基于林分内部状态与邻域环境的油松林稳定性评价*

刘文桢 袁一超 张连金 赵中华

(1.中国林业科学研究院林业研究所 国家林业和草原局林木培育重点实验室 北京 100091；2.甘肃省小陇山林业科学研究所 甘肃省栎类次生林生态系统重点实验室 天水 741022；3.中国林业科学研究院华北林业实验中心 北京 102300)

稳定性是植物群落结构与功能的一种综合特征，是生态系统存在的必要条件和重要功能表现(党承林， 1998； 高润梅等， 2012)，研究植物群落稳定性无论在理论还是在实践上均有重要意义(冶民生等， 2009)。植物群落稳定性研究中，一个基本问题是对稳定性的判定，即群落或生态系统在某一时刻是否处于稳定、稳定性大小、对其如何测度以及需采用什么指标(张继义等， 2003)。国内外学者根据稳定性的内涵与外延发展了许多群落稳定性判定方法，在稳定性判定指标选取上，种群生态学家采用种群数量或大小变动评估群落稳定性，而群落生态学家则选取种群数量、相对多度、优势种、物种组成、生产力变化等指标评价群落稳定性(吴明作等， 2000； 郑元润， 1999； Walker, 1992; Tilmanetal., 1994)； 也有学者将土壤理化性质、人为干扰强度等作为群落稳定性评价指标(于立忠等， 2009； 高润梅等， 2012； 任平等， 2013)。群落稳定性评价方法主要分为2类，一类是生物生态学法，即利用野外调查方法判定群落稳定性，如经典的M.Godron 测定法，根据物种数量增加与所有物种累积频率的坐标点连成平滑曲线，求出与标准直线的交点判断群落是否稳定(Godronetal.， 1971； 闫东锋等， 2011； 周赛霞等， 2017)； 也有采用年龄结构以及各龄级物种多样性分析群落稳定性(彭少鳞， 1987)； 另一类是数学生态学法，即利用数学方法对森林群落稳定性进行定量研究与评价(马姜明等， 2004)，如层次分析法(冯耀宗， 2002)、主成分分析法(郭垚鑫， 2013； 赵昕等， 2014； 张明霞等， 2015)以及基于模糊综合评判理论的隶属函数法等(郭其强等， 2009； 王露露， 2013； 邢存旺等， 2014； 宋启亮等， 2014； 张梦弢等， 2015)。总体而言，现有研究方法多以群落组成、多样性等结构指标以及生物量等功能指标判定或测试群落稳定性(Walker, 1992; Tilmanetal., 1994)，重点是群落内部稳定性，忽视了影响群落稳定性的外部环境作用，特别是群落邻域环境作用。群落稳定性维持不仅受群落内一系列生物学、生态学过程的控制，而且与外部环境存在着物质和能量交换，外部环境变化也会引起群落结构与功能的变化(马风云， 2002； 马姜明等， 2004； 龚俊杰等， 2014)，因此，在评价群落稳定性时，有必要将外部环境状况对群落自身的作用和影响加以考虑。

鉴于此，本研究试图将林分内部状态与邻域环境相结合，提出林分稳定性综合评价方法，并以广泛分布于我国华北、东北南部和西北地区的油松(Pinustabulaeformis)林为例，对其稳定性进行评价，以期为油松林分经营和可持续管理提供理论依据。

1 研究区概况

油松是我国北方温带针叶林中分布最广的树种，具有很高的经济和生态价值(张连金等， 2018)，其材质较硬，可用于建筑、造船和家具等诸多领域，根系较深，喜干冷气候，不仅是重要的造林树种之一，也是重要的水土保持树种(吴刚等， 1994； 修勤绪， 2009)。本研究在北京、陕西、甘肃和山西等油松分布较广且具有代表性的区域设置油松林固定样地，北京油松林样地位于门头沟区东南部的华北林业实验中心九龙山，山西油松林样地分别位于太原市城郊东山森林公园和运城市中条山国有林管理局泗交林场，陕西油松林样地位于铜川市玉华宫自然风景保护区，甘肃油松林样地位于小陇山林业保护中心百花林场，其中，北京九龙山和山西太原东山森林公园的油松林为人工林，陕西铜川玉华宫自然风景保护区、甘肃小陇山林业保护中心百花林场和山西运城中条山国有林管理局泗交林场的油松林为天然林。各研究区基本概况见表1。

