周泉，叶茂，赵凡凡

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

健康的生态系统是人类可持续发展的重要前提[1].森林作为陆地生态系统主体，是生物圈生态系统中分布最广、类型最丰富、结构最复杂的生态系统，不仅为人类提供重要的社会、经济及环境产品与服务，而且在维护全球生态平衡和生物多样性、支持人类生命系统中发挥着不可取代的作用[2-3].森林生态系统健康的研究已成为当前林学领域研究的热点，许多学者对森林生态系统健康的定义、测定、评估和管理进行积极地探索[4-6].众多学者对生态系统健康进展和方法等进行研究[7-9]，发现维持森林生态系统健康仍然是今后森林经营发展的方向[10-11].目前森林生态系统健康的评估还没有一套可靠且统一的标准，仅仅停留在定性判断上，如何将定性判断与定量评价有机结合，是森林生态系统健康研究的重要问题[12-17].

阿尔泰山是欧亚大陆腹地物种保存十分完整的天然基因库之一，森林广阔，是新疆极其重要的生态屏障，也是新疆北水南调项目的重要水源地，在新疆未来的社会经济发展中处于十分重要的战略位置[18-19].近年来，阿尔泰山林地由于过度开发、粗放管理等原因，使林地退化和生态环境质量下降.目前，对阿尔泰山林地的研究主要集中在群落物种多样性[20-21]和生态环境问题等方面[22]，且关于阿尔泰山林地生态系统健康评价还少见报道.林地的健康状况，对林地功能的发挥起着关键作用，对林地健康生态系统进行评价，可以清晰了解林地健康状况.鉴于此，本研究以阿尔泰山林地为研究对象，通过野外调查，用获得的数据建立林地生态系统健康评价的VOR指数模型，按照不同林区、不同林区各样地等来定量评价阿尔泰山林地生态系统健康状况，为阿尔泰山不同林场的林地管理与林地生态系统恢复提供参考.鉴于生态系统类型的多样性及复杂性，不同专业的生态学家提出了不同的评价模式，本文采用了Constanza等[23]提出的VOR生态健康指数，对阿尔泰山森林生态系统的健康状况进行分析与评价.

1 研究区概况

研究区(图1)位于新疆维吾尔自治区东北部，东起青河县，西至哈巴河县，东北与蒙古接壤，西北与俄罗斯和哈萨克斯坦交界.地理坐标N 47°50′～49°5′，E 90°～91°40′.林区总面积225万hm2，阿尔泰山由西北至东南跨幅470 km以上，西北部宽约150 km，东南部宽约80 km.属温带干旱气候区.年平均气温1.8 ℃，无霜期110 d.年平均降水量158 mm，年平均蒸发量1 692 mm.域内地势复杂，地貌兼有山地、盆地、河谷、戈壁、沙漠5大类，海拔在1 000～3 500 m之间，地势西北高东南低为瓶口状.土壤类型有棕钙土、栗钙土、灰色森林土及棕色针叶林土，pH值偏酸性.阿尔泰山林区为北温带大陆性气候，森林资源丰富，林区总面积25 324 km2，其中林地面积18 322.67 km2，占林区总面积的72.4%.根据第八次全国森林资源清查结果，我国森林蓄积量为151亿m3，阿尔泰的森林蓄积量接近全国的1%，主要树种有松、杉、杨、桦、柳等，其中山区针叶林是森林资源的主体[24].根据2010年统计，3 000～3 500 m以上植被为苔藓类垫状植物；2 600～3 500 m为高山-亚高山草甸草原；1 300～2 600 m为森林草原带；800～1 300 m是灌木草原；植被分布下限由西向东升高，如森林下限为1 200～1 900 m，灌木草原下限为500～1 500 m，荒漠上限则为500～1 100 m.

图1 研究区示意图

2 材料与方法

2.1 样地调查方法

对阿尔泰山林场森林进行群落和物种调查，共设置标准样地185个，样地面积为20 m×20 m，记录并鉴定每样方内的所有乔木,于高度1.3 m处漆上红漆，用测树钢围尺测量植物的胸径，并记录树种名称、树高、胸径、样区位置.样地测量工作于2019年12月完成，数据由监测人员录入,可以随时发现问题，最大限度提高录入数据的精确度.

