王 鳳，謝同利，葛忠強(qiáng)，梁 燕，李宗泰，呂雷昌，王清華*

（1.淄博市張店區(qū)園林綠化服務(wù)中心，山東 淄博255000；2.濟(jì)南市歷城區(qū)國有黑峪林場，山東 濟(jì)南250000；3.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250014）

森林生態(tài)系統(tǒng)是由森林及其周圍環(huán)境和附屬物構(gòu)成的，具有涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保育土壤、調(diào)節(jié)氣候、凈化環(huán)境、保護(hù)生物多樣性等諸多方面的生態(tài)功能[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已成為衡量生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能最重要的特性，隨著研究的不斷深入，穩(wěn)定性的內(nèi)涵和概念也越來越豐富[2]。林分主要包含喬木層、林下灌草層、土壤層3個(gè)主要層次，喬木層是其中最重要的組成部分，很大程度上決定了系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。因此，林分喬木層的質(zhì)量優(yōu)劣對于保持森林生態(tài)穩(wěn)定，讓森林擁有更大產(chǎn)出值、生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。側(cè)柏（Platycladus orientalis）對氣候、土壤條件有較強(qiáng)的適應(yīng)性，抗干旱瘠薄能力強(qiáng)，是我國淮河以北石灰?guī)r山地的主要造林樹種[3]，在荒山綠化、水土保持、防風(fēng)固沙、凈化空氣等方面發(fā)揮了重要生態(tài)作用[4]。山東省第八次森林資源清查結(jié)果表明，2014年側(cè)柏人工林面積為11.36 萬hm2，是山東省栽植面積最大的針葉林樹種[5]。山東省是側(cè)柏人工林主要分布區(qū)之一，魯中山地側(cè)柏人工林多營造于20世紀(jì)60年代，造林時(shí)密度普遍很大，由于后期缺乏間伐、更新等科學(xué)撫育措施，目前林分密度仍然較大，多數(shù)在3000株/hm2以上，郁閉度一般在0.6～0.9之間，導(dǎo)致側(cè)柏林木生長緩慢，林下植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，難以全面發(fā)揮其生態(tài)功能，生態(tài)穩(wěn)定性普遍較差。因此，急需采用科學(xué)有效的撫育措施，為其構(gòu)建穩(wěn)定森林生態(tài)系統(tǒng)，而首先需要對魯中山區(qū)側(cè)柏人工林喬木層進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，這對于確定側(cè)柏林合理經(jīng)營技術(shù)，全面發(fā)揮生態(tài)效益，促進(jìn)山東省干旱瘠薄山地生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

魯中山區(qū)位于山東省中部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116° 28′-118° 49′，北緯35°42′-37° 09′，行政區(qū)劃主要有濟(jì)南、淄博、泰安等市；山地與丘陵占總面積的70%以上，是山東省內(nèi)地山地最集中的區(qū)域，以500 m以下的低山丘陵為主[6]。該區(qū)屬于暖溫帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫13℃，年均降水量750 mm，大于10℃積溫約為4200～4600℃，日照時(shí)數(shù)2500～2800 h，無霜期190～220 d。該區(qū)土壤類型以褐土和棕壤為主，主要植被類型為落葉類闊葉樹種和松柏類樹種[7]。

1.2 樣地設(shè)置

試驗(yàn)樣點(diǎn)共有3處，樣點(diǎn)1 設(shè)在山東省林業(yè)科學(xué)研究院燕子山實(shí)驗(yàn)林場，位于濟(jì)南市歷下區(qū)；樣點(diǎn)2設(shè)在原山林場，位于淄博市博山區(qū)；樣點(diǎn)3 設(shè)在黑峪林場，位于濟(jì)南市歷城區(qū)彩石辦事處。供試林分為50年左右林齡的長期側(cè)柏人工林，整體郁閉度較大。上述樣點(diǎn)的側(cè)柏人工林主要分布于山坡地，土壤類型均為石灰性褐土，土層較薄，石礫含量較高。在各樣點(diǎn)選取不同密度和郁閉度的側(cè)柏人工林，樣點(diǎn)1、2、3 分別設(shè)置6、8、9塊樣地，按“樣點(diǎn)-樣地”格式編號。每塊樣地面積為100 m2，林下植被主要以灌木為主，少數(shù)樣地草本植物較多，植物品種主要有荊條（Vitex negundo）、君遷子（Diospytos lotus)、胡枝子（Lespedeza bicolor）、珍珠菜（Lysimachia clethroides）、羊須草（Carex callitrichos）等。調(diào)查并記錄樣地的經(jīng)緯度、林齡、郁閉度、林下蓋度、海拔、坡向、坡位、林分結(jié)構(gòu)等特征和生境因子。具體情況見表1。

