林业科学  2007, Vol. 43 Issue (7): 78-85   PDF    
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王彦辉, 肖文发, 张星耀.
Wang Yanhui, Xiao Wenfa, Zhang Xingyao.
森林健康监测与评价的国内外现状和发展趋势
Current Status and Development Tendency of Forest Health Monitoring and Evaluation
林业科学, 2007, 43(7): 78-85.
Scientia Silvae Sinicae, 2007, 43(7): 78-85.

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收稿日期:2007-01-15

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王彦辉
肖文发
张星耀

森林健康监测与评价的国内外现状和发展趋势
王彦辉, 肖文发, 张星耀     
中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091
摘要: 对欧美国家森林健康研究的发展历程、森林灾害类型和致害因素、森林健康监测计划、森林健康监测网络和监测技术、森林健康监测指标、森林健康的评价及森林健康调控技术等方面进行系统总结,简要回顾中国相关领域的研究概况。中国目前的森林健康理论和技术还不是很完善,表现在对林木生长环境监测的重视不够,森林服务功能的考虑不足;森林健康评价的发展严重滞后于健康监测,缺乏森林健康综合评价方法和预测能力;指导森林健康经营的能力不足,尚未进行森林健康调控的系统研究总结,缺乏成套技术。提出:1)森林健康应是对森林结构、森林环境、森林功能3个方面的综合评价,森林健康经营是通过经营管理而合理地调整森林的结构、环境、功能之间的关系,从而达到立地环境、系统结构、系统功能的统一,维持森林生态系统的稳定性和提高其功能多样性;2)加强对森林健康的监测、评价与预测技术的研究非常重要,是林业经营和生态环境保护科学决策的基础,建立森林健康监测网络是现代林业发展的必然需求;3)森林健康经营是全球变化条件下实现森林多功能可持续利用的技术途径和新要求,急需加强相关基础性研究和国际交流;4)森林健康具有格外鲜明的跨部门、跨学科、跨区域的综合性特点,需政府加强协调和促进部门合作,并制定国家长期森林健康监测、评价、调控计划。
关键词:森林健康    监测    评价    森林经营    森林功能    林业发展    
Current Status and Development Tendency of Forest Health Monitoring and Evaluation
Wang Yanhui, Xiao Wenfa, Zhang Xingyao     
Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry Beijing 100091
Abstract: The Forestry in China has been converted into the ecological direction, therefore the expectations and requirements for forestry is increasing. Maintaining and improving the forest healthy level, and fully using the multifunctional benefits of forests in long-term, are new requirements for sustainable development and harmonized society. Forest health has been become one synthesized new branch of forest science and technology, and it is increasingly accepted worldwide. The advanced forestry countries in Europe and North America regard forest health as one important issue. The related study and monitoring have been implemented for more than 20 years, thus rich experiences have been accumulated, scientific knowledge have been deepened, many techniques of monitoring and evaluation have developed, and some attempts have been carried out for healthy management of forests. All these can be used as reference for the forest health development in China. In this paper, the development of forest health in Europe and North America has been systematically summarized, including the development course, forest damage types and influencing factors, national and international forest health monitoring programs, monitoring network and monitoring techniques, monitoring indicators, health evaluation and health regulation. Also the development in China has been briefly overviewed. Further, the shortages of current research have been pointed out. Firstly, the current theory and techniques of forest health are to be further perfected, the monitoring of forest environment has not got enough attention, and the services and functions of forests were not enough considered; Secondly, the development of forest health evaluation is lagged than forest health monitoring, the lack of integrated evaluation methods leads to a lower ability of forest health prediction; Thirdly, the techniques to guide forest health management is not well developed, there is no systematical summing-up for forest health regulation, and there is no whole set of regulation techniques until now. Based on the current development of forest health and the new requirements for forestry, it is pointed out that: 1) Forest health should be an integrated evaluation of forest ecosystem structure, forest environment and forest functions, forest health management is the regulation of the interrelation between the three aspects to maintain their harmonization and to improve the forest ecosystem stability and functions; 2) It is very important to strengthen the technical research of forest health monitoring, evaluation and prediction, this will provide a scientific base for proper decision in forest management and environment protection, establishing a forest health monitoring network is the essential and certain requirement of modern forestry; 3) Forest health management is the technical approach for realizing the sustainable multifunctional utilization of forests under global change, the basic research and international exchange and cooperation are urgently required; 4) Forest health has very clear features of trans-sector, inter-discipline and trans-region, it is very necessary to intensify the coordinator role of government and to strengthen the inter-sector cooperation, and to set up a long-term national plan for forest health monitoring, evaluation and regulation.
Key words: forest health    monitoring    evaluation    forest management    forest function    forestry development    

