不同发育阶段马尾松人工林经营效果动态分析

彭检贵

(国家林业和草原局中南调查规划设计院,长沙 410004)

当前,在人工林面积不断扩大、生态功能持续减退的背景下,对人工林进行改造已经成为森林可持续经营的核心问题[1]。对人工针叶纯林进行改造,通过树种引入、结构调整、林下植物多样性保护和促进天然更新等一系列经营措施,能够优化林分结构,增加物种多样性并促使其向天然林方向演替。然而,目前研究多集中于同一发育阶段的松类人工林、杉木人工林,对不同发育阶段的马尾松人工林改造效果分析仍鲜有报道。

如何对不同经营措施改造后的林分进行监测与效果评价,目前研究的热点主要集中在物种多样性[2]、土壤理化性质[3-4]、冠层结构[5-6]等方面。较高的树种多样性水平、丰富的林分结构、较高的生长活力和物质生产能力是森林生态系统最基本的质量指标,也是多功能森林经营追求的基本目标[7]。

本研究以青羊湖国有林场马尾松(PinusmassonianaLamb)人工林为研究对象,综合考虑反映人工林经营效果的多个评价指标,通过连续监测数据,运用主成分分析法对不同龄组经营效果建立综合评价模型,进行定量分析,最终得出不同发育阶段的马尾松人工林最佳经营措施,以期为马尾松人工林的可持续经营和森林经营方案的制定提供理论参考依据。

1 研究区概况

湖南省宁乡县青羊湖国有林场位于宁乡县西部,地处宁乡主要山系—雪峰山余脉,地理坐标为北纬28°12′0″～28°10′20″,东经111°58′0″～120°5′0″。林场平均坡度为35°,最高海拔为927.4m,最低海拔为166m。林场内土壤以山地黄红壤、山地黄棕壤为主,土层厚度为40～100cm,腐质层厚度为18～28cm,土壤肥力较高。研究区气候主要为中亚热带向北亚热带过渡的大陆季风性湿润气候区。年平均气温为16.2℃,最高达40℃。平均降雨量为1 438.8mm,相对湿度为85%,无霜期为273d。林场土地总面积为1 129.1hm2,森林覆盖率为98.7%。该林场内的物种多样,共有木本植物86科691种。有银杏(Ginkgobiloba)、南方红豆杉(Taxuschinensis)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)等5种国家一级重点保护植物；有香榧(Torreyagrandis)、鹅掌秋(Liriodendronchinese)等15种国家二级重点保护植物；名贵中药材有杜仲(Eucommiaulmoides)、天麻(Gastrodiaelata)、黄连(Coptischinensis)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

在对林场内马尾松人工林进行全面踏查的基础上,于2015年选取立地条件大体一致、林相整齐的幼、中、近熟林3个龄组作为研究对象,每个龄组设置3块作业样地,共设置 9 块20 m×30 m的固定标准地,并于2015,2017年和2019年对标准地进行期初、期中、期末3次监测。样地调查监测信息包括:乔木树种组成、每木坐标、胸径、树高、年龄、冠幅、枝下高、土壤类型与理化性质等因子。

表1 标准地基本概况Tab.1 Basic information of the sample plots

2.2 林下物种多样性计算方法

根据标准地的调查数据,本研究采用Patrick丰富度指数、Shannon-Wiener 多样性指数和 Pielou 均匀度指数来综合评价群落的物种多样性,其计算公式如下[8-10]:

1) Patrick丰富度指数(D)

D=S

(1)

2) Shannon-Wiener多样性指数(H)

(2)

3) Pielou均匀度指数(J)

(3)

式中:Pi表示重要值比例即相对重要值,Pi是第i种的个体数量(ni)占总个体数量 (N)的比例,即Pi=ni/N；i=1,2,3,…,S。N表示样地植物重要值的总和；Ni表示样方中第i种植物的重要值；S是群落各样方植被平均种数。

2.3 土壤理化性质测定

在标准地内,用容积 100 cm3的环刀通过S形取样法分层(0～15,15～30,30～45,45～60 cm)采取土样[11],每层取3个土样,每块样地采取12个土样,每个土壤样本为1 kg,当天采用环刀法测定土壤容重。将各层次的土样混合带回实验室风干磨碎后过0.25 mm和0.15 mm筛,检测土壤有机质、pH值、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾和土壤容重等指标。有机质含量采用油浴加热重铬酸钾容量法测定[12]；pH值采用电位法(水土比为2.5∶1)测定；全氮用半微量凯氏法测定；全磷采用氢氧化钠碱熔一钼锑抗比色法测定；碱解氮测定采用碱解扩散法测定；有效磷用碳酸氢钠浸提一钼锑抗比色法测定；土壤速效钾用乙酸铵浸提一火焰光度法测定[13]。