表1 研究区基本概况Tab.1 Basic overview of the study area

2 研究方法

2.1 样地设置

2010—2016年，在各研究区油松分布较广且具有代表性的区域设置样地，其中，北京九龙山人工油松林样地面积为50 m×50 m(2016年)，陕西铜川玉华宫自然风景保护区天然油松林样地面积为60 m×60 m(2012年)，山西太原东山森林公园人工油松林样地、运城中条山国有林管理局泗交林场(2015年)和甘肃小陇山林业保护中心百花林场天然油松林样地面积均为100 m×100 m(2010年)。对每块样地内胸高直径(H=1.3 m) 大于5 cm的林木使用全站仪进行每木定位，记录树种、胸径、树高、冠幅和健康状况，在标准地内四角和中心设置5 m×5 m小样方，记录样方中幼苗株数。样地基本概况见表2。

2.2 稳定性评价方法

2.2.1 林分内部状态评价方法 一个区域的森林通常是由不同类型森林群落组成的，每种类型森林群落在树种组成、大小分化、更新、竞争能力和健康状况等方面有其内在分布规律，本研究将不同森林类型表现出的内在分布规律定义为林分内部状态(forest internal state, FIS)。根据惠刚盈等(2016a)，林分内部状态可从林分年龄结构、组成、空间结构(垂直结构和水平结构)、密度、长势、更新、林木健康等8方面量化表达，状态要素选择的指标与赋值如表3所示，其中，林分组成选择Simpson指数来表达，林分潜在疏密度是林分断面积与林分潜在断面积之比，用于表达林分长势(赵中华等， 2014)，这2个指标取值区间为[0，1]，越大越好，不对其分级赋值； 林木健康指没有病虫害且非断梢、弯曲、空心等林木在林分中所占比例，大于90%赋值1，90%～70%赋值0.5，小于70%赋值0； 其他指标根据取值及对林分内部稳定性的影响分别赋值1、0.5或0(惠刚盈等， 2004； 2016a； 2016b； 宋永昌， 2001； Simpson， 1949； 张连金等， 2011； 刘瑞红等， 2019)。

表2 样地基本概况Tab.2 Basic overview of sample site

表3 林分状态指标与赋值Tab.3 Stand state indicators and assignment

林分内部状态评价采用单位圆(惠刚盈等， 2016a； Zhangetal.， 2019)分析方法。将单位圆根据圆心角等分成m个扇区(m表示林分状态特征的指标数目)，从圆心起画各扇区的角平分线并标明刻度(指标线)，将现实林分相应指标值标于该指标线上，分别以各指标值为圆弧半径计算各扇区面积，所有指标的面积和即为现实林分内部状态值。用现实林分内部状态值与最优林分内部状态值之比表示对现实林分内部状态好坏的相对测度，公式为：

(1)

式中： FISi为现实林分内部状态值；m为指标数目(m≥1)；Rk为第k个指标值。

FIS为 [0，1] 之间的数值，依据FIS大小可将现实林分内部状态分为5类： 状态极佳，FIS∈(0.85，1] ； 状态良好，FIS∈(0.65，0.85]； 状态一般，FIS∈(0.45，0.65]； 状态较差，FIS∈(0.25，0.45]； 状态极差，FIS∈[0，0.25]。

2.2.2 林分邻域环境评价方法 如果将森林群落置于景观水平考虑，则在一定基质上森林群落与不同的斑块镶嵌或通过廊道连接，森林群落与其他斑块相互作用、相互影响，特别是与相邻斑块间频繁发生物质交换、能量流动和信息传递，从而对群落生态演替起着加速或延缓作用。因此，一个森林群落稳定与否不仅与本身特征有关，同时也受周围邻域环境或外界干扰的影响(马姜明等， 2004； 龚俊杰等， 2014)。如果以区划森林的最小地域单位林分为对象，研究林分与其相邻环境的相互作用或关系，可参照林分空间结构分析中的“结构单元”方法(von Gadowetal., 1992; 1993)，即根据林分与其相邻环境的差异，通过不同赋值来表达邻域环境对林分稳定性的效应，并将其定义为邻域环境指数(neighborhood environmental index， NEI)。邻域环境对林分稳定性影响为正时赋值为1、为负时赋值为-1、为中性时赋值为0。 假设，如果杉木(Cunninghamialanceolata)人工林周围是地带性植被群落，杉木人工林可能受地带性植被群落影响，一些地带性植被逐步进入杉木人工林，最终形成地带性植被与杉木混交林或完全成为地带性植被群落，则地带性植被对杉木人工林的作用为正效应； 如果杉木人工林周围是竹林，可能面临竹林入侵的威胁，杉木人工林肯定难以稳定，则竹林对杉木人工林的作用为负效应； 如果杉木人工林周围是农田或草地，该类环境虽然也会与杉木人工林发生能量与物质交流，但其对杉木人工林稳定性的影响可能很小或无明显作用，则为零效应。

