森林干扰度评价方法及应用_以中国科学院沈阳应用生态研究所清原森林生态实验站为例

中国生态农业学报 2010年3月 第18卷 第2期

Chinese Journal of Eco-Agriculture, March 2010, 18(2): 388−392

DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00388

森林干扰度评价方法及应用*

——以中国科学院沈阳应用生态研究所清原森林生态实验站为例 于立忠1 朱教君1** 闫巧玲1 孙一荣1 姚立平2 李桂芹2 方海霞2

(1. 中国科学院沈阳应用生态研究所 清原森林生态实验站 沈阳 110016; 2. 辽宁省森林经营研究所 丹东 118002)

摘 要 基于不同森林类型所受干扰不同, 以中国科学院沈阳应用生态研究所清原森林生态实验站为例, 构建一套适合于该区域的森林干扰度评价指标体系, 在此基础上应用最优距离法对不同类型的森林干扰度进行定量化评价。根据多样性(5个指标) 、生产力(3个指标) 、林分结构(4个指标) 、生态功能(3个指标) 、林分健康水平(3个指标) 等指标, 以阔叶红松林为目标森林, 应用距离法评价了清原森林生态实验站现有8 个林型的森林干扰度。结果表明, 森林干扰度老龄林(0.317 8)和阔叶混交林(0.398 9)最小, 与目标森林的距离最近; 其次是蒙古栎林(0.426 2)、水曲柳林(0.487 0)、花曲柳林(0.498 3)、胡桃楸林(0.501 6); 红松人工林(0.635 8)和落叶松人工林(0.686 4)最大, 表明人工林与目标森林的距离最远。 关键词 森林干扰度 森林类型 人工林 目标森林 最优距离法

中图分类号: S718.5 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)02-0388-05

Method of evaluation of response extent of forests to disturbances

and its application

—A case study of Qingyuan Experimental Station of Forest Ecology,

Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences

YU Li-Zhong1, ZHU Jiao-Jun1, YAN Qiao-Ling1, SUN Yi-Rong1, YAO Li-Ping2, LI Gui-Qin2, FANG Hai-Xia2

(1. Qingyuan Experimental Station of Forest Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences,

Shenyang 110016, China; 2. Liaoning Institute of Forest Management, Dandong 118002, China)

Abstract Based on the phenomena that disturbances for different forest types are different, an index system for evaluating the re-sponse extent of forests to disturbances (REFD ) was constructed for Qingyuan Experimental Station of Forest Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences. Furthermore, REFD was also quantitatively evaluated for different forest types us-ing the optimal distance method. Using the indices about diversity, productivity, stand structure, ecological function, stand health level, etc, of forest, with the broadleaf-Pinus koraiensis forest as target forest, REFD for eight existing forest types at Qingyuan Ex-perimental Station of Forest Ecology were evaluated via the optimal distance method. The results show that REFD of the old growth forest and the broadleaf mixed forest is 0.317 8 and 0.398 9 respectively, which is the minimum among the eight forest types and with the nearest distance to the target forest. REFD for Mongolian oak forest, Fraxinus mandshurica forest, F. rhynchophylla forest and Juglans mandshuria forest is 0.426 2, 0.487, 0.498 3 and 0.501 6 respectively. However, REFD for Korean pine plantation and larch plantation is 0.635 8 and 0.686 4 respectively, which is the maximum among the eight forest types. These findings imply that the distance between the plantations and the target forest in the mountain regions of eastern Liaoning Province is the farthest. Key words Response extent of forests to disturbances, Forest type, Plantation, Target forest, Optimal distance method (Received April 20, 2009; accepted July 24, 2009)

干扰在自然界中普遍存在[1], 干扰通过改变森林生态系统的环境条件、物种组成和多样性等, 进

而改变森林植物群落的结构、功能、演替进程甚至演替方向[2]。生态学家逐渐认识到自然干扰与人为

* 国家科技支撑计划项目(2006BAD03A0401, 2006BAD03A0903)和辽宁省生态公益林经营管理重点实验室项目资助 ** 通讯作者: 朱教君(1965~), 男, 博士, 研究员, 主要从事森林生态方面的研究。E-mail: [email protected] (1970~), 男, 博士, 07

