全 文 ：第３５卷第２期
２ ０ １ ２年３月
河 北 农 业 大 学 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＨＥＢＥＩ
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．２
Ｍａｒ．２ ０ １ ２
文章编号：１０００－１５７３（２０１２）０２－００６５－０７
兴安落叶松林林分健康评价研究
———以杜香兴安落叶松林为例
铁 牛１， 闫淑英２
（１．内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特０１００１９；２．内蒙古林业监测规划院，内蒙古 呼和浩特０１００２０）
摘要：以内蒙古大兴安岭西北坡杜香兴安落叶松林为例探索兴安落叶松林健康评价。在野外调查的基础上，运
用主成分分析法提取指标、确定权重、构建评价模型，并用聚类分析法将杜香兴安落叶松林健康等级分为４级，
对研究区内原始林、渐伐林、皆伐林３种类型的杜香兴安落叶松林进行了健康评价研究。结果显示：林分生产
力、土壤养分、林分结构、抵抗力与恢复力４个方面的２２个指标，能够初步构建兴安落叶松林林分尺度的健康评
价指标体系。评价结果表明，原始林健康水平最高，为Ⅰ级健康；渐伐林次之，为Ⅱ级亚健康；皆伐林最差，其中，
１／３的林分为Ⅲ级一般健康、２／３的林分为Ⅳ级不健康。
关 键 词：大兴安岭；兴安落叶松林；杜香兴安落叶松林；健康评价
中图分类号：Ｓ７９１．２２２ 文献标志码：Ａ
Ｆｏｒｅｓｔ ｈｅａｌｔｈ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉ
———Ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｌｅｄｕｍ－Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉ ｓｔａｎｄ
ＴＩＥ Ｎｉｕ１，ＹＡＮ Ｓｈｕ－ｙｉｎｇ２
（１．Ｆｏｒｅｓｔ Ｃｏｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｈｈｏｔ ０１００１９，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｆｏｒｅｓｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｕｈｈｏｔ ０１００２０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａ ｆｏｒｅｓｔ ｈｅａｌｔｈ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉｉ
ｗｉｔｈ Ｌｅｄｕｍ－Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉｉ ｓｔａｎｄ ａｓ ａ ｃａｓｅ ａｔ ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｇｒｅａｔ Ｈｉｎｇａｎ ｍｏｕｎｔａｉｎｓ ｉｎ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎ－
ｇｏｌｉａ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｆｉｒｓｔ ｄｅｔｅｒ－
ｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ
ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｏｒｅｓｔｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｒｇｉｎ ｆｏｒｅｓｔ，ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｌｅａｒ ｃｕｔｔｉｎｇ
