于世川，張建國，葉權(quán)平，張文輝*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 陜西省林業(yè)綜合實驗室，陜西 楊陵 712100；2.陜西省延安市黃龍山林業(yè)局，陜西 黃龍 715700)

遼東櫟(Quercuswutaishanica)為殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)植物，作為暖溫帶落葉闊葉林地帶性植被類型的主要樹種，對暖溫帶落葉闊葉林的外貌、結(jié)構(gòu)和動態(tài),甚至種類組成都有重要作用。關(guān)于遼東櫟撫育間伐主要集中在群落穩(wěn)定性、林木更新、種群結(jié)構(gòu)等某一方面的研究，但是缺乏對林分質(zhì)量進行綜合評價。在黃龍山林區(qū)，遼東櫟是主要的建群種之一，形成遼東櫟純林和以遼東櫟為優(yōu)勢種的落葉闊葉混交林，在涵養(yǎng)水源、水土保持、改善生態(tài)環(huán)境、天然林持續(xù)發(fā)育及維持生物多樣性發(fā)揮著重要的作用[1]。同時，遼東櫟也為當?shù)靥峁┠静?，作為培養(yǎng)食用菌的主要原料，種子中淀粉可以釀酒 ，葉子可以養(yǎng)蠶，具有重要經(jīng)濟價值[2]。

撫育間伐作為森林經(jīng)營重要措施，對于改善林分衛(wèi)生狀況，促進林木生長，建立適宜的林分結(jié)構(gòu)，提升林分質(zhì)量有重要意義。林分質(zhì)量是林分發(fā)揮生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益的綜合體現(xiàn)。經(jīng)營多功能森林是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的需求，對林分質(zhì)量綜合評價可以有效反映多功能森林經(jīng)營的成果。國內(nèi)外對林分質(zhì)量的評價選取的指標因林分功能發(fā)生相應(yīng)變化[3-5]，但可以概括為林分穩(wěn)定性[6-8]、林分結(jié)構(gòu)[9-11]、林分生產(chǎn)力[11-12]、優(yōu)勢樹種價值[13-14]、立地質(zhì)量[15-16]、更新演替潛力[17-20]等，但是研究間伐對遼東櫟林分質(zhì)量的影響尚未見報道。本研究是在黃龍山林區(qū)間伐10 a后，綜合考慮林分持續(xù)發(fā)育和生態(tài)防護功能的基礎(chǔ)上，提升林產(chǎn)品數(shù)量與質(zhì)量，選擇發(fā)育潛力、生長量和持水能力3方面來研究不同間伐強度即輕度(保留郁閉度0.8)、中度(保留郁閉度0.7)、重度(保留郁閉度0.6)與對照(郁閉度0.9)下對遼東櫟林分質(zhì)量的影響并進行綜合評價，探討遼東櫟林分質(zhì)量在不同間伐強度下的差異，為黃土高原地區(qū)森林經(jīng)營提供依據(jù)，為林分質(zhì)量評價體系的構(gòu)建提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇在延安市黃龍山林業(yè)局蔡家川林場，地理位置109°38′49″-110°12′47″E，35°28′46″-36°02′01″N，海拔 962.6～1 783.5 m，屬暖溫帶半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，年均氣溫8.6℃ ，最高氣溫36.7℃ ，最低氣溫-22.5℃，無霜期 126～186 d，年均降水量611.8 mm。該林區(qū)屬暖溫帶落葉闊葉林，以遼東櫟(Q.wutaishanica)、油 松 (Pinustabulaeformis) 、白樺 (Betulaplatyphylla)為建群種形成的純林或者混交林呈鑲嵌性分布，并伴有茶條槭 (Acerginnala)、山楊 (Populusdavidiana)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、鵝耳櫪(Carpinusturczaninowii)、紅麩楊(Rhuspunjabensis)等伴生樹種，灌木主要有金銀忍冬(Loniceramaackii)、土莊繡線菊 (Spiraeapubescens)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、胡枝子(Lespedezabicolor)、陜西莢蒾(Viburnumschensianum)、南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、剛毛忍冬(Lonicerahispida)、黃刺玫(Rosahugonis)、胡頹子(Elaeagnuspungens)、杠柳(Periplocasepium)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)等；草本層主要有大披針薹草(Carexlanceolata)、白茅(Imperatacylindrica)、茜草(Rubiacordifolia)、披堿草(Elymusdahuricus)、黃精(Polygonatumsibiricum)、敗醬(Patriniascabiosifolia)、山羅花(Melampyrumroseum)等[1，21-22]。

