西宁市油松人工林健康评价分析

谷鑫鑫，高云鹤，司剑华

(青海大学农牧学院，青海 西宁 810016)

森林生态健康的概念是由德国科学家在20世纪70年代提出[1].随后，对于森林健康，其他国家也分别采用了相应措施：美国于1930年建立了FIA(forest inventory and analysis)工程，并且从20世纪90年代起，开展了森林健康的监测体系(forest health monitoring,FHM)工程[2]；德国由于酸雨的原因，对森林的健康状态进行了监测、分析[3]；欧洲其他国家的森林健康监测体系是基于德国的监测体系发展而来，且更偏重地面监测[4].

我国对森林健康的研究起步较晚，一直以来，我国对森林的管理主要针对病虫害和森林火灾.21世纪初才开始森林健康评价[5]，多以森林生态系统的自身属性或特征来构建评价指标体[6-7]，且从多尺度上展开评价过程[8-9].国内经过多年研究，目前已有多种评价方法[10-11]，其中指示物种法[12-13]、健康距离法[14]、个体评价法[15]、模糊综合评价法[16-17]、主成分分析法[18]等较为常见.而有关油松人工林健康的评价多体现在内蒙古[19-21]、陕西[4]等地区，青海省仅涉及到低效林的评价体系构建[22]及朱柱等[23]对青海云杉林、华北落叶松林、白桦林、青海云杉-华北落叶松混交林以及青海云杉-白桦混交林5种林分的评价研究.

油松(Pinustabulaeformis)为松科(Pinaceae)松属(PinusLinn)针叶常绿乔木，阳性树种，具有较好的药用、观赏和工业价值，是中国特有树种，在我国种植面积广泛.油松作为西宁市南北两山主要造林树种，种植面积大，但由于立地条件以及后期抚育管理不当等原因，致使西宁市油松人工林状况参差不齐.本试验以西宁市南北山树龄20～30 a油松人工林为试验对象，对油松进行以实地调查为基础的健康评价研究，希望能通过试验结果客观反映西宁市南北山油松人工林的健康状况，从而为西宁市及周边地区选择适宜种植油松的立地条件以及为人工林的健康经营提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于青海省西宁市，西宁市区海拔2 261 m，地理坐标E 101°49′～46′、N 36°36′～38′，位于青藏高原东北部，属于大陆性高原半干旱气候.西宁市年平均降水量380 mm，蒸发量1 363.6 mm，年平均日照为1 939.7 h，年平均气温7.6 ℃，最高气温34.6 ℃，最低气温-18.9 ℃.研究区土壤类型以栗钙土为主，植被类型较为丰富，主要树种有油松(Pinustabulaeformis)、青杨(Populuscathayana)、青海云杉(Piceacrassifolia)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、柽柳(Tamarixchinensis)、河北杨(Populushopeiensis)、柠条(CaraganaKorshinskii)等，草本植物以菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)、豆科(Leguminosae sp.)、蔷薇科(Rosaceae)植被为主.

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 参照国内外有关的森林健康评价的理论，结合西宁市南北山油松人工林的实际情况，初步选定树高年生长量、胸径年生长量、冠幅、腐殖质厚度、枯落物厚度、病虫害危害程度、草本盖度、郁闭度、林分密度、森林火险等级、人为因子(干扰)等11个评价指标.首先运用极差归一法[21]对指标进行无量纲化处理，用主成分分析法筛选评价指标；其次通过均方差分析法确定出各评价指标的权重；再次应用Costanza等[24]提出的健康度指标(HI)进行健康指数的计算，并运用正态等距分析法得到健康等级的划分标准；最终得出西宁市油松人工林健康评价结果.

1.2.2 调查方法 1) 外业时间 2017年11月～2018年1月进行标准地的设置，2018年3月3日～20日进行树高胸径的第1次测定，2018年7月、8月进行病虫害危害程度的调查；2018年10月2日～10月12日进行树高胸径的第2次测定以及其他指标的测定.

2) 标准地的设置 2018年2月，在西宁市南北山各油松混交林中进行标准地的设置，使用罗盘仪定向，用皮尺沿着定好的方向测量出20 m的距离，此为标准地的一条边，以此类推得到面积为20 m×20 m的标准地共60个，对样地内的乔木、灌木等木本植物进行每木调查.在各标准地周边中心的位置设4个1 m×1 m的草本样方，在样地中心设置1个1 m×1 m的土壤取样点.将西宁市南北山不同坡向、坡位、坡度、海拔等立地因子以及不同生长状况的树龄20～30 a油松人工林涵盖在内，各标准地的基本信息见表1.

