大興安嶺低質林補植改造效果的綜合評價1)

唐國華 董希斌 張?zhí)?管惠文 王智勇 阮加甫

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

大興安嶺低質林補植改造效果的綜合評價1)

唐國華 董希斌 張?zhí)?管惠文 王智勇 阮加甫

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

以大興安嶺闊葉混交低質林為研究對象，對其進行補植改造，補植苗木為興安落葉松(Larixgmelinii)。通過野外實地取樣和室內(nèi)實驗測得各指標數(shù)據(jù)，選取35個評價指標進行分析，利用主成分分析法建立綜合評價模型，計算樣地改造效果的綜合得分，篩選出最佳的補植改造密度。結果表明：不同樣地補植改造后的綜合得分由大到小依次為BZ5(0.761)、BZ3(0.351)、BZ6(0.247)、BZ2(0.017)、BZ4(-0.059)、CK(-0.394)、BZ1(-0.923)。其中BZ5改造樣地的綜合得分最高，補植改造效果最好，表明補植密度為800株·hm-2最適宜大興安嶺闊葉混交低質林的補植改造。

大興安嶺；低質林；補植改造；主成分分析

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：20-24,48.

We studied broad-leaved mixed low-quality forest in Daxing’an Mountains, and the replanting seedlings wereLarixgmelinii. The indexes were measured by field sampling and indoor experiment. We selected 35 evaluation indexes, used the principal component analysis method to establish a comprehensive evaluation model, calculated the comprehensive score of the plot transformation effect, and screened out the best replanting density. The comprehensive scores were BZ5(0.761), BZ3(0.351), BZ6(0.247), BZ2(0.017), BZ4(-0.059), CK(-0.394) and BZ1(-0.923). Among them, the comprehensive score of BZ5 transformation plot was the highest, and the replanting effect was the best, indicating that the planting density of 800 tree·hm-2was the most suitable for the replanting transformation of low-quality mixed forest in Daxing’an Mountains.

大興安嶺地區(qū)的森林由于受到各種自然因素和人為因素的影響已經(jīng)嚴重退化，大面積出現(xiàn)殘次林，此種森林林相衰敗[1]，郁閉度低，立木質量差，森林出材率低，土壤侵蝕破壞嚴重，土壤肥力較低，整個系統(tǒng)自我恢復和調(diào)節(jié)能力很弱，加劇了生態(tài)系統(tǒng)的不平衡，形成了大量的低質低效林[2-5]。近年來，隨著社會的不斷發(fā)展進步和人們環(huán)境保護意識的增強，人類逐漸認識到生態(tài)環(huán)境的重要性；從全世界范圍來看，生態(tài)系統(tǒng)惡化趨勢明顯，已經(jīng)變成嚴重的環(huán)境問題，引起人類的擔憂和關切[6-7]。同時，恢復生態(tài)系統(tǒng)的計劃正在付諸于實際行動，人類希望通過自身的努力來提高森林中的生物多樣性、增加木質林產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量、改良土壤的養(yǎng)分狀況、改善林下光照條件等多方面的功效[8]。因此，有關低質林的研究逐漸增多，包括低質林評定[9]、低質林成因[10]、低質林改造方式[11-12]以及低質林改造效果[13-14]等方面。低質低效林的改造方式目前主要以撫育改造、復壯改造、效應帶改造、栽針保闊改造、封育改造等方式為主[15-16]。曲杭峰等[17]在大興安嶺地區(qū)選取5種不同種類的低質林進行帶狀改造，分別栽植興安落葉松、樟子松和西伯利亞紅松，利用主成分分析法對選取的38項指標建立評價模型并進行綜合評價，認為針闊混交低質林的改造效果最好。宋啟亮等[18]采取帶狀改造和塊狀改造的模式對低質林進行改造，得出了順山帶狀改造效果優(yōu)于塊狀改造的結論，且以10 m帶寬順山帶狀改造和100 m2塊狀改造對大興安嶺闊葉混交低質林改造最有利。毛波等[19]通過對大興安嶺山楊低質林進行3 S帶狀改造，發(fā)現(xiàn)10 m改造帶中20 m保留帶的改造效果最好。

