Health evaluation of typical water conservation forests in the alpine loess area of Qinghai

有学者^[11-12]认为：高寒黄土区在中国自然规划上属于独立的大区，特点是海拔高、辐射强、气候寒冷，其自然植被主要受非地带性因素的影响，存在生长速度缓慢，发育不良以及生态效益低下等诸多问题。该区主要包括青海省的西宁、门源、湟中和贵德等县市^[13]。本研究试验地位于青海省西宁市大通回族土族自治县（36°43′~37°23′N，100°51′~101°56′E），地处黄土高原与祁连山地的过渡地带，海拔为2 280~4 622 m，属高原大陆性气候。该地区年平均降水量为523.3 mm，年平均气温为4.9 ℃，年平均蒸发量为1 762.8 mm，年内无霜期为61.0~133.0 d，年湿润指数为0.56~1.32，平均风速2 m·s-1；土壤主要为山地棕褐土、栗钙土和黑钙土。本试验地在大通回族土族自治县塔尔沟林场，现有植被主要为林龄为25~35年生的人工林，主要乔木树种有青海云杉Picea crassifolia，青杨Populus cathayana，白桦Betula platyphylla和华北落叶松Larix principis-rupprechtii等；灌木有山杏Armeniaca sibirica，银露梅Potentilla glabra，柠条Caragama koshinskii，沙棘Hippophae rhamnoides等；草本有草木犀Melilotus officinalis，艾蒿Artemisia argyi，蒲公英Taraxacum mongolicum，飞廉Carduus nutans和火绒草Leontopodium leontopodioides等。

2018年6-8月，在青海省大通回族土族自治县塔尔沟林场进行采样和调查。在全面实地踏查的基础上，选取当地5种典型水源涵养林，青海云杉林、白桦林、华北落叶松林、青海云杉-华北落叶松混交林和青海云杉-白桦混交林。每种水源涵养林选择3块20 m × 20 m的标准样地，共布设15块标准样地。标准样地的选择满足在地质地貌、土壤、坡度和坡向等方面具有代表性和一致性，同时所选林分的密度为目前该地区立地条件下各林分最常见的经营密度。在各标准样地内进行每木检尺，记录树种、林龄、树高、胸径、冠幅、株数等。在乔木样方内部4个角及中心位置共设置5个5 m × 5 m灌木样方，记录灌木种类、高度和盖度等。在每个灌木样方中心取1个1 m × 1 m草本样方，记录草本种类、株数、高度和盖度等。调查的15块标准样地的基本情况见表 1。

评价指标的选择是森林健康评价的关键，一套科学、合理、适用性强的森林健康评价指标体系直接影响着森林健康评价结果的准确性。高志亮等^[14]采用定性和定量相结合的方法，构建包括完整性指标、稳定性指标和可持续性指标共3类7个指标，对北京松山自然保护区森林进行了健康评价研究。鲁绍伟等^[15]运用复合结构功能指标法对八达岭林场121个小班进行健康评价并划分4个等级。汪加魏等^[16]提出水源涵养林健康评价指标体系的7个原则，并利用分层评价的指标分值法对北京市八达岭林场景观型水源涵养林进行健康评价。由于在青海高寒黄土区森林健康方面的研究还相对较少，因此本研究在参考前人关于森林健康评价或水源涵养林健康评价指标筛选的研究成果基础上，结合森林健康相关理论、研究区水源涵养林实际情况和专家咨询法，在满足系统性、科学性和可操作性等指标选取原则的条件下，筛选一套适合本研究区水源涵养林健康评价的指标体系，主要包括完整性指标、稳定性指标和可持续性指标3个方面共11项指标（表 2）。

