大兴安岭森林健康经营效果评价研究

杨朝应，刘兆刚

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

大兴安岭森林健康经营效果评价研究

杨朝应，刘兆刚

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

根据健康经营理论，从表达林分健康状态的林分结构特征、物种多样性、林分活力和生物量分布等4个方面建立林分健康评价体系。运用层析分析法确定各指标的权重，从而计算出各样地的健康评价指数（Hi），在此基础上用对比差异法提出健康经营效果指数（Me），并用这种方法对大兴安岭塔河地区的4块样地2种健康经营方式经行评价。结果表明：人工更新改造和中幼龄林抚育这2种健康经营方式都使林分得到有效的改善，林分生产力、可持续性和抗干扰性都有不同幅度的提高，表明2种经营方式都是该地区合理的选择。提出的健康经营效果指数能够简洁直观地评价出健康经营的效果，具有广泛的适用性，可为经营效果评价提供理论依据。

健康经营；林分状态；经营效果评价；大兴安岭

现代林业发展对森林经营有越来越高的要求，从以前的经济利益为唯一目标[1-3]逐渐发展为以可持续发展为目标来决策经营[4-6]，强调森林的健康稳定发展。传统的经营效果评价主要注重于面积、蓄积量等直接经济效益[7-8]，评价方式不符合现代林业需求。由于对森林发展目的不明确，在随后的涉及社会效益及生态效益的经营效果研究中，评价指标和方式的选择也不尽合理[9-10]。例如，李远发等[11]、惠刚盈等[12]尝试了对森林经营效果指标进行综合量化评价，但由于忽略了森林资源的不平衡性，其评价方式及标准较为人为化，普适性较差。本研究拟在前人研究的基础上，提出具有广泛适用性的健康经营效果评价方法。大兴安岭地区由于受到火灾等自然因素破坏和采伐等人为干扰的影响，形成了大量低质林[13-16]。为了提高林分质量，针对大兴安岭地区采取的2种健康经营措施进行评价研究，综合分析经营模式的效果收益，可为经营效果评价提供理论依据。

1 样地概况

本研究的4块样地R1、R2、T1、T2均位于黑龙江省北部大兴安岭塔河地区，地处黑龙江省西北部，地理坐标为 52°09'～ 53°23'N，125°19'～125°48'E。地势东南高西北低,平均海拔543 m。该区属寒温带大陆性季风气候，年均气温-2℃，年降水量350～500 mm，降水集中于7～8月份。无霜期85～115 d，年平均积雪165～175 d[17-18]。本区的森林属典型寒温带针叶林,分布最广的乔木树种主要有兴安落叶松Larix gmelini、樟子松Pinus sylvestris var. mongolica和白桦Betula platyphylla，其次为云杉Picea koraiensis和山杨Populus davidiana等[19]。灌木主要包括兴安杜鹃Rhododendron dauricum、山刺玫Rosa davurica、绣线菊Spiraea salicifolia、红豆越桔Vaccinium vitis-idaea、笃斯越桔Vaccinium uliginosum和小叶杜香Ledum palustre等。草本植物多由耐旱种组成，如林问荆Equisetum sylvaticum、丛生苔草Carex spp.、兴安野青茅Calamagrostic turczaninowii、广布野豌豆Vicia cracca等。土壤以棕色针叶林土为主，土层较薄，厚10～30 cm[20]。

R1（人工更新针阔混交林）、R2（天然白桦林）样地属于人工更新改造经营模式的一组对照样地，该区域经历过重度火灾，R1为火灾后经过人工更新该地区顶级树种（落叶松）后形成的林分，而R2为没有经过更新改造自然生长的林分，即为对照样地；T1、T2样地属于中幼龄林抚育经营模式的一组样地，该区域为中幼龄林，其结构特点为：林分林龄较小，郁闭度较高，林分竞争激烈。T1为经过去劣留优、部分割灌、间伐疏透等抚育方式后形成的林分，而T2为未经抚育自然生长的林分，即对照样地。4个样地均为固定样地，对各样地内林木进行每木检尺（起测直径为5 cm），调查内容均包坡向、坡度、温度、郁闭度、胸径、树高、冠幅等，并采用相邻格子法分割为5 m×5 m的小样方，方便对所有乔木树种经行定位调查，记录每株的坐标值。同时选择四角和中心处的5个5 m×5 m小样方来进行灌草多度调查、幼树更新调查。各样地林分基本特征见表1。