中国林业已实现了从以木材生产为主向以生态建设为主的转变,进入了快速发展时期,但仍然存在很多有关森林健康的问题,如:1)传统的造林和经营方式对森林健康有很多不利影响,目前大多数森林特别是人工林处于亚健康或不健康状态,难以充分发挥各种生产和生态功能;2)森林保护的要求日益提高,体现在历史性重大有害生物尚未得到有效控制的同时,一些次要性有害生物却逐步演化成主要威胁,检疫性病虫害也构成新威胁,以环境整体恶化为诱因的寄主主导性病害爆发成灾,每年造成上千亿元的直接损失;3)随着自然环境、经营管理、社会经济等方面的变化,森林受害的类型不断增加和发展,如气候胁迫、酸雨、污染等影响森林健康的问题日益加重和扩大;4)中国缺乏自己的森林健康标准,难以指导和实现森林的健康营造和经营,导致建设经费、森林功能、生态环境的巨大损失。随着中国林业加速发展及对森林功能要求的迅速提高,急需一套适合国情的森林健康综合监测、评价、调控技术。系统总结国内外的相关研究成果,全面和深刻地认识森林健康的本质和过程,是非常有益的。

1 森林健康的重要性

森林健康正在或已经成为林业科技中的一个新方向,并得到越来越广泛地承认;同时,它又作为众多相关学科交叉融合的平台,服务于森林可持续经营和区域可持续发展。在2003年联合国森林论坛和第12届世界森林大会两个国际性林业会议上,都把森林健康作为会议的重要专题。

按照生态学基本原理,森林生态系统的结构决定其功能,而系统的最优结构和潜在功能很大程度上决定于森林立地质量,并和经营管理措施密切相关。要构建健康森林和获得最好功能,必须借助合理经营措施,使森林结构适应立地潜力和功能要求,达到立地环境、系统结构、系统功能、经营管理的统一。

影响森林健康的因素非常多,不健康的形式各异,且随地区和森林类型变化,问题非常复杂。所以虽然美国正式提出森林健康的思想已有近20年的历史,欧洲开展森林健康监测已有20多年,但目前仍然还没有形成一个有普遍意义的森林健康定义,有关学术争论仍然很多。然而,关于森林健康的基本概念还是相对一致的,认为健康森林能够维持其本身的结构复杂性和系统稳定性,生物和非生物因素(病虫害、环境污染、营林、林产品收获)不能威胁其当前和未来的经营目标,即充分满足人类对其价值、产品和生态服务功能等的需求。森林健康经营的实质就是使森林具有较好的自我调节并保持系统稳定的能力,对不健康或亚健康的森林针对主要问题采取相应措施恢复健康。森林健康不仅是森林管理的一个目标,更重要的是作为森林管理的一种有效手段越来越多地应用于森林管理中。

2 国外的森林健康研究与发展现状 2.1 森林健康研究的发展历程

欧洲和美国最早开始关注森林健康问题,在很大程度上代表着目前的先进研究水平。因为重点关注的森林受害类型不一样,美欧的研究发展历程并不不同。美国更多地强调针对火灾和病虫害的森林健康经营;欧洲则更多地强调与空气污染有关的森林受害,但这是相互影响的一个问题的两个方面。目前研究仍主要集中在森林健康监测指标和评价技术方面,对如何调控和维持森林健康,还只处在对个别技术和经验进行总结的阶段,仍缺乏理论性地系统研究总结,也没有提出成套技术。

在20世纪70年代,德国等欧洲国家先后出现大面积酸雨危害森林,导致生长衰退、冠层稀疏、树叶变色、甚至林木死亡,成为当时普遍关注并延续至今的重大生态环境问题,对全球的生态环境保护的意识觉醒和事业发展起到了划时代的推动作用。从1983年起,德国率先开始了森林健康(受害)监测(德国林业和林产品研究中心,2002唐守正等,2002陆元昌,2003),而后很快扩展形成了覆盖欧洲的监测网络,并提出了具有欧洲特色的监测指标体系和监测与评价技术。

