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

Community features and health evaluation of the different-aged Haloxylon ammodendron at downstream of Shiyang River

摘要

目的 调查和评价石羊河下游梭梭（Haloxylon ammodendron）防风固沙林的群落特征及其健康度，为防护林健康评价提供依据。 方法 选择30 a、20 a和10 a的梭梭林，调查高度、基径、冠幅、新枝长、密度、幼苗数、地面结皮等指标，分析Margale丰富度指数、Simpson指数等，应用专家打分和层次法确定指标权重，借鉴VOR模型的指标体系，分析HI健康指数。 结果 随着林龄增加，3种梭梭林的密度和优势度分别降低76 %和62.19 %，物种多样性和土壤结皮面积分别增加1.79倍和5.70倍。梭梭林健康指数表现为：30 a>20 a>10 a，差异性不显著（P>0.05）；10 a林与30 a林的活力指标差异显著（P<0.05），其余指标差异不显著。10 a林的恢复指标较低，结构指标大于20 a和30 a的。 结论 随着林龄增加，梭梭林的种群退化，群落多样性增大，但健康度差异不显著，10 a林龄是管理的关键时期。

Abstract

Objective The study was conducted to investigate the community features and perform health evaluation of Haloxylon ammodendron windbreak in the downstream of Shiyang River，laying a foundation for its management. Method Haloxylon ammodendron windbreak of 30 years (a)，20 years (a) and 10 years (a) old were employed，and the height，base diameter，crown width，new twig length，density，seedling number and ground crust were measured.Following this，Margale richness index and Simpson index were calculated，and the HI health index was analyzed by referring to the index system of VOR model，with the index weight determined by expert scoring and hierarchy method. Result With the forest aged，the density and dominance of the three Haloxylon ammodendron windbreak decreased by 76% and 62.19%,respectively，and the species diversity and soil crust area increased by 1.79 and 5.70 times，respectively.Health index was the highest for the 30 a H.ammodendron windbreak，followed by that of 20 a and 10 a，among which the differences were not significant (P>0.05).The vigor index for the 10a forest was significantly different with the 30a windbreak (P<0.05)，and there was no significant difference among the other indexes.The resilience index of the 10 a windbreak was relatively low，and its organization index was greater than that of the 20 a and 30 a. Conclusion With the windbreak aged，the population of H.ammodendron windbreak degenerated and the community diversity increased，while the health status did not varied significantly.The 10 a age was the key period of the management of H.ammodendron windbreak.

Graphical abstract

关键词

石羊河下游 / 梭梭防风固沙林 / 群落特征 / VOR健康模型 / 健康评价

Key words

downstream of Shiyang River / H.ammodendron windbreak / community feature / VOR health model / health assessment

森林健康评价是有效管理森林资源，服务于森林可持续经营的最重要和紧迫的课题之一^［1-2］。构建适合防护林健康评价的指标体系和评价方法，有利于防护林的科学管理和可持续经营。目前，我国防护林健康评价落后于建设^［3］。

近年来，国内外学者对森林健康的概念、评价指标和方法已有诸多的研究报道^［1］。健康评价指标的经典模型，即“活力（V）-组织结构（O）-抵抗力或恢复力（R）”模型^［3］，已被成功应用于森林和草原等多种生态系统健康评价中^［4-5］。常用的健康评价方法有健康指数法（HI）^［5-6］和模糊综合评价法^［7-8］等。常用的防护林健康评价指标体系有两类，一类是选择表示群落生物和生态特征的指标^［6］，另一类则主张将功能指标和人类影响也作为健康评价指标纳入分析^［7］。目前，国内外还尚未形成统一的防护林健康评价指标体系^［3，5］，不同研究者针对防护林类型所选择和应用的评价指标和方法有所不同^［9-11］。

