森林抚育间伐不仅仅是要获取木材，更重要的是能调整森林结构和功能。森林抚育间伐经营具有完整的理论与技术体系，包括理论基础、经营原则、调查方法、林分状态分析和结构调整以及经营效果评价等(赵中华等，2013)。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、提高森林资源质量为目标，相继开展了用材林功能与用途(许瀛元等，2014)、用材林资产评估(万道印等，2009)、用材林的经营模式(胡锐等，2010)、用材林抚育间伐模式(赵西哲，2013； 田军等，2014)、抚育间伐模式对用材林各项指标的影响及评价(高明等，2013； 陈百灵等，2015； 朱玉杰等，2015； 莫可等，2015)研究。研究主要集中在森林优化(Bettinger et al.，1999； 李建军等，2010)、森林结构优化单元的确定(Pommerening，2006； 惠刚盈等，2007； 汤孟平等，2009)、森林抚育间伐经营指标的选取和量化(彭舜磊等，2011； 苏立娟等，2015)、森林结构的分析(汪平等，2013)及森林优化模型(胡艳波，2010； Murray et al.，2000)等方面。然而，针对不同强度抚育间伐后抚育经营效果综合评价的研究较少。目前研究不同强度抚育间伐后经营效果选取的指标有生物多样性(Thomas et al.，2001； 雷相东等，2002； Laliberté et al.，2009)、林分空间结构(汤孟平等，2004； Pommerening et al.，2006)、冠层结构(Putuhena et al.，2000； Chávez et al.，2010； 李祥等，2015)、光合作用(Wang et al.，2010； 朱玉杰等，2015)以及林木生长(Klimas et al.，2007； 毛磊等，2008等)。由于不同地区和林型用材林的生态环境、立地条件和植被类型存在差异，导致其森林经营效果也不相同，故筛选出最适宜本地特有类型的森林经营模式是十分重要的。本研究以大兴安岭地区兴安落叶松(Larix gmelinii)用材林为研究对象，通过筛选出反映用材林森林经营效果的多个评价指标，运用主成分分析法对不同强度森林抚育间伐经营模式建立综合模型，进行定量综合评价，最终选出大兴安岭地区用材林最佳的森林经营方式，以期为大兴安岭地区用材林的经营和森林经营措施的制定提供理论基础和参考依据。

1 研究区概况

研究区位于大兴安岭地区新林林业局新林林场106，107，108和109林班内(124°30′00.8″E，51°38′14.4″N)，地形较为平缓，坡度多在6°以下，全年无霜期84～125天，年均降水量521.8 mm，降雨分布不均匀，集中在7—8月份，全年日照时间长，日照百分率为51.5%～56.7%，年均气温－2.6 ℃，土壤类型为棕色森林土。乔木层主要树种有兴安落叶松，少量山杨(Populus davidiana)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、白桦(Betula platyphylla)和云杉(Picea asperata)等； 下木以胡枝子(Lespedeza bicolor)和兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)为主，平均覆盖度为20%； 地被物以越桔(Vaccinium vitis-idaea)和大叶章(Deyeuxia langsdorffii)为主，多度为68%。

2 研究方法 2.1 样地设置与调查

2007年3月，在研究区设置10块60 m×60 m用材林样地，编号为1～10号，抚育间伐强度分别为： 1号样地0；2号样地6.23%； 3号样地12.52%； 4号样地20.86%； 5号样地27.85%； 6号样地34.38%； 7号样地40.01%； 8号样地50.61%； 9号样地59.92%； 10号样地67.25%。抚育间伐强度是依据采伐蓄积量与总蓄积量之比进行设计，抚育间伐按照用材林经营要求，对密度较大林分、无生长前途树木和非目的树种进行伐除。其中1号样地未抚育间伐作为对照。样地概况见表 1。通过调整林分密度、空间结构等指标，达到优化森林经营的目的。将每块抚育间伐样地平均分为3块，分别栽植欧洲赤松(Pinus sylvestris)、樟子松和兴安落叶松进行林分更新。于2015年6月对每块样地进行调查和取样。

