彭檢貴

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,長沙 410004)

當(dāng)前,在人工林面積不斷擴(kuò)大、生態(tài)功能持續(xù)減退的背景下,對(duì)人工林進(jìn)行改造已經(jīng)成為森林可持續(xù)經(jīng)營的核心問題[1]。對(duì)人工針葉純林進(jìn)行改造,通過樹種引入、結(jié)構(gòu)調(diào)整、林下植物多樣性保護(hù)和促進(jìn)天然更新等一系列經(jīng)營措施,能夠優(yōu)化林分結(jié)構(gòu),增加物種多樣性并促使其向天然林方向演替。然而,目前研究多集中于同一發(fā)育階段的松類人工林、杉木人工林,對(duì)不同發(fā)育階段的馬尾松人工林改造效果分析仍鮮有報(bào)道。

如何對(duì)不同經(jīng)營措施改造后的林分進(jìn)行監(jiān)測(cè)與效果評(píng)價(jià),目前研究的熱點(diǎn)主要集中在物種多樣性[2]、土壤理化性質(zhì)[3-4]、冠層結(jié)構(gòu)[5-6]等方面。較高的樹種多樣性水平、豐富的林分結(jié)構(gòu)、較高的生長活力和物質(zhì)生產(chǎn)能力是森林生態(tài)系統(tǒng)最基本的質(zhì)量指標(biāo),也是多功能森林經(jīng)營追求的基本目標(biāo)[7]。

本研究以青羊湖國有林場(chǎng)馬尾松(PinusmassonianaLamb)人工林為研究對(duì)象,綜合考慮反映人工林經(jīng)營效果的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),通過連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用主成分分析法對(duì)不同齡組經(jīng)營效果建立綜合評(píng)價(jià)模型,進(jìn)行定量分析,最終得出不同發(fā)育階段的馬尾松人工林最佳經(jīng)營措施,以期為馬尾松人工林的可持續(xù)經(jīng)營和森林經(jīng)營方案的制定提供理論參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖南省寧鄉(xiāng)縣青羊湖國有林場(chǎng)位于寧鄉(xiāng)縣西部,地處寧鄉(xiāng)主要山系—雪峰山余脈,地理坐標(biāo)為北緯28°12′0″～28°10′20″,東經(jīng)111°58′0″～120°5′0″。林場(chǎng)平均坡度為35°,最高海拔為927.4m,最低海拔為166m。林場(chǎng)內(nèi)土壤以山地黃紅壤、山地黃棕壤為主,土層厚度為40～100cm,腐質(zhì)層厚度為18～28cm,土壤肥力較高。研究區(qū)氣候主要為中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。年平均氣溫為16.2℃,最高達(dá)40℃。平均降雨量為1 438.8mm,相對(duì)濕度為85%,無霜期為273d。林場(chǎng)土地總面積為1 129.1hm2,森林覆蓋率為98.7%。該林場(chǎng)內(nèi)的物種多樣,共有木本植物86科691種。有銀杏(Ginkgobiloba)、南方紅豆杉(Taxuschinensis)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)等5種國家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物；有香榧(Torreyagrandis)、鵝掌秋(Liriodendronchinese)等15種國家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物；名貴中藥材有杜仲(Eucommiaulmoides)、天麻(Gastrodiaelata)、黃連(Coptischinensis)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

在對(duì)林場(chǎng)內(nèi)馬尾松人工林進(jìn)行全面踏查的基礎(chǔ)上,于2015年選取立地條件大體一致、林相整齊的幼、中、近熟林3個(gè)齡組作為研究對(duì)象,每個(gè)齡組設(shè)置3塊作業(yè)樣地,共設(shè)置 9 塊20 m×30 m的固定標(biāo)準(zhǔn)地,并于2015,2017年和2019年對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行期初、期中、期末3次監(jiān)測(cè)。樣地調(diào)查監(jiān)測(cè)信息包括:喬木樹種組成、每木坐標(biāo)、胸徑、樹高、年齡、冠幅、枝下高、土壤類型與理化性質(zhì)等因子。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本概況Tab.1 Basic information of the sample plots

2.2 林下物種多樣性計(jì)算方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地的調(diào)查數(shù)據(jù),本研究采用Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和 Pielou 均勻度指數(shù)來綜合評(píng)價(jià)群落的物種多樣性,其計(jì)算公式如下[8-10]:

1) Patrick豐富度指數(shù)(D)

D=S

(1)

2) Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)

(2)

3) Pielou均勻度指數(shù)(J)

(3)

式中:Pi表示重要值比例即相對(duì)重要值,Pi是第i種的個(gè)體數(shù)量(ni)占總個(gè)體數(shù)量 (N)的比例,即Pi=ni/N；i=1,2,3,…,S。N表示樣地植物重要值的總和；Ni表示樣方中第i種植物的重要值；S是群落各樣方植被平均種數(shù)。

2.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),用容積 100 cm3的環(huán)刀通過S形取樣法分層(0～15,15～30,30～45,45～60 cm)采取土樣[11],每層取3個(gè)土樣,每塊樣地采取12個(gè)土樣,每個(gè)土壤樣本為1 kg,當(dāng)天采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。將各層次的土樣混合帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干磨碎后過0.25 mm和0.15 mm篩,檢測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀和土壤容重等指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)含量采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定[12]；pH值采用電位法(水土比為2.5∶1)測(cè)定；全氮用半微量凱氏法測(cè)定；全磷采用氫氧化鈉堿熔一鉬銻抗比色法測(cè)定；堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷用碳酸氫鈉浸提一鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀用乙酸銨浸提一火焰光度法測(cè)定[13]。

2.4 空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)

空間結(jié)構(gòu)參數(shù)混交度、角尺度、競(jìng)爭指數(shù)、開敞度和林層指數(shù)的計(jì)算參照惠剛盈[14-15]等的方法。

2.5 評(píng)價(jià)方法

采用 SPSS19.0對(duì)評(píng)價(jià)體系各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,運(yùn)用主成分分析法確定各主成分并計(jì)算各主成分權(quán)重,根據(jù)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)不同撫育間伐補(bǔ)植措施的馬尾松林樣地經(jīng)營效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

綜合評(píng)價(jià)函數(shù):根據(jù)確定的前m個(gè)主成分與各主成分的權(quán)重建立綜合評(píng)價(jià)函數(shù),如下式:

(4)

式中:F為不同撫育間伐補(bǔ)植的經(jīng)營樣地綜合評(píng)價(jià)得分；m為主成分；wk為第k個(gè)主成分的權(quán)重；Yk是第k個(gè)主成分(k=1,2,…,m)；綜合評(píng)價(jià)的得分越高,則表明該經(jīng)營效果越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同發(fā)育階段林分空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

從林分空間結(jié)構(gòu)連續(xù)3期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,不同發(fā)育階段的馬尾松林分在采取不同撫育間伐及補(bǔ)植措施后,林分空間結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均有變化,變化情況如圖1(a)—(e)所示。如圖1(a)所示,林木間不同樹種的隔離程度有所提高,其中中齡林的混交度變化幅度明顯高于幼齡林和近熟林,由弱度混交轉(zhuǎn)為中度混交狀態(tài)；如圖1(b)所示,3個(gè)發(fā)育階段的馬尾松林角尺度均呈下降趨勢(shì),幼齡林林木分布格局由團(tuán)狀轉(zhuǎn)為隨機(jī)分布,中齡林和近熟林林木分布格局趨向于均勻分布；如圖1(c)所示,從林木競(jìng)爭動(dòng)態(tài)變化可知,3個(gè)發(fā)育階段的馬尾松林競(jìng)爭指數(shù)均明顯下降,其中幼齡林變化幅度最大,表明期初幼齡的林木生長競(jìng)爭激烈,經(jīng)撫育間伐競(jìng)爭減小；如圖1(d)所示,幼齡林林分開敞度隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)大幅度下降趨勢(shì),中齡林與近熟林開敞度先減小后變大且變化幅度不顯著,表明林分的郁閉度隨時(shí)間變化而增大,經(jīng)過間伐措施郁閉度變小,林內(nèi)透光條件得到改善,有利于林木生長；如圖1(e)所示,從林分垂直結(jié)構(gòu)變化看,期初下層林木較少,經(jīng)過補(bǔ)植促使下層林木增加,其垂直分層結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,幼齡林林層指數(shù)逐漸增大,中齡林與近熟林林層指數(shù)先增大后趨于穩(wěn)定。

