根河地区森林火灾后生态现状评价指标体系构建

石 亮,周 梅,冯倩倩,王梓璇,贺 敏,赵鹏武

(内蒙古农业大学,呼和浩特 010020)

根河地区森林火灾后生态现状评价指标体系构建

石 亮,周 梅,冯倩倩,王梓璇,贺 敏,赵鹏武

(内蒙古农业大学,呼和浩特 010020)

森林火灾的发生,在很多情况下是不可避免的,但森林火灾过后的生态状况,对于灾后生态恢复以及相关林业活动却有着重要意义,因此构建森林火灾后生态现状评价指标体系就显得尤为重要。选择根河地区森林火灾后的生态系统作为研究对象,通过对国内外各类生态系统评价指标体系的构建方式进行分析,以及对指标的文献筛选、频度统计、可行性理论分析和敏感性分析,初步构建了以森林火灾后生态恢复现状评价为目标,以生产力、更新能力、土壤条件、微生物因子、气象与立地条件和生物多样性为要素层,由23个指标构成的根河地区森林火灾后生态现状评价体系,并运用熵权法确定指标体系中各项指标的权重。这种将定性分析与定量分析相结合进行指标体系建立的方法可以达到使用最少的指标反映最大量原始信息的目的。研究思路和方法在一定程度上丰富了森林生态系统评价研究理论与方法体系。

指标体系；森林火灾；指标筛选

0 引言

森林作为构成全球生态系统的重要组成部分[1],一直持续被生态学者们关注和研究,尤其是随着经济的迅速发展、气候变化和自然灾害的影响,森林在全球生态系统中的作用进一步得到了人们的重视,所以对于森林生态系统的评价研究也随之增多。森林生态系统评价研究是依托传统的生态系统评价理论衍生的一种评价研究[2],而生态系统评价是对生态系统健康进行定量分析的方法,是进行生态恢复和生态管理的理论工具。

生态评价方法一般可分为指示物种法和指标体系法两种。指示物种法是生态系统健康研究最常见的方法。对于森林生态系统来说,很难选择到合适指示物种和监测参数来表征其状态[3]。指标体系法则适用范围更广,它是在不同组织水平和考虑不同尺度的前提下对生态系统的各个组织水平的各类信息进行综合评价[4]。由于森林生态系统结构的复杂性,所以更适合指标体系法。指标体系法中,评价指标体系构建的恰当与否,是评价工作能否成功的重要基础。

国内外学者开展了许多的区域或单一地理形态生态评价研究,建立了许多较为完善且有影响力的生态系统评价指标体系。国外学者在森林生态评价过程中,所选指标的理论性较强,更注重理论上的创新和研究。其中Caims等[5]从生态系统与人类社会的关系出发,提出生态评价的指标体系分为三大类,即理化指标(大气环境质量、土壤质量和水体质量等)、生态学指标(稳定性、恢复力、抵抗力等)和社会经济指标(经济水平、政府干预程度、社会认知程度等)。相对于国外学者的研究,国内学者在森林生态评价过程中对指标的选择目的性更强、数量上也更为广泛。其中张丽谦[6]以评价北京山地森林生态脆弱性为目的,结合北京山地森林生态环境的实际情况,选取了环境因子、结构和功能因子、干扰因子等3个系统,22个指标,构建以定量研究为主的山地森林生态脆弱性的环境质量评价指标体系；严密等[7]对福州森林公园的生态环境的评价,主要选取生态因子是从生态服务功能方面出发,其指标包括固碳释氧量、大气粉尘含量、水环境、声环境等。也有些学者是基于某个单一问题对生态系统进行了评价,如战金艳等[8]则对森林生态系统恢复力进行评价,从立地条件和生态储存两个方面出发来反映森林生态系统的恢复能力。

从上述可以看出,目前研究者们提出的生态系统评价指标,大多都是从Rapport等[9]提出的系统活力、系统组织、系统恢复力等3个方面演化而来,指标构成过于理论化且偏向主观定论,在评价信息上会出现重复性。基于此,本文采用一种全新的指标筛选模式,以森林火灾后生态系统恢复现状为评价目标,以理论分析和指标量化为主体思路,通过对指标的重复性和贡献率分析,构建森林火灾后生态恢复现状评价指标体系,以期丰富森林生态系统评价的研究理论和方法体系。本文的研究对以后的林区工作和生态恢复具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1研究区概况