2.1.1 植被调查

对不同样地的乔木、灌木、草本植被进行调查，在60 m×60 m用材林样地调查乔木的树种、株数，利用胸径尺和树高测量仪对样地保留木的胸径和树高进行每木测量，计算出保留木胸径和树高的连年生长率，利用全站仪测定乔木坐标； 在60 m×60 m用材林样地内随机设置5个5 m×5 m的灌木调查样方，调查灌木的种类和盖度； 在灌木调查样方内按照“Z”形设置5个1 m×1 m的草本样方，调查草本植物的种类和盖度。

2.1.2 冠层数据采集

在各样地中分别随机选取5个点，用GPS分别测得每棵树木所在地点的经纬度和海拔，找准正北方向后，将数据采集装置Mini-O-Mount 7MP调平，测量仪器镜头离地距离，从3～4个不同方向进行观测，用Winscanopy冠层分析仪采集图像。

2.1.3 光合作用数据采集

在各个样地中随机选取20棵树木，利用LCpro+便携式光合作用测定仪对选定的树木进行测定，在晴朗天气的9:00—11:00和13:30—5:30进行光合作用数据测定。

2.1.4 林木生长调查

对不同样地的林木进行每木调查，利用数显游标卡尺和钢尺测量更新苗木的地径、树高以及生长量，并计算欧洲赤松(Pinus sylvestris)、樟子松和兴安落叶松的成活率和生长率，用胸径尺测量林分胸径。

2.2 评价指标及其因子 2.2.1 物种多样性

参与评价因子为乔木层、灌木层和草本层物种丰富度指数(S)、Shannon-Wiener多样性指数(H’)和Pielou均匀度指数(J)(宋启亮等，2014)。

2.2.2 林分空间结构

参与评价因子为角尺度 、大小比数、混交度、竞争指数、林层指数和开敞度，利用Winkelmass林分结构分析软件进行林分空间结构分析。

2.2.3 冠层结构

参与评价因子为林隙分数、叶面积指数、叶倾角、总体定点因子、冠上总体辐射通量、冠下总体辐射通量，利用Winscanopy分析软件、XLScanopy数据处理软件进行冠层结构分析。

2.2.4 光合作用

参与评价因子为蒸腾速率、净光合速率、环境CO₂摩尔分数、叶片表面积有效辐射、叶片温度、胞间CO₂摩尔分数、气孔导度，利用Excel进行均值分析。

2.2.5 林木生长

参与评价因子为成活率、生长率和林分总断面积，利用Excel进行均值分析。

2.3 评价方法

采用SPSS19.0对评价体系各项指标进行描述性统计分析，计算各项指标的平均值和标准差，并进行差异性检验； 利用主成分分析法对不同抚育间伐强度的落叶松用材林样地的不同抚育间伐强度经营效果进行综合评价。

1) 原始数据标准化，消除量级和量纲的影响。

$X{{_{ij}^{*}}^{}}=\left( {{X}_{ij}}-{{{\bar{X}}}_{j}} \right)/{{S}_{j}},$

(1)

式中： X_ij^*为X_ij 的标准化数据； X_ij为各抚育间伐样地的原始数据；X_j和S_j 分别为第j个指标的平均值和标准差。

2) 选取主成分，利用SPSS19.0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个主成分和标准化变量之间的关系：

${{Y}_{k}}={{b}_{k1}}X_{1}^{*}+{{b}_{k2}}X_{2}^{*}+\cdot \cdot \cdot +{{b}_{kp}}X_{p}^{*}~$

(2)

式中： Y_k为第k个主成分(k=1，2，3，···，m)； X_p^*为第p个指标变量； b_kp 为第k个主成分的第p个指标变量的因子荷载。

3) 确定权重，用第k个主成分的贡献率与选取的m个主成分的总贡献率的比值来确定每个主成分的权重：

${{w}_{k}}={{\lambda }_{k}}/\sum\limits_{k=1}^{m}{{{\lambda }_{k}}}$

(3)

