石羊河下游不同林齡梭梭（Haloxylon ammodendron）群落特征及健康度分析

張顥譯，王立，徐先英，，劉虎俊，張瑜忠，李雪寧

（1. 甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省治沙研究所，荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070；3. 中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091）

森林健康評價是有效管理森林資源，服務于森林可持續經營的最重要和緊迫的課題之一［1-2］。構建適合防護林健康評價的指標體系和評價方法，有利于防護林的科學管理和可持續經營。目前，我國防護林健康評價落后于建設［3］。

近年來，國內外學者對森林健康的概念、評價指標和方法已有諸多的研究報道［1］。健康評價指標的經典模型，即“活力（V）-組織結構（O）-抵抗力或恢復力（R）”模型［3］，已被成功應用于森林和草原等多種生態系統健康評價中［4-5］。常用的健康評價方法有健康指數法（HI）［5-6］和模糊綜合評價法［7-8］等。常用的防護林健康評價指標體系有兩類，一類是選擇表示群落生物和生態特征的指標［6］，另一類則主張將功能指標和人類影響也作為健康評價指標納入分析［7］。目前，國內外還尚未形成統一的防護林健康評價指標體系［3，5］，不同研究者針對防護林類型所選擇和應用的評價指標和方法有所不同［9-11］。

梭梭（Haloxylon ammodendron）生長在流動沙丘，是河西走廊防風固沙林的骨干樹種［1-2］。位于石羊河下游的民勤是我國沙塵暴高發區，人工防風固沙林主要樹種梭梭［13-14］，在保護區環境安全和減少沙塵天氣中發揮著重要作用。近年來，在研究梭梭林退化特征和變化基礎上，對梭梭人工林的健康也進行了分析［6-7］。常兆豐等［6］建立了狀態指標、病態指標、多樣性指標和自然更新能力指標，運用模糊評判法對梭梭林健康狀況進行了評價，論述了優勢種植物和伴生植物與群落健康序列的關系。付貴全［7］選擇群落結構、群落功能、健康風險和生境因子指標，應用生態系統健康綜合指數模型比較了民勤的梭梭群落及其他典型植物群落的健康序列。但以上研究均沒有明確林齡，而不同林齡梭梭林退化特征是不同的［15-16］，其健康特征也應該存在差異。人工梭梭林群落單一、結構簡單，更新困難［16］，不同齡級的特征明顯［7，15-16］。因此，有必要從防護林群落的視角分析不同林齡的梭梭林健康狀況［5，17］，研究其狀態和變化趨勢，為精準管理提供依據。本研究參考森林生態系統和防護林健康評價的資料，建立梭梭防風固沙林健康評價指標，比較不同齡級林健康特征，以期為石羊河下游防風固沙林精準管理和功能修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本觀測調查樣地位于干旱荒漠區的石羊河下游，屬于甘肅省武威市民勤縣，境內三面均為沙漠；區域氣候屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均日照2 731.5 h，平均氣溫7.86 ℃，極端最低氣溫-30.8 ℃，極端最高氣溫40 ℃，日平均溫差15.9 ℃，年極端溫差62.4 ℃，無霜期175 d。多年平均凍土深度約53 cm，無霜期約173 d，平均風速約2.4 m/s；平均空氣相對濕度約49%，該地區干熱風主要出現在每年的6 月和7月中旬。風沙土為境內主要土壤類型，主要分布在西部和東部，鹽堿土廣泛分布于湖盆等低洼地區。民勤綠洲外圍植被形成了天然植被與人工植被交織結構，天然植被主要有白刺（Nitraria tangutorum）、檉柳（Tamarix ramosissima）和沙拐棗（Calligonum mongolicum）等［13-14］，全縣人工造林保存面積15.32×104hm2以上，其中防風固沙林主要是梭梭林。

1.2 野外樣地調查

根據前期研究，在石羊河下游，10 a 以上的人工梭梭林開始退化和自然稀疏，當林齡達25 a以上時，林分密度趨于平穩［2，10］。因此本研究選擇樣地林齡為：① 10 a 成熟林，所有植株全部開花結果，平均高度達到2.5～3.0 m，林地有自然稀疏現象，沒有林窗形成，植株中下部枝條開始死亡，林地死亡植株＜1.0%。② 20 a 中熟林，林地出現面積大于10 m2以上的不連續林窗，自然稀疏明顯，植株下部枝條1/3 死亡，死亡植株占比為1.0%～30.0%。③ 30 a過熟林，連續分布的林窗出現，密度＜2 250株/hm2，死亡植株比例＞30.0 %，植株中下部枝大部分死亡［13］。本研究以上述3種林齡的梭梭林為研究對象，分別在石羊河下游的老虎口（E 103°9′55″，N 38°45′39″）、西沙窩（E 102°53′46″，N 38°34′3″）和泉山林場（E 103°20′30″，N 38°49′18″）選擇樣地進行調查。根據地形地貌等環境相似原則，每個樣地平行設置間隔30 m 的20 m×20 m 灌木樣方3 個。調查記錄每個樣方內植物高度（cm）、灌木基徑（cm）、冠幅（長軸與短軸，cm）、梭梭新枝長度（cm）、密度（株/m2）、1～5 a齡梭梭幼苗數量（株/m2），記錄樣方內植物生活型等。其中，植物高度采用測高儀測量，冠幅采用鋼卷尺測量，基徑用游標卡尺測量。用GPS記錄樣地經緯度、海拔，同時記錄地表流沙面積以及結皮比率。