3) 生产力指标的测量 使用勃鲁莱测高器进行树高的测量，使用轮尺进行胸径的测量；使用树冠投影测定方法进行冠幅的测定，正午时树冠投影近似为一个椭圆，椭圆的长轴即为冠幅，用皮尺测量即可得出冠幅大小.

表1 标准地基本信息

西山林场标准地为1～14号；湟水林场标准地为15～28号；青海浅山造林试验站标准地为29～37号；北山林场标准地为38～48号；塔尔山林场标准地为49～54号；纳家山林场标准地为55～60号.

Xishan forest farm No.1～14；Huangshui forest farm No.15～25；Qinghai Qianshan forst station No.29～37；Beishan forest farm No.38～48；Taershan forest farm No.49～54；Najiashan forest farm No.55～60.

4) 土壤指标的调查 在标准地的中心部位挖制深度为20 cm的土壤剖面进行调查，且用卷尺测出枯落物厚度、腐殖质厚度.

5) 组织结构的调查 使用测线法进行郁闭度的测量.即标准地的两条对角线上投影的长度与对角线的总长度的比值为郁闭度的大小；记录每个标准地内油松的数量，单位面积上油松的数量即为油松的林分密度；草本盖度：草样方内草本植物垂直投影覆盖面积与草样方面积的比.在草样方内调查草本植物的垂直投影，即可求出每个草样方的草本盖度，标准地的草本盖度即为4个草样方的草本盖度的平均值.

6) 抗逆性的调查 病虫害危害程度调查：仔细检查油松病虫害情况，记录株数，计算出病虫害株数与标准地内油松总株数的比值；森林火险等级的划分：本试验对调查标准地进行可燃物种类，易燃程度进行实地勘察，在参考沈泉林[25]的划分标准的同时，结合西宁南北山的实际情况，将火的干扰强度按从轻到重共分为 4个等级：无干扰、轻度干扰、中度干扰、重度干扰，并分别赋值为4、3、2、1.人为因子：人为因子主要是指人们的经营活动如采摘、砍伐、放牧等行为对林木生长造成影响.在参考徐梅[26]研究结果的研究基础上，结合西宁市南北山实际情况，将人为因子等级进行详细描述并划分，主要分为4个等级：有益干扰、轻度干扰、中度干扰、重度干扰，分别赋值为4、3、2、1.

表2 森林火险等级划分表

表3 人为因子等级划分表

1.2.3 分析方法 对西宁市油松人工林进行健康评价分析，首先需要对测得的数据进行无量纲化处理.本试验采用极差归一法对原始数据进行标准化处理，然后运用主成分分析法对指标进行筛选，再通过均方差分析确定指标的权重，最后通过健康度指标(HI)法，计算出各样地的健康指数，用正态等距划分法，进行健康等级的划分，得出各标准地的健康评价，最终得到西宁市油松人工林的健康评价.

极差归一法：

式中，Hij′为标准化后值；Hij为实际测量值；Hijmin样本观测值中最小值；Hijmax为样本观测值中最大值.

均方差分析法：该方法反映随机变量离散的程度大小，最关键的指标就是随机变量的均方差.

各指标的平均值：

各指标的均方差：

各指标的权重系数：

式中，Wi为各指标权重系数，Si为各指标均方差，i为某一评价指标.

健康度指标(HI)：参考Costanza等提出的健康度指标(HI)构建评价模型：

式中，HI为生态系统健康指数，WCi为各指标权重，YCi为各指标的标准化值.

1.3 数据处理

采用 Excel软件对调查得到的数据进行统计分析和绘制图表，通过 SPSS软件进行数据分析处理.

2 结果与分析

2.1 森林健康评价指标的筛选

本试验选取了冠幅、郁闭度等11个指标进行健康评价，指标与指标之间信息上的重叠是难以避免的，而评价指标的筛选可以减少试验过程的复杂性以及指标间信息的重叠性，因此选用主成分分析法对评价指标进行筛选.

2.1.1 KMO和Bartlett的检验 KMO和Bartlett的检验主要是为了检验多个指标是否具有正态性以及是否可以做主成分分析.数理统计中，KMO>0.6且Bartlett的球形度检验的显著性P<0.05，可证明数据之间具有关联且具有正态性，检验结果见表4.

由表4可知，KMO为0.623>0.6，并且Bartlett的球形度检验的显著性P=0.000<0.05，表示试验选取的11个指标具有正态性，且11个指标之间存在很大的关联，试验数据可以用主成分分析法进行分析.

