大兴安岭盘古林场森林健康评价与分析

姜孟竹，刘兆刚，李 元

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

大兴安岭盘古林场森林健康评价与分析

姜孟竹，刘兆刚，李 元

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

以2008年盘古林场森林资源规划设计调查资料、2011年固定样地调查资料以及盘古林场小班尺度森林健康评价结果为数据源来评价景观尺度森林健康，以地类、起源及树种组成作为森林景观区划因子对盘古林场森林景观类型进行划分，从景观结构与格局、景观功能与过程两个方面选取了小班健康指数、分形维数及景观多样性指数3个评价指标，以均方差决策综合分析方法作为指标权重的确定方法，以景观健康指数公式为评价模型对盘古林场森林景观进行健康评价。结果表明：（1）盘古林场主要划分为天然白桦纯林、天然落叶松纯林、天然樟子松纯林、天然云杉纯林、天然山杨纯林、天然针叶混交林、天然阔叶混交林、天然针阔混交林、人工落叶松纯林和人工针阔混交林10种森林景观类型。（2）盘古林场没有健康的森林景观，亚健康森林景观有3种，占林场总面积的78.51%；中健康森林景观类型有4种，占林场总面积的21.03%；不健康森林景观有1种，占林场总面积的0.32%；盘古林场森林健康指数得分总体偏低，多数景观处于亚健康及中健康状况。（3）健康指数得分情况大体为南高北低；在天然林中落叶松林得分最高，针叶混交林其次，而阔叶混交林得分偏低；2种人工林类型得分最低。

森林健康；景观多样性；分形维数；景观格局；大兴安岭

健康的森林是指森林的功能既要能够对外界的压力如干旱、病虫害、火灾具有一定的抵抗能力，同时又能满足人类社会所要求的具有涵养水源、提供木材和野生动物栖息环境、自我更新以及其他多样化需求[1]。景观是人类社会经济活动作用的主要层次，景观的健康状况反映出其生态服务功能的大小，直接关系到区域的可持续发展；而这种功能的变化往往是潜在的、渐变的，需要一种基于过程的全新管理方法，这便是景观健康[2]。盘古林场所隶属的塔河林业局，是大兴安岭北部地区以往森林经营的典型代表，在该地区开展大兴安岭天然落叶松林健康经营技术的研究是为在整个大兴安岭北部地区开展森林健康经营、进行投资估算和示范推广作基础，而森林健康评价是进行森林健康经营的首要步骤。因此，该项研究对保护我国唯一的寒温带明亮针叶林森林资源和大兴安岭地区的生态环境具有重要意义[3]。

森林健康的概念最早于20世纪70年代末由德国提出，美国、加拿大和澳大利亚也相继开始关注森林健康问题[4-7]，这些国家在很大程度上代表着目前该研究领域的先进水平。我国森林资源丰富，且类型多样复杂，但关于森林健康的研究却较晚，主要开始于2001年中美森林健康合作[8-9]。国内外对森林健康的评价主要从单木[10]、林分[11-16]、景观[2,17]及区域[18-19]4个尺度展开，评价方法也不尽相同[20-22]。在这些研究中以林分尺度的研究最为广泛，美国Costanza等[6]从生态系统尺度出发，在1992提出以系统活力、组织力和恢复力为评价指标，该指标为森林生态系统健康评价提供了理论依据。1995年Rappor与Costanza等[11]进一步将生态系统健康的评价标准扩大为8个方面，包括活力、组织结构、恢复力、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康影响等。尺度问题是研究森林景观的关键问题，也是基础性问题[21]，普遍认为景观尺度是进行区域生态规划和管理的最佳尺度，但景观尺度的研究相对较少，谢春华[2]以遥感影像为基础，通过目视解译法对森林景观进行分类，从森林景观格局、生态过程和生态功能3个方面，建立了包括景观的组织能力、活力、生产能力和调节能力等在内的指标体系，具体包括斑块数量、丰富度、联接度、植被类型等近40个指标。耿绍波等[23]以研究地区遥感影像、地形图和实地调查资料为基础，选用斑块平均面积、斑块边缘密度、周长-面积分维数、邻近度、最大斑块面积、最近距离指数和聚集度指数7个指标进行森林景观健康的评价。但他们都是从单一的景观尺度展开的评价，构建的指标体系也多采用关于景观结构与格局方面的指标，而实际上景观的功能与过程也是尤为重要的。本研究将朱宇[24]对该地区林分尺度的森林健康评价结果作为景观的功能与过程方面的一个指标，结合景观结构与格局方面的指标综合评价景观尺度森林健康，这种做法有效地提高了评价结果的准确性和全面性，同时从生态学的角度系统研究盘古地区森林景观健康现状、成因与发展趋势，为从较大尺度上有针对性地制定森林资源管理策略，促进区域可持续发展提供理论依据。