梭梭（Haloxylon ammodendron）生长在流动沙丘，是河西走廊防风固沙林的骨干树种^［1-2］。位于石羊河下游的民勤是我国沙尘暴高发区，人工防风固沙林主要树种梭梭^［13-14］，在保护区环境安全和减少沙尘天气中发挥着重要作用。近年来，在研究梭梭林退化特征和变化基础上，对梭梭人工林的健康也进行了分析^［6-7］。常兆丰等^［6］建立了状态指标、病态指标、多样性指标和自然更新能力指标，运用模糊评判法对梭梭林健康状况进行了评价，论述了优势种植物和伴生植物与群落健康序列的关系。付贵全^［7］选择群落结构、群落功能、健康风险和生境因子指标，应用生态系统健康综合指数模型比较了民勤的梭梭群落及其他典型植物群落的健康序列。但以上研究均没有明确林龄，而不同林龄梭梭林退化特征是不同的^［15-16］，其健康特征也应该存在差异。人工梭梭林群落单一、结构简单，更新困难^［16］，不同龄级的特征明显^{［7，15-16］}。因此，有必要从防护林群落的视角分析不同林龄的梭梭林健康状况^［5，17］，研究其状态和变化趋势，为精准管理提供依据。本研究参考森林生态系统和防护林健康评价的资料，建立梭梭防风固沙林健康评价指标，比较不同龄级林健康特征，以期为石羊河下游防风固沙林精准管理和功能修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本观测调查样地位于干旱荒漠区的石羊河下游，属于甘肃省武威市民勤县，境内三面均为沙漠；区域气候属于典型的温带大陆性气候，年平均日照2 731.5 h，平均气温7.86 ℃，极端最低气温-30.8 ℃，极端最高气温40 ℃，日平均温差15.9 ℃，年极端温差62.4 ℃，无霜期175 d。多年平均冻土深度约53 cm，无霜期约173 d，平均风速约2.4 m/s；平均空气相对湿度约49%，该地区干热风主要出现在每年的6月和7月中旬。风沙土为境内主要土壤类型，主要分布在西部和东部，盐碱土广泛分布于湖盆等低洼地区。民勤绿洲外围植被形成了天然植被与人工植被交织结构，天然植被主要有白刺（Nitraria tangutorum）、柽柳（Tamarix ramosissima）和沙拐枣（Calligonum mongolicum）等^［13-14］，全县人工造林保存面积15.32×10⁴ hm²以上，其中防风固沙林主要是梭梭林。

1.2 野外样地调查

根据前期研究，在石羊河下游，10 a 以上的人工梭梭林开始退化和自然稀疏，当林龄达25 a以上时，林分密度趋于平稳^［2，10］。因此本研究选择样地林龄为：① 10 a成熟林，所有植株全部开花结果，平均高度达到2.5~3.0 m，林地有自然稀疏现象，没有林窗形成，植株中下部枝条开始死亡，林地死亡植株<1.0%。② 20 a中熟林，林地出现面积大于10 m²以上的不连续林窗，自然稀疏明显，植株下部枝条1/3死亡，死亡植株占比为1.0%~30.0%。③ 30 a过熟林，连续分布的林窗出现，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种林龄的梭梭林为研究对象，分别在石羊河下游的老虎口（E 103°9′55″，N 38°45′39″）、西沙窝（E 102°53′46″，N 38°34′3″）和泉山林场（E 103°20′30″，N 38°49′18″）选择样地进行调查。根据地形地貌等环境相似原则，每个样地平行设置间隔30 m的20 m×20 m灌木样方3个。调查记录每个样方内植物高度（cm）、灌木基径（cm）、冠幅（长轴与短轴，cm）、梭梭新枝长度（cm）、密度（株/m²）、1~5 a龄梭梭幼苗数量（株/m²），记录样方内植物生活型等。其中，植物高度采用测高仪测量，冠幅采用钢卷尺测量，基径用游标卡尺测量。用GPS记录样地经纬度、海拔，同时记录地表流沙面积以及结皮比率。

1.3 群落多样性指标

群落多样性指数：选取Margale丰富度指数和Simpson指数，具体计算公式如下：

D=\frac{(S-\mathrm{1})}{\mathrm{l}\mathrm{n}N}（1）

S_{\mathrm{i}\mathrm{m}}=\mathrm{1}-{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^s}{P}_i^{\mathrm{2}}{}^{}（2）

式中：D为Margale丰富度指数，S为物种数目，N为全部物种个体总数，S_im为Simpson指数，P_i 为物种i的个体数与全部物种个体总数N的比值。

冠幅覆盖度：观测区域的总面积内所有植株冠幅所占面积比。

L_{\mathrm{c}}=\frac{P_{\mathrm{A}}\times \mathrm{C}}{A}（3）

式中：L_c为冠幅覆盖度，P_A为样方面积A内的植株总数，C为样方内观测植株的平均冠幅。

综合优势比：植物密度比与盖度比之和的平均数，确定植物在群落中的的地位。

SD{R}_{\mathrm{2}}(\mathrm{\%})=\frac{(D_{\mathrm{i}}+{\mathrm{C}}_{\mathrm{i}})}{\mathrm{2}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