美国森林资源比较丰富,不少森林的健康长期受干旱、病虫害、火灾的威胁,特别是一些生态环境已发生变化的森林。因此,森林健康概念首先在美国得到了发展。美国防治森林病虫害在20世纪60—70年代是“预防为主,综合防治”;70年代末发展了“病虫害综合治理”新概念,即综合运用各种手段适当调控生态系统的各种物理环境、生物区系、寄主的抗病性、病原物的生存和繁殖等,形成生态系统的相对平衡,使病虫害数量及其损失控制在经济允许水平之下;90年代伊始,则进一步提出了森林健康的思想,将森林病虫害和火灾防治上升到森林保健的高度,2003年还对森林健康进行了立法,制定了全国森林健康战略,提出了“森林健康关系人类未来”的口号,目前已在全国形成共识,并成为森林管理过程中一条始终贯穿的原则(肖文发等,2001赵良平等,2002)。

2.2 森林灾害类型和致害因素

首先必须明确,森林受害概念并不同于森林健康。森林受害是不健康的结果,但某些灾害可能具有加重森林不健康程度的作用。因森林健康和森林受害的关系非常复杂,所以研究森林健康必须同时研究森林受害。森林灾害类型很多,肉眼可见的急性灾害有火灾、病害、虫害、鼠害、旱灾、风灾、生物入侵灾害等,难以肉眼观测的慢性受害有水分亏缺、土壤污染、土壤酸化、营养不足等。

造成森林灾害的胁迫因素有很多,监测这些胁迫因素往往是森林健康监测和预测的重要内容。概括起来可分为系统结构胁迫(不合理的树种组成、密度、经营等)、有害生物胁迫(病菌、害虫、害鼠、动物、入侵生物等)、土壤养分胁迫(土壤贫瘠、营养失衡、个体竞争等)、土壤水分胁迫(土壤干旱、生理干旱等)、气象胁迫(干旱、火灾、高温、低温、风、雹、冻雨、渍涝等)、污染胁迫(空气污染、土壤污染、土壤酸化、臭氧危害等)等。很多胁迫因素或是森林生态系统的组成部分,或是森林生态过程的驱动因素,相互之间关系复杂。

欧洲对环境污染与虫害发生的关系进行了大量研究,证明环境污染对虫害有促进作用,如SO2污染使森林中鳞翅目害虫数量明显增多,林木受害明显加剧(Riemer et al., 1989)。在散发SO2和NOx的工厂附近以及交通干线两侧和城镇中心,虫害明显加重,如高速公路旁边的山楂(Crataegus spp.)树上的蚜虫(Aphis pomi)数量显著增加(Braun et al., 1984)。欧洲赤松(Pinus sylvestris)上叶蜂(Neodiprion sertifer)的卵孵化率随模拟酸雨的pH值降低而增加(Heliövaara et al., 1992)。欧洲赤松上的松叶蚜(Schizolachnus pineti)在连续5周喷洒模拟酸雨(pH=2.99)后的平均相对增长率比对照(蒸馏水)增加了20%(Kidd, 1990)。

全球气候变化和环境污染及不合理的经营,引起一些地区森林严重退化,病虫害严重发生,甚至枯死。北美、中欧、日本都有多种林木发生了大面积衰退,如美国东部阔叶林的桦木(Betula spp.)、槭树(Acer spp.)、栎树(Quercus spp.)、美国白蜡(Fraxinus americana)的枯梢病、枫香(Acer rubrum)和槭树的枯萎病等,东南部皮得蒙特高原地区的萌芽松(Pinus echinata)、湿地松(Pinus elliottii)小叶病等。20世纪80年代后期以来,日本平原地区出现了以杉木(Cunninghamia lanceolata)为主的显著的森林衰退现象。还有由于气候变化引起的加拿大加洲山松(Pinus monticola)冠顶枯死、法国东北部的欧洲冷杉(Abies alba)衰退。

气候变化带来的极端气象条件诱发病虫害的原因是多方面的(Mattson et al., 1987),如干旱胁迫下植物的氨基酸、糖等营养物质比例和浓度更高,有利于植食昆虫发育和产卵,或者导致植物对昆虫的抵抗能力降低或昆虫对抵抗物质的解毒能力增强,很多病虫害暴发都与干旱有关。

在环境变化和复合胁迫影响日益增强的当今时代,了解森林胁迫因素、森林健康、森林受害之间的关系,对于森林健康的监测、评价、调控是非常重要的,是林业、生态、环境等科学领域未来研究的重要内容。

