曲杭峰 董希斌 馬曉波 唐國華 張?zhí)?管惠文

(森林持續(xù)經營與環(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)

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大興安嶺不同類型低質林改造效果的綜合評價1)

曲杭峰 董希斌 馬曉波 唐國華 張?zhí)?管惠文

(森林持續(xù)經營與環(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)

在大興安嶺林區(qū)選取針闊混交林、蒙古櫟林(Xylosmaracemosuz)、白樺林(Betulaplatyphylla)、山楊林(PopulusdavidianaDode)、闊葉混交林5種不同類型低質林作為改造試驗區(qū)，建立涵蓋枯落物持水性能、植被生物多樣性、土壤物理化學性質、土壤碳通量、更新苗木生長狀況等38項指標的綜合評價指標體系，運用主成分分析法對不同類型低質林的改造效果進行綜合評價。結果表明：不同類型低質林的改造效果，綜合得分從大到小依次為針闊混交林、蒙古櫟林、闊葉混交林、白樺林、山楊林，不同類型低質林改造后，針闊混交低質林的改造效果最好。

低質林；低質林改造；主成分分析；大興安嶺

受各種自然因素和人為干擾因素的影響，大興安嶺地區(qū)森林嚴重退化，出現(xiàn)了大面積的低質林[1-2]。低質林的形成，使得森林微氣候發(fā)生改變，溫室效應明顯，導致局部森林生態(tài)系統(tǒng)的紊亂。低質林形成的自然因素，包括氣候的劇烈變化、森林火災、森林病蟲害；人為因素，主要是森林資源過度開發(fā)與利用。隨著自然環(huán)境的不斷惡化，人們的生態(tài)意識不斷提高，對低質林進行了深入的研究，包括低質林評定[2-5]、成因[6-9]、改造方式[10-12]以及低質林的改造效果[13-15]。由于立地條件及林分類型的差異，改造后林分生長環(huán)境、森林微氣候等發(fā)生改變，各樣地對不同改造模式的響應不同[16-17]，改造效果各異，故篩選出最適宜本地特有類型的低質林改造類型十分重要。本研究以大興安嶺5種類型低質林為研究對象，選取的指標有生物多樣性、土壤碳通量、枯落物特性、土壤化學性質、土壤物理性質、更新苗木生長狀況等38項指標，運用主成分分析法建立大興安嶺低質林綜合評價模型，優(yōu)選出大興安嶺林區(qū)不同類型的低質林改造后最適宜生長的低質林類型以期為大興安嶺地區(qū)低質林的改造提供參考。

1 試驗區(qū)概況

在加格達奇林業(yè)局翠峰林場(東經124°22′47″～124°24′35″，北緯50°34′9.15″～50°34′32″)和躍進林場(124°14′9″～124°15′54″，北緯50°27′37.85″～50°28′66″)設立試驗區(qū)。試驗區(qū)位于黑龍江省大興安嶺山脈的東南坡，海拔高度370～420 m，土壤類型為暗棕森林壤，土壤厚度15～25 cm，土壤坡度平均為10°；全年無霜期90～120 d；年平均降水量49.5 mm以上，降水分布不均勻，主要集中在7—8月份；全年日照時間長，日照51.5%～56.7%；屬于寒溫帶大陸性季風氣候，春秋分明，冬季寒冷而漫長，年平均氣溫-1.1 ℃。在躍進林場54林班選取山楊低質林，在翠峰林場174林班選取白樺低質林和針闊混交低質林，在躍進林場51林班選取蒙古櫟低質林和闊葉混交低質林。

在針闊混交林樣地中，喬木層，郁閉度0.3，平均胸徑8.6 cm，平均樹高8.0 m，優(yōu)勢樹種是興安落葉松(Larixgmelinii)，并伴有蒙古櫟(Xylosmaracemosuz)林、白樺(Betulaplatyphylla)林；灌木層，包括胡枝子(Lobelia)、水楊梅(Aquabayberry)、杜香(Ledum)，總蓋度為17%；草本層，包括羊胡子苔草(Eriophorumcarex)、老鶴草(Geranium)、貝加爾野豌豆(Baikalviciam)，總蓋度為29%。