以林分邻域环境对其稳定性正、负效应的算术平均值来表达外部环境对林分稳定性的综合影响程度，即林分邻域环境指数，其计算方法为所有林分邻域环境对林分稳定性影响值之和除以邻域环境类型总数，公式为：

(2)

其中，

式中： NEIi为邻域环境指数；vij为林分邻域环境；n为林分邻域环境类型数；j为第i个林分的第j种邻域环境类型。NEIi越大，外部环境越有利于林分稳定。

NEI为[-1，1]之间的数值，依据NEI大小可将林分邻域环境状况分为5类： 状况极佳，NEI∈(0.8，1]； 状况良好，NEI∈(0.4，0.8] ； 状况一般，NEI∈(0，0.4]； 状况较差，NEI∈ [-0.25，0]； 状况极差，NEI∈[-1，-0.25)。表4所示为林分i周围不同邻域环境对群落稳定性的影响效应及赋值。

表4 不同邻域环境对群落稳定性的影响效应及赋值Tab.4 Effects of different neighborhood environment on community stability and its assignment

图1 林分稳定性评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of forest community stability

2.2.3 林分稳定性综合评价方法 将林分内部状态与邻域环境评价方法整合，提出林分稳定性综合评价指数(forest comprehensive stability, FCS)(图1)，公式为：

FCSi=ω1×FISi+ω2×NEIi。

(3)

式中：ω1、ω2为权重系数。

事物发展是内外因共同作用的结果，内因是事物发展的根本，决定事物发展的基本趋向，外因是事物发展的外部条件，对事物发展具有加速或延缓作用，外因决定内因，外因必须通过内因起作用(王建新， 1990)。根据内外因辩证关系，有必要对林分内部状态和邻域环境分别赋予不同的权重系数(ω1、ω2)，以说明各指标在整体评价中的相对重要程度。本研究认为，林分内部状态在维护林分健康稳定方面起主导作用，外部环境的潜在影响居第二位，故可对内外因赋予不同的权重系数，此处设ω1=2/3、ω2=1/3。

FCS取值在[-1/3，1]之间，FCS∈(0.83，1]，表示稳定性极佳； FCS∈(0.56，0.83]，表示稳定性良好； FCS∈(0.3，0.56]，表示稳定性中等； FCS∈(0.08，0.3]，表示稳定性较差； FCS∈[-1/3，0.08]，表示稳定性极差。

3 结果与分析

3.1 油松林林分内部状态评价

采用林分内部状态评价方法对研究区油松林林分稳定性进行评价(表5)，结果表明，各研究区油松林垂直结构均为单层林，总体长势良好，其中，北京九龙山人工油松林的林木水平分布格局趋于随机分布，直径分布呈“多峰状”，林木之间较为拥挤，树种多样性低且种间均匀度差异大，林下幼苗数量极少，更新不良且健康林木比例较低； 山西太原东山人工油松林的林木水平分布格局为均匀分布，直径分布呈“倒J形”，树种多样性低且种间均匀度差异大，林木拥挤度合理，林下幼苗数量极少，更新不良，林木健康状况较好； 山西运城中条山天然油松林的林木水平分布格局趋于随机分布，直径分布呈“单峰状”，树种多样性中等但种间均匀度差异小，林木拥挤度合理，林下更新中等，林木健康状况较好； 陕西铜川玉华宫天然油松林的林木水平分布格局趋于随机分布，直径分布呈“多峰状”，树种多样性极低且种间均匀度差异大，林木之间较为拥挤，更新良好，林木健康状况较好； 甘肃小陇山天然油松林的林木水平分布格局趋于随机分布，直径分布呈“单峰状”，树种多样性中等但种间均匀度差异大，林木拥挤度合理，更新良好，林木健康状况较好。不同类型油松林内部状态评价结果表明，油松林FIS介于0.311～0.605之间，天然林明显大于人工林，其中，甘肃小陇山天然油松林林分内部状态最好，其次为山西运城中条山天然油松林、陕西铜川玉华宫天然油松林、山西太原东山人工油松林和北京九龙山人工油松林，FIS分别为0.605、0.515、0.479、0.453和0.311。