ｆｏｒｅｓｔ ｄｏｍｉｎａｔｅｄ ｂｙ Ｌｅｄｕｍ－Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉｉ ｉｎｔｏ ４ｃｌａｓｓｅｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ａ－
ｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ２２ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，
ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ，ｓｔａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔａｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｉｎｉｔｉａｌｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ
ｔｈｅ ｈｅａｌｔｈ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｌｅｄｕｍ－Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉｉ ｆｏｒｅｓｔ．Ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａ－
ｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｅａｌｔｈ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｖｉｒｇｉｎ ｆｏｒｅｓｔ ｗａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ，ｇｒａｄｅⅠｈｅａｌｔｈｙ；ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｅｓｔ ｗａｓ
ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ，ｇｒａｄｅⅡｓｕｂ－ｈｅａｌｔｈｙ；ｃｌｅａｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｅｓｔ ｗａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ，ｏｎｅ－ｔｈｉｒｄ ｆｏｒｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｇｒａｄｅⅢ
ｇｅｎｅｒａｌ ｈｅａｌｔｈｙ，ａｎｄ ｔｗｏ－ｔｈｉｒｄ ｆｏｒｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｇｒａｄｅⅣｐｏｏｒ ｈｅａｌｔｈｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｅａｔ ｈｉｎｇａｎ ｍｏｕｎｔａｉｎｓ；Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉｉ ｆｏｒｅｓｔ；Ｌｅｄｕｍ－Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉｉ ｆｏｒｅｓｔ；
ｈｅａｌｔｈ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
收稿日期：２０１１－０９－２０
基金项目：内蒙古自治区高校自然科学重点项目“内蒙古大兴安岭森林碳汇资源监测与评估技术研究”（ＮＪＺＺ１１０４９）资助．
