盧妮妮,許昊,廖文超,廖祥龍,凌威,王新杰?

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林培育與保護省部共建重點實驗室,100083,北京; 2.北京水務(wù)咨詢有限公司,100089,北京)

杉木及其混交林的結(jié)構(gòu)與功能模型
——以福建省將樂國有林場為例

盧妮妮1,許昊1,廖文超2,廖祥龍1,凌威1,王新杰1?

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林培育與保護省部共建重點實驗室,100083,北京; 2.北京水務(wù)咨詢有限公司,100089,北京)

為提高森林多功能經(jīng)營水平和森林效益,以福建省將樂國有林場內(nèi)典型的杉木及其混交林為例,以17個易測因子為自變量,分別以森林生物量積累功能、水源涵養(yǎng)功能、保育土壤功能以及生物多樣性保護功能為因變量,建立林分結(jié)構(gòu)與功能的多元線性回歸模型,并利用主成分分析法得到森林綜合功能模型。結(jié)果表明:1)林分年齡、平均胸徑和密度對森林的各項功能均具有一定的影響,林分平均高更側(cè)重于影響森林的水源涵養(yǎng)功能。2)決定森林多功能水平的林分因子主要為林分年齡和林分平均胸徑。3)在55塊調(diào)查標準地中,森林綜合功能指數(shù)最高為453,最低為-153。將樂國有林場82%的杉木林綜合功能良好,18%的杉木林木材生產(chǎn)能力和多樣性保護能力較弱,需針對這部分林分進行結(jié)構(gòu)調(diào)整以提高森林的多功能性。

生物量積累;水源涵養(yǎng);保育土壤;生物多樣性保護;森林綜合功能

森林具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能,隨著經(jīng)濟發(fā)展,生態(tài)環(huán)境日益惡化,森林的服務(wù)功能越來越受到重視[1-4]。研究顯示,森林結(jié)構(gòu)的變化密切影響著森林功能。如不同的森林類型,其生物量積累能力呈現(xiàn)出一定差異[5-6],如第6次森林資源連續(xù)清查顯示北京市側(cè)柏林的生物量為17.5 t/hm2,落葉松林的生物量為57.6 t/hm2,而物種配置方式則影響森林的水源涵養(yǎng)功能。L.A.Bruijnzee[7]和R.H. Crockford等[8]研究表明,不同林分結(jié)構(gòu)的森林具有不同的水文功能,就枯落物持水性而言,落葉松灌木復(fù)層林＞落葉松純林＞稀植喬木的天然灌叢林＞天然灌叢林[9]。同時,森林結(jié)構(gòu)對林地的土壤理化性質(zhì)也起著重要作用,如廣西蒼梧縣的純林經(jīng)過混交闊葉樹種后,林地的土壤養(yǎng)分含量提高,土壤的理化性質(zhì)得到一定程度的改善[10]。此外,林分結(jié)構(gòu)的變化會引起其多樣性功能變化,如徐州地區(qū)先期的側(cè)柏林下物種的豐富度和多樣性均較低,而經(jīng)過干擾和更新后的側(cè)柏林中闊葉樹種有增加的趨勢,且林下物種逐漸增多[11]。

在森林生態(tài)系統(tǒng)的研究中,由于結(jié)構(gòu)與功能之間、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間、功能與功能之間均存在著許多線性或非線性的依存和制約關(guān)系,森林結(jié)構(gòu)與功能耦合關(guān)系的研究正是建立在這種線性或非線性關(guān)系上。如何定量化描述森林林分結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,一直是森林研究的熱點。

本文以福建省將樂國有林場典型的杉木及其混交林為例,從森林的生物量積累功能、水源涵養(yǎng)功能、保育土壤功能以及生物多樣性保護功能等方面出發(fā),建立林分結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系模型,并以此作為森林功能效益發(fā)揮的評價指標,最后對森林的綜合功能指數(shù)進行分析,以期通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)為提高森林多功能的經(jīng)營水平和功能效益提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

