大興安嶺白樺低質(zhì)林改培效果的綜合評(píng)價(jià)1)

秦世立 曲杭峰

(大興安嶺林業(yè)集團(tuán)公司，黑龍江加格達(dá)奇，165000) (森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 東北林業(yè)大學(xué))

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在減緩全球氣候變暖進(jìn)程中起著重要不可替代的作用[1]，森林復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)、多樣的動(dòng)植物種類，深刻影響著氣候以及社會(huì)的發(fā)展[2]。大興安嶺是我國的主要林區(qū)，由于受到各種自然因素和人為因素的影響，大興安嶺地區(qū)的森林已經(jīng)嚴(yán)重退化(森林林相衰敗、郁閉度低、立木質(zhì)量差、森林出材率低、土壤侵蝕破壞嚴(yán)重)，殘次林大面積出現(xiàn)，土壤肥力較低，森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力弱，加劇了生態(tài)系統(tǒng)的不平衡。近年來，越來越多的專家和學(xué)者對(duì)低質(zhì)林的評(píng)定[3-5]、成因[6-9]、改造方式[10-12]以及低質(zhì)林的改造效果[13-15]進(jìn)行了深入的研究，這些研究對(duì)提高森林中的生物多樣性、增加木質(zhì)林產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、改良土壤的養(yǎng)分狀況、改善林下光照等多方面做出貢獻(xiàn)。陳蕾等[11]對(duì)大興安嶺闊葉混交低質(zhì)林進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，他認(rèn)為當(dāng)塊狀改培面積為225 m2、帶狀改培帶寬為14 m時(shí)，改培效果最佳，并且隨著改培強(qiáng)度的逐步加大，改培效果呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；管惠文等[6]對(duì)撫育間伐后落葉松天然次生林生境恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)，最終得出撫育間伐10 a后，撫育間伐強(qiáng)度29%～40%時(shí)，對(duì)森林生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)效果較好，中等強(qiáng)度撫育間伐適用于大興安嶺地區(qū)落葉松天然次生林；唐國華等[13]對(duì)大興安嶺低質(zhì)林補(bǔ)植改造效果進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，適宜大興安嶺闊葉混交低質(zhì)林的補(bǔ)植改造的林分密度為800株·hm-2。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

在加格達(dá)奇林業(yè)局翠峰林場設(shè)立試驗(yàn)區(qū)，位于174林班翠峰至古里公路12.5 km處，樣地坐標(biāo)為東經(jīng)124°24′36″～124°31′46″，北緯50°38′37″～50°45′55″。試驗(yàn)區(qū)位于大興安嶺山脈的東南坡，土壤類型為暗棕森林壤，土壤厚度為10～30 cm；海拔高度為380～440 m，坡度平均為15°；年平均降水量470 mm，降水主要集中在7、8月份；全年日照時(shí)間長，日照百分率為51.5%～56.7%；該地屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春秋分明，低溫時(shí)間漫長寒冷，年平均氣溫-1.1 ℃，全年無霜期為90～120 d。主要植被種類為白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Xylosmaracemosuz)、黑樺(BetuladahuricaPall.)、胡枝子(Lobelia)、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、水楊梅(Lobelia)、杜香(Ledum)、羊胡子苔草(Eriophorumcarex)、鹿蹄草(Pyroladahurica)、貝加爾野豌豆(Baikalviciam)、老鶴草(GerniumwilfordiiMaxim)。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)置與調(diào)查

試驗(yàn)區(qū)主要植被種類為白樺低質(zhì)林，喬木層主要有白樺、蒙古櫟、黑樺，郁閉度0.5，平均胸徑9.5 cm，平均樹高8.6 m，優(yōu)勢樹種是蒙古櫟；灌木層包括胡枝子、興安杜鵑、水楊梅、杜香，總蓋度為14%，郁閉度0.4；草本層包括羊胡子苔草、鹿蹄草、貝加爾野豌豆、老鶴草，郁閉度0.6，總蓋度為25%。

