永寿县底角沟流域刺槐人工林稳定性研究

高 建，张志东，王迪海

(1.咸阳市林业科学研究所，陕西 咸阳 712000；2.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

中国人工林面积逐年增加，居全球第一，黄土高原地区人工林已经成为该地区的主导林分，但是大面积的营建人工林却存在着很大的风险[1-10]。人工林会随着时间的推移其林分生物学稳定性愈来愈差，生物学稳定性的降低会导致森林的蓄积量降低，多样性下降，可持续发展受阻等一系列问题的产生[5]。因此，研究人工林的稳定性问题是林业工作者高度关注的问题之一。

自20世纪50年代开始我国黄土高原干旱半干旱地区大面积营造人工刺槐林，作为黄土高原水土保持林体系的主体，其对改善黄土高原的生态环境、防止水土流失和调节黄河流域的水文状况发挥着重要作用[11]。但其生长缓慢、森林蓄积量低下，生物学稳定性差，结构不合理，自然更新不良、地力衰退等诸多问题，将会使黄土高原人工林的生态服务功能难以正常发挥，人工林可持续发展严重受阻。从生物学角度研究影响人工林生态系统稳定性的主要因素，从而对低质量的人工林进行抚育改造，让人工林生态系统有效发挥水土保持及其它生态功能具有现实意义[12]。在人工林稳定性评价体系建立的基础上，结合GIS强大的分析功能，从景观层面探究人工林稳定性，有助于深入了解森林景观格局和人工林稳定性之间的内在联系，从而为黄土高原生态修复工程和大面积人工林科学森林经营方式提供理论参考。

1 研究区概况与方法

1 研究区概况

研究区位于陕西省永寿县底角沟流域(E 107°56′至108°21′、N 34°29′至34°85′)，平均海拔约为1 175 m，黄土高原残垣沟壑地貌，属于暖温带大陆性气候，年平均气温10.8 ℃，年平均降水量606 mm，降水在年内分配极不平均，雨季多集中于夏季7-9月，占全年降水量52%以上。年平均累计光照时数为1 790.3～2 831.0 h，其中夏季6-8月日照时数占全年30%[13]。

2 研究方法

2.1 样地选择与设置

分别在阳坡、阴坡、半阳坡、半阴坡选取10个刺槐人工林分样地，根据样地实情，分别设置为60 m×10 m、50 m×50 m、30 m×50 m、60 m×20 m、20 m×20 m、50 m×35 m、60 m×15 m标准地。调查标准地位置、海拔、坡度、坡向、坡位。根据研究区刺槐的生长情况定义树高<1.5 m的为幼苗；树高>1.5 m，胸径≤2 cm为幼树；胸径>2 cm为成树。以样地两条相互垂直的边分别为X轴和Y轴建立平面直角坐标系，记录每个乔木灌木个体的位置坐标。对样地内高于1.5 m的所有乔木进行每木检尺，测定并记录种类、树高、胸径、冠幅、枝下高、活力状况等。同时测定并记录样地内灌木的种类、高度及冠幅。其次在每个样地内沿对角线的任意两个角和中央位置，分别设置1个1 m×1 m的草本调查样方，调查林下植被覆盖度，记录草本样方中的草本种类及每种的株数和高度。最后在草本样方的旁边取0～10、10～20、20～40 cm和40 cm以下土壤备用，在实验室测得土壤中有机碳、全氮、全磷、全钾的含量。

2.2 主成分分析综合评价法

采取基于主成分分析的综合评价法，即利用群落稳定性评价指数Fi及其平均值AF和标准误SF，对刺槐人工林稳定性进行评价，评定标准为若Fi>AF+SF，则判定该样地处于稳定状态；若AF-SF

2.3 数据处理及制图

数据整理、PCA分析、影像图处理、制图和分析及景观格局分析，分别采用Office Excle2016软件、SPSS.25软件、ENVI软件、Arcgis10.5软件和fragstats4.2软件。

3 结果与分析

3.1 群落稳定性评价指标体系

由于群落稳定性评价目前尚无完善系统的研究理论和方法，也未有统一完整的评价指标体系，且群落稳定性由群落各种因子共同作用的结果，因此本研究在参阅大量人工林稳定性研究文献之后[11-19]，选择反映森林群落基本特征的种群更新潜力、群落生物量、群落组成及结构、群落生物多样性和林地土壤肥力等5大类指标(共19个因子，表1)，构建刺槐人工林生态系统稳定性评价指标体系，对该地区的刺槐人工林做出稳定性评价。