山楊(PopulusdavidianaDode)低質林中，喬木層，郁閉度0.4，平均胸徑7.2 cm，平均樹高6.0 m，優(yōu)勢樹種是山楊低質林，并伴有黑樺(Yaegawakannba)、蒙古櫟。灌木層，包括胡枝子、柳葉繡線菊(Spiraeawillow)，總蓋度為15%；草本層，包括羊胡子苔草、小黃花(Parvaflavoflores)、輪葉沙參(Peradenophora)，總蓋度為21%。

蒙古櫟低質林中，喬木層，郁閉度0.5，平均胸徑8.9 cm，平均樹高7.4 m，優(yōu)勢樹種是蒙古櫟，其他樹種有山楊林和黑樺；灌木層，包括胡枝子、水楊梅、杜香，總蓋度為17%；草本層，包括羊胡子苔草、老鶴草、貝加爾野豌豆，總蓋度為30%。

白樺低質林中，喬木層，郁閉度0.4，平均胸徑10.0 cm，平均樹高6.8 m，優(yōu)勢樹種是白樺林，其他非目的樹種有黑樺和山楊；灌木層，包括旱柳(Populus)、心甘杜鵑(Rhododendronea)、越橘(Bilberry)，總蓋度為13%；草本層，有蒼術(Herb)、山尖子(Mountainaces)、平貝母(Fritillaria)，總蓋度為29%。

闊葉混交低質林中，喬木層，郁閉度0.3，平均胸徑11.2 cm，平均樹高8.8 m，優(yōu)勢樹種是杜娟柳(DeLiu)，其他樹種有黑樺和蒙古櫟；灌木層，包括胡枝子、榛子、興安杜鵑(dauricum)，總蓋度為12%；草本層，包括東方草莓(Eastclassic)、輪葉沙參、唐松草(Thalictrum)，總蓋度為29%。

2 研究方法

2.1 試驗區(qū)設置與調查

在各試驗區(qū)進行5個不同類型低質林的帶狀改造(見圖1)。改造帶寬分別為6(S1)、10(S2)、14(S3)、18 m(S4)，保留帶寬分別為6(P1)、10(P2)、14(P3)、18 m(P4)，每條改造帶長度平均分成3段20(A)、20(B)、20 m(C)，A段栽植興安落葉松(Larixgmelinii)、B段栽植樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicaLitv)、C段栽植西伯利亞紅松(Pinussibirica)，栽植苗木與相鄰保留帶留有1 m間距，株行距為2.0 m×1.5 m。

2015年6月，對不同樣地的喬木、灌木、草本植被進行調查。調查喬木的樹種、株數(shù)，利用胸徑尺和樹高測量儀對樣地保留木的胸徑和樹高進行每木測量，計算出保留木胸徑和樹高的連年生長率，利用全站儀測定喬木坐標；調查灌木時，根據(jù)樣地的大小，在5 m×5 m的5個樣地進行“Z”型取樣，調查灌木的種類和蓋度；調查草本層時，采取的方法是在5個灌木樣地中心設置5個1.5 m×1.5 m的草本樣方，調查5個草本樣方中不同物種的種類和蓋度。在不同類型低質林樣地采集土壤樣品，按照“五點取樣法”采集5個土壤表層(0～10 cm)的土樣，在5塊樣地中分別采集環(huán)刀樣品和1.5 kg的土樣。把鮮土風干后于9月份進行干土的研磨和篩選工作，運用土壤環(huán)刀法分析土壤的物理性質，采用森林土壤分析法分析土壤的化學性質(見表1)。

