由于多次过伐及自然灾害，使小兴安岭林区形成大面积郁闭度较低、林相衰败的低质林(杨学春等，2009; 张泱等，2009)。为了恢复受损森林生态系统的功能、提高林分质量，对低质林分的改造势在必行。目前已提出很多低质低效林的改造模式，如抚育改造、带宽改造、择伐改造、复壮改造等(周立江，2004; 孙洪志等，2004; 庞学勇等，2005; 马阿滨等，1995)，但关于如何评价改造模式的优劣还鲜有研究。评价不同改造模式的效果，选择何种指标是首先要考虑的问题。土壤理化性质反映了土壤肥力状况(Gundale et al., 2005)，枯落物具有促进森林土壤的发育以及保持水土涵养水源的作用(王佑民，2000)，土壤碳源的研究目的是选择合理的改造模式以降低采伐造成的碳排放(Raich et al., 1995; 郭辉等，2009)，林地更新苗木的生长状况直接反映了改造林地的更新潜力。因此，本文在小兴安岭地区低质林采用不同改造模式的基础上，于2007年进行伐改造，2008年春季进行造林，2009年进行调查，从林地土壤理化性质、枯落物持水性能、土壤碳释放和更新苗木生长状况等4个指标层次，运用主成分分析法综合评价不同改造模式的效果，以筛选适宜小兴安岭地区的低质林改造模式，为低质林的改造利用提供参考。

1 研究区概况

试验区位于黑龙江省伊春林区铁力林业局马永顺林场。该林场坐落在小兴安岭南麓，地形南高北低，除南端分水岭稍有斜坡外，其他地势平缓，平均坡度10°，海拔在117~284 m左右。水系为松花江支流水系，属大陆性季风气候，冬长夏短，冬季气候寒冷干燥，夏季降水集中、气候温热湿润，春秋两季天气多变，年降水量641 mm，作物生长季节降水量为551 mm，年平均温度1.1 ℃，早霜为9月中旬，晚霜为5月中旬，年无霜期113~126天。年日照时数2 477 h。林种为用材林，林分类型为阔叶混交林，平均林龄62年，平均胸径18 cm，平均树高18 m，株数541株·hm^-2，蓄积89 m³·hm^-2，林分郁闭度0.4。土壤为暗棕壤，平均厚度45 cm。地被物主要为山茄子(Brachybotrys paridiformis)、三棱草(Cyperus rotundus)等，下木层主要为白丁香(Syringa oblata var. alba)、刺五加(Eleutherococcus senticosus)等。

试验区设置在马永顺林场500号林班内，公里坐标(0456249，5227854)，共分为3个试验区：水平带试验区、垂直带试验区和林窗试验区。采伐改造用油锯伐木，畜力集材，迹地清理方式为散铺在保留带内。水平皆伐带设置原则为每条皆伐带均处于同一海拔，每条皆伐带长100 m，皆伐带宽共设置(S₁)6 m, (S₂)8 m, (S₃)10 m, (S₄)15 m 4种; 垂直皆伐带设置原则为每条皆伐带均沿不同海拔，每条皆伐带长100 m，皆伐带宽共设置(H₁)6 m, (H₂)8 m, (H₃)10 m, (H₄)15 m 4种。水平和垂直皆伐带内每段栽植红松(Pinus koraiensis)、落叶松(Larix gmelinii)、红皮云杉(Picea koraiensis)幼苗，栽植苗木时，与上下林带距离1 m。皆伐带之间按照采伐带宽度设置相应的保留带。