2009年春季經(jīng)過野外實(shí)地勘察設(shè)計(jì)，對(duì)白樺低質(zhì)林試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行帶狀改培和塊狀改培。帶狀改培試驗(yàn)區(qū)，按照改培帶寬不同設(shè)置4條改培帶，分別為S1(6 m)、S2(10 m)、S3(14 m)、S4(18 m)，改培帶內(nèi)保留針葉幼樹，對(duì)其他的針闊葉樹種進(jìn)行伐除，4條改培帶的長度為300 m，把每條改培帶平均分成3段，每段長度為100 m，分別栽植樟子松(Pinussylvestris)、興安落葉松(Larixgmelinii)、西伯利亞紅松(Pinussylvestris)，栽植3種針葉苗木時(shí)，株行距為1.5 m×2.0 m，3種針葉苗木與保留木距離2m，改培帶帶寬與相對(duì)應(yīng)的保留帶的帶寬保持一致(見圖1)。塊狀改培試驗(yàn)區(qū)總共3組，每組由6個(gè)面積不同的正方形改培樣地組成，面積分別為G1(25 m2)、G2(100 m2)、G3(225 m2)、G4(400 m2)、G5(625 m2)、G6(900 m2)，每塊改培樣地間的距離與各自的改培寬度保持一致，即正方形樣地的邊長分別為5、10、15、20、25、30 m，在塊狀改培試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行苗木更新，分別栽植樟子松、興安落葉松、西伯利亞紅松，栽植3種針葉苗木時(shí)，株行距為1.5 m×2.0 m，3種針葉苗木與保留木距離2 m(見圖2)。在空白地帶設(shè)置一條長度為300 m，寬度為10 m的對(duì)照樣地(CK)。

圖1 帶狀樣地設(shè)置圖

圖2 塊狀樣地設(shè)置圖

2.2 樣品采集與測定

2020年9月在大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇林業(yè)局翠峰林場的改培樣地和對(duì)照樣地內(nèi)進(jìn)行野外取樣，測量枯落物持水性能的方法是采用“Z”型取樣法進(jìn)行取樣，收集面積大小為30 cm×30 cm的林下未分解和半分解枯落物，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在烘干箱內(nèi)85 ℃烘干后，計(jì)算枯落物蓄積量；采用浸泡法測量枯落物最大持水量、有效攔蓄量，浸泡時(shí)間分別為0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h。土壤物理性質(zhì)按照環(huán)刀法測定，環(huán)刀容積為100 cm3，需要用到電子天平、帶水的平底盆和烘干箱，實(shí)驗(yàn)需要24 h，通過土壤干質(zhì)量和土壤濕質(zhì)量計(jì)算各樣地土壤密度、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度等。按照“Z”型取樣法取得厚度為0～10 cm的土壤層的土樣，每個(gè)土壤樣本質(zhì)量為1.5 kg左右，帶回實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干，研磨過篩后，測定土壤的化學(xué)性質(zhì)，具體測定方法見表1。

對(duì)樣地的喬木、灌木、草本植被進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查樣地內(nèi)樹木的株數(shù)和胸徑，運(yùn)用樹木測高儀對(duì)喬木的高度進(jìn)行測量，運(yùn)用全站儀測出喬木坐標(biāo)。灌木的調(diào)查方法為選取5個(gè)面積為25 m2的正方形樣地進(jìn)行“Z”型取樣，調(diào)查其種類和蓋度。草本植被的調(diào)查方法是選取5個(gè)面積為4 m2的正方形樣地進(jìn)行“Z”型取樣，調(diào)查其種類和蓋度。草本植被的物種豐富度指數(shù)(S)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)作為不同改培模式的物種多樣性評(píng)價(jià)因子。

更新苗木光合作用參數(shù)測定，利用LCpro+便攜式光合作用測定儀進(jìn)行測定，選擇一個(gè)晴天的上午對(duì)改培樣地和對(duì)照樣地的幼樹進(jìn)行光合作用測定，運(yùn)用LCpro+便攜式光合作用測定儀對(duì)幼樹進(jìn)行監(jiān)測，間隔時(shí)間為2 h，測量的指標(biāo)參數(shù)有：光合有效輻射、蒸騰速率、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)等指標(biāo)。苗木生長調(diào)查利用游標(biāo)卡尺和鋼尺對(duì)照樣地內(nèi)栽植的西伯利亞紅松、興安落葉松、樟子松幼苗進(jìn)行苗高生長量和地徑的測量，并統(tǒng)計(jì)各樣地栽植苗木的成活率和生長率。

