森林生态系统作为地球上功能最完善、结构最复杂的陆地生态系统，不仅提供了木材和林副产品，还发挥着多种生态服务功能，对维护区域生物多样性和生态平衡具有重要作用^[1-2]。现阶段，我国面临严峻的水资源紧缺以及水质降低等问题，因此水源涵养林被日益关注。作为防护林的一种，水源涵养林不仅能像一般的森林生态系统那样提供固碳释氧、净化大气环境、维持生物多样性等生态服务功能，更能提供涵养水源、保持水土以及改善水质等水文方面的生态服务功能；因此，要在一般的森林生态系统健康评价基础上，充分考虑水源涵养防护林的特殊性^[3]。

森林健康研究最早是欧美国家针对各自主要的生态环境问题而提出的，并逐步发展成森林健康理论^[4]，其通过倡导合理地配置林分结构，实现人与森林的和谐共存，实现森林生态系统的稳定性、提高森林生物的多样性，增强森林抵抗火灾、病虫灾害等各种自然灾害的能力，满足人类对森林资源的自然、社会和经济需求^[5-8]。森林健康评价是了解森林健康状态的重要手段，是确定森林资源经营技术和措施的重要依据，如何客观评价森林资源的健康性，有效地进行森林经营，使森林资源能够持续、稳定地为人类提供服务功能，是森林健康研究和森林可持续经营的首要任务之一；因此对森林健康进行评价有着非常重要的意义^[9-10]。长期以来，国内外学者对森林健康评价的指标体系和评价方法都在不断创新、融合，以求得出更加准确等评价结果。

在森林健康评价研究的基础上，李金良等^[11]、张文海^[12]和李建军等^[13]对水源涵养林的健康评价也做一些专门研究。总的来看，国内研究者们针对水源涵养林提出的健康评价指标过多、过泛，还没有统一的标准^[14]；采用的评价方法与一般森林健康评价的方法基本一致；因此需要针对水源涵养林的具体情况，重点考虑其作为防护林的特殊生态作用。笔者以东北低山丘陵区辽河流域大伙房水库防护林为研究对象，以水源涵养功能为重点，通过对反映森林健康的指标进行筛选，建立水源涵养林健康评价指标体系，并运用综合指数评价法，计算不同类型林分的森林健康值。

1 研究区概况

大伙房水库位于辽宁抚顺市东部，是辽宁省第一大水库，也是沈阳、抚顺城市居民饮用水的重要水源地。水库所在的温道林场地势东高西低，最高峰海拔625 m，一般山地海拔400~600 m，坡度15°~30°。林场土壤主要为山地棕壤，土层厚度30~60 cm。温道林场地处北温带，年平均气温6.5 ℃，年平均降水量961.6 mm，年平均相对湿度71%，无霜期150 d左右。温道林场森林植被区系属长白植物区系向华北植物区系的过渡区域，由于人为活动较多，天然植被群落被破坏殆尽，目前仅存少量天然次生林，大面积植被是以落叶松(Larix gmelinii)、油松(Pinus koraiensis)、红松(Pinus tabuliformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)等为主的人工林群落。

2 样地调查

为能科学准确评价当地森林健康评价，本研究选择区域内具有代表性的5种典型林分，即落叶松、红松、油松、刺槐和天然次生林，每种林分中分别设置3块样地，共计15块样地，每个样地规格设为20 m×20 m(表 1)。

