抚育改造对生物防火林带景观美景度的影响

张 婷, 吴镜辉, 李娜娜, 黄 健, 曹 越, 吴鹏飞

(1.福建农林大学林学院,福建 福州 350002;2.人工林可持续经营福建省高校工程研究中心,福建 福州 350002;3.福建省上杭白砂国有林场,福建 上杭 364205)

随着生态环境建设的持续发展,森林资源和绿色覆盖率不断增加,人们对森林景观质量的要求日益提高[1]。生物防火林带是森林群落结构的重要组成部分,在具备良好抗火阻火功能的同时,还应充分发挥其森林景观价值[2]。通过构建景观生物防火林带,对于实现防火树种珍贵化、色彩化、效益化,保护森林生态环境,筑牢绿色防火屏障,促进景观美学、发展旅游和乡村振兴具有重大意义[3]。张瑶[4]建议从景观格局优化广西高峰国家森林公园林内防火林带,建设具有防火功能和观赏价值的经济果木林区(杨梅、枇杷等)、茶花观赏区(山茶、金花茶等)和珍贵药材区(九节、八角等)等主题植物园,结合森林公园发展主题形成特色的生态防火景观林带。

目前我国生物防火林带普遍存在树种单一、林分结构简单,生态景观劣化的现象,且大多为木荷(Schimasuperba)纯林[5]。徐高福等[6]研究表明,随着木荷纯林的生长,林内物种多样性呈逐渐减小的趋势,群落稳定性降低,不利于林分防火功能的维持和生物多样性的保护。为了平衡二者之间的关系,应增加乔木树种种类,构建适宜防火的群落空间结构,建立多树种混交、抗防性强的生物防火林带[7]。同时,修枝、施肥等人工抚育措施可增加防火树种生物学特性,提高防火树种的生态功能[8]。为此,本研究以福建省龙岩市上杭县白砂国有林场营建的5年生木荷生物防火林带为研究对象,通过林下套种杨梅(Morellarubra)、火力楠(Micheliamacclurei)、米老排(Mytilarialaosensis)组成多树种林分结构,设置不同套种树种组成比例、不同修枝程度和不同施肥量等抚育措施进行林分改造,采用三因素三水平正交试验设计,综合评价并筛选出可提升生物防火林带景观价值的最优处理模式,以期为提升我国生物防火林带景观效益提供参考。

1 研究地概况

试验地位于福建省龙岩市上杭县白砂国有林场,地处116°20′00″～116°40′57″E、24°52′01″～25°16′59″N,经营面积10.92 hm2,涉及上杭县蛟洋镇、白砂镇、泮境乡、临城镇、湖洋镇、中都镇、庐丰镇和稔田镇8个乡(镇)36个行政村。试验地属武夷山脉南段东坡玳帽山延伸带,年均气温19.9 ℃,年积温7 288 ℃,7月平均气温27.9 ℃,1月平均气温10 ℃,极端最高气温39.7 ℃、最低气温5 ℃;年均降水天数160 d,年均降雨量1 605.4 mm,无霜期301 d,早霜出现在11月底或12月初,年均相对湿度77%。图1为试验样地航拍图,红线部分为试验区域。

图1 生物防火林带试验样地航拍图Figure 1 Aerial view of biological fire protection forest belt test site

2 研究方法

2.1 试验设计

选择上杭县白砂国有林场九岗工区现有的5年生木荷生物防火林带为研究对象,于2021年9月开始整地,清除林下杂草。2021年10月对木荷林带进行间伐和林下套种处理,主要伐除生长不良及形态不佳的木荷,套种树种为防火效果好的杨梅、火力楠和米老排,均为2年生大苗。试验共设置3个树种组成模式,即木荷纯林、70%木荷+10%杨梅+10%火力楠+10%米老排、25%木荷+25%杨梅+25%火力楠+25%米老排。不同树种组成模式下的林分密度如表1所示。在此基础上,分别设置3种水平的修枝、施肥处理,每个样地面积为：10 m(宽)×20 m(长)。以树种组成、修枝、施肥为影响因子,设计三因素三水平(L9)正交试验(表2、表3),其中处理1为对照(CK)。2021年11月调查样地内所有林木生长情况,挂上标签便于后期定株观测。试验处理1 a后,于2022年11月对处理后样地进行景观评价。