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干扰对森林生态系统的发展和存在起着决定性作用, 并认为研究森林生态系统对干扰的响应更能加深人们对生态系统的发展变化和存在的认识和理解[3]。

近年来, 对森林干扰的研究已成为国内外森林生态系统研究领域的热点之一[4−5], 目前对干扰的研究主要集中于干扰因素(自然干扰与人为干扰) 及干扰状况的组成要素, 包括干扰发生季节(时间) 、干扰频次和干扰强度等。但现有森林受干扰到何种程度, 何种类型的干扰对森林生态系统的影响程度如何, 却一直没有得到很好的回答。探讨干扰对现有森林的影响程度, 分析森林生态系统干扰作用后的“自我恢复”和“自我愈合”的能力, 可以深刻揭示森林生态系统的存在与发展机理。

森林干扰度(Response extent of forests to dis-turbances) 即干扰对森林的影响程度, 可反映干扰后现有森林与目标森林(地带性顶极植被) 的距离程度, 是评价干扰对森林影响程度的科学方法。它不反映干扰的种类、强度、性质等因素, 只表现为干扰后现有森林与目标森林的理想差距[6]。森林干扰度的研究一直是生态学关注的科学问题, 德国、奥地利等对森林生态干扰度进行了评价研究[7], 但国内对森林干扰度的研究较少。本文以辽宁省东部山区的森林为研究对象, 探讨多年干扰对森林的影响程度, 应用距离法评价各种森林类型的森林干扰度, 并分析了典型地区的森林干扰度, 为明确现有森林的演替趋势和发展方向提供科学依据。

森林土壤的养分含量及循环、森林景观格局状况、森林抗干扰、生态恢复水平等。但对于不同地区、不同类型的森林, 评价的目的不同, 选择的指标也略有区别。

在不同尺度上, 干扰对森林生态系统影响的程度不同, 评价指标及表现结果也不同。一般将森林干扰分为大尺度干扰、中尺度干扰(景观水平条件下的干扰) 和小尺度干扰(林分水平条件下的干扰) [8], 在不同尺度条件下, 评价森林干扰度可应用不同的方法与指标体系[6]。

对森林干扰度评价通常按照以下程序进行: 首先, 明确被评价森林与目标森林, 其中被评价森林即为研究的对象, 而目标森林是原有森林(干扰前森林) 或地带性顶极森林植被; 其次建立森林干扰度评价指标体系, 选择适宜的评价方法; 最后收集各种指标的具体数据, 对被评价对象进行综合评价, 分析评价结果。

2 森林干扰度评价指标体系建立与评价方

法选择

森林干扰度评价的关键是评价体系的建立与评价方法的选择, 建立一个完善、可行的评价指标体系可以保证森林干扰度评价的全面性、准确性, 而评价方法的选择则可以保证评价的科学性与适用性。 2.1 评价指标的建立

根据研究对象不同, 可选择不同的评价指标, 每一评价指标还包含可选指标与必选指标, 具体见表1。 2.2 评价方法

森林干扰度评价方法较多[6], 本研究采用最优值距离法。最优值距离法是以各项评价指标的实际值与最优值(或标准值) 之间距离的大小来衡量评价对象效益的高低。对评价指标体系中的各评价指标进行相对化处理后, 运用距离法进行综合, 其综合值反映了各评价指标与相应最优值(或标准值) 之间

1 森林干扰度评价

森林干扰度是指由于干扰的存在造成森林生态系统整体结构与功能的改变程度, 反映干扰后现有森林与目标森林(地带性顶极森林或原有森林等) 在结构、功能等方面的距离程度[6]。森林干扰度评价主要是对森林结构与功能改变程度的评价, 主要包括林分生产功能、森林结构合理性、森林自然更新能力、森林生物多样性水平、森林病虫害发生情况、