將樂國有林場位于福建省三明市將樂縣水南鎮(zhèn)(E117°05＇～117°40＇,N26°26＇～27°04＇),地處武夷山脈東南麓,金溪河中下游。研究區(qū)以低山丘陵地貌為主,具有獨特的喀斯特地貌,平均海拔258 m,土壤類型主要為紅壤和黃紅壤。屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候,雨熱同期,年均氣溫19.8℃,年均降水量2 027mm,年均蒸發(fā)量1 204 mm,降雨主要集中在6—8月,降水量占全年降水的70%。境內(nèi)夏季時間長,冬天較溫暖,無霜期273 d。研究區(qū)內(nèi)森林資源豐富,森林總蓄積量114.3萬m3,森林覆蓋率達93.76%。主要造林樹種為杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb)Hook)、馬尾松(Pinus massoniana L.)、毛竹(Phyllostachys pubescens)、火力楠(Michelia macclurei Dandy)、木荷(Schima superb Gardn et Champ.)等,常見灌木包括大葉紫珠(Callicarpa macrophylla V.)、短尾越桔(Vaccinium carlesii Dunn)、豆腐柴(Premna microphylla Turcz.)、黃毛楤木(Aralia decaisneana Hance)、長葉凍綠(Rhamnus crenata Sieb.et Zucc.)、檵木(Loropetalum chinense (R.Br.)Oliver)等,主要的草本有鋸蕨(Micropolypodium okuboi(Yatabe)hayata)、華南鱗蓋蕨(Microlepia hancei Prantl)、磨芋(Amorphophallus rivieri Durieu)、杠板歸(Polygonum perfoliatum Linn.)、顯齒蛇葡萄(Ampelopsis grossedentata(hand.-Mazz.) W.T.Wang)、玉葉金花(Mussaenda pubescens Ait. f.Hort.)等。

2 材料與方法

2.1試驗對象

在森林經(jīng)營調(diào)查基礎(chǔ)上,結(jié)合林場現(xiàn)有的森林類型和小班數(shù)據(jù),選擇具有代表性的杉木林為試驗對象,于林分中設(shè)置標準地,面積為20 m×20 m。共設(shè)置55塊標準地,其中杉木純林35塊,杉木馬尾松混交林9塊,杉木毛竹混交林6塊,杉木闊葉樹混交林5塊?；厩闆r見表1。

表1　標準地概況Tab.1 Status of sample plots__

2.2試驗方法

2.2.1標準地調(diào)查 在標準地內(nèi),通過布設(shè)網(wǎng)格進行每木檢尺,對每株喬木進行定位、編號、掛牌,調(diào)查樹種、年齡、胸徑、樹高、枝下高、冠幅等。對調(diào)查數(shù)據(jù)進行處理,得到林分年齡、平均胸徑、平均高、郁閉度、林分密度等。于標準地內(nèi)四角及中心設(shè)置5個5m×5m樣方,調(diào)查灌木種類、高度、地徑、冠幅、蓋度、生長狀況和分布狀況等。在每個灌木樣方的四角及中心設(shè)置5個1m×1m小樣方調(diào)查草本種類、高度、蓋度、生長狀況和分布狀況等。

2.2.2林分生物量測定 根據(jù)標準地調(diào)查結(jié)果,選定林分標準木,伐倒后區(qū)分各器官并記錄和稱取鮮重。采用“分層切割法”[12]測定各區(qū)分段樹干和樹皮生物量;在每個樹干區(qū)分段內(nèi),區(qū)別活枝、枯枝和樹葉,采用“標準枝法”[13]測定生物量;地下部分采用“分層分級全收獲法”[14-15]測定不同層次上不同大小等級根系生物量。稱取鮮質(zhì)量后,每種器官都取適量樣品(200～500 g)。灌木和草本則根據(jù)標準地調(diào)查結(jié)果對主要種類進行測定,按基徑、冠幅、株高等形態(tài)特征的大小分級,選擇一定數(shù)量生長狀況良好的標準植株,采用“全收獲”法,稱取枝、葉(花果)、根的鮮重。將所有生物量樣品帶回實驗室,烘干處理后通過干物質(zhì)率計算各器官組分的生物量。2.2.3 持水量測定 枯落物持水量:在每個標準地四角及中心設(shè)置1m×1m的小樣方5個,收集小樣方內(nèi)的全部枯落物,帶回室內(nèi)用BGZ-30鼓風(fēng)干燥箱烘干樣品至恒質(zhì)量并稱量,取部分烘干后樣品裝入網(wǎng)袋并浸水,0.5 h后撈起靜置5 min至不滴水時稱量。此后每隔2 h重復(fù)上述稱量,每次稱量重復(fù)3次,計算枯落物的最大持水量[16];然后根據(jù)林分生物量鮮重計算林冠層、灌木層、草本層及枯落物層的最大持水量。

