健康的生态系统是人类可持续发展的重要前提。防护林作为生态系统的重要组成部分，以保持水土、涵养水源、防风固沙、调节气候、减少污染、减轻灾害为主要目的^{[1, 2, 3, 4]}，是人为干预实现生态系统恢复的最普遍、最有效的生态工程^[5]。防护林研究最早出现于1843年，前苏联建立了第一个防护林试验站——卡明草原农田防护试验林，由此拉开了各国营造、经营、监测、评价防护林的序幕。其中，较有影响力的有美国大草原各州林业工程计划(即罗斯福工程)、前苏联的斯大林改造自然计划以及我国的三北防护林工程。我国防护林营造规模在20世纪发展很快，第六次全国森林资源清查时防护林面积占森林总面积的31%，在一定程度上改善了生态环境和人民群众的生产生活条件，但是防护林营造和经营管理中也出现了不同程度的问题，如防护林早衰现象，林分结构不合理，经营管理粗放等^[6]。这些问题在一定程度上反映了防护林的健康经营落后于防护林的建设，因此，有必要对我国现有防护林的健康状况进行研究，构建适合防护林健康评价的指标体系和评价方法，以指导我国防护林资源的保护、防护林质量的提高、防护林生态服务功能的充分发挥以及防护林资源的可持续经营。我国对防护林健康研究起步较晚，对防护林健康的概念还尚未形成统一，但是我国学者对于防护林健康的研究主要有三个出发点：一是生态系统观念——针对生态系统的组织结构、自我调节能力和对胁迫的抵抗能力或恢复力等防护林自身生长状况的健康^[7]；二是功利主义观念——针对涵养水源、防风固沙、保持水土、固碳释氧等防护林生态功能发挥状况的健康^{[8, 9]}；三是平衡两者的综合考虑^[10]。前两者对防护林健康的研究过于片面，应当平衡两者综合考虑，才能对防护林健康进行较全面的评价。

秭归县地处湖北省宜昌市，位于三峡工程坝上库首，地理位置显要。全县总面积为2427 km²，2012年有林地面积为1388 km²，占土地总面积的57.19%，防护林覆盖率较高。但是，秭归县防护林多处于中、幼龄期，人工林面积较大，占防护林总面积的41.75%，且防护林结构较为单一。秭归县特殊的地理位置决定了防护林的生态战略地位，防护林的健康状况对于维持稳定的生态环境具有重要作用。目前，对于防护林的研究主要涉及森林与土壤侵蚀的相关性研究^[11]、水土保持效益研究^[12]、生态服务价值研究^[13]，尚未见林分水平上防护林健康状况综合评价的研究。因此，本文探索在林分水平上对秭归县防护林进行全面评价，对防护林的现状和当前存在的问题进行客观评估，为防护林的规划和可持续经营提供理论依据。

秭归县地处东经110°00′—110°18′，北纬30°37′—31°11′，属于亚热带大陆性季风气候，四季分明。全县年平均气温17.9 ℃，年平均降水量1006.8 mm。境内山脉为巫山余脉，平均海拔为800 m，地势西南高、东北低，属长江三峡山地地貌。全县土壤类型主要有黄壤、黄棕壤、棕壤、石灰土、紫色土、潮土和水稻土等7种土壤类型。秭归县植物物种较为丰富，森林结构多样，植物群落包括6个大类、12个亚类和5个区系。

由于秭归县特殊的地理位置，本研究将县域内所有森林都视为防护林。根据秭归县防护林优势树种组成、分布面积，归纳总结秭归县林业的相关研究^{[14, 15]}，为调查、研究、分析的方便，将全县防护林分为马尾松(Pinus massoniana)林、柏木(Cupressus funebris)林、其它针叶(杉木(Cunninghamia lanceolata)、华山松(Pinus armandii)、油松(Pinus tabulaeformis)、落叶松(Larix gmelinii)等)纯林、其它阔叶(刺槐(Robinia pseudoacacia)、栓皮栎(Quercus variabilis)、麻栎(Quercus acutissima)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)等)纯林、针叶混交林(马尾松杉木混交林、马尾松柏木混交林等)、阔叶混交林(栎类混交林、油桐栎类混交林等)、针阔混交林(马尾松栎类混交林、柏木栎类混交林等)、灌木林(马桑(Coriaria nepalensis)、黄栌(Cotinus oggygria)、檵木(Lorpetalum chinense)等)、经济林(柑橘(Citrus reticulata)、板栗(Castanea mollissima)等)等9种林分类型。