2.4 空间结构指标

空间结构参数混交度、角尺度、竞争指数、开敞度和林层指数的计算参照惠刚盈[14-15]等的方法。

2.5 评价方法

采用 SPSS19.0对评价体系各项指标进行标准化处理,运用主成分分析法确定各主成分并计算各主成分权重,根据综合评价函数对不同抚育间伐补植措施的马尾松林样地经营效果进行综合评价。

综合评价函数:根据确定的前m个主成分与各主成分的权重建立综合评价函数,如下式:

(4)

式中:F为不同抚育间伐补植的经营样地综合评价得分；m为主成分；wk为第k个主成分的权重；Yk是第k个主成分(k=1,2,…,m)；综合评价的得分越高,则表明该经营效果越好。

3 结果与分析

3.1 不同发育阶段林分空间结构动态分析

从林分空间结构连续3期的动态监测数据可知,不同发育阶段的马尾松林分在采取不同抚育间伐及补植措施后,林分空间结构各项指标均有变化,变化情况如图1(a)—(e)所示。如图1(a)所示,林木间不同树种的隔离程度有所提高,其中中龄林的混交度变化幅度明显高于幼龄林和近熟林,由弱度混交转为中度混交状态；如图1(b)所示,3个发育阶段的马尾松林角尺度均呈下降趋势,幼龄林林木分布格局由团状转为随机分布,中龄林和近熟林林木分布格局趋向于均匀分布；如图1(c)所示,从林木竞争动态变化可知,3个发育阶段的马尾松林竞争指数均明显下降,其中幼龄林变化幅度最大,表明期初幼龄的林木生长竞争激烈,经抚育间伐竞争减小；如图1(d)所示,幼龄林林分开敞度随时间的推移呈现大幅度下降趋势,中龄林与近熟林开敞度先减小后变大且变化幅度不显著,表明林分的郁闭度随时间变化而增大,经过间伐措施郁闭度变小,林内透光条件得到改善,有利于林木生长；如图1(e)所示,从林分垂直结构变化看,期初下层林木较少,经过补植促使下层林木增加,其垂直分层结构变得复杂,幼龄林林层指数逐渐增大,中龄林与近熟林林层指数先增大后趋于稳定。

注:图中小写字母不同表示差异显著

图1 不同龄组林分空间结构动态变化

Fig.1 Dynamic change of spatial structure of different age groups

3.2 不同发育阶段林下物种多样性动态分析

监测林分林下物种多样性的情况,便于了解马尾松林林下植被群落的特点[16]。由图2可知,马尾松林不同发育阶段的林分Patrick丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数大体上均随着时间的推移呈现出增大的趋势。其中,马尾松中龄林与近熟林的丰富度指数、多样性指数及均匀度指数在监测过程中呈现出增大趋势,中龄林监测末期较监测初期3个指数分别提高13.3%,50.6%,2.6%；近熟林监测末期较监测初期3个指数分别提高7.7%,45.8%,1.3%。对于幼龄林而言,其丰富度指数随时间增长呈现先减少后增加的趋势,监测末期较监测初期提高8.3%,其Shannon-Wiener多样性指数与Pielou均匀度指数随时间增均呈现先增加后趋于稳定的趋势,监测末期较监测初期分别提高25.9%,2.6%。通过以上分析可以看出,经营后3个发育阶段马尾松林林下物种多样性指数均有明显提高,说明抚育间伐有利于林下植被的生长[17],物种数量增多,分布也更加均匀。

图2 不同龄组林分树种多样性动态变化Fig.2 Dynamic variation of tree species diversity in different age groups

3.3 不同发育阶段马尾松林改造土壤肥力对比分析

如图3所示,通过对马尾松林改造前后间隔6年的土壤肥力进行对比分析：由图3(a)可知,改造后的马尾松幼龄林、中龄林和近熟林的土壤有机质与改造前相比分别增加了35%,26.67%和9.68%；由图3(b)可知,马尾松幼龄林和中龄林土壤pH值增大,增加的比例分别为2.17%和4.35%,而近熟林的土壤pH值略微降低了1.08%；由图3(c)可知,土壤全氮分别增加了28.57%,30%和13.64%；由图3(d)可知,全磷分别增加了41.18%,14.29%和13.04%；由图3(e)可知,土壤碱解氮分别增加了41.67%,40%和15%；由图3(f)可知,土壤有效磷分别增加了20.41%,9.52%和4.35%；由图3(g)可知,土壤速效钾分别比改造前增加了31.91%,26.83%和5%；由图3(h)可知,改造后的马尾松幼龄林和中龄林土壤容重分别降低了9.09%和8.33%,近熟林土壤容重增加了5%。综上所述,马尾松幼龄林和中龄林土壤肥力提高程度明显优于马尾松近熟林,究其原因是幼龄林抚育间伐后补植了阔叶树种栾树(Koelreuteriapaniculata)和马褂木(Liriodendronchinense(Hemsl.)),中龄林补植了深山含笑(MicheliamaudiaeDunn)、栾树和马褂木,马尾松近熟林未间伐而直接补植针叶树种红豆杉,经过抚育间伐补植阔叶树种后,林木空间结构更为合理[18-19],地表枯枝落叶增多,有利于根系和微生物活动,使土壤通透性和土壤养分增加[20],有利于提高土壤的生态功能。