表1 森林干扰度评价指标体系

Tab. 1 Index system for evaluation of response extent of forests to disturbances

总体指标 Total index

森林生态系统多样性 Diversity of forest ecosystem 森林生态系统生物生产力

Biological productivity of forest ecosystem

森林生态系统林分结构

Stand structure of forest ecosystem 森林生态系统生态功能

Ecological function of forest ecosystem

森林生态系统林分健康水平 具体指标 Specific index

乔灌草各层物种多样性指数、丰富度指数和均匀度指数、珍稀濒危

植物种类与数量、外来物种数量、建群种所占比例、混交程度

单位面积蓄积量、单位面积生物量、林分密度、单位面积年生长量、林分郁闭度、非木质产品年收获量

树种组成、垂直结构、水平结构、郁闭度、林龄结构、林内站杆或倒木数量、林隙数量

气候调节功能、保持水土功能、水源涵养功能、防风固沙及荒漠化防治能力、防止空气污染及改善空气质量能力、护路护田增产功能、环境净化功能、生物多样性保护功能

风倒木数量、病虫害情况、目的树种更新系数、林龄、森林质量、

具体指标数 Specific index number

5 3 4 3 3

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的距离。

最优距离法评价森林干扰度公式为: (1)

′是经相对化处理后式中, REFD 表示森林干扰度; x nj

林分总蓄积量 400~500 m3・hm −2[9], 其组成以红松 为主, 并混有多种阔叶树种[10], 主要有紫椴、水曲柳、蒙古栎、春榆(Ulmus davidiana) 、枫桦(B. co-

stata ) 、色木槭、黄檗、大青杨(Populus ussuriensis) 、糠椴(T. mandshurica) 和胡桃楸等10余种, 立木通常椴树, 其他树种构有2~3层林冠, 上层主要为红松、

成第2和第3层林冠[11−12]。混生的树种也有很大不同, 于山腹以下的缓坡地、山麓、河流两岸平坦地白榆(U. 或阴坡溪谷中, 土层较厚而湿润, 则水曲柳、

′=x ij /x i 0, i 表示第i 个评价 的各指标变量值, x ij

指标, i =1, 2, 3, …, n , j 表示第j 个参评林分, j =1, 2,

3, …, m , x ij 为第j 个参评林分第i 个评价指标的实际值, x i 0为目标森林在第i 项指标标准值; 权数w i 是根据各项评价指标在森林干扰过程中的重要程度

pumila ) 、大青杨等阔叶树种增多[13−14]; 而在山脊或土层瘠薄而干燥, 多数阔向阳陡坡上部, 坡度较大、

叶树种无法适应, 常形成蒙古栎红松林。

阔叶红松混交林的灌木层多数为单生或丛生, 林冠疏开之处生长旺盛, 主要为较耐阴的毛榛子

REFD 值越小, 与目标森林越分别确定相应的权数。

接近, 表明森林干扰度越小; REFD 值越大, 越远离目标森林, 表明森林干扰度越大。进行相对化处理时, 对于正指标, 以实际值对比标准值; 对于逆指标, 以标准值对比实际值。

(Corylus mandshurica) 、山梅花(Philadelphus schren-kii ) 、东北茶　子(Ribes mandshuricum) 、小花溲疏(Deutzia parviflora) 和刺五加(Eleutherococcus senti-cosus ) 等, 其次为一些较喜光灌木, 如疣皮卫矛(Euonymus paucifiora) 、小蘖(Berberis amurensis) 、暖木条荚　(Viburnum burejaeticum) 和鸡树条荚　(V.

