2014, Vol. 50
文章信息
- 宋启亮, 董希斌
- Song Qiliang, Dong Xibin
- 大兴安岭低质阔叶混交林不同改造模式综合评价
- Comprehensive Evaluation of Different Transformation Models of Low-Quality Broad-Leaved Mixed Forest in Daxing’an Mountains
- 林业科学, 2014, 50(9): 18-25
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(9): 18-25.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140903
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文章历史
- 收稿日期：2014-01-10
- 修回日期：2014-04-23
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作者相关文章
大兴安岭经过多年滥砍滥伐、伐优留劣、反复采伐等人为干扰和森林火灾、病虫害等自然灾害的破坏后，原始森林急剧减少，形成了大量的低质林，生物多样性减少，土壤侵蚀加剧，水土流失严重，森林整体生态功能急剧退化。近年来，为满足森林可持续经营和森林生态安全的需要，以恢复近自然林为目标，变低效为高效，改劣质为优质，提高森林资源的质量，相继开展了低质林的研究工作，包括低质林的定义(国家林业局，2007)、低质林类型的界定与评价(张泱等，2009)、低质林的成因(李勇等，2012a)、低质林改造方式(白玉茹等，2003； 张涛等，2004； 马宝峰等，2006)、改造对低质林各项指标的影响(刘美爽等，2010； 王会利等，2010； 郭辉等，2010b； 马履一等，2007)等。目前较常用的低质林改造模式主要分为全面改造、复壮改造、抚育改造、效应带改造、栽针保阔改造、封育改造(宋启亮，2012)，其中，效应带改造样地的形状可分为带状改造和块状改造2种，带状改造又可根据实际立地条件，选择斜山带、顺山带和横山带3种方式(张涛等，2004)。如何对多种改造模式进行评价，从中选出最优的一个，目前选取的指标有生物多样性(宋启亮等，2012)、枯落物持水性能(李超等，2012)、土壤肥力状况(姜林等，2013)、土壤理化性质(李勇等，2012b； 刘美爽等，2012； 纪浩等，2012a)、土壤呼吸速率(纪浩等，2012b)以及更新苗木生长状况(李勇等，2012c)等。选取这些指标的原因是较高的多样性能使森林的生产力增加，有利于保持森林生态系统的营养，同时可以提高森林生态系统的稳定性(刘少冲等，2011； Sodhi et al.， 2010； Pardini et al.， 2009)； 较高的枯落物生物量可以拦截蓄积降雨、增加土壤水分、疏散缓冲地表径流、改善土壤质量(刘玉国等，2011； 郭辉等，2010a)； 土壤物理性质的好坏反映了土壤蓄水保水能力，是土壤水源涵养能力评价的主要指标，显著影响森林植被根系的生长； 土壤肥力状况是影响森林生产力最主要的因素，影响并控制着森林植被的生长和健康状况(Quesada et al.， 2009； Pérez-Bejarano et al.， 2010； Nave et al.， 2010； 姜林等，2013)； 土壤呼吸强度是评价土壤肥力和土壤质量的重要生物学指标，同时也是预测森林生态系统生产力与相应气候变化的参数之一(Anderson，2003； 王淑敏等，2011； 杨阔等，2010)； 更新苗木生长指标直接反映了低质林改造初期林地的更新能力，直观表现低质林改造更新的效果。有些研究选取多项指标建立模型(吕海龙等，2011； 张泱等，2010； 李芝茹，2012)，对不同改造模式进行综合评价，选取的指标不同，评价结果也不尽相同。由于不同地区各种类型低质林的生态环境、立地条件和植被类型等都有差异，所以各改造模式的改造效果并不相同，故筛选出最适宜本地特有类型低质林的改造模式，对当地低质林改造十分重要。本文以大兴安岭阔叶混交低质林为研究对象，通过筛选反映低质林改造效果的多个评价指标，运用主成分分析法对不同改造模式建立综合模型，对不同改造模式进行定量综合评价，并最终优选出大兴安岭阔叶混交低质林最佳的改造模式，为大兴安岭地区低质林经营与改造提供参考依据。