2.1.2 主成分分析

2.1.2.1 解释的总方差 解释的总方差是SPSS软件对原有的指标进行的一个公因子的提取，提取的公因子的累积方差为多少，即代表所提取的公因子代表了原来所有指标信息量的多少，解释的总方差结果见表5.

由表5可知，本试验共提取了4个主成分，其中，第二列的值为各指标因子的统计值，第三列的值为各指标因子特征值与全体特征值总和之比的百分比，第四列为指标因子累计百分比，也称为指标因子累计贡献率.其中，成分1的特征值为4.016，成分2的特征值为2.759，成分3的特征值为1.171，成分4的特征值为1.027，成分5、6、7、8、9、10、11的特征值在1以下.成分1的贡献率为36.510%，成分2的贡献率为25.085%，成分3的贡献率为10.647%，成分4的贡献率为9.335%，前4个成分的贡献率累积达到81.577%>80%，即前4个成分包含了预设指标信息中的绝大多数信息，因此，取前4个成分作为西宁市油松人工林健康评价的主要成分.

表4 KMO和 Bartlett的检验

表5 解释的总方差

2.1.2.2 成分矩阵 旋转后的成分矩阵见表6，从表6中可以清楚的看出每个指标因子到底归属于哪个因子(一般的可以将绝对值大于0.4的认为是显著的变量).

表6 旋转成分矩阵

由表6可知，第一主成分包括枯落物厚度、腐殖质厚度、林分密度、郁闭度、火险等级，第二主成分包括树高年生长量、胸径年生长量、病虫害危害程度，第三主成分包括冠幅、草本盖度，第四主成分是人为因子.

综上可知，森林是一个复杂的系统，其健康不仅仅是单凭一两个成分影响的，而是由多个因素互相联系、互相影响、共同作用的结果，并且本次试验所选取的指标在信息上并没有过大的重叠，故本次试验未舍弃任何评价指标.

2.2 评价指标权重的确定

将无量纲化后的数据代入平均值公式、各指标均方差公式、指标权重公式中[15]，所得各指标平均值、均方差、权重系数结果见表7.

表7 各指标权重的确定

由表7可知，在11个评价指标中，人为因子权重为0.139 1，相较其他指标而言较大，树高年生长量权重为0.067 3，相较其他指标而言较小.

2.3 油松人工林健康指数的计算

2.3.1 标准地健康指数的计算 将各指标权重值、无量纲化值代入HI公式中，所得各标准地健康指数见表8.

2.3.2 健康等级的划分 运用正态等距分析法将上表60个健康指数划分为健康、亚健康、中健康、不健康4个等级.健康等级取值见表9.

表8 各标准地健康指数

表9 健康等级取值范围

2.4 西宁市油松人工林健康评价结果

2.4.1 各标准地的评价结果 根据表8和表9可以得到各标准地的健康评价等级，健康评价等级见表10.由表10可知，60块标准地中，有11块标准地为不健康，有19块标准地为中健康，有21块标准地为亚健康，有9块标准地为健康，多数标准地处于亚健康与中健康的健康等级.

表10 各标准地健康评价等级

续表10 Continuedtable10标准地号Standardnumber健康指数Healthindex健康等级Healthlevel标准地号Standardnumber健康指数Healthindex健康等级Healthlevel40.42中健康Moderatehealth340.55亚健康Sub-health50.36中健康Moderatehealth350.62健康Health60.58健康Health360.57健康Health70.61健康Health370.37中健康Moderatehealth80.53亚健康Sub-health380.47亚健康Sub-health90.61健康Health390.39中健康Moderatehealth100.49亚健康Sub-health400.36中健康Moderatehealth110.51亚健康Sub-health410.42中健康Moderatehealth120.61健康Health420.48亚健康Sub-health130.47亚健康Sub-health430.30不健康Unhealth140.49亚健康Sub-health440.40中健康Moderatehealth150.50亚健康Sub-health450.40中健康Moderatehealth160.49亚健康Sub-health460.41中健康Moderatehealth170.52亚健康Sub-health470.33不健康Unhealth180.53亚健康Sub-health480.27不健康Unhealth190.55亚健康Sub-health490.36中健康Moderatehealth200.42中健康Moderatehealth500.25不健康Unhealth210.51亚健康Sub-health510.31不健康Unhealth220.50亚健康Sub-health520.34不健康Unhealth230.52亚健康Sub-health530.39中健康Moderatehealth240.52亚健康Sub-health540.34不健康Unhealth250.58健康Health550.29不健康Unhealth260.42中健康Moderatehealth560.40中健康Moderatehealth270.44中健康Moderatehealth570.39中健康Moderatehealth280.48亚健康580.42中健康Moderatehealth290.51亚健康Sub-health590.28不健康Unhealth300.56亚健康Sub-health600.31不健康Unhealth

