大兴安岭低质山杨林改造效果的综合评价1)

毛波　董希斌

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)



大兴安岭低质山杨林改造效果的综合评价1)

毛波董希斌

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

摘要以大兴安岭山杨(Populus davidiana)低质林为研究对象，通过带状改造，3种改造带宽分别为10(改造带S1、S2、S3)、20(改造带S4、S5、S6)、30 m(改造带S7、S8、S9)，将每条改造带分成4段，分别种植西伯利亚红松(Pinus sibirica )、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)、兴安落叶松(Larix gmelinii)、红皮云杉(Picea koraiensis Nakai)；运用主成分分析法，选取林下枯落物持水性能、土壤理化性质、生物多样性、冠层结构、光合作用、更新苗木生长等38项指标，建立低质山杨林不同模式改造效果的综合评价体系，对各个样地不同模式改造效果进行综合评价。结果表明：不同模式改造效果综合得分，由高到低依次为S2、S3、S6、S4、S8、S1、S7、对照样地、S5、S9，S2样地的综合得分最高，筛选出10 m改造带中20 m保留带的改造模式效果最好。

关键词低质山杨林；低质林改造；带状改造；大兴安岭

大兴安岭林区经过多年人为活动的干扰破坏、经营管理不当、违背适地适树原则、造林密度过大等人为因素和自然灾害、森林病虫害等自然因素，形成了大量的低质林，林分结构和稳定性失调，林木生长发育衰竭，系统功能退化。近些年来，为了改善林分结构、开发林地生产潜力、提高林分质量和效益水平，对低质林进行了一系列的研究，包括低质林定义[1]、成因[2]、评定[3-5]、改造方式[6-7]、改造对低质林各项指标的影响[8-10]、改造效果[11-13]。现阶段低质林改造的营林措施，主要通过丰富树种组成、调整林分结构、补植补播改造、嫁接复壮等方面进行改造[14]。低质林的改造模式，主要有全面改造模式、局部改造模式、皆伐改造模式、抚育采伐改造模式、效应带改造模式、效应块改造模式、栽针保阔改造模式、群团状改造模式、复壮改造模式、封育改造模式[15-17]。张涛等[18]通过对低质林不同模式改造后的效果进行分析，优化出不同低质林类型适应的改造模式。刘伟等[19]提出了全面伐除、冠下造林、封山育林、带状采伐、抚育采伐、局部造林等低质林改造方式的适应类型和范围。如何对不同模式改造后经营效果进行评价，目前研究的热点主要从低质林各项指标枯落物持水性能[20]、土壤理化性质[21]、生物多样性[22-23]、冠层结构[24-25]、光合作用[26]以及更新苗木[27]方面进行分析，而对低质林改造效果进行综合评价还较少。本研究以大兴安岭地区低质山杨林为研究对象，筛选出反映低质山杨林改造效果的多个评价指标，运用主成分分析法对低质山杨林不同模式改造效果建立综合模型，对不同模式改造效果进行定量综合评价，最终选出大兴安岭低质山杨林最佳改造模式，为大兴安岭低质林改造提供参考。

1研究区概况

在加格达奇林业局跃进施业区193林班内，加卧公路18.5 km南侧设立试验区；该地区位于黑龙江省大兴安岭(124°22′47.8″～124°24′35.2″E，50°34′9.15″～50°34′32″N)山脉的东南坡，海拔高度为370～420 m。林中土壤主要是暗棕壤和棕色针叶林土，土壤厚度18 cm；地势平缓，平均坡度8°；立地条件较好，平均坡度6°。冬季气候干燥寒冷，年均气温-1.4 ℃，冬长夏短，属于温寒带大陆性季风气候，年均降水量470 mm，降水多集中于6—8月份。该区域的低质林主要有山杨林(Populusdavidiana)、少量蒙古栎林(Xylosmaracemosuz)和白桦萌生(BetulaplatyphyllaSuk)；下层植被灌木主要有榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，盖度为15%；草本以铃兰(Convallariamajalis)、水莎草(CrperusserotinusRottob)等为主，盖度达30%；林分郁闭度为0.4。