1 研究区概况研究区位于大兴安岭地区加格达奇林业局翠峰林场，地形地貌为低山丘陵，土壤大多为暗棕壤，坡度多在15°以下，无霜期85～130天，年平均降水量494.8 mm。 属寒温带大陆性季风气候，冬季寒冷且漫长，夏季短促炎热，日照时间长，年平均气温-1.3 ℃。在翠峰林场174林班选取阔叶混交低质林进行改造，地理坐标为124°24′35.1″ E，50°34′32.00″ N，地势平缓，坡度6°，土壤厚20 cm。乔木层主要树种有山杨(Populus davidiana)、蒙古栎(Quercus mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、黑桦(Betula dahurica)等；下木以兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)为主，盖度12%，地被物以莎草(Cyperus microiria)、鹿蹄草(Pyrola dahurica)为主，盖度27%。改造前林分郁闭度0.3，平均胸径11 cm，平均树高9 m。
2 研究方法 2.1 试验区设置2009年春在174林班阔叶混交低质林试验区进行带状和块状改造。带状改造试验区设置方式见图 1，阴影部分为保留带，空白部分为改造带，按照带宽不同分为6 m(S1)，10 m(S2)，14 m(S3)，18 m(S4)共4种，改造带内针叶树种的幼苗保留，伐除其他非目的阔叶树种，每条改造带平均分成3段，分别栽植樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、欧洲赤松(Pinus sylvestris)、兴安落叶松(Larix gmelinii)，栽植苗木时与相邻保留林带距离为1 m，株间距配置为2 m×1.5 m； 块状改造试验区设置方式见图 2，阴影部分为改造样地，试验区包括3组，每组由6个大小不同的正方形改造样地组成，改造样地沿横坡方向排列，面积分别为(G1)25 m2(5 m×5 m)，(G2)100 m2(10 m×10 m)，(G3)225 m2(15 m×15 m)，(G4)400 m2(20 m×20 m)，(G5)625 m2(25 m×25 m)，(G6)900 m2(30 m×30 m)。在块状改造试验区改造样地内进行更新造林，3组试验区的造林树种分别为欧洲赤松、樟子松和兴安落叶松，栽植苗木时与原有林分的边界距离为1 m，株间距为1.5 m×1.5 m。
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图 1 带状试验区设置 Fig. 1 Strip test zone settings |
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图 2 块状试验区设置 Fig. 2 Block test zone settings |
于2012年6月对不同改造试验区的乔木、灌木、草本植被进行调查，每条改造带设置3个样方，样方长20 m，宽度为改造带的带宽。每个块状改造样地为一个调查样方，对样方内的乔木进行每木调查，根据样方的大小，在样方内随机设置1～5个5 m×5 m的灌木样方，调查灌木的种类和盖度，在灌木样方内按照“Z”形设置5个1 m×1 m的草本样方，调查植物的种类和盖度。利用调查数据计算出物种丰富度指数(S)、Shannon-wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)，以此作为不同改造模式的物种多样性评价因子(宋启亮等，2010)。
在顺山带状改造试验区，每条改造带沿山坡上中下各随机设置9个样点，在块状改造试验区的每个改造样地按“Z”形设置5个样点。在每个样点采集枯落物和土壤样品。
每个枯落物取样样点的面积为30 cm×30 cm，按未分解层和半分解层收集枯落物，带回实验室，于7月将枯落物烘干后称其干质量，以干物质质量推算枯落物的生物量。枯落物实验室浸泡称重，得出枯落物的最大持水量。
在每个样点用容积为100 cm3的环刀取环刀样品，用于分析土壤物理性质，评价指标有密度、最大持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度(李勇等，2012b)。同时取表层(0～10 cm)土壤带回实验室，自然风干后，于9月分析土壤的化学性质，评价指标有pH、有机质、全N、全P、全K、水解N、速效P和速效K含量。土壤理化性质的测定参照张万儒等(1999)的方法进行。
采用LI-8150多通道土壤碳通量自动测量系统(LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA)测定土壤表面CO2通量，每个观测点连续观测24 h，以0.5 h为一个测量周期，全天重复测量48次，并以平均值作为试验区的土壤呼吸速率(李勇等，2011)。
对试验区内栽植苗木的地径、树高以及生长量等指标进行测量，并计算出不同改造样地内樟子松、欧洲赤松、兴安落叶松的成活率和生长率。