2.3 美国和欧洲的森林健康监测计划

美国早在1987年和1992年就2次举行森林健康问题的国会听证会,并分别于1988和1993年制订了森林健康计划,提出了森林健康计划的目标,包括应用有效经营措施降低病虫害和火灾、计划烧除控制林火、应用环境友好农药和森林保护技术、为制订政策提供森林健康信息、恢复受害森林的健康、防止新病虫害传入、加强长期国际合作、通过宣传让公众了解和支持森林健康(赵良平等,2002)。美国目前已建立了覆盖全国的森林健康监测系统,定期进行健康监测和信息公布。

在20世纪70年代末德国发现新型森林受害以后,很快便开始了相关研究,并从1983年起开始了森林受害监测,提出了最早的森林健康监测及分析评价技术体系,以后又增加了进一步研究致害因素及森林生态系统反应机制的固定观测样地体系。通过长期监测,发现不当经营和酸沉降等都是引起森林衰退和受害的因素。由于空气污染的跨国界特征,从1986年开始,欧洲38个国家采用了统一的监测技术在ICP Forests项目(International Cooperative programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests)框架下进行欧洲森林健康监测,并每年定期公布结果(Federal Research Centre for Forestry and Forest Products, 2005)。监测表明,大气酸沉降是导致土壤加速酸化的重要原因,土壤酸化导致生物多样性和生态系统多样性变化,加剧生态系统营养失衡和营养元素损失。但森林受害还与很多其他因子有关,如极端气象条件和有害生物的影响、空气污染(硫化物、氮化物、臭氧等)的直接伤害等。通过欧洲的森林健康监测,提出了多项控制和缓解森林受害的措施,对于全球的环境保护意识提高和环境保护行动的兴起都起了巨大推动作用。

2.4 森林健康监测网络和监测技术

美国采用系统网格法建立永久性定期监测点,形成了覆盖全国的森林健康监测网络,每年定期监测1次。从1999年起,森林健康监测网络与森林资源监测网络结合在了一起,目前健康监测样地占资源监测样地数量的1/16。森林健康监测采用的数据源自地面样地调查、森林资源监测、航空调查,以及其他的生物和非生物的数据源。监测工作分3个层次(赵良平等,2002):1)探测性监测(detection monitoring)它利用包括航空监测等不同来源的数据进行森林健康年度监测,但倾向于探测区域尺度(几个州)上几年之内发生的基本健康参数变化;2)评价性监测(evaluation monitoring)如果森林健康问题比较严重,则需要通过评价性监测来确定问题的严重程度、范围和原因,即在个别的样地对个别问题进行强化监测调查,采集的数据包括树木、灌木、地衣、土壤等,很多情况下森林受害的原因是前期发生的事件(如舞毒蛾爆发导致的树冠落叶),因此在某些情况下受害原因可能不清楚,需开展更深层次的监测、调查和研究;3)定点强化监测(intensivesite monitoring)为了基于生态系统过程而理解或证实森林受害的因果关系,或者开展某些特殊的研究,要在一些地点开展不同空间尺度的正式研究。森林健康监测项目要综合分析所有数据,然后通过地区、州、区域和全国的森林健康分析与报告对外公布。

欧洲森林健康监测体系是基于德国的监测体系发展而来的(王彦辉,1998a1998b)。与美国不同,监测强度更大,更偏重地面监测,也分3个层次:1)水平Ⅰ监测    始于1986年,目的是通过逐个样地的低强度监测获得森林健康在较大时空尺度的变化,包括覆盖欧洲各国的约6 000个监测点,监测站点网络是系统网格(16 km×16 km)样地体系。一些国家使用了更小的监测网格,如8 km×8 km或4 km×4 km。每年进行1次林冠健康监测,主要监测指标有树叶损失率、林冠透光度、树叶变色情况。此外,还要监测用于解释林冠健康变化和支持水平Ⅱ监测结果尺度放大的林分和立地特征。土壤化学和树叶化学监测是多年1次(近20年内只有1次)。土壤监测能为解释森林营养胁迫提供有用信息。树叶化学成分监测有利于监测评价森林营养水平变化。2)水平Ⅱ监测    始于1994年,目的是调查森林健康的主要影响因素和主要过程,并通过综合分析不同来源的监测数据确定森林健康变化和森林受害的原因。挑选水平Ⅱ样地的原则是要充分体现主要的森林生态系统类型,欧洲的样地数量总共为860个。水平Ⅱ监测与联合国粮农组织的TEMS项目有密切关系,可结合使用图件。监测内容包括:全部样地的每年1次的林冠健康监测、10年1次的土壤化学监测、2年1次的树叶化学监测、5年1次的森林生长和地面植被监测;部分样地的土壤溶液化学、大气沉降、气象方面的连续监测;可自由选择的1年数次的物候学监测、建立样地时进行的遥感监测。3)水平Ⅲ监测    事实上它并不是一个严格意义上的监测层次,是指对特定的森林生态系统进行的系统过程和机理的长期研究,目的是深入了解森林健康变化和空气污染危害森林的因果关系,详细研究生态系统内所有组分间的复杂相互作用。