2研究方法

2.1样地设置

2013年春季对低质山杨林试验区进行带状改造(见图1)，改造带宽为10(S1、S2、S3)、20(S4、S5、S6)、30 m(S7、S8、S9)，改造带长400 m。保留改造带内针叶幼苗树种，对非目的阔叶树种进行伐除。每条改造带分成长度为100 m的4段样地(标记为A、B、C、D)，分别栽植西伯利亚红松(Pinussibirica)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)、兴安落叶松(Larixgmelinii)和红皮云杉(PiceakoraiensisNakai)，栽植苗木时与相邻保留林带距离1 m，株行距为2.0 m×1.5 m。保留带带宽分别是对应的改造带的带宽1倍、2倍、3倍，分别为10(P1)、20(P2)、30 m(P3)，20(P4)、40(P5)、60 m(P6)，30(P7)、60(P8)、90 m(P9)。

2.2指标测定

枯落物采集与测定：在大兴安岭地区低质山杨林试验区带状改造样地内采用“Z”型取样法进行取样，设置30 cm×30 cm样方，取枯落物的未分解层和半分解层，带回实验室。用干燥法测定枯落物蓄积量；采用浸泡法测定最大持水量、有效拦蓄量、吸水速率。

S1～S9为改造带；P1～P9为保留带；A、B、C、D为改造带长4均等分段，长均为100 m，A段栽植西伯利亚红松、B段栽植樟子松、C段栽植兴安落叶松、D段栽植红皮云杉。

图1带状样地设置

土壤理化性质测定：在样地上，按“S”型布点法各选取4个样方，样方平均分布在改造带的A、B、C、D段中；每个样方选择5个土壤取样点，每个样地均取0～10 cm的土壤，然后按四分法混合取样，每个土壤样本为1 kg。土壤样本在实验室经过自然风干处理，然后研磨过筛，分析其化学性质。土壤全N，采用自动凯氏法仪器(VS-KT-P型全自动定氮仪)测定；速效N，采用扩散法测定；全P，采用酸溶锑抗比色法测定；有效P，采用氢氧化钠浸提-钼锑抗比色法测定；全K，采用酸溶-火焰光度法测定，仪器为火焰光度计；速效K，采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；pH值，采用酸度计测定；有机质，采用油浴重铬酸钾氧化法测定。用容积为100 cm3环刀在每个土壤样点取土样，借以测量土壤的物理性质，包括土壤密度、最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度。

植被生物多样性调查：对不同样地的乔木、灌木、草本植被进行调查，调查乔木的树种、株数；利用胸径尺和树高测量仪对样地保留木的胸径和树高进行每木测量，计算出保留木胸径和树高的连年生长率；利用全站仪测定乔木坐标。根据样方的大小，在样方内随机设置1～5个大小为5 m×5 m的灌木样方，调查灌木的种类和盖度；在灌木样方内按照“Z”形设置5个1 m×1 m的草本样方，调查植物的种类和盖度。

冠层结构测定：在各样地中分别随机选取5个点，用GPS分别测得每棵树木的所在地点的经纬度和海拔高度；找准正北方向后，将数据采集装置Mini-O-Mount 7MP调平，并测量仪器镜头离地距离，从3～4个不同方向进行观测，用Winscanopy冠层分析仪采集图像。

更新苗木光合作用测定、光合作用数据采集：在各个样地中随机选取20棵树木，利用LCpro+便携式光合作用测定仪对选定的树木进行测定；在晴朗的天气，从09:00—11:00、13:30—17:30进行光合作用数据测定。

更新苗木调查：对不同样地的更新苗木进行每木调查，利用数显游标卡尺和钢尺测量更新苗木的地径、树高以及生长量，并计算西伯利亚红松、樟子松、兴安落叶松和红皮云杉的成活率和生长率。

2.3评价方法

采用主成分分析法对大兴安岭山杨低质林的带状改造模式进行综合评价。其基本步骤为：设有n种不同的带状改造模式，有m个评价指标，其集合构成了原始矩阵X=(xij)m×n。i=1、2、…、m；j=1、2、…、n；xij表示第j种生态改造模式第i项指标的实测值。

标准化原始矩阵：原始数据标准化，消除数量级和量纲的影响，正向指标用公式(1)进行标准化，逆向指标用公式(2)进行标准化。

(1)

(2)

确定主成分：用SPSS软件处理标准化的数据，选取方差分析累计贡献率≥85%的前m个主成分，建立m个主成分与标准化变量间的关系。

(3)