表1 側(cè)柏人工林樣地概況

1.3 調(diào)查方法

1.3.1 喬木層生長指標(biāo)

對所設(shè)23塊樣方中的側(cè)柏進(jìn)行每木調(diào)查，記錄樣方內(nèi)側(cè)柏的存活株數(shù)、死亡株數(shù)、間伐株數(shù)、胸徑、樹高、冠幅、枝下高、葉面指數(shù)等生長指標(biāo)，分別計(jì)算不同側(cè)柏林的林分密度、保存率、冠層高、材積和生物量。其中，胸徑、樹高、冠幅、冠層高、葉面指數(shù)、年均生物量的調(diào)查和計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[8-9]。將喬灌草、喬草、喬灌、純喬木四種林分結(jié)構(gòu)分別賦值為4、3、2、1 作為結(jié)構(gòu)系數(shù)。

1.3.2 葉片營養(yǎng)指標(biāo)

在各樣方中選取胸徑接近平均值的側(cè)柏樹木3株，使用高枝剪分別采集其冠層中部葉片，四個(gè)方位均采集200 g 左右，混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室殺青、烘干后，采用H2SO4-H2O2消化分別測定葉片中的氮、磷和鉀含量。氮含量采用凱氏定氮法測定，磷含量采用釩鉬黃比色法，鉀含量采用火焰光度計(jì)法[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

由于各調(diào)查指標(biāo)對評價(jià)目標(biāo)的影響并不一致，因此采用因子分析法對側(cè)柏人工林的喬木層質(zhì)量優(yōu)劣進(jìn)行綜合評價(jià)，具體步驟參見文獻(xiàn)[11]。采用變異系數(shù)來分析側(cè)柏人工林喬木層綜合質(zhì)量的變異程度，低于10%為弱變異，高于100%為強(qiáng)變異，處于二者之間（10%～100%）的為中等變異[12]。利用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、計(jì)算和圖表制作，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 18.0 進(jìn)行因子分析、相關(guān)性分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 公因子提取和公因子模型

各試驗(yàn)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)見表2所示。對各樣地的側(cè)柏林樹高（X1）、胸徑（X2）、材積（X3）、年均生物量（X4）、冠幅（X5）、冠層高（X6）、葉面指數(shù)（X7）、密度（X8）、保存率（X9）、郁閉度（X10）、結(jié)構(gòu)系數(shù)（X11），以及葉片含氮量（X12）、含磷量（X13）和含鉀量（X14）等14個(gè)調(diào)查指標(biāo)進(jìn)行因子分析。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后通過計(jì)算，提取出了5個(gè)公因子，這5個(gè)公因子的累積方差貢獻(xiàn)率為82.24%，表明原來14個(gè)觀測指標(biāo)的全部信息可由這5個(gè)公因子反映80%以上（表3）。在因子分析中，一般需要提取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%左右或以上的少數(shù)幾個(gè)特征根對應(yīng)的公因子。在本研究中，需要提取前5個(gè)公因子。經(jīng)過進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)，通過采用最大方差正交旋轉(zhuǎn)后，求得旋轉(zhuǎn)后因子載荷如表4所示。

表2 側(cè)柏林喬木層質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)

表3 公因子的特征根和貢獻(xiàn)率

由公因子載荷表中可以看出（表4），決定第1個(gè)公因子大小的是樹高（X1）、胸徑（X2）、材積（X3）、年均生物量（X4）、冠幅（X5）、冠層高（X6）和密度（X8），這表示第1個(gè)公因子主要反映了樹木生長量對喬木層質(zhì)量的直接影響作用；決定第2公因子的是郁閉度（X10）和結(jié)構(gòu)系數(shù)（X11），主要反映了林分整體結(jié)構(gòu)對喬木層質(zhì)量的直接影響作用，而決定第3公因子大小的則是葉面指數(shù)（X7）、保存率（X9）和葉面含鉀量（X14），決定第4、5公因子大小的分別是葉片含氮量（X12）和含磷量（X13）。

表4 旋轉(zhuǎn)后的公因子載荷

表5 不同樣地的公因子得分和綜合得分

2.2 各樣地側(cè)柏林喬木層質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果

在影響側(cè)柏人工林喬木層質(zhì)量的公因子中，各個(gè)公因子的影響程度并不相同，特征根貢獻(xiàn)率大小已說明了這種情況。在綜合評價(jià)時(shí)，必須區(qū)別各個(gè)公因子對其影響的主次關(guān)系，賦予不同的權(quán)重，權(quán)數(shù)越大，表示該公因子所起的作用也越大。由此可見，公因子權(quán)重的相對大小反映了各個(gè)公因子在質(zhì)量評價(jià)中的相對地位。目前，確定權(quán)數(shù)的通常方法是采用專家打分或?qū)哟畏治龇ǎ紟в泻艽蟮闹饔^性。為了更合理地給出權(quán)重，突出各個(gè)公因子的作用程度，本研究以公因子特征根貢獻(xiàn)率所占比例作為權(quán)重值[11]。