调查内容包括：

1) 记录海拔、坡度、坡向、林分郁闭度、林龄结构、土壤侵蚀状况等环境因子基本状况；

2) 在所选取样地内进行每木检尺，记录树种名称、株数、树高、胸径、冠幅、病虫害状况以及幼苗更新数量。

3) 样地内按照对角线选取5个2 m×2 m灌木样方及5个1 m×1 m草本样方，记录灌木和草本的种类、株(丛)数、高度、盖度等因子；

4) 在样地内测量土层厚度情况，并按实验要求采集样品，测定土壤水分含量和有机质含量等指标。

3 森林健康评价指标体系构建 3.1 指标选取

构建指标体系是森林健康评价的首要和关键步骤，指标体系建立的好坏直接影响到评价的科学性与准确性^[15-16]。由于森林健康评价指标较为复杂，指标之间多存在相关性，因此在保证信息损失最少的情况下尽量减少评价指标，并选择相关性大的指标^[17-19]。本研究综合考虑针对水源涵养林的健康评价方法，并结合大伙房水库水源涵养防护林的特点和经营目标，将“系统活力-组织结构-系统恢复力-水源涵养”作为水源涵养林健康评价的准则层框架。上述4个准则层包括了具体的17项评价指标，分别为土层厚度、土壤有机质、幼苗更新密度、平均胸径、平均树高；物种多样性、群落结构、乔木层郁闭度、灌木层覆盖度、草本层覆盖度；森林病虫害等级、森林火险等级、人为干扰等级；土壤侵蚀程度、土壤最大持水率、枯落物生物量、枯落物最大持水率(表 2)。

3.2 指标测定方法

每项指标的测定方法如下：

1) 土层厚度C₁：每个采样点挖掘土壤剖面，用直尺测量土壤层厚度。

2) 土壤有机质C₂：采用重铬酸钾氧化-外加热法测定。

3) 幼苗更新密度C₃：调查样地范围内更新幼苗的数量。

4) 平均胸径C₄：在树高1.3 m处用胸径尺进行量测。

5) 平均树高C₅：用测树仪对树木高度进行量测。

6) 物种多样性C₆：利用下式计算：

$ D=S/\ln A。$

(1)

式中：D为Gleason多样性指数；S为群落中的物种数目；A为单位面积，m²。

7) 群落结构C₇：依据植被垂直层次结构特征的复杂程度，将其分为完整结构、复杂结构、简单结构3种，并分别赋值，进行标准化处理(表 3)。

8) 乔木层郁闭度C₈：在20 m×20 m的标准地内，以2 m×2 m为单元格，机械布设100个点，在各点位置抬头垂直仰视，判断该点是否被树冠覆盖，被遮盖计数，否则不计数，最终统计被覆盖的样点数，计算郁闭度。

9) 灌木层覆盖度C₉：采用对角线截距抽样法调查。

10) 草本层覆盖度C₁₀：采用对角线截距抽样法调查。

11) 森林病虫害等级C₁₁和12)森林火险等级C₁₂，具体计算方法可参考方舟的研究内容^[14]。

13) 人为干扰等级C₁₃：根据经验确定的人为干扰等级划分依据(详见表 3)。

14) 土壤侵蚀程度C₁₄：根据大伙房水库防护林的土壤侵蚀程度划分为5个等级，分别是无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、剧烈侵蚀；分别对每个等级赋值，进行标准化处理(详见表 3)。

15) 土壤最大持水率C₁₅：采用环刀法测定。

16) 枯落物生物量C₁₆：采用烘干称重法。

17) 枯落物最大持水率C₁₇：采用浸泡法，用浸泡后湿质量除以烘干质量。

3.3 指标量化与标准化

指标的量化与标准化是将指标数据进行处理，使各指标间的数据有可比性，并根据处理结果划分健康等级。选取的指标按照可度量性分为定量指标和定性指标2种。

1) 定量指标包括土层厚度、土壤有机质、幼苗更新密度、平均树高、平均胸径、物种多样性、乔木层郁闭度、灌木层覆盖度、草本层覆盖度、土壤最大持水率、枯落物生物量、枯落物最大持水率。

2) 定性指标包括群落结构、土壤侵蚀程度、人为干扰等级、森林病虫害等级、森林火险等级^{[3, 6]}。

定性指标则划分为5个等级，按照10分制转化成数据值，为便于量化计算，各等级数据值取等级中间值，具体见表 3。定量指标可以直接测量出精确的数值，但是需对指标数值进行标准化处理，并将处理结果转化成10分制。其处理公式如下：

$ X=10×(X_{i}－X_{\min})/(X_{\max}－X_{\min})。$

(2)

式中：X为标准化后的指标值；X_i为指标的实际值；X_max和X_min为同类指标中的最大值和最小值。

3.4 评价指标权重确定

权重是对单个指标相对重要性的量值，通过赋予数量化的形式来权衡、对比各个指标的重要程度。确定指标权重的方法很多，主要有专家打分法(Delphi)、模糊聚类法、嫡值法、主成分分析法、层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)等。为减少主观成分的影响，本研究采用主成分分析法来确定指标权重，应用SPSS22.0软件中的“分析-降维-因子”过程来分析。计算公式如下：