研究地位于内蒙古大兴安岭林管局根河林业局施业区内(51°1′～51°51′N,121°1′～121°32′E)。该区属寒温带大陆性季风气候,年平均气温为-5.3～-5.5℃,极端最高温度40.0℃,极端最低温度为-51.6℃；年降水量为450～500mm(其中12%的降水来自于降雪),每年降水主要集中在7,8月份,年地表蒸发量为800～1 200mm。研究区土壤类型主要以棕色针叶林土为主,主要乔木有兴安落叶松(Larixgmelinii)、白桦(Betulaplatyphlla)[10]。

1.2样地设置与数据采集

根据内蒙古大兴安岭林管局防火办的森林火灾记录,选择2003年根河森林大火的火烧迹地为研究区域,过火面积约为2万hm2。1)样地设置。在整个研究区内随机设置41个典型研究区,在每个研究区内设置标准样地(30m×30m)。标准样地的类型,以尽量包含不同建群种、不同坡度、不同坡位、不同火烧程度等因素,达到能全面真实反映整个火烧迹地的恢复现状。2)数据采集。41个标准样地的野外调查和取样后化验分析得到的数据及防火办提供的数据作为评价指标的基础数据来源,以用于指标的敏感性分析。

1.3研究方法

1.3.1构建思路与方法

具体的构建思路与方法如图1所示。

图1 森林火灾后生态恢复现状评价指标体系构建

1.3.2定性指标定量化处理

在体系指标筛选过程中部分评价指标为定量描述指标,需要对指标进行定量化处理,将其转化为无量纲,再进行数据标准化处理。

1)坡向。

坡向为定性指标,是非定量化的数据,且没有次序,所以需要对坡向指标进行定量化处理,然后才能进行数据分析。这里采用方位角来进行坡向表达。方位角具有循环性,且不成序列,因此他们的数值大小与地面的水热情况不成关系。研究过程中采用坡向指数法实现坡向角度的数量化转换。坡向决定了它接受太阳辐射的多少,由此导致土壤温度、湿度、水分蒸发等一系列因子的变化[11]。因此从阴坡经半阴坡、半阳坡到阳坡就构成了一个水热条件的生态梯度序列、再将每个性质的坡向细分为2个,并从阴坡到阳坡顺序编号就构成了1—8的坡向指数等级(图2)。

图2 坡向指数的方位角范围

2) 坡位。

坡位的定量化处理,是根据以往经验来进行划分[12],即将坡位划分为5个等级。1—5级分别为下部、中下部、中部、中上部和上部,其中将平地归为1级与下部同为一个等级。

1.4数据处理

运用Excel 2010对采集数据进行数据标准化和初步处理,运用SPSS 20.0进行Pearson相关分析,运用和SAS 9.0进行主成分分析。通过2次分析的综合结果判断指标敏感性,并确定最终评价指标体系。

2 结果与分析

2.1评价指标初选

通过理论分析和对森林生态系统评价指标体系在中国知网、万方数据库、Web of science和Ovid平台等几个主流数据库中相关文献搜索,选取1998—2015年内116篇相关文献进行分析和研究,将具有代表性的指标进行统计。通过理论分类,共筛选到7大类指标总计71个,其中出现次数达到3次及3次以上的所有指标保留,经过筛选后剩余43个指标(表1)。

表1 森林生态系统评价指标频度统计

注:小括号“()”内数字为文献中出现频次。

2.2评价指标的可行性与理论性分析

通过指标初选的频度分析后,对于剩下的43个指标进行了可行性和理论性分析。

1) 生产力指标。在生产力指标中,“林分生物量”和“单位面积生物量”两个指标在获取中是包含乔木生物量的,而本次评价是基于火灾干扰后的森林生态现状评价研究,并且在调查时,研究区恢复时间仅为12年,乔木恢复程度较差。即便是在火烧程度较轻的区域,原有乔木也出现了间断性死亡的情况,所以认为对于乔木的生物量调查意义不大,在生产力指标类型中剔除这2个指标。将乔木恢复情况置于更新能力类型指标中进行研究。