依据不同林分类型的汇总面积，在12个乡、镇共设置157个随机样地，每个样地设置3个土壤剖面，每个剖面取2个土样，共942个土样。样方调查采用随机抽样方法获取基础数据，样地设置为20 m×20 m，并在其中设置4个2 m×2 m灌木小样方，在各灌木小样方中设1 m×1 m的草本小样方。样地调查内容和方法：(1)立地条件调查：海拔、经纬度、坡度、坡位、坡向、土壤类型、土层厚度等环境因子；(2)乔木层调查：林分起源、林龄结构、树种组成、郁闭度、树高、胸径等；(3)灌木层调查：盖度、种类以及乔木更新情况等；(4)草本层调查：盖度、种类等；(5)凋落物、腐殖质调查：在样地内坡上、中、下各均匀设置面积为1 m×1 m的小样方3个，用铲子划出边界，钢卷尺测量腐殖质层和凋落物层厚度，并估算枯落物层盖度；(6)土壤状况调查：在样地内的上、中、下坡位各挖一个典型剖面，在剖面0—20 cm土层中部用环刀取土，重复一次，用于测量土层厚度、土壤孔隙度等物理性质^[16]，再用塑封袋取土样带回实验室，测其土壤有机质等化学性质^[17]。

通过以上调查可获得秭归县防护林总体概况(表 1)。

防护林健康既包含生态系统所具有的稳定的组织结构、较强的自我调节能力和对胁迫的抵抗能力或恢复力等防护林自身生长状况的健康，又包含涵养水源、保持水土、固碳释氧等防护林生态功能发挥状况的健康^[18]。换言之，健康的防护林一般具有以下特征：(1)具有复杂的结构，结构的复杂化是保持其生态系统稳定性的前提；(2)具有满足人类适度需要的生态服务能力；(3)具有异质的生态环境，复杂的生态环境为丰富的生物提供适宜的栖息地；(4)具有抵抗外界适度干扰的能力以及自主恢复到稳定状态的能力。

遵循健康防护林的特征，在防护林健康评价指标中应涉及到结构、功能、环境、抵抗力或恢复力，才能建立全面、系统的评价指标体系。因此，本研究采用“林分结构-林分功能-生态环境-健康风险”的框架构建系统化评价指标体系(图 1)。

图 1 防护林健康评价指标体系 Fig. 1 Indicators system of shelterbelt health assessment

图选项

指标的选取依据科学性、可操作性、系统性和独立性的原则。

(1)科学性原则 需能反映秭归县防护林的主体现状，并且概念准确、清晰明了，选取指标必须科学反应防护林的状况；

(2)可操作性原则 指标具有可测性和可比性，便于操作应用；

(3)系统性原则 指标体系能全面、系统反映防护林的主要特征和状态，全部指标组成完整的评价系统；

(4)独立性原则 各指标间应相互独立，不交叉，避免重复评判带来的误差。

(1)更新幼苗数(株/m²)=更新幼苗数(株)/样地面积(m²)

(2)生产力 采用净初级生产力^[19] NPP(t hm^-2 a^-1)=总生产量(t/hm²)/林分平均年龄(a)

(3)涵养水源 采用林内降水贮存量(m³/hm²)^[20]=1000 m²×林内土壤平均深度(m)×林内土壤的非毛管孔隙度。

(4)保持水土 采用土壤侵蚀程度间接衡量防护林的保持水土功能，具体分类依据土壤侵蚀分类分级标准^[21]。

(5)固碳释氧^[22] G=1.63×CO₂中碳的含量×林分净生产力+1.19×林分净生产力

(6)凋落物量=凋落物盖度×凋落物厚度

(7)土壤孔隙状况 采用非毛管孔隙度。

(8)土壤有机质(g/kg)=1.724×土壤有机碳(g/kg)

