大兴安岭不同类型低质林改造效果的综合评价1)

曲杭峰 董希斌 马晓波 唐国华 张甜 管惠文

(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)



大兴安岭不同类型低质林改造效果的综合评价1)

曲杭峰 董希斌 马晓波 唐国华 张甜 管惠文

(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)

在大兴安岭林区选取针阔混交林、蒙古栎林(Xylosmaracemosuz)、白桦林(Betulaplatyphylla)、山杨林(PopulusdavidianaDode)、阔叶混交林5种不同类型低质林作为改造试验区，建立涵盖枯落物持水性能、植被生物多样性、土壤物理化学性质、土壤碳通量、更新苗木生长状况等38项指标的综合评价指标体系，运用主成分分析法对不同类型低质林的改造效果进行综合评价。结果表明：不同类型低质林的改造效果，综合得分从大到小依次为针阔混交林、蒙古栎林、阔叶混交林、白桦林、山杨林，不同类型低质林改造后，针阔混交低质林的改造效果最好。

低质林；低质林改造；主成分分析；大兴安岭

受各种自然因素和人为干扰因素的影响，大兴安岭地区森林严重退化，出现了大面积的低质林[1-2]。低质林的形成，使得森林微气候发生改变，温室效应明显，导致局部森林生态系统的紊乱。低质林形成的自然因素，包括气候的剧烈变化、森林火灾、森林病虫害；人为因素，主要是森林资源过度开发与利用。随着自然环境的不断恶化，人们的生态意识不断提高，对低质林进行了深入的研究，包括低质林评定[2-5]、成因[6-9]、改造方式[10-12]以及低质林的改造效果[13-15]。由于立地条件及林分类型的差异，改造后林分生长环境、森林微气候等发生改变，各样地对不同改造模式的响应不同[16-17]，改造效果各异，故筛选出最适宜本地特有类型的低质林改造类型十分重要。本研究以大兴安岭5种类型低质林为研究对象，选取的指标有生物多样性、土壤碳通量、枯落物特性、土壤化学性质、土壤物理性质、更新苗木生长状况等38项指标，运用主成分分析法建立大兴安岭低质林综合评价模型，优选出大兴安岭林区不同类型的低质林改造后最适宜生长的低质林类型以期为大兴安岭地区低质林的改造提供参考。

1 试验区概况

在加格达奇林业局翠峰林场(东经124°22′47″～124°24′35″，北纬50°34′9.15″～50°34′32″)和跃进林场(124°14′9″～124°15′54″，北纬50°27′37.85″～50°28′66″)设立试验区。试验区位于黑龙江省大兴安岭山脉的东南坡，海拔高度370～420 m，土壤类型为暗棕森林壤，土壤厚度15～25 cm，土壤坡度平均为10°；全年无霜期90～120 d；年平均降水量49.5 mm以上，降水分布不均匀，主要集中在7—8月份；全年日照时间长，日照51.5%～56.7%；属于寒温带大陆性季风气候，春秋分明，冬季寒冷而漫长，年平均气温-1.1 ℃。在跃进林场54林班选取山杨低质林，在翠峰林场174林班选取白桦低质林和针阔混交低质林，在跃进林场51林班选取蒙古栎低质林和阔叶混交低质林。

在针阔混交林样地中，乔木层，郁闭度0.3，平均胸径8.6 cm，平均树高8.0 m，优势树种是兴安落叶松(Larixgmelinii)，并伴有蒙古栎(Xylosmaracemosuz)林、白桦(Betulaplatyphylla)林；灌木层，包括胡枝子(Lobelia)、水杨梅(Aquabayberry)、杜香(Ledum)，总盖度为17%；草本层，包括羊胡子苔草(Eriophorumcarex)、老鹤草(Geranium)、贝加尔野豌豆(Baikalviciam)，总盖度为29%。

山杨(PopulusdavidianaDode)低质林中，乔木层，郁闭度0.4，平均胸径7.2 cm，平均树高6.0 m，优势树种是山杨低质林，并伴有黑桦(Yaegawakannba)、蒙古栎。灌木层，包括胡枝子、柳叶绣线菊(Spiraeawillow)，总盖度为15%；草本层，包括羊胡子苔草、小黄花(Parvaflavoflores)、轮叶沙参(Peradenophora)，总盖度为21%。

