海南热带雨林国家公园森林健康评价及经营优化研究

张超

国家林业和草原局中南调查规划院，湖南长沙 410014

热带雨林是地球上生物多样性最丰富的生态系统[1]，为人类社会提供不可替代的生态功能服务，具有全球性保护价值和意义[2]。海南热带雨林位于热带北缘，系“大陆性岛屿型”热带雨林，是世界热带雨林的重要组成部分，是中国分布最集中、保存最完好、连片面积最大的热带雨林，是中国热带雨林的典型代表[3-4]。

森林健康是指森林作为一个综合结构体，在确保自身发展良好的前提下，森林所发挥出的生态服务功能[5]，森林健康评价是现阶段制定森林经营方案的重要参考依据[6]，健康的森林能够持续发挥出森林的生态、社会和经济效益，促进当地多方面的稳定发展[7-8]。森林经营是以森林和林地为对象，以提高森林质量，建立健康稳定、优质高效的森林生态系统为目标[9-10]，而开展的一系列贯穿于整个森林生长周期的保护和培育森林的活动[11]。通过森林经营可以进一步修复和增强森林的供给、调节、服务、支持等多种功能[12]。

SOM 神经网络是人工神经网络法的其中一种，是由一个全连接神经元阵列组成的自组织、自学习的网络体系[13]。该网络模型现主要应用于土地评价、水质评价、可视化、文本分类等领域[14]，虽然在森林健康评价领域中应用相对较少，但在也逐步有学者将此法应用于，林业领域[15]。楚春晖[16]等通过SOM神经网络方法研究得出此评价方法在其他森林健康评价方法中的最优性。该研究采用SOM 神经网络模型对热带雨林国家公园的森林健康状况进行评价，并结合实际情况对森林提出优化建议，以期为热带雨林国家公园森林的可持续健康经营提供理论依据。

1 研究区概况

海南热带雨林国家公园的规划范围涉及五指山、琼中、白沙、东方、陵水、昌江、乐东、保亭、万宁9个市县，总面积4403km2，占海南岛总面积的1/7，地处18°33′16″N ～19°14′16″N、108°44′32″E～110°04′43″E 之间，东起万宁市南桥镇，西至东方市板桥镇，南至保亭黎族苗族自治县毛感乡，北至白沙黎族自治县青松乡。国家公园位于海南岛中南部山脉的穹窿构造山区，最高点为五指山，海拔1867m，是海南岛的最高峰；气候类型为热带海洋性季风气候，年均气温22.5℃～26.0℃之间，热量条件优越，年降雨量大，雨水充沛，多年平均降雨量为1759mm。

根据实地调查、标本考证及现有的研究资料，国家公园内初步统计有野生维管植物3577 种，隶属220 科1142 属，包括蕨类植物43 科125 属482 种、裸子植物6 科10 属24 种、被子植物171 科1007 属3071 种，其中双子叶植物有142 科753 属2384 种、单子叶植物有29 科254 属687 种；脊椎动物资源涉及5 纲38 目145 科414 属627 种。

2 研究方法

2.1 评价指标初步筛选

该研究根据众多影响森林健康度的因子中选取植被类型、平均胸径、每公顷活立木蓄积、起源、土壤类型、龄组、枯落物厚度、郁闭度、土层厚度、自然度和林业有害生物受灾等级11 个因子作为评价指标。

2.2 数据预处理

该研究采用海南省森林资源二类调查数据为本底数据，通过野外调查的方式对植被类型、枯落物厚度、每公顷活立木蓄积等相关因子进行验证和补充。上述11 个评价因子中，枯落物厚度、郁闭度、平均胸径、土层厚度、每公顷活立木蓄积为定量指标，自然度、起源、土壤类型、龄组、植被类型和林业有害生物受灾等级定性指标，需要对其量化以及数据标准化处理，量化标准如表1 所示。

