森林生态系统健康评估方法的现状与前景

薛沛沛，王兵，牛香，李峰卿

(1.重庆市林业科学研究院，三峡库区森林保护与恢复重庆市市级重点实验室，400036，重庆;2.北京林业大学，100083，北京;3.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业局森林生态环境重点实验室，100091，北京)

森林生态系统健康评估方法的现状与前景

薛沛沛1，2，王兵3†，牛香2，李峰卿3

(1.重庆市林业科学研究院，三峡库区森林保护与恢复重庆市市级重点实验室，400036，重庆;2.北京林业大学，100083，北京;3.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业局森林生态环境重点实验室，100091，北京)

森林是林业的主体，作为森林可持续经营的组成部分和重要措施，森林健康问题引起了国内外许多学者的关注，成为当前林业研究的重要领域之一。从森林健康的发展历程和内涵入手，对森林健康评估指标体系法、生态指示者法和健康距离法3种主要方法进行综述，并分析各种方法的优缺点。快速诊断和评估将是森林健康研究的重要方向，需要加强以下几方面:1)界定森林生态系统健康内涵;2)形成森林生态系统健康快速诊断和评估的简化指标体系;3)建立森林健康快速诊断和评估方法;4)森林健康快速诊断和评估的应用技术;5)森林健康快速诊断和评估多技术、多方法、多尺度的研究。

森林生态系统;森林健康;评估方法

据《2010年全球森林资源评估》统计，世界森林 总面积略超过40亿hm2，占陆地总面积的31%［1］;因此，森林作为陆地生态系统的主体，是整个国民经济持续、快速、健康发展的基础。近年来，伴随着世界范围内的经济发展，森林被过度采伐，森林资源不断减少，加上公害事件的不断发生，森林健康面临着前所未有的挑战。森林的生产力和健康水平直接关系到全球人类的社会生活，开展森林健康研究有着非常重要的社会意义［2-3］。20世纪90年代以来，森林健康作为林业科技的一个新方向得到了全世界的重视，学者们对森林生态系统健康的定义、监测、评估和管理进行了积极的探讨和实践［4］，并将“森林健康”作为森林状况评估和森林资源管理的标准和目标［5］。

1 森林健康的发展历程和内涵

森林健康是森林生态系统健康和恢复(Forest Ecosystem Health/Restoration)的简称，最早出现在20世纪60年代，是西方国家针对人工造林林分结构单一、森林病虫害防治能力弱、水土保持能力差等问题提出来的。80年代以来，随着国际社会的重视，森林健康的研究范围和深度也得到了扩展和提升。关于森林健康的内涵，还未形成统一的认识。大致经历了以下3个阶段。

1)20世纪60年代，从森林病虫害防治方面来定义森林健康。森林健康是针对具体人为因素(酸雨、大气污染、砍伐及森林土地开发等)造成的森林衰退现象，如不正常脱叶、冠层稀疏、脱色、叶子卷曲、大面积死亡等，以及人工林雪压、风折、森林火灾和病虫害威胁等现象［6-12］。森林健康是指某一森林中的生物因素和非生物因素(病虫害、空气污染、营林措施、木材采伐等)的影响不会威胁到该森林现在或将来森林资源经营的目标［13-14］。

2)20世纪80年代以来，森林健康从林分水平转移到森林生态系统水平。

(1)表征森林应对干扰的恢复力上。森林健康代表森林的生产力和受压后的恢复能力［15］。其指标归纳为生态系统的活力、组织结构和恢复力或抵抗力 3 个层面［16］。M.Twery 等［17］认为森林健康是一种状态，它可以在景观更新、对大范围的干扰下具有恢复力，并能够保持自身的生态弹性，满足人们现在以及将来在经济、使用、产品和服务方面的需要。W.W.Covington等［18］提出健康的森林是对变化有恢复力的森林。一个健康的森林在受到干扰时必须有维持自身的能力，而且具有快速恢复力［19］。