近年來，有關學者主要研究了撫育間伐、帶狀改造、塊狀改造等改造模式后的低質林改造效果，對于補植改造后低質林改造效果的研究較少。崔莉[20]研究了補植改造初期不同林分密度和種類對更新苗木的影響，對改造效果的研究未涉及。筆者以大興安嶺闊葉混交低質林為研究對象，對其進行補植改造，選取能夠反映低質林補植改造初期效果的35個評價指標，包括土壤理化性質、枯落物持水性能、冠層結構參數(shù)和更新苗木光合作用等指標，利用主成分分析法建立綜合評價模型，并進行綜合評價，得出了最佳的低質林補植改造密度，可作為后續(xù)大興安嶺闊葉混交低質林補植改造研究的參考。

1 研究區(qū)域概況

試驗樣地位于加格達奇林業(yè)局翠峰林場，黑龍江大興安嶺山脈的東南坡，地理坐標為東經(jīng)124°22′47.8″～124°24′35.2″，北緯50°34′9.15″～50°34′32″，屬于低山丘陵地帶。海拔高度370～420 m，林下土壤以暗棕壤和棕色針葉林土為主，土壤厚度介于15～30 cm；地勢平緩，立地條件較好，坡度多在15°以下；無霜期為85～130 d，年平均降水量大約494.8 mm，降水多集中于夏季的6—8月，屬寒溫帶大陸性季風氣候；冬天寒冷而漫長，夏天短暫且炎熱；年平均氣溫-1.3 ℃，最髙氣溫37.3 ℃，最低氣溫-45.4 ℃。該地區(qū)的闊葉混交低質林喬木樹種主要有蒙古櫟(Xylosmaracemosuz)、山楊(PopulusdavidianaDode)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk)和少許楓樺(Ribbedbirch)，灌木以榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等為主，蓋度15%，草本以鈴蘭(Convallariamajalis)、水莎草(CrperusserotinusRottob)、鹿蹄草(Pyroladahurica)等為主，蓋度27%；林分郁閉度0.4。

2 研究方法

2.1 樣地設置

于2014年5月經(jīng)過野外實地勘察設計，在加格達奇林業(yè)局翠峰林場設立試驗樣地，改造樣地編號記為BZ1—BZ6，CK作為對照樣地，其中7塊樣地的大小為20 m×20 m。在改造樣地補植興安落葉松(Larixgmelinii)，通過塊狀補植法對試驗樣地進行改造，分別在6個不同的改造樣地內(nèi)補植不同密度的興安落葉松(Larixgmelinii)，原有林分平均密度為3 200株·hm-2左右。BZ1—BZ6樣地的補植密度分別為400、500、600、700、800、900株·hm-2，CK作為對照樣地，不進行補植作業(yè)；在改造試驗區(qū)相鄰處，選取林分和立地條件接近的保留地作為對照樣地CK，改造樣地的設計方式如圖1所示。對低質林補植改造完成后，須對補植樹種進行基本的管理和維護，并對其進行科學合理的撫育，當年的撫育工作主要有：澆水、擴穴、扶正、培土、踏實、除草。

BZ6BZ5BZ64BZ1BZ2BZ3

圖1 補植改造樣地示意圖

2.2 土壤理化性質測定

于2016年6月進行野外取樣，在每塊補植改造樣地和對照樣地上，按照“S”型混合采樣法進行取樣，每個樣地選擇5個土壤取樣點，在每個取樣點均取厚度為0～10 cm的土壤樣本，按照四分法混合取樣，每個土壤樣本為1 kg。將土壤樣本帶回實驗室，在室內(nèi)土壤經(jīng)過自然風干、研磨過篩，然后分析化學性質，土壤化學性質的測定方法如表1所示。土壤的物理性質采用環(huán)刀法進行測量，環(huán)刀容積為100 cm3。

