退化森林生态系统评价指标体系研究进展

徐 欢,李美丽,,梁海斌, ,李宗善,伍 星,*

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 2 中国科学院大学,北京 100049 3 长安大学地球科学与资源学院,西安 710064

联合国粮农组织2016年发布的报告指出：1990—2015年间,全球森林面积减少了1.29亿hm2,2000—2010年间,热带地区国家每年森林面积净减少700万hm2[1]。由于森林面积锐减所导致的森林退化问题引发了席卷全球的生态环境危机[2],退化后的森林生态系统生产力下降,生物多样性减少,调节气候、涵养水分和防风固沙的作用减弱,贮存营养元素的能力降低,引起水土流失、沙漠化等严重的生态问题[3],是社会和经济可持续发展的严重障碍。据估计,从2005年起,由于森林退化所造成的印尼木材产量每年减少4%[4]；Asner等对巴西亚马逊地区进行研究发现,森林退化大约造成了近20%的温室气体排放[5]；还有研究指出在过去的几十年里,印度约有41%的森林退化,使森林生产力下降至原来的三分之一[6]；同时,中国作为森林面积前十的国家,其森林生态系统退化现象十分广泛,表现形式复杂多样,并且还有进一步退化的趋势[7]。森林对全球可持续发展有着不可低估的贡献,因此,如何可持续地管理森林,恢复退化森林生态系统,并增加全球森林的覆盖面积是当前国际社会的热点问题之一[8]。准确评价退化森林生态系统是解决上述问题的首要任务,也是进行生态系统恢复和重建的前提和基础[3],因为评价指标体系的准确性和科学性将直接影响森林退化程度的评估和恢复标准的制订,以及国家相关恢复政策和措施的颁布与实施。

虽然国内外学者在退化森林生态系统评价方面已开展了一些工作[9-12],但大多数研究是基于遥感等手段来描述森林的退化状况：例如利用DEM和NDVI建立监测模型,以森林植被变化率来评估其退化程度[13-14],但是有学者指出这种方法可能会低估森林退化的严重程度,因为树木密度的变化往往会超过森林面积的变化[15-16]。因此,需要引入能够表示森林功能性的指标(例如森林生产力等),但是这部分指标难以进行量化。Bahamondez等指出可以从生产力的角度定量地评估森林生态系统的退化程度[17]；还有的学者提出以生物多样性为标准进行量化[18]；马姜明等提出可以从生态系统健康的角度来进行定量评价[3]；还有一些学者通过构建标准环境敏感区指数来评估土地退化情况[19-20]。但是不同的研究者在评价退化森林生态系统时所处的立场不同[8],导致评价退化森林生态系统时选取的指标和分级标准也不尽相同。纵观国内外的研究可以发现,当前研究仍然存在一些不足,这在一定程度上制约了生态恢复实践和恢复生态学的发展,因此如何科学地评价退化森林生态系统的退化程度将是今后发展的方向和趋势。准确评估森林状况对稳定生态环境、确保生态安全,促进生产、生活、生态协调可持续发展具有重要意义[21],所以迫切需要构建一套评价指标体系以阐明森林退化状况与监测指标间的量化关系,但如何筛选监测指标和构建指标体系却存在较大差异。因此,有必要在现有研究的基础上进行整理归纳,总结不同退化森林评价体系的方法及关键指标,梳理近年来一系列的研究进展,比较不同指标体系之间的优缺点,以此为基础建立一套更合理、完善的退化森林生态系统的评价指标体系,从而对森林生态系统的退化状况进行综合评估,为我国退化森林生态系统的恢复和重建提供一定的科学依据。