1 研究地区概况与研究方法

1.1 研究区域概况

大兴安岭地区地势西高东低，岭内海拔300～700 m，平均海拔573 m。盘古林场始建于1969年，地理坐标为 52°41′57.1″ N， 123°51′56.5″ E，施业区面积152 127 hm2。盘古河为辖区内第一大河，主河道长127 km，共有23条支流，流域面积为3 875 km2。盘古气候类型属于大陆性季风气候，其特点是冬季寒冷干燥，夏季温暖多雨，气温低，温差大，生长期短。年平均气温-3 ℃，最高气温36 ℃，最低气温-53 ℃，无霜期为90～110 d，年降水量300～450 mm，相对湿度70%～75%，林内积雪深达30～50 cm，年均光照总时数为2 600 h。林场辖区内森林覆盖率为88.86%，主要树种有落叶松Larix gmelinii、樟子松Pinus sylvestris var. mongolica、白桦 Betula platyphylla、 山 杨 Populus davidiana、 红皮云杉Picea koraiensis、鱼鳞云杉Picea jezoensis等；灌木树种有兴安杜鹃Rhodendron dauricum、胡枝子Lespedeza bicolor、红瑞木Cornus alba和杜香Ledum palustre等。

1.2 数据来源

收集的数据主要包括：研究区2008年森林资源规划设计调查数据、1∶50 000比例尺林相图、2011年固定样地调查资料及盘古林场小班尺度森林健康评价结果。2013年朱宇从小班尺度建立了评价指标体系，对盘古林场的每个小班进行了健康评价[24]（见表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 盘古林场森林景观区划

根据森林景观区划的原则和盘古林场森林景观特点，本研究确定地类、起源和树种组成作为主要的区划因子。地类是根据土地的覆盖和利用状况综合划定的类型，参考国家林业局制定的《森林资源规划设计调查主要技术规定》及研究区的实际土地利用情况将盘古林场划分为森林和其它2个一级分类，其中疏林地、灌木林地、未成林造林地和苗圃地面积较小，其对于从景观尺度上评价盘古林场的健康状况产生的影响不是特别明显，故将其划入其它土地类型，并且不对其健康问题进行深入的研究。再根据起源及树种组成对森林划分二级景观类型，起源分为天然林和人工林两类，树种组成是指组成林分的各树种所占的比重，当某一个树种（组）蓄积量占总蓄积量的65%以上时为纯林，当任何一个树种（组）蓄积量占总蓄积量不到65%时为混交林，该结果作为本研究评价的基本单位。

表1 盘古林场小班尺度森林健康评价结果Table 1 Forest health assessment of stands in Pangu Forest Farm with sub-compartment as the scale

1.3.2 构建评价指标体系

结构与功能、格局和过程之间的联系与反馈一直都是景观生态学研究的基本命题[25-28]。因此本文从结构与格局、功能与过程两个方面来建立盘古林场森林景观健康评价的指标体系。首先采用全面统计法，将森林资源规划设计调查数据库上的所有信息转化为具体指标；然后，利用归类法对上述指标进行归类，将具有相同内涵的指标进行合并；最后，对所有指标作相关性检验，当两个（或多个）指标间的相关系数大于0.8时，认为指标间存在线性关系，应对指标进行调整，调整后的指标体系见表2。

表2 森林景观健康评价指标体系Table 2 Assessment indexes of forest landscape health

(1)分形维数

分形维数反映的是景观边界的褶皱程度，它是景观格局研究的一个重要方面，因为不同景观类型褶皱程度的差异可以导致许多相关生态学过程的差异，如影响边缘物种的分布、斑块边界的能流、物流交换等。该指标可用Fragstats 3.3计算。

(2)景观多样性指数

景观多样性(Diversity)指数的大小反映景观类型的多少和各景观类型所占比例的变化。当景观是由单一类型构成时，景观是均质的，其多样性指数为0；由两个以上类型构成的景观，当各景观类型所占比例相等时，其景观的多样性指数最高；各景观类型所占比例差别增大，则景观的多样性下降。其计算公式为：