1.3 群落多樣性指標

群落多樣性指數：選取Margale 豐富度指數和Simpson指數，具體計算公式如下：

式中：D為Margale 豐富度指數，S為物種數目，N為全部物種個體總數，Sim為Simpson 指數，Pi為物種i的個體數與全部物種個體總數N的比值。

冠幅覆蓋度：觀測區域的總面積內所有植株冠幅所占面積比。

式中：Lc為冠幅覆蓋度，PA為樣方面積A內的植株總數，C為樣方內觀測植株的平均冠幅。

綜合優勢比：植物密度比與蓋度比之和的平均數，確定植物在群落中的的地位。

式中：SDR2為綜合優勢比，Di為物種i的相對密度，Ci為物種的相對冠幅覆蓋度。

1.4 健康評價體系構建

1.4.1 健康指標 從林分（群落）尺度，應用VOR模型，分析不同林齡梭梭林健康程度，比較其特征。VOR 綜合指數已于1999 年被國際生態系統健康大會接受為生態系統健康診斷指標，并在森林和草原等多種生態系統健康評價中成功應用［1-5］。

活力指標（vigor，V）：為群落新陳代謝和初級生產力，此指標主要以生產力等測度為參考［1，5］，反映生物學特征。本文應用下述指標進行計算：樹高、基徑、新枝生長量、結實狀況（枝上中下內外都有結實為3，中下內外結實為2，中下外部結實為1.5，僅頂結實為0.5，不結實為0）。

式中：V代表活力指標；V·i代表一級指標中的二級指標的得分；wi代表二級指標的權重，通過專家打分和計算得到樹高wi1、基徑wi2、新枝生長量wi3、結實狀況wi4的權重（wi1+wi·2+wi3+wi4=1）。

結構指標（Organization，O）：系統的組成和結構，群落結構指標反映其物種組成結構及物種間相互關系［1，5］，應用此指標表征梭梭群落結構，包括植物組成及其空間結構。物種生活型比例（以不同植物種數量占總植物數量的比值計算）、冠幅覆蓋度、密度和層片（以不同生活型植物數量占總植物數量的比值計算）。

式中：O代表結構指標；Oi代表一級指標中的二級指標的得分；wi代表二級指標的權重，通過專家打分和計算得到生活型比例wi1、冠幅覆蓋度wi2、密度wi3、層片wi4的權重（wi1+wi2+wi3+wi4=1）。

恢復指標（Resilience，R）：恢復力是生態系統在出現外界壓力的情況下，保持自身結構或功能的程度，包括了植物群落的物種數［5］。此項指標用于反映梭梭林受病蟲自然災害的調節能力、恢復力和穩定性，選擇地表結皮代表梭梭林的土壤環境狀況。物種多樣性（以物種豐富度表示）、更新苗（以梭梭1 a幼苗表示）、病蟲害（枝上中下內外都有病枝為0，中下內外有為0.1，中下外部0.3，僅頂0.5，沒有病枝為1）和地表結皮（地表結皮占樣方面積百分數）。

式中：R代表恢復指標Ri代表一級指標中的二級指標的得分；wi代表二級指標的權重，通過專家打分和計算得到物種豐富度wi1、樹齡1 a 幼苗wi2、病蟲害wi3、地表結皮wi4的權重（wi1+wi2+wi3+wi4=1）。

1.4.2 健康指數計算 健康指數法（HI）在多種生態系統健康評價中得到應用和檢驗［1］。本文根據實際情況對其進行了修正，以評價梭梭防風固沙林群落健康狀況，具體模型如下。

式中：HI為綜合健康指數，V、O、R分別代表活力指標、結構指標和恢復指標；Vi、Oj、Rk分別代表一級指標中的二級指標的得分；WV、WO、WR分別代表一級指標的權重（WV+WO+WR=1），wi為二級指標的得分權重。