作者简介：铁 牛（１９７２－），男，博士，副教授，硕士生导师．
６６ 河 北 农 业 大 学 学 报 第３５卷
兴安落叶松（Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉｉ）林是我国东北乃
至全国分布面积最大的落叶松林，为俄罗斯境内东
西伯利亚明亮针叶林向南分布的延续，是寒温带气
候条件下的顶级群落［１］。其健康状况会直接影响到
东北地区乃至整个华北地区的生态安全。但由于该
地区多年的不合理采伐而出现了生产力持续下降、
森林结构不合理等一系列不健康现象［２－３］，严重影
响着森林功能的发挥以及森林资源的健康经营。如
何解决上述问题的关键是对森林进行健康等级评
价。而评价森林是否健康及健康等级如何，前提是
构建科学合理的林分健康评价指标体系。然而，目
前研究地区还没有可行的森林健康评价指标体系，
这影响了兴安落叶松的健康经营。杜香兴安落叶松
林是大兴安岭落叶松的主要林型之一［４］，本研究首
先从林分尺度上探索杜香兴安落叶松林健康评价指
标体系，为其他森林类型构建健康评价指标体系具
有借鉴作用，从而为兴安落叶松林的合理经营提供
科学依据。
１ 研究地区概况
研究区地处大兴安岭西北坡，位于内蒙古根河
林业局境内，地理坐标为５０°４９′～５０°５１′Ｎ，１２１°３０′
～１２１°３１′Ｅ，海拔８００～１ １１６ｍ，属寒温带湿润气候
区，冬季漫长，夏季短暂，最低气温－５０℃，最高气
温３２℃，年降水量４５０～５５０ｍｍ。林下土壤为棕
色针叶林土，土层厚度２０～４０ｃｍ。乔木层主要为
兴安落叶松，混有白桦（Ｂｅｔｕｌａ ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ）及少量
樟子松（Ｐｉｎｕｓ ｓｙｌｖｅｓｔｒｉｓ－ｍｏｎｇｏｌｉｃａ）等，兴安落叶
松是其中的建群种和优势种。主要林型有１２种，均
为天然林，其中杜香兴安落叶松林分布面积最广，是
当地最典型的森林类型。林下常见植物有杜香
（Ｌｅｄｕｍ ｐａｌｕｓｔｒｅ）、杜鹃 （Ｒｈｏｄｏｄｅｎｄｒｏｎ ｐａｒｖｉｆ
ｏｌｉｕｍ）、越橘（Ｖａｃｃｉｎｉｕｍ ｖｉｔｉｓ－ｉｄａｅａ）、红花鹿蹄草
（Ｐｙｒｏｌａ ｉｎｃａｒｔｔａｔａ）、舞鹤草（Ｍａｉａｎｔｈｅｍｕｍｂｉｆ ｏｌｉ－
ｕｍ）等。
２ 研究方法
２．１ 指标选取原则
指标的选取原则直接影响指标的代表性，从而
影响到健康指标体系的质量。根据研究对象的实际
确定了以下原则。
①代表性原则 选取的指标能够反映研究对象
健康特征的主要因子，具有代表性。
②独立性原则 所选取的指标必须是直接的独
立的反应研究对象的健康特征的因子，不能间接或
模糊的反应健康特征，否则会影响评价指标体系的
质量。
③可行性原则 选择的指标必须是实际调查中
比较容易就能获取的指标，且使用方便、操作简单。
２．２ 样地调查
在研究地区杜香兴安落叶松林的原始林、渐伐
之后天然更新的森林（简称渐伐林）、皆伐之后天然
更新的森林（简称皆伐林）３种森林类型的典型地段
各设置面积为４０ｍ×４０ｍ的６块标准地，共１８块
（见表１）。在每个标准地的四角和中央位置设置５
个２ｍ×２ｍ的灌木样方、５个１ｍ×１ｍ草本样方
和５个凋落物收集筐。
表１ 标准地基本概况
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｐｌｏｔ
标准地编号
Ｓａｍｐｌｅ ｐｌｏｔ
ｎｕｍｂｅｒ
海拔／ｍ
Ａｌｔｉｔｕｄｅ
坡度（°）
Ｓｌｏｐｅ
坡向
Ａｓｐｅｃｔ
树种组成
Ｔｒｅｅ ｓｐｅｃｉｅｓ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
年龄结构
Ａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
采伐时间／年
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ
标准地简称
Ｓａｍｐｌｅ ｐｌｏｔ
ａｂｂｒｅｖｉａｔｉｏｎ
采伐强度／％
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
１ ８２５ ３ 东 １０落 中龄林 １９８７ 渐伐林 ５０
２ ８３１ ５ 东 １０落 中龄林 １９８７ 渐伐林 ５０
３ ８０７ ３ 东 １０落 幼龄林、中龄林 １９８７ 渐伐林 ５０
４ ８１０ ３ 东 １０落 幼龄林、中龄林 １９８７ 渐伐林 ５０
５ ８２１ ４ 东 ８落２白 幼龄林、中龄林 １９８７ 渐伐林 ５０
６ ８３０ ５ 东 ８落２白 幼龄林、中龄林 １９８７ 渐伐林 ５０
７ ８２０ ３ 西南 １０落 幼龄林、中龄林 １９８７ 皆伐林 １００
８ ８２７ ４ 西南 １０落 幼龄林、中龄林 １９８７ 皆伐林 １００
第２期 铁 牛等：兴安落叶松林林分健康评价研究———以杜香兴安落叶松林为例 ６７
续表
标准地编号
Ｓａｍｐｌｅ ｐｌｏｔ
ｎｕｍｂｅｒ
海拔／ｍ
Ａｌｔｉｔｕｄｅ
坡度（°）
Ｓｌｏｐｅ
坡向
Ａｓｐｅｃｔ
树种组成
Ｔｒｅｅ ｓｐｅｃｉｅｓ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
年龄结构
Ａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
采伐时间／年
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ
标准地简称
Ｓａｍｐｌｅ ｐｌｏｔ
ａｂｂｒｅｖｉａｔｉｏｎ
采伐强度／％
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
９ ８１０ ３ 西南 ７落３白 幼龄林、中龄林 １９８７ 皆伐林 １００
１０ ８２５ ３ 南 ６落４白 中龄林 １９８７ 皆伐林 １００
１１ ８２０ ３ 南 ８落２白 幼龄林、中龄林 １９８７ 皆伐林 １００
１２ ８１７ ３ 南 ７落３白 幼龄林、中龄林 １９８７ 皆伐林 １００
１３ ８８８ １１ 西 南 ８落２白 中龄林、成熟林 原始林 ０
１４ ８３５ ８ 北 １０落 中龄林、成熟林 原始林 ０
１５ ８９０ １１ １０落 全龄林 原始林 ０
１６ ８５３ ９ １０落 全龄林 原始林 ０
１７ ８７５ １１ １０落 全龄林 原始林 ０
１８ ８６０ ９ １０落 全龄林 原始林 ０
调查内容包括样地的基本状况，如海拔、坡度、
坡向、坡位、林分垂直结构等；对高度＞１．３ｍ的乔
木进行每木检尺并测定林分郁闭度，记录其树种、树
高、胸径、冠幅和生长状况（风倒木株数和雷击木株
数等）；对收集筐内凋落物湿重、干重、厚度进行测
量；对样方内灌木及草本植物，分种记载其种类、株
数、盖度等；同时在样方内调查土层厚度和腐殖质厚
度；更新调查，记录幼苗和幼树种类、株数、株高、地
径等。
２．３ 指标值的计算
２．３．１ 单位面积蓄积量 在样地内选取标准木，采
用“二元立木折算公式”可以计算出标准木的蓄积
量［５］，即：
Ｖ＝０．６πｒ２ ｈ （１）
式中：Ｖ 为每株树的材积；０．６为每株树的计算
常量；π为圆周率；ｒ为标准木胸径的一半；ｈ为标准
木的树高。标准地内林分蓄积量：Ｖ总＝Ｖ×ｎ，其
中：Ｖ总 为标准地内林分总蓄积量；ｎ为标准地内树
木总株数。
２．３．２ 灌木、草本Ｓｉｍｐｓｏｎ指数［６］ 采用公式：
Ｄ＝１－∑Ｐ２ｉ＝１－∑（Ｎｉ／Ｎ）２ （２）
式中：Ｄ－Ｓｉｍｐｓｏｎ指数；Ｎｉ－样方内第ｉ物种
的个体数；Ｎ－样方内所有种的个体总数。
２．３．３ 灌木、草本丰富度［６］ 用 Ｍａｒｇａｌｅｆ指数表
示，其公式为：Ｄ＝（Ｓ－１）ｌｇＮ
式中：Ｄ－Ｍａｒｇａｌｅｆ指数；Ｓ－杜香兴安落叶松
林林分中物种数目；Ｎ－个体总数。
２．３．４ 定性指标定量化 定性指标量化处理是根
据杨学民的定量化转换方法［７］，分成５级，健康得分