式中： w_k 为第k个主成分权重； λ_k 为第k个主成分的方差贡献率。

4) 利用公式(2)选定的m个主成分和式(3)确定的权重构建综合评价函数：

$F=\sum\limits_{k=1}^{m}{{{\lambda }_{k}}}{{w}_{k}}Y\ldots $

(4)

式中： F为不同样地的综合评价得分，得分越高，说明不同抚育间伐强度经营效果越好(吕海龙等，2011； 张泱等，2010)。

3 结果与分析 3.1 物种多样性

不同抚育间伐强度样地群落物种多样性指数存在一定的差异性(表 2)。4号样地乔木层物种丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数最高，5号样地乔木层Pielou均匀度指数最高，2，6，8和9号样地乔木层物种多样性指数低于其他样地，方差分析结果表明各样地物种丰富度指数差异性不显著(P≥0.05)； 4和5号样地灌木层物种丰富度指数较高，3和4号样地灌木层Shannon-Wiener多样性指数较高，3，6和7号样地灌木层Pielou均匀度指数较高，方差分析表明灌木层物种多样性指数较高的样地与其他样地差异显著(P＜0.05)； 1，4和7号样地草本层物种丰富度指数都较高，4号样地草本Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数最高。总体来看，3，4和7号样地群落物种多样性指数高于其他样地。

3.2 林分空间结构

表 3表明： 6和8号样地的角尺度小于0.475，属于均匀分布状态，4，7和9号样地的角尺度大于0.517，属于团状分布，均不是理想的林分水平分布格局，其他样地的角尺度为0.475～0.517，属于随机分布； 5号样地的大小比数最小，说明5号样地的优势度最高，各个样地的大小比数都接近于中庸状态，说明各个林分的胸径差异不明显； 3和4号样地混交度最高，混交程度高于其他样地，各个样地的混交度均小于0.25，混交程度极低，林分稳定性较差，需要引进其他树种增加林分内混交程度； 2，3和8号样地的竞争指数较高，说明这3块样地的竞争压力较大； 各样地的林层指数随间伐强度增加呈现先增加后降低的趋势，这是因为随着间伐强度增加，林分树高出现了分化； 各样地开敞度随抚育间伐强度增加而增加。通过林分空间结构各个指标比较，3，4和8号样地的林分空间结构较好。

3.3 冠层结构

从表 4可以看出，各样地的林隙分数、叶面积指数、总体定点因子和冠上辐射通量经方差分析均无显著性差异(P≥0.05)，4号样地的林隙分数最小，10号样地的林隙分数最大，5号样地的叶面积指数最大，4和5号样地总体定点因子较小； 1和6号样地的平均叶倾角为17.56%和17.90%，明显高于其他样地；方差分析表明冠下辐射通量存在显著差异(P＜0.05)。综合比较冠层结构的各个指标，4，5和6号的冠层结构优于其他样地。

3.4 光合作用

从表 5可知:方差分析结果表明各样地林分蒸腾速率差异显著(P＜0.05)，4号样地林分蒸腾速率最高，1号对照样地林分蒸腾速率最低； 3，4和5号样地净光合速率较高，除10号样地外，其余样地林分净光合速率均大于1号对照样地；方差分析结果表明各样地林分环境CO₂摩尔分数和胞间CO₂摩尔分数差异显著(P＜0.05)，3号样地林分环境CO₂摩尔分数明显高于其他样地，4号样地胞间CO₂摩尔分数最高； 随着间伐强度增加，叶片温度先逐渐增加后保持稳定，各样地叶片温度均大于1号对照样地，各样地差异显著(P＜0.05)； 随着间伐强度增加气孔导度呈现先增加后减少的趋势，各样地差异显著(P＜0.05)，4号样地气孔导度高于其他样地，有利于光合作用。综合比较光合作用的各个指标，3，4和5号样地的光合作用更好。

