鲁中山地侧柏人工林乔木层的质量评价研究

王 凤，谢同利，葛忠强，梁 燕，李宗泰，吕雷昌，王清华*

（1.淄博市张店区园林绿化服务中心，山东 淄博255000；2.济南市历城区国有黑峪林场，山东 济南250000；3.山东省林业科学研究院，山东 济南250014）

森林生态系统是由森林及其周围环境和附属物构成的，具有涵养水源、固碳释氧、保育土壤、调节气候、净化环境、保护生物多样性等诸多方面的生态功能[1]。森林生态系统的稳定性已成为衡量生态系统结构和功能最重要的特性，随着研究的不断深入，稳定性的内涵和概念也越来越丰富[2]。林分主要包含乔木层、林下灌草层、土壤层3个主要层次，乔木层是其中最重要的组成部分，很大程度上决定了系统的生产力和稳定性。因此，林分乔木层的质量优劣对于保持森林生态稳定，让森林拥有更大产出值、生产力，实现森林的可持续发展具有重要意义。侧柏（Platycladus orientalis）对气候、土壤条件有较强的适应性，抗干旱瘠薄能力强，是我国淮河以北石灰岩山地的主要造林树种[3]，在荒山绿化、水土保持、防风固沙、净化空气等方面发挥了重要生态作用[4]。山东省第八次森林资源清查结果表明，2014年侧柏人工林面积为11.36 万hm2，是山东省栽植面积最大的针叶林树种[5]。山东省是侧柏人工林主要分布区之一，鲁中山地侧柏人工林多营造于20世纪60年代，造林时密度普遍很大，由于后期缺乏间伐、更新等科学抚育措施，目前林分密度仍然较大，多数在3000株/hm2以上，郁闭度一般在0.6～0.9之间，导致侧柏林木生长缓慢，林下植被稀疏，水土流失严重，难以全面发挥其生态功能，生态稳定性普遍较差。因此，急需采用科学有效的抚育措施，为其构建稳定森林生态系统，而首先需要对鲁中山区侧柏人工林乔木层进行质量评价，这对于确定侧柏林合理经营技术，全面发挥生态效益，促进山东省干旱瘠薄山地生态环境建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 调查区概况

鲁中山区位于山东省中部，地理坐标为东经116° 28′-118° 49′，北纬35°42′-37° 09′，行政区划主要有济南、淄博、泰安等市；山地与丘陵占总面积的70%以上，是山东省内地山地最集中的区域，以500 m以下的低山丘陵为主[6]。该区属于暖温带湿润气候区，年平均气温13℃，年均降水量750 mm，大于10℃积温约为4200～4600℃，日照时数2500～2800 h，无霜期190～220 d。该区土壤类型以褐土和棕壤为主，主要植被类型为落叶类阔叶树种和松柏类树种[7]。

1.2 样地设置

试验样点共有3处，样点1 设在山东省林业科学研究院燕子山实验林场，位于济南市历下区；样点2设在原山林场，位于淄博市博山区；样点3 设在黑峪林场，位于济南市历城区彩石办事处。供试林分为50年左右林龄的长期侧柏人工林，整体郁闭度较大。上述样点的侧柏人工林主要分布于山坡地，土壤类型均为石灰性褐土，土层较薄，石砾含量较高。在各样点选取不同密度和郁闭度的侧柏人工林，样点1、2、3 分别设置6、8、9块样地，按“样点-样地”格式编号。每块样地面积为100 m2，林下植被主要以灌木为主，少数样地草本植物较多，植物品种主要有荆条（Vitex negundo）、君迁子（Diospytos lotus)、胡枝子（Lespedeza bicolor）、珍珠菜（Lysimachia clethroides）、羊须草（Carex callitrichos）等。调查并记录样地的经纬度、林龄、郁闭度、林下盖度、海拔、坡向、坡位、林分结构等特征和生境因子。具体情况见表1。

表1 侧柏人工林样地概况

1.3 调查方法

1.3.1 乔木层生长指标

对所设23块样方中的侧柏进行每木调查，记录样方内侧柏的存活株数、死亡株数、间伐株数、胸径、树高、冠幅、枝下高、叶面指数等生长指标，分别计算不同侧柏林的林分密度、保存率、冠层高、材积和生物量。其中，胸径、树高、冠幅、冠层高、叶面指数、年均生物量的调查和计算方法参见文献[8-9]。将乔灌草、乔草、乔灌、纯乔木四种林分结构分别赋值为4、3、2、1 作为结构系数。

1.3.2 叶片营养指标

在各样方中选取胸径接近平均值的侧柏树木3株，使用高枝剪分别采集其冠层中部叶片，四个方位均采集200 g 左右，混匀后带回实验室杀青、烘干后，采用H2SO4-H2O2消化分别测定叶片中的氮、磷和钾含量。氮含量采用凯氏定氮法测定，磷含量采用钒钼黄比色法，钾含量采用火焰光度计法[10]。

1.4 数据处理与分析

由于各调查指标对评价目标的影响并不一致，因此采用因子分析法对侧柏人工林的乔木层质量优劣进行综合评价，具体步骤参见文献[11]。采用变异系数来分析侧柏人工林乔木层综合质量的变异程度，低于10%为弱变异，高于100%为强变异，处于二者之间（10%～100%）的为中等变异[12]。利用Excel 2007软件进行数据整理、计算和图表制作，采用数理统计软件SPSS 18.0 进行因子分析、相关性分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 公因子提取和公因子模型