土壤持水量計算依托于土壤密度和土壤孔隙度[17]:

式中:Wo為土壤持水量,t/hm2;p為土壤總孔隙度,%;T為土層厚度,m。

2.2.4土壤養(yǎng)分測定 在標準地調(diào)查基礎(chǔ)上,通過土鉆以“S”形取樣采集標準地的土壤樣品進行土壤養(yǎng)分測定,其中全磷測定采用鹽酸-硫酸溶液浸提法,全鉀測定采用醋酸銨-分光光度計法,全氮測定采用凱氏定氮法,有機質(zhì)測定采用硫酸重鉻酸鉀法, pH的測定采用水-酸度計法。

2.2.5林分多樣性測定 在標準地調(diào)查基礎(chǔ)上,喬木層組成根據(jù)林分各樹種蓄積量所占的比例表示,灌木層和草本層的豐富度采用Glesaon指數(shù)由式(2)計算,多樣性采用辛普森指數(shù)由式(3)計算。

式中:DG為Gleason指數(shù);A為落葉和草本樣方的單位面積,m2;S為物種數(shù)。

式中:DS為辛普森多樣性指數(shù);S為物種數(shù);Ni為物種i的個體數(shù);N為群落中全部物種的個體數(shù)。

2.2.6模型建立 基于SPSS 18.0軟件對調(diào)查指標進行逐步回歸分析,并用VIF對自變量進行多重共線性的檢驗,剔除共線性較強的因子,從而建立各功能模型與林分結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系模型。

3 結(jié)果與分析

3.1森林生物量積累功能模型

從喬木層生物量、灌木層生物量和草本層生物量3個層次對不同的杉木林進行對比分析。利用在研究區(qū)域內(nèi)采集的31株杉木生物量數(shù)據(jù),以易測因子為自變量,以杉木單株總生物量為因變量建立模型,得到擬合精度最高的模型(式4),以此模型計算杉木生物量。利用王軼夫等[18]的馬尾松單株生物量模型計算馬尾松的單木生物量;毛竹生物量利用在研究區(qū)域內(nèi)采集的18株毛竹生物量數(shù)據(jù),以胸徑、竹度為自變量,建立毛竹生物量模型(式(5))。同時根據(jù)單木生物量和林分密度計算每公頃總生物量。

式中:WH為杉木單株生物量,kg;WP為毛竹單株生物量,kg;D為樹種胸徑,cm;H為樹種樹高,m;A為樹種年齡,a。

利用SPSS分析每公頃總生物量與林分結(jié)構(gòu)(森林類型、年齡、林分平均胸徑、林分平均高、郁閉度、林分密度)的相關(guān)性,得林分每公頃總生物量與林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高、林分密度等有極顯著相關(guān)性(P＜0.01)。以每公頃總生物量作為因變量,以林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高、林分密度等作為自變量,利用逐步回歸建立多元線性模型,并用VIF對自變量進行多重共線性的檢驗,剔除共線性較強的因子。建立每公頃總生物量與林分結(jié)構(gòu)的模型

式中:WB為林分每公頃總生物量,kg/hm2;x1為林分平均胸徑,cm;x2為林分年齡,a;x3為林分密度,株/hm2。

3.2水源涵養(yǎng)功能模型

從林分枯落物的最大持水量和土壤飽和持水量2個指標對各林分的水源涵養(yǎng)功能進行評價,并建立功能與林分結(jié)構(gòu)間的關(guān)系模型。分析單位面積枯落物最大持水量和土壤飽和持水量的總和(水源涵養(yǎng)總量)與林分結(jié)構(gòu)的相關(guān)性,得到林分水源涵養(yǎng)總量與林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高、林分密度等有顯著相關(guān)性(P＜0.05)。以水源涵養(yǎng)總量作為因變量,以林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高、林分密度等作為自變量,利用逐步回歸方法,建立水源涵養(yǎng)總量與林分結(jié)構(gòu)的多元線性模型