表1 各样地林分基本特征Table1 basic characteristics of stands in four plots

2 研究方法

2.1 指标选择

林分健康状态主要表现在林分结构特征、物种多样性、林分活力和生物量分布等4个方面[11,21-24]，这些指标包括了森林生态系统在某一特定时间的静态因子，全面反映这一时间的特定林分状态。林分结构特征从垂直空间利用率（用乔木高度差来表达）、树种隔离度（用混交度[25]来表达）、林木分布格局（用角尺度[26]修正值来表达）、径级结构（用q值修正值来表达）等4方面来评价，根据前人研究结果表明q值大多在1.2～1.8之间[27-28]，而q值转化值是指q值与均值（1.5）的距离，q值转化值越小，径级结构分布越好，相反则越差。物种多样性从乔木树种多样性（用乔木Shannon-Wiener指数[29]表达）、灌草种类（用林分中灌木和草本的总种类来表达）及灌草总盖度（用林分中灌木和草本的总盖度来表达）等3方面来分析。林分活力用林分更新数量（用单位面积乔木更新数量来表达）、林分更新树种数（用林分更新的树种种类数量来表达）及林分竞争指数（用林分乔木树种Hegyi竞争指数的修正值表达[30]）等3方面来评价。生物量分布从林分针阔比（用林分中针叶树和阔叶树的断面积比例来表达）、林分蓄积（用林分内乔木总蓄积来表达）及林分健康木比例（用健康木占全林分总株数比例来表达）等3方面来分析（见表2）。

表2 森林健康指标体系层次结构Table 2 Hierarchical structure of forest health indicators

2.2 指标转化处理

本文中要得到最终2种经营模式的综合评价指数，是林分各项指标的综合反映，设定每项指标都有其贡献。由于原始指标对林分健康反映形式的不同，因此需要对指标经行转化处理。在选取的13项原始指标中，对林分健康状态的反映各有不同（见表3）。其中角尺度、q值转化值及Hegyi竞争指数等3项原始指标呈负向反映,即逆指标。为了指标的一致性，本研究采用倒数函数对这3项原始指标经行转化，其他原始指标不变。转化公式为：

b=1/a。

式中：a为原始指标；b为转化后正指标。

表3 林分各项指标与林分健康的关系†Table 3 Relations among stand indexes and stand health

全部转化为正指标后，需要对所得的各项转化后指标进行无量纲化修正。根据本研究的数据处理要求，在无量纲修正时要符合一下几个条件：（1）修正指标解决指标间的差异性问题，使各项指标都在同一基础上对林分健康经行反映，从而方便于其后对林分健康指数的耦合；（2）修正后指标必须全为正数，便于后期处理；（3）不为0的指标修正后不能出现0值。综合这3个条件，本研究选择极值法进行无量纲修正，修正公式为：

式中：b为正指标；bmax为极大值；c∈（0，1］。

2.3 评价指数

准确地评价林分健康状态是评价林分健康经营效果的基础，而各项指标的运用又是评价林分健康状态的必要条件。由于各项指标对林分健康情况的影响程度不同，因此其在评价体系中的重要程度也有差异。根据各指标的重要程度，采用层析分析法对其权重赋值。在林分健康经营中，林分的可持续性、稳定性及抗干扰性是整个经营过程的重要目标，具体为改善林分竞争态势，促进林下自然更新，增加林分物种多样性；而林分结构特征和生物量分布的改善是健康经营的重要手段和一定的经营效果反映。在森林健康经营中，物种多样性和林分活力的提高是经营的目标，通过理论分析及专家咨询，本研究认为物种多样性、林分活力对林分健康影响相比于林分结构特征和生物量分布要稍大，因此确定为约束层B，林分结构特征、物种多样性、林分活力和生物量分布4个方面相对于目标层A的权重比例为2∶3∶3∶2；而对于指标层C而言，各指标对于对应的约束层B重要程度相同，即具有相同的权重。表4为各指标的最终权重。

表4 林分各评价指标权重值Table 4 Weight values of each indicator

林分健康指数是各项林分健康因子（见表2）的综合体现，反映一定时刻林分在自然及人为干扰下所呈现的表现形式。林分健康指数的高低反映林分健康可持续发展的优势程度，林分健康指数越高，表明该林分未来对林分的可持续经营和抗干扰能力越好，其表达式为：