(2)与森林生态系统的复杂性联系起来。森林生态系统健康是一种状态，向人类提供服务并维持自身复杂性［20-22］。有以下4个属性:①在某一演替阶段，物理环境、生物资源能支持森林活动的营养网络;②在景观水平上，具有抗灾性变化的恢复力;③植物具有维持自身所需基本资源(水、养料、阳光等)的供给与需求之间达到平衡的能力;④在演替阶段具有多样性，并具有能为多种本土物种提供生境的林分结构和生态系统过程［23］。C.W.Dahms等［24］认为森林生态系统健康包含森林病虫害管理、全球变化和生态系统经营。

3)20世纪90年代末期以来，从森林生态系统的时空异质性和人类需求等综合方面来理解森林健康。随着人们对森林作为生态系统主体认识的不断深入，对森林健康的理解已逐步发展为包括林分、森林群落、森林生态系统以及森林景观在内的一个复杂系统，其复杂性不仅包括空间尺度，还有时间尺度［25-26］。森林生态系统健康是包含时空尺度的概念，在空间尺度上，一棵树的健康不等于一个林分的健康，一个健康林分中也可能存在着一定数量的被压木、病态木、枯死木等，只是它们均在一个较低的水平上存在，对于维护健康森林中的食物链和生物多样性、保持森林结构的稳定是有益的［27］。森林的健康不仅是自身的没有疾病，而且还要满足人类对森林的各种需求，这2方面也是森林是否健康的必要条件［28］。

总之，一个健康的森林的森林生态系统不仅内部具有良好的自我调节能力，而且对于外界环境的变化可以进行相应的自我调整，以保持一种稳定的、可持续的状态［29］。

2 森林健康评估方法

森林生态系统健康评估是诊断人为因素和自然因素引起森林生态系统的破坏和退化所造成的森林生态系统结构紊乱和功能失调，是对森林生态系统生产力水平、结构状态、抵抗外界干扰能力以及服务功能等多方面综合能力的一种量化评估［30］。

2.1 森林健康评估发展历程

生态系统健康监测和评估是伴随着生态系统健康的产生而出现的。20世纪70年代末期，德国发现森林生活力缺失的情况，即新型森林受害现象，首先提出了森林健康状态的概念并开始了观测工作［31］，后来在原有的全国森林资源监测网络加入森林健康状态的调查监测和分析评估体系。加拿大在80年代中期开始对森林健康进行评估［32-33］，成立了ARNEws(全国酸雨早期预警系统)，在全国建立了由150个样地组成的网络［34］。1990年，美国实施FHM项目，于1999年加入FIA(forest inventory and analysis)工程，并逐步建立起了覆盖全国的FHM(forest health management)体系，该体系包括监测、评估和研究3方面的内容。与此同时，美国环保局(U.S.Environmental Protection Agency，EPA)也开展了环境监测与评估项目(Environmental Monitoring and Assessment Program，EMAP)，该项目对森林、湿地、水体、沿海、农业和干旱6个生态系统进行监测，1999年开始对部分地区的森林进行健康评估［35］。澳大利亚在90年代中期也对全国的森林生态系统进行了健康调查和评估工作［36-37］。

20世纪80年代以前，我国对森林的生态管理都以控制病虫鼠害为目标。从80年代开始，我国开始出现因环境污染而导致森林受害问题的报道，但大部分研究集中在酸雨的成因以及酸雨对单一物种及林分的影响。2001年，中美开展了森林健康合作。目前己建立了我国的病虫害监测站点，但监测技术和网络体系还不够完善，森林资源与生态监测、评估工作落后于林业与生态环境建设的步伐和水平，很难对一个地区或区域的森林状况进行准确评估。

2.2 森林健康评估方法现状

森林生态系统健康的评估是一次综合、全面的评估过程，包括森林生态系统的组成结构、功能过程、胁迫因素等。对于森林健康评估方法，从最初的定性评估法发展到目前利用多种技术方法和手段相结合的森林健康快速评估。常用的有指标体系法、生态指示者法、健康距离法。

