大兴安岭白桦低质林改培效果的综合评价1)

秦世立 曲杭峰

(大兴安岭林业集团公司，黑龙江加格达奇，165000) (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)

森林是陆地生态系统的主体，在减缓全球气候变暖进程中起着重要不可替代的作用[1]，森林复杂的群落结构、多样的动植物种类，深刻影响着气候以及社会的发展[2]。大兴安岭是我国的主要林区，由于受到各种自然因素和人为因素的影响，大兴安岭地区的森林已经严重退化(森林林相衰败、郁闭度低、立木质量差、森林出材率低、土壤侵蚀破坏严重)，残次林大面积出现，土壤肥力较低，森林生态系统调节能力弱，加剧了生态系统的不平衡。近年来，越来越多的专家和学者对低质林的评定[3-5]、成因[6-9]、改造方式[10-12]以及低质林的改造效果[13-15]进行了深入的研究，这些研究对提高森林中的生物多样性、增加木质林产品的产量和质量、改良土壤的养分状况、改善林下光照等多方面做出贡献。陈蕾等[11]对大兴安岭阔叶混交低质林进行了综合评价，他认为当块状改培面积为225 m2、带状改培带宽为14 m时，改培效果最佳，并且随着改培强度的逐步加大，改培效果呈现先上升后下降的趋势；管惠文等[6]对抚育间伐后落叶松天然次生林生境恢复效果的评价，最终得出抚育间伐10 a后，抚育间伐强度29%～40%时，对森林生态环境的恢复效果较好，中等强度抚育间伐适用于大兴安岭地区落叶松天然次生林；唐国华等[13]对大兴安岭低质林补植改造效果进行了综合评价，适宜大兴安岭阔叶混交低质林的补植改造的林分密度为800株·hm-2。

1 试验区概况

在加格达奇林业局翠峰林场设立试验区，位于174林班翠峰至古里公路12.5 km处，样地坐标为东经124°24′36″～124°31′46″，北纬50°38′37″～50°45′55″。试验区位于大兴安岭山脉的东南坡，土壤类型为暗棕森林壤，土壤厚度为10～30 cm；海拔高度为380～440 m，坡度平均为15°；年平均降水量470 mm，降水主要集中在7、8月份；全年日照时间长，日照百分率为51.5%～56.7%；该地属于寒温带大陆性季风气候，春秋分明，低温时间漫长寒冷，年平均气温-1.1 ℃，全年无霜期为90～120 d。主要植被种类为白桦(Betulaplatyphylla)、蒙古栎(Xylosmaracemosuz)、黑桦(BetuladahuricaPall.)、胡枝子(Lobelia)、兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、水杨梅(Lobelia)、杜香(Ledum)、羊胡子苔草(Eriophorumcarex)、鹿蹄草(Pyroladahurica)、贝加尔野豌豆(Baikalviciam)、老鹤草(GerniumwilfordiiMaxim)。

2 研究方法

2.1 试验区设置与调查

试验区主要植被种类为白桦低质林，乔木层主要有白桦、蒙古栎、黑桦，郁闭度0.5，平均胸径9.5 cm，平均树高8.6 m，优势树种是蒙古栎；灌木层包括胡枝子、兴安杜鹃、水杨梅、杜香，总盖度为14%，郁闭度0.4；草本层包括羊胡子苔草、鹿蹄草、贝加尔野豌豆、老鹤草，郁闭度0.6，总盖度为25%。

2009年春季经过野外实地勘察设计，对白桦低质林试验区进行带状改培和块状改培。带状改培试验区，按照改培带宽不同设置4条改培带，分别为S1(6 m)、S2(10 m)、S3(14 m)、S4(18 m)，改培带内保留针叶幼树，对其他的针阔叶树种进行伐除，4条改培带的长度为300 m，把每条改培带平均分成3段，每段长度为100 m，分别栽植樟子松(Pinussylvestris)、兴安落叶松(Larixgmelinii)、西伯利亚红松(Pinussylvestris)，栽植3种针叶苗木时，株行距为1.5 m×2.0 m，3种针叶苗木与保留木距离2m，改培带带宽与相对应的保留带的带宽保持一致(见图1)。块状改培试验区总共3组，每组由6个面积不同的正方形改培样地组成，面积分别为G1(25 m2)、G2(100 m2)、G3(225 m2)、G4(400 m2)、G5(625 m2)、G6(900 m2)，每块改培样地间的距离与各自的改培宽度保持一致，即正方形样地的边长分别为5、10、15、20、25、30 m，在块状改培试验区进行苗木更新，分别栽植樟子松、兴安落叶松、西伯利亚红松，栽植3种针叶苗木时，株行距为1.5 m×2.0 m，3种针叶苗木与保留木距离2 m(见图2)。在空白地带设置一条长度为300 m，宽度为10 m的对照样地(CK)。