表1 参试生物防火林带树种及不同树种组成的林分密度

表2 参试生物防火林带抚育改造试验的因素及水平1)

表3 正交试验设计1)

2.2 试验方法

2.2.1 美景度评价法 采用1976年由Daniel和Boster提出的心理物理学评价方法[9]用于美景度评价(scenic beauty estimation method, SBE)。评价者以观测照片的方式并以相同的评价标准对评价对象进行评分。该方法能够对大样本进行评价且较为省时,所得出的结果准确且直观地反映植物景观的美景度。

2.2.2 评价因子的选取 为得出准确的生物防火林带景观美景度值,应选取恰当的评价因子。通过咨询专家、参考相关文献资料,并结合现场情况,从景观效果、植物群落、场地建设情况等方面考虑,确定了10个景观评价因子(表4)。其中,绿视率(X1)指人眼所见范围内绿色植物所占的比例,强调立体的视觉效果,代表景观绿化水平;树种组成与种植方式均能影响枝叶密度(X2),X2较高可带来紧凑的观赏感受;胸径变异系数(X3)是描述林木分布频率的常用指标,基于林分平均胸径统计得出的系数值越大,则林木大小分化程度越高;树干形态(X4)是森林美学重要指标之一,不同干形有不同的美学价值;郁闭度(X5)指在阳光直射下森林中乔木树冠在地面的总投影面积(冠幅)与此林地(林分)总面积的比值,在水土流失、水源涵养、林分质量评价、森林景观建设等方面有广泛的应用;通视性(X6)可以反映林分林下通透程度,对林分空气流通有重要影响;枯落物(X7)对林内水文环境、景观效果具有重要影响作用;森林是自然生态系统的组成部分,而美好的森林景观效果可以带来不一样的视觉感受,从而触发景观意境美(X8);林内光线(X9)是林分中最重要的生态要素之一,是维持林分生态系统稳定及林木正常生长发育的主要环境条件;季相与色彩(X10)可以体现整体林分的形态和色彩丰富程度,是林分景观价值的重要体现。

表4 生物防火林带景观评价因子赋值表

2.2.3 美景度问卷调查 本研究的景观评价采用网络问卷评价的方式(问卷星网络平台,https：//www.wjx.cn/login.aspx)。将选定的9幅景观照片随机列入《生物防火林带美景度调查问卷》中,并设置不同的喜好度作为衡量指标,共分为7个评分标准(表5)。

表5 生物防火林带景观评价赋分标准

2.2.4 景观评分值的标准化处理 逐一检查所有的评价得分值,剔除无效得分值。鉴于个体对景观尺度的差异,采用传统标准化方法对评价值进行标准化处理,公式如下：

2.2.5 林内景观照片的拍摄与选取 为更加真实地反映生物防火林带景观效果,确保不同样地林内景观的可比性,按照一定的规范拍摄各样地的林内景观。具体包括以下几方面：a.每个样地均拍摄4组照片,即分别从样地上、下、左、右4个方位的正中位置各拍摄1张;b.拍摄时间均在9：00～11：00;c.拍摄时直立,使镜头位置与双眼齐高;d.采用竖向拍摄;e.使用同一数码照相机;f.拍摄过程中不使用闪光灯,避免林内光斑、地形和林缘微环境等因素对林内景观美景度产生影响。为获取高质量照片,每组照片重复拍摄20张及以上。每个处理挑选出1张具有代表性的照片进行景观评价,共选出9幅典型照片。