2.2.1 指标体系法 指标体系法(index system method)以其提供信息的全面性和综合性而被广泛应用于生态系统健康评估中［38］。它适合于所有森林生态系统健康的评估。将指标体系与层次分析法、主成分分析法、指数评估法等结合起来，构造一个或几个综合性指标，简化了评估工作的难度。由于研究地点、研究方法、研究目的、研究对象的差异，研究者提出了不同的森林生态系统健康评估的指标体系。

1)以 R.Costanza 等［16］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。肖风劲等［39］与陈高等［40］对指标进行细化，还加入了一些新的衡量因子，使森林健康的衡量标准量化细化，在实际操作上方便易行。李秀英［41］提出了由生产力、组织结构、抵抗力和土壤状况4方面29个指标组成的森林生态系统健康评估指标体系。甘敬［42］在森林经营小班尺度上，从完整性、稳定性和可持续性3方面初步构建健康评估指标14个。王兵等［43］从森林生态系统生产力、结构、干扰和服务功能4方面出发，构建了森林健康评估的30个指标。

2)以森林生态系统服务功能为基础的指标体系，体现了生态系统的社会性和人类的价值取向［44］。它越来越成为评估生态系统健康的一个关键性的指标。从20世纪初期开始，国外的Dafdon于1941年用费用支出法核算了森林和野生生物的经济价值，Davis于1964年对森林的游憩价值进行了评估［45］。R.Costanza 等［46］对全球生态系统服务功能进行研究。我国的生态系统服务功能及其价值评估开始于80年代，主要有实物资源价值、固碳释氧、保育土壤、涵养水源和净化环境、林木积累营养物质和净化大气、森林防护、生物多样性保护和森林游憩等［47-49］。

3)以森林遭受的危害为基础的指标体系。美国林务局［50］统一了森林健康的3个主要指标:森林面积的改变、树木生长和死亡。A.Patel等［51］以安大略省立公园的森林作为研究案例，构建了物种丰度、物种密度、植被盖度、乡土树种比例、个体高度、昆虫取食造成的叶片伤害等6项生态指标。澳大利亚的森林健康监测中，使用了遥感技术开展辐射松落叶病的危害情况评估［52］。

4)将森林健康的评估与森林健康监测和森林资源调查相结合的指标体系。美国林务局提出了包括林地生产力、生物多样性保护、森林生态系统健康与活力、水源涵养、土壤保持、全球碳循环6个领域的多个指标［53］。

2.2.2 生态指示者法 鉴于生态系统的复杂性，人们经常需要采用一些指示类群(indicator taxa)来监测生态系统健康［54］。即生物指示物评估法，也称为生态指示者法(ecological instructions method)。该方法依据森林生态系统的指示植物、敏感植物、特有植物、特有动物、森林鸟类、森林昆虫、森林土壤动物和森林土壤微生物等来描述森林生态系统的健康状况［55］。如应用昆虫监测生态系统健康已在国外广泛应用［56］，I.R.Noble 等［57］也是生态指示者法的典范。D.A.Neher［58］指出线虫群落(nematode community)可以作为土壤健康的指示生物。R.T.Kingsford［59］利用河漫滩湿地水鸟在航空调查中的时空变化来研究水生生态系统的健康状况，这个方法不仅清楚地认识了湿地健康和与它连接的河流的健康之间的联系，而且水鸟也成为受到公众认可且具有立法依据的超级指标;但是，根据J.Hilty等［60］对作为自然生态系统健康指示生物的100种脊椎动物和32种无脊椎动物类群的研究发现，大多数指示物种都缺乏与生态系统变化的相关关系。孔红梅［61］选用对森林生态系统健康程度影响较大的一些指示指标，如乔木、灌木、草本、土壤动物等构成评估指标体系，共有21个指标。该指标体系中土壤动物因素比例过大，指标具有一定片面性。陆庆轩等［62］以光肩星天牛(Anoplophora glabripennis)为生物指示物，对沈阳城市森林生态系统进行评估，结果表明沈阳城市森林生态系统的总体健康水平处于亚健康状态。