蒙古栎低质林中，乔木层，郁闭度0.5，平均胸径8.9 cm，平均树高7.4 m，优势树种是蒙古栎，其他树种有山杨林和黑桦；灌木层，包括胡枝子、水杨梅、杜香，总盖度为17%；草本层，包括羊胡子苔草、老鹤草、贝加尔野豌豆，总盖度为30%。

白桦低质林中，乔木层，郁闭度0.4，平均胸径10.0 cm，平均树高6.8 m，优势树种是白桦林，其他非目的树种有黑桦和山杨；灌木层，包括旱柳(Populus)、心甘杜鹃(Rhododendronea)、越橘(Bilberry)，总盖度为13%；草本层，有苍术(Herb)、山尖子(Mountainaces)、平贝母(Fritillaria)，总盖度为29%。

阔叶混交低质林中，乔木层，郁闭度0.3，平均胸径11.2 cm，平均树高8.8 m，优势树种是杜娟柳(DeLiu)，其他树种有黑桦和蒙古栎；灌木层，包括胡枝子、榛子、兴安杜鹃(dauricum)，总盖度为12%；草本层，包括东方草莓(Eastclassic)、轮叶沙参、唐松草(Thalictrum)，总盖度为29%。

2 研究方法

2.1 试验区设置与调查

在各试验区进行5个不同类型低质林的带状改造(见图1)。改造带宽分别为6(S1)、10(S2)、14(S3)、18 m(S4)，保留带宽分别为6(P1)、10(P2)、14(P3)、18 m(P4)，每条改造带长度平均分成3段20(A)、20(B)、20 m(C)，A段栽植兴安落叶松(Larixgmelinii)、B段栽植樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicaLitv)、C段栽植西伯利亚红松(Pinussibirica)，栽植苗木与相邻保留带留有1 m间距，株行距为2.0 m×1.5 m。

2015年6月，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；调查灌木时，根据样地的大小，在5 m×5 m的5个样地进行“Z”型取样，调查灌木的种类和盖度；调查草本层时，采取的方法是在5个灌木样地中心设置5个1.5 m×1.5 m的草本样方，调查5个草本样方中不同物种的种类和盖度。在不同类型低质林样地采集土壤样品，按照“五点取样法”采集5个土壤表层(0～10 cm)的土样，在5块样地中分别采集环刀样品和1.5 kg的土样。把鲜土风干后于9月份进行干土的研磨和筛选工作，运用土壤环刀法分析土壤的物理性质，采用森林土壤分析法分析土壤的化学性质(见表1)。

S为改造带，带宽S1为6 m、S2为10 m、S3为14 m、S4为18 m；P为保留带，带宽P1为6 m、P2为10 m、P3为14 m、P4为18 m。A、B、C为改造带长3个均等分段，长均为20 m，A段栽植兴安落叶松、B段栽植樟子松、C段栽植西伯利亚红松。

图1 带状试验区设置图

枯落物持水性能的测量方法是在每种改造类型的样地中选取5个30 cm×30 cm的样方，采集枯枝落叶的方法——按未分解层和半分解层进行逐层采样，然后求其平均值。枯落物的处理方法——称其鲜质量，再将枯落物放入烘干箱中85 ℃烘干24 h后称其干质量，然后推算枯落物的最大持水率和有效蓄积量。

土壤呼吸的测定方法——采用LI-8150多通道土壤碳通量自动测量系统，测量前调整呼吸室位置来测定土壤表面CO2通量，然后以0.5 h为一个观测间隔，对每个观测点进行全天重复观测，连续观测3 d。测量后，用File Viewer v3.0.0打开有关数据，先对数据进行预处理，再导入SPSS20.0中进一步处理数据。更新苗木生长状况测量方法——测量试验区内的生长量、地径及树高，并计算出不同改造样地中落叶松、樟子松、西伯利亚红松的成活率及生长率。