表1 定性指标的量化标准Tab.1 The quantitative standards of some qualitative indexes

2.3 森林健康度评价模型构建

SOM 是一种高维可视化和聚类的无监督学习算法。该研究选择运用Matlab 软件建立SOM 网络模型，建模过程如下：（1）将通过主成分分析筛选后的森林健康评价指标作为SOM 网络的输入；（2）利用SOM 神经网络学习算法对网络进行训练；（3）当网络训练结束后，将各小班的评价指标再次输入SOM 神经网络，利用训练好的网络将之聚类；（4）最后通过仿真输出评价结果。

该研究在SOM 神经网络模型中将热带雨林国家公园的森林健康程度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 个等级，各等级的含义如表2 所示。

表2 评价等级分类Tab.2 Evaluation grade classification table

3 结果与分析

3.1 评价因子筛选及评价体系构建

通过SPSS 软件对初选因子进行处理后，该研究按照方差累计贡献率≥85%为原则，筛选出了与海南热带雨林国家公园森林健康度相关性较大的指标，主成分分析得出的结果如下：

从表3 可知，前6 个主成分的方差累计贡献率为87.726%（大于85%），故提取前6 个主成分作为森林健康评价指标，分别是平均胸径、每公顷活立木蓄积、龄级、郁闭度、植被类型、林业有害生物受灾等级。根据测定指标的性质，结合主成分对测定指标进行归类，该研究最终确定森林小班健康评价的指标体系如表4 所示。

表3 主成分的统计信息Tab.3 Statistics information of principal component

表4 森林健康评价因子Tab.4 Tree forest land health evaluation factor table

3.2 森林健康分布状况

利用森林健康评价体系，对海南热带雨林国家公园的森林小班进行健康状况评价（表5），健康等级空间分布如图1 所示。

表5 海南热带雨林国家公园森林小班健康状况Tab.5 Health status of forest subcompartment in Hainan Tropical Rainforest National Park

从表5 和图1 可知，热带雨林国家公园的森林小班数为51750 个，总面积高达420144.48hm2，森林健康状况水平较高。其中，不健康的森林小班数为2152 个，面积为4336.53hm2，分别占森林总小班数和森林总面积的4.16%和1.03%，是小班数和占地面积最少的健康等级，主要零散分布在国家公园北部的鹦哥岭片区。亚健康的森林小班数为5333 个，面积为36861.31hm2，分别占森林总小班数和森林总面积的10.31%和8.77%，主要分布在国家公园东部的吊罗山和黎母山片区。较健康的森林小班数为17311 个，面积为116581.61hm2，分别占森林总小班数和森林总面积的33.45%和27.75%，国家公园各区域均有分布，主要集中在中部霸王岭和鹦哥岭区域。健康的森林小班数为 11881 个， 面积为91135.03hm2，分别占森林总小班数和森林总面积的22.96%和22.67%，主要集中分布在尖峰岭、黎母山、毛瑞等片区。优质健康的森林小班数为15073 个，面积为171230.00hm2，分别占森林总小班数和森林总面积的29.13%和40.76%，是占地面积最大的健康等级，在五指山、尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭和黎母山片区，从地形特征分析，主要是这些片区的海拔相对较高，人类活动干扰相对较小。

综合霸王岭、吊罗山、尖峰岭、黎母山、毛瑞、五指山、鹦哥岭7 个片区的森林健康度可知（如图2 所示），霸王岭、尖峰岭、黎母山的片区森林健康度为优质健康等级，鹦哥岭和五指山的片区森林健康度为健康等级，毛瑞和吊罗山的片区森林健康度为较健康等级。究其原因是霸王岭、尖峰岭和黎母山片区的植被类型以低地雨林和山地雨林为主，人工商品林相对其他片区较少，林分结构相对稳定，林业有害生物受灾程度较低，人为干预较少。