(9)病虫害^[23]=(受害株数/样地总株数)×100%

(10)人为干扰 人为干扰程度分为三级，轻度或无干扰：偶有人进入林内收集枯落物；中度：人为干扰活动主要有打枝、收集枯落物等；重度：遭受伐木、放牧、砍柴、收集枯落物、丢放生活垃圾等^{[24, 25]}。

(11)火险等级 通过总结鲁绍伟等的研究成果^[26]，并结合秭归县防护林的实际状况，选取树种组成、林龄、郁闭度、灌草盖度、坡度、坡向、海拔、枯落物量8个火险等级指标(表 2)，通过统计学方法将各因子叠加，计算获得火险等级指数。

本文采用等级评分法进行评价指标的量化处理。评价指标优劣等级划分，参照森林可持续状况评价导则^[27]，将每个评价指标基准值划分为“好”、“中”、“差”3个等级，并利用黄金分割法依次为各个等级赋值1.0、0.62和0.38(表 3)。

防护林健康评价指标体系建立后，进行指标权重的设置。目前，此类研究使用较多的是Delphi-AHP法，可操作性强。首先邀请森林生态学、景观生态学、树木学、森林经理学、森林土壤学等学科专家各10人进行专家打分，并通过yaahp软件获得权重判断矩阵，然后计算出其最大特征根对应的特征向量，并通过一致性检验，即获得评价指标的权重(表 3)。

本研究综合生态系统健康评价过程中的生态系统健康综合指数模型^{[28, 29]}，根据防护林健康评价指标体系对防护林健康状况评价。计算方法如下：

式中，HI为防护林健康综合指数； o_i、f_j、r_k、s_l分别代表林分结构、林分功能、健康风险和生态环境一级指标中的二级指标的得分； w_i、w_j、w_k、w_l分别代表林分结构、林分功能、健康风险和生态环境一级指标中的二级指标的权重，并且:

式中，W₁、W₂、W₃、W₄分别代表林分结构、林分功能、健康风险和生态环境一级指标的权重，并且：

W₁+W₂+W₃+W₄=1

依据生态系统健康综合指数模型，计算获得秭归县防护林健康指数分布范围在0.50—0.90之间，主要集中在0.65—0.75之间，共有103块样地，占总样地数的66%，而小于0.6的样地有23个，大于0.80的样地有31个(图 2)。参考鲁绍伟等对八达岭林场森林健康等级划分的研究成果^[30]，并结合各样地健康综合指数的概率分布，本文将秭归县防护林健康状况分为4个等级(表 4)。

图 2 秭归县防护林样地健康指数概率分布图 Fig. 2 The probability distribution of health indicators of shelterbelt plots in Zigui County

图选项

依据防护林健康等级表，秭归县防护林不健康的样地有22个，亚健康的样地有96个，健康的样地有39个，调查样地中没有优质健康的。不健康的防护林最少，占总样地的14%，亚健康和健康的防护林占86%，秭归县防护林整体处于亚健康状态，健康指数均值为0.6921。但是，健康状况的防护林仅占25%，优质健康的防护林为0，可见秭归县防护林健康的总体质量不高，应该引起有关部门的重视，采取积极措施，使防护林经营朝健康方向发展。

根据各乡、镇防护林健康等级比例，得到各乡、镇防护林健康综合指数评价结果(图 3)。具体表现为只有磨坪乡整体处于健康等级，其它11个乡、镇都处于亚健康等级，其中归州镇防护林健康水平最差，健康指数为0.6465。

图 3 秭归县各乡镇防护林健康评价结果 Fig. 3 Shelterbelt health assessment values of each town in Zigui County

图选项

构成秭归县防护林的9种林分类型防护林的健康状况也是不尽相同的(表 5)，相比之下，阔叶混交林健康指数均值最大为0.7388，灌木林健康指数均值最小为0.5858，整体上健康状况排序为：阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶混交林＞阔叶纯林＞马尾松纯林＞柏木纯林＞其它针叶纯林＞经济林＞灌木林，即是混交林＞纯林＞经济林＞灌木林。按照防护林健康等级表划分，只有灌木林整体属于不健康等级，其它8种林分类型总体都处于亚健康等级。