2.2 评价指标及因子

评价物种多样性，参与评价的因子有乔木层、灌木层和草本层的物种丰富度指数、多样性指数、均匀度指数；评价土壤物理性质，参与评价的因子有最大持水量、土壤密度、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度；评价土壤化学性质，参与评价的因子有pH、有机质质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数、全钾质量分数、水解氮质量分数、有效磷质量分数、速效钾质量分数；评价土壤枯落物持水性能，参与评价的因子有未分解蓄积量、半分解蓄积量、总蓄积量、未分解最大持水率、半分解最大持水率、未分解最大持水量、半分解最大持水量、总最大持水量；评价土壤碳通量，参与评价的因子是土壤的呼吸速率，它的测量方法是在每个观测点全天重复观测48次数据，最后取均值作为试验区土壤的呼吸速率；评价更新苗木生长状况，测量试验区内的生长量、地径及树高，并计算出不同改造样地中落叶松、樟子松、红松的成活率及生长率。

2.3 评价方法

本文采用主成分分析法针对大兴安岭5种低质林经过改造后的效果进行综合评价，选取5个层次共38个指标建立大兴安岭低质林综合评价模型。步骤如下：原始矩阵X横向为n种不同类型低质林，纵向为不同类型低质林的m个评价指标的实测值。X=(Xij)m×n；i=1、2、…、m，j=1、2、…、n。式中：Xij为第j种低质林类型第i项指标的实测值。

(1)原始数据标准化处理。由于不同指标量纲不同，计算时具有不可公度性，为消除数量级和量纲的影响，正向指标采用公式(1)进行标准化处理，逆向指标采用公式(2)进行标准化处理。

(1)

(2)

(2)对主成分进一步说明。提取方差贡献率≥85%的主成分，建立m个主成分与标准化变量间的关系。

(3)

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

(3)计算各指标的权重值。第k个主成分的贡献率除以所选取的m个主成分的总贡献率，即为各主成分的权重。

(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。

(4)建立综合评价函数。由式(3)得到的前m个主成分与得到的各指标的权重值建立综合评价函数。不同类型低质林的综合评价得分(F)越高，该类型低质林改造效果越好。

(5)

3 结果与分析

选取不同类型低质林共38项评价指标的实测值，运用主成分分析法对大兴安岭不同类型低质林的改造效果进行综合评价。

由公式(1)、(2)对各个评价指标的实测值进行标准化处理。土壤有机质是土壤的重要组成成分，在一定范围内，有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关，因此，土壤有机质按公式(1)进行标准化处理；随着土壤密度的增大，土壤内聚力增加，既土壤的硬度越大，对地上植被的生长具有不良影响，所以土壤密度为逆向指标，按公式(2)进行标准化处理；其它评价指标均为正向指标，按公式(1)进行标准化处理。

运用主成分分析法对标准化后的数据进行处理，总方差分析结果见表2；前4个主成分的累计贡献率达到100%，所以选取前4个因子已经足够描述不同类型低质林的改造效果；4个主成分的因子载荷见表3。

表2 不同类型低质林改造后各指标的总方差分析

由表3各因子载荷的绝对值可见：第1个主成分，在西伯利亚红松成活率、半分解最大持水率、全磷、pH、更新苗木兴安落叶松成活率、速效钾、水解氮等指标上有较大载荷；第2个主成分，在草本层物种丰富度指数、灌木层物种丰富度指数、樟子松生长率、草本层多样性指数等指标上有较大载荷；第3个主成分，在最大持水率未分解、乔木层多样性指数、有机质含量、半分解最大持水量等指标上有较大载荷；第4个主成分，在全钾、土壤呼吸速率、非毛管孔隙度、有机质质量分数等指标上有较大载荷。

表3 不同类型低质林改造后各指标的主成分因子载荷

首先计算出4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(4个主成分的权重依次为0.374、0.280、0.201、0.145)，最后利用公式(5)构造的综合评价函数计算出不同改造模式的综合得分(见表4)。

表4 不同类型低质林改造后综合评价结果

由表4的综合评价结果可见：综合得分由高到低分别是针阔混交林、蒙古栎林、阔叶混交林、白桦林、山杨林，针阔混交林样地的综合得分最高，表明针阔混交林的改造效果最好。

4 结论与讨论

运用主成分分析法建立了大兴安岭低质林改造效果的综合评价模型，提取出4个反映各样地生长状况的主成分，计算各主成分的因子得分，得出各个样地生长效果的综合得分，得分越高表示大兴安岭林区低质林改造效果越优，使得评价结果更具有科学性[18-22]。综合评价大兴安岭林区不同类型低质林改造效果，综合得分从大到小依次为针阔混交林、蒙古栎林、阔叶混交林、白桦林、山杨林，针阔混交低质林的综合得分最高，说明针阔混交林的改造效果最好；这与文献[23]、[24]的结果基本一致。