1 森林生态系统退化

正确认识森林生态系统退化的内涵是构建退化森林生态系统评价指标体系的基础,应该在深刻理解其背景的前提下遴选适宜的监测指标作为评价森林生态系统退化的标准[22]。联合国粮农组织将森林退化定义为逆向影响林分或立地的结构或功能,从而降低森林提供产品和服务能力的森林变化过程[23]；国际热带木材组织认为森林退化指的是森林潜在效益的全面、长期降低,包括木材、生物多样性和任何其他产品或服务[24]；联合国生物多样性保护公约将森林退化定义为由人类活动引起的、丧失原有天然林正常的结构、功能、物种组成或生产力的次生林[25],主要侧重于退化过程,并且提出了人类活动对于森林退化的影响；联合国政府间气候变化专门委员会认为森林退化是由人类活动引起的在一定时间内森林碳储量的长期丧失[26],主要从森林覆盖率、碳储量和碳排放变化来评价森林退化程度。我国的学者也对森林退化的内涵进行了不同程度的探讨,朱教君等认为森林退化可以理解为森林面积减少、结构丧失、质量降低、功能下降的过程[27]；刘国华等认为森林衰退是森林退化的一种表现形式,指森林树木在生长发育过程中出现的生理机能下降、生长发育滞缓、生产力降低甚至死亡以及地力衰退等状态[28]；雷静品等则认为森林退化与森林衰退很难严格区分[29],二者都是指森林面积减少、结构衰退、生理生态功能下降的过程。张小全等认为应该区分不同的森林经营类型来定义森林退化的概念[30]。综上,目前关于森林退化的定义基本一致,都是描述森林属性、结构或功能的丧失[4],但在细微之处也有所差异,有些定义侧重于森林的结构组成部分,而另一些定义采用功能方法,或基于资源等,但是都缺少可操作的森林退化评价体系和指标[31]。

图1 森林生态系统退化过程Fig.1 The degrading process of forest ecosystems

森林生态系统退化会对森林的结构和功能造成破坏并失去固有平衡[32-33],是生态系统退化在森林尺度上的具体表现。该过程会使原来稳定的生态系统遭到破坏,从而朝着生物多样性降低、物质能量流动减少、结构简单化以及环境状态不利于生命生存的方向发展[28]。森林生态系统一旦退化,所能提供的生态系统服务功能将逐渐下降,导致生命维持系统的破坏,最终物种灭绝,生命完全消失[34]。一般来说,森林生态系统退化过程主要有以下特征：首先,森林生态系统退化会使部分原有物种消失,一些外来物种得以入侵[35],从而造成系统的种类组成发生改变[36],进而会使生态系统中幼龄物种相对增加,造成系统中的年龄结构不合理,最终导致系统的稳定性差,抗干扰能力下降。其次,由于生态系统结构的改变会使生物生产力和生物量减少,从而导致系统中的物质循环、能量流动、生态服务以及自我调节能力减弱。生态系统的进一步退化会使系统中原有的土壤环境和小气候趋于恶化,如土壤有机质成分减少、硬度改变[37],以及温度升高、湿度下降等,这些变化均不利于原有系统的发展。此外,原系统中建立起来的各种稳定的种内和种间关系包括竞争、共生、寄生、捕食等也会发生相应改变,从而降低生态系统的稳定性,导致原有系统的演替途径发生变化。由于组成系统的种类发生变化,土壤种子库也发生了一定改变,小环境的恶化又不利于原系统中土壤种子库的生长发育,造成原有森林生态系统的更新和抚育困难[28,38]。其退化阶段主要有：顶级森林生态系统-次生林-杂木林-灌草丛-裸地或顶级森林生态系统-耕地-撂荒地(裸地)两大类(图1)。

2 退化森林生态系统评价指标体系研究进展

2.1 评价指标的筛选原则

评价退化森林生态系统是进行恢复和重建生态系统的前提,有利于提高其生态服务功能,改善生态环境状况[28]。在构建评价指标体系时,评价指标的选取直接决定了评价结果的科学性与适用性,然而由于森林生态系统具有复杂的结构和功能[39],在全球尺度上种类繁多,用以诊断森林退化的指标相对较多,为了评价的准确性、客观性,在建立生态退化指标体系时,大多数评价体系都遵循以下六大原则[11,38,40]：(1)整体性原则：在考虑诸多影响森林生态系统因子的基础上,全面衡量并统筹考虑森林生态系统的退化过程和方向,采取能够综合反映森林生态系统结构、功能等方面的指标进行分析和评价；(2)概括性原则：评价指标应该具有概括性,能够指示森林退化过程中的关键性变化,但是不能过多过细,使指标过于繁琐,相互重叠,也不能过少过简,避免指标遗漏,出现错误；(3)动态性原则：森林退化过程需要通过一定时间尺度的指标才能反映出来。因此,指标的选择要充分考虑到森林的动态变化特点；(4)定性与定量相结合原则：评价指标要准确反映出退化森林的变化特征,另外,评价指标体系的设置、权重在各指标问的分配及评价标准的划分都应该相适应；(5)层次性原则：指标体系的构建应该具有层次性,自上而下,从宏观到微观层层深入,形成一个不可分割的评价体系,各指标之间相互独立,又彼此联系；(6)实用性原则：遵循简洁、方便、有效、实用的原则,选取符合理论概括、易于获取和影响重大的因子或者模型,使理论与实际做到良好的结合,同时要容易监测,计算简单,具有技术和经济可行性。