3.2 油松林林分邻域环境评价

采用邻域环境指数对研究区油松林林分稳定性进行评价(表6)，结果表明，北京九龙山人工油松林邻域环境类型包括4种，分别为2种不同类型的森林群落、村落和农田，NEI 为0.25，总体对油松林林分稳定性的作用为正效应； 山西太原东山人工油松林邻域环境类型包括5种，分别为不同类型的森林群落、村落、设施建设、农田和荒地，NEI为-0.20，总体对油松林林分稳定性的作用为负效应； 山西运城中条山天然油松林邻域环境类型包括4种，分别为不同类型的森林群落、河流、村落和农田，NEI为0.25，总体对油松林林分稳定性的作用为正效应； 陕西铜川玉华宫天然油松林邻域环境类型包括5种，分别为3种不同类型的森林群落、村落和农田，NEI为0.40，总体对油松林林分稳定性的作用为正效应； 甘肃小陇山天然油松林邻域环境类型包括4种，分别为3种不同类型的森林群落和草地，NEI为0.75，总体对油松林林分稳定性的作用为正效应。

3.3 油松林林分稳定性综合评价

采用林分稳定性综合评价方法对研究区油松林林分稳定性进行评价(图2)，结果表明，各研究区油松林林分稳定性综合评价存在较大差异，其中，北京九龙山人工油松林和山西太原东山人工油松林整体稳定性较差，FCS分别为0.291和0.235。北京九龙山人工油松林密度大、多样性低、更新不良等问题，造成林分内部状态较差； 其邻域环境类型中，2类为正效应、1类为零效应、1类为负效应。山西太原东山人工油松林林分内部状态较北京九龙山人工油松林好； 但其邻域环境较差，1类为正效应、3类为负效应、1类为零效应。山西运城中条山天然油松林和陕西铜川玉华宫天然油松林整体稳定性中等，FCS分别为0.427和0.452。这2个区域油松林林分内部状态均处于中等水平，山西运城中条山天然油松林林分内部状态特征较陕西铜川玉华宫天然油松林好；但其邻域环境相对较差，2类为正效应、1类为负效应、1类为零效应，陕西铜川玉华宫天然油松林5类邻域环境中3类为正效应、1类负效应、1类为零效应，因而导致陕西铜川玉华宫天然油松林林分稳定性较山西运城中条山天然油松林高。甘肃小陇山天然油松林林分稳定性良好，FCS达0.653，这不仅是由于该区域天然油松林林分内部状态较好，而且其4类邻域环境中3类为正效应、1类为零效应，因此其林分稳定性综合评价指数最高。

表5 油松林林分内部状态评价Tab.5 Forest internal state evaluation of Pinus tabulaeformis stand

表6 油松林林分邻域环境评价Tab.6 Forest neighborhood environment evaluation of Pinus tabulaeformis stand

图2 油松林林分稳定性综合评价Fig.2 Comprehensive evaluation on the stability of Pinus tabulaeformis stand