按因子分析的要求計(jì)算各樣地的5個(gè)公因子得分值，然后將各樣點(diǎn)的5個(gè)公因子得分與權(quán)重分別相乘，得到各個(gè)樣地側(cè)柏林喬木層質(zhì)量的因子得分，再通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后得到綜合分值（表5）。結(jié)果表明，綜合分值排前5名的側(cè)柏林依次為原山林場2號、燕子山林場5號、原山林場3號、黑峪林場5號和黑峪林場7號，表明這5個(gè)樣地側(cè)柏林喬木層的綜合質(zhì)量較好；而燕子山林場6號、1號和黑峪林場2號的綜合分值最低，側(cè)柏林喬木層質(zhì)量相對較差。供試所有林分喬木層質(zhì)量分值的變異系數(shù)為49.79%，為中等變異程度，表明魯中山地長期側(cè)柏人工林的喬木層質(zhì)量在不同樣地間的整體變異不大，相對較為穩(wěn)定。

根據(jù)表的綜合得分，計(jì)算出不同地點(diǎn)林分的喬木層質(zhì)量平均得分（圖1)。從圖中可以看出，位于原山林場的側(cè)柏林喬木層質(zhì)量較好，平均分值明顯高于燕子山林場和黑峪林場，三者之間的差異沒有達(dá)到顯著性水平。通過計(jì)算3個(gè)樣點(diǎn)的變異系數(shù)得知，燕子山林場、原山林場和黑峪林場側(cè)柏人工林喬木層質(zhì)量分值的變異系數(shù)分別為87.87%、15.73%和52.29%，均為中等變異，其中原山林場側(cè)柏林喬木層的整體穩(wěn)定性最好。

2.3 影響因子分析

由于側(cè)柏林喬木層質(zhì)量是多個(gè)因子綜合作用的結(jié)果，為進(jìn)一步分析不同觀測指標(biāo)與喬木層質(zhì)量之間的關(guān)系，對它們之間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在14個(gè)評價(jià)指標(biāo)中，共有樹高、胸徑、材積、年均生物量、冠幅、冠層高、葉面指數(shù)和密度等8個(gè)指標(biāo)分別與喬木層質(zhì)量綜合分值之間存在顯著性相關(guān)（P ＜0.05），而其它6個(gè)因子與喬木層質(zhì)量綜合分值的相關(guān)性沒有達(dá)到顯著性水平。

在相關(guān)性顯著的因子中，只有密度與喬木層質(zhì)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。將林分密度與質(zhì)量綜合分值進(jìn)行回歸分析，由圖2可以看出兩者之間表現(xiàn)出線性負(fù)相關(guān)。隨著林分密度的增加，側(cè)柏林喬木層質(zhì)量也顯著降低。經(jīng)擬合分析后，得到回歸方程為：Y = 1.038-12.23×10-6X（P ＜0.01,R=0.677）。結(jié)果表明，林分密度過高不利于側(cè)柏人工林喬木層的生長和質(zhì)量提升。

3 結(jié)論

采用因子分析方法對魯中山區(qū)23塊樣地的側(cè)柏人工林喬木層質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價(jià)，結(jié)果表明，不同樣地側(cè)柏喬木層質(zhì)量存在較大差異，但整體屬中等變異，其中以原山林場2號、燕子山林場5號、原山林場3號、黑峪林場5號和黑峪林場7號等5個(gè)樣地側(cè)柏林喬木層質(zhì)量較好；而燕子山林場6號、1號和黑峪林場2號相對較差。相比之下，位于原山林場的側(cè)柏林喬木層質(zhì)量較好，各林分間變異最小，整體更為穩(wěn)定。在14個(gè)評價(jià)指標(biāo)中，共有8個(gè)指標(biāo)與喬木層質(zhì)量綜合分值之間存在顯著性相關(guān)，分別是樹高、胸徑、材積、年均生物產(chǎn)量、冠幅、冠層高、葉面指數(shù)和密度；隨著林分密度的增加，側(cè)柏林喬木層質(zhì)量顯著降低，對于過高密度的側(cè)柏人工林應(yīng)及時(shí)進(jìn)行間伐撫育。