表1 土壤化學性質測定方法

2.3 枯落物采集與測定

在大興安嶺地區(qū)闊葉混交低質林試驗區(qū)補植改造樣地和對照樣地內(nèi)采用“Z”型取樣法進行取樣，樣方大小為30 cm×30 cm，收集林下枯落物的未分解層和半分解層，帶回實驗室，采用烘干法得到枯落物蓄積量。首先將枯落物放入溫度為85 ℃的干燥箱內(nèi)進行烘干，之后利用干物質質量計算出枯落物蓄積量，并采用浸泡法對枯落物持水性能進行測定；然后根據(jù)所測枯落物蓄積量計算出枯落物最大持水量和有效攔蓄量。采用浸泡法測定最大持水量、最大持水量、有效攔蓄量，浸泡時間為0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h。

2.4 冠層結構參數(shù)測定

于2016年6月在改造樣地和對照樣地內(nèi)分別隨機選取5個點，用GPS分別測得每個樣點所在地點的經(jīng)緯度和海拔高度。在試驗樣地內(nèi)利用冠層分析儀進行實地實驗，尋找準確的正北方向同時將儀器調(diào)平，對儀器鏡頭與地面之間的距離進行測量。選擇3、4個不同的方向進行觀測，用Winscanopy冠層分析儀采集圖像。

2.5 更新苗木光合作用參數(shù)測定

在6塊改造樣地中利用LCpro+便攜式光合作用測定儀對所有的興安落葉松(Larixgmelinii)幼苗進行光合作用測定。同時，在對照樣地CK內(nèi)選取林齡相當?shù)挠讟溥M行光合作用測定，當天氣晴朗時，選擇上午的9:00—11:00和下午的13:30—15:30時間段進行光合作用數(shù)據(jù)測定。

2.6 苗木生長調(diào)查

利用數(shù)顯游標卡尺和鋼尺對6塊改造樣地內(nèi)的所有興安落葉松(Larixgmelinii)幼苗進行苗高生長量和地徑的測量。同時，在對照樣地中選取林齡相當?shù)挠讟溥M行苗高生長量和地徑的測量。

2.7 評價方法

通過采用主成分分析法對大興安嶺闊葉混交低質林補植改造2 a后的改造效果進行綜合評價。其基本步驟為：設有n種不同樣地，m個評價指標，其集合構成了原始矩陣(X)：

X=(xij)m×ni=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

式中：xij表示第j種樣地的第i項指標的實測值。

標準化原始矩陣:利用Excel2010對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除數(shù)量級和量綱的影響，正向指標用公式(1)進行標準化，逆向指標用公式(2)進行標準化。

(1)

(2)

確定主成分：用SPSS19.0軟件處理標準化的數(shù)據(jù)，選取方差分析累計貢獻率≥85%的前m個主成分，建立m個主成分與標準化變量間的關系。其公式為

(3)

式中：Yk是第k個主成分(k=1,2,3,…，m)；bk1是表示第k個主成分的因子載荷。

確定權重：用第k個主成分的貢獻率和所選取的m個主成分的總貢獻率比值表示各個主成分的權重

(4)

式中：wk是第k個主成分的權重；λk是第k個主成分的貢獻率。

構造綜合評價函數(shù):根據(jù)式(3)確定的前m個主成分與式(4)中得到的權重建立綜合評價函數(shù)

(5)