注:圖中小寫字母不同表示差異顯著

圖1 不同齡組林分空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化

Fig.1 Dynamic change of spatial structure of different age groups

3.2 不同發(fā)育階段林下物種多樣性動(dòng)態(tài)分析

監(jiān)測(cè)林分林下物種多樣性的情況,便于了解馬尾松林林下植被群落的特點(diǎn)[16]。由圖2可知,馬尾松林不同發(fā)育階段的林分Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)大體上均隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。其中,馬尾松中齡林與近熟林的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)在監(jiān)測(cè)過程中呈現(xiàn)出增大趨勢(shì),中齡林監(jiān)測(cè)末期較監(jiān)測(cè)初期3個(gè)指數(shù)分別提高13.3%,50.6%,2.6%；近熟林監(jiān)測(cè)末期較監(jiān)測(cè)初期3個(gè)指數(shù)分別提高7.7%,45.8%,1.3%。對(duì)于幼齡林而言,其豐富度指數(shù)隨時(shí)間增長呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),監(jiān)測(cè)末期較監(jiān)測(cè)初期提高8.3%,其Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)隨時(shí)間增均呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),監(jiān)測(cè)末期較監(jiān)測(cè)初期分別提高25.9%,2.6%。通過以上分析可以看出,經(jīng)營后3個(gè)發(fā)育階段馬尾松林林下物種多樣性指數(shù)均有明顯提高,說明撫育間伐有利于林下植被的生長[17],物種數(shù)量增多,分布也更加均勻。

圖2 不同齡組林分樹種多樣性動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic variation of tree species diversity in different age groups

3.3 不同發(fā)育階段馬尾松林改造土壤肥力對(duì)比分析

如圖3所示,通過對(duì)馬尾松林改造前后間隔6年的土壤肥力進(jìn)行對(duì)比分析：由圖3(a)可知,改造后的馬尾松幼齡林、中齡林和近熟林的土壤有機(jī)質(zhì)與改造前相比分別增加了35%,26.67%和9.68%；由圖3(b)可知,馬尾松幼齡林和中齡林土壤pH值增大,增加的比例分別為2.17%和4.35%,而近熟林的土壤pH值略微降低了1.08%；由圖3(c)可知,土壤全氮分別增加了28.57%,30%和13.64%；由圖3(d)可知,全磷分別增加了41.18%,14.29%和13.04%；由圖3(e)可知,土壤堿解氮分別增加了41.67%,40%和15%；由圖3(f)可知,土壤有效磷分別增加了20.41%,9.52%和4.35%；由圖3(g)可知,土壤速效鉀分別比改造前增加了31.91%,26.83%和5%；由圖3(h)可知,改造后的馬尾松幼齡林和中齡林土壤容重分別降低了9.09%和8.33%,近熟林土壤容重增加了5%。綜上所述,馬尾松幼齡林和中齡林土壤肥力提高程度明顯優(yōu)于馬尾松近熟林,究其原因是幼齡林撫育間伐后補(bǔ)植了闊葉樹種欒樹(Koelreuteriapaniculata)和馬褂木(Liriodendronchinense(Hemsl.)),中齡林補(bǔ)植了深山含笑(MicheliamaudiaeDunn)、欒樹和馬褂木,馬尾松近熟林未間伐而直接補(bǔ)植針葉樹種紅豆杉,經(jīng)過撫育間伐補(bǔ)植闊葉樹種后,林木空間結(jié)構(gòu)更為合理[18-19],地表枯枝落葉增多,有利于根系和微生物活動(dòng),使土壤通透性和土壤養(yǎng)分增加[20],有利于提高土壤的生態(tài)功能。

注:圖中小寫字母不同表示差異顯著

圖3 不同齡組土壤肥力動(dòng)態(tài)變化

Fig.3 Dynamic changes of soil fertility in different age groups

3.4 林木生長動(dòng)態(tài)變化分析

森林的合理結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定性的基礎(chǔ),而生長能力是森林保持活力的基礎(chǔ),蓄積生長量是森林最本質(zhì)的生長能力。由表2中2015—2019年經(jīng)營林分的蓄積動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)不同齡組蓄積生長量的差異特征。

3.5 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

應(yīng)用主成分分析法對(duì)馬尾松林3個(gè)齡組的經(jīng)營樣地進(jìn)行經(jīng)營效果綜合評(píng)價(jià)。首先對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,再用SPSS軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,得到的方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知,有4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為92.608%,大于85 %,因此選這4個(gè)主成分充分表達(dá)各樣地經(jīng)營效果。通過分析得到選定的4個(gè)主成分的因子載荷如表4所示。