式中:WC為林分水源涵養(yǎng)總量,t/hm2;x4為林分平均高,m。

3.3保育土壤功能模型

以土壤養(yǎng)分元素(全磷、全鉀、全氮、有機質(zhì))的總含量作為林分保育土壤功能的總量,對各林分的保育土壤功能進行評價,并建立相應(yīng)的功能模型。分析各養(yǎng)分元素的總含量與林分結(jié)構(gòu)的相關(guān)性,得到林分保育土壤功能與林分年齡、林分平均胸徑和林分平均高均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性(P＜0.01)。以保育土壤功能,即土壤養(yǎng)分總含量作為因變量,以林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高作為自變量,建立土壤養(yǎng)分含量與林分結(jié)構(gòu)的多元線性模型

式中WS為林分保育土壤總量,g/kg

3.4生物多樣性保護功能模型

筆者分別從林下植被豐富度和物種多樣性2個指標對各林分生物多樣性保護功能進行評價,并建立功能與林分結(jié)構(gòu)因子的關(guān)系模型。林下植被(灌木及草本)豐富度與林分結(jié)構(gòu)的相關(guān)性均不顯著(P＞0.05),而灌木的多樣性與林分結(jié)構(gòu)也均不顯著(P＞0.05),可能是由于人為對灌木的清除,致使灌木種類減少。草本多樣性與林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高均呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)(P＜0.05),而與郁閉度呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)(P＜0.01);因此,本研究以林下草本多樣性為因變量,以林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高和郁閉度為自變量,建立生物多樣性與林分結(jié)構(gòu)的多元線性模型

式中WD為生物多樣性保護指數(shù)。

3.5森林綜合功能指數(shù)

選取17個指標評價森林功能,按照主成分綜合模型,對指標數(shù)據(jù)進行標準化處理,并進行相關(guān)性分析,得到各指標之間沒有顯著地相關(guān)關(guān)系(P＞0.05)。根據(jù)主成分個數(shù)提取原則,選擇主成分對應(yīng)特征值＞1的前5個主成分,可以基本反映全部指標的信息。用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根便得到2個主成分中每個指標所對應(yīng)的系數(shù)[1]。將得到的特征向量與標準化后的數(shù)據(jù)相乘,得到各主成分(表2),以每一個主成分多對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合模型,即可得到森林功能主成分綜合模型。

表2　主成分信息表Tab.2 Information ofmain composition

應(yīng)用森林功能主成分綜合模型評價將樂林場的55塊典型林分(表3)。正數(shù)表示標準地綜合功能較強,且數(shù)字越大表明綜合功能越強;負數(shù)表示標準地的某一功能較弱。將樂國有林場內(nèi)82%的杉木林綜合功能良好,表明將樂國有林場經(jīng)營情況總體較好,需繼續(xù)保持。12%的杉木林綜合功能指數(shù)為負數(shù),分析17個指標數(shù)據(jù)可知,這部分林分的木材生產(chǎn)能力和多樣性保護功能偏低,導(dǎo)致森林的綜合功能指數(shù)較小;因此,需對其進行林分結(jié)構(gòu)調(diào)整以提高森林的多功能水平。

根據(jù)主成分分析得到的森林綜合功能模型評估將樂國有林場的林分功能,19號標準地的綜合功能指數(shù)最高(FI=453.003 3),而5號標準地的綜合功能指數(shù)最低(FI=-153.015 5),綜合分析17個指標數(shù)據(jù)可知,19號標準地的年齡、平均胸徑、平均高和喬木層生物量顯著高于5號標準地。

表3　杉木及其混交林的綜合功能Tab.3 Comprehensive functions of Chinese fir and it smixed-forest_

4 結(jié)論

1)在選取的17個易測因子中,林分年齡和林分平均胸徑與森林的生物量、水源涵養(yǎng)總量和保育土壤功能呈現(xiàn)顯著相關(guān)性(P＜0.05),灌木的豐富度和多樣性與林分結(jié)構(gòu)因子相關(guān)性不顯著(P＞0.05),草本多樣性與林分年齡和林分平均胸徑呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P＜0.05),而與郁閉度呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01)。根據(jù)VIF對自變量進行多重共線性檢驗,得到林分結(jié)構(gòu)與功能的多元線性回歸模型。