2.2 评价指标体系及分级标准

针对阿尔泰山林场林地的实际情况，根据选取评价指标应遵循的原则，选取对研究有重要意义的树高、生物量、物种频度、物种丰富度等指标进行分析，根据相关文献，把阿尔泰山林场林地生态系统评价级别分为4个等级：1级(优质健康)、2级(健康)、3级(亚健康)、4级(不健康)[25-27].

参考鲁绍伟等[28]对八达岭林场森林健康等级划分的研究成果，并结合各地健康综合指数的概率分布，本文将阿尔泰山林地健康状况分为4个等级，具体情况见表1.

表1 林地生态系统健康指数及健康等级

2.3 评价指标体系的建立

最早的经典评价指标体系来自生态系统健康评价.1992年，生态健康指数(health index，HI)由Costanza提出，从生态系统可持续能力的角度评价生态系统的健康状况，主要由活力(vigor)、组织结构(organization)、恢复力(resilience)3项测量指标来综合反映，后来经过Costanza[29]和Rapport D[30]进一步完善为VOR模型.

2.3.1 活力指数(V)的计算 活力表征系统的功能，是指系统物质生产与能量流动的活动性，体现生态系统中物质循环与能量流动的速率[31].本研究选用植物地上总生物产量表征系统的活力状况.具体计算如下:

V=B/BCK

(1)

式中：活力指数(V)用植物地上生物量进行测算，B为监测点样方植物群落地上生物量，BCK为对照样地单位面积地上总生物产量.V∈[0,1]，如V>1，则取V=1.

2.3.2 组织力指数(O)的计算 组织力表征系统的结构，体现生态系统结构与功能的优化能力.本文利用物种频率、相对生物量、植株相对高度计算系统的组织力[32].

具体计算如下：

O=OX/OCK

OX=∑[(Fi+Bi+Hi)/3]

Fi=Ni/N

Bi=Bij/Bj

Hi=Pi/Pmax

式中：组织力(O)，用植物群落物种频度、高度和生物量进行测算；OCK为参照样地的组织力值；OX为样地组织力；Fi为第i物种的相对频度；Ni为出现第i物种的样方数；N是所有调查的样方数.Bi为第i物种的相对生物量；Bij为第i物种在第j个样方中的干质量，j=1,2,3…，N；Bj是第j个样方的总地上生物量；Hi为各物种的相对高度；Pi为监测点植物中第i个植物种在样方中的植株平均高度，Pmax为Pi中的最大值.

2.3.3 恢复力指数(R)的计算 恢复力是指系统受到胁迫后抵抗、反弹和恢复到原来状态的能力[33].

根据前人的研究结果[34-35]，选用以下模型来计算系统恢复力(R):

式中：Li为物种i的寿命；Ii为物种i的相对生物量；P为物种数；V为活力，反映了生产力的恢复水平；SCK为对照，计算各单项指数时，选择各监测点平均值为对照.

2.3.4VOR综合指数的计算 根据研究区的基础调查资料，得出C、V、O、R分指数，VOR综合指数计算如下：

VOR=WV×V+WO×O+WR×R

WV+WO+WR=1

式中：WV、WO、WR分别对应分指数的权重数，且WV、WO、WR均大于或等于0，WV+WO+WR=1.本研究取样背景清晰，故取值WV=WO=WR=1/3.VOR指数越接近1，表明系统越健康，越接近0，系统越接近病态.

2.4 数据处理与分析

采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行统计分析，Excel 2007和Origin 2017作图.

3 结果与分析

3.1 阿尔泰山森林生态系统健康整体情况

对阿尔泰山7个林区33个样点的185个样方进行统计分析，根据生态系统健康综合指数模型，计算综合健康指数(VOR)，结果发现阿尔泰山林场林地VOR值分布范围在0.21～1，VOR值主要集中在0.9～1.根据林地健康等级表，阿勒泰林地不健康和亚健康状况的林地占44%，健康和优质健康的林地占56%(表2).经过统计分析得出阿尔泰山林地生态系统的活力V、组织力O、恢复力R和健康指数VOR的结果见图1.可以看出阿尔泰山林地生态系统的平均健康指数VOR为0.78，在0.75～0.9范围之间，属于健康水平.林地的V值和R值均低于0.75的健康标准，但都大于0.6的不健康标准，因此阿尔泰山草地的活力和恢复力整体水平较低，但还没有达到警戒状态，仅O值高于0.75，说明阿尔泰山林地系统的组织能力较强，系统结构比较稳定.