2.2.6 评判者选取 对按照统一标准获取的景观照片进行评价时,不同文化背景评判者之间的审美态度在统计学意义上不存在显著性差异,评判结果具有很高可靠性[10]。本研究邀请了林业专业研究生55名、林学专业老师5名和非林业专业研究生50名,共110人进行评判。

2.3 数据统计与分析

运用Excel 2010软件对试验数据进行统计,用SPSS 25.0软件对美景度指标等进行方差、极差分析。

3 结果与分析

3.1 不同抚育改造模式下美景度标准值的比较

本研究共发放110份问卷,回收有效问卷96份,其中林业专业人士55人,非林业专业人士41人。有效问卷人员中,男性42人,女性54人;从年龄分布情况来看,25岁以下44人,25～35岁35人,35～35岁5人,45岁以上12人。对收集到的SBE标准值进行统一分析(表6)表明,专业人士和非专业人士对9种处理模式下的美景度评价总体趋势存在差异,专业人士在处理4(A2B1C2)模式下的SBE值最高,为0.364 4,其次为处理6(A2B3C1)、处理7(A3B1C3);非专业人士在处理6(A2B3C1)模式下的SBE值最高,为0.312 8,其次为处理4(A2B1C2)、处理5(A2B2C3);处理3(A1B3C3)模式下,专业人士和非专业人士SBE值都最低,分别为-0.311 9、-0.305 9;总SBE值以处理4(A2B1C2)最高,为0.301 2,处理3(A1B3C3)最低,为-0.309 4。

表6 不同人群SBE标准值的比较1)

3.2 不同抚育改造模式下景观因子量化值的比较

景观因子评价由林学一级学科的专业课老师和研究生共20人进行填写。通过回收评分表将所有评分值加合后取平均数,作为最终的景观因子量化值(表7)。本次生物防火林带美景度调查问卷评价的照片见图2。

表7 不同处理条件下景观因子量化值的比较

A～I分别为处理1～处理9样地。图2 生物防火林带美景度调查问卷评价照片Figure 2 Evaluation photos from survey questionnaire on landscape beauty of biological fire protection forest belt

3.3 不同抚育改造模式下美景度评价模型的构建

将已得到的SBE标准值作为因变量,选取的10个景观评价因子量化值为自变量,编号为X1～X10,在软件内采用后退法进行多元线性回归分析,将枝叶密度、树干形态、通视性、枯落物、季相与色彩5个自变量剔除,得出模型中的景观因子自变量分别为绿视率、胸径变异系数、郁闭度、意境美、林内光线,相关系数(R2)为0.981。通过方差分析得出,模型所选择的5个因子与美景度值之间具有显著影响(P<0.05,表8),可进一步建立多元回归线性模型。

表8 生物防火林带美景度评价模型选择参数的方差分析

模型中的贡献值即回归系数(B)代表着自变量对因变量的影响程度,数值越大证明影响程度越高;回归系数为正数代表自变量与因变量呈正相关,反之则为负相关。由表9可以看出,绿视率、郁闭度、意境美、林内光线与美景度呈正相关,胸径变异系数与美景度呈负相关,从贡献值来看,林内光线、郁闭度、意境美的贡献程度较大,贡献值分别为0.370、0.306、0.275;绿视率、胸径变异系数贡献程度较小,贡献值分别为0.215、-0.181。从显著性来看,胸径变异系数、意境美、林内光线与美景度差异呈极显著关系(P<0.01),P值分别为0.009、0.010、0.003;绿视率、郁闭度与美景度差异呈显著关系(P<0.05),P值分别为0.040、0.013。从共线性统计资料可看出,所有自变量的容差值均小于 1,方差膨胀系数(variance inflation factor, VIF)均小于10,证明各自变量之间不存在多重共线性,自变量与因变量之间线性关系较为显著,可建立线性回归方程,得出此生物防火林带景观美景度的评价模型为：

