人工林生态系统健康评价指标体系研究综述

人工林生态系统健康评价指标体系研究综述

北京林业大学林业专硕2012北京市

摘要：当前国内外森林生态系统健康评价指标体系差异较大，相关理论和方法的侧重点都不同。在国内外生态系统健康评价研究的基础上，着重对森林生态系统的评价方法进行归纳分析。从森林生态系统的稳定性、持续性和生态系统结构、功能的整合性来总结人工林生态系统健康评价标准体系。

关键字：生态系统健康；森林生态系统；人工林；稳定性

生态系统具有为人类提供自然资源和生存环境的服务功能，维护健康的生态系统是实现人类社会经济可持续发展的根本保证[1]。生态系统健康具有双重含义，一是生态系统自身的健康，即生态系统能否维持自身结构、功能与过程的完整；二是生态系统对于评价者而言是否健康，即生态系统服务功能能否满足人类需要，这是人类关注生态系统健康的实质[2]。

森林生态系统是全球陆地生态系统中的一个重要类型和组成部分，其健康评价问题已引起广泛关注。森林健康研究最早出现于20世纪60年代，并已经成为林业的一个新方向[3]。早期森林健康作为森林管理者的一个基本概念，强调的是森林病虫害、森林火灾和干旱等胁迫因子对森林的影响以及如何实施有效的制度等。现代森林生态系统健康的概念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的系统概念[4]。

1.生态系统健康的评价方法研究

目前，国内外已有许多学者开展了生态系统健康评估的研究工作，并根据不同的区域特征、关键影响因子、评估目的和目标制定了相应的评估指标体系。

生态系统健康评价一般包括指示物种法和指标体系法2类方法[1]。指示物种法简便易行，主要依据生态系统的关键种、特有种、指示种、濒危种等的数量、生产力、结构功能指标等来描述生态系统的健康状况。指标体系法则根据生态系统的特征及其服务功能建立指标体系进行定量评价，选取的指标既包括生态系统的结构、功能和过程指标，也可以是社会经济和景观格局、土地利用指标。其中，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，且未考虑社会经济和人类健康因素，难以全面反映生态系统的健康状况，该方法存在严重的不足，尤其不适用于人类活动主导的复杂生态系统的健康评价。而指标体系法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价中。

目前生态系统健康评价采用的具体模型方法则包括综合指标法和模糊综合评价法2类[1]。其中，综合评价法一般通过层次分析法、主成分分析法等确定指标权重，构建综合指数对系统健康状况进行综合定量评判；模糊综合评价法认为生态系统健康与否完全取决于标准值，但由于难以合理界定这些标准值，健康是一个相对概念，因而，可以作为一个模糊问题来处理。该方法一般根据多个因素对评价对象本身存在的性态或隶属上的亦此亦彼性，从数量上对其所属成分给以刻画和描述。两种方法比较而言,综合指标法的优点在于能较好的体现生态系统健康评价的综合性、整体性和层次性,评价过程简单明了，评价结果明确，易于公众感知，而模糊综合评价法则能避免主观判断生态系统健康标准的不确定性，但考虑到综合评价法也可以通过时间序列、空间序列的纵向、横向比较来探讨生态系统健康程度的高低变化，从而也可以避免人为确定生态系统健康标准的不确定性。

2.森林生态系统健康评价模型分析

对森林生态系统健康的研究，一方面，强调森林生态系统健康与森林生态系统服务功能的关系；另外，对森林生态系统的健康状况研究，森林健康胁迫因子、活力、组织、承载能力和恢复能力[7] [8]。目前森林生态系统健康评价主要从活力、组织结构和恢复力3个方面来定义[4]。美国林务局从可操作性入手,将森林健康的评价与森林健康监测和森林资源调查结合提出了指标体系。国内也有许多学者对森林生态系统健康

评价的指标体系进行探讨。这里列出比较典型的三种方法进行归纳分析。

2.1 HI （健康指数法）

目前,生态系统的健康评价主要集中在生态系统活力、组织结构和恢复力或者抵抗力3个指标的研究上。Constanza 等人总结了大量生态系统健康的定义，提出了一个基于系统层次的生态健康指数(Health Index , I )：