由于长江横穿县城，为了分析秭归县防护林健康状况与其水平位置的关系，特进行防护林健康状况水平分布特点分析，结果发现长江以南的8个乡、镇防护林健康状况比长江以北的4个乡、镇好(图 4)。分析原因可能是因为长江以北为老县城区，相对面积小人口多，土地利用率高，经济基础较好，人为干扰强度大，造成景观连通性和生物多样性较差。而长江以南地区，面积大人口相对较少，土地利用集中，植被覆盖率高，具有较多的天然植被。

图 4 秭归县各乡、镇分布图 Fig. 4 Distribution of each town in Zigui County

图选项

秭归县辖下乡、镇防护林健康指数由南向北有逐渐递减的趋势(图 5)。形成这样的结果，可能是由影响防护林生长状况的因子导致的：一是气候、地形、地貌、土壤等生态环境因子；二是人口密度、经济水平等社会经济因子。生态环境因子是林木生长的基础，如光、热、水、肥等直接影响林木的生长发育，因此，南北自然条件的不同可能是导致不同乡、镇防护林健康状况差异的因素。社会经济条件通过人为因素间接影响着林木生长状况，因而，不同乡镇的人口密度、经济发展水平等可能是导致防护林健康状况差异的又一诱因。

图 5 秭归县各乡、镇防护林健康指数 Fig. 5 Shelterbelt health index of each town in Zigui County A. 磨坪乡; B. 梅家河乡; C. 杨林桥镇; D. 九畹溪镇; E. 两河口镇; F. 茅坪镇; G. 沙镇溪镇; H. 屈原镇; I. 郭家坝镇; J. 水田坝乡; K. 泄滩乡; L.归州镇.

图选项

为进一步探究影响长江南北防护林健康差异的主要因素，根据现有数据资料，本文选取坡度、土层厚度、土壤有机质、土壤孔隙度、人口密度、人均收入、距县城的距离、距长江的距离8 个因子与防护林健康指数进行pearson相关性分析，确定影响秭归县防护林健康水平变异的主要因子(表 6)。

坡度、土层厚度、人口密度、人均收入与乡、镇防护林健康指数呈负相关，土壤有机质、土壤孔隙度、距县城的距离、距长江的距离与乡、镇防护林健康指数呈正相关。其中，土壤孔隙度与乡、镇防护林健康指数呈显著正相关，人均收入与乡、镇防护林健康指数呈显著负相关，距长江的距离与乡、镇防护林健康指数呈极显著正相关。土壤孔隙度属于土壤质地，说明南北乡镇土壤质地有显著差别，影响了防护林的生长发育；距长江的距离越近、当地人均收入相对高的乡、镇，开发较早，对防护林的干扰相对较大，严重影响了防护林的健康状况。

秭归县境内山峦起伏重叠，山地、丘陵占土地总面积的80%左右，而植被覆盖主要分布在中、高海拔地区。为便于研究防护林健康指数随海拔的垂直变化特征，将秭归县样地调查的海拔因子划分为5类(表 7)。

结果表明防护林健康指数随海拔增高逐渐增大，海拔1000 m以上逐渐降低，健康指数表现出随海拔升高由小变大、又由大变小的变化特点(图 6)。

图 6 不同海拔高度防护林健康指数分布图 Fig. 6 Different altitude shelterbelt health index distribution

图选项

(1)0—400 m低海拔地区 该区域属于丘陵地形，坡度和缓，自然条件较为优越，是居民点密集区域，农业用地多，植被覆盖率较低，生物多样性偏低，人为干扰强度大，防护林健康状况最差。

(2)400—1000 m中海拔地区 中海拔区域防护林类型丰富，植被覆盖率较高，因此将中海拔区域细化分为3个区域：400—600 m、600—800 m和800—1000 m，防护林健康指数均值分别为0.6863、0.6991和0.7174，防护林健康指数呈现随海拔增大不断升高的规律，并在800—1000 m区域达到相对最高值。