量化值越高，森林健康程度越高，其赋值分别为１、
０．８、０．６、０．４、０．２。
林分垂直结构：发育良好、结构协调的天然林从
树冠到地面有主林层、灌木层、更新层、草本层、枯落
物层５个层次，将具有５个层次赋值为１、每少１个
层减０．２。年龄结构：由幼龄林、中龄林、近熟林、成
熟林、过熟林等５个龄级组成的林分赋值为１；每减
少１个龄级减０．２。将火干扰强度、虫害程度、病害
程度分别分为无、轻、中、重、严重５个等级［５］，依次
赋值为１、０．８、０．６、０．４、０．２。
２．４ 指标数据标准化处理
由于指标数据量纲不统一，没有可比性，需对定
量指标进行无量纲化计算［８］，才能进行比较。标准
化方法如式（３）。
Ｘｓｖ＝Ｘｉ／Ｘｍａｘ （３）
式中：Ｘｓｖ为标准化后的指标值，Ｘｉ 为所选指标
值，Ｘｍａｘ为同类指标最大值。
２．５ 指标筛选与评价模型构建
由于人为选择的指标中容易存在一定程度的相
关关系，若直接应用该指标体系，可能会导致被评价
对象反映的信息有所重复，造成评价不准确。本研
究采用主成分分析法提取指标，确定权重，将多项相
关的指标简化为较少的独立的主成分［９］，使它们尽
可能多地保留原始变量的信息，且彼此间相互独立，
代替原指标，作为最终的健康评价指标。
由样地数ｎ及各指标调查数据可计算相关系数
矩阵Ｒ的特征值λ１≥λ２≥…≥λｐ＞０和对应的单位
特征向量［ｅ１，ｅ２，…，ｅ３］，则称变量Ｆｊ为指标变量ｘ
的第ｊ个主成分［１０－１１］：
Ｆｊ＝ｅＴｊＸｓｖ ｊ＝１，２，…，ｐ （４）
根据提取的ｊ个主成分Ｆｊ 及各主成分贡献率
ａｊ（这里ａｊ即权重），构建出大兴安岭杜香兴安落叶
松林健康综合评价模型为［１１］：
Ｈ＝ａ１Ｆ１＋ａ２Ｆ２＋ａ３Ｆ３＋…＋ａｊＦｊ （５）
６８ 河 北 农 业 大 学 学 报 第３５卷
２．６ 森林健康等级划分
本研究用系统聚类法对各标准地分类，根据聚
类结果确定杜香兴安落叶松林分健康状况等级标
准，通过健康指数反映３种杜香兴安落叶松林分的
健康状况。
对样品或指标进行聚类，变量聚类常用相似系
数，样品聚类常用距离。本研究用欧氏距离进行聚
类分析，类与类间的距离采用离差平方和法（即
Ｗａｒｄ法）。聚类的目的就是要把样本分类，但将样
本分为几类没有一个标准［１０］。可用聚类过程判断
及检验该聚类的优劣，本文用半偏Ｒ２、Ｒ２、离差平方
和３种统计量来评价聚类的效果［１２］。
２．６．１ 半偏Ｒ２ 统计量 当把类ＣＫ 和ＣＬ 合并为
下一个水平的类ＣＭ 时
半偏Ｒ２＝ＢＫＬ／Ｔ （６）
其中：ＢＫＬ为合并类引起的类内离差平方和的
增量，Ｔ为所有变量的总离差平方和。半偏相关越
大，２类越离散，说明这２个类越不该合并。
２．６．２ Ｒ２ 统计量
Ｒ２＝１－ＰＧ／Ｔ （７）
其中：ＰＧ 为分类数为Ｇ 类时的总内离差平方
和。Ｒ２ 大，说明分为Ｇ类时每个类内的离差平方和
都比较小，也就是分为Ｇ 个类是合适的。但是，显
然分类越多，每个类越小，Ｒ２ 越大，所以我们只能取
使得Ｒ２ 足够大，但Ｇ本身比较小，而且Ｒ２ 不再大
幅度增大。
２．６．３ 离差平方和统计量 离差平方和是各项与
平均项之差的平方的总和。
Ｓ＝∑
ｍ
ｉ＝１
（Ｘｉ－Ｘ）２ （８）
３ 结果与分析
３．１ 指标体系构建
本研究构建了包括林分生产力、土壤、林分结
构、抵抗力与恢复力４个２级指标，２２个３级指标
的杜香兴安落叶松林健康评价指标体系（图１）。
图１ 杜香兴安落叶松林分健康评价指标体系
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｌｅｄｕｍ－Ｌａｒｉｘ ｇｍｅｌｉｎｉ ｆｏｒｅｓｔ ｈｅａｌｔｈ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
３．２ 指标提取与主成分分析
样本数据为一个１８×２２的矩阵，通过该矩阵计
算相关矩阵，在相关矩阵的基础上得出影响该林分
健康的各主成分特征值、贡献率及其特征向量，其数
据处理过程在ＳＡＳ９．０统计软件中进行。