由表4各因子載荷的絕對(duì)值可知,第1主成分在土壤肥力速效鉀、樹種組成、均勻度指數(shù)、全磷、有機(jī)質(zhì)、多樣性指數(shù)、全氮、pH值指標(biāo)上有較大載荷；第2主成分在蓄積年生長量、樹種豐富度指數(shù)、林分空間結(jié)構(gòu)開闊比數(shù)、有效磷、角尺度、混交度、土壤肥力堿解氮、容重指標(biāo)上有較大載荷；第3主成分在林分空間結(jié)構(gòu)競(jìng)爭指數(shù)、林層指數(shù)、角尺度指標(biāo)上有較大載荷；第4主成分在土壤容重、林分空間結(jié)構(gòu)林層指數(shù)、競(jìng)爭指數(shù)、樹種豐富度指數(shù)指標(biāo)上有較大載荷。

表2 不同間隔期林分蓄積生長動(dòng)態(tài)Tab.2 Volume dynamics on stand level of different investigation

注:V1表示期初蓄積；V2表示期末蓄積；PAI表示蓄積年生長量,PAI=(V2-V1)/間隔年數(shù)[21]。

表3 總方差分析Tab.3 Total Variance Explained

表4 因子載荷矩陣表Tab.4 Component Matrix

計(jì)算出4個(gè)主成分的因子得分,確定每個(gè)主成分的權(quán)重依次為0.505,0.326,0.098和0.07,利用公式(4)建立的綜合評(píng)價(jià)函數(shù),計(jì)算出各改造樣地的經(jīng)營效果綜合評(píng)價(jià)得分及排名。由表5綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知,各改造樣地的綜合得分從高到低排名依次是：P6,P4,P5,P1,P2,P7,P3,P8和P9,表明中齡林改造效果最好,其次是幼齡林。

表5 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Comprehensive evaluation results

4 討論與結(jié)論

林分空間結(jié)構(gòu)是評(píng)價(jià)森林經(jīng)營效果的重要指標(biāo)之一,利用林分混交度、角尺度、競(jìng)爭指數(shù)、開闊比數(shù)和林層指數(shù)等參數(shù)分析林分空間結(jié)構(gòu),有利于讓人們對(duì)森林的生長有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)。對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)各個(gè)指標(biāo)的分析可知,改造后的馬尾松幼齡林與中齡林逐步擺脫了弱度混交、水平分布均勻和中庸?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)特征,林分空間結(jié)構(gòu)較好,有利于森林穩(wěn)定性的提高。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,調(diào)整空間結(jié)構(gòu)是一個(gè)長期的過程,還需要定期對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),從而促使馬尾松林空間結(jié)構(gòu)逐步向理想的林分空間結(jié)構(gòu)演替。

單一樹種構(gòu)成的森林其結(jié)構(gòu)和功能必然是簡單的,而多個(gè)樹種構(gòu)成的森林則會(huì)對(duì)應(yīng)多樣化的內(nèi)部關(guān)系和復(fù)雜的森林功能與產(chǎn)出[22]。經(jīng)過撫育間伐和補(bǔ)植闊葉樹種后,群落的樹種組成和多樣性提高,豐富的森林群落具有很強(qiáng)的抵抗干擾的能力。研究結(jié)果表明,植物多樣性和森林經(jīng)營效果存在正相關(guān)關(guān)系,多樣性較高的群落抗干擾能力強(qiáng),森林經(jīng)營改造效果好。

地上部分,多樹種組成和合理的空間結(jié)構(gòu)促進(jìn)了地表微生物分解層的顯著發(fā)育,分解層推動(dòng)了地下土壤和根系的豐富和發(fā)展,土壤肥力顯著增強(qiáng),構(gòu)成了森林生態(tài)系統(tǒng)整體的良性循環(huán),使得森林的穩(wěn)定性和活力持續(xù)提高。

本研究依據(jù)青羊湖林場(chǎng)不同發(fā)育階段馬尾松林經(jīng)營前后的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),選取林分空間結(jié)構(gòu)、物種多樣性、土壤肥力、林木生長與收獲評(píng)價(jià)指標(biāo),應(yīng)用主成分分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),對(duì)比分析出青羊湖林場(chǎng)不同發(fā)育階段的馬尾松林最適宜的經(jīng)營措施,其中對(duì)中齡林的改造效果最佳,評(píng)價(jià)結(jié)果具有全面性和科學(xué)性,為馬尾松林的撫育間伐及補(bǔ)植等經(jīng)營改造技術(shù)提供了參考和依據(jù)。