2.2.3 健康距离法 健康距离法(health distance method)由陈高等［63］提出。健康距离表示受干扰生态系统(或群落)的健康程度偏离模式生态系统的健康程度(即所谓的背景值状态)的距离，可以用于解释生态系统(或群落)的健康评估计算。一般地，干扰越大，压力越大，健康损益值越大，健康距离(health distance)越大，该生态系统(群落)就偏离模式生态系统越远，越不健康，对人类的服务功能就越弱。健康距离法是一种计算所观测森林生态系统与最接近原始状态的森林生态系统之间的距离的方法。

陈高等［40］运用健康距离法构建一套指标体系，整个指标体系从自然—经济—社会3个基本方面出发，给出了能够表征阔叶红松(Pinus koraiensis)林生态系统健康状态的64个指标，虽然指标较全面，但指标过多，数据收集困难，许多数据需要精细的或者长期的实验来获得;因此，该指标体系用于科学研究还可以，但在大尺度上推广存在一定困难。此外，该体系中有些指标很难量化或很难得到一个较客观的值。

2.2.4 评估方法对比 指标体系法构建便捷，以其反映信息的全面性和完整性在目前的森林健康评估中占有重要地位。在实际操作中，它存在以下几个缺点:1)由于生态系统的复杂性，指标体系的构建非常复杂;2)由于评估对象不同，实施评估的研究者不同，指标体系的构建存在着主观性和随意性;3)评估结构大多表现为定性描述，量化描述所占比例较小;4)某些指标体系过分强调生态系统某一方面的因素，而忽视了其他方面因素的考虑，具有一定的片面性;5)某些指标体系中，指标太多，评估观测与资料收集所需时间较长，实际应用中可操作性较差。理论上，指标的选择上存在困难，因为种类繁多，在不同时间尺度可以测量不同的指标精度。实践中，指标的选择存在个人喜好、技术问题和知识局限性。选择合适的时空尺度指标是关键［64］。

生态指示者评估法包括单物种生态系统健康评估和多物种生态系统健康评估，具有快捷、高效、简单易用的特点，符合生态系统健康评估的实用可操作原则。虽然采用指示物种评估生态系统健康的研究取得了很大进展，但是仍存在一些问题。如果只使用单一物种，当外界干扰在更高层次上对生态系统的结构和功能作用而没有造成物种变化时，这一方法就不敏感。多物种的使用可解决上述问题，是评估自然生态系统健康较好的方法之一;但由于指示物种的筛选标准及其对生态系统健康指示作用的强弱不明确［65］，且未考虑社会经济和人类健康因素，所以难以全面反映生态系统的健康状况［66］，尤其不适用于人类活动为主导的复杂生态系统的健康评估。

健康距离法能从群落尺度上甚至更大尺度上对森林生态系统健康进行定量评估，具有一定的可操作性;但存在以下缺点:1)在采用健康距离法进行评估时，找到与被评估森林类型相同的未受干扰生态系统(原始森林)是非常困难的;2)在计算指标权重时带有很强的主观性。目前，在森林生态系统评估中的应用尚不太多。

综上所述，尽管上述方法各有优点，但还存在着诸多的不足之处，还远未达到森林健康快速评估的目的。随着人们对森林健康重要性认识的提高以及对森林健康评估的深入研究，新型的森林健康快速评估方法将是今后森林健康评估研究的主要方向。结构—功能组法、同位素技术以及不同方法相结合将是今后森林健康快速诊断和评估的主要方法。

3 森林健康评估方法前景

森林健康作为近年来一个新兴的领域，得到了国内外学者的广泛关注，也吸引了大批学者的研究，在森林健康研究方面均取得了大量的成绩;但是，森林健康评估方法的研究还存在着争议。在未来的研究中，认为下述4方面将是森林生态系统健康诊断和评估的主要关注的方向和热点。