式中：Hi表示i林分的健康指数；n为健康评价因子个数；j为第j个健康评价指标；λj为第j个健康评价因子的权重；cj表示修正后的指标值。

林分健康指数并不能反映林分的动态变化，为了进一步说明林分经营后的效果差异，需要对经营与未经营的2种林分作为对照讨论。本研究提出一个健康经营效果评价指数，其定义为某林分在经营后林分和未经营的林分的差异程度，其表达式为：

Me=He1-He2。

式中：Me表示某种经营模式的健康经营效果评价指数；He1表示经过人为经营改造后林分的健康指数；He2表示未经人为经营改造而任其自然生长林分的健康指数。

林分健康经营效果评价指数的理论的范围为[-1,1]，正值为促进林分健康状态，属于正向演替；负值为破坏林分健康状态，属于逆向演替。绝对值越大表示健康经营效果（包括促进和倒退）越显著。在林分健康经营效果指数等于极值1时，表明是在没有任何乔灌草种源的裸地上经行经营，并改造成具有乔灌草同时存在的立体空间结构；相反，在林分健康经营效果指数等于极值-1时，表明具有乔灌草立体结构的林分经过完全皆伐（伐去乔灌木并去除草本植物）造成的，在实际操作中通常在林地开荒成农耕地中出现。在林业生产研究中，正向演替是最重要的目标，而逆向演替不作为本研究讨论范畴。

3 结果与分析

根据评价方法，计算4块调查样地的13个评价指标，并以此得出4块样地的林分健康指数和2种经营方式的林分健康经营效果评价指数，其结果见表5。

表5 不同经营模式的经营效果评价结果Table 5 Evaluation results of different management evaluation effects

由表5可以看出，人工更新改造和中幼龄林抚育这2种经营方式的健康经营效果指数Me都大于0，即这2种经营方式都促进了林分的正向演替。其中人工更新改造的健康经营效果指数为0.396，说明经营效果比较显著，人为更新使林分质量得到大幅提升。树种隔离程度、乔木多样性及林分针阔比在经过改造和未经改造的林分中差异极大，差异度在0.9～1.0之间。形成这一极大差异的原因是林分树种组成的巨大差异，在R2中只存在1棵年龄较小的樟子松，属于白桦纯林；而R1则是混有白桦、落叶松、山杨及樟子松等树种，林分混交度为0.48的针阔混交林，并且山杨和樟子松的混交度要高于落叶松和白桦，表明在改造的林分中，人工更新的落叶松和自然萌发的白桦成为主要树种，而后入驻的山杨和樟子松只占有少部分。2个样地中，灌草种类、更新树种数、林分竞争指数及林分蓄积的指标指数也具有较高差异度，差异度在0.5～0.7之间。在R1样地调查中有5种灌木植物和9种草本植物，其中有较为喜湿的笃斯越桔和红豆越桔，喜阴的地榆、东方草莓、柳兰、鹿蹄草、林问荆等，而R2样地中的灌草种类很少，调查只有3种灌木和2种草本，但是其中杜香、山刺玫分布较多。在R1样地中存在落叶松和白桦2种更新树种，R2样地中则只有白桦，这说明在经过健康改造后，林分的延续性得到较大提升。从竞争指数上讲，指标指数的差异为0.658，R2样地的Hegyi竞争指数为2.04，比R1样地的0.7要大得多，这说明人工更新改造后林分林木分布较均匀，而未经改造的天然白桦林则由于是萌生次生林，有较多丛生或者簇生现象。从林分蓄积角度出发，R2样地的林分蓄积量为17.06 m3/hm2， R1样地则达到了94 m3/hm2，是前者的5倍之多。人工更新改造后的林分，灌草盖度、林分更新数量和健康木比例都有不同程度的下降，差异度分别为-0.307、-0.328和-0.012，可以看出，R2样地的灌草盖度和林分更新数量都要高于R1样地，说明经过人工更新改造后林分的层级竞争较为明显，乔木的生长挤压了林下植物的生长空间，但同时也为更多林下植物的入驻提供了条件。健康木比例的小幅度下降则是由于改造后林分演替加速，冠层树木对下层树木产生压制性影响，导致部分被压木健康状况下降，而R2中白桦比较小，树木生长较为均匀，无明显压制现象。