表2 整体样地情况

图2 阿尔泰山林地生态系统健康各项指数整体评价

从阿尔泰山7个林区林地生态系统的整体状况来看(图3)，两河源林区、阿勒泰林区、富蕴林区、福海林区、布尔津林区和青河林区林地生态系统属于健康状态(VOR>0.75)，而哈巴河林区林地生态系统处于不健康状态(VOR<0.75).7个林区林地生态系统健康等级排序依次为：两河源林区>阿勒泰林区>富蕴林区>福海林区>布尔津林区>青河林区>哈巴河林区.

图3 阿尔泰山不同林区林地生态系统健康VOR指数

从阿尔泰山7个林区林地生态系统的各项健康指标来看(图4)，只有两河源的活力指数V大于0.75，说明两河源林区的林地活力较强，林地的生物量较高.除两河源林区外，阿尔泰山其他6个林区的活力指数V均小于0.75，说明这6个林区的林地活力低，林地的生物量较低，其中哈巴河林区的活力最低.

图4 阿尔泰山不同林区林地生态系统健康各项指数

7个林区林地生态系统内部的组织能力都很强，组织力指数O均大于0.84.其中阿勒泰林地生态系统的内部组织力最强，组织力指数O为0.92，布尔津林地的组织力指数最低，O为0.84.虽然哈巴河林区林地的组织力水平相对较高，O值大于0.75，但是由于它的活力V和恢复力R相对低，均低于0.75，因此导致其林地生态系统整体处于不健康状态.

两河源林区和富蕴林区林地生态系统的恢复力R值均大于0.79，说明这两个林区的恢复能力较强.阿勒泰林区的林地恢复能力略微大于0.75，而布尔津林区、福海林区、青河林区和哈巴河林区的恢复能力较弱，其R值均小于0.75，其中哈巴河林地的恢复能力最弱.

3.2 阿尔泰山不同林区森林生态系统健康指数分析评价

对阿勒泰林区前山山坡、前山河流和后山山坡3个样点进行调查，计算结果表明(图5)，阿勒泰林区前山山坡和后山山坡的VOR值均大于0.75，说明这两点区域林地生态系统处于健康状态.前山河流的VOR值小于0.75，说明此区域林地生态系统处于亚健康状态.阿勒泰林区后山山坡林地生态系统的VOR值高达0.98，林地的活力、组织力和恢复力均很强，数值均在0.96以上.说明阿勒泰林区后山山坡林地生态系统很健康.

布尔津林区重点对河谷、旅游区、禾木山坡和贾登峪山坡进行调查.计算结果表明(图5)，布尔津林区禾木山坡和贾登峪山坡的林地生态系统VOR值大于0.75，处于健康状态.禾木山坡的林地生态系统VOR值为0.80，林地的活力、组织力和恢复力均强，数值均在0.78以上.贾登峪山坡的林地生态系统VOR值为0.82，虽然林地的恢复力不强，但是R值接近0.75，且此地点的活力和组织力较强.河谷和旅游区这些人类干扰频繁的区域，林地生态系统的VOR值均小于0.75.虽然河谷的组织力比较强，O值大于0.75，但是活力和恢复力很低.旅游区的活力、组织力和恢复力均在0.59以下，整体呈现出不健康状态.

福海林区的3个调查样点计算结果表明(图5)，山坡2和矿区的VOR值大于0.84，且这两个区域的V、O和R值均大于0.77，说明山坡2和矿区的活力、组织力和恢复力较强，林地处于健康状态.山坡1的VOR值低于0.75，说明山坡1处林地生态系统处于非健康状态.虽然O值很高，大于0.86，但是V和R值低于0.75，说明这个区域组织力高，但活力和恢复力很弱.