式中：H为景观多样性指数；Pi为各类型斑块体的景观比例，分为面积比、周长比、斑块数比；m为斑块类型数。

(3)景观优势度指数

景观优势度(Dominance)指标用于描述景观多样性对最大可能多样性(Hmax)的偏离程度，计算式为：

当H=Hmax时，D0值为0；D0值大，表示景观只受一个或少数几个景观要素类型所支配；而D0值小，则表示景观由多个面积相近的斑块体类型所组成。

(4)景观均匀度指数

景观均匀度(Evenness)指数描述景观中各组分的分配均匀程度，其值越大，表明景观各组成成分分配越均匀。计算公式为：

式中：m为景观类型个数；Hmax为给定丰富度条件下景观最大可能均匀度。

(5)小班健康指数

由小班健康评价结果可得出每类景观中小班所占各健康等级的比例，将其看作各景观类型中小班隶属于各等级健康的隶属度。按照森林景观内各小班的面积占整个景观面积的百分比作为权重，将景观内各小班的健康状况作加权平均，最后计算出该景观的健康情况，这样的统计结果相对比较客观，而且它包含了景观类型功能和过程的大量信息。计算公式如下：

式中：Yi为景观中第i个小班的健康指数；Si为第i个小班的面积；S为该景观类型的总面积；n为该景观的小班个数。

其中小班健康评价体系[21]包括以下指标。

完整性指标：下木覆盖度、群落结构、每公顷蓄积、单木健康。

稳定性指标：林火等级（由坡度、坡向、郁闭度、海拔和龄组5项亚指标共同决定）、土壤侵蚀度、病虫害程度。

可持续性指标：土壤厚度、枯枝层厚度、腐殖质层厚度、地位级、近自然度。

1.3.3 指标权重的确定方法

指标权重的确定有多种方法[29-30]，本文中采用较为常用的均方差决策综合分析方法。具体步骤如下：

(1)无量纲化

Cji=(C′ji/Fj)×100%。 （7）

式中：Cji为指标Cj的样本无量纲值；C′ji为指标Cj的样本实际值；Fj为各指标的基准值，基准值可以是该描述指标实际值中最大值或最小值，也可以用该指标各实际值的平均数。

(2)计算平均值

式中：E(Cj)为各指标的平均值；Cji为指标Cj的样本无量纲值；n为样本数目。

(3)计算各指标的均方差

式中：S(Cj)为各指标的均方差；E(Cj)为各指标的平均值；Cji为指标Cj的样本无量纲值；n为样本数目。

(4)计算各指标的权重系数

式中：W(Cj)为各指标的权重系数；S(Cj)为各指标的均方差；p为指标个数。

(5)计算各准则层的权重系数

式中：W(Bk)为各准则的权重系数；S(Bk)为各准则的均方差，即各准则内各指标均方差之和；q为准则个数。

1.3.4 评价模型

对数据进行无量纲处理后，将最终确定的所有评价指标进行加权计算，建立综合评价模型，表达式为：

式中：ILH为景观健康指数(Landscape Health Index)；n为评价指标的个数；Uij为各景观类型不同指标森林健康的等级得分；Wj为指标的权重。

1.3.5 景观健康等级标准

采用常用的等距划分法（Equal Interval）对各景观层进行健康等级划分，结果见表3。

表3 景观健康等级标准Table 3 Grade standards of landscape health level

1.3.6 趋势分析

应用ArcGIS 9.3中的地统计分析模块对评价结果进行趋势分析。趋势分析工具将平面上的样本点转化为以属性值为高度的三维视图，可使用户从不同视角分析样本数据集的全局趋势。趋势分析图中的每一根竖棒代表了每个数据点的值（高度）和位置，这些点被投影到一个东西向和一个南北向的正交平面上，通过投影点可以做出一条最佳拟合线，并用它们来模拟特定方向上存在的趋势[31]，从而大致反映健康指数空间分布的变化情况。使用趋势分析工具来分析样本点数据的走向，可以使后续的表面拟合更加客观，拟合结果具有更大的可信度。

2 结果与分析

2.1 森林景观区划

2.1.1 一级森林景观区划

盘古林场的森林面积为119 175 hm2，占林场总面积的96.66%，为该地区的主导类型；而其它土地类型的面积仅为4 118 hm2，占林场总面积的3.34%（见表4）。