式中：SDR₂为综合优势比，D_i 为物种i的相对密度，C_i为物种的相对冠幅覆盖度。

1.4 健康评价体系构建

1.4.1 健康指标

从林分（群落）尺度，应用VOR模型，分析不同林龄梭梭林健康程度，比较其特征。VOR综合指数已于1999年被国际生态系统健康大会接受为生态系统健康诊断指标，并在森林和草原等多种生态系统健康评价中成功应用^［1-5］。

活力指标（vigor，V）：为群落新陈代谢和初级生产力，此指标主要以生产力等测度为参考^［1，5］，反映生物学特征。本文应用下述指标进行计算：树高、基径、新枝生长量、结实状况（枝上中下内外都有结实为3，中下内外结实为2，中下外部结实为1.5，仅顶结实为0.5，不结实为0）。

V={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{w}_i{V}_i（5）

式中：V代表活力指标；V_i 代表一级指标中的二级指标的得分；w_i 代表二级指标的权重，通过专家打分和计算得到树高w_i1、基径w_i2、新枝生长量w_i3、结实状况w_i4的权重（w_i1+w_i2+w_i3+w_i4=1）。

结构指标（Organization，O）：系统的组成和结构，群落结构指标反映其物种组成结构及物种间相互关系^［1，5］，应用此指标表征梭梭群落结构，包括植物组成及其空间结构。物种生活型比例（以不同植物种数量占总植物数量的比值计算）、冠幅覆盖度、密度和层片（以不同生活型植物数量占总植物数量的比值计算）。

O={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{w}_i{O}_i（6）

式中：O代表结构指标；O_i 代表一级指标中的二级指标的得分；w_i 代表二级指标的权重，通过专家打分和计算得到生活型比例w_i1、冠幅覆盖度w_i2、密度w_i3、层片w_i4的权重（w_i1+w_i2+w_i3+w_i4=1）。

恢复指标（Resilience，R）：恢复力是生态系统在出现外界压力的情况下，保持自身结构或功能的程度，包括了植物群落的物种数^［5］。此项指标用于反映梭梭林受病虫自然灾害的调节能力、恢复力和稳定性，选择地表结皮代表梭梭林的土壤环境状况。物种多样性（以物种丰富度表示）、更新苗（以梭梭1 a幼苗表示）、病虫害（枝上中下内外都有病枝为0，中下内外有为0.1，中下外部0.3，仅顶0.5，没有病枝为1）和地表结皮（地表结皮占样方面积百分数）。

R={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{w}_i{R}_i（7）

式中：R代表恢复指标R_i 代表一级指标中的二级指标的得分；w_i 代表二级指标的权重，通过专家打分和计算得到物种丰富度w_i1、树龄1 a幼苗w_i2、病虫害w_i3、地表结皮w_i4的权重（w_i1+w_i2+w_i3+w_i4=1）。

1.4.2 健康指数计算

健康指数法（HI）在多种生态系统健康评价中得到应用和检验^［1］ 。本文根据实际情况对其进行了修正，以评价梭梭防风固沙林群落健康状况，具体模型如下。

HI=W_V{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{w}_i{V}_i+W_O{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{m}}}{w}_{\mathrm{i}}{O}_{\mathrm{i}}+W_R{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^m}{w}_{\mathrm{i}}{R}_{\mathrm{i}}（8）

式中：HI为综合健康指数，V、O、R分别代表活力指标、结构指标和恢复指标；V_i 、O_j 、R_k 分别代表一级指标中的二级指标的得分；W_V 、W_O 、W_R 分别代表一级指标的权重（W_V +W_O +W_R =1），w_i 为二级指标的得分权重。

1.5 数据的统计分析

应用Microsoft Excel 2010进行录入、数据统计，分类计算和做图，应用SPSS 20.0软件进行统计分析。

1.5.1 数据归一化

因为观测指标包括了高度、长度、密度、幼苗数和结皮面积百分比等不同类型数值，所以应用下式进行归一化计算。

Y_{li}=\frac{X_{li}-\mathrm{M}\mathrm{i}\mathrm{n}{X}_{li}}{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}{X}_{li}-\mathrm{M}\mathrm{i}\mathrm{n}{X}_{li}}（9）