式中：Yk是第k个主成分(k=1、2、…、m)；bk1为第k个主成分的因子载荷。

确定权重：用第k个主成分的贡献率和所选取的m个主成分的总贡献率比值表示各个主成分的权重。

(4)

式中：wk为第k个主成分的权重；λk为第k个主成分的贡献率。

构造综合评价函数：根据式(3)确定的前m个主成分与式(4)中得到的权重建立综合评价函数。

(5)

式中：F为皆伐改造模式的综合评价得分。综合评价的得分越高，则表明该改造模式效果越好[1，11]。

3结果与分析

试验数据选取2015年6月测得的大兴安岭山杨低质林实验区38项评价指标数据。由于大兴安岭山杨低质林经过带状改造后，林地土壤呈现弱酸性，pH值在6.0附近，林地土壤pH值越接近7.0，土壤的酸性就会被中和，越有利于林地植被的生长，因此，将pH值看成正向指标，文中所有的正向指标均按照公式(1)进行标准化处理。林地土壤密度的值越大，越不利于林地植被的生长，因此，将林地土壤密度看成是一个逆向指标，按公式(2)进行标准化处理。利用SPSS分析软件，将大兴安岭山杨低质林改造后的各个指标标准化的数据进行主成分分析，总方差分析结果见表1。

表1　不同改造模式各指标总方差分析

由表1可见：到主成分5时，累计贡献率>85%，满足要求，因此，选取前5个主成分进行分析即可满足描述大兴安岭低质山杨林带状改造后的总体改造效果。

利用SPSS19.0分析软件，计算大兴安岭低质山杨林不同模式改造后各个指标的前5个主成分的因子载荷(见表2)。

由表2可见：第1主成分，在枯落物的总最大持水量、总蓄积量、总有效拦蓄量和土壤物理性质的总孔隙度及土壤化学性质的有机质质量分数、全磷质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数指标上有较大载荷；第2主成分，在草本层Shannon-wiener多样性指数、更新苗木蒸腾速率、土壤毛管孔隙度、土壤最大持水量、土壤非毛管孔隙度、草本层均匀度指数、兴安落叶松成活率、土壤密度指标上有较大载荷；第3主成分，在乔木层均匀度指数、土壤毛管持水量、土壤水解氮质量分数、兴安落叶松生长率、西伯利亚红松成活率、灌木层均匀度指数、更新苗木光合有效辐射、乔木层Shannon-wiener多样性指数指标上有较大载荷；第4主成分，在冠层结构总体定点因子、冠层结构叶面积指数、冠层结构林隙分数、樟子松生长率、乔木层Shannon-wiener多样性指数、草本层均匀度指数、兴安落叶松生长率、红皮云杉生长率指标上有较大载荷；第5主成分，在冠层结构叶倾角、草本层Shannon-wiener多样性指数、红皮云杉成活率、更新苗木蒸腾速率、更新苗木净光合作用、土壤pH值、更新苗木光合有效辐射、土壤全氮质量分数指标上有较大载荷。

不同模式改造后，各个主成分得分系数矩阵见表3。评价指标主成分的得分系数矩阵更直观的反映出评价指标在各个主成分上的重要程度。

表2　不同改造模式各指标因子载荷

首先计算出各改造模式选取的5个主成分的因子得分，然后根据公式(4)确定每个主成分的权重(依次为0.388、0.215、0.179、0.142、0.075)，最后利用公式(5)构造的综合评价函数计算出各个改造样地改造效果的综合评价(见表4)。由表4综合评价结果可见：各个样地改造效果的综合得分，从高到低依次是S2、S3、S6、S4、S8、S1、S7、对照、S5、S9，S2样地的综合得分最高，说明10 m改造带中20 m保留带的改造模式效果最好。

4结论与讨论

综合评价大兴安岭低质山杨林带状改造后的改造效果，筛选出反映不同模式改造效果的林下枯落物持水性能、土壤理化性质、生物多样性、冠层结构、更新苗木光合作用、更新苗木生长状况等6个层次的38项评价指标，应用主成分分析法进行综合评价。在低质山杨林不同改造模式进行综合评价时，将所有指标的原始数据进行初始化处理，提取出5个反映各个样地改造效果的主成分，计算各主成分的因子得分，并依据各主成分的权重构建出低质山杨林不同模式改造效果的综合评价模型，计算出不同模式改造效果的综合得分，筛选出大兴安岭低质山杨林最佳的改造模式，使得评价结果更具全面性和科学性。