2.4.2 林场标准地健康等级统计 根据表1、表9以及表10，统计各林场的标准地健康等级，结果见表11.由表11可知，西山林场共设置标准地14块，其中，4块标准地为健康，5块标准地为亚健康，4块标准地为中健康，1块标准地为不健康.湟水林场共设置标准地14块，其中1块标准地为健康，10块标准地为亚健康，3块标准地为中健康.青海省浅山造林试验站共设置标准地8块，其中，4块标准地为健康，4块标准地为亚健康.北山林场共设置标准地11块，其中2块标准地为亚健康，7块标准地为中健康，2块标准地为不健康.塔尔山林场共设置标准地7块，其中2块标准地为中健康，5块标准地为不健康.纳家山林场共设置标准地6块，其中3块标准地为中健康，3块标准地为不健康.

表11 各林场健康等级标准地数

2.4.3 西宁市油松人工林健康评价 通过统计表10的各标准地健康等级，得到图1的结果.

由图1可知，健康人工林占15%，亚健康人工林占35%，中健康人工林占31.67%，不健康人工林占18.33%.按照隶属度最大原则，西宁市南北山油松人工林的健康等级为亚健康.

图1 西宁市油松人工林健康评价结果

3 讨论

纵观众多试验案例，评价体指标体系有几十种，评价指标达到上百种，但没有一个通用的评价体系.本文以前人[22-23]选取的评价指标为基础，结合西宁市油松的生长现状选取具有代表性的指标仅有11个.因此，随着西宁市南北山林木的生长发育以及植被的恢复，今后的研究应该纳入更多的评价指标，进行更全面、更准确的评价.设置标准地时，在涵盖各种立地因素以及研究对象的不同生长状况的基础上，尽量增加标准地的数量，以增强试验的严谨性.

本文对人为干扰程度、火险系数等2个定性指标进行描述赋值，将指标根据好坏分为若干个等级，在定量过程中，由于调查者经验不同，可能会存在一定的差异.而且对比郭艳荣[21]用植物组成、郁闭度、坡向、坡度、海拔、树木平均枝下高等子指标确定火险等级的方法，本文的火险系数的定量过程相对直接、简单.

森林健康评价等级的划分也没有统一标准，多数是3～6个等级，本文将油松人工林的健康状况划分成4个等级，与沈泉林[25]和朱宇[27]的划分标准一致.

本文的评价结果显示，目前西宁市20～30 a龄油松人工林处于亚健康状态.从评价的过程分析得到这种结果的原因可能是：用极差归一法对指标进行无量纲化处理，使指标的取值保持在0～1的范围内，有可能改变了指标的重要度；在确定评价指标的权重时仅使用了均方差法，该方法是通过数学计算过程得到权重，与刘金良[24]应用方差法、Delphi-AHP法和层次分析3种方法确定指标权重的方法相比较，结果过于客观.从油松林分的实际情况分析，不健康的林分主要表现出密度过大、配置不合理、缺乏抚育措施等特征.根据评价结果，建议优化林分结构，建立西宁市森林健康监测与评价技术体系，建立西宁市油松人工林健康经营技术标准，推广健康经营模式，重视森林健康理念的宣传，强化相关领域及部门的合作，全面提高森林健康等级，实现森林可持续发展.

4 结论

1) 西宁市南北山20～30 a油松人工林各评价指标的权重为：年高生长量为0.0673、年径生长量为0.0713、冠幅为0.094、枯落物厚度为0.0847、腐殖质厚度为0.072、病虫害危害程度为0.0951、林分密度为0.0887、郁闭度为0.1011、草本盖度为0.081、火险等级为0.1053、人为因子为0.1391.

2) 西宁市南北山20～30 a油松人工林健康评价等级分为4级，等级范围为健康[0.565,0.67]、亚健康[0.460,0.564]、中健康[0.355,0.459]、不健康[0.25,0.354].

3) 西宁市南北山20～30 a油松人工林健康评价结果为：健康人工林占15%；亚健康人工林占35%;中健康人工林占31.67%；不健康人工林占18.33%.按照隶属度最大原则，西宁市南北山油松人工林的健康等级为亚健康.