1.5 數據的統計分析

應用Microsoft Excel 2010進行錄入、數據統計，分類計算和做圖，應用SPSS 20.0 軟件進行統計分析。

1.5.1 數據歸一化 因為觀測指標包括了高度、長度、密度、幼苗數和結皮面積百分比等不同類型數值，所以應用下式進行歸一化計算。

式中：Yli為第l樣方第i指標的歸化值，Xli為第l樣方第 i 指標的觀測值。

1.5.2 指標權重確定 首先邀約本領域的20位專家對指標權重進行打分，應用AHP 層次法確定權重，即通過Yaahp 軟件得到權重判斷矩陣，再計算出最大特征向量，獲得各指標的權重。再應用熵值法進行修正，最后結合主客觀方法確定綜合權重。

式中：Q代表各指標的綜合權重，Q1代表AHP 層次法確定的權重，Q2代表熵值法確定的權重，將a賦值0.5。

2 結果與分析

2.1 梭梭林群落特征

不同林齡的梭梭防風固沙林特征主要表現（表1）為：隨林齡的增加樹高與冠幅比有增大趨勢，30 a林齡的樹高與樹冠比分別是20 a林齡和10 a林齡的1.9倍和1.2倍，10 a林齡和30 a樹高與樹冠比相差較大，差異顯著（P＜0.05）。10 a樹高與樹冠比標準差最大，說明樹齡增大，個體之間的冠幅差異較小。隨樹齡增大，梭梭的密度變小，且差異顯著（P＜0.05），30 a 的梭梭林密度只有10 a 林齡的24.00%，20 a 林的出現林窗。30 a 林齡梭梭的物種豐富度指數是20 a 和10 a 的1.37 倍和1.79 倍，物種空間分布均勻度也增大，Simpson 指數增大，但是差異不顯著。30 a林齡的梭梭綜合優勢比只有10 a林的37.81%。隨著林齡增大，物種多樣性增大，梭梭優勢度降低。

表1 不同林齡梭梭防風固沙林群落特征比較Table 1 Comparison of community feature of Haloxylon ammodendron at different forest ages

2.2 梭梭林健康度比較

通過二級指標對梭梭林健康度進行分析（表2）。在活力指標中，不同林齡的梭梭高度、新枝長、基徑和結實的差異不顯著（P＞0.05）。新枝的權重最大（0.40），歸一化數值也是30 a林齡的新枝值最大，分別是10 a 和20 a 的1.51 倍和1.48 倍，對活力指標影響較大，30 a 生梭梭還保持萌發生長活力。在結構指標，30 a的生活型比例分別是10 a和20 a的1.45倍和1.34 倍。10 a的密度歸一化值分別是20 a和30 a的1.04 倍和2.42 倍，3 種林齡的密度差異較顯著（P＜0.05），密度歸一化值的變異系數（30.43%）也較大?；謴椭笜耸峭寥澜Y皮的權重（0.34）最大，其次是物種豐富度（0.24）。土壤結皮數據的變異系數也最大，10 a梭梭林沒有結皮，而30 a林齡的結皮的歸一化數值分別是10 a和20 a的5.7倍和4.7倍。30 a林齡的土壤環境相對10 a 的不僅有流沙，土壤表面50%以上形成結皮。

表2 不同林齡防風固沙梭梭林群落健康評價指標Table 2 Community health evaluation indexes of Haloxylon ammodendron windbreak at different forest ages

隨著林齡增大，梭梭防風固沙林健康指數增大，但是差異性不顯著（P＞0.05），10 a、20 a和30 a林齡的健康指數分別為0.20、0.24和0.30（圖1）?；盍χ笜说臋嘀兀?.394 3）大于結構指標（0.331 6）和恢復指標（0.274 1），活力指標對于梭梭群落健康的影響較大。30 a林齡的活力指標較大（指標值0.50），10 a生的活力指標最?。ㄖ笜酥?.22），二者相差2.27倍，差異顯著（P＜0.05）。10 a 的結構指標分別為20 a 和30 a林齡的1.47倍和1.25倍，20 a林的結構指標小于30 a林的0.02，但3種林齡結構指標差異不顯著（P＞0.05）?；謴椭笜酥敌∮诮Y構指標和活力指標，10 a的恢復指標分別為20 a 和30 a 林齡的81.73 %和60.51 %。隨著林齡增加，群落彈性或恢復力增大。

圖1 10 a、20 a 和30 a林齡梭梭林群落的健康評價指標及健康指數Figure 1 Evalution index and health index of Haloxylon ammodendron community at 10 a，20 a and 30 a years old