表9 生物防火林带美景度评价模型的回归系数分析

Y=-2.122+0.215X1-0.181X3+0.306X5+0.275X8+0.370X9

式中,Y表示生物防火林带美景度评价值,X1表示绿视率,X3表示胸径变异系数,X5表示郁闭度,X8表示意境美,X9表示林内光线。

3.4 不同抚育改造模式下美景度评价结果分析

将9个处理组合的景观因子值代入评价模型中,计算出最终美景度评价值(表10)。从表10可见,不同处理组合的美景度顺序与总SBE标准值评价结果基本一致(表6)。其中,美景度评价得分最高的为处理4(A2B1C2),模型得分为0.328 6,其次为处理6(A2B3C1)、处理7(A3B1C3),模型得分分别为0.277 9、0.126 0;景观评价最低的为处理3(A1B3C3),模型得分为-0.286 4。经正交方差分析,得到了三因素单独影响与美景度评价值之间的差异均未达到显著水平(P>0.05)。极差分析表明,对美景度评价值影响最大的处理模式为A2B1C2,即处理4,与美景度评价模型得分值结果一致;三因素中,A(树种组成)因素影响最大,B(修枝)、C(施肥)因素次之。

表10 不同处理模式下生物防火林带美景度评价差异1)

4 讨论

近年来,随着森林资源和人文活动的不断增加,提升生物防火林带的景观质量愈加重要,可在有效减阻森林火灾的同时,形成森林防火林带风景线[11]。当前在推进生态文明、建设美丽中国的进程中,依托森林景观拉动第三产业经济发展已成为林业新时期建设的重点内容。因此,充分挖掘并提升生物防火林带的景观价值具有现实意义[12-13]。本研究对不同抚育改造模式下生物防火林带景观因子建立模型发现,林内光线、郁闭度、意境美对美景度的贡献程度较大,绿视率、胸径变异系数对美景度的贡献程度较小;绿视率、郁闭度、意境美、林内光线与美景度呈正相关,即生物防火林带树种绿视率与郁闭度越高、越能创造出意境美及林内光线越好则美景度值越高;胸径变异系数与美景度呈负相关,其评价反应值越大则美景度越低(表9)。对不同处理模式下生物防火林带景观美景度评价结果表明,多树种组成的结构有利于提升林分景观美景度(表10),这与前人将南岭植物园杉木低效林转变为复层杉竹混交林[14]和改造马尾松纯林[15],提升景观质量,增加生物多样性的研究结果一致。

汪鸣[16]研究表明,通过增加树种组成从而提升物种多样性是一种有用的规划机制,可以实现一系列环境、社会和经济目标,提高森林的生态恢复力。本研究中纯林景观较差的原因可能是林内光线较暗,光影变化较少,通视性较低,林分景观空间感不足。再者,间伐、修枝等人工抚育措施也可增加林分美景度。不同间伐强度对美景度的影响效应随时间而变化,且间伐等森林经营管理措施对森林景观质量具有显著、持续的影响[17]。对侧柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)人工林林内景观美景度研究发现,景观美景度与修枝强度呈现正相关关系[18]。本研究结果与前人一致,通过对木荷纯林间伐和抚育,同时套种不同防火树种,可提升防火林带景观空间和景观层次感,达到提高景观美景度的效果。可见,对于生物防火林带,在进行多树种配置种植的基础上实施合理的人工抚育措施,一定程度上可提升其景观美感。美学价值是森林多重价值的重要组成部分,也是森林经营的重要目标之一,通过研究生物防火林带景观提升,对提高森林生态景观多样性也有重要的借鉴价值。

5 结论

对不同抚育改造处理模式下生物防火林带景观美景度的评价发现,其景观美景度值最高的是处理4(A2B1C2),其次为处理6(A2B3C1)、处理7(A3B1C3),均为多树种组成的处理模式。可见木荷林下套种杨梅、火力楠、米老排,可提升生物防火林带的景观美景度,同时修枝、施肥等人工抚育措施可以辅助林木生长和改善林带空间结构,对今后生物防火林带景观提升研究具有一定的借鉴作用。