针阔混交林的综合得分最高，表现在枯落物持水性能、植被生物多样性、土壤物理化学性质、土壤呼吸速率、更新苗木生长状况上。枯落物特性，是森林生态系统的重要组成部分，枯落物层结构疏松能够减缓地表径流、保持土壤肥力，针阔混交林和蒙古栎林的枯落物特性指标较高，有利于森林的水土保持。植物多样性，是评价森林群落稳定性的重要指标，多样性高的森林群落，在受到干扰后的恢复能力强，通过大量研究说明植物多样性越高的低质林群落改造效果越好，抗干扰能力越强，针阔混交林和白桦林的植物多样性指标较高，说明这两种低质林在森林群落中稳定性较好。土壤物理性质，是评价土壤蓄水能力的重要指标，针阔混交林和白桦林的土壤物理性质较好，说明土壤的持水能力强，有利于林地植被的生长和更新；土壤化学性质，体现着林木的健康状况，包括土壤的水分、空气、养分和热量等肥力因素，对林木的生长发育也有间接的影响，土壤中氮、磷、钾3大指标是林木生长所需要的主要养分，针阔混交林和阔叶混交林的土壤化学性质指标较高，说明这两种低质林的生长状况良好。土壤呼吸速率，是评土壤肥力的重要指标，呼吸速率快可以使土壤有机质尽快转化为养分，可以为植物冠层提供更加丰富的碳源，针阔混交林和阔叶混交林的土壤呼吸速率指标较高，说明其土壤代谢能力较强，白桦林和山杨林的代谢次之，蒙古栎林的代谢能力较差。更新苗木的生长状况，依赖于森林的结构状况，森林的结构不同会使得森林的局部生态环境产生差异性，进而影响更新苗木的生长状况，更新苗木改变着森林多样性、林分混交度，反应森林结构的合理程度，是综合评价低质林改造效果的重要指标；针阔混交林和蒙古栎林的更新苗木指标较高，说明其森林结构较为合理。由于低质林改造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，要求低质林改造效果评价的各个参数同时都达到最优值几乎是不可能的，最优的改造效果的目标是森林生态系统整体达到最优。

本研究对5种不同类型低质林改造效果进行综合评价，建立了涵盖枯落物持水性能、植被生物多样性、土壤物理化学性质、土壤呼吸速率、更新苗木生长状况等38项指标的综合评价体系，运用主成分分析法对不同类型低质林的改造效果进行综合评价，得出最好的低质林改造类型是针阔混交林。研究结果表明了5种不同类型低质林改造效果的相对优劣，对大兴安岭林区低质林的生态改造具有参考意义。

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Effect of Different Types of Low-quality Forest Transformation in Daxing’an Mountains on Comprehensive Evaluation

Qu Hangfeng, Dong Xibin, Ma Xiaobo, Tang Guohua, Zhang Tian, Guan Huiwen

(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(12)：1-5.

We selected coniferous and broad-leaved mixed forest,Quercusmongolicaforest (Xylosmaracemosuz),Betulaplatyphyllaforest (Betulaplatyphylla),Populusdividianaforest (PopulusdavidianaDode) and broadleaved mixed forest of the five different types of low quality forest in Daxing’an Mountains, to study the litter material properties, biological diversity, soil physical properties, soil chemical properties, soil carbon flux and updated seedling growth of 38 indicators, and used apply principal component analysis to evaluate different types of low quality forest transformation effect. The descending order of the transformation effect of different types of low quality forest were coniferous and broad-leaved mixed forest (0.808),Quercusmongolicaforest (0.141), broadleaved mixed forest (-0.058),Betulaplatyphyllaforest (-0.292), andPopulusdividianaforest (-0.598). After the transformation of different types of low quality forest in Daxing’an Mountains, the effect of transformation of coniferous and broad-leaved mixed forest was the best.

Low-quality forest; Low-quality forest transformation; Principal component analysis; Daxing’an Mountains

曲杭峰，男，1992年6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：1763983999@qq.com。

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。

2016年6月14日。

S756.5

1)林业科学技术推广项目([2015]06号)。

责任编辑：张 玉。