2.5 森林健康监测指标

由于森林健康问题的复杂性,可监测的指标有很多。但出于成本考虑,最好优选出能很好描述森林健康的一些指标进行定期监测,或对不同监测水平使用不同的监测指标。随着不同环境监测项目的交叉融合,森林健康监测指标体系仍处在不断完善过程中。

欧洲森林健康的监测内容在不断完善,不同监测等级的具体内容也不相同。除样地基本信息外,目前监测内容分为9个方面(德国林业和林产品研究中心,2002):1)树冠健康    主要指标为树叶损失率和变色;2)森林土壤及土壤溶液化学    主要指标是各层土壤营养元素含量、阳离子交换量和组成、土壤溶液的各种阴阳离子含量,同时进行水分通量平衡计算;3)树叶化学    即树木营养;4)森林生长和收获    主要监测树高、胸径、蓄积量变化等,建议可能时记录胸径连续变化过程;5)大气污染物沉降    包括干沉降、湿沉降、树冠拦截沉降等,测定以气体、颗粒和液体形式进入林地的各种污染物和营养元素;6)加强样地(水平Ⅱ)的气象监测包括常规气象指标以及土壤温、湿度等;7)地表植被监测分层测定植物种类及其丰富度和覆盖度;8)物候监测;9)空气质量监测    主要包括O3、SO2、NO2、NH3等直接伤害植物和有利于改善干沉降估算的污染物。

美国森林健康监测计划起初应用的监测指标多来自于东部地区,它们可能不适于高海拔地区和干旱的西部,所以现在还没有确定出一套监测指标和评价标准。不断提出更好的监测指标以及评价标准,是未来的长期任务。目前美国森林健康监测内容分为8个方面:1)林冠健康监测    主要是树冠枝叶和新梢的数量、状态和分布,包括林冠占树高比例、林冠密度、林冠透光度、树枝死亡、树冠冠幅;2)臭氧伤害监测    即通过监测一些指示植物的臭氧伤害确定伤害林木的臭氧分布区域和判断诱发其他林木伤害的可能性;3)树木受害监测    主要监测病虫害、风害、人为伤害等的类型、位置和程度;4)树木死亡率监测    即上次监测以后死亡树木的数量、大小和材积,以及能判断出来的死亡原因;5)地衣群落监测    在树木和灌木一定高度处以上及最近倒落的树干和树枝上监测一些对空气污染和气候变化敏感的地衣的种类和数量,据此判断样地的空气质量和气候变化情况,以及样地的生物多样性;6)倒木监测    即量测林地上的倒木、死树枝和木质残余物的数量,以及对应的树种、形状、尺寸、孔洞和分解情况;7)植物多样性和结构监测    即在样地内3个直径1米的样园内监测所有维管束植物(乔木、灌木、草本、攀援植物、蕨类)的种类、多度和垂直层次分布,并调查林地的枯落物、苔藓、裸地、岩石的面积分布;8)土壤健康监测    即监测森林土壤的侵蚀、压实情况和重要理化特征。

美国森林健康监测的内容分类与欧洲不同,增加了倒木监测、土壤压实情况监测,重视不同类型的土壤覆盖(土壤侵蚀)和森林更新监测;但具体监测内容少于欧洲,没有土壤溶液和树叶化学监测、气象监测、沉降监测、空气质量监测、物候监测。

2.6 森林健康的评价

目前的森林健康评价发展不是很完善,基本上还局限在对森林环境和森林结构的单方面评价,其中森林环境主要是土壤、水分、污染方面,森林结构主要是林木个体的健康。对森林功能健康评价和森林健康综合评价的研究还不够。