2)土壤条件指标。在土壤条件指标中,认为“土壤类型”指标可以剔除,原因是由于本次指标体系研究属于区域性评价研究,研究区范围较小,土壤类型均为棕色针叶林土,没有太大差异。而将土壤对N,P,K元素的含量进行细化,分为全效和速效来分别测定。

3)气象与立地条件指标。在立地条件指标中,“年平均气温”、“年降水量”、“日照时数”和“风速”这4个指标,和土壤类型有相似原因,即区域性评价指标体系研究,研究区面积范围较小,温差、降水量、日照和风变化差异较小。

4)生物多样性指标。在生物多样性指标中,“树种结构”和“树种类型”指标剔除,由于研究区内均以兴安落叶松林为主,有少数次生白桦林,树种结构简单,类型较少。

综上所述,森林火灾后生态系统恢复评价指标体系在经过理论性分析后,剩余6大类型37个指标。

2.3指标敏感性分析

2.3.1指标相关性分析结果

通过对初步筛选后的6大类37个指标分别在各自要素层下进行Pearson相关性分析,剔除相关性较高的指标。当2个指标相关性达到极显著水平时,一个指标反映的信息量可以代替另一个指标,只保留一个指标,这样可以有效地缩减评价体系的指标数量且不丢失指标的信息量。分析后,在生产力要素层,入选平均胸径、草本生物量、植被盖度和单位面积株数4个指标；在更新能力要素层入选幼苗数量和幼苗基径2个指标；在土壤条件要素层入选土壤含水量、pH值、土壤全N含量、土壤速效P含量、土壤全K含量、土壤速效K含量和腐殖质厚度7个指标；在微生物因子要素层入选脲酶、转化酶、细菌数量、真菌数量、微生物氮含量和微生物碳含量6个指标；在气象与立地条件要素层入选坡向、坡度、海拔和道路距离4个指标；在生物多样性要素层入选草本物种多样性、草本丰富度和灌木物种多样性3个指标。筛选后共保留了26个指标(表2)。

表2 相关性达到极显著水平时筛选结果

注:“**”为在0.01水平(双侧)上显著相关。所有指标都进行了相关分析,只有达到了极显著水平的2个之间的相关系数被列出。

2.3.2指标主成分分析结果

通过对6大类别37个指标,分别在各自要素层下进行主成分分析,选取累积方差贡献率达到80%以上时各个主成分中因子负载绝对值较大的指标,这些指标可以很好地反映原来要素层的主体信息,并且达到缩减指标的目的,为后续评价提供了一个较为全面系统的指标体系。根据主成分分析筛选后,生产力指标有平均树高、平均胸径、单位面积株数和植被盖度，更新能力指标有幼苗数量、幼苗基径和幼苗高度，土壤条件指标有土壤含水量、土壤pH值、土壤全N含量、土壤全P含量、土壤速效P含量、土壤全K含量、土壤速效K含量和腐殖质厚度，微生物指标有真菌数量、细菌数量、微生物碳含量、脲酶和转化酶，气象与立地条件指标有坡向、坡度、坡位、海拔和道路距离，生物多样性指标有草本物种多样性、灌木物种多样性灌、灌木均匀度和灌木丰富度。以上合计29个指标(表3)。

2.4指标体系建立

本次研究通过指标文献筛选、频度统计、可行性分析、相关分析和主成分分析4个步骤对森林火灾后生态系统现状评价指标体系进行了综合分析和筛选。其中定量筛选过程是用相关分析和主成分分析两种方法进行,为了确保筛选过程更为科学严谨,最终评价指标需要同时通过两种方法的检验,才能入选。本文森林火灾后生态现状评价指标体系由23个指标组成,结果如表4所示。

本次研究运用熵权法来完成赋权[13]。熵权法的特点是在所评价的样本中,同一指标之间的差异性越大,其权重值也越大,采用这样的方法可以很好地反映出森林火灾后火烧迹地恢复差异。为了符合区域内进行相对比较的目的,而不是与原始状态进行比较的特点,因此,选定采用熵权法,最终权重结果如表5所示。

表3 累计贡献率达到80%以上时主成分筛选结果

表4 森林火灾后生态现状评价指标体系

为了进一步检验指标体系反映信息的全面性。将筛选后的指标方差之和(trS)和海选指标的方差之和(trSh)带入公式,得到筛选后指标对海选指标的信息贡献率:

In=trS/trSh=1.70×1011/1.72×1011×100%=99.1%

也就是说构成的指标体系可以反映出了99%的原始信息。

表5 森林火灾后生态恢复现状评价指标体系赋权结果

3 结论与讨论

本文抛开传统的评价指标体系构建方式,以大兴安岭林区2003年根河大火的火烧迹地为研究区,以森林火灾后生态系统恢复现状为评价目标,运用了文献筛选、频度统计的方法对森林火灾后生态恢复现状评价指标体系进行了初选,使指标具有层次性、系统性和全面性；在初选指标的基础上,再进行理论性和可观测性分析,并对指标进行实地测定；再运用不同的统计方法,对实测指标进行了进一步的敏感性分析,最终建立了由23个指标构成的指标体系。

在这个过程中不仅对指标完成了理论考察,而且对指标进行定量分析,采用多种角度和方法综合确定了评价指标体系,剔除了不可行指标、相关性较大指标和负载信息较小的指标,使得整个指标体系更具有科学性、合理性。这种将定量分析与定性分析相结合进行指标体系建立的方法可以更加全面准确地反映原始信息。在赋权过程中采用熵权法进行了赋权,这种方法可以充分反映同一片区域内恢复现状的差异性,对于区域性评价指标体系赋权是一个不错的方法。

在指标敏感性分析过程中发现土壤有机碳含量较高且变异性较大,经过相关性分析和主成分分析后,土壤有机碳被剔除。主要原因是由于本次研究区域为火烧迹地,在以往的一些研究中表明[14-15],在受到林火干扰后,土壤有机碳有显著的增高趋势,而不同火烧强度对土壤有机碳的影响也是不同,因此导致了土壤有机碳含量处于非正常水平且变异性较大。在微生物因子中各个指标的相关性不强,指标较为独立,可能是由于采样点的位置差异性和微生物自身更新周期较短导致。较短的更新周期使得微生物水平不能处于一个稳定状态[16]。这也说明对于一些特殊区域或基于干扰后的生态评价,在指标体系的选择上需要有一定的针对性。人们关注热点的变化,研究区域的变化以及时间变化,都可能影响到指标体系的适用性[17]。因此对于这种基于干扰后的生态评价指标体系构建需要更有针对性,才能准备全面地反映生态现状,从而达到服务于生态及林业工作目标。

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EstablishmentofEvaluationIndexSystemforEcologicalStatusofForestFiresinGenheBasedonCorrelationandPrincipalComponentAnalysis

SHI Liang,ZHOU Mei,FENG Qianqian,WANG Zixuan,HE Min,ZHAO Pengwu

(InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010020,China)

The occurrence of forest fires is unavoidable in many cases,but the understanding of ecological status after forest fires is of great significance for post-disaster ecological restoration and related forestry activities.Therefore,it is very important to construct an ecological status evaluation index system of forest fire.After analyzing the construction methods of the evaluation index system of ecosystems at home and abroad,this paper has chosen the forest ecosystem disturbedby forest fire disturbance as the research object.Through the index selection,frequency statistics,feasibility analysis and sensitivity,the evaluation of ecological status of forest ecosystems after forest fires was preliminarily established,which was constructed by productivity,regeneration capacity,soil conditions,microbial factors,site conditions and biodiversity,and 23 indicators of post-forest fire ecosystem assessment system.We use the entropy method to determine the indicators of the weight of the indicators.This method,which combines qualitative analysis with quantitative analysis,can achieve the goal of using the least indexes to reflect the maximum amount of original information.The application of this research idea and method should enrich the theory and method system of forest ecosystem evaluation research to a certain extent.

index system,forest fire,index screening

S718.557

A

1002-6622(2017)05-0093-08

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.016

2017-07-13；

2017-09-27

内蒙古科技计划项目(20130435)；国家自然科学基金项目(41563006)

石亮(1991-),男,巴彦淖尔人,在读博士,主要从事森林生态、森林防火方面的研究。Email:327084694@qq.com

赵鹏武(1981-),男,呼和浩特人,讲师,主要从事森林防火方面的研究。Email:24891041@qq.com