3.5 林木生长

由表 6可知：1，2，3，和6号样地的更新苗木欧洲赤松的成活率较高，随着抚育间伐强度增加，欧洲赤松的生长率呈先增加后减小的趋势，4号样地欧洲赤松的生长率最高； 各样地林分更新樟子松的成活率和生长率先增加后减小再增加，2和3号样地樟子松的成活率和生长率明显优于其他样地，9和10号样地樟子松的成活率和生长率均低于1号对照样地； 3，4和7号样地兴安落叶松更新苗木生长状况优于其他样地，3和4号样地林分总断面积优于其他样地。综合分析林分更新的各个指标，2，3，4和7号样地的林分生长状况优于其他样地。

3.6 评价结果

应用主成分分析法对各个样地的用材林不同强度抚育间伐经营效果进行综合评价。利用公式(1)先对各个评价指标进行标准化处理。使用SPSS19.0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 7可知前6个主成分的累积方差贡献率达到了90.03%，大于85%，因此选取前6个主成分能充分表达各个样地抚育间伐效果。通过分析得到选定的6个主成分的因子载荷见表 8。

由表 8各因子载荷的绝对值可知，第1主成分在樟子松生长率、林分空间结构开敞度、光合作用胞间CO₂摩尔分数、灌木层Pielou均匀度指数、灌木层Shannon-Wiener多样性指数和林分空间结构混交度指标上有较大载荷； 第2主成分在冠层结构叶倾角、灌木层物种丰富度指数、草本层Pielou均匀度指数、光合作用环境CO₂摩尔分数、冠层结构林隙分数和兴安落叶松成活率指标上有较大载荷； 第3主成分在乔木层Shannon-Wiener多样性指数、樟子松成活率、乔木层Pielou均匀度指数、冠层结构冠上辐射通量、兴安落叶松生长率和草本层物种丰富度指数指标上有较大载荷； 第4主成分在林分空间结构竞争指数、冠层结构冠上辐射通量、乔木层物种丰富度指数、光合作用蒸腾速率、灌木层物种丰富度指数和兴安落叶松生长率指标上有较大载荷； 第5主成分在林分空间结构角尺度、冠层结构冠下辐射通量、光合作用净光合速率、樟子松生长率、草本层Shannon-Wiener多样性指数和光合作用气孔导度指标上有较大载荷； 第6主成分在冠层结构总体定点因子、林分空间结构大小比数、草本层Pielou均匀度指数、灌木层Pielou均匀度指数、樟子松成活率和林分空间结构林层指数指标上有较大载荷。

计算出6个主成分的因子得分，根据公式(3)确定每个主成分的权重依次为0.33，0.20，0.18，0.12，0.10和0.07，利用公式(4)计算出各个样地抚育间伐经营效果的综合评价，各主成分的得分及在综合得分排名见表 9。

由表 9可见，各个样地抚育间伐效果评价的综合得分从高到低依次是4号(0.80)，3号(0.37)，5号(0.35)，7号(0.33)，9号(－0.01)，2号(－0.10)，1号(－0.18)，6号(－0.39)，8号(－0.51)和10号样地(－0.65)，随着抚育间伐强度的增加总体上呈现先增加后降低的趋势。其中，4号样地的综合得分最高，说明抚育间伐强度为20.86%时样地抚育间伐效果最好。

4 讨论

抚育间伐强度为20.86%～40.01%时，样地群落物种多样性指数较高，由于多样性高的森林群落包含较多的、具有不同生态特性的群落，其抵抗波动的能力强(雷相东等，2002)；众多研究结果表明物种多样性和抚育间伐效果存在正相关关系，多样性较高的生态系统，有可能包括更多能抵抗干扰的物种，抗干扰能力强，森林抚育间伐效果好。高强度的抚育间伐会导致样地物种多样性降低，主要原因是高强度的抚育间伐对植被干扰较大，耐荫植被衰退。

林分空间结构是评价森林经营效果的重要指标，利用以空间结构单元为基础的角尺度、大小比数、混交度、竞争指数、林层指数和开敞度等参数分析林分空间结构，有利于人们对森林的生长有一个比较清晰的认识，通过林分空间结构各个指标比较，抚育间伐强度为12.52%～20.86%时，样地林分空间结构较好，有利于提高森林的稳定性。

