害生物成灾率=森林病虫鼠害发生面积/森林面积×100%

(18)

则森林有害生物等级归一化分值Sbd计算方式如下：

Sbd=10×(1-BD) (0%≤BD≤100%)

(19)

2)森林火险等级

参照LY/T 1063—2008《全国森林火险区划等级》[14]及DB11/T 725—2010《森林健康经营与生态系统健康评价规程》[8]，利用二调小班数据获取待评价森林区域的植被类型及优势树种(组)作为评价森林火险等级依据，对应火险等级分值分别划为火灾地0分，易燃类3分，可燃类6分，难燃类10分。则森林火险等级归一化分值SFf具体计算方式为：

(20)

式中，Ah为火灾地面积；Ay为易燃类林地面积；Ak为可燃类林地面积；An为难燃类林地面积；Af为待评价森林区域总面积，单位均为km2。

3)人口密度

人口密度(Rd)采用森林生态系统所在最小行政单元内人口总和与面积的比值表示[12]，单位：人/km2，归一化公式为公式(21)。

(21)

式中，SRd为人口密度的归一化分值，Rd为人口密度。

4)土地利用强度

土地利用强度可以待评价森林所在最小行政单元内农业、建设用地、畜牧业等土地面积占评价区域土地总面积的百分比(PLu)来表示[12]，该指标归一化公式为公式(22)。

(22)

式中，SLu为土地利用强度的归一化分值，PLu为农业、建设用地、畜牧业等土地面积占评价森林所在最小行政单元土地总面积的百分比。

5)森林保护意识

森林保护意识通过问卷调查结果中有森林保护意识的问卷与总问卷数的比例来表示[9]。从所有问卷中提取有效问卷，其数量用NV表示；问卷满分为100分，得分50分以上为合格并表示被调查者具有保护意识，其数量用Ny表示。根据公式(23)计算森林保护意识指标Sys归一化值[12]：

Sys=Ny/NV×10

(23)

1.3.4 森林健康指数

最终结果森林健康指数(Forest Health Indicator，FHI)为上述所有3级评价指标分值的加权和，计算方法如公式(24)所示。

FHI=∑HSi×HWi，i=1，2，…，n

(24)

式中，FHI为森林健康指数；HSi为第i个评价指标的归一化分值；HWi为第i个评价指标对应的权重，i代表不同评价指标。

根据森林健康指数的分值，可将森林健康分为优质、健康、亚健康、不健康4个等级[15](表2)。依据上述所有3级指标的归一化分值及指标权重，按公式(24)最终计算得到百里杜鹃林区森林健康指数。

表2 森林健康等级表Tab.2 Forest health scale

2 结果与讨论

2.1 结果

上述各项指标计算结果见表3。由于刊文篇幅所限，具体推衍与计算过程从略。

表3 百里杜鹃林区2015年森林生态系统健康评价结果Tab.3 Assessment results of forest ecosystem healthin Baili Dujuan Forest Park in 2015

2.2 讨论

2.2.1 森林组织结构

以单项10分满分计，百里杜鹃林区森林健康组织结构指数中，植被覆盖度得分较高，为8.73，表明该区植被长势较为茂密。群落结构得分7.43分，表明该区森林结构较为合理，然而结合研究区实地调查结果，该区仅杂木林区域的植被群落结构相对较为合理，而区内杜鹃林和针叶林的群落组成结构较为单一。生物多样性得分4.44分，表明该区内生物多样性相对较差。结合实地调查结果可知，该区生物多样性近年来呈现大幅降低的现象，尤其是大型兽类动物分布减少较为明显，主因是该区人为活动较多，尤其是近年来每年3、4月份集中开展的旅游观光活动以及较多旅游设施、道路基建工程等项目的开展，对野生动植物栖息地的影响较大。研究区森林破碎度指数得分为7.88分，表明该区现状年(2015年)的景观破碎化程度与参考年(1992年)相比有上升趋势。结合景观格局变化分析结果可知，百里杜鹃森林区域近年来景观总体趋于复杂化和破碎化，主因也是当地大量的人为活动与项目建设干扰。