R O V HI ??=

式中，V 为活力；O 为自组织结构水平；R 为系统恢复力。

通过应用扩展，得到评价模型[4]：

R w O w V w FEHI 321++=

式中，FEHI 为森林生态系统健康指数，V 为活力；O 为自组织结构水平；R 为系统抵抗力，321w w w 、、分别为R O V 、、的权重，且1321=++w w w 。

指标体系：选择森林NPP （净初级生产力）来反映活力这个测度指标，使用遥感技术方法通过植被的NPP 与叶面积指数（LAI ）的密切关系来估算；用Gleason 多样性指数来表示森林生态系统的组织结构；森林生态系统恢复力和抵抗力一般通过间接的方法来测定，研究区域内森林的病虫害程度或者森林火险等级来度量。

2.2 HD 法（健康距离法）

陈高[9]针对建阔叶红松林生态系统提出我们对森林生态系统健康的理解模式并建立易操作的生态系统健康评估方法。理论前提是健康森林生态系统是一个模式生态系统集，它存在多个有具体状态和结构形态的模式生态系统；每种模式生态系统都是局部小区域上的自稳定系统，并具有对外界压力和干扰的良好自我吸收能力和恢复力。模式生态系统之间可以互相地转化,这种转化应该看成是健康的,因适应自然因素而产生的变化不应该被认为不健康。

每一模式生态系统受到压力和干扰后,其结构和功能必然产生变化,并偏离原来的区域,进而影响到为人类的生态服务。因此,可以通过它与原来健康状态(或目标)的对比来评估这种变化。健康的度量可采用健康损益值—健康距离(HD )来表示，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。

计算公式及说明：

i n i i i i k x A x A x B B A H ?-=∑=1)

()()(),(,就是A 到B 的相对综合的健康距离AB HD 。 假设A 和B 是两个生态系统,n x x x ,......,21是A 与B 的共同特征,为所采用的评价健康的指标；A 到B 的绝对距离为),......2,1)(()(n i x A x B i i =-；评价指标权重为)1......(,......,2121=+++n n k k k k k k 。

指标体系：构建阔叶红松林生态系统健康指标系统.整个框架从自然-经济-社会三个基本方面出发,表明了能够表征阔叶红松林生态系统健康状态表征的各项指标及相关具体度量内容。（1）自然指标包括组织、活力和弹性三种成分,分别从结构和生物多样性、物质流和能量流及生态系统自身对格局和过程的维持力几个角度出发进行评估；（2）经济方面包括价值产出和经济投入两个方面：价值产出用使用价值表示,分为直接使用价值、间接使用价值和潜在使用价值,它们都可以用具体的经济度量法度量。经济投入包括价值投入和管理投入；（3）社会方面是3个主要影响因素之一。它包括人类健康状况、社会化水平和社会环境。

2.3 复合结构功能指标法

鲁绍伟[10]结合北京八达岭林区情况提到一个健康的森林生态系统具有两个属性：一是自然属性,即森林在自然状态下,森林内各生物个体间的协调发展和对生态因子和环境的要求和适应；一是社会属性,即在人为干预下,森林的抵抗和恢复能力。复合结构功能指标法具有4个评价指标筛选原则（可操作性原则、科学性原则、可比性原则、可接受性原则）。

计算公式及说明：

j i ij i W U U ?=∑=i

1

式中i U 为各小班森林健康的评价得分；ij U 为各小班不同指标森林健康的等级得分；j W 为j 指标的权重；i 为各小班；j 为森林生态系统健康评价指标。

指标体系：结合八达岭林分实际情况,本着可操作性、科学性、可比性、可接受性原则,在众多指标中筛选物种多样性、群落层次结构、郁闭度、灌木层盖度、年龄结构、林分蓄积量、病虫危害程度、土壤侵蚀程度8项指标,将八达岭各林分健康等级划分为4个健康等级,并利用GIS 绘制八达岭林区森林健康等级分布图,以此为八达岭林场森林健康经营提供科学的理论依据。

比较分析：健康指数法师比较广泛的评价指标体系，可根据不同的情况、区域进行变换和拓展，但局限性表现在适应大尺度，不适于小尺度的区域评价；HD 法(健康距离法)来衡量森林的健康情况,并构建一套十分庞大的指标体系,虽然指标较全面,但指标过多,数据收集困难；复合结构功能指标法建立指标体系进行评价,但采用的主要是群落结构指标,其它指标考虑较少,很难有效地反映森林生态系统健康的真实状况。