$ W_{i}= \frac{{\sum\limits^4_{j=1} (b_{ij}g_{j})}}{{\sum\limits^4_{j=1} g_{j}}} 。$

(3)

式中：W_i为第i个指标的权重；b_ij为第个i指标在第j个主成分的主成分系数；g_j为第j个主成分方差贡献率。

在计算各个指标权重之前先要确定第i个指标在第j个主成分的主成分系数然后确定权重，指标系数计算如下：

$ b_{ij}= \frac{{c_{ij}}}{{\sqrt{d_{j}}}} 。$

(4)

式中：b_ij为第个i指标在第j个主成分的主成分系数；c_ij为因子载荷矩阵中第i个指标在第j个主成分的因子载荷；d_j为第j个主成分的特征值。

根据主成分特征值及方差贡献率表和因子载荷矩阵表，代入上述公式求得指标权重表(表 4)。

4 森林健康评价与分析 4.1 森林健康评价方法

森林生态系统健康评价是对森林生态系统所处状况的综合描述。目前评价方法主要包括单项评价方法和综合评价方法2类，单项评价方法是指依据某一项重要指标来对整个体系进行评价；综合评价方法是根据多项指标来进行评价，如综合构成指数模型、健康评估模型、健康指数公式、综合指数公式、健康距离公式、森林生态系统健康指数公式等^[20-22]。综合指数公式能够明确的表明森林健康的含义，把森林的大部分有效信息定量的涵盖在评价结果中，笔者使用综合指数公式计算森林健康综合指数(health comprehensive index，H)，公式如下：

$ H=\sum\limits^n_{i=1} m_{i}w_{i}。$

(5)

式中:H为森林健康综合指数；n为指标个数；m_i为第i类指标的分值；w_i为第i项指标权重。

笔者在深入研究国内外对森林生态系统健康评价的研究成果的基础上，结合大伙房水库防护林以水源涵养为主导功能的实际情况，判定一个健康的森林生态系统应该具有结构完整、功能稳定、抗干扰、水源涵养功能的特点，并具备可持续发展的能力。将森林生态系统健康状况划分为优质、健康、亚健康、不健康和疾病5个等级，并对每个等级进行了赋值(表 5)。

4.2 森林健康综合指数评价

按照前述章节确定的评价指标体系和评价方法，计算出大伙房水库水源涵养防护林典型样地的森林健康综合指数(表 6)。从表 6中可以看出，大伙房水库15块样地分别处于健康、亚健康和不健康3种状态。其中：健康样地数量最多为7块，占总样本的47%；亚健康样地数量为5块，占总样本的33%；不健康样地数量为3块，占总样本的20%。大伙房水库水源涵养防护林平均健康综合指数值为5.77，处于亚健康状态，接近健康水平，但是没有优质林分，健康综合指数最高的样地为7.47，属天然次生林，指数最低的样地为2.83，属落叶松林。综合来看，虽然15块样地中健康样地较多，但是其整体健康水平不太高，平均健康综合指数为6.87，尚未达到健康等级标准的均值，而且不健康林地差距较大，1~3号样地平均健康综合指数均值仅为3.21；因此导致整体林分健康水平处于亚健康状态，需要更加注重林分经营与改造。