2.3 评价方法将评价阔叶混交低质林不同改造模式的p个评价指标记为X1，X2，…， Xp，n个阔叶混交低质林改造模式的p个评价指标组成了数据矩阵X=[Xij]n×p，其中Xij表示第i种阔叶混交低质林改造模式第j项评价指标的原始数据(i=1，2，…，n; j=1，2，…，p)。
1)原始数据标准化，消除数量级和量纲的影响，正向指标用式(1)进行标准化，逆向指标用式(2)进行标准化：
| $X_{ij}^* = \frac{{{X_{ij}}}}{{{{\bar X}_j}}}$ | (1) |
| $X_{ij}^* = \frac{{{{\bar X}_j}}}{{{X_{ij}}}}$ | (2) |
式中：Xij*是Xij标准化后的数据；${\bar X_j}$ 是第j个评价指标各种改造模式的平均值。
2)选取主成分，利用SPSS软件对标准化后的数据进行分析，选取方差分析累计贡献率≥85%的前m个主成分，构建m个主成分与标准化变量之间的关系：
| ${Y_k} = {b_{k1}}X_1^* + {b_{k2}}X_2^* + \ldots {b_{kp}}X_p^*$ | (3) |
式中： Yk是第k个主成分(k=1，2，3，…，m)；bk1是第k个主成分的因子载荷。
3)各个主成分的权重采用第k个主成分的方差贡献率和所确定的m个主成分的总贡献率比值来表示：
| ${w_k} = \frac{{{\lambda _k}}}{{\sum\limits_{k = 1}^m {{\lambda _k}} }}$ | (4) |
式中： wk是第k个主成分的权重；λk是第k个主成分的方差贡献率。
4)利用式(3)选定的m个主成分和式(4)确定的权重构建综合评价函数：
| $F = \sum\limits_{k = 1}^m {{w_k}{Y_k}} $ | (5) |
式中： F表示不同改造模式的综合评价得分，得分越高说明改造效果越好(吕海龙等，2011； 张泱等，2010)。
3 结果与分析选取带状和块状改造试验区的乔木、灌木、草本层植被物种丰富度指数(S)、Shannon-wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)，未分解层和半分解层枯落物生物量、最大持水量，土壤物理性质(土壤密度、最大持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度)，土壤化学性质(pH、有机质、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K)，土壤呼吸速率，欧洲赤松、樟子松、兴安落叶松的成活率、生长率等共33项评价指标。不同改造模式各评价指标的测定数据见表 1。
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应用主成分分析对不同改造模式的改造效果进行综合评价。为消除各评价指标量纲和数量级的影响，首先利用式(1)，(2)对各个评价指标进行标准化处理。大兴安岭阔叶混交低质林的土壤呈弱酸性，其pH均低于7，则当其pH越接近7时，越适合地上植被的生长。因此，土壤pH为正向指标，按式(1)进行标准化处理； 土壤密度越大，说明土壤越紧实，不利于地上植被的生长，土壤密度为逆向指标，按式(2)进行标准化处理。 其他评价指标均为正向指标，按式(1)进行标准化处理，标准化后的结果见表 2。
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使用SPSS数据分析软件对标准化后的数据进行主成分分析，得到方差分析结果，由表 3可知前6个主成分的累计方差贡献率达到了90.06%，大于85%，所以选取前6个主成分已足够表达各改造模式的总体改造效果。通过分析得到选定的6个主成分的因子载荷见表 4。
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由表 4各因子载荷的绝对值可知，第1主成分在土壤总孔隙度、土壤最大持水量、土壤密度、土壤毛管孔隙度等指标上有较大载荷； 第2主成分在土壤pH、半分解枯落物最大持水量、灌木层物种丰富度指数等指标上有较大载荷； 第3主成分在乔木层多样性指数、半分解枯落物生物量、土壤呼吸速率、乔木层物种丰富度指数等指标上有较大载荷； 第4主成分在土壤速效K含量、有效P含量、灌木层均匀度指数等指标上有较大载荷； 第5主成分在乔木层均匀度指数、水解N含量、全N含量等指标上有较大载荷； 第6主成分在全K含量指标上有较大载荷。
首先计算出6个主成分的因子得分，然后根据式(4)确定每个主成分的权重，6个主成分的权重依次为0.38，0.21，0.14，0.11，0.09，0.07，最后利用式(5)构造的综合评价函数计算出不同改造模式的综合得分，各主成分的因子及综合得分见表 5。