表4 盘古林场一级森林景观类型区划结果Table 4 Division results of first class forest landscapes types for Pangu Forest Farm

2.1.2 二级森林景观区划

进一步根据起源及树种组成对盘古林场划分二级森林景观类型，得到10种景观类型（见表5，图1）。其中天然落叶松纯林面积最大，为47 842 hm2，占林场总面积的42.69%，是该区的优势景观类型；针叶林面积为80 846 hm2，占林场总面积的72.14%；而阔叶林面积为15 868 hm2，占林场总面积的14.16%；针阔混交林面积为15 351 hm2，占林场总面积的13.69%。可见该区主要由针叶树种构成，应是考虑到针叶树种的抗寒性能更好地适应大兴安岭地区的气候特点。从树种多样性来看，该区树种单一，天然落叶松和天然白桦2种纯林占据了林场面积的55.29%，而其它树种不仅种类少且占有较小的面积，造成景观类型结构简单，稳定性差。考虑到天然山杨纯林、天然云杉纯林2类景观类型的面积较小，研究其景观尺度的健康状况意义不大，因此在后面的研究中将不对其加以评价。

表5 盘古林场二级森林景观类型区划结果Table 5 Division results of second class forest landscapes types for Pangu Forest Farm

图1 盘古林场二级森林景观类型区划Fig. 1 Division of second class forest landscape types for Pangu Forest Farm

2.2 森林健康指数计算结果

根据1.3中描述的方法计算指标值及各指标的权重系数（见表6、7），对指标进行相关性检验，去除具有线性关系且相对不重要的2个指标中的一个，保留景观多样性、分形维数及小班健康指数3个指标。

表6 各指标权重系数Table 6 weights of indicators

表7 指标及健康指数值Table 7 Results of indicators and landscape health index

2.3 森林景观健康现状分析

由图2可知，盘古林场没有健康的森林景观，亚健康森林景观有3种：天然落叶松纯林、天然针叶混交林、天然针阔混交林，面积为87 977 hm2，占林场总面积的78.51%。中健康森林景观类型有4种：天然白桦纯林、天然樟子松纯林、天然阔叶混交林、人工落叶松纯林，面积为23 566 hm2，占林场总面积的21.03%。不健康森林景观1种：人工针阔混交林，面积为363 hm2，占林场总面积的0.32%。从总体上看：

（1）盘古林场的健康指数得分偏低，其主要原因可能是大兴安岭林区由于森林过量采伐，森林资源消耗严重，加之森林火灾的影响，导致森林质量恶化。同时，由于受地理气候条件的影响，森林资源恢复和发展又相对缓慢，且盘古林场的组成树种较为单一，天然落叶松及天然白桦2种纯林占整个林场面积的一半以上，导致林木对相同的营养物质竞争激烈，林木生长空间和营养空间利用率低，稳定性差，抵抗自然灾害的能力下降。

图2 盘古林场森林景观健康分布Fig. 2 Distribution of landscape health gradation in Pangu Forest Farm

图3 景观健康指数趋势分析Fig. 3 Trend analysis of landscape health index

（2）通过对景观健康指数的趋势分析（见图3）可以看到，投影到南北方向上的趋势线，由北向南呈现出明显的上升现象。可以得知，林场南部具有较好的健康状况，北部的中健康及不健康状况明显。其主要原因可能有以下几点：第一，盘古林场北部毗邻“大兴安岭5·6特大森林火灾”最为严重的受灾地区之一的漠河县，导致其受火灾影响较大。第二，林场北部有大面积的幼龄林地，在火灾损毁了大片林地之后，天然更新及人工补植后生存下来的林木还没有达到郁闭，生态系统内部也没有达到平衡。第三，林场北部有一条东西走向的铁路，沿铁路两侧的森林长期受到有害气体的污染。第四，盘古镇居民集中居住在林场北部，人口密集，森林受到了人为活动的干扰。

（3）在天然林中落叶松纯林得分最高，符合其作为该研究区域的优势景观要素类型的特点；针叶混交林次之，而阔叶混交林得分偏低。大兴安岭地处中国最北端，气候寒冷，而针叶树种多数具有较好的抗寒性，在低温条件下其适应性比阔叶树种更强；2种人工林类型得分最低，在一定程度上反映出人工林相对于天然林会具有较差的健康状况。