該地區(qū)遼東櫟為天然次生林，撫育以前，林分表現(xiàn)為純林多、密度大、生長不良，劣質(zhì)木、病蟲木比例增大，由于林木競爭作用、自然稀疏，使林分基本維持郁閉度0.9左右。2004 年實施采伐作業(yè)，以近自然森林經(jīng)營理念為指導(dǎo)，將林內(nèi)樹木分為目標樹、特別目標樹、干擾樹和一般林木，通過標記目標樹，對目標樹單株木撫育管理，擇伐干擾樹，保護特別目標樹與目標樹，使林木分布均勻，調(diào)整林分結(jié)構(gòu)更為合理，提升林分質(zhì)量。為了比較間伐強度對林分質(zhì)量的影響，本研究在陰陽坡分別采取了3種間伐強度，包括重度(保留郁閉度0.6)、中度(保留郁閉度0.7)、輕度(保留郁閉度0.8)撫育間伐與對照(郁閉度0.9)。為了保留郁閉度不變，每隔3 a進行1次撫育間伐，共撫育間伐3次。本研究結(jié)果所利用的數(shù)據(jù)，是2004年16個固定樣地間伐后的調(diào)查數(shù)據(jù)(與本研究相關(guān)數(shù)據(jù)未發(fā)表)和2014年對樣地監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查 2004年對遼東櫟林充分踏查，在蔡家川林場143林班，通過典型取樣，共設(shè)置20 m×20 m樣地16個，每個郁閉度各設(shè)置4個樣地(陰坡、陽坡各2個)。每塊樣地的4個角與中央設(shè)置5個5 m×5 m灌木(幼苗幼樹)樣方，在每個灌木(幼苗幼樹)樣方左下角設(shè)置1 m×1 m草本樣方。遼東櫟調(diào)查樣地基本特征見表1。

表1 2004年遼東櫟調(diào)查樣地間伐前基本特征Table 1 Stand characteristics of Q.wutaishanica forest in 2004 before thinning

2014年對樣地喬木進行每木檢尺，記錄喬木樹高、胸徑、冠幅、數(shù)量、頻度，計算喬木蓄積量、建群種重要值；灌木、草本調(diào)查蓋度、多度、頻度、基徑、平均高、平均冠幅等；幼苗幼樹(胸徑DBH<4 cm)，記錄株數(shù)和高度，樣地內(nèi)的數(shù)值由小樣方換算而來。

在灌木樣方中，按灌木種類選取生長勢處于平均水平的個體作為標準木，分別將不同種類的標準灌木連根挖出，將完整的植株分成根、主干、側(cè)枝和葉4個部分，分別稱取各部分的鮮質(zhì)量。另外，在草本樣方中，按草本種類將草本連根挖出，分地上、地下部分稱鮮質(zhì)量。在實驗室 80 ℃ 條件下，將灌木和草本樣品烘干至恒重，稱干重[4,23]。在各樣地右上、中間和左下選擇3個具有代表性的1 m×1 m樣方，測量枯落物厚度、腐殖質(zhì)厚度。

1.2.2 建立林分質(zhì)量評價體系 基于遼東櫟在黃土高原地區(qū)發(fā)揮的作用，選取具有代表性12個指標反應(yīng)林分質(zhì)量，利用層次分析法的基本原理，將遼東櫟林分質(zhì)量評價體系分為有隸屬關(guān)系的3層遞階層次結(jié)構(gòu)，分別為：

最高層：表示解決問題的目的，即AHP所要達到的目標——林分質(zhì)量最好[24]。

中間層：包括了為實現(xiàn)目標所涉及的中間環(huán)節(jié),它可由若干個層次組成,本研究分為2個層次，準則層A為發(fā)育潛力、生長量、持水能力，準則層B為幼苗幼樹密度、建群種幼苗幼樹數(shù)量/建群種數(shù)量、物種豐富度、建群種重要值、樹高平均生長量、胸徑平均生長量、喬木蓄積量、灌草生物量、灌木蓋度、草本蓋度、枯落物厚度、腐殖質(zhì)厚度。