2.2.2 森林活力

在百里杜鹃林区森林活力指标中，森林生物量得分5.36，森林净初级生产力得分为6.52分，表明该区森林的物质生产能力与其历史水平相比，属于中等水平。从林木可更新能力的得分7.75分看，百里杜鹃林区的林木更新能力总体尚可。但是，通过对林区最重要森林资源——杜鹃林的野外调查不难发现，区内特色杜鹃林中作为主要建群种和优势种的马缨杜鹃R.delavayi、迷人杜鹃R.agastum及露珠杜鹃R.irroratum三种杜鹃普遍存在林龄较大、林下天然更新状况较差的现象，尤以马缨杜鹃、迷人杜鹃两种为甚。一旦原生林出现死亡，相当一段时间内将无法得到及时更新和恢复。因此，当地林业管理部门近年来也在大力加强杜鹃种质资源的保护并在当地积极培育幼苗，以促进天然杜鹃群落的更新抚育工作。

2.2.3 森林抵抗力

依据百里杜鹃林区森林抵抗力指标计算结果，该区生物灾害指标得分相对较高，为9.48分。依据2014—2016年实地调查数据及林业局调查结果显示，百里杜鹃的马缨杜鹃群落出现了较大范围的灰霉病和根腐病感染情况，造成了部分植株死亡现象。马缨杜鹃是该区杜鹃林的主要建群种和优势种，必须引起足够的重视。如不及时干预和治理，病害有可能会对马缨杜鹃原生林造成不可估量的破坏。该区森林火险得分为5.77分，按照森林火险级别划分，该区的火险隐患主要在于大片的杜鹃群落。虽然与普通灌丛相比，该区的杜鹃群落主要是常绿阔叶大灌木，燃烧级别会低于落叶小灌木，但区内森林防火工作也不容忽视。从人口密度和土地利用强度得分结果看，当前百里杜鹃管理区的人口较多，土地利用强度非常大，对区内森林资源产生了较大影响。从保护意识的打分结果来看，该区民众目前已经具有一定的森林生态系统基本常识及环境保护意识，但仍有待提高。

2.2.4 森林生态系统健康综合诊断

综上所述，按满分10分计，百里杜鹃林区森林健康指数最终得分为6.67分。依据森林健康等级表的划分，结果表明百里杜鹃林区森林生态系统在项目现状年(2015年)处于亚健康状况，并在一定程度上接近健康水平。针对林区中最具有保护利用价值的天然杜鹃灌木林而言，其主要表现为组织结构不合理，系统不稳定且活力较差，抵御外界压力的能力不强，森林景观受人为及自然因素影响压力较大。整体来看，百里杜鹃林区森林生态系统健康状况不容乐观，应引起相关部门的高度重视。建议地方管理部门进一步加大对野生杜鹃资源的保育力度，科学合理地开展景区旅游活动，严格控制各类建设项目并不断加大对民众自然保护意识的科普教育，促进百里杜鹃林区森林健康状况向好发展。

由于森林生态系统健康状况受自然、社会、经济等多重因素的影响，加之其本身的复杂性、动态性和难以度量性，因此目前国内外尚无统一的诊断指标体系。本文在分析研究区域森林资源特点和社会需求分析的基础上，应用遥感诊断技术和数据并结合野外调查、研究文献等多种资料，首次构建了百里杜鹃林区森林健康遥感诊断指标体系并针对其健康现状进行了分析诊断。研究成果在推动保护林区原生杜鹃森林资源、提高生态环境质量及服务功能、促进资源可持续开发利用等方面均具有重要科学指导意义，并可为其他类型森林生态系统的健康诊断提供方法参考。然而，由于部分历史数据无法获取，对过去某个特定时间的森林健康状况进行诊断还具有一定的难度和局限性。

当前，遥感技术、GIS技术和信息化等技术发展非常迅速，为林业管理工作提供了有力的技术保障，建议林业管理部门尽快开展信息化平台建设，借助现代科技手段实现森林生态系统变化监测数据的系统化、自动化采集管理，为后续研究提供系统可靠的本底数据并使林业管理工作更加高效。