3 討論

3.1 梭梭林群落生物生態特征隨林齡的變化

隨著林齡增大，梭梭林群落覆蓋度降低、優勢度下降，而其組成群落的物種多樣性和地表土壤結皮面積增大，這與大多數研究的結果相似［18-19］。梭梭林退化判定指標主要是植株生長狀況、結實情況、實生苗和林地結皮覆蓋度［18］，以此確定梭梭林退化等級。本研究所涉及10 a、20 a和30 a林齡的梭梭林變化較大的是密度，物種和群落生物多樣性增大，群落健康度差異不顯著（P＜0.05）；隨著林齡增加梭梭個體減少，優勢度降低，幼苗數量少或無，梭梭種群處于退化過程。民勤沙區人工梭梭林自然稀疏過程（密度減少） 與林齡的相關性是極顯著的［16，20］。有研究認為石羊河下游民勤的8 a 樹齡以上的梭梭林開始退化［19］，10 a 樹齡以上的梭梭林其自然稀疏過程很快，當梭梭林齡達25 a 以上時，林分密度變化平緩，趨于穩定［16］。因此，石羊河下游10 a林齡左右的梭梭林處于變化拐點期，是梭梭林管理的關鍵時期。

3.2 梭梭防風固沙林健康評價指指標及方法

應用指標體系評價森林生態系統健康是國內外較常用的方法［5，21］，但是，防護林健康評價指標建立因人因地而異，至今尚未得到統一。健康指標包括了反映森林植物的生物學特征，可以認為是活力指標，應用新陳代謝或初級生產力等測度；表征森林植物群落的組成及其空間結構指標，可以認為是結構指標，包括物種組成及物種空間關系；反映森林植物抵抗病蟲等自然災害的能力和脅迫下維持結構和恢復功能的能力，可以認為是恢復指標；也有的研究者將森林功能［7-8，22］、環境和經營管理［25］指標納入健康評價。健康的森林應該具有穩定的組織結構、對干擾的抵抗能力以及自我調節和恢復能力，健康森林必然具有功能，因此防護林健康評價應該以其生物和生態指標為主。近年來，眾多學者應用多種方法評價森林生態系統健康，常用的有健康指數法（HI）、距離法（HD）、人工神經網絡模型法、主成分分析（PCA）、層次分析法（AHP）、模糊綜合評價法［23］等。其中健康指數法（HI）應用較多，此方法也被國際生態系統健康大會接受為生態系統健康診斷模型，在多種生態系統健康評價中得到應用和檢驗［7，17，24］。因此，本文應用VOR綜合指數模型對3種林齡的梭梭林進行健康評價，應用健康指數法，建立梭梭林健康評價二級指標，對梭梭防風固沙林健康進行評價。其中一級健康指標只設立活力指標、結構指標、恢復指標，這與健康指數法所確定指標一致［1，4］，因為防護林結構決定防護林的功能［25-26］。另外由于當前對于梭梭防風固沙林健康功能與價值的研究尚處于完善階段，難以客觀描述其健康社會屬性的特征值，如果采用了這些信息將可能導致評價結果出現較大偏差［7］，因此本文的評價研究未將梭梭林生態功能列入。生物多樣性是生態系統抗干擾能力、恢復能力及適應環境變化能力的物質基礎［27］，因此，本研究將生物多樣性指標歸入恢復力指標，評價不同林齡梭梭防風固沙林的恢復力及穩定性。這是本文不同于其他研究的方面。民勤梭梭林的退化主要是因為水資源減少和土壤結構變化［15-16，18-19］。因此，梭梭林健康評價未列入人為影響指標。

3.3 梭梭防風固沙林健康指數隨林齡的變化

隨著林齡增大，森林生態系統組成和結構等都發生變化，林齡是森林健康評價的指標之一［13］，已有應用不同判定范圍確定水土保持林的健康度的研究報道［10］。健康森林特征應該是個體較好的保持生物特征、能夠完成生物和生理過程、群落結構完整、功能協調并具有較強的可持續發展能力，且能維持對脅迫的恢復力［3］。研究分析結果表明，民勤10 a、20 a和30a 梭梭林的健康指數差異不顯著（P＞0.05），梭梭林在8 a后開始退化［19］，30 a以上林齡梭梭仍能開花結實［6］。30 a梭梭林的健康度大于20 a，這與常兆豐等［6］應用模糊判別方法對民勤的梭梭林健康度進行評價結果相似。民勤梭梭林的退化是個體數量的減少，是種群退化，而群落健康度反而隨著林齡增大有所增加，這與梭梭林物種多樣性增加相關。

4 結論

隨著林齡增加，梭梭林的密度和優勢度降低，林內梭梭幼苗少或無，種群處于退化過程。但是，梭梭林物種多樣性和土壤結皮面積增加，結構變復雜。3種林齡的梭梭林群落健康指數表現為30 a＞20 a＞10 a，但是差異性不顯著。差異較大的是活力指標，10 a林和30 a林的差異顯著（P＜0.05），其次是恢復指標。30 a梭梭的新枝長大于10 a和20 a林齡的，具有一定生育活力。3種林齡的密度差異較顯著（P＜0.1），10 a林群落的結構指數大于20 a和30 a的梭梭林。10 a 梭梭林的活力指數較低，病蟲害指數也較大，群落屬于相對變動較大時期，是管理的關鍵時期。