2.6.1 林木健康评价

林木健康监测是森林健康监测的最重要部分(王彦辉,1998a1998b),欧洲林冠监测者都受过专门训练,每年都要进行1次监测前“校正”,以保证单树监测误差 < 5%,并要求每个统计单位保证至少300棵样树,还印制了不同树木受害等级彩色图片等监测标准。目前仍将树叶损失率作为重要的森林受害等级标准,分为5个受害等级,并参考树叶变色程度加以调整。针对具体树种,将树叶的大量和微量元素绝对含量划分为5级,并在森林营养综合评价中考虑元素含量比例关系,制定了用于评价营养元素比例失调、污染导致的元素含量异常的评价阈值。

2.6.2 土壤健康评价

土壤是林木生存、生长和发挥生态功能的基础,土壤健康对森林健康十分重要(王彦辉,1998a1998b)。因土壤理化性质变化缓慢,且难以直接观察,一般监测间隔为10~15年。土壤监测可和林冠监测相结合,提供土壤现状、林冠健康变化的原因和预测、土壤改良措施及影响、污染物沉降影响、水质风险和变化评价、林地和林木营养等方面的信息。土壤健康评价指标很多,如按土壤pH值划分土壤酸化等级、按照Ca/Al比值评价酸化影响程度和根系伤害程度、按照根系层元素含量划分营养潜力等级,以及确定土壤层和枯落物层的重金属含量背景值。

2.6.3 水分(干旱)胁迫评价

水分亏缺是制约树木生长和影响森林健康的重要因子,尤其是在干旱地区。水分亏缺影响到DNA转录及表达、气孔运动、树木生长适应与响应、水分利用效率等,空气污染造成的树叶受害和根系受害、森林结构特征、气候变化等都和土壤水分胁迫有紧密关系,都需在水分胁迫评价中予以考虑。随着SPAC系统概念和理论研究的进展,人们采用水势指标、植物吸水能力与土壤供水能力的关系来评价土壤水分有效性,并基于水分供需动态变化评价植物水分胁迫。

2.6.4 空气污染胁迫评价

空气污染对森林的危害日益严重(Percy et al., 2004),据估计2100年全球近1/2森林会遭受O3危害;尽管S沉降在降低,但2050年会有1/3以上森林遭受S沉降危害;NOx污染危害一直在增加。国外已开展了一些不同污染物的临界浓度和临界负荷研究,将污染治理与森林健康紧密联系了起来。美国早在20世纪80年代就提出了不同森林受害等级对应的O3和NO2浓度、总氮沉降输入。欧洲通过试验提出了不同植物遭受臭氧危害的AOT40临界值。Nordin等(2005)认为在考虑瑞典北部森林生态系统主要组分变化的情况下,氮沉降的临界负荷应从目前广泛接受的10~15 kg·hm-2a-1下降为6 kg·hm-2 a-1。不同污染胁迫以及污染胁迫和自然环境胁迫之间的交互作用都影响着森林健康,如臭氧通过伤害气孔的工作机制而导致干旱胁迫,这些都增加了空气污染胁迫评价的难度(Maier-Maercker, 1998)。

2.6.5 森林健康的综合评价

如果要保持森林的健康,必须同时做到森林的环境健康、结构健康、功能健康,以及森林健康经营。在自然生态过程意义上,森林健康经营不是独立的,而是为了协调森林环境、森林结构、森林功能所采取的调控措施,但在维持森林健康和追求森林功能优化的意义上,健康经营又是最重要的。森林健康的综合评价同时包括森林环境、森林结构、森林功能3个方面,森林健康经营则划入在对森林健康进行综合评价与诊断后采取的合理经营措施范畴。森林健康监测指标由许多彼此相互联系甚至矛盾的指标共同组成,因此森林健康综合评价非常复杂,也有很大主观性,需要通过技术进步予以克服。即使在早已开展森林健康监测研究的欧美林业发达国家,怎样综合评价森林健康的问题也没有很好地被解决,目前森林健康评价还主要集中在林木健康和森林环境健康方面。在欧洲,目前认为落叶率是能在短时间内以低成本估计森林健康的有用指标,但为了确定林冠落叶和环境胁迫的关系,2004年又增加了凋落物监测;对臭氧影响林木健康的评价才刚开始,目前还难以看到臭氧浓度与肉眼可见的林木伤害间的显著关系(Federal Research Centre for Forestry and Forest Products, 2005)。