富蕴林区的4个调查样点计算结果表明(图5)，喀依尔特山坡的VOR值大于0.75，喀依尔特山坡的V、O和R值均大于0.8，说明喀依尔特山坡林地的活力、组织力和恢复力较强，林地处于健康状态.河谷的VOR值也大于0.75，虽然整体处于健康状态，但是河谷的V值小于0.75，说明河谷的活力较低.库依山坡和沙库尔布依克山坡的VOR值小于0.75，说明这两个样点的林地生态系统处于不健康状态.

哈巴河林区4个调查样地计算结果表明(图5)，只有白哈巴的VOR值大于0.75，表现出健康状态.白哈巴的O值和R值大于0.75，而V值小于0.75，说明其林地的组织力和恢复力较强，组织力较弱.那仁山坡、齐巴契列克山坡和铁列克山坡林地生态系统VOR值均小于0.75，表现出不健康的状态.其中那仁山坡和铁列克山坡的林地VOR值仅为0.37和0.48，表明其林地生态系统处于不健康状态，需要保护和恢复.

两河源林区林地生态系统整体处于健康状态，7个调查样点林地的VOR值均高于0.79，只有喀依尔特河谷的V值低于0.75，其他6个样点的林地活力均高于0.75，说明喀依尔特河谷的活力低，其他6个样点的活力均很强.7个样点的O值均大于0.77，说明两河源林地的组织力均很强.喀依尔特山坡和库尔木图山坡的R值低于0.75，而其他5个地点的R值均高于0.75，说明喀依尔特山坡和库尔木图山坡的恢复力弱，其他样点的林地生态系统恢复力强.

从青河林区8个样点来看(图5)，东布哈林河谷、腊斯特山坡、纳仁萨拉河谷和纳仁萨拉山坡的VOR值均大于0.75，说明这4个区域的林地生态系统属于健康状态，且这4个区域的V、O和R值均大于0.75，说明各个林地的活力、组织力和恢复力均较高，林地生态系统较为稳定.东布哈林山坡、奇巴哈勒盖山坡、奇巴哈勒盖河谷和天保办山坡的VOR值均低于0.75，说明这4个区域的林地生态系统不属于健康状态.东布哈林、奇巴哈勒盖和奇巴哈勒盖河谷虽然O值很高，均高于0.9，但是V和R值均低于0.75，说明这3个区域的组织力高，但是活力和恢复力很低.天保办林地的V值大于0.75，但是O和R小于0.75，说明这个区域的活力强，但是组织力和恢复力差.

图5 阿尔泰山各林区不同地点的生态系统的健康状况

表3 各林场样地情况

3.3 阿尔泰山各林区森林生态系统健康差异性分析

对阿尔泰山7个林区林地生态系统健康各项指标进行差异性分析，结果见表4.阿尔泰山7个林区草地生态系统健康的VOR整体上差异不显著(P>0.05).7个林区的草地健康的各项指标O和R均差异不显著(P>0.05)，而O值呈现显著差异(P<0.05).

表4 阿尔泰山7个林区林地生态系统健康各项指标ANOVA分析

从阿尔泰山7个林区之间的差异性对比分析结果看(表5)，林地处于非健康状态的哈巴河与林地处于健康状态的福海、富蕴和两河源林区差异显著(P>0.05)，而与阿勒泰、布尔津和青河的林地生态系统健康水平差异不显著(P>0.05)，说明阿勒泰、布尔津和的青河林地生态系统正处于健康状态向非健康状态转化的临界值.

表5 阿尔泰山林区林地生态系统VOR指数多重比较分析

对处于健康状态下的阿勒泰、布尔津、福海、富蕴、两河源和青河6个林区的林地生态系统进行多重比较分析发现，阿勒泰林区林地生态系统健康水平与其他区域的林地生态系统健康水平差异不显著(P>0.05)；布尔津林区林地生态系统健康水平与其他区域的林地生态系统健康水平差异不显著(P>0.05)；福海林区林地生态系统健康水平与富蕴、两河源和青河的林地生态系统健康水平差异不显著(P>0.05)；富蕴林区林地生态系统健康水平与两河源和青河的林地生态系统健康水平差异不显著(P>0.05)；哈巴河林区林地生态系统健康水平和青河林区林地生态系统健康水平差异不显著(P>0.05)；两河源林区林地生态系统健康水平和青河林区林地生态系统健康水平差异显著(P<0.05).