S為改造帶，帶寬S1為6 m、S2為10 m、S3為14 m、S4為18 m；P為保留帶，帶寬P1為6 m、P2為10 m、P3為14 m、P4為18 m。A、B、C為改造帶長3個均等分段，長均為20 m，A段栽植興安落葉松、B段栽植樟子松、C段栽植西伯利亞紅松。

圖1 帶狀試驗區(qū)設置圖

枯落物持水性能的測量方法是在每種改造類型的樣地中選取5個30 cm×30 cm的樣方，采集枯枝落葉的方法——按未分解層和半分解層進行逐層采樣，然后求其平均值?？萋湮锏奶幚矸椒āQ其鮮質量，再將枯落物放入烘干箱中85 ℃烘干24 h后稱其干質量，然后推算枯落物的最大持水率和有效蓄積量。

土壤呼吸的測定方法——采用LI-8150多通道土壤碳通量自動測量系統(tǒng)，測量前調整呼吸室位置來測定土壤表面CO2通量，然后以0.5 h為一個觀測間隔，對每個觀測點進行全天重復觀測，連續(xù)觀測3 d。測量后，用File Viewer v3.0.0打開有關數(shù)據(jù)，先對數(shù)據(jù)進行預處理，再導入SPSS20.0中進一步處理數(shù)據(jù)。更新苗木生長狀況測量方法——測量試驗區(qū)內的生長量、地徑及樹高，并計算出不同改造樣地中落葉松、樟子松、西伯利亞紅松的成活率及生長率。

2.2 評價指標及因子

評價物種多樣性，參與評價的因子有喬木層、灌木層和草本層的物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)；評價土壤物理性質，參與評價的因子有最大持水量、土壤密度、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度；評價土壤化學性質，參與評價的因子有pH、有機質質量分數(shù)、全氮質量分數(shù)、全磷質量分數(shù)、全鉀質量分數(shù)、水解氮質量分數(shù)、有效磷質量分數(shù)、速效鉀質量分數(shù)；評價土壤枯落物持水性能，參與評價的因子有未分解蓄積量、半分解蓄積量、總蓄積量、未分解最大持水率、半分解最大持水率、未分解最大持水量、半分解最大持水量、總最大持水量；評價土壤碳通量，參與評價的因子是土壤的呼吸速率，它的測量方法是在每個觀測點全天重復觀測48次數(shù)據(jù)，最后取均值作為試驗區(qū)土壤的呼吸速率；評價更新苗木生長狀況，測量試驗區(qū)內的生長量、地徑及樹高，并計算出不同改造樣地中落葉松、樟子松、紅松的成活率及生長率。

2.3 評價方法

本文采用主成分分析法針對大興安嶺5種低質林經過改造后的效果進行綜合評價，選取5個層次共38個指標建立大興安嶺低質林綜合評價模型。步驟如下：原始矩陣X橫向為n種不同類型低質林，縱向為不同類型低質林的m個評價指標的實測值。X=(Xij)m×n；i=1、2、…、m，j=1、2、…、n。式中：Xij為第j種低質林類型第i項指標的實測值。

(1)原始數(shù)據(jù)標準化處理。由于不同指標量綱不同，計算時具有不可公度性，為消除數(shù)量級和量綱的影響，正向指標采用公式(1)進行標準化處理，逆向指標采用公式(2)進行標準化處理。

(1)

(2)

(2)對主成分進一步說明。提取方差貢獻率≥85%的主成分，建立m個主成分與標準化變量間的關系。

(3)

式中：Yk為第k個主成分(k=1、…、m)，bk1…bkp為第k個主成分的因子載荷。

(3)計算各指標的權重值。第k個主成分的貢獻率除以所選取的m個主成分的總貢獻率，即為各主成分的權重。

(4)

式中：wk為第k個主成分的權重，λk為第k個主成分的貢獻率。

(4)建立綜合評價函數(shù)。由式(3)得到的前m個主成分與得到的各指標的權重值建立綜合評價函數(shù)。不同類型低質林的綜合評價得分(F)越高，該類型低質林改造效果越好。