林窗试验区每组由9个(1~9区)沿横坡方向排列的矩形试验区组成，9个试验区的面积分别为(LC₁)25 m² (5 m×5 m), (LC₂)50 m²(5 m×10 m), (LC₃)100 m²(10 m×10 m), (LC₄)150 m²(15 m×10 m), (LC₅)225 m²(15 m×15 m), (LC₆)300 m²(15 m×20 m), (LC₇)400 m²(20 m×20 m), (LC₈)600 m²(20 m×30 m), (LC₉)900 m²(30 m×30 m)。按照上述9个面积采用块状皆伐形成林窗，在林窗下进行更新造林，造林树种为红松、落叶松、红皮云杉，造林时原则上与原有林分边缘间隔1 m左右，株行距配置为1.5 m×1.5 m。各试验地立地和林分概况如表 1。

2 试验设计与测定方法 2.1 试验测定方法

水平和垂直皆伐带随机设置8个样方，每个林窗小区各随机设置5个样方，每个样方的面积为20 cm×20 cm。在每个样方内，按未分解层、半分解层分层收集枯枝落叶，将收取的未分解层和半分解层的枯落物带回实验室。用电子天平称枯落物的鲜质量，然后用烘箱烘干(85 ℃恒温烘8 h)称其各自的干质量，以干质量计算枯落物量。采用室内浸泡法测定枯枝落叶层的持水量。

每个样方取土壤剖面为0~10 cm的土壤1 kg带回实验室。土壤物理性质的测定采用土壤环刀法(LY/T 1215—1999)。土壤化学性质的调查项目包括土壤pH值、土壤有机质、土壤营养元素含量3项。1) pH值：水浸，水土体积比为50:1，酸度计(LY/T 1239—1999);2)土壤有机质：油浴重铬酸钾氧化法(LY/T 1237—1999);3)全氮：自动凯氏法(LY/T 1228—1999)，所用仪器为VS-KT-P型全自动定氮仪; 4)水解氮：扩散法(LY/T 123—1999);5)全磷：酸溶-钼锑抗比色法(LY /T 1232—1999);6)有效磷：氢氧化钠浸提，钼锑抗比色法(LY/T 1233—1999);7)全K：酸溶，火焰光度法(LY/T 1234—1999)，所用仪器为火焰光度计; 8)速效K：乙酸铵浸提，火焰光度法(LY/T 1236—1999)。

土壤呼吸测定采用LI-8100土壤碳通量自动测量系统监测。分别在春夏秋冬四季测定土壤呼吸，水平皆伐带和垂直皆伐带按随机布点法原则埋入12个10 cmPVC，使其露出地面2~3 cm; 林窗试验区每个皆伐带内也按随机布点法埋入3个10 cm的PVC。土壤呼吸测量时，保留PVC内的枯枝落叶自然状态。土壤温度与土壤湿度的测量采用与LI-8100配套的温度、湿度传感器，测量距地表下10 cm处的土壤温度与土壤湿度值。

2.2 数据分析方法

采用主成分分析法建立低质林改造模式模型。设反映改造模式综合评估值的p个指标为X₁, X₂, …, X_p, n个改造模式的p项指标构成了原始数据矩阵X=[ X_ij]_n×p, 其中X_ij为第i个改造模式的第j项指标数据(i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, p)。

1) 原始数据标准化，目的是为了消除量纲和数量级的影响。

(1)

式中：X_ij^*是X_ij的标准化数据， 和S_j是第j个指标的平均值和标准差。

2) 确定主成分，将标准化的数据用Spss软件处理，从总方差分析表选取累计贡献率≥85%的前m个主成分，然后建立m个主成分和标准化变量的关系，公式为：

(2)

式中：Y_k为第k个主成分(k=1，2，3，…m)，u_k1为第k个主成分的因子荷载。

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：

(3)

式中：w_k为第k个主成分的权重，λ_k为第k个主成分的贡献率。

4) 构造综合评价函数，根据式(2)得到的前m个主成分和式(3)中确定的权重构造综合评价函数：

(4)