最低層：表示為實現(xiàn)目標可供選擇的各種措施、決策、方案等,因此又稱為措施層或方案層，即重度間伐、中度間伐、輕度間伐、對照[24]。

1.2.3 構(gòu)建判斷矩陣 請專家根據(jù)遼東櫟林功能特點與實踐經(jīng)驗對各元素評價，將同一層次中兩兩元素間相對重要性給出一定尺度判斷,按照2元素A與B同等重要、A比B稍重要、A比B重要、A比B明顯重要和A比B極端重要分別以 1、3、5、7、9作為標度，并以2、4、6、8表示相鄰判斷的中間值，用這些值的倒數(shù)表示2個元素的反比較構(gòu)建判斷矩陣[4，23，25]。

1.2.4 一致性檢驗

BW=λmaxW

(1)

式中,λmax是矩陣B的最大特征根,W是相應(yīng)的特征向量,W的分量即是相應(yīng)元素單排序的權(quán)值[23]。

CI=(λmax-n)-(n-1)

(2)

式中，CI為一致性指標，n為矩陣階數(shù)[23]。

CR=CI/RI

(3)

式中，CR為判斷矩陣隨機一致性比率，RI為平均隨機一致性指標，RI值可查表(表2)[24]。

表2 平均隨機一致性指標Table 2 Average consistency index

當CR<0.1時,認為判斷矩陣具有滿意的一致性，即計算得出的權(quán)重值可靠。否則,說明構(gòu)建的判斷矩陣不合理,必須重新調(diào)整判斷矩陣,直至滿足一致性[24]。

1.2.5 林木質(zhì)量綜合評價

(4)

式中，Ai為第i種間伐強度的林分質(zhì)量綜合評價得分，Xij為第i種間伐強度第j個指標所對應(yīng)得分，Wj為第j個指標的權(quán)重[22]。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 按照林分質(zhì)量調(diào)查的指標，將同一間伐強度(同一郁閉度)樣地數(shù)據(jù)進行合并，取平均值，用Excel對數(shù)據(jù)進行初步整理和計算平均值，利用SPSS20.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，用最小顯著法(LSD)結(jié)合Duncan檢驗比較參數(shù)間差異性(α=0.05)。采用origin 9.0軟件進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)建指標的判斷矩陣并進行一致性檢驗

林分質(zhì)量評價判斷矩陣、貢獻率和CR值見表3，可以看出準則層A各指標權(quán)重為：發(fā)育潛力(0.691)>持水能力(0.218)>生長量(0.091)，發(fā)育潛力是林分能夠持續(xù)生存的前提，對遼東櫟林分質(zhì)量影響最大；持水能力對遼東櫟林分質(zhì)量有一定影響，生長量對遼東櫟林分質(zhì)量影響較小，這符合林分在黃土高原地區(qū)是以發(fā)揮生態(tài)功能的基礎(chǔ)上提高林產(chǎn)品的特性。發(fā)育潛力、生長量和持水能力的判斷矩陣、貢獻率和CR值見表4～表6，各判斷矩陣隨機一致性比率CR值分別為0.051 6、0.029 9、0.005 4、0.028 7，均<0.1，說明各判斷矩陣具有滿意的一致性，可以用于權(quán)重計算。

表3 林分質(zhì)量評價判斷矩陣Table 3 Determining matrix of forest stand quality evaluation

2.2 評價指標權(quán)重

用高斯迭代法求解各層次上評價指標判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量，得到林分質(zhì)量評價指標權(quán)重見表7?？梢钥闯鰷蕜t層B各指標權(quán)重為：建群種幼苗幼樹數(shù)量/喬木數(shù)量(0.389 6)>物種豐富度(0.182)>腐殖質(zhì)厚度(0.111 7)>幼苗幼樹密度(0.081 4)>枯落物厚度(0.072 3)>喬木蓄積量(0.044 2)>建群種重要值(0.038)>灌草生物量(0.024 8)>灌木蓋度(0.023 3)>胸徑平均生長量(0.014 3)>草本蓋度(0.010 4)>樹高平均生長量(0.008 1)，建群種幼苗幼樹數(shù)量/喬木數(shù)量、物種豐富度、腐殖質(zhì)厚度對林分質(zhì)量影響較大，幼苗幼樹密度、枯落物厚度、喬木蓄積量、建群種重要值、灌草生物量、灌木蓋度、對林分質(zhì)量影響一般，胸徑平均生長量、草本蓋度、樹高平均生長量、對林分質(zhì)量影響較小。