在中幼龄林抚育的健康经营中，得到的健康经营效果指数Me为0.114，林分质量得到一定的提高，并从指标指数的情况来看，林分的可持续性得到有效的提升。在经营作业中，维持了树种隔离度（T1、T2的混交度分别为0.357、0.361）、林木分布格局（T1、T2的角尺度分别为0.490、0.494）及林分竞争指数（T1、T2的Hegyi竞争指数分别为0.812、0.782）的稳定。径级结构、更新树种数、林分蓄积、乔木多样性及灌草种类都有不同程度的提高，其中径级结构调整幅度最大，指标指数差异度达到0.724，在T2样地中的q值为2.089，而经过抚育调整的T1样地中q值为1.663，进入了q值合理范围（1.2～1.8）。调整后的林分中，更新树种数也得到有效的改善，T2样地中只存在白桦一种更新树种，而T1中则出现了白桦和落叶松2种更新树种，说明抚育经营在改善林地环境、促进林下更新上取得很大成功。从林分蓄积上来说，T2样地的林分蓄积为65.87 m3/hm2，而T1样地中却达到了114.92 m3/hm2，表明抚育能大大提高林分生产力。从多样性角度来看，T1样地的乔木Shannon-Wiener远大于T2样地，分别为0.801、0.493，T1样地比T2样地多出山杨等树种；灌草多样性也有一定程度的提高，经过抚育后的林分新增了兴安杜鹃、轮叶沙参、绣线菊等灌草植物。林下更新的树苗数量出现了大幅下降，差异度达到-0.52，分别为2 500 株/hm2和1 200 株/hm2，这主要是由于林地环境的改善，乔木生长的加快，林分郁闭度下降，从而使得林下资源的减少，更新数量下降。总体来看，通过中幼龄林抚育经营，中幼龄林的林地环境、森林生产力以及可持续性都得到了有效的提高。

4 结 论

现代林业发展强调森林的健康性、可持续性和稳定性，因此，森林的正向演替和可持续发展是森林健康经营的主要目标，健康经营方式的选择影响着森林发展方向。在林业决策时，选择一个正确合理的经营方式便是重中之重。本研究结合健康经营方式和经营目的提出了健康经营效果评价的方法，并提出健康经营效果评价指数，该指数以森林健康状态作为基础，能够简洁直观地指示健康经营的方式的好坏程度，具有极好的普适性和准确性，具有较大的推广应用前景。

通过健康经营效果的评价方法，本研究结果表明大兴安岭塔河地区的2种健康经营方式（人工更新改造和中幼龄林抚育）都较好地适应了林分的结构状态，使林分物种多样性增加，林下更新有效提高，林分生产力明显增强，从而大大提高了林分的可持续性、抗干扰能力和演替进度，说明这2种经营方式能较好地适应大兴安岭塔河地区的林业发展特点，可以在该地区经行推广。

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Evaluation of forest health management for Daxing’anling mountain

YANG Chao-ying, LIU Zhao-gang
(Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

Based on theory of forest health management, the stand health evaluation system was founded from four aspects, stand structure characters, species diversity, stand vitality and biomass allocation that express stand’s health state. The health evaluation indexes (Hi) were calculated via measuring the weights of each indicator determined by analytical hierarchy process. Based on the Hi,values, the health management evaluation indexes (Me) were presented through difference comparison method. Then, with the evaluation methods, the health management effects of four plots in Tahe region of Daxing’anling mountain by two kinds of management modes were assessed. The results show that both artificial regeneration and un-mature forest thinning improved the stands’ productivity,sustainability and immunity, are suitable management modes for this region. The studied method, Meas an assessment indicator of health management, was very simple and intuitive, has a broad applicability. Therefore, it can provide a theoretical foundation for the management effect evaluation.

health management; stand state; management evaluation; Daxing’anling mountain

S757

A

1673-923X(2014)07-0027-05

2014-01-10

林业公益性行业科研专项（20100400207）：黑龙江大兴安岭过伐林的多功能优化经营技术研究与示范（2012BAD22B0202）：东北碳汇林优化培育关键技术与示范项目（2011BAD37B02）

杨朝应（1988-），男，贵州遵义人，硕士研究生，主要研究方向：森林经理；E-mail：ycyjds@163.com

刘兆刚（1970-），男，黑龙江绥化人，教授，博士，主要研究方向：森林经理； E-mail：lzg19700602@163.com

[本文编校：谢荣秀]