(5)

3 結果與分析

選取不同類型低質林共38項評價指標的實測值，運用主成分分析法對大興安嶺不同類型低質林的改造效果進行綜合評價。

由公式(1)、(2)對各個評價指標的實測值進行標準化處理。土壤有機質是土壤的重要組成成分，在一定范圍內，有機質的含量與土壤肥力水平呈正相關，因此，土壤有機質按公式(1)進行標準化處理；隨著土壤密度的增大，土壤內聚力增加，既土壤的硬度越大，對地上植被的生長具有不良影響，所以土壤密度為逆向指標，按公式(2)進行標準化處理；其它評價指標均為正向指標，按公式(1)進行標準化處理。

運用主成分分析法對標準化后的數(shù)據(jù)進行處理，總方差分析結果見表2；前4個主成分的累計貢獻率達到100%，所以選取前4個因子已經足夠描述不同類型低質林的改造效果；4個主成分的因子載荷見表3。

表2 不同類型低質林改造后各指標的總方差分析

由表3各因子載荷的絕對值可見：第1個主成分，在西伯利亞紅松成活率、半分解最大持水率、全磷、pH、更新苗木興安落葉松成活率、速效鉀、水解氮等指標上有較大載荷；第2個主成分，在草本層物種豐富度指數(shù)、灌木層物種豐富度指數(shù)、樟子松生長率、草本層多樣性指數(shù)等指標上有較大載荷；第3個主成分，在最大持水率未分解、喬木層多樣性指數(shù)、有機質含量、半分解最大持水量等指標上有較大載荷；第4個主成分，在全鉀、土壤呼吸速率、非毛管孔隙度、有機質質量分數(shù)等指標上有較大載荷。

表3 不同類型低質林改造后各指標的主成分因子載荷

首先計算出4個主成分的因子得分，然后根據(jù)公式(4)確定每個主成分的權重(4個主成分的權重依次為0.374、0.280、0.201、0.145)，最后利用公式(5)構造的綜合評價函數(shù)計算出不同改造模式的綜合得分(見表4)。

表4 不同類型低質林改造后綜合評價結果

由表4的綜合評價結果可見：綜合得分由高到低分別是針闊混交林、蒙古櫟林、闊葉混交林、白樺林、山楊林，針闊混交林樣地的綜合得分最高，表明針闊混交林的改造效果最好。

4 結論與討論

運用主成分分析法建立了大興安嶺低質林改造效果的綜合評價模型，提取出4個反映各樣地生長狀況的主成分，計算各主成分的因子得分，得出各個樣地生長效果的綜合得分，得分越高表示大興安嶺林區(qū)低質林改造效果越優(yōu)，使得評價結果更具有科學性[18-22]。綜合評價大興安嶺林區(qū)不同類型低質林改造效果，綜合得分從大到小依次為針闊混交林、蒙古櫟林、闊葉混交林、白樺林、山楊林，針闊混交低質林的綜合得分最高，說明針闊混交林的改造效果最好；這與文獻[23]、[24]的結果基本一致。