通过计算得出样本的特征根和特征向量（表
２）。实际运用中，一般累计贡献率达到８５％，就可
代表绝大部分信息。
研究结果显示，前８个特征根的累计贡献率达
到８７．９２％，选前８个主成分作为杜香兴安落叶松
林健康评价的综合指标。
第１主成分在蓄积量、凋落物量、更新、结构、灌
木盖度、火干扰强度及倒木株数等大部分指标特征
属性上有较接近的因子载荷，可看作综合性指标；第
２主成分在更新幼苗株数、幼树株数、乔木郁闭度等
特征属性有较大的因子载荷，可看作恢复力方面的
指标；第３主成分在病害、虫害程度指标有很大的因
子载荷，列为病虫害方面的指标；第４主成分在灌
木、草本Ｓｉｍｐｓｏｎ指数、草本丰富度等属性上有很
大的因子载荷，可看作植物物种多样性指标；第５主
成分在火干扰强度、雷击木株数等特征属性上有较
大的因子载荷，可看作火灾干扰程度；第６主成分在
灌木盖度、林分垂直结构等特征上有较大的因子载
荷，可列为结构合理性指标；第７主成分在腐殖质厚
度、土层厚度等特征属性上有大的因子载荷，可看作
土壤养分方面指标；第８主成分在风倒木株数、雷击
木株数等特征属性上有较大的因子载荷，可看作自
然干扰指标。
第２期 铁 牛等：兴安落叶松林林分健康评价研究———以杜香兴安落叶松林为例 ６９
表２ 样本主成分特征向量
Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｅｉｇｅｎｖｅｃｔｏｒ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ
指标
Ｉｎｄｅｘ
Ｆ１ Ｆ２ Ｆ３ Ｆ４ Ｆ５ Ｆ６ Ｆ７ Ｆ８
单位面积蓄积量 ０．２５６ ４５５ ０．１６４ ６０６ －０．２３４ ４４９ ０．０７８ ４９９ －０．１６０ ３３８ ０．０７７ ５３３ ０．２３３ ０３６ －０．２６８ ４５９
年凋落物量 ０．２３６ ３４０ ０．２３３ ３２８ ０．１５７ ９０１ ０．２６８ １０５ －０．０８２ ０１９ ０．０４１ ９４１ ０．０９６ ３５３ ０．０９８ ５６３
林分平均高 ０．３２０ ６６１ ０．０１８ ６９４ －０．１４６ ６１６ ０．０７４ ５２８ ０．１６８ ２４６ ０．０３４ ０９１ ０．１３１ ７２４ ０．０５７ ４８５
腐殖质厚度 ０．１９０ ０７４ －０．０９８ ４４７ ０．１４３ ８９４ ０．１４３ ５４０ ０．２１５ ７８９ ０．２７７ ９４９ －０．５６３ １８７ ０．１７５ １３８
土层厚度 ０．２２２ ４３７ ０．１８０ １９１ ０．１４５ ３０６ ０．０７９ ０５７ －０．１３４ ５６４ ０．２４５ １６０ ０．４８９ ４９２ ０．１９５ ８８９
灌木Ｓｉｍｐｓｏｎ指数 －０．１３９ ３０７ ０．０９４ ８９１ ０．１５０ ４９２ ０．４６８ １６３ －０．３２２ ０３９ ０．１９５ ５６６ ０．１１０ ４１６ －０．３８１ ７００
草本Ｓｉｍｐｓｏｎ指数 ０．１３２ ８５６ －０．０８４ ６１１ ０．２０６ ７３２ ０．４４５ ６０６ －．０７３ ４４１ －０．２８３ ９１０ ０．３２０ ４７９ －０．２２４ ４２２
灌木丰富度 －０．１６４ ２９０ ０．３２０ ６５９ －０．０１４ ７５１ －０．０３５ ３４８ ０．３７５ ０９６ ０．１５３ １５２ ０．２６７ ６０３ ０．２３９ ２２１
草本丰富度 ０．１０５ ４２８ ０．１８１０ ９３ ０．１０７ ３４１ －０．５０６ ４９４ ０．０１６６ ６３ ０．０７３ ９５６ －０．２０４ ５７４ ０．０５５ ８８９
乔木郁闭度 －０．１７１ ８８２ －０．３９２ ４９０ －０．１９１ ０３１ ０．０９０ ５６９ ０．２１１ ２１３ ０．０２９ ４９７ ０．２４５ ６９０ －０．０９０ ５０１
林分垂直结构 ０．１４１ ５０２ ０．０７５ ９５９ －０．０５６ ４８７ ０．３４６ ２０５ －０．２６３ ４６７ －０．４８５ １７６ －０．０９５ ９９５ ０．２５３ ８０９