3 应用实例

3.1 研究区概况

本研究在中国科学院沈阳应用生态研究所清原森林生态实验站(简称清原站) 进行, 该站位于辽宁省抚顺市清原县南部, 属长白山脉的延伸地区

sergeanti ) 等[15−16]。此外, 还常混有云冷杉林下常见下木, 如花楷槭(A. ukurunduense) 和青楷槭(A. teg-

(41°51.102'N, 124°54.543'E), 海拔高度456~1 116 m 。属受季风影响的温带大陆性气候, 年均气温3.9~5.4 ℃, 最冷月出现在1月, 最热月出现在7月, 极端最高气温36.5 ℃, 极端最低气温－37.6 ℃, ≥

mentosum ) 等。

阔叶红松混交林的草本植物组成较繁杂, 既有耐阴植物, 又有阳生植物[9], 随着地形、土地的干湿程度, 分布亦有不同。在排水良好的山坡, 主要为四花苔草(Carex quadriflora) 、乌苏里苔草(C. us-

10 ℃年活动积温2 497.5~2 943.0 ℃, 年均降水量700~850 mm, 多集中在6~8月, 平均日照2 433 h, 无霜期120~139 d, 植物生长季在4~9月。本项调查集中于清原站1 000 hm2的试验林地内, 其森林类型、植被分布及土壤等基本代表该区的天然次生林现状。

实验区属长白植物区系, 原生时期的代表植物有红松(Pinus koraiensis) 针阔混交林, 主要建群种有沙松(Abies holophylla) 、鱼鳞云杉(Picea jezoensis) 、红松、蒙古栎(Quercus mongolica) 、紫椴(Tilia 色木槭(Acer mono) 、黄檗(Phellodendron amurensis ) 、

suriensis ) 、羊胡子苔草(C. callitrichos), 其次为透骨草(Phryma leptostachya) 和龙常草(Diarrhena mand-

shurica ) 等, 在局部低湿处还有成块分布的大猫眼草(Chrysosplenium trachyspermum), 随着林冠郁闭程度增大除山茄子(Brachybotrys pariditormis) 和铁线蕨(Adiantum pedatum) 等一些典型下草增多外, 并常混有云冷杉林下小型耐阴草本植物, 如酢浆草

(Oxalis corniculata) 、舞鹤草(Maianthemum dilatatum) 和深山露珠草(Circaea caulescens) 等[17−18]。 3.3 各种具体指标的收集

据在该地区的实地调查, 从1936年开始, 日本侵略者开始盗伐大湖地区原始林中的红松、云杉、冷杉等珍贵树种, 同时该地区绝大部分林地经受了历史上不同时期的采伐干扰, 以及人为采摘果实和药材等干扰, 还有部分林地受到近期(2003年) 发生的雪/风害的干扰[19]。这些干扰结果导致该地区经过上万年才形成的阔叶红松林地带性顶极群落, 在短

amurense ) 、胡桃楸(Juglans mandshurica) 、水曲柳(Fraxinus mandshurica) 和桦树(Betula Spp)等。 3.2 目标森林的选择

本研究以研究区的阔叶红松混交林为目标森林, 将清原站现有林分与阔叶红松林进行比较, 分析各林分中能够反映干扰对森林结构与功能影响的各种

指标之间的差距, 综合反映现有林分的干扰程度[6]。

阔叶红松混交林是长白山地区基本植被类型,

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于立忠等: 森林干扰度评价方法及应用 391

了现有的天然次生林和人工林。在复杂的干扰历史中, 该区原有的地带性顶级群落——阔叶红松林经过逆行演替逐渐形成目前的次生林[20]; 次生林类型主要有以槭类为主的杂木林, 以胡桃楸、水曲柳、黄檗为主的硬阔叶林——蒙古栎林和桦木林等几种主要林型。同时还营造了大量的红松、长白落叶松

(Spuriopimpinella brachystyla) 等。

(4) 胡桃楸林: 以核桃楸为主的硬阔叶树组成的混交林。分布在海拔550~700 m的山岗处, 林龄一

80~130 m3・hm −2般在 30~55年之间, 林分蓄积量在 之间。乔木层主要有拧筋槭(A. triporum var. sub-

cariacea ) 、暴马丁香(Syringa reticulata var. mand-shurica ) 和榆树(U. pumila) 等, 灌木层主要有暴马丁香、毛脉卫矛(E. latus var . pubescens) 、拧筋槭和金银忍冬(Loniceram aackii) 等, 草本层主要有荨麻叶龙头草、珠芽艾麻(Laportea bulbifera) 、白花碎米荠和宽叶山蒿(Artemisia stolonifera) 等。