表3　不同改造模式各指标主成分得分系数矩阵

表4　不同改造模式改造效果综合评价结果

综合评价大兴安岭地区山杨低质林生态改造效果，不同模式的改造效果得分，从高到低依次是S2、S3、S6、S4、S8、S1、S7、对照、S5、S9，S2样地的综合得分最高，说明10 m改造带中20 m保留带的改造模式效果最好。当改造带为10 m时，低质山杨林改造效果随着保留带的增加呈现先增加后减小的趋势，S2样地改造效果较好，且改造效果均优于对照样地。当改造带为20 m时，低质山杨林改造效果随着保留带的增加呈现先减小后增加的趋势，其中S6样地改造效果较好，S5样地改造效果低于对照样地。当改造带为30 m时，改造效果均不理想。综合分析，大兴安岭低质山杨林的改造效果，各样地的改造效果随着改造强度的增加而变好，到一定改造强度后，山杨低质林改造效果随着改造强度的增加而出现变差的趋势。低质山杨林带状改造对林地枯落物量和持水性能产生影响，改造带越大保留带越小产生的影响越大，改造强度较小时，影响不明显，10 m改造带20 m保留带的枯落物最大持水量和总有效拦蓄量最大。在带状改造初期，低质山杨林改造样地林分郁闭度下降、阳光直射地面，林内温度上升，微生物分解加剧，土壤理化性质也随之受到影响。改造3 a后，林地土壤物理性质虽然得到一定的改善，但还未完全恢复；土壤化学性质改造效果较好，可吸收的营养元素增加，有利于林分更新。改造带10 m保留带20 m和改造带20 m保留带40 m的样地，群落物种多样性指数较高，对外来物种及病虫害等抵抗力强，而且在受到扰动后的恢复能力强；由于多样性高的森林群落包含较多的、具有不同生态特性的群落，其抵抗波动的能力也强；大量研究结果表明，多样性和抚育效果存在正相关关系，多样性较高的生态系统，包括更多能抵抗干扰的物种，抗干扰程度强，低质林改造效果越好。冠层结构是森林与外界环境相互作用最直接的部分，其各项指数能直接反应植被的生长能力，改变森林对太阳能获取程度、林内光照、风速、空气温湿度、地表持水量，影响森林微气候，进而改变林下植被繁殖速率和土壤中分解酶的活性，最终影响森林更新苗木生长、植被覆盖率。由于用材林不同强度抚育经营效果综合评价过程中，各个指标既相互依赖又相互排斥，因此要求抚育经营效果评价的各个参数同时都达到最优值几乎是不可能的，最优的目标是森林抚育效果整体达到最佳。

本研究利用能反映低质林改造效果的林下枯落物持水性能、土壤理化性质、生物多样性、冠层结构、更新苗木光合作用、更新苗木生长状况等指标，定量评价不同模式改造后低质林的改造效果，选出10 m改造带中20 m保留带的改造模式低质山杨林效果最佳，评价结果可为大兴安岭低质林改造提供参考。

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第一作者简介：毛波，男，1989年11月生，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，硕士研究生。E-mail：405488374@qq.com。 通信作者：董希斌，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

收稿日期：2016年4月27日。

分类号S756.5

Comprehensive Evaluation on the Effect of Transformation of Low-qualityPopulusdavidianaForest in Daxing’an Mountains

Mao Bo, Dong Xibin

(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(8)：7-12.

Strip transformation test zone with different bandwidths, namely the bandwidth of 10 m (S1-S3), 20 m (S4-S6) and 30 m (S7-S9), each zone was divided into four sections, plantingPinussibirica,Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.,LarixgmeliniiandPiceakoraiensisNakai, respectively, and the principle component analysis (PCA) method was used to establish the comprehensive evaluation system of forest transformation effects including 38 indices such as water holding capacity of litter, soil physical and chemical properties, biodiversity, canopy structure, photosynthesis, regeneration, etc. The descending order of the effect of different transformation models was S2, S3, S6, S4, S8, S1, S7, CK, S5, and S9. Therefore, the transformation model of S2was the best.

KeywordsLow-quality Populus davidiana forest; Low-quality forest transformation models; Strip transformation; Daxing’an Mountain

1)林业科学技术推广项目([2015]06号)。

责任编辑：张玉。