式中：Y_li 为第l样方第i指标的归化值，X_li 为第l样方第 i 指标的观测值。

1.5.2 指标权重确定

首先邀约本领域的20位专家对指标权重进行打分，应用AHP层次法确定权重，即通过Yaahp 软件得到权重判断矩阵，再计算出最大特征向量，获得各指标的权重。再应用熵值法进行修正，最后结合主客观方法确定综合权重。

Q=aQ₁+（1-a）Q₂（10）

式中：Q代表各指标的综合权重，Q₁代表AHP层次法确定的权重，Q₂代表熵值法确定的权重，将a赋值0.5。

2 结果与分析

2.1 梭梭林群落特征

不同林龄的梭梭防风固沙林特征主要表现（表1）为：随林龄的增加树高与冠幅比有增大趋势，30 a林龄的树高与树冠比分别是20 a林龄和10 a林龄的1.9倍和1.2倍，10 a林龄和30 a树高与树冠比相差较大，差异显著（P<0.05）。10 a树高与树冠比标准差最大，说明树龄增大，个体之间的冠幅差异较小。随树龄增大，梭梭的密度变小，且差异显著（P<0.05），30 a的梭梭林密度只有10 a林龄的24.00%，20 a林的出现林窗。30 a林龄梭梭的物种丰富度指数是20 a和10 a的1.37倍和1.79倍，物种空间分布均匀度也增大，Simpson指数增大，但是差异不显著。30 a林龄的梭梭综合优势比只有10 a林的37.81%。随着林龄增大，物种多样性增大，梭梭优势度降低。

2.2 梭梭林健康度比较

通过二级指标对梭梭林健康度进行分析（表2）。在活力指标中，不同林龄的梭梭高度、新枝长、基径和结实的差异不显著（P>0.05）。新枝的权重最大（0.40），归一化数值也是30 a林龄的新枝值最大，分别是10 a和20 a的1.51倍和1.48倍，对活力指标影响较大，30 a生梭梭还保持萌发生长活力。在结构指标，30 a的生活型比例分别是10 a和20 a的1.45倍和1.34倍。10 a的密度归一化值分别是20 a和30 a的1.04倍和2.42倍，3种林龄的密度差异较显著（P<0.05），密度归一化值的变异系数（30.43%）也较大。恢复指标是土壤结皮的权重（0.34）最大，其次是物种丰富度（0.24）。土壤结皮数据的变异系数也最大，10 a梭梭林没有结皮，而30 a林龄的结皮的归一化数值分别是10 a和20 a的5.7倍和4.7倍。30 a林龄的土壤环境相对10 a的不仅有流沙，土壤表面50%以上形成结皮。

随着林龄增大，梭梭防风固沙林健康指数增大，但是差异性不显著（P>0.05），10 a、20 a和30 a林龄的健康指数分别为0.20、0.24和0.30（图1）。活力指标的权重（0.394 3）大于结构指标（0.331 6）和恢复指标（0.274 1），活力指标对于梭梭群落健康的影响较大。30 a林龄的活力指标较大（指标值0.50），10 a生的活力指标最小（指标值0.22），二者相差2.27倍，差异显著（P<0.05）。10 a的结构指标分别为20 a和30 a林龄的1.47倍和1.25倍，20 a林的结构指标小于30 a林的0.02，但3种林龄结构指标差异不显著（P>0.05）。恢复指标值小于结构指标和活力指标，10 a的恢复指标分别为20 a和30 a林龄的81.73 %和60.51 %。随着林龄增加，群落弹性或恢复力增大。

3 讨论

3.1 梭梭林群落生物生态特征随林龄的变化

随着林龄增大，梭梭林群落覆盖度降低、优势度下降，而其组成群落的物种多样性和地表土壤结皮面积增大，这与大多数研究的结果相似^［18-19］。梭梭林退化判定指标主要是植株生长状况、结实情况、实生苗和林地结皮覆盖度^［18］，以此确定梭梭林退化等级。本研究所涉及10 a、20 a和30 a林龄的梭梭林变化较大的是密度，物种和群落生物多样性增大，群落健康度差异不显著（P<0.05）；随着林龄增加梭梭个体减少，优势度降低，幼苗数量少或无，梭梭种群处于退化过程。民勤沙区人工梭梭林自然稀疏过程（ 密度减少） 与林龄的相关性是极显著的^{［16，20］}。有研究认为石羊河下游民勤的8 a树龄以上的梭梭林开始退化^［19］，10 a树龄以上的梭梭林其自然稀疏过程很快，当梭梭林龄达25 a以上时，林分密度变化平缓，趋于稳定^［16］。因此，石羊河下游10 a林龄左右的梭梭林处于变化拐点期，是梭梭林管理的关键时期。