表1 土壤化學(xué)性質(zhì)測定方法

2.3 指標(biāo)評(píng)價(jià)方法

運(yùn)用主成分分析法對(duì)大興安嶺低質(zhì)白樺林的38項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體步驟為：設(shè)有n種不同樣地，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其矩陣構(gòu)成了原始矩陣X。

X=(xij)m×n,i=1、2、…、m，j=1、2、…、n。

式中：xij表示第j種樣地的第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測值。

運(yùn)用Excel2016對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，用SPSS20.0軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3 結(jié)果與分析

由表2可知，選取2020年9月測得的大興安嶺低質(zhì)白樺林實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)林下林地植被的生物多樣性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，選取的指標(biāo)包括：喬木層、灌木層、草本層的Shannon-wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)；枯落物的總最大持水量、總蓄積量水率、總有效攔蓄量、總蓄積量、總自然持水率；更新苗木光合作用指標(biāo)(蒸騰速率、光合有效輻射、葉片溫度、氣孔導(dǎo)度、環(huán)境CO2摩爾分?jǐn)?shù)、凈光合速率、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù))；更新苗(樟子松、木西伯利亞紅松、落葉松)的生長率、成活率；土壤物理性質(zhì)指標(biāo)(土壤密度、最大持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度)；土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(土壤pH，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、水解氮、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化處理

續(xù)(表2)

由表3可知，10塊改造樣地和1塊對(duì)照樣地各指標(biāo)前5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.24%，大于85.00%，說明前5個(gè)主成分可以描述大興安嶺白樺低質(zhì)林的改培后的各指標(biāo)信息。

表3 各指標(biāo)總方差分析

由表4可知，第1個(gè)主成分，喬木層Pielou均勻度指數(shù)、總有效攔蓄量、總蓄積量、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、樟子松成活率、西伯利亞紅松成活率、落葉松生長率、非毛管孔隙度、總孔隙度、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)等有較大載荷；第2個(gè)主成分，總自然持水率、總有效攔蓄量、樟子松成活率、西伯利亞紅松生長率、落葉松成活率、非毛管孔隙度、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)等有較大載荷；第3個(gè)主成分，灌木層物種豐富度指數(shù)、灌木層Pielou均勻度指數(shù)、總最大持水率、總蓄積量、環(huán)境CO2摩爾分?jǐn)?shù)、毛管持水量、毛管孔隙度、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)等有較大載荷；第4個(gè)主成分，喬木層物種豐富度指數(shù)、總最大持水量、環(huán)境CO2摩爾分?jǐn)?shù)、毛管持水量、水解氮等有較大載荷；第5個(gè)主成分，草本層Pielou均勻度指數(shù)、總蓄積量、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)、最大持水量、毛管持水量、毛管持水量、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)等有較大載荷。

表4 各樣地各指標(biāo)因子載荷

由表5可知，第1個(gè)主成分在枯落物總有效攔蓄量、光合作用蒸騰速率、凈光合速率、總孔隙度、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)上比較重要；第2個(gè)主成分在灌木層Pielou均勻度指數(shù)、草本層物種豐富度指數(shù)、枯落物總最大持水量、枯落物總自然持水率等指標(biāo)上比較重要；第3個(gè)主成分在枯落物總最大持水量、枯落物總最大持水率、環(huán)境CO2摩爾分?jǐn)?shù)、毛管孔隙度等指標(biāo)上比較重要；第4個(gè)主成分在枯落物總最大持水量、枯落物總蓄積量、環(huán)境CO2摩爾分?jǐn)?shù)、光合作用葉片溫度等指標(biāo)上比較重要。第5個(gè)主成分在枯落物總蓄積量、氣孔導(dǎo)度、枯落物總最大持水量、環(huán)境CO2摩爾分?jǐn)?shù)等指標(biāo)上比較重要。

表5 各指標(biāo)主成分得分系數(shù)矩陣

由表6可知，根據(jù)大興安嶺白樺低質(zhì)林帶狀和塊狀改培后前5個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率和總貢獻(xiàn)率，可以得出5個(gè)主成分的權(quán)重值0.395、0.238、0.162、0.122、0.084，然后通過得分系數(shù)矩陣和權(quán)重值可以求出5個(gè)主成分的綜合分值。不同模式的改培效果的綜合得分由高到低依次為：S2(0.741)、G2(0.641)、S3(0.471)、G3(0.193)、G1(0.135)、S4(-0.005)、G4(-0.097)、S1(-0.175)、G5(-0.396)、CK(-0.619)、G6(-0.888)。其中，S2樣地和G2樣地的綜合得分最高，說明這兩種改培模式對(duì)大興安嶺白樺低質(zhì)林的可持續(xù)經(jīng)營效果顯著。