评价指标又可细分为定量指标和定性指标。定量指标数据可通过外业调查结合内业实验获得，定性指标则需要参考《森林资源规划设计调查技术规程》等标准转化为定量数值。

① 乔木密度：单位面积上乔木层树木株数。②叶面积指数和郁闭度：利用WinSCANOPY 2006软件设备的冠层分析仪在多云或者晴朗天气的8:00-10:00，在离地面1.3 m处对乔木冠层进行拍照，每个样地选择3个点，每个点拍5~10张照片。内业分析时去掉曝光过度的照片，获得标准样地的冠层叶面积指数和冠层开阔度。其中：林分郁闭度=（1-冠层开阔度）×100%。③草本层Shannon-Wiener指数^[17]：$H^{\prime}=-\sum\limits_{i=1}^{S} P_{i} \ln P_{i}$。其中：P_i=N_i/N，N为样地草本重要值总和，N_i为样方中第i种草本的重要值，P_i为重要值比例（相对重要值），S为样地的草本种数。④枯立木比例：标准样地内乔木层枯立木株数与乔木总株数之比。⑤土壤厚度：在每个标准样地内沿着等高线的方向，等间隔设置10个测点，利用特制的一根长110 m，直径10 mm的钢钎敲入土壤中，以钢钎入土深度作为该测点的土壤厚度值，以10个测点土壤厚度的平均值作为该标准样地的土壤厚度值^[18]。⑥土壤0~60 cm平均最大持水量：在每种水源涵养林的标准样地中心位置，挖3个土壤剖面，用环刀在0~20，20~40和40~60 cm处分层取样，每层3次重复，带回实验室采用环刀法^[19]测量土壤饱和持水量和总孔隙度，并用公式（1）和（2）计算土壤总孔隙度和每层最大持水量，最后对每个样地的0~60 cm的土壤最大持水量计算平均值。

式（1）和式（2）中：P_t为土壤总孔隙度，W_t为土壤最大持水量（t·hm^-2），W₀为空环刀质量（g），W₁为土样和环刀烘干质量（g），W₂为土样和环刀完全浸水12 h总质量（g），h为每层土壤厚度（m）。⑦凋落物厚度和凋落物最大持水率：在每个标准样地内沿对角线设置3个25 cm × 25 cm的小样方，在小样方内调查凋落物的厚度并取样，然后在室内测定凋落物的最大持水率。首先，将取回的凋落物样品称量（鲜质量w₀），然后放置于烘箱中，在80 ℃条件下烘干至恒量后再次称量（干质量w₁），最后将烘干的凋落物样品装入尼龙袋中后放水中完全浸水24 h后取出，空干后再次称量（饱和湿质量w₂）。按公式（3）计算凋落物最大持水率（C）。

根据研究区实际情况和相关标准将定性指标分为4级，分值分别为Ⅰ级4分，Ⅱ级3分，Ⅲ级2分，Ⅳ1分（表 3）。

由于评价指标来自不同的方面，各指标的量纲不统一，而且不同指标之间数据相差较大，因此需要对评价指标进行标准化处理。本研究采用极值法^[20]对原始数据进行标准化处理。正相关指标的标准化公式：S′=（S-S_min）/（S_max-S_min），负相关指标的标准化公式：S′=（S_max-S）/（S_max-S_min）。其中：S′为指标标准化值，S为指标实际值，S_max为该指标在所有标准样地中的最大值，S_min为该指标在所有标准样地中的最小值。所有数据进行标准化处理后处于[0, 1]。本研究指标体系中，枯立木比例为负相关指标，其他指标均为正相关指标（病虫害程度和火险程度2项指标，等级越低，赋值越高，量化数值为正相关）。森林健康评价指标标准化值见表 4。

评价指标的权重直接影响着森林健康评价的结果，科学计算评价指标权重是进行森林健康评价的关键。本研究采用熵权法^[20]估算各评价指标的权重，其本质是在综合考虑各项指标实测数据传递给决策者的信息量大小来确定指标权重。指标的信息熵（H_j）越小则表明该项指标提供的信息量越大，其权重（W_j）也应该越大。熵权法是一种比较客观的权重确定方法。其计算公式如下：

式（4）中：$f_{i j}=\frac{S_{i j}^{\prime}}{\sum\limits_{i=1}^{n} S_{i j}^{\prime}}, k=\frac{1}{\ln n}$（假定f_ij=0时，f_ijlnf_ij=0）。

式（4）和式（5）中：H_j为第j评价指标的熵，W_j为第j指标的权重（总和为1），S′_ij为第i样地第j指标的标准化值，i为第i样地；j为森林健康评价指标。

依据公式（4）和（5），对经标准化处理的评价指标进行计算，得出5种典型水源涵养林健康评价指标的熵（H_j）和权重（W_j）见表 5。

森林健康评价的方法有很多，诸如健康距离法、模糊综合评判法、综合指数法以及人工神经网络法等。每种方法都有其优缺点及适用范围，在对森林健康评价时应根据研究者的目的合理选择评价方法和模型。本研究对5种配置模式的水源涵养林健康状况进行分析和比较，因此采用综合指数法来进行健康评价。综合指数法是通过将健康评价体系中各指标信息进行加权综合，是一种相对比较完善的评价方法^[21]。其评价模型如下：