注:图中小写字母不同表示差异显著

图3 不同龄组土壤肥力动态变化

Fig.3 Dynamic changes of soil fertility in different age groups

3.4 林木生长动态变化分析

森林的合理结构是稳定性的基础,而生长能力是森林保持活力的基础,蓄积生长量是森林最本质的生长能力。由表2中2015—2019年经营林分的蓄积动态变化数据,可以发现不同龄组蓄积生长量的差异特征。

3.5 综合评价结果

应用主成分分析法对马尾松林3个龄组的经营样地进行经营效果综合评价。首先对各评价指标进行标准化处理,再用SPSS软件对标准化后的数据进行主成分分析,得到的方差分析结果如表3所示。由表3可知,有4个主成分的累积贡献率为92.608%,大于85 %,因此选这4个主成分充分表达各样地经营效果。通过分析得到选定的4个主成分的因子载荷如表4所示。

由表4各因子载荷的绝对值可知,第1主成分在土壤肥力速效钾、树种组成、均匀度指数、全磷、有机质、多样性指数、全氮、pH值指标上有较大载荷；第2主成分在蓄积年生长量、树种丰富度指数、林分空间结构开阔比数、有效磷、角尺度、混交度、土壤肥力碱解氮、容重指标上有较大载荷；第3主成分在林分空间结构竞争指数、林层指数、角尺度指标上有较大载荷；第4主成分在土壤容重、林分空间结构林层指数、竞争指数、树种丰富度指数指标上有较大载荷。

表2 不同间隔期林分蓄积生长动态Tab.2 Volume dynamics on stand level of different investigation

注:V1表示期初蓄积；V2表示期末蓄积；PAI表示蓄积年生长量,PAI=(V2-V1)/间隔年数[21]。

表3 总方差分析Tab.3 Total Variance Explained

表4 因子载荷矩阵表Tab.4 Component Matrix

计算出4个主成分的因子得分,确定每个主成分的权重依次为0.505,0.326,0.098和0.07,利用公式(4)建立的综合评价函数,计算出各改造样地的经营效果综合评价得分及排名。由表5综合评价结果可知,各改造样地的综合得分从高到低排名依次是：P6,P4,P5,P1,P2,P7,P3,P8和P9,表明中龄林改造效果最好,其次是幼龄林。

表5 综合评价结果Tab.5 Comprehensive evaluation results

4 讨论与结论

林分空间结构是评价森林经营效果的重要指标之一,利用林分混交度、角尺度、竞争指数、开阔比数和林层指数等参数分析林分空间结构,有利于让人们对森林的生长有一个比较清晰的认识。对林分空间结构各个指标的分析可知,改造后的马尾松幼龄林与中龄林逐步摆脱了弱度混交、水平分布均匀和中庸状态的结构特征,林分空间结构较好,有利于森林稳定性的提高。从监测结果可以看出,调整空间结构是一个长期的过程,还需要定期对林分空间结构进行监测与评价,从而促使马尾松林空间结构逐步向理想的林分空间结构演替。

单一树种构成的森林其结构和功能必然是简单的,而多个树种构成的森林则会对应多样化的内部关系和复杂的森林功能与产出[22]。经过抚育间伐和补植阔叶树种后,群落的树种组成和多样性提高,丰富的森林群落具有很强的抵抗干扰的能力。研究结果表明,植物多样性和森林经营效果存在正相关关系,多样性较高的群落抗干扰能力强,森林经营改造效果好。

地上部分,多树种组成和合理的空间结构促进了地表微生物分解层的显著发育,分解层推动了地下土壤和根系的丰富和发展,土壤肥力显著增强,构成了森林生态系统整体的良性循环,使得森林的稳定性和活力持续提高。

本研究依据青羊湖林场不同发育阶段马尾松林经营前后的动态监测数据,选取林分空间结构、物种多样性、土壤肥力、林木生长与收获评价指标,应用主成分分析法进行综合评价,对比分析出青羊湖林场不同发育阶段的马尾松林最适宜的经营措施,其中对中龄林的改造效果最佳,评价结果具有全面性和科学性,为马尾松林的抚育间伐及补植等经营改造技术提供了参考和依据。