2.7 森林健康调控技术

森林健康监测的最终目的是确定森林健康退化的原因,并提前采取有效措施合理调控,维持和改善森林健康情况。美国将全国分为9个林业行政管理大区,不同区域森林健康面临的主要威胁不同,如东部主要是空气污染、南部主要是外来生物入侵,西北部则主要是生物多样性减少和森林火灾等。不同森林类型和同一类型不同时期的具体问题和措施也可能不同。如中西部犹他州西黄松(Pinus ponderosa)次生林的主要威胁是地面杂灌形成浓密易燃层使火灾危险增大,需采取措施降低火险,包括卫生伐、计划火烧等;云杉(Picea spp.)和杨树(Populus tremuloides)天然混交林的威胁主要是云杉小蠹虫(Dendroctonus rufipennis),对应措施是监测虫情变化、应用诱捕器结合杀虫剂诱集灭杀、清理倒木和衰弱木及受害木。美国已采取的森林健康调控措施包括疏伐、控制性火烧、死树利用、杜绝野火、杜绝主要病虫害的流行等(赵良平等,2002)。

在欧洲和德国,对空气污染和酸沉降危害森林的长期监测导致了全球范围内环保政策的巨大进步,德国于1983年通过了“拯救森林”行动计划,并采取了一系列的综合措施,包括减少工业和汽车尾气等造成的空气污染、限定污染物排放、林地使用石灰增加土壤缓冲能力、优化森林树种组成等,对保护环境和提高森林健康起到了巨大作用。

3 国内研究现状

国内有多个科研单位曾经或仍在进行与森林健康有关的研究工作,如中国林业科学研究院、中国科学院、一些大学先后开展的国内和国际合作研究项目,都取得了宝贵成果,是未来国内继续深入开展研究的良好基础。

中国由于环境变化引起的森林受害十分普遍。20世纪80年代初以后,南方酸雨区普遍观测到了马尾松(Pinus massoniana)、杉木、华山松(Pinus armandi)等森林受害,表现出树冠稀疏、树叶变窄变小、黄叶增多、生长速度降低、生产力明显下降,病虫害加剧,甚至部分地区出现大面积森林死亡。在贵州,pH值4.5以下的酸雨对马尾松林的胸径、树高和材积年生长量分别下降6.71%、2.02%和16.37%,杉木林分别下降8.50%、8.36%和13.26%;在四川,马尾松林分别下降15.12%、17.59%和22.15%,杉木林分别下降14.72%、14.85%和29.06%;“七五"、“八五”期间南方11省(区)的酸雨造成木材经济损失18.02亿元(冯宗炜,2000)。2000年以来,重庆铁山坪的马尾松落叶率一直保持在45%左右的高水平,林木受害率达100%,部分年份出现很高的死亡率(Wang et al., 2007);80年代以来辽宁东部山区也发生了松树大面积枯死(苏宝玲等,2001)。

国内一些研究注意到了环境污染与病虫害暴发的关系。谢映平等(1998)在太原进行研究,认为街道两旁国槐(Sophora japonica)的瘤坚大球蚧(Eulecanium gigantea)和皱大球蚧(Eulecanium kuwanai)密度与汽车流量线性正相关(R=0.895),这主要是汽车尾气的SO2与Pb污染造成的。在太原对银杏(Ginkgo biloba)和白蜡(Fraxinus chinensis)的研究(周霞等,2001)表明,增加空气中SO2和Pb污染程度促进了康氏粉蚧(Pseudococcus comstocki)的发育和产卵,增加了虫口密度,并造成寄主树种抗虫性下降和营养条件改变。野外调查表明,SO2污染区油松(Pinus tabulaeformis)的靖远松叶蜂有虫株率和地面平均茧密度大于非污染区,而油松针叶的全硫含量显著大于非污染区,全氮含量小于非污染区;室内模拟污染试验进一步证明,靖远松叶蜂幼虫取食SO2熏蒸过的油松针叶后平均相对生长率比对照增加了17%,说明SO2污染可促进靖远松叶蜂生长;但高浓度的SO2污染反而抑制靖远松叶蜂生长(张真等,2002)。在北京城区开展的一些林木元素含量与空气污染关系的研究表明,空气污染会严重影响林木健康。李吉跃等(1999)对北京市常见树种的耐空气污染能力进行了排序,建议山区人工造林应多发展耐污染和抗干旱瘠薄能力都强的侧柏(Platycladus orientalis)、火炬树(Rhus typhina)、刺槐(Robinia pseudoacacia)和臭椿(Ailanthus altissima)等,减少耐污染能力弱的油松。