年龄结构 ０．３０３ ８３２ －０．０６５ ５７８ ０．１３２ ８１９ ０．１５７ ５７２ ０．２０８ ４７０ ０．１８３ ８７４ ０．２２４ ５４５ ０．０５７ ８２４
灌木盖度 －０．２６３ ９０６ ０．０５６ ０２１ －０．１００ ０９０ ０．２７８ ７６３ ０．００９ ０７６ ０．５０５ ２４３ －０．１０８ ６７８ ０．１１６ ８８４
草本盖度 －０．１７２ ５４５ ０．２５１ １９０ ０．１２５ ９８７ ０．２７７ ６４２ ０．１９１ ７４３ －０．１８１ ７０５ ０．１９５ ００９ ０．１１１ ３８６
枯落物盖度 ０．２１４ ３０８ ０．０７１ ９３５ ０．３４６ １２６ －０．０８７ ５０８ ０．０９８ ０４９ －０．２７２ １８３ －０．０８２ １６３ ０．２４８ ３５０
更新幼苗株数 －０．２４０ ７８１ ０．３６６ ２１２ ０．１０１ ８１６ －０．１４８ １７４ ０．０２６ ３３０ －０．０５１ ７５９ －０．１９０ ９９４ －０．０１６ ０８７
更新幼树株数 －０．２２５ ４７８ ０．３８４ ３８７ ０．０６４ ７１５ ０．０５８ ３０５ ０．０３７ １２４ －０．０１９ ０３０ －０．１５１ ２９３ －０．１１６ ４４３
病害程度 ０．１４９ ３４５ ０．２６３ １２２ －０．４９５ ４３２ －０．０２６ ２２２ ０．１４９ ８３４ －０．００１ ６５７ －０．０８７ ９７９ －０．０４４ ５４６
虫害程度 ０．１４９ ３４５ ０．２６３ １２２ －０．４９５ ４３２ －０．０２６ ２２２ ０．１４９ ８３４ －０．００１ ６５７ －０．０８７ ９７９ －０．０４４ ５４６
雷击木株数 ０．２８０ ９５２ －０．０４９ ５７６ －０．０５９ １２７ －０．０７２ ０７７ －０．３６０ ４８４ －０．０１５ ６３７ －０．０１１ ０２７ ０．３８３ ４７２
风倒木株数 ０．２１７ ７４８ ０．２３４ ０１４ ０．２５８ ３５６ －０．０７４ ３７９ －０．０２８ ７２６ ０．００１ ８９６ －０．００４ ２７４ －０．４４２ ５４３
火干扰强度 －０．２１８ ５９１ ０．１０５ ３１９ ０．０３０ ６４２ －０．２３３ ２２８ －０．３７２ １０１ ０．２７２ ８７８ ０．３４９ ６６０ ０．０８８ ３７９
由于林分的结构和功能复杂，从主成分特征向
量中无法为每一个主成分清晰地命名归类。这也验
证了林分健康状况是由多个指标相互联系、共同作
用的结果。蓄积量、年凋落物量等生产力指标，更新
株数、病虫害程度、火干扰强度等反应抵抗力与恢复
力的指标，林分垂直结构、灌木盖度等结构指标的因
子载荷较大且出现次数较多，说明这些指标是影响
杜香兴安落叶松林健康的主要因素。其中，更新指
标权重较大，说明更新对杜香兴安落叶松林健康影
响比土壤方面作用更大，视为重要指标。
３．３ 样本的聚类分析
根据得到的８个主成分综合指标数据，组成聚
类分析的样本数据矩阵Ｙ１８×８，对这１８个标准地进
行聚类，聚类过程在ＳＡＳ９．０统计软件中进行，结果
见图２。
聚类原则一般是类间离差平方和大，说明２类
间离散，应该分为不同类。在ＢＳＳ值分别为１１．００８
和１１．６９９之上ＢＳＳ值均很小，之下ＢＳＳ值大幅增
大，说明在聚为５类及更多类时不恰当，聚为４类或
３类时较合理；半偏Ｒ２ 在聚为４类、３类、２类、１类
时较大，其余的值都较小，说明根据半偏Ｒ２ 准则分
为５类、４类、３类和２类较为合适；Ｒ２ 在聚为４类
时为０．５１３，在其之上Ｒ２ 值的变化幅度不大，而到
分为３类时Ｒ２ 下降为０．４２７，变化剧烈，可认为聚
为４类比较合适。
综合以上３种不同的聚类效果评价方法，本研
究认为样本聚为４类时有较好的效果。
７０ 河 北 农 业 大 学 学 报 第３５卷
图２ 不同标准地聚类结果图
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｅ ｐｌｏｔ
３．４ 林分健康评价结果