3.2 梭梭防风固沙林健康评价指指标及方法

应用指标体系评价森林生态系统健康是国内外较常用的方法^［5，21］，但是，防护林健康评价指标建立因人因地而异，至今尚未得到统一。健康指标包括了反映森林植物的生物学特征，可以认为是活力指标，应用新陈代谢或初级生产力等测度；表征森林植物群落的组成及其空间结构指标，可以认为是结构指标，包括物种组成及物种空间关系；反映森林植物抵抗病虫等自然灾害的能力和胁迫下维持结构和恢复功能的能力，可以认为是恢复指标；也有的研究者将森林功能^{［7-8，22］}、环境和经营管理^［25］指标纳入健康评价。健康的森林应该具有稳定的组织结构、对干扰的抵抗能力以及自我调节和恢复能力，健康森林必然具有功能，因此防护林健康评价应该以其生物和生态指标为主。近年来，众多学者应用多种方法评价森林生态系统健康，常用的有健康指数法（HI）、距离法（HD）、人工神经网络模型法、主成分分析（PCA）、层次分析法（AHP）、模糊综合评价法^［23］等。其中健康指数法（HI）应用较多，此方法也被国际生态系统健康大会接受为生态系统健康诊断模型，在多种生态系统健康评价中得到应用和检验^{［7，17，24］} 。因此，本文应用VOR综合指数模型对3种林龄的梭梭林进行健康评价，应用健康指数法，建立梭梭林健康评价二级指标，对梭梭防风固沙林健康进行评价。其中一级健康指标只设立活力指标、结构指标、恢复指标，这与健康指数法所确定指标一致^［1，4］，因为防护林结构决定防护林的功能^［25-26］。另外由于当前对于梭梭防风固沙林健康功能与价值的研究尚处于完善阶段，难以客观描述其健康社会属性的特征值，如果采用了这些信息将可能导致评价结果出现较大偏差^［7］，因此本文的评价研究未将梭梭林生态功能列入。生物多样性是生态系统抗干扰能力、恢复能力及适应环境变化能力的物质基础^［27］，因此，本研究将生物多样性指标归入恢复力指标，评价不同林龄梭梭防风固沙林的恢复力及稳定性。这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为水资源减少和土壤结构变化^{［15-16，18-19］}。因此，梭梭林健康评价未列入人为影响指标。

3.3 梭梭防风固沙林健康指数随林龄的变化

随着林龄增大，森林生态系统组成和结构等都发生变化，林龄是森林健康评价的指标之一^［13］，已有应用不同判定范围确定水土保持林的健康度的研究报道^［10］。健康森林特征应该是个体较好的保持生物特征、能够完成生物和生理过程、群落结构完整、功能协调并具有较强的可持续发展能力，且能维持对胁迫的恢复力^［3］。研究分析结果表明，民勤10 a、20 a和30a梭梭林的健康指数差异不显著（P>0.05），梭梭林在8 a后开始退化^［19］，30 a以上林龄梭梭仍能开花结实^［6］。30 a梭梭林的健康度大于20 a，这与常兆丰等^［6］应用模糊判别方法对民勤的梭梭林健康度进行评价结果相似。民勤梭梭林的退化是个体数量的减少，是种群退化，而群落健康度反而随着林龄增大有所增加，这与梭梭林物种多样性增加相关。

4 结论

随着林龄增加，梭梭林的密度和优势度降低，林内梭梭幼苗少或无，种群处于退化过程。但是，梭梭林物种多样性和土壤结皮面积增加，结构变复杂。3种林龄的梭梭林群落健康指数表现为30 a>20 a>10 a，但是差异性不显著。差异较大的是活力指标，10 a林和30 a林的差异显著（P<0.05），其次是恢复指标。30 a梭梭的新枝长大于10 a和20 a林龄的，具有一定生育活力。3种林龄的密度差异较显著（P<0.1），10 a林群落的结构指数大于20 a和30 a的梭梭林。10 a梭梭林的活力指数较低，病虫害指数也较大，群落属于相对变动较大时期，是管理的关键时期。

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基金资助

甘肃省重大项目“八步沙及河西走廊典型风沙区退化防风固沙体系修复关键技术研究与示范”(21ZD4FA010)

甘肃省林草局项目“低覆盖度非均匀配置防风固沙林防护效益的风洞实验研究”(ky20-09)