3.4 阿尔泰山不同林区海拔对生态系统健康影响评价

对阿尔泰山7个林区海拔在900～2 600 m范围内林地进行调查.随着海拔高度增加，7个林区林地生态系统健康VOR指标变化统计结果如图6所示.可以看出，随着海拔的升高，除青河林区外，其他6个林区林地生态系统健康VOR指标均有不同程度增加，但增加趋势不明显.其中，哈巴河林区和福海林区林地生态系统健康指数随着海拔升高增加的趋势要略快于其他林区增加速度.

图6 阿尔泰山不同林区不同海拔林地生态系统健康分析

将阿尔泰山7个林区所有海拔与林地生态系统健康各项指数作相关分析，见图7.由图7可以看出，在海拔900～2 600 m范围内，林地生态系统健康各项指数V、O、R和VOR值变化趋势不明显.从林地生态系统健康各项指数分析，林地的组织力指数(O)数值分布较为集中，活力指数(V)、恢复力指数(R)数值分布范围广，导致了随着海拔的增加，7个林区林地健康指数(VOR)分布范围较广，增加趋势不明显.

图7 阿尔泰山不同海拔林地生态系统健康各项指数分析

4 讨论

目前国内在森林资源健康评价方面研究依然薄弱，还不能精确掌握经营区森林资源的健康状况.本研究建立的阿尔泰山森林生态系统健康评价指标，参考了国内诸多学者的研究评价指标，如闫东峰等[13]、马向前等[35]、周传猛等[36]，比较适宜于阿尔泰山的森林系统.

利用本文建立的森林生态系统健康评价系统对185个样地的数据进行处理比较，发现区域是评价阿尔泰山森林生态系统健康的重要因子之一.与区域密切相关的是人为干扰，如旅游、放牧和采矿.整体上看7个林区生态系统健康最好的是两河源，因为两河源是自然保护区，受到的人为干扰最小.哈巴河林区生态系统健康评价最差，可能是由于本身组织力弱，且受到的人为干扰程度最大，尤其是当地牧民的过度放牧.生态系统差异性上，哈巴河林场与青河、阿勒泰和布尔津林场差异性不显著，表明了这三个地方也有变差的风险，而实际上，阿勒泰、布尔津和青河不仅是重要的放牧场地，更是北疆的重要旅游地，如喀纳斯风景区等，这与陈维社[37]、韩永新[38]的研究一致.

除对区域进行区分评价分析外，参考闫东峰等[13]、姬文元等[27]的研究结果，本文也将海拔作为考虑因素之一，但是计算出的结果发现，生态系统的各项指标随海拔变化并不明显，可能是由于虽然阿尔泰山绝对海拔差比较大，但是相对海拔高差不大，对同区域的植物生长影响不大.另外本文的样地设置较多，减少了数据本身误差，更接近真实情况.

本文从多角度对阿尔泰山林地生态系统进行健康评价，完善了阿尔泰山林地健康状况的研究，为阿尔泰山林地管理与生态恢复提供了准确、详细的参考.

5 结论

7个林区林地生态系统健康等级排序依次为：两河源林区>阿勒泰林区>富蕴林区>福海林区>布尔津林区>青河林区>哈巴河林区.

阿勒泰林地、布尔津林地、福海林地和青河林地，从平均值看属于健康等级，从样地数量比例上看总体质量相对一般.富蕴林地和两河源保护区林地，从平均值上看属于健康等级，从样地数量比例上看总体健康质量相对较好.哈巴河林地，从平均值上看属于亚健康等级.从样地数量比例上看哈巴河林场的总体健康质量相对偏低.阿尔泰山林场林地，从平均值上看属于健康等级，从样地数量比例上看阿尔泰山林场的总体健康质量相对一般.阿勒泰、布尔津和青河林地生态系统正处于健康状态向非健康状态转化的临界值，说明阿勒泰、布尔津和青河林地生态系统有变差的危险.在林地管理中应对哈巴河林区进行林地修复，对阿勒泰、布尔津和青河林地进行重点关注.

阿尔泰山不同林区生态系统健康以及各项指标随海拔变化不明显，说明海拔对生态系统健康的影响较小.