由聚类结果可知，调查的标准地聚为４类，因
此，可将杜香兴安落叶松林林分健康等级标准划分
为４级（分别用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示），其中
Ⅰ级有６块原始林标准地，占样本总数的３３．３３％；
Ⅱ级有６块渐伐林标准地，占样本总数的３３．３３％；
Ⅲ级有２块皆伐林标准地，占样本总数的１１．１２％；
Ⅳ级有４块皆伐林标准地，占样本总数的２２．２２％。
将特征根和特征向量的数据及指标数据代入
（４）式和（５）式，可得３种森林类型综合健康指数值，
一个林分健康指数较大，说明其健康水平就较好，反
之就较差。具体评价结果见表３。
表３ 杜香兴安落叶松林分健康评价结果
Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｌｅｄｕｍ Ｌａｒｉｘｆｏｒｅｓｔ ｈｅａｌｔｈ
林分类型
Ｆｏｒｅｓｔ ｔｙｐｅ
健康指数
Ｈｅａｌｔｈ ｉｎｄｅｘ
健康等级
Ｈｅａｌｔｈ ｌｅｖｅｌ
健康状况
Ｈｅａｌｔｈ
原始林 １．０２ Ⅰ 健康
渐伐林 ０．８５ Ⅱ 亚健康
皆伐林 ０．７３ Ⅲ 一般健康
皆伐林 ０．６５ Ⅳ 不健康
由表３可知，原始林健康水平最高，渐伐林次
之，皆伐林最低。究其原因主要是原始林为没受过
人为干扰的生态系统，结构合理，功能稳定，自我调
节能力强。从而生态系统活力水平相对较高，抵抗
外界干扰能力和自我恢复能力较强。因此，原始林
是相对健康的；而渐伐林和皆伐林均为人为干扰下
形成的森林类型，人为干扰尤其是不合理的人为干
扰往往破坏其原有的合理的森林结构，导致生物多
样性以及活力水平下降，甚至会打破原来的平衡状
态。皆伐林比渐伐林干扰程度大，几乎完全破坏了
原有的森林结构和森林环境，因此，活力水平、组织
结构及抵抗外界干扰能力与恢复能力等方面均低于
渐伐林。
而皆伐林出现２种健康等级主要原因可能是因
为：土壤、坡度、坡向、郁闭度、林分年龄、更新状况等
因素的差异，使得一部分评价指标数值相差较大，计
算出的健康指数相应差别较大，健康等级自然不同。
或者皆伐林在采伐前林分特征就可能存在差异。
４ 讨论与结论
（１）林分生产力、土壤养分、林分结构、抵抗力与
恢复力４个方面的２２个指标，能够初步构建杜香兴
安落叶松林健康评价指标体系。
（２）运用主成分分析法对指标体系进行降维，将
２２个指标缩减为综合性、恢复力、病虫害、植物物种
多样性、火灾干扰程度、结构合理性、土壤养分、自然
干扰等８个综合指标，是影响杜香兴安落叶松林健
康的主要指标。
（３）通过聚类分析可得杜香兴安落叶松林健康
等级应分为４级：Ⅰ级（健康）、Ⅱ级（亚健康）、Ⅲ级
（一般健康）、Ⅳ（不健康）。杜香兴安落叶松林分中，
６块原始林标准地均处于Ｉ级，占调查总数的
３３．３３％；６块渐伐林标准地均处于Ⅱ级，占调查总
数的３３．３３％；６块皆伐林标准地中，有２块处于Ⅲ
级，有４块处于Ⅳ级，分别占总数的１１．１２％和
２２．２２％。由此可得出，杜香兴安落叶松林健康状况
目前虽然一半以上表现良好，但仍有一定面积的林
分存在健康问题。
（４）从３种森林类型的健康指数比较分析，原始
林的健康级别最高，这表明原始林结构稳定、活力
高、抵抗力强，自我调节能力强；渐伐林健康级别仅
次于原始林，高于皆伐林；而研究区内的皆伐林健康
状况有２种，其中２／３的林分处于不健康，１／３的林
分处于亚健康，但总体上皆伐林健康水平最低。
第２期 铁 牛等：兴安落叶松林林分健康评价研究———以杜香兴安落叶松林为例 ７１
综上所述，杜香兴安落叶松林尤其是经采伐过
的杜香兴安落叶松林存在生产力低、结构不合理、抵
抗力与恢复力弱等健康问题，与采伐强度有很大的
关系，采伐强度越大，健康级别越低。可见，大兴安
岭兴安落叶松林的健康状况不容乐观，通过科学经
营，提高健康水平迫在眉睫。
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