3 结 论

本研究将前人对相同研究区林分尺度的森林健康评价结果应用于景观指标的计算，结合景观多样性、分形维数构建了景观尺度的森林健康评价指标体系，实现了两个尺度间的耦合，使评价结果更加全面、准确。用均方差综合决策法计算各指标的权重系数，该方法作为一种客观赋权法，计算出的指标权重值由指标本身的变异程度大小决定，克服了以往采用层次分析法等主观赋权法时权重值可能存在人为主观性影响过强的缺陷，使评价指标权重更客观合理。最后通过计算健康指数得分的方法得到大兴安岭盘古林场各森林景观类型所隶属的健康等级，主要研究结果如下：

（1）盘古林场没有健康的森林景观，亚健康森林景观有3种，面积为87 977 hm2，占林场总面积的78.51%；中健康森林景观类型有4种，面积为23 566 hm2，占林场总面积的21.03%；不健康森林景观1种，面积为363 hm2，占林场总面积的0.32%。

（2）盘古林场总体的健康状况较差，且林场南部的健康状况要好于北部；天然落叶松纯林健康得分最高，而2种人工林类型得分最低，在一定程度上反映出人工林相对于天然林会具有较差的健康状况。

（3）本研究是基于景观尺度的森林健康评价，因此，文中提出的评价指标体系不适合森林经营小班以及区域的森林健康评价。同时，由于本文所选指标的特点，所以使用该指标体系的前提是已得到林分尺度的森林健康评价结果。

建议在制定森林健康经营策略时，应有针对性的提出合理方案，提高盘古林场的健康等级。在之后的研究中还将继续对该地区的区域尺度森林健康状况做出评价，结合该地区已有的单木尺度、林分尺度森林健康评价结果构成了一套完整、全面、包含了各尺度森林健康状况的评价体系，这是以往的研究中所不具备的。

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Assessment and analysis on forest health of Pangu forest farm in Daxing’anling mountains of China

JIANG Meng-zhu, LIU Zhao-gang, LI Yuan
(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

By taking the forest resources planning and design investigation data of Pangu Forest Farm in 2008, the investigation data of permanent sample plot in 2011 and the forest health assessment data with sub-compartment as the scale as the data sources, the forest health of the tested forest farm with landscape as the scale were estimated; By taking the plot types, origin and tree species composition as the forest landscape division factors, forest landscape types of the farm were divided; the sub-compartment health index,fractal dimension and landscape diversity were selected as the evaluation indexes from the aspects of landscape structure and pattern,landscape function and process; the health of forest landscape of Pangu Forest Farm was evaluated with mean square error decisionmaking comprehensive analysis method as the determination method of weight and by taking the index formula of landscape health as the evaluation model. The results show that (1) the forests of Pangu Forest Farm were mainly divided into 10 forest landscape types,including pure Betula platyphylla forest, nature pure Larix gmelinii forest, nature pure Pinus sylvestris var. mongolica forest, nature pure Picea schrenkiana var. tianschanica forest, nature pure Populus davidiana forest, nature coniferous mixed forest, nature broad-leaved mixed forest, nature conifer and broad leaf mixed forest, artif i cial Larix gmelinii forest, artif i cial conifer and broad leaf mixed forest. (2)There was no healthy forest landscape in the farm; there were3 types of sub-health forest types, accounting for 78.51% of the farm’s total forest area; there were 4 types of medium-health forest landscape types, accounting for 21.03% of the total forest area and there is there was 1 type of un-health forest landscape type, accounting for 0.32% of the total forest area; the scores of health index of forests in Pangu Forest Farm were low overall, and most landscapes were in sub-health and medium-health state. (3) The scores of health index was high in the south and low in the north overall; among the natural forests, Larix gmelinii forest had the highest score, followed by coniferous mixed forest, while the score of broad leaved mixed forest was lower than the mean level and the two artif i cial forests had the lowest scores.

forest health assessment; landscape diversity; fractal dimension; landscape pattern; Daxing’an Mountains

2013-12-25

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项目（2012BAD22B0202)；长江学者和创新团队发展计划项目（IRT1054）

姜孟竹（1989-），女，吉林四平人，硕士研究生，主要研究方向：森林经理；E-mail:jmz19890707@126.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

S757

A

1673-923X(2014)07-0073-07

[本文编校：谢荣秀]