式中：F表示不同補植密度樣地的綜合評價得分。綜合評價的得分越高，則表明該補植密度改造效果越好。

3 結果與分析

采用主成分分析法對大興安嶺闊葉混交低質林補植改造2a后的改造效果進行綜合評價，在建立綜合評價體系時，應該盡可能選取較多的指標，能夠全面反映改造效果，可以得到比較理想的評價結果。本研究選取能夠反映低質林補植改造初期效果的35個評價指標，包括土壤理化性質、枯落物持水性能、冠層結構參數(shù)、苗木光合作用和苗木生長參數(shù)等指標。利用Excel2010對各個指標的實測值進行標準化處理，大興安嶺闊葉混交低質林補植改造后土壤呈弱酸性，其pH值均低于7；當pH值越大即越靠近7時，對林地植被生長越有利，可見pH值為正向指標。本研究中所有的正向指標均利用公式(1)進行標準化處理；土壤密度越大，說明土壤板結程度嚴重，土壤越緊實，不利于植被根部呼吸和植被生長，土壤持水性能下降，可見土壤密度是逆向指標。利用公式(2)對其進行標準化處理，結果見表2。

表2 各樣地指標標準化處理

續(xù)(表2)

樣地未分解蓄積量半分解蓄積量未分解最大持水量半分解最大持水量未分解有效攔蓄量半分解有效攔蓄量林隙分數(shù)BZ10.8310.8230.9980.8460.9380.8711.092BZ21.0541.0281.1071.1271.1341.0890.346BZ30.9491.0420.7240.8270.8210.9201.038BZ40.9511.0390.9270.8101.0210.8930.814BZ50.9721.0371.1481.2240.9901.1100.403BZ61.2261.0671.1571.1921.1501.1971.581CK1.0170.9640.9390.9730.9470.9201.725

樣地開度葉面積指數(shù)平均葉傾角總定點因子冠下總輻射通量蒸騰速率凈光合速率BZ11.0930.8441.0730.8630.8870.4320.936BZ20.3571.3880.8540.0960.1320.7120.989BZ31.0460.9100.9581.3421.3671.2541.190BZ40.8191.1110.8541.2471.2561.7030.823BZ50.4121.4130.8540.0960.1131.5001.149BZ61.5660.6921.1281.6301.5810.8220.959CK1.7080.6431.2781.7261.6650.5760.953

樣地環(huán)境CO2摩爾分數(shù)光合有效輻射葉片溫度胞間CO2摩爾分數(shù)氣孔導度苗木生長量地徑BZ10.8830.6920.7620.8800.7130.8820.867BZ20.9350.9110.9450.9490.8031.0031.016BZ31.1470.9681.0601.0530.8921.0281.040BZ40.9651.3360.6770.9731.2040.9540.956BZ51.1171.5631.1411.0821.4711.1461.135BZ61.0481.0241.4411.1971.3821.0271.054CK0.9050.5060.9730.8650.5350.9600.932

利用SPSS19.0分析軟件，將標準化后的數(shù)據(jù)進行主成分分析，各樣地各指標總方差分析結果見表3。可知：前4個主成分的累計貢獻率為86.205%>85.000%，前4個主成分就可以反映基礎數(shù)據(jù)的信息，即可滿足描述大興安嶺闊葉混交低質林補植改造2a后的改造效果。

表3 各樣地指標總方差分析

提取前4個主成分的因子載荷見表4?？芍旱?主成分在光合有效輻射、有機質質量分數(shù)、平均葉傾角、非毛管孔隙度、總孔隙度、蒸騰速率、葉面積指數(shù)、土壤含水率、林隙分數(shù)、開度指標上有較大載荷；第2主成分在半分解最大持水量、半分解有效攔蓄量、未分解蓄積量、葉片溫度、未分解最大持水量、未分解有效攔蓄量、最大持水量指標上有較大載荷；第3主成分在pH值、土壤密度、冠下總輻射通量、總定點因子、毛管孔隙度、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)指標上有較大載荷；第4主成分在全鉀質量分數(shù)、全氮質量分數(shù)、最大持水量指標上有較大載荷。

對大興安嶺闊葉混交低質林進行補植改造后，各樣地補植改造效果綜合評價結果如表5所示?？芍壕C合得分最高的是BZ5改造樣地，綜合得分為0.761，遠遠超過其他改造樣地，說明其改造效果最理想，補植密度800株·hm-2最適宜大興安嶺闊葉混交低質林的補植改造。各樣地綜合得分從高到低依次為：BZ5(0.761)、BZ3(0.351)、BZ6(0.247)、BZ2(0.017)、BZ4(-0.059)、CK(-0.394)、BZ1(-0.923)。其中對照樣地CK的綜合得分大于BZ1改造樣地，說明BZ1改造樣地的補植改造效果較不理想，其補植密度不適宜大興安嶺闊葉混交低質林的補植改造。