式（6）中：I_Hi为第i样地森林健康指数；S′_ij为第i样地第j指标的标准化值；W_j为第j指标的权重；i为第i样地；j为森林健康评价指标。

参考前人关于森林健康方面的研究，结合青海高寒黄土区水源涵养林实际情况，将森林健康指数分为4大类，分别对应4个健康等级：优质、健康、亚健康和不健康。具体划分标准见表 6。

对高寒黄土区5种典型水源涵养林共15块标准样地进行健康评价，根据公式（6）计算出每块标准样地的健康指数，并划分出标准样地的健康等级。结果见表 7。5种水源涵养林的健康指数表明：青海云杉-白桦混交林为优质林，白桦林为健康林，青海云杉林和青海云杉-华北落叶松混交林为亚健康林，华北落叶松林为不健康林。水源涵养林健康指数从大到小总体表现为针阔混交林、阔叶林、针叶林。

林下植被的发育对水源涵养林发挥其功效起着重要作用^[22]。本研究表明：5种水源涵养林的林下草本Shannon指数变化趋势与王伟伟等^[23]研究基本一致，从小到大表现为针叶林、阔叶林、针阔混交林，这与针叶林枝繁叶茂、林下光照和降水较少等原因有关^[24]。其次，水源涵养林健康评价应注重其生态功能的发挥^[16]，健康评价指标中土壤0~60 cm平均最大持水率、凋落物厚度及凋落物最大持水率3项指标能在一定程度上反映其水源涵养能力。青海云杉-白桦混交林的凋落物降解速度远小于白桦林，其凋落物厚度和凋落物最大持水率均大于针叶林和阔叶纯林，这与刘凯等^[25]研究一致。沈剑波等^[26]在对国内外关于森林健康评价指标筛选的文献统计中发现，森林病虫害和森林火险等级出现的次数均排在前6位。本研究利用熵权法计算指标权重得出火险等级和病虫害程度的权重值分别为0.242 3和0.122 2（表 5），在11项评价指标中位于第1位和第3位，进一步验证了这2项指标是影响林分健康的重要因子。

森林的生长是一个连续的过程，其健康状况的变化也是连续的^[27]。本研究受限于森林调查数据在时间和空间上的不完整性，只是针对5种水源涵养林处于现阶段状况下进行初步的健康评价。因此，从人工林健康经营的角度出发，后期建立一套长期的、合理有效的森林健康监测体系是很有必要的。其次，在后续造林过程中，一方面可选择青海云杉-白桦混交模式，不仅可以改善林下植被生存环境，增加灌草层的物种多样性，还可以减少林分的病虫害；另一方面，可以在人工林幼林期加大人工抚育力度，调整林分树种组成和密度，并做好森林防火措施，使其朝着优质林的方向发展，在保证林分健康的情况下，提高其水源涵养能力。

利用熵权法计算水源涵养林健康评价指标权重，使权重的确定更具有客观性，其中指标权重较大的有火险等级、叶面积指数和病虫害程度。这表明森林火险等级和病虫害程度是影响森林健康的重要因子。在今后人工林经营管理过程中，可通过采取严格控制林区用火安全及做好森林病虫害防治等措施有效提高森林的健康水平。

本研究发现：青海云杉-白桦混交林健康值在5种典型水源涵养林中最高，是一种比较好的水源涵养林配置模式，建议在后续造林过程中采用。在造林期间，还可以通过加大抚育力度，实时监测林分生长状况等措施提高人工林质量。

水源涵养林健康评价的结果具有地域性和针对性。本研究对大通县水源涵养林的合理经营有一定的理论指导意义；但对于其他地区或者其他功能的林分，森林健康评价需要重新筛选合适的评价指标。此外，水源涵养林健康评价在指标筛选和定性指标标准划分等方面，虽经过权威专家的一致评判，但仍然具有一定的主观性。在后续研究中，应进一步筛选、判定和完善。