針闊混交林的綜合得分最高，表現(xiàn)在枯落物持水性能、植被生物多樣性、土壤物理化學性質、土壤呼吸速率、更新苗木生長狀況上。枯落物特性，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，枯落物層結構疏松能夠減緩地表徑流、保持土壤肥力，針闊混交林和蒙古櫟林的枯落物特性指標較高，有利于森林的水土保持。植物多樣性，是評價森林群落穩(wěn)定性的重要指標，多樣性高的森林群落，在受到干擾后的恢復能力強，通過大量研究說明植物多樣性越高的低質林群落改造效果越好，抗干擾能力越強，針闊混交林和白樺林的植物多樣性指標較高，說明這兩種低質林在森林群落中穩(wěn)定性較好。土壤物理性質，是評價土壤蓄水能力的重要指標，針闊混交林和白樺林的土壤物理性質較好，說明土壤的持水能力強，有利于林地植被的生長和更新；土壤化學性質，體現(xiàn)著林木的健康狀況，包括土壤的水分、空氣、養(yǎng)分和熱量等肥力因素，對林木的生長發(fā)育也有間接的影響，土壤中氮、磷、鉀3大指標是林木生長所需要的主要養(yǎng)分，針闊混交林和闊葉混交林的土壤化學性質指標較高，說明這兩種低質林的生長狀況良好。土壤呼吸速率，是評土壤肥力的重要指標，呼吸速率快可以使土壤有機質盡快轉化為養(yǎng)分，可以為植物冠層提供更加豐富的碳源，針闊混交林和闊葉混交林的土壤呼吸速率指標較高，說明其土壤代謝能力較強，白樺林和山楊林的代謝次之，蒙古櫟林的代謝能力較差。更新苗木的生長狀況，依賴于森林的結構狀況，森林的結構不同會使得森林的局部生態(tài)環(huán)境產生差異性，進而影響更新苗木的生長狀況，更新苗木改變著森林多樣性、林分混交度，反應森林結構的合理程度，是綜合評價低質林改造效果的重要指標；針闊混交林和蒙古櫟林的更新苗木指標較高，說明其森林結構較為合理。由于低質林改造效果綜合評價過程中，各個指標既相互依賴又相互排斥，因此，要求低質林改造效果評價的各個參數(shù)同時都達到最優(yōu)值幾乎是不可能的，最優(yōu)的改造效果的目標是森林生態(tài)系統(tǒng)整體達到最優(yōu)。

本研究對5種不同類型低質林改造效果進行綜合評價，建立了涵蓋枯落物持水性能、植被生物多樣性、土壤物理化學性質、土壤呼吸速率、更新苗木生長狀況等38項指標的綜合評價體系，運用主成分分析法對不同類型低質林的改造效果進行綜合評價，得出最好的低質林改造類型是針闊混交林。研究結果表明了5種不同類型低質林改造效果的相對優(yōu)劣，對大興安嶺林區(qū)低質林的生態(tài)改造具有參考意義。

[1] 毛波，董希斌.大興安嶺低質山楊林改造效果的綜合評價[J].東北林業(yè)大學學報，2016，44(8)：7-12.

[2] 毛波，董希斌，宋啟亮，等.大興安嶺白樺低質林改造后土壤肥力的綜合評價[J].東北林業(yè)大學學報，2014，42(10)：72-76.

[3] 侯淑艷.北京市低山區(qū)低效人工林結構特征與評價研究[D].北京：北京林業(yè)大學，2013.

[4] 楊學春，董希斌，姜帆，等.黑龍江省伊春林區(qū)低質林林分評定[J].東北林業(yè)大學學報，2009，37(10)：10-12，15.

[5] 張泱，姜中珠，董希斌，等.小興安嶺林區(qū)低質林類型的界定與評價[J].東北林業(yè)大學學報，2009，37(11)：99-102.

[6] 李蓮芳，韓明躍，鄭畹，等.云南松低質低效林的成因及其分類[J].西部林業(yè)科學，2009，38(4)：94-99.

[7] 張鐵平，盧立，熊嘉武.黔東南州低產低效林現(xiàn)狀、成因及改造模式[J].林業(yè)調查規(guī)劃，2010，35(4)：83-86.

[8] 李勇，劉繼明，董希斌，等.大興安嶺林區(qū)低質林成因及改造方式[J].東北林業(yè)大學學報，2012，40(8)：105-107，111.

[9] 張立民，張翔宇，孫麗楠.通遼地區(qū)楊樹低產低效林的形成與改造[J].內蒙古林業(yè)調查設計，2014(3)：68，70.