3. 人工林生态系统健康评价指标体系探究

3.1人工林特性

人们针对不同的气候环境和立地条件结合实际需要有目的有计划地营造具有特定功能的林分,如水源涵养林、速生丰产用材林、各种类型的防护林、水土保持林等。[6]不同的人工林对外力异常干扰和环境因子正常波动干扰的反应各异,这主要是由树种自身特性所决定。一般情况下,人工林生态系统是人为建造的系统,树种单一、结构简单而且大面积集中成片、树种自我更新换代难[6]。在单作、景观结构配置不合理、不能做到适地适树、实施人工林后的立地改变、气候改变及忽视检疫等情况下,人工林出现了生物学上的不稳定性,主要表现为抵御异常气候变化能力弱、容易遭病虫攻击和容易产生地力衰退等[11]。综合稳定性定义，人工林的稳定性表现为在特定的空间区域和一定的时间跨度内,以某一个或多个树种为主要生产者的人工林生态系统能够维持一定大小的生产力,并能较为有效地发挥系统各种功能,对不超过生态阈值的干扰(正常的环境波动)具有良好的抵御性能,并在系统受损后具有相当的恢复能力[6]。

3.2人工林生态系统健康评价模型案例——北京市西山林场的生态系统健康快速评价研究

北京市西山试验林场区内植被多为20世纪50—60年代营造的人工林。范敏锐等[5]以北京市西山林场为例,以北京市“十五”森林资源二类清查数据为数据来源，研究方法采用复合结构功能指标法，理论前提是生态系统的稳定性、可持续性和完整性是生态系统健康的基础,也是森林生态系统健康评价的标准。本着导向性、可测性、简便性的原则从生态系统的稳定性、可持续性、完整性3个方面选取评价指标，建立评价指标体系。完整性指标选取群落结构、植被总盖度、林分郁闭度、建群种比率；稳定性指标选取土壤侵蚀等级、森林火险等级指标；可持续性指标选取土壤厚度、近自然度指标。应用以下模型对北京西山林场进行森林生态系统健康评价:

j j ij i W Q S ?=∑=n

1

式中：i ——小斑号；j ——森林健康评价指标；n ——评价指标个数；i S ——第i 号小斑森林健康评价得分；ij Q ——第i 号小斑第j 个指标森林健康等级得分；j W ——第j 个指标权重。

指标体系：结合层次分析法定性、定量分析相关指标。定性指标：群落结构指标、土壤侵蚀等级指标、森林火险等级指标、近自然度指标；定量指标：植被总盖度指标、林分郁闭度指标、建群种比率指标、土壤厚度指标。权重的确定无法用数学解析方法直接推求。作者征询了来自北京林业大学、中国林科院、北京市园林绿化局、西山林场等单位近15位专家的意见。在参考专家意见的基础上,采用层次分析法(analytical hierarchy process ,AHP )来推算各个指标的权重。

该案例通过运用森林资源二类清查数据建立森林生态系统健康快速评价体系。指标均可从森林资源二类清查数据中直接或者通过简单的计算获取，将所选指标分为定性指标和定量指标,逐个分析并确定其隶属等级，简化了计算程序。通过所建立的指标体系可对较大范围的森林生态系统健康状况进行快速评价。存在的不足时没有考虑森林病虫害这个指标，无法反映出森林抵抗力这个重要指标。

4. 结论

历来,森林生态系统健康评价的研究主要集中于天然林生态系统,对于人工林生态系统健康评价的研究文献较少。但天然林的生态系统健康指数高，人工林特别是纯林的健康指数较低，更应该把研究的对象放在人工林上。同时，随着人类社会的不断向前发展,天然林不断减少,而今出现在人们生存空间周围的森林更多的是人工林[6]，人为干扰应作为一个重要指标来研究人工林的健康评价。在已有的森林生态系统健康评价指标体系中，个别的模型指标过多，过杂，特别是有些指标实际操作性太差，难以获取评价数据或评价难度较大。需要制定统一和标准的森林健康评价指标，每个指标的阈值可因地域、经营目标、森林类型各异。

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