式中：F为改造模式的综合评价得分，综合得分越高，表明此种改造模式的效果越好。

3 结果与分析 3.1 不同改造模式的单项指标评价

本研究中低质林分的改造模式分为水平皆伐改造、垂直皆伐改造和林窗改造，水平和垂直皆伐按带宽不同分为4种改造模式，林窗按面积不同分为9种改造模式，共17种。为了综合评价每个低质林改造模式的效果，选取土壤理化性质、枯落物蓄积量和最大持水量、更新苗木生长状况以及反映林地土壤碳排放量的土壤呼吸速率作为评价指标。在对各评价指标进行主成分分析前首先要用式(1)对各个指标做标准化处理，处理结果见表 2~4，表 5为各改造地红松和云杉的平均生长率和成活率。

从土壤理化性质角度看，采伐后土壤通气性、透水性降低，降低了土壤层的气体交换和保水能力，同时也阻碍了土壤养分的交换; 采伐后光照强度增加加速了营养元素分解; 另外迹地清理等措施使土壤营养元素来源减少。采伐改造时应尽量减少对土壤的扰动，降低土壤理化性质的变化程度。

从枯落物角度看，郭辉等(2010)分析水平皆伐带、垂直皆伐带、林窗带总枯落物量依次为20.68，10.73，13.34 t·hm^-2，最大持水量为45.25，81.68，35.79 t·hm^-2，总枯落物量排列顺序为：水平带>林窗>垂直带，最大持水量排序为：垂直带>水平带>林窗; Bates等(2007)分析北美西部圆柏(Juniperus occidentalis)森林采伐前后枯落物分解状况认为，微环境的不同是导致伐后枯落物分解加快的主要原因。采伐模式的不同造成林地微环境变化不同，造成不同采伐模式林地枯落物量和最大持水量的差异; 水平皆伐带各条带顺山坡设置，并且保留带的凋落物更易落在采伐带上，使水平带枯落物量大于垂直带; 垂直带横山坡方向设置，其拦截降雨的能力较好; 林窗为块状皆伐，林窗内采光条件最好，加速枯落物的分解速率。

更新树种的生长状况直接反映了林地改造效果，各改造地红松和云杉的成活率都达到了90%以上，红松的生长率达到25%，云杉达到20%，说明在不同改造地更新树种都有较好的生长状况，更新树种成活率最好的为垂直带，其次为水平带和林窗，生长率排序为：水平带>垂直带>林窗; 带状改造的更新树种生长状况好于林窗改造，在林窗内迅速增加的物种的种间竞争影响了更新树种的生长。

土壤呼吸指土壤释放CO₂的过程(Russell et al., 1915; Raich et al., 1992)，土壤呼吸不仅是表征土壤质量和土壤肥力的重要生物学指标，而且是全球碳循环中重要的流通途径，是生态系统碳循环的一个主要组成部分(Raich et al., 1995)。森林采伐活动强烈影响土壤呼吸，采伐后的短时间内因林地微环境的改变土壤呼吸会增加; 采伐模式的不同造成土壤呼吸量不同，水平皆伐带、垂直皆伐带和林窗的年土壤呼吸量分别为1.184，1.426，1.179 kg CO₂·m^-2a^-1，垂直带最高，水平带次之，林窗最低(郭辉等，2009)。

通过以上分析可知：水平皆伐带、垂直皆伐带和林窗在不同的指标层次，其评价水平呈现差异; 但是将所有指标用主成分分析法综合评价得到的结果可综合反映每种改造模式的改造效果。

3.2 基于主成分分析的不同改造模式的综合评价

将标准化数据进行主成分分析，总方差分析见表 6，前6个主成分的累计贡献率为87.87%(大于85%)，选取前6个主成分就足以反映所需要的评价信息。所提取的前6个主成分的因子荷载见表 7，其中第1个主成分因子荷载量较大的指标有土壤密度、总孔隙度、土壤含水率、pH、全磷、速效钾、全钾、枯落物量; 第2个主成分因子荷载量较大的指标有毛管孔隙度、水解氮、全氮、有效磷、最大持水量; 第3个主成分因子荷载量较大的指标有非毛管孔隙度、有机质、红松生长率; 第4个主成分因子荷载量较大的指标为红松和云杉的成活率; 第5个主成分因子荷载量较大的指标为云杉生长率; 第6个主成分因子荷载量较大的指标为土壤呼吸速率。