4.3 不同林分森林健康评价

由图 1可以看出，不同林分森林健康综合指数排序为天然次生林>刺槐林>红松林>油松林>落叶松林，介于健康与不健康之间。天然次生林健康状况最好，健康综合平均指数为7.29(健康)，相比其他几种林分，其结构层次复杂，林分结构、林下枯落物、林地土壤等几个方面都明显占优。从评价指标方面来解释：天然次生林在权重较大的几个指标-草本层覆盖率(0.11)、土壤侵蚀程度(0.09)、枯落物最大持水率(0.09)、幼苗更新密度(0.09)、森林火险等级(0.08)等方面均表现优异，对于林分健康状态的提升具有关键作用，且其他指标表现均在中等以上。刺槐林为健康，健康综合指数比天然次生林小，为6.67，属于健康等级中偏低值，其各类指标除平均树高和平均胸径外基本都低于天然次生林，但是高于其他3种林分。作为5个林分中仅有的阔叶林，刺槐在系统活力、水源涵养方面尤其突出，这与树种本身改良土壤的特性有关，也说明其适应当地的生存环境。红松林、油松林为亚健康，在系统活力、组织结构、恢复力及水源涵养方面表现均一般。2种林分健康综合指数相差不大，分别为5.88和5.79，均接近健康等级标准最低值(6)，有向健康林分转化的趋势，具有一定的改造空间。落叶松健康评价结果为不健康，健康综合指数比其他林分明显偏小，尤其在幼苗更新、树高胸径、群落结构、灌草层盖度等、枯落物生物量等几个方面表现较差，说明其系统活力、组织结构和水源涵养功能有待大幅提高，因此其面临较为急迫的改良需求，应当立即采取措施改善其森林健康状况。综合来看，大伙房水库人工林比天然次生林健康状况差，其主要原因是人工同龄纯林的群落结构和层次简单，物种多样性低，生态稳定性差，尚未达到理想的健康状态，应采取切实可行的森林经营管理措施，促进森林群落稳定发展。

5 结论与讨论

本研究结合大伙房水库的实际情况，运用森林健康的理论与技术构建评价指标体系，并应用主成份分析法和综合指数法进行健康评价，得到如下结论。

1) 参考国内外学者的研究进展和经验，针对水源涵养防护林特点，确定“系统活力-组织结构-系统恢复力-水源涵养”4个方面作为水源涵养林健康评价的准则层框架，具体包括17项评价指标：土层厚度、土壤有机质、幼苗更新密度、平均胸径、平均树高；物种多样性、群落结构、乔木层郁闭度、灌木层覆盖度、草本层覆盖度；森林病虫害等级、森林火险等级、人为干扰等级；土壤侵蚀程度、土壤最大持水率、枯落物生物量、枯落物最大持水率，从而构建具有针对性的评价指标体系。

2) 本研究将森林健康标准定义为5个等级：优质、健康、亚健康、不健康、疾病。运用综合指数法量化不同林分的健康数值，结果显示，大伙房水库水源涵养防护林15块样地分别处于健康、亚健康和不健康3种状态。健康样地数量最多为7块，占总样本的47%；亚健康样地数量为5块，占总样本的33%；不健康样地数量为3块，占总样本的20%。但是平均健康综合指数为5.77，处于亚健康状态，接近健康水平，还需进一步加强林分经营与改造。

3) 对于不同林分来讲，森林健康综合指数排序为天然次生林>刺槐林>红松林>油松林>落叶松林。天然次生林健康状况最好，林分结构、林下枯落物、林地土壤性能等几个方面都明显占优，具有较高的结构稳定性和涵养水源能力；刺槐林较天然次生林健康值稍低，但同样处于健康等级，且高于同林龄的其他3种针叶林，尤其在系统活力、水源涵养方面表现突出；红松、油松处于亚健康状态，有向健康林分转化的趋势，具有一定的改造空间；落叶松健康评价结果为不健康，其组织结构不完整，功能稳定性差，抗干扰能力及恢复力较弱，水源涵养能力较弱，健康综合指数值比其他林分明显偏小，急需采取措施改善其森林健康状况。

笔者运用综合指数法计算研究区防护林健康综合指数，选取17项定性和定量的指标，涵盖了系统活力、组织结构、系统恢复力，单独提出了功能性准则层-水源涵养，确定了各个指标的权重，能够较为全面、针对性的评价森林健康状况，对于当地林业部门经营和管理活动提供一定依据。但森林健康涉及整个森林生态系统，指标选取时还需进一步考虑社会经济等方面，本研究限于科研条件未能加入这些指标，具有一定局限性，希望在后续的研究中可以多加考虑。另外，随着3S技术的发展，运用新技术对森林健康各种尺度评价是一个具有更现实意义的方向。目前，森林健康遥感研究正处于各学科交叉、融合、调整，由静态向动态，单一向复杂，零散向系统转变的关键发展期^[23]，愈发先进的遥感新技术将明显提升森林健康研究的准确性和精度，同时，对基础研究方法、长序列的动态研究以及森林经营实践活动都会产生深远影响。