图1 带状样地设置图

图2 块状样地设置图

2.2 样品采集与测定

2020年9月在大兴安岭地区加格达奇林业局翠峰林场的改培样地和对照样地内进行野外取样，测量枯落物持水性能的方法是采用“Z”型取样法进行取样，收集面积大小为30 cm×30 cm的林下未分解和半分解枯落物，将样品带回实验室，在烘干箱内85 ℃烘干后，计算枯落物蓄积量；采用浸泡法测量枯落物最大持水量、有效拦蓄量，浸泡时间分别为0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h。土壤物理性质按照环刀法测定，环刀容积为100 cm3，需要用到电子天平、带水的平底盆和烘干箱，实验需要24 h，通过土壤干质量和土壤湿质量计算各样地土壤密度、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度等。按照“Z”型取样法取得厚度为0～10 cm的土壤层的土样，每个土壤样本质量为1.5 kg左右，带回实验室后自然风干，研磨过筛后，测定土壤的化学性质，具体测定方法见表1。

对样地的乔木、灌木、草本植被进行调查，调查样地内树木的株数和胸径，运用树木测高仪对乔木的高度进行测量，运用全站仪测出乔木坐标。灌木的调查方法为选取5个面积为25 m2的正方形样地进行“Z”型取样，调查其种类和盖度。草本植被的调查方法是选取5个面积为4 m2的正方形样地进行“Z”型取样，调查其种类和盖度。草本植被的物种丰富度指数(S)、Shannon-wiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)作为不同改培模式的物种多样性评价因子。

更新苗木光合作用参数测定，利用LCpro+便携式光合作用测定仪进行测定，选择一个晴天的上午对改培样地和对照样地的幼树进行光合作用测定，运用LCpro+便携式光合作用测定仪对幼树进行监测，间隔时间为2 h，测量的指标参数有：光合有效辐射、蒸腾速率、胞间CO2摩尔分数等指标。苗木生长调查利用游标卡尺和钢尺对照样地内栽植的西伯利亚红松、兴安落叶松、樟子松幼苗进行苗高生长量和地径的测量，并统计各样地栽植苗木的成活率和生长率。

表1 土壤化学性质测定方法

2.3 指标评价方法

运用主成分分析法对大兴安岭低质白桦林的38项生态指标进行综合评价，具体步骤为：设有n种不同样地，m个评价指标，其矩阵构成了原始矩阵X。

X=(xij)m×n,i=1、2、…、m，j=1、2、…、n。

式中：xij表示第j种样地的第i项指标的实测值。

运用Excel2016对原始数据进行标准化处理，用SPSS20.0软件对标准化后的数据进行处理分析。

3 结果与分析

由表2可知，选取2020年9月测得的大兴安岭低质白桦林实验区内林下林地植被的生物多样性指标的标准化结果，选取的指标包括：乔木层、灌木层、草本层的Shannon-wiener多样性指数和Pielou均匀度指数；枯落物的总最大持水量、总蓄积量水率、总有效拦蓄量、总蓄积量、总自然持水率；更新苗木光合作用指标(蒸腾速率、光合有效辐射、叶片温度、气孔导度、环境CO2摩尔分数、净光合速率、胞间CO2摩尔分数)；更新苗(樟子松、木西伯利亚红松、落叶松)的生长率、成活率；土壤物理性质指标(土壤密度、最大持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度)；土壤化学性质指标(土壤pH，土壤有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、水解氮、速效钾质量分数)。

表2 标准化处理

续(表2)

由表3可知，10块改造样地和1块对照样地各指标前5个主成分的累计贡献率为86.24%，大于85.00%，说明前5个主成分可以描述大兴安岭白桦低质林的改培后的各指标信息。

表3 各指标总方差分析

由表4可知，第1个主成分，乔木层Pielou均匀度指数、总有效拦蓄量、总蓄积量、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率、樟子松成活率、西伯利亚红松成活率、落叶松生长率、非毛管孔隙度、总孔隙度、全氮质量分数、全钾质量分数、速效钾质量分数等有较大载荷；第2个主成分，总自然持水率、总有效拦蓄量、樟子松成活率、西伯利亚红松生长率、落叶松成活率、非毛管孔隙度、总孔隙度、有机质质量分数、全钾质量分数、有效磷质量分数、速效钾质量分数等有较大载荷；第3个主成分，灌木层物种丰富度指数、灌木层Pielou均匀度指数、总最大持水率、总蓄积量、环境CO2摩尔分数、毛管持水量、毛管孔隙度、水解氮质量分数等有较大载荷；第4个主成分，乔木层物种丰富度指数、总最大持水量、环境CO2摩尔分数、毛管持水量、水解氮等有较大载荷；第5个主成分，草本层Pielou均匀度指数、总蓄积量、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数、最大持水量、毛管持水量、毛管持水量、速效钾质量分数等有较大载荷。