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由表 5综合评价结果可见： 低质阔叶混交林顺山带状改造样地的综合得分总体上好于块状改造样地。顺山带状改造样地综合得分从高到低依次是S2(0.53)，S1(0.36)，S4(0.14)，S3(0.07)，即以10 m带宽进行顺山带状改造的综合得分最高；块状改造样地综合得分从高到低依次是 G2(0.68)，G1(0.03)，G3(-0.09)，G4(-0.22)，G6(-0.68)，G5(-0.84)，各块状样地的综合得分先是随着块状样地面积增大而升高，当块状样地的面积大于100 m2后，各样地的综合得分又随着面积的增大呈现下降的趋势，其中以100 m2面积进行块状改造的综合得分最高。表明10 m带宽顺山带状改造和100 m2面积块状改造的改造效果最好。
4 结论与讨论应用主成分分析法综合评价大兴安岭林区阔叶混交低质林不同改造模式的改造效果，筛选出反映森林生态效益的生物多样性、枯落物持水特性、土壤物理性质、土壤化学性质、土壤碳通量和更新苗木生长状况6个层次的33项指标。首先将所有指标的原始数据进行标准化处理，提取出6个反映各改造模式总体改造效果的主成分，计算各主成分的因子得分，并依据各主成分的权重构建出低质林不同改造模式综合评价模型，计算出10种改造模式的综合得分，据此筛选出大兴安岭林区阔叶混交低质林最优改造模式，使得评价结果更具全面性和科学性。
综合评价大兴安岭林区阔叶混交低质林不同带宽顺山带状改造模式和不同面积块状改造模式的改造效果，对于带状改造样地，不同带宽的改造效果依次为10 m带宽>6 m带宽>18 m带宽>14 m带宽，对于块状改造样地，不同面积的改造效果依次为100 m2(10 m×10 m)>25 m2(5 m×5 m)>225 m2(15 m×15 m)>400 m2(20 m×20)>900 m2(30 m×30 m)>625 m2(25 m×25 m)，其中10 m带宽顺山带状和100 m2(10 m×10 m)块状改造模式最适宜大兴安岭阔叶混交低质林，其改造效果明显优于其他改造模式。
综合比较发现，顺山带状改造模式总体上优于块状改造模式，这主要是因为顺山带状改造林地内采光条件较好，温度、湿度、光照等微气候环境有利于林地采伐剩余物的分解，提高了土壤肥力；同时由于本研究试验样地的坡度较小，保留带内植被的枯落物可以有效补充到采伐带两侧，所以顺山带状改造不会降低林地的水土保持能力，而且为改造带内栽植的针叶目的树种创造了良好的生长环境，有利于改造林地植被的更新和生长，最终形成生态效益和经济效益较高的针阔混交林。
顺山带状改造10 m带宽的改造效果最佳，这与吕海龙等(2011)对小兴安岭低质林分和李芝茹(2012)对大兴安岭白桦低质林不同改造模式的评价结果一致。随着改造带带宽的增加，改造样地的综合评价值并没有呈现出明显的规律性，各块状改造样地的改造效果随着面积增大而变好，到一定面积后，改造效果又随着面积的继续增大而呈现逐渐变差的趋势。块状改造样地中100 m2(10 m×10 m)样地改造效果明显好于其他面积块状样地，而吕海龙等(2011)研究认为小兴安岭低质林分林窗面积25 m2(5 m×5 m)改造效果好于其他面积林窗。由于在对低质林进行带状和块状改造后，林地内的微气候环境发生变化，带宽较小的采伐带和面积较小的块状样地变化较小，采伐剩余物也较少，林地的土壤肥力增加不明显，生物多样性没有明显增加，同时也不利于喜阳的引进树种的生长，改造效果不明显；而当采伐带带宽或者块状改造样地面积过大时，虽然在改造后的初期由于大量采伐剩余物和枯落物的分解，使土壤肥力迅速增加，但由于缺少高大乔木，改造后期林地枯落物减少，没有林冠截留的保护，地表径流增大，土壤侵蚀严重，容易造成水土流失，苗木的保存率也不理想，改造效果也不好。由于大小兴安岭的气候条件、生态环境、立地条件和植被类型等都有差异，所以选择合理的采伐宽度和采伐面积是不同地区不同类型低质林改造成功的关键因素。
本研究通过选择反映森林改造效果的生物多样性、枯落物持水特性、土壤物理性质、土壤化学性质、土壤碳通量和更新苗木生长状况等指标，计算各改造模式的综合得分，关键是各项评价指标的筛选与评价的过程，评价结果只说明各改造模式改造效果的相对优劣，并不是该改造模式的实际值，但对于大兴安岭地区阔叶混交低质林的改造和经营具有指导和参考意义。由于受到数据收集的限制，一定程度上影响评价结果的科学性，随着对大兴安岭林区低质林经营实践与认识的逐步提高，应该对该地区低质林改造效果评价指标进行不断调整和补充。
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