表4 各樣地指標因子載荷

表5 各樣地補植改造效果綜合評價

注：F1、F2、F3、F4分別表示4個主成分的因子得分。

4 結論與討論

大興安嶺闊葉低質林經(jīng)過生態(tài)改造后，生態(tài)功能得到明顯的改善，林地利用率得到了提高，林分空間結構變得合理，林木生長良好，林地效益實現(xiàn)了最大化。目前對低質林進行生態(tài)改造的模式主要有帶狀改造、塊狀改造、撫育改造，但對低質林進行補植改造的研究比較少。本研究從大興安嶺闊葉混交低質林補植改造角度出發(fā)，篩選出能夠反映改造效果的35項評價指標，運用主成分分析法建立不同樣地的綜合評價模型，計算出各個樣地補植改造效果的綜合得分，科學地評價不同樣地補植改造效果的優(yōu)劣，據(jù)此篩選出大興安嶺闊葉混交低質林補植改造的最佳補植密度。

運用主成分分析法對大興安嶺闊葉混交低質林補植改造效果進行綜合評價，綜合得分由高到低依次為BZ5(0.761)、BZ3(0.351)、BZ6(0.247)、BZ2(0.017)、BZ4(-0.059)、CK(-0.394)、BZ1(-0.923)。其中BZ5改造樣地綜合得分最高，表明BZ5改造樣地補植改造效果最理想，補植密度800株·hm-2最適宜大興安嶺闊葉混交低質林的補植改造。隨著補植密度的逐漸增大，大興安嶺地區(qū)闊葉混交低質林各改造樣地的改造效果綜合得分逐漸升高(BZ4改造樣地除外)，各改造樣地的補植改造效果隨著補植密度的增大而變好；當補植密度大于800株·hm-2后，各改造樣地的綜合得分降低，各改造樣地的改造效果隨著補植密度的增大而變得不理想。對大興安嶺闊葉混交低質林進行補植改造后，當補植密度較小時，可能由于補植興安落葉松幼苗時對林地草本的踩踏和原有灌木的破壞，造成了BZ1樣地改造效果差于對照樣地的結果，使得其補植改造效果相對不理想。對低質林進行補植改造后，林地微氣候發(fā)生改變。隨著補植密度的逐漸增大和林分密度的持續(xù)增大，林下植被水土保持能力也隨之增強，加速了枯落物分解，有助于土壤肥力的增加，光合有效輻射較高，光合作用增加比較明顯，補植改造效果趨向于變好；當補植密度過大后，林下植被對土壤養(yǎng)分的需求量增加，冠層結構發(fā)生變化，枯落物分解減慢，枯落物蓄水保水能力也較差，到達林地表面的陽光較少，溫度較低，林分競爭程度加劇，補植改造效果變的不理想。由于大興安嶺地區(qū)闊葉混交低質林不同地區(qū)氣候條件、生態(tài)環(huán)境、立地條件和植被類型存在較大差異，所以選擇合理的補植密度進行補植改造是達到較好改造效果的關鍵。

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Comprehensive Evaluation on the Effect of Replanting Alterations of Low-quality Forest in Daxing’an Mountains//

Tang Guohua, Dong Xibin, Zhang Tian, Guan Huiwen, Wang Zhiyong, Ruan Jiafu

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)

Daxing’an Mountains; Low-quality forest; Replanting alterations; Principal component analysis

1)國家自然科學基金項目(31400539)。

唐國華，男，1991年2月生，森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，碩士研究生。E-mail：652095437@qq.com。

董希斌，森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2017年4月6日。

S756.5

責任編輯：戴芳天。