表4 各样地各指标因子载荷

由表5可知，第1个主成分在枯落物总有效拦蓄量、光合作用蒸腾速率、净光合速率、总孔隙度、全氮质量分数等指标上比较重要；第2个主成分在灌木层Pielou均匀度指数、草本层物种丰富度指数、枯落物总最大持水量、枯落物总自然持水率等指标上比较重要；第3个主成分在枯落物总最大持水量、枯落物总最大持水率、环境CO2摩尔分数、毛管孔隙度等指标上比较重要；第4个主成分在枯落物总最大持水量、枯落物总蓄积量、环境CO2摩尔分数、光合作用叶片温度等指标上比较重要。第5个主成分在枯落物总蓄积量、气孔导度、枯落物总最大持水量、环境CO2摩尔分数等指标上比较重要。

表5 各指标主成分得分系数矩阵

由表6可知，根据大兴安岭白桦低质林带状和块状改培后前5个主成分的贡献率和总贡献率，可以得出5个主成分的权重值0.395、0.238、0.162、0.122、0.084，然后通过得分系数矩阵和权重值可以求出5个主成分的综合分值。不同模式的改培效果的综合得分由高到低依次为：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样地和G2样地的综合得分最高，说明这两种改培模式对大兴安岭白桦低质林的可持续经营效果显著。

表6 带状和块状改培效果的综合评价

4 结论与讨论

本文对大兴安岭白桦低质林的38项生态指标建立评价模型，运用主成分分析法提取了5个主成分，最后得出大兴安岭白桦低质林不同模式改培效果的综合分值，得分越高说明改培效果越优，使得评价结果更具科学性。综合评价大兴安岭白桦低质林的改培效果，带宽10 m的改培带、面积100 m2的块状改培分别在两种模式中综合得分最高，说明其改培效果最好，这与陈蕾等[11]应用森林土壤化学性质和枯落物持水性对不同改造模式效果的评价和管惠文等[22]诱导改造对大兴安岭蒙古栎低质林土壤养分的时空影响的结果基本一致。

10 m改培带状改培和100 m2块状改培样地的综合得分高主要表现在乔木层Pielou均匀度指数、枯落物总最大持水量、蒸腾速率、净光合速率、环境CO2摩尔分数、胞间CO2摩尔分数、最大持水量、毛管孔隙度以及有机质、全氮、全钾、有效磷质量分数等指标上。带状改培效果随着改培带宽的增大，综合评分先增大后减小，分值比对照样地高；块状改培随着面积的增加，综合评分先增大后减小，分值比对照样地高。根据以上规律综合分析大兴安岭白桦低质林改培效果发现，各样地的改培效果随着改培强度的增加先呈现逐渐变好的趋势，但随着其改培强度的增大，改培效果也逐渐下降。物种多样性是森林可持续经营的重要指标[16-18]，林下的灌木和草本是植被多样性的重要指标，林下植被多样性对于水土保持和揭示植被演替方面有着不可替代的作用，分析表明大兴安岭白桦低质林多样性和抚育强度呈现出正相关的关系；枯落物是森林生态系统的重要组成部分，未分解和半分解的枯落物层结构疏松，能够有效的减缓地表径流，有利于森林的水土保持，白桦低质林的毛管孔隙度皆高于非毛管孔隙度，说明枯落物的持水能力强，有利于森林的水源涵养；土壤理化学性质能够间接的体现着林木健康情况[19-22]，其中全氮、水解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾质量分数以及毛管孔隙度、最大持水量、土壤密度是体现土壤理化性质的主要指标。大兴安岭白桦低质林在改培后，由于林分郁闭度下降，阳光直射地面，林地温度上升，土壤理化性质受到影响，进而影响更新苗木的生长和植被覆盖率；更新苗木包括樟子松、西伯利亚红松和落叶松的生长和森林的结构有关，森林的结构不同会使得森林的生态环境产生差异性，更新苗木影响着林分的混交度，能够反应森林经营的合理程度。在大兴安岭白桦低质林改培效果的综合评价中，5各层次的38项指标互相联系，但关系既有相互促进，也有相互排斥，改培的目的达到了生态群落的稳定性。

本研究利用能够反应大兴安岭白桦低质林改培效果的生物多样性、枯落物持水性能、更新苗木生长状况等38项生态指标建立综合评价体系，评价结果可为大兴安岭白桦低质林的可持续经营提供科学可靠的理论依据。