2.2 退化森林生态系统评价体系的构建

鉴于森林生态系统的多样性和复杂性,我国退化森林生态系统的评价由于对象、功能以及区域范围的不同,所选取的退化指标及分级标准在一定程度上有所差异[41],如表1所示。

续表准则层Criterion layer二级指标层Second index layer三级指标层Third index layer优点Advantages缺点Disadvantages文献References物种多样性-植被结构-生态学过程Diversity-structure-process物种多样性物种丰富度、多度植被结构植被盖度、乔木密度、高度、胸高断面积、生物量、凋落物结构生态学过程养分库、土壤有机质、生物间的相互关系该指标体系以恢复成功的生态系统特征作为评价,对植被恢复和重建有指示意义只是提出了评价的概念性框架,没有进行定量评价,实际可操作性较差[3]

在对现有的退化森林评价体系进行比较分析时发现,现有的一级指标层在划分上存在一定差异,一级指标中绝大多数都是涉及到生态系统组成、结构和功能的评价[11-12,29],二级指标则以描述群落的气候、土壤、组成、结构、生物量、生产力、碳储量等变量为主[12],可用于直接获得数据的三级指标通常是表示森林属性的状态,包括木材储存量、森林的破碎度、物种的丰富和生物多样性、树种结构组成、森林生产力、土壤养分、土壤侵蚀和水分等,这些指标都与森林生态系统退化状况息息相关,在一定程度上能够体现森林退化的特征。但现有的评价体系中还存在一些问题：(1)有些评价体系的指标不可测,例如生物间相互关系[3]、捕捞的严重程度[10]等；(2)随着技术的发展,有许多数据的获取可以通过遥感手段得到,但是利用遥感在进行计算时并不能反映森林的真实退化程度,通过遥感方法得到的森林覆盖率、生物量、生产力都普遍偏高[15-16,42]；(3)此外,上述评价体系还有一个局限在于只能进行某个时间点上的测量,很难描述森林退化过程中的动态变化,甚至可能会出现偏差；(4)有些指标体系只关注森林的结构组成,没有考虑与森林动态有关的功能过程,例如：树种的组成结构,林龄以及生产力指标等。

因此,本文在总结分析上述评价体系优缺点的基础上,根据退化生态系统评价指标体系选择原则,对这些体系中主要指标及关键因子进行重新筛选,构建了一个4层次的评价指标体系(表2)。以退化森林生态系统指标体系作为总目标层,用以评价生态系统的退化程度。一级指标层是生态系统退化的直接表现,由生态系统的组成结构、功能和生境三部分构成,森林生态系统的组成结构是评价的基础,它决定了生态系统发挥生态功能和社会功能的大小[48],而生境条件则与森林组成结构息息相关,相互影响；二级指标层是对一级指标层的详细分解,以数量、植被、结构、生产力、生化作用强度、土壤和生境气候等指标作为二级指标层；三级指标由具体能够直接度量并体现各二级指标层特征的指标构成,其中,年净第一性生产力在评价指标中占据绝对优势,相对于其他指标来看,最能反映森林生态系统的退化状况。还有的研究者认为生物多样性与生物呼吸速率在评价体系中也占据重要地位,因为生物多样性与退化森林生态系统的恢复状况紧密连接,生物呼吸作用则对土壤生化作用强度有很强的指示性[11-12,29]。这三者作为评价体系中的关键性指标,任何一个微小变化都可能会引起森林生态系统的显著改变。此外,三级指标层中的物种丰富度、生物量、乔灌草比例、森林破碎化指数等对于森林生态系统退化状况的指示也较为突出,可用来作为评价体系中的辅助性指标。指标数据的获取方法以遥感、实际观测、室内分析相结合,尽量能够全面准确的表征森林生态系统退化过程。