4 讨论

稳定性是群落或生态系统存在的首要条件和基本表征之一，其不仅与群落或生态系统的结构、功能和进化特征有关，而且与外界干扰的强度和特性有关，学者们虽然从不同角度研究了群落或生态系统的稳定性，但到目前为止，对稳定性及其影响机制还没有一个统一的认识(马姜明等， 2004)。从现有研究方法上看，主要分为生物生态学法和数学生态学法2类，包括稳定度指数法(闫东锋等， 2011； 周赛霞等， 2017)、层次分析法(冯耀宗， 2002)、隶属函数法(张树梓等， 2013)、主成分分析法(张明霞等， 2015)、灰色关联度法等，指标选择大多基于物种多样性、土壤理化性质、林分结构和活力等，具体指标涉及种群动态(更新水平、年龄结构、径级结构)、抗干扰能力(多样性、健康状况)、水分养分状况(长势、密度)、空间结构(水平结构、垂直结构)等方面的特征，主要差别在于指标权重和数据标准化处理方法上； 对于经典的M.Godron法，则根据物种数量增加与所有物种累积频率的坐标点连成平滑曲线，求出与标准直线的交点判断群落是否稳定(Godronetal.， 1971)。总体来看，现有植物群落稳定性评价研究重点是群落内部状态特征，尽管外部环境变化对群落稳定性具有十分重要的影响，但很少有研究将外部环境作为稳定性评价的一部分。

本研究提出基于林分内部状态与邻域环境的群落稳定性评价方法，既考虑了林分内部状态特征，同时也考虑了林分邻域环境的作用。在评价林分内部状态特征时，指标选择更加注重森林经营上的指导性和可操作性，如选择的林分空间结构指标，传统森林经营很少考虑林木分布格局的调整或无法实现准确的量化调整，而结构化森林经营为林木分布格局的量化调整提供了方法(赵中华等， 2013)。对本研究5类油松林来说，其垂直结构均为单层林，说明林分内下层林木较少，这一方面可能是由于林地土壤中种子数量少，导致林分更新不良； 另一方面则可能是由于林分密度过大，更新的幼树幼苗得不到充足的阳光无法正常生长。因此在森林经营时，需要更多关注如何提升林分的林下更新能力。对林木分布格局为均匀分布的林分，如山西太原东山人工油松林，可围绕培育目标树、伐除均匀分布其周围的小径木来调整林木分布格局，同时也可解决林分密度过大的问题。再如对树种组成的调整，仅调整各树种组成比例是不够的，还需要考虑各树种间的混交关系，特别是对混交林来说，提高混交程度是增加林分稳定性的有效途径(Huietal., 2011)。在林分内部状态评价方法上，本研究采用单位圆分析方法量化表达林分内部状态特征，更加清晰、直观(惠刚盈等， 2016a； Zhangetal.， 2019)，从评价结果中可直接看出影响林分内部状态稳定的因子，利于制定有针对性的林分稳定性提升经营措施。在评价邻域环境对油松林林分稳定性的影响时，本研究基于林分空间结构分析“结构单元”原理，即根据林分与其相邻环境的差异，通过不同赋值来表达邻域环境对林分稳定性的效应，如森林、河流、农田、荒地、草地、村落、设施建设等可能产生正面或负面影响，或没有影响，评价结果也表明考虑邻域环境类型后，油松林林分稳定性排序发生变化，可见外部环境状况对林分稳定性的影响不容忽视。更为重要的是，本研究提出的林分稳定性综合评价方法能够明确反映出天然林林分稳定性高于人工林的一般规律。

生态系统指在一定空间中共同栖居着的所有生物(即生物群落)与其环境之间因不断进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体，本研究仅从邻域环境类型考虑其对油松林林分稳定性的影响，显然不能全面反映不同生态系统间的能量流动和物质循环。未来研究中，应进一步细化邻域环境指标，并进行更精确的量化表达，从而对林分稳定性起到一定维护作用； 同时，还要考虑不同林分内部状态与邻域环境对林分稳定性影响的权重(可通过专家打分或熵权赋值等方法确定)，从而客观评价二者对林分稳定性的影响。此外，现有稳定性评价多为综合性评价方法，不同方法选择的指标体系不同，有必要针对相同类型林分稳定性开展不同评价方法的一致性比较研究，探讨不同评价方法和不同指标体系的优缺点，为精准开展林分稳定性评价提供依据。

5 结论

本研究提出邻域环境指数概念，量化不同邻域环境类型对林分稳定性的影响，基于林分内部状态与邻域环境的林分稳定性综合评价方法既可表达林分内部状态特征的差异，也可体现邻域环境对林分稳定性的影响，并能够明确反映出天然林林分稳定性高于人工林的一般规律，评价结果更加清晰、直观，为林分稳定性评价提供了一种新思路，对森林可持续经营具有一定指导意义。