中国存在严重的森林病虫危害,因此对森林保护方面的重视程度相对较高,过去的研究基础相对较好。中国的森林保护研究相继经历了“药物防治”、“生物防治”、“综合防治”的发展阶段,但由于忽视了对森林自我保健功能的研究和利用,尽管取得了许多单项防治技术的进步,在综合治理上也取得了长足进展,但仍难以遏制和扭转森林病虫害日益加剧的局面。随着气候变化、人为破坏、环境胁迫等因素对森林生态系统影响的不断加强和森林的生物灾害不断加剧,迫使国内研究者们近年来开始讨论和深入思考森林结构、森林环境与森林病虫害的关系,以及森林生态系统自我调控生物灾害的过程与机理,提出了“生态控制”的新理论(梁军等,2005),与森林生态学和森林生态系统经营的研究发展趋势不谋而合,可能成为森林生物灾害防治理论与技术的突破口,使中国在森林生物灾害控制理论与技术方面走到了世界前列。

中国从20世纪90年代中后期开始吸收森林健康的思想,目前已逐渐为广大研究人员和管理技术人员所接受。随着中国林业建设力度加大和转入以生态建设为主,中国政府已将森林健康问题逐渐纳入视野。尤其是一些国际合作项目和人员交流推动了中国对森林健康监测和健康经营的认识进步。但到目前为止,中国有关森林健康的研究还是很零散的,不同部门、不同学科、不同地域的合作和交叉严重不足,相关理论和技术发展的速度和水平距实践应用还相差甚远,还没有提出符合国情的成熟的森林健康技术体系,也没有建立森林健康监测网络。即使是已建立的全国病虫害监测站点的监测技术和网络体系也不完善,配套管理和防治措施还不足,明显缺乏与森林经营管理的联系。

4 现有研究的不足和发展要求

现在的森林健康研究还存在如下不足:1)森林健康理论基础薄弱    有关森林生态系统健康的基础研究不足,对森林健康的理解还没有达成共识,在监测内容上偏重森林环境和森林结构健康而忽视森林功能健康,如现在还缺乏一个有关森林健康的普遍定义;2)对林木生长环境监测重视不够    在重视林木和植被健康监测方面的认识是一致的,但对林木生长环境监测的重视程度不一,如美国森林健康监测考虑的环境内容偏少,其根源是还没有完全认识到森林健康是由林木和环境共同决定的;3)健康评价的发展严重滞后于健康监测    森林健康受多个因素共同影响,而且森林生态系统有一定缓冲能力,很难得到影响因素和森林健康一一对应的数量关系,所以目前森林健康评价严重滞后于健康监测,健康监测和健康评价的发展非常不平衡,尚不能充分利用丰富的健康监测数据综合评价森林健康程度;4)缺乏森林健康综合评价方法    国外已提出某些单项指标的评价标准,但怎样利用众多监测指标进行健康综合评价,还缺乏具体可行的方法,另外,不同地区、不同森林类型、不同森林功能要求条件下的健康森林标准会有差别,在森林健康综合评价时必须予以考虑;5)森林健康预测能力很低    由于对森林健康与众多影响因素的因果关系和作用过程认识不深,目前还不能准确预测森林健康的变化;6)指导森林健康经营能力不足    由于对森林结构、营林措施、森林健康之间的关系缺乏定量的和机理性的认识,森林健康监测和评价技术的发展尚远不能满足指导森林健康经营的要求,更不能有针对性的采取先期预防措施。

针对上述不足,未来森林健康监测与评价的发展要求为:1)加强森林健康维持机理基础研究,完善森林健康的定义,推动高新技术应用,分区、分类提出健康森林的量化指标;2)加强森林健康评价技术研究,基于机理性的过程研究和监测数据的深度分析,确定森林健康评价指标及不同指标间的关系,推动森林健康的定量评价;3)提高森林健康的预测能力,深入认识森林健康的多因多果关系,结合森林生态系统过程研究成果,建立森林健康预测模型;4)提高指导森林健康经营的能力,强化森林环境、结构、功能的同步监测和研究,深入理解森林的环境健康、结构健康、功能健康之间的关系,以及森林经营措施对森林健康的作用,为森林健康经营和多功能利用提供坚实的理论和技术支持;5)促进与现有的相关环境监测项目的密切结合,提高森林环境监测的水平和完整性,不断完善森林健康监测理论和技术。6)针对我国的情况,制定长期的森林健康监测、评价、调控的国家计划,促进跨部门、跨学科、跨区域的合作,提高我国的森林健康水平,并促进全球森林健康研究的深入发展。

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