表4 發(fā)育潛力指標判斷矩陣Table 4 Determining matrix of developmental competence

2.3 評價指標分級和林木形質(zhì)等級

圖1為對評價林分質(zhì)量的12個指標進行單因素方差分析，可以看出無論陰坡還是陽坡，胸徑平均生長量隨著間伐強度增大而增大，但受間伐強度影響不顯著；其余11個指標在陰陽坡中均表現(xiàn)為受間伐強度影響顯著。在陽坡，灌木蓋度、草本蓋度在重度間伐時最大，分別為0.37±0.023 8、0.75±0.020 41；建群種幼苗幼樹數(shù)量/建群種數(shù)量、建群種重要值、灌木蓋度、草本蓋度與對照相比隨著間伐強度增大而增大；喬木蓄積量、枯落物厚度與對照相比隨著間伐強度增大而減??；幼苗幼樹密度、物種豐富度、樹高平均生長量、灌草生物量、腐殖質(zhì)厚度與對照相比隨著間伐強度增大先增加后減小，中度間伐時最大，分別為5 198.25±36.851 9株·hm-2、17.5±0.288 68 cm、29.3±2.146 cm、1.62±0.031 89 t·hm-2、2.5±0.081 65 cm。在陰坡，幼苗幼樹密度在中度間伐時最大，為1 839.25±18.309 26株·hm-2；重度間伐次之，為1 402.25±24.760 1株·hm-2；建群種幼苗幼樹數(shù)量/建群種數(shù)量只有在中度間伐時增加；物種豐富度、樹高平均生長量、灌木蓋度、草本蓋度與對照相比隨著間伐強度增大而增大；喬木蓄積量與對照相比隨著間伐強度增大而減??；枯落物厚度相比于對照均減少，中度間伐比輕度間伐、重度間伐大；建群種重要值、灌草生物量、腐殖質(zhì)厚度與對照相比隨著間伐強度增大先增加再減小，中度間伐時最大。

表5 生長量指標判斷矩陣Table 5 Determining matrix of growth

表6 持水能力指標判斷矩陣Table 6 Determining matrix of water-holding capacity

表7 評價指標權(quán)重Table 7 Relative weight of evaluating indicators

結(jié)合單因素方差分析結(jié)果與12個指標具體數(shù)值波動范圍，將各指標劃分5個區(qū)間，表示5個質(zhì)量等級，分別按照各林分質(zhì)量指標所表達的生物學(xué)意義，按百分制給質(zhì)量等級賦值．質(zhì)量等級依次用好、較好、中、較差、差表示，對應(yīng)的得分值依次為100、80、60、40和20(表8)。

依據(jù)表8對遼東櫟林分質(zhì)量綜合得分計算并劃分等級(表9)，≥90分，林木形質(zhì)好，記為Ⅰ級；80～90分，林分質(zhì)量較好，記為Ⅱ級；70～80分，林分質(zhì)量中等，記為Ⅲ級，60～70分，林分質(zhì)量較差，記為Ⅳ級；<60分，林分質(zhì)量差，記為Ⅴ級。在陽坡，中度間伐遼東櫟林分質(zhì)量較好，綜合得分達83.502分，重度間伐遼東櫟林分質(zhì)量中等，輕度間伐和對照遼東櫟林分質(zhì)量差；在陰坡，中度間伐遼東櫟林分質(zhì)量好，綜合得分達91.660分，重度間伐、輕度間伐遼東櫟林分質(zhì)量較差，對照的遼東櫟林分質(zhì)量差。無論陽坡還是陰坡，與對照相比，隨著間伐強度增加，遼東櫟林分質(zhì)量先增加后減少，中度間伐是其最佳間伐強度。