(Larix olgensis ) 和日本落叶松(L. kaemopferi) 人工林。根据胡理乐等[21]应用TWINSPAN 分类与DCA 排序结果及现有森林植被调查情况, 将清原站1 000

hm 2现有林划分为以下几个主要类型, 其中花曲柳(F. rhynchophylla) 林和水曲柳林数量较少, 面积比例不到1%。

(5) 花曲柳林: 多分布于阳坡的中坡及中上坡。中坡的花曲柳林中花曲柳重要值较高, 甚至为花曲柳纯林。中上坡花曲柳林中花曲柳多与蒙古栎混生, 两者为群落优势种。色木槭和假色槭常为群落亚优势种。灌木层中主要有蒙古栎、花曲柳和色木槭等, 草本层主要为毛缘苔草、宽叶山蒿、歪头菜(Vicia

(1) 老龄林: 在老龙岗北坡海拔900~1 000 m处, 尚有少量老龄林存在, 此林分由于远离村庄, 人为活动较少, 主要是由于长期演替与自然干扰所形成。多数树种平均胸径在100 cm以上, 林龄在100年以上, 林分郁闭度为0.7, 林分蓄积量为120~160

175 hm2, 但异常珍 m 3・hm −2之间, 虽然面积只有

贵。林中大部分是阔叶树, 主要树种有蒙古栎、色木槭、枫桦, 少有红松和云杉、冷杉分布。

unijuga var. unijuga) 和莓叶委陵菜(Potentillaf ra-garioides ) 等。

(6) 水曲柳林: 乔木层主要有色木槭、千金榆(Carpinus cordata) 、裂叶榆(U. laciniata) 和胡桃楸等, 灌木层主要有稠李(Padus asiatica) 、青楷槭(A. teg-

(2) 蒙古栎林: 蒙古栎林多见于山梁阳坡位置, 坡度较大, 一般分布在海拔600~900 m的山岗处, 早期的采伐干扰较少, 多作为“压岗树”保存下来, 主要为采伐后天然萌发形成的混交林, 也有部分少数纯林。现多因居民采蘑菇时的践踏受到干扰[20], 其干扰主要来自自然干扰与人工采伐干扰等, 其林龄一般在30~70年之间, 林分蓄积量在100~200

mentosum ) 、色木槭、暴马丁香和京山梅花等, 草本层主要有荨麻叶龙头草、珠芽艾麻、北重楼、北乌头(Aconitumk usnezoffii) 和木贼等。

(7) 红松人工林: 全部为天然次生林皆伐后人工栽植的红松人工纯林, 林龄一般在17~30年之间, 林分密度在 440~1 300株・hm −2, 林分郁闭度在

hm −2 之间。蒙古栎常与假色槭(A. m 3 ・

糠椴、花曲柳、色木槭混生, 灌pseudo-sieboldianum ) 、

木层主要有假色槭、色木槭、胡枝子(Lespedeza

0.6~0.9之间, 林分蓄积量在 80~190 m3・hm −2之间, 森林经营程度较高, 林分生产力较高; 林下灌木层植被较少, 主要有金银忍冬、刺五加和疣枝卫矛(E.