首先根据因子荷载值计算每个主成分与标准化变量的结果，计算公式如式(2)，计算结果见表 8; 然后确定权重，根据式(3)，6个主成分的权重依次为w(0.37，0.23，0.15，0.11，0.073，0.067);最后构造综合评价函数，将表 8所得的结果与计算的权重根据公式(4)计算，计算结果见表 9。

由表 9的综合评价结果知：水平皆伐带的改造模式最好，其次是垂直皆伐带，最后为林窗。从带状皆伐不同带宽的综合评价值看，水平皆伐带带宽6 m和10 m的综合评价值明显高于带宽8 m和15 m; 垂直皆伐带带宽6 m的综合评价值最大，其值与带宽8 m和15 m的综合评价值相差不大，带宽10 m的综合评价值明显小于其他带宽的综合评价值。由此可知，皆伐带的宽度与综合评价值并无明显的规律性。对于林窗，面积小的林窗(25 m²)的综合评价值明显高于其余林窗，说明小面积的林窗对林地扰动较小，林地微环境变化程度小，相对于其他面积的林窗更有利于更新树种的生长。

4 结论与讨论

基于主成分综合评价低质林改造模式，筛选的模型将反映土壤肥力、枯落物持水特性、土壤碳释放和更新树种4个层次的指标纳入该模型，将原始数据标准化，计算综合评价体系的主成分，构建低质林改造模式的筛选模型，评价改造模式的优劣，使得低质林改造模式的筛选评价更具有科学性和实用性。

运用主成分分析法综合评价低质林改造模式，结果说明带状皆伐改造模式优于林窗，其中带状改造中水平皆伐改造优于垂直皆伐改造。对于水平皆伐带，不同带宽的改造效果排序为：带宽10 m>带宽6 m>带宽8 m>带宽15 m; 对于垂直皆伐带，不同带宽的改造效果排序为：带宽6 m>带宽8 m>带宽15 m>带宽10 m; 对于林窗，林窗面积(25 m²)的改造效果明显优于其他面积的林窗。

带状皆伐改造模式优于林窗，对林地环境变化影响较小, 可以保护森林环境, 也为引进针叶目的树种成活、生长发育创造良好条件, 保留带的阔叶树与引进的针叶树可自然形成针阔混交林, 有利于水源涵养和水土保持(马阿滨等，1995; 孙洪志等，2004)。安树青等(1997)、Brokaw(1987)对人工形成林窗的研究表明：林窗内光强、大气湿度、土壤水分和土壤元素均有明显的空间变化，林窗植被的物种多样性和密度远高于非林窗区域的植被，林窗内小气候的剧烈变化强烈影响林地环境。

水平带状皆伐改造优于垂直带状皆伐改造，这是因为水平带状皆伐采光条件好于垂直带状皆伐，有利于引进树种对光的需求; 在坡度较陡的林地内，垂直带状皆伐的水土保持能力优于水平带状皆伐，但是本研究的试验地坡度较小，不会影响水平带状皆伐的水土保持能力。

水平和垂直带状皆伐最好的改造效果分别出现在带宽10 m和6 m处，不同带宽的综合评价值相差较小，这说明在带宽6~15 m的范围内，林地环境变化的差异不明显。对于林窗面积(25 m²)的综合评价值明显高于其他面积的林窗，随林窗面积增大综合评价值并未呈现规律性，这是因为林窗内地被物数量和种类、土壤性质、光强和大气温度等因素时空变化剧烈在短时间内呈现明显规律性所致。

低质林改造模式综合评价体系的结果是对不同改造模式的优选过程，优选的结果可为小兴安岭地区低质林的科学改造和经营提供参考和指导。