[10] 馬寶峰，王佰彥，李志棟.大興安嶺林區(qū)低質林改培經營模式的探討[J].防護林科技，2006(4)：100-101.

[11] 鄧東周，張小平，鄢武先，等.低效林改造研究綜述[J].世界林業(yè)研究，2010，23(4)：65-69.

[12] 王冰，駱崇云，陳敏.低效林改造的評價標準及問題探討[J].遼寧林業(yè)科技，2012(6)：48-50.

[13] 郭輝.采伐對小興安嶺低質林土壤和枯落物功能影響[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2010.

[14] 宋啟亮.不同類型退化森林誘導改造后森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2012.

[15] 曾翔亮.大興安嶺闊葉混交低質林誘導改造后土壤養(yǎng)分的時空變化研究[D].東北林業(yè)大學,2014.

[16] 宋啟亮.大興安嶺闊葉混交低質林不同改造模式效果的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2015.

[17] KABZEMS R， HAEUSSLER S. Soil properties, aspen, and white spruce responses 5 years after organic matter removal and compaction treatments[J]. Canadian Journal of Forest Research，2005，35(8)：2045-2055.

[18] MURPHY S R， LODGE G M， HARDEN S. Surface soil water dynamics in pastures in northern New South Wales.3. Evapotranspiration[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture，2004，44(6)：571-583.

[19] 陳世清.提高廣東省森林質量和功能的對策研究[J].中南林業(yè)調查規(guī)劃，2006，25(1)：1-4.

[20] FUTTER M N， H?GBOM L， VALINIA S， et al. Conceptualizing and communicating management effects on forest water quality[J]. Ambio A Journal of the Human Environment，2016，45(S2)：188-202.

[21] PUTUHENA W M， CORDERY I. Some hydrological effects of changing forest cover from eucalypts toPinusradiata[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2000，100(1)：59-72.

[22] 宋啟亮，董希斌.大興安嶺低質闊葉混交林不同改造模式綜合評價[J].林業(yè)科學，2014，50(9)：18-25.

[23] 張泱，呂海龍，董希斌.不同改造方式對小興安嶺低質林生物多樣性的影響[J].東北林業(yè)大學學報，2012，40(4)：80-84，89.

[24] 呂海龍，董希斌.基于主成分分析的小興安嶺低質林不同皆伐改造模式評價[J].林業(yè)科學，2011，47(12)：172-178.

Effect of Different Types of Low-quality Forest Transformation in Daxing’an Mountains on Comprehensive Evaluation

Qu Hangfeng, Dong Xibin, Ma Xiaobo, Tang Guohua, Zhang Tian, Guan Huiwen

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

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(12)：1-5.

We selected coniferous and broad-leaved mixed forest,Quercusmongolicaforest (Xylosmaracemosuz),Betulaplatyphyllaforest (Betulaplatyphylla),Populusdividianaforest (PopulusdavidianaDode) and broadleaved mixed forest of the five different types of low quality forest in Daxing’an Mountains, to study the litter material properties, biological diversity, soil physical properties, soil chemical properties, soil carbon flux and updated seedling growth of 38 indicators, and used apply principal component analysis to evaluate different types of low quality forest transformation effect. The descending order of the transformation effect of different types of low quality forest were coniferous and broad-leaved mixed forest (0.808),Quercusmongolicaforest (0.141), broadleaved mixed forest (-0.058),Betulaplatyphyllaforest (-0.292), andPopulusdividianaforest (-0.598). After the transformation of different types of low quality forest in Daxing’an Mountains, the effect of transformation of coniferous and broad-leaved mixed forest was the best.

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

曲杭峰，男，1992年6月生，森林持續(xù)經營與環(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：1763983999@qq.com。

董希斌，森林持續(xù)經營與環(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。

2016年6月14日。

S756.5

1)林業(yè)科學技術推廣項目([2015]06號)。

責任編輯：張 玉。