bicolor ) 、山梅花、乌苏里鼠李(Rhamnus ussuriensis) 和忍冬等, 草本层主要有羊胡子苔草、北重楼(Paris

verrucosoidss ) 等; 草本层植被主要有水金凤(Impatiens noli-tangere) 、黄精(Polygonatum si-biricum ) 、酢浆草、透骨草(Speranskia tuberculata) 、蓝萼香茶菜(Rabdosia japonica) 和鸡腿堇菜(Viola

verticillata ) 、苦荬菜(Ixeris denticulata) 、荨麻叶龙头草(Mechania urticifolia) 、中华蹄盖蕨(Athy-rium

sinense ) 和白花碎米荠(Cardamine leucantha) 等。

acuminata ) 等。 (3) 阔叶混交林: 以水曲柳、核桃楸、黄檗为主

的硬阔叶树组成的混交林。分布在海拔600~900 m(8) 落叶松人工林: 全部为天然次生林皆伐后的坡中位置, 地形较平整[20], 林龄一般在30~60年人工栽植的长白落叶松和日本落叶松人工纯林, 林

－23

之间, 林分蓄积量在 50~150 m・hm 之间。乔木龄一般在30~40年之间, 林分密度在1 000~2 000层没有稳定和绝对优势种, 为多物种共存, 多以假株・hm −2, 只有少数中龄林和幼龄林, 森林经营程度色槭、枫桦、色木槭为优势种; 灌木层常见乔木树较高, 林分生产力较高; 林下灌木层植被较少, 主种主要有假色槭、色木槭, 其他常见种均为灌木京要有金银忍冬、刺五加、乌苏里鼠李、接骨木山梅花(P. pekinensis) 、毛榛子和翅卫矛(E. acrop-(Sambucus williamsii) 、疣枝卫矛、山梅花和暴马丁 terus ) 等; 草本层常见种有荨麻叶龙头草、木 香等; 草本层植被主要有白屈菜(Chelidonium ma-贼(Equisetum hyemale) 、掌叶铁线蕨(A. pedatum) 、jus ) 、穿山薯蓣(Dioscorea nipponica) 、二苞黄精(P.

菜(Aquilegia

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oxysepala ) 等。

根据2006年森林资源二类清查结果, 对上述林分的多样性、生产力、林分结构、生态功能、林分健康水平等指标, 以及各指标的下一级具体指标进

林分健康水平指标, 各指标的权重系数按1/N i 计算,

N i 为指标数, 应用森林干扰度计算公式对区域内的8个森林进行森林干扰度(REFD ) 分析, 结果见表2。其中老龄林、阔叶混交林的REFD 值最小, 表明其与目标森林的距离最近, 其所受的干扰最小; 其次是蒙古栎林、水曲柳林、花曲柳林、胡桃楸林; 红松、落叶松人工林的REFD 值最大, 表明人工林所受的干扰最大, 其与目标森林的距离最远。

行收集、整理, 并对具体数据进行数量标准化处理。3.4 评价结果

根据该区域的森林类型特点等, 选择多样性指标、生产力指标、林分结构指标、生态功能指标、

表2 清原森林生态实验站现有森林的森林干扰度表

Tab. 2 Response extent of forests to disturbances (REFD ) for current forests in Qingyuan Forest Ecology Experimental Station

森林干扰度REFD

老龄林 Old-growt h forest 0.317 8

阔叶混交林 Broadleaf mixed forest 0.398 9

蒙古栎林 Q. mongo-lica forest 0.426 2

水曲柳林 F. mand-shurica forest 0.487 0

花曲柳林 F. rhyncho-phylla forest 0.498 3

胡桃楸林 J. mandshu-ria forest 0.501 6

红松人工林 P. koraiensis plantation 0.635 8

落叶松人工林Larix Spp plantation

0.686 4

4 结论

目前关于森林干扰的定量评价还不多见, 准确评价干扰作用是森林干扰生态学研究的基础, 因此科学地建立森林干扰度评价的指标体系, 不断完善森林干扰度的评价方法, 将有利于更加客观地评价森林干扰度。本文通过对森林干扰度及评价方法实例分析表明, 距离法能方便、快捷地评价森林干扰度, 可通过与目标森林的距离程度, 表征不同林分类型的森林干扰度, 同时还可根据不同区域、不同类型森林的特点, 选择不同的指标进行定量评价。

70(3): 565−566

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