3.3 森林经营作业优化

根据《全国森林经营规划（2016-2050 年）》《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021-2035 年）》《海南省森林经营规划（2018-2050年）》明确的国家公园建设的相关内容以及《全国主体功能规划》确定的“海南岛中部山区热带雨林重点生态功能区”建设的相关要求，结合海南热带雨林国家公园保护管理与社区发展对森林的生态保护调节、生态系统支持、林产品供给和生态文化服务等功能的需求，根据森林经理学和生态学专家的意见，在植被类型的基础上综合考虑森林起源、森林健康度、经营目标、经营现状等因素，将国家公园内的森林划分为5 个经营类型。经营类型区划如图3 所示，共分为严格保护经营类型区、保育修复经营类型区、人工促进修复经营类型区、限制性经营类型区、科普游憩经营类型区（景观改造经营），各森林经营类型的经营作业法如下表（表6）所示。

从表6 可知，海南热带雨林国家公园的森林经营作业法以保护经营作业法和保育修复作业法为主。各经营作业法的面积为：保育修复作业法＞保护经营作业法＞限制性经营作业法＞人工促进修复作业法＞景观改造作业法，其中，限制性经营作业法、人工促进修复作业法、景观改造作业法的人为干涉相对较大，保护经营作业法和保育修复作业法（有少量人为干扰）则更倾向于近自然经营。

表6 海南热带雨林国家公园森林经营作业法Tab.6 Forest management practices in Hainan Tropical Rainforest National Park

4 结论与讨论

该研究采用主成分分析法，筛选了海南热带雨林国家公园内森林的郁闭度、植被类型、平均胸径等11 个评价指标中6 个最具影响力的因子构建SOM神经网络模型，通过模型计算了热带雨林国家公园的森林健康度，并将其划分为5 个等级：Ⅰ级（不健康）、Ⅱ级（亚健康）、Ⅲ级（较健康）、Ⅳ级（健康）和Ⅴ级（优质健康），用于评价海南热带雨林国家公园的森林健康程度。研究结果表明：

海南热带雨林国家公园的森林健康等级面积排序如下：优质健康（171230.00hm2，40.76%）＞较健康（116581.61hm2，27.75%）＞健康（91135.03hm2，21.69%）＞亚健康（36861.31hm2，7.44%）＞不健康（4336.53hm2，1.03%），处于Ⅳ级（健康）以上（包括健康、优质健康）的森林占森林总面积的62.45%，森林健康状况理想。

从空间分布分析，海南热带雨林国家公园的森林健康度呈现西高东低的趋势，而且海拔相对较高的区域，森林健康度较高，其中，优质健康的森林主要分布在五指山、尖峰岭、霸王岭、鹦哥岭和黎母山片区。在霸王岭、鹦哥岭等7 个片区中，霸王岭、尖峰岭、黎母山的片区森林健康度为优质健康等级，鹦哥岭和五指山的片区森林健康度为健康等级，毛瑞和吊罗山的片区森林健康度为较健康等级。究其原因是霸王岭、尖峰岭和黎母山片区的植被类型以低地雨林和山地雨林为主，均为天然林，人工商品林相对其他片区较少，林分结构相对稳定，林业有害生物受灾程度较低。从地形特征分析，这些片区的海拔相对较高，人类活动干扰相对较小，由此可见人类的经营活动是对森林健康度造成影响的重要因素。

根据森林经理学和生态学专家的意见，将国家公园内的森林划分为5 个经营类型：严格保护经营类型区、保育修复经营类型区、人工促进修复经营类型区、限制性经营类型区、科普游憩经营类型区（景观改造经营）。在经营作业方法上对不同的经营类型区分区施策，各经营作业法的面积为：保育修复作业法＞保护经营作业法＞限制性经营作业法＞人工促进修复作业法＞景观改造作业法，其中经营作业法面积最大的为保育修复作业法，其目的是为了进一步修复退化林和受灾林，使其森林健康程度提升，从而增强海南热带雨林国家公园森林的生态服务功能。

虽然文章基于植被类型以及其他因素对国家公园内的森林进行了经营类型区划，但是区划方法所考虑的因素相对较少，如何采取更加科学客观的方法划分经营类型，精准提升森林的健康度，将是该研究下一步的重点研究方向。