1)森林健康评价当前选取的指标主要还局限于森林环境或森林结构单方面［67］，尚未有统一的能够准确评估森林健康的指标体系，也没有一个各种生态系统发展阶段都适用的准则［68］。不同的指标涉及生态系统健康的不同方面，带有一定的主观性。同时，还存在指标过多、耗费时间和人力过大的问题。其困难不仅是因为森林生态系统健康所涉及的因素复杂多样，还在于多数因素的量度与研究尺度密切相关［69-70］。因此，要充分掌握森林生态系统的健康和完整性，必须选择最有效、最关键且能对健康状况有直接影响的指标，更科学、快速、简化、精准的森林生态系统健康评估指标体系是今后研究的主要方向之一。

2)目前常用的森林健康评估方法有指标体系法、生态指示者法和健康距离法3种，但各有优缺点。在小尺度上评估生态系统健康状况的另外一种有用的方法就是功能组方法(functional group method)，功能组可以定义为一系列对生态系统某一特定过程具有相似影响的物种［71］。从已有报道来看，功能组法是森林健康快速评估的较为有效的方法之一，但目前的研究还处于初始阶段。将结构与功能相结合而形成的结构—功能组法是森林健康评估方法的创新，尚未有报道。因此，指标体系法与结构-功能组法相结合，通过个体与群体的结合、微观与宏观的结合，来评估森林健康状况将是森林健康研究的重要突破之一。

3)近年来，由于土地利用变化、大气中痕量气体增加、废水处理和排放以及有机和无机污染物排放等过程，向社会发起挑战，森林健康也面临着严重的威胁。科学家们越来越多地使用同位素分析来探讨大尺度生态健康状况。这种监测将作为生态变化的早期预警。应用同位素分析探寻森林的结构、功能特征的各种交叉信息，以及如何用同位素技术来阐明森林健康的变化，都将是森林健康研究的重点和难点之一。

4)多技术、多方法、多尺度相结合的森林健康快速诊断和评估的研究。在以上几种森林健康评估方法中，指标体系法和生态指示者法是较常用的方法，已有大量的应用实例。健康距离法已有初步研究，功能组法和同位素法尚未得到应用;但从长远来看，森林健康快速评估研究仍需多种方法结合、多种技术手段的支持，同时将生态系统尺度与景观尺度(样地调查与GIS)相结合，也是未来森林健康快速评估研究的方向。

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Present situation and prospect of assessment methods of forest ecosystem health

Xue Peipei1，2，Wang Bing3，Niu Xiang2，Li Fengqing3

(1.Chongqing Forestry Academy，Chongqing Municipal Key Laboratory of Forest Protection and Restoration of Three Gorges Reservoir Area，400036，Chongqing;2.Beijing Forestry University，100083，Beijing;3.Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection of Chinese Academy of Forestry，Key Laboratory of Forest Ecological Environment of State Forestry Administration，100091，Beijing:China)

Forest is the main body of forestry and is a constituent part and essential measure of sustainable forest management.Forest health has attracted more attention at home and abroad，and became one of the important domains of forestry research.Based on the development history and connotation of forest ecosystem health，the main assessment methods of forest health were summarized in detail in this paper:index system method，ecological instructions method and health distance method.The merits and shortcomings of different methods were analyzed.In future researches，rapid diagnosis and assessment methods will be the key orientation，and the following aspects should be paid more attention:1)to define the conception of forest ecosystem health;2)to form simplified index systems of rapid diagnose and evaluation of forest health;3)to establish methods for rapid diagnose and evaluation of forest health;4)applied technology of rapid diagnosis and assessment of forest health;5)studies on rapid diagnose and evaluation of forest health with multi-technologies，multi-methods and in multiscales.

forest ecosystem;forest health;assessment methods

2011-12-31

2012-07-22

项目名称:科技部林业公益性行业科研专项项目“江西大岗山森林生态系统健康维护与经营技术研究”(200804022E);国家“973”计划项目“天然森林和草地土壤碳储量及时空格局”(2011CB403201)

薛沛沛(1982—)，女，博士，工程师。主要研究方向:森林生态。E-mail:xuepeipei_cq@163.com

†责任作者简介:王兵(1965—)，男，博士，研究员。主要研究方向:森林生态系统关键过程长期观测与模拟。E-mail:wangbing_cfern@126.com

(责任编辑:程 云)