表2 退化森林生态系统评价指标体系

2.3 评价指标的权重

由于现有指标多为定性指标,且指标的针对性强、代表性差、适用范围窄,可操作性不高,评价指标的数据来源也存在不确定性[31,49],因此缺乏对于指标的定量分析。此外,对不同评价指标所分配的权重会直接影响到评价结果的可靠性,因此,合理确定评价指标的权重是建立评价指标体系的关键[12]。当前评价指标研究中使用较多的权重确定方法主要有四种：(1)聚类分析：找出一些能够度量评价指标之间相似程度的统计量,以这些统计量为划分类型的依据,把相似程度较大的指标聚合为一类,直到把所有的指标聚合。(2)主成分分析：是将原来众多具有一定相关性的n个指标,重新组合成一组新的综合指标,该方法主要根据原始数据之间的关系通过一定的数学方法来确定权重。(3)层次分析法：是在建立评价指标体系的基础上,通过比较同一层次各指标的相对重要性来综合计算指标的权重系数[50]。(4)群落排序法：主要是通过计算不同生态系统(群落)的非相似矩阵系数,来评价生态系统的退化程度或恢复程度[51]。本文针对这四种方法进行总结分析,阐述各方法的优缺点(表3),为进一步完善我国退化森林生态系统评价体系提供科学方法。总的来看,层次分析法是目前使用最广泛的一种方法,可操作性较强,但存在一定的主观性;群落排序法在生态系统评价中应用较少,但能够更客观地反映生态系统的自然状态,具有广阔的应用前景。

表3 不同评价指标权重确定方法的比较

3 问题及展望

森林是陆地生态系统的主体,其覆盖面积占总面积的31%,在维持生物多样性和为全球提供生态服务方面起着重要作用[3]。近几十年来,由于森林生态系统的退化所导致的生态环境问题日益严重,恢复和重建我国退化森林生态系统,提高其生态服务功能,是改善我国生态环境状况的关键所在[1]。因此,建立一套能全面反映森林生态系统退化程度的评价指标体系对于我国森林生态系统的恢复和重建具有重要意义。目前研究中由于不同区域间的自然条件的差异使得退化森林生态系统评价指标体系在建立上产生了一些问题：(1)评价指标体系差异较大。我国退化森林生态系统分布广泛,有东北部的寒温带退化森林生态系统、暖温带森林退化生态系统、亚热带退化森林生态系统、西南亚高山森林退化生态系统和热带森林退化生态系统等[28]。现有的退化森林生态系统评价指标体系的研究主要以上述不同森林类型为基础,这会导致不同区域内的评价指标有所不同,无法从整个生态系统的角度进行综合评价[2]；(2)研究认识不够深入。虽然现有研究中关于森林退化原因,退化特征,退化过程的具体描述,但是关于退化机制还缺乏深入的、系统性的研究[34],由此导致评价指标的选取因为缺乏理论基础而不具有代表性；(3)指标权重的不确定性。目前研究中对指标进行赋值时一般采用专家打分法和问卷调查法,主观性较大,在不同的评价体系中没有可比性,难以大范围推广应用；(4)对于某些指标的获取还存在一定难度。以物种间相互关系为例,该指标可以用来指示森林生态系统的健康状况,决定森林过渡方向和速率，但是直接评估的难度较大。

因此,退化森林类型的多样化导致了退化评价指标的多样化,制定统一的退化评价体系有一定的困难。本研究文在比较分析前人研究的基础上,选择更加具有代表性的指标来不断完善我国退化森林生态系统评价指标体系,所选的32个评价指标彼此之间相互影响,相互联系,森林退化会使原有的物种组成发生变化,改变生态系统中年龄结构,从而导致系统中的生产力和生物量减少,此外,还会使土壤和生境指标有所下降,小环境的恶化又会限制森林的结构和功能。总的来说,该指标体系能够较全面地从不同角度、不同深度反映森林生态系统的主要特征、退化状况以及存在的问题,但是也存在一些不足之处。对于退化森林生态系统评价体系的现状与存在的问题,我们今后应在以下几个方面开展深入的研究和探索：(1)构建我国退化森林生态系统评价指标的长期连续观测网络,以便对森林生态系统退化过程的不同阶段进行长期监测、对比和判断；(2)选择更为合适的数学和模型方法对退化森林生态系统的评价指标进行综合的定量评价；(3)加强从生态系统功能和服务的角度对退化森林生态系统评价的研究；(4)将遥感分析与样地调查相结合,从区域尺度上分析退化森林生态系统的空间分布状况及其生态学过程。