3 結(jié)論與討論

林分質(zhì)量評價是對森林資源保護與可持續(xù)利用的基礎(chǔ)，建立一套科學(xué)的林分質(zhì)量評價體系可以為科學(xué)制定森林保護對策提供依據(jù)，對提高森林可持續(xù)經(jīng)營水平和環(huán)境管理水平具有重要的指導(dǎo)作用[26]。林分質(zhì)量是一個綜合性指標，對其評價應(yīng)該考慮綜合性和代表性，目前對林分質(zhì)量的評價指標的選擇沒有統(tǒng)一的標準，各指標占有的權(quán)重也沒有統(tǒng)一規(guī)定，本研究結(jié)合遼東櫟林分在黃土高原地區(qū)的功能特點，選取代表性指標12個，可以較全面地反映遼東櫟林發(fā)育潛力、生長量、持水能力，對間伐10 a后黃龍山遼東櫟林分質(zhì)量進行綜合評價，得出無論在陽坡還是陰坡，中度間伐(保留郁閉度0.7)下遼東櫟林分質(zhì)量評價得分最高，說明中度間伐(保留郁閉度0.7)可以有效提高遼東櫟林分質(zhì)量，可以為黃土高原地區(qū)森林經(jīng)營提供借鑒。

圖1 不同間伐強度與對照下遼東櫟林分質(zhì)量評價指標的情況Fig.1 Situation of Q.wutaishanica forest stand quality evaluation index with different thinning intensities and control plots

在陽坡，由于撫育間伐改善林內(nèi)結(jié)構(gòu)，提高林內(nèi)生境條件[27-28]，在郁閉度0.7生境中，更適合幼苗幼樹更新生長，利于喬木、灌木、草本的生長，適合植物遷移定居，利于枯落物分解和腐殖質(zhì)積累，因此幼苗幼樹密度、物種豐富度、樹高平均生長量、灌草生物量、腐殖質(zhì)在中度間伐(保留郁閉度0.7)下表現(xiàn)最好；隨著間伐強度的增大，去劣留優(yōu)，遼東櫟胸徑平均生長量增加，林內(nèi)保留的建群種具有優(yōu)質(zhì)的遺傳資源比例增加，建群種幼苗幼樹存活量增加，同時，光照強度隨著間伐強度增加而增大，林下喜光的灌木與草本會擴大分布范圍，因此在郁閉度0.6時建群種幼苗幼樹/建群種數(shù)量、建群種重要值、胸徑平均生長量、灌木蓋度、草本蓋度在重度間伐(保留郁閉度0.6)下表現(xiàn)最好；由于間伐除去部分林木，導(dǎo)致喬木蓄積量和枯落物厚度相對于對照減少，因此喬木蓄積量、枯落物厚度在對照(郁閉度0.9)下表現(xiàn)最好。

表8 林分質(zhì)量評價指標等級及評分標準Table 8 Criteria and indicator interval partition，quality class and scores for forest stand quality evaluation

續(xù)表8

準則層A準則層B區(qū)間劃分陽坡陰坡質(zhì)量狀況得分枯落物厚度/cm[0,3.6)[0,3.7)差20[3.6,4.0)[3.7,4.2)較差40[4.0,4.4)[4.2,4.7)中60[4.4,4.8)[4.7,5.2)較好80[4.8,∞)[5.2,∞)好100腐殖質(zhì)厚度/cm[0,1.2)[0,1.5)差20[1.2,1.8)[1.5,2)較差40[1.8,2.4)[2,2.5)中60[2.4,3)[2.5,3)較好80[3,∞)[3,∞)好100

表9 林分質(zhì)量綜合得分及林分質(zhì)量等級Table 9 Forest stand quality synthetic value and quality grade

在陰坡，撫育間伐增加林內(nèi)光照強度，在郁閉度0.7生境中，適宜的光照條件更利于幼苗幼樹更新生長、灌木草本生長、枯落物分解和有機質(zhì)積累，因此幼苗幼樹密度、建群種幼苗幼樹/建群種數(shù)量、建群種重要值、灌草生物量、腐殖質(zhì)在中度間伐(保留郁閉度0.7)下表現(xiàn)最好[27-28]；陰坡林下植被主要是耐陰植物，隨著間伐強度增加，林內(nèi)光照增強，利于樹高、胸徑、灌草的生長，因此物種豐富度、樹高平均生長量、胸徑平均生長量、灌木蓋度、草本蓋度在重度間伐(保留郁閉度0.6)下表現(xiàn)最好；由于間伐除去部分林木，導(dǎo)致喬木蓄積量和枯落物厚度相對于對照減少，喬木蓄積量、枯落物厚度在對照(郁閉度0.9)下表現(xiàn)最好。

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