各试验点所采集数据见表2所示。对各样地的侧柏林树高（X1）、胸径（X2）、材积（X3）、年均生物量（X4）、冠幅（X5）、冠层高（X6）、叶面指数（X7）、密度（X8）、保存率（X9）、郁闭度（X10）、结构系数（X11），以及叶片含氮量（X12）、含磷量（X13）和含钾量（X14）等14个调查指标进行因子分析。数据标准化后通过计算，提取出了5个公因子，这5个公因子的累积方差贡献率为82.24%，表明原来14个观测指标的全部信息可由这5个公因子反映80%以上（表3）。在因子分析中，一般需要提取累计贡献率达到80%左右或以上的少数几个特征根对应的公因子。在本研究中，需要提取前5个公因子。经过进一步简化结构，通过采用最大方差正交旋转后，求得旋转后因子载荷如表4所示。

表2 侧柏林乔木层质量评价指标

表3 公因子的特征根和贡献率

由公因子载荷表中可以看出（表4），决定第1个公因子大小的是树高（X1）、胸径（X2）、材积（X3）、年均生物量（X4）、冠幅（X5）、冠层高（X6）和密度（X8），这表示第1个公因子主要反映了树木生长量对乔木层质量的直接影响作用；决定第2公因子的是郁闭度（X10）和结构系数（X11），主要反映了林分整体结构对乔木层质量的直接影响作用，而决定第3公因子大小的则是叶面指数（X7）、保存率（X9）和叶面含钾量（X14），决定第4、5公因子大小的分别是叶片含氮量（X12）和含磷量（X13）。

表4 旋转后的公因子载荷

表5 不同样地的公因子得分和综合得分

2.2 各样地侧柏林乔木层质量综合评价结果

在影响侧柏人工林乔木层质量的公因子中，各个公因子的影响程度并不相同，特征根贡献率大小已说明了这种情况。在综合评价时，必须区别各个公因子对其影响的主次关系，赋予不同的权重，权数越大，表示该公因子所起的作用也越大。由此可见，公因子权重的相对大小反映了各个公因子在质量评价中的相对地位。目前，确定权数的通常方法是采用专家打分或层次分析法，但都带有很大的主观性。为了更合理地给出权重，突出各个公因子的作用程度，本研究以公因子特征根贡献率所占比例作为权重值[11]。

按因子分析的要求计算各样地的5个公因子得分值，然后将各样点的5个公因子得分与权重分别相乘，得到各个样地侧柏林乔木层质量的因子得分，再通过数据标准化后得到综合分值（表5）。结果表明，综合分值排前5名的侧柏林依次为原山林场2号、燕子山林场5号、原山林场3号、黑峪林场5号和黑峪林场7号，表明这5个样地侧柏林乔木层的综合质量较好；而燕子山林场6号、1号和黑峪林场2号的综合分值最低，侧柏林乔木层质量相对较差。供试所有林分乔木层质量分值的变异系数为49.79%，为中等变异程度，表明鲁中山地长期侧柏人工林的乔木层质量在不同样地间的整体变异不大，相对较为稳定。

根据表的综合得分，计算出不同地点林分的乔木层质量平均得分（图1)。从图中可以看出，位于原山林场的侧柏林乔木层质量较好，平均分值明显高于燕子山林场和黑峪林场，三者之间的差异没有达到显著性水平。通过计算3个样点的变异系数得知，燕子山林场、原山林场和黑峪林场侧柏人工林乔木层质量分值的变异系数分别为87.87%、15.73%和52.29%，均为中等变异，其中原山林场侧柏林乔木层的整体稳定性最好。

2.3 影响因子分析

由于侧柏林乔木层质量是多个因子综合作用的结果，为进一步分析不同观测指标与乔木层质量之间的关系，对它们之间的关系进行了相关性分析，结果见表6。由表中数据可以看出，在14个评价指标中，共有树高、胸径、材积、年均生物量、冠幅、冠层高、叶面指数和密度等8个指标分别与乔木层质量综合分值之间存在显著性相关（P ＜0.05），而其它6个因子与乔木层质量综合分值的相关性没有达到显著性水平。

在相关性显著的因子中，只有密度与乔木层质量呈现负相关。将林分密度与质量综合分值进行回归分析，由图2可以看出两者之间表现出线性负相关。随着林分密度的增加，侧柏林乔木层质量也显著降低。经拟合分析后，得到回归方程为：Y = 1.038-12.23×10-6X（P ＜0.01,R=0.677）。结果表明，林分密度过高不利于侧柏人工林乔木层的生长和质量提升。

3 结论

采用因子分析方法对鲁中山区23块样地的侧柏人工林乔木层质量进行了综合评价，结果表明，不同样地侧柏乔木层质量存在较大差异，但整体属中等变异，其中以原山林场2号、燕子山林场5号、原山林场3号、黑峪林场5号和黑峪林场7号等5个样地侧柏林乔木层质量较好；而燕子山林场6号、1号和黑峪林场2号相对较差。相比之下，位于原山林场的侧柏林乔木层质量较好，各林分间变异最小，整体更为稳定。在14个评价指标中，共有8个指标与乔木层质量综合分值之间存在显著性相关，分别是树高、胸径、材积、年均生物产量、冠幅、冠层高、叶面指数和密度；随着林分密度的增加，侧柏林乔木层质量显著降低，对于过高密度的侧柏人工林应及时进行间伐抚育。