2)綜合比較生物量積累、水源涵養(yǎng)、保育土壤和生物多樣性模型方程可知,逐步回歸分析后得到的自變量因子基本為林分年齡、林分平均胸徑、林分平均高和林分密度,其中林分平均高的系數(shù)在式8中顯著高于其他模型;因此,認為林分年齡、林分平均胸徑和林分密度對森林的各項功能均具有一定的影響,林分平均高更側(cè)重于影響森林的水源涵養(yǎng)功能。決定森林多功能水平的林分因子主要為林分年齡和林分平均胸徑。

3)由森林綜合功能模型可知,將樂國有林場82%的杉木林綜合功能指數(shù)為正數(shù),表明其森林多功能經(jīng)營水平較高,18%的杉木林綜合功能指數(shù)為負數(shù),這部分森林的木材生產(chǎn)能力和多樣性保護能力較弱;因此,需針對這部分林分進行結(jié)構(gòu)調(diào)整以提高森林的多功能性。

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Structure and function model of Chinese fir and itsm ixed-forest:
A case study in Jiangle state-owned forest farm,Fujian Province

Lu Nini1,Xu Hao1,Liao Wenchao2,Liao Xianglong1,LingWei1,Wang Xinjie1

(1.Forestry College of Beijing Forestry University,Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Jointly-constructed by Province and Ministry of Education,100083,Beijing,China;2.BeijingWater Consulting Corporation,100089,Beijing,China)

[Background]Due to the deterioration of ecological environment,forest service functions were gettingmore and more attention.Forest function is closely influenced by the structure.It has been the research focus that how to quantitative describe the relationship between forest structure and function. The purpose of this study is to define the quantitative relationship between Cunninghamia lanceolata forest stand structure and function through themultiple regression model,and then to improve the forestmultifunction management level and forest benefits by adjusting forest structure.[M ethods]C.lanceolata and itsmixed-forestwhich is typical in Jiangle state-owned forest farm in Fujian Province were taken as an example.Seventeen easymeasuring factors(stand age(A),stand average diameter at breast height (DBH),stand average height(H),stand density,maximum water holding capacity of litter,soil noncapillary water capacity,total P,total K,total N,organicmatter content,tree layer biomass,shrub layer biomass,herb layer biomass,shrub richness,herb richness,shrub diversity,herb diversity)werechosen as independent variables(IV),functions including forest biomass accumulation,water conservation,soil conservation and species diversity conservation were considered as dependent variables, then a forest structure and function model was built by multiple linear regression method,and a forest comprehensive function model was finally established by principal components analysis method. [Results]The stand biomass per hectare wasmainly determined by A,DBH and stand density(R2= 0.801 4).Water conservation function wasmostly influenced by A,DBH,H and stand density(R2= 0.561 2).Soil conservation function wasmainly affected by A,DBH and H(R2=0.561 2).Richness and diversity of undergrowth were determined by A,DBH,H and stand density(R2=0.661 8).Factors including A,DBH and stand density had influences on all of the studied forest functions,while stand average height had a significant effect on forest water conservation function.In the forest comprehensive function model,first five principal components,respectively,reflected the forest timber production function,species diversity conservation function,soil conservation function,biomass accumulation function and water conservation function.Among the 55 sample plots,the highest forest comprehensive function index(FI)was453(No.19)while the lowestwas-153(No.5).Sample plot No.19 had a significantly higher index in A,DNH,H and tree layer biomass than No.5.[Conclusions]Forest multi-function wasmainly determined by stand age and average DBH.82%of Chinese fir forest had a powerful forest comprehensive function,however,18%of Chinese fir foresthad a weak timber production capacity and diversity protection ability,which needs forest stand structural adjustment to raise its’forest multi-function level.

biomass accumulation;water conservation;soil conservation;species diversity conservation; forest comprehensive function

S718.56;S757

A

1672-3007(2016)02-0074-07

10.16843/j.sswc.2016.02.010

2015-06-25

2016-03-03

項目名稱:“十二五”國家科技計劃農(nóng)村領(lǐng)域課題“南方集體林區(qū)生態(tài)公益林可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)研究與示范”(2012BAD22B05);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(JD2010-2)

盧妮妮(1989—),女,碩士研究生。主要研究方向:森林經(jīng)理。E-mail:xyz2008_nizi@sina.cn

簡介:王新杰(1970—),男,博士,副教授。主要研究方向:林業(yè)遙感與3S技術(shù)綜合應(yīng)用,資源監(jiān)測技術(shù)與模型。E-mail:xinjiew@bjfu.edu.cn