冠层结构是森林与外界环境相互作用最直接的部分，其各项指数能够直接反映植被生长能力，改变森林对太阳能获取程度、林内光照、风速、空气气温湿度、地表持水量，影响森林微气候，进而改变林下植被繁殖速率和土壤分解酶活性，最终影响森林更新苗木生长和植被覆盖率，综合比较冠层结构的各个指标，抚育间伐强度为12.52%～34.38%的样地冠层结构优于其他样地。

光合作用是森林生态系统吸收碳元素的唯一途径和碳素循环的开始，在评价森林光合生产力和林分生长上有着极其重要的作用。综合比较光合作用的各个指标，抚育间伐强度为12.52%～24.85%时，样地的光合作用较好，中等强度的抚育间伐具有较低的光合产物消耗以及较高的光合潜力，更有利于林分的生长，林分总断面积最大。

不同的抚育间伐强度使得森林的局部生态环境产生差异，影响更新苗木的生长。更新苗木改变着森林多样性、林分混交度，林分总断面积是林分生长最直接的外在表现，反映森林抚育间伐的合理程度，是综合评价森林抚育间伐经营效果的重要指标。综合分析林分更新的各个指标，抚育间伐强度为6.23%～20.86%时，样地林分生长优于其他样地。

不同抚育间伐强度经营效果综合评价结果表现为4号样地(20.86%)>3号样地(12.52%)>5号样地(27.86%)>7号样地(40.01%)>9号样地(59.92%)>2号样地(6.23%)>1号样地(0.00%)>6号样地(34.38%)>8号样地(50.61%)>10号样地(67.25%)。在不同强度抚育间伐经营效果综合评价中，要求抚育间伐经营效果评价的各个参数同时都达到最优值几乎是不可能的，最优的目标是森林抚育间伐效果整体达到最佳。本研究中抚育间伐强度为20.86%的森林经营效果最佳，这与田军(2014)用材林抚育间伐生态经营的研究结果一致。大兴安岭地区各用材林样地的抚育间伐经营效果随着间伐强度的增加而增加，当达到一定强度后，间伐效果随强度增加而下降。在对用材林进行抚育间伐经营后，林地微气候发生了改变，当抚育间伐强度低于10%时，林分空间结构和冠层结构改变较少，光合有效辐射较低，叶片气孔处于关闭状态，光合作用增加不明显，生物多样性没有明显增加，同时更新的阳性树种生长和存活率低，森林抚育间伐后抚育经营效果不明显； 而当抚育间伐强度达到50%时，虽然林分内光照充足，竞争程度降低，没有了乔木层的保护，太阳能直接大量的投射到林地表面，林下温度迅速上升，不利于林分内植物光合作用产物的累积和生长，高强度的抚育间伐后也会使林层指数降低，冠层结构发生变化，出现林窗； 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，更新苗木的成活率较低，森林抚育间伐经营效果不佳。所以选择合理的抚育间伐强度是取得良好经营效果，促进用材林恢复和增长的关键。

5 结论

综合评价大兴安岭地区落叶松用材林10个样地不同抚育间伐强度的经营效果，筛选出反映森林抚育间伐经营效果的生物多样性、林分空间结构、冠层结构、光合作用和更新苗木生长5个层次的35项指标，应用主成分分析法进行综合评价。在对10个用材林样地进行综合评价时，将所有指标的原始数据进行初始化处理，提取出6个反映各个样地经营效果的主成分，计算各主成分的因子得分，并依据各主成分的权重构建出用材林抚育间伐经营效果的综合评价模型，计算出不同强度抚育间伐样地经营效果的综合得分，筛选出大兴安岭地区落叶松用材林最优抚育间伐强度经营方式，使得评价结果更具全面性和科学性。

本研究利用能反映森林经营效果的生物多样性、林分空间结构、冠层结构、光合作用和林木生长状况等指标，定量评价不同抚育间伐强度后用材林的经营效果，筛选出抚育间伐强度为20.86%时大兴安岭地区落叶松用材林的抚育间伐效果最佳，评价结果为大兴安林地区用材林的森林抚育间伐经营提供依据和指导。