表6 帶狀和塊狀改培效果的綜合評(píng)價(jià)

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)大興安嶺白樺低質(zhì)林的38項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用主成分分析法提取了5個(gè)主成分，最后得出大興安嶺白樺低質(zhì)林不同模式改培效果的綜合分值，得分越高說明改培效果越優(yōu)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更具科學(xué)性。綜合評(píng)價(jià)大興安嶺白樺低質(zhì)林的改培效果，帶寬10 m的改培帶、面積100 m2的塊狀改培分別在兩種模式中綜合得分最高，說明其改培效果最好，這與陳蕾等[11]應(yīng)用森林土壤化學(xué)性質(zhì)和枯落物持水性對(duì)不同改造模式效果的評(píng)價(jià)和管惠文等[22]誘導(dǎo)改造對(duì)大興安嶺蒙古櫟低質(zhì)林土壤養(yǎng)分的時(shí)空影響的結(jié)果基本一致。

10 m改培帶狀改培和100 m2塊狀改培樣地的綜合得分高主要表現(xiàn)在喬木層Pielou均勻度指數(shù)、枯落物總最大持水量、蒸騰速率、凈光合速率、環(huán)境CO2摩爾分?jǐn)?shù)、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)、最大持水量、毛管孔隙度以及有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)上。帶狀改培效果隨著改培帶寬的增大，綜合評(píng)分先增大后減小，分值比對(duì)照樣地高；塊狀改培隨著面積的增加，綜合評(píng)分先增大后減小，分值比對(duì)照樣地高。根據(jù)以上規(guī)律綜合分析大興安嶺白樺低質(zhì)林改培效果發(fā)現(xiàn)，各樣地的改培效果隨著改培強(qiáng)度的增加先呈現(xiàn)逐漸變好的趨勢，但隨著其改培強(qiáng)度的增大，改培效果也逐漸下降。物種多樣性是森林可持續(xù)經(jīng)營的重要指標(biāo)[16-18]，林下的灌木和草本是植被多樣性的重要指標(biāo)，林下植被多樣性對(duì)于水土保持和揭示植被演替方面有著不可替代的作用，分析表明大興安嶺白樺低質(zhì)林多樣性和撫育強(qiáng)度呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系；枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，未分解和半分解的枯落物層結(jié)構(gòu)疏松，能夠有效的減緩地表徑流，有利于森林的水土保持，白樺低質(zhì)林的毛管孔隙度皆高于非毛管孔隙度，說明枯落物的持水能力強(qiáng)，有利于森林的水源涵養(yǎng)；土壤理化學(xué)性質(zhì)能夠間接的體現(xiàn)著林木健康情況[19-22]，其中全氮、水解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及毛管孔隙度、最大持水量、土壤密度是體現(xiàn)土壤理化性質(zhì)的主要指標(biāo)。大興安嶺白樺低質(zhì)林在改培后，由于林分郁閉度下降，陽光直射地面，林地溫度上升，土壤理化性質(zhì)受到影響，進(jìn)而影響更新苗木的生長和植被覆蓋率；更新苗木包括樟子松、西伯利亞紅松和落葉松的生長和森林的結(jié)構(gòu)有關(guān)，森林的結(jié)構(gòu)不同會(huì)使得森林的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生差異性，更新苗木影響著林分的混交度，能夠反應(yīng)森林經(jīng)營的合理程度。在大興安嶺白樺低質(zhì)林改培效果的綜合評(píng)價(jià)中，5各層次的38項(xiàng)指標(biāo)互相聯(lián)系，但關(guān)系既有相互促進(jìn)，也有相互排斥，改培的目的達(dá)到了生態(tài)群落的穩(wěn)定性。

本研究利用能夠反應(yīng)大興安嶺白樺低質(zhì)林改培效果的生物多樣性、枯落物持水性能、更新苗木生長狀況等38項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)建立綜合評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)結(jié)果可為大興安嶺白樺低質(zhì)林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)可靠的理論依據(jù)。