表现出该规律的原因可能是：400—600 m为复合农林经营区，以经济林为主，林分生产力较低，人为干扰频繁，凋落物量、腐殖质量较少；600—800 m区域开始出现生态防护林带，以针叶林为主，居民点稀少，人为干扰强度降低；800—1000 m为生态防护林带，林分类型主要是混交林、阔叶林和针叶林，生物多样性和生产力较高，海拔高人为干扰相对较少。

(3)1000 m以上高海拔地区 1000 m以上多为飞播造林，以针叶林为主，林种单一，多为幼龄林，生产力和生态服务功能降低，防护林健康指数均值有所下降。

本文论述了防护林健康的内涵、评价指标、评价方法等理论基础，以秭归县防护林为例，通过野外调查和数据分析，制定评价指标优劣等级表，采用Delphi-AHP法设置指标权重，利用生态系统健康综合指数模型，分析了秭归县防护林的健康状况，为秭归县防护林的可持续经营与管理提供了科学依据。主要包括：

(1)总结相关森林健康评价的文献，构建了包含4个一级指标和20个二级指标的林分水平防护林健康评价指标体系。

(2)建立防护林健康评价指标优劣等级表。评价指标体系建立后，进行指标量化，本文采用等级评分法，将指标分为好、中、差三级，为三峡库区防护林健康评价提供了参照。

(3)以秭归县为例，进行防护林健康评价。秭归县防护林整体处于亚健康状态，健康指数均值为0.6921，其中处于不健康状态的样地占总样地的14%，处于亚健康状态的样地有61%，处于健康状态的样地为25%，处于优质健康状态的样地为0。

(4)秭归县9种类型防护林健康状况排序为：阔叶混交林＞针阔混交林＞针叶混交林＞阔叶纯林＞马尾松纯林＞柏木纯林＞其它针叶纯林＞经济林＞灌木林，即是混交林＞纯林＞经济林＞灌木林。

(5)秭归县防护林健康指数的空间变异性。水平方向上，秭归县辖下12个乡、镇防护林健康指数从南向北有逐渐递减的趋势；垂直方向上，防护林健康指数随海拔升高逐渐增大，到海拔1000 m以上出现降低趋势，具有一定的垂直变化趋势。

(1)防护林健康评价指标体系的适用性。基于林分水平进行指标筛选，指标主要侧重于林分水平表征防护林的内部结构特征的指标，这就决定了构建的防护林健康评价指标体系是针对小尺度水平的研究，因此这套健康评价指标体系比较适用于乡、镇、县级小尺度的防护林健康评价研究。但是，将该套防护林健康评价指标体系应用于三峡库区内其它地区防护林健康评价时，应当考量健康评价指标优劣等级阈值的适用性。

(2)本研究参考国家标准、行业标准、归纳库区内防护林相关研究成果以及国内防护林的相关文献，进行防护林健康评价指标优劣等级划分，在一定程度上降低了采用专家打分获取指标量化带来的主观性，以及采用均值化处理、中心化处理、极值处理等方法^[31]进行指标量化时因样本不足带来的误差。

(3)由于研究资料、数据的不足和研究手段的限制，在防护林健康评价指标数据获取上存在一定的缺陷。生产力指标通过生物量进行计算，而生物量采用了三峡库区不同林分类型的生物量模型，对于秭归县的适用性有待考证；保持水土指标因缺少土壤侵蚀模数不能直接获取，采用了土壤侵蚀程度指标进行代替，间接反映防护林保持水土的能力；林分功能指标由于数据资料的缺少和指标的难以量化，未考虑防护林的营养物质积累、净化大气环境等方面的生态服务功能，这是需要今后进一步研究探讨的问题。

(4)通过对秭归县防护林健康评价，发现了秭归县防护林经营出现的问题，建议及时采取封山育林、人工补植、营造混交林、抚育间伐、制止乱砍乱伐等调控措施，以期迅速改善秭归县防护林健康状况。

(5)秭归县防护林健康评价研究只是考虑对现状的评价，缺少长期的监测和评价，无法判断防护林健康的发展方向。未来的防护林健康经营是多功能可持续的经营体系，这需要研究者进行定期评价，以便及时调整经营方案，从而实现防护林的可持续发展。