表1 底角沟流域刺槐人工林稳定性评价指标体系

3.2 人工刺槐林稳定性主要影响因素

PCA分析可知(表2)，第1、2、3、4、5个主成分对数据集的解释率分别是29.456%、23.315%、17.620%、12.274%和8.999%，前5个主成分的累计解释率达到91.663%，累计解释率超过85%。

表2 PCA分析各主成分解释率

PCA因子系数负荷矩阵(表3)，超过半数的因子对第一主成分的影响绝对值都大于0.5，说明本文所采用的指标因子体系较为科学合理，对系统的影响较大，评价结果具有一定的可靠性。其中物种种数、丰富度指数和多样性指数因子对第1主成分影响最大，乔木蓄积量对第2主成分的影响最大，土壤有机含碳量对第3主成分影响最大，绝大多数因子对第4、第5主成分的影响逐渐减小。其中更新潜力(幼树和幼苗)对第2、第5主成分的影响都较大，灌木蓄积量对第1、第2、第3主成分的影响绝对值超过0.5，对群落稳定性影响较大；平均年龄对第3、第4主成分的影响较大。可见影响刺槐人工林稳定性的主要因素有更新潜力、乔木蓄积量及灌木生物量、物种丰富度、物种多样性和土壤有机碳含量。

表3 PCA主成分分析各因子系数负荷矩阵

3.3 人工刺槐林稳定性评价

经计算，10个样地林分的相对稳定性评价指数依次为：1号>5号>8号>9号>4号>7号>3号>2号>6号>10号样地(表4)；以AF+SF=0.457和AF-SF=-0.457为评价依据，1号样地处于稳定状态，5号、8号、9号、4号、7号、3号、2号、6号样地处于较稳定状态，10号样地处于不稳定状态。

表4 主成分分析综合评价指数Fi

由表5可见，1号样地的更新潜力指标和多样性指标最高，在林地生产力、群落立地质量、土壤肥力方面均保持了较高水平，林分稳定性较好，也表明了混交林样地整体稳定性比纯林更高。2、3、4、5、6、7、8、9号样地的林地生产力、多样性及立地质量、更新潜力和土壤肥力等指标相对较好，处于较稳定状态。10号样地土壤肥力状况、立地质量、物种多样性、立地生产力等指标都相对较低，并且更新潜力比较差，整体的为不稳定状态。

表5 刺槐人工林结构特性标准化值及其稳定性

10个刺槐人工林景观类型斑块，总面积为239 hm2，其中只有1个稳定的刺槐人工林斑块，面积为5.41 hm2，占总面积的2.3%；8个较稳定的刺槐人工林斑块，面积为200.02 hm2，占比达83.6%；1个不稳定的刺槐人工林斑块，面积为33.51 hm2，占比为14.1%。

4 结论与讨论

底角沟流域内刺槐人工林群落的稳定性较差，绝大部分都处于较稳定状态，刺槐×杨树混交林的稳定性远好于刺槐纯林的稳定性，对其稳定性影响较大的因素因子为更新潜力、乔木蓄积量及灌木蓄积量、物种丰富度、物种多样性和有机碳含量。更新潜力是一个物种得以延续的基础，更新潜力越大的物种也越趋于稳定；近年来许多研究者直接用生物量来衡量林分生命力的大小，可见群落生物量是森林评价方面具有不可忽视的作用，群落生物量越大的林分，其生产力越强，林分就越趋于稳定，在本研究也验证了群落生物量是森林稳定性重要基础，对刺槐人工林的稳定性有较大的影响；物种丰富度是衡量生态系统功能和稳定性重要指标，因为物种多样性较少的群落，每个物种在生态系统中所承担的功能作用也就越多，当生态系统受到外界干扰时一个物种灭亡或骤减的几率增大，对生态系统造成的影响也就越大，从而影响生态系统的稳定性，本文研究发现刺槐人工林中的物种丰富度也是影响其稳定性的重要因素之一。安丽娟[18]和汪超[20]研究，乔木层物种对群落结构和功能的影响，比灌木层和草本层更大，这与本文结果相同，乔木层不论是在天然林还是在人工林中对稳定性有重要的影响；除了生物群落的自身因素之外，土壤因素也是影响林分稳定性的主要因素，其中有机含碳量，氮含量、磷含量都对人工林的稳定性有较大的影响。主成分分析法是一种比较好的人工林稳定性评价方法，在充分考虑所有因子的同时，选出若干个主要成分对其稳定性进行评价，不仅能给出各样地的相对稳定性，也能判断样地是否处于稳定状态的定论。但是在PCA分析时，各因子之间可能存在相互影响从而导致评价结果的准确性会出现一定的偏差[15]