張凌宇 劉兆剛 趙 慶 唐洪輝

（1. 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2. 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林更新是表征森林生產(chǎn)潛力的重要指標(biāo)，是維持群落動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)，也是森林自我修復(fù)的重要途徑。在以往的森林調(diào)查中，對(duì)于森林更新的調(diào)查往往采用在樣地的四角和中心設(shè)置小樣方的方法進(jìn)行調(diào)查[1-4]，同時(shí)對(duì)于起測(cè)高度或胸徑也有一定限制，很少有對(duì)整個(gè)樣地進(jìn)行無(wú)差別森林更新調(diào)查的。以往的調(diào)查方法存在缺陷，例如通過(guò)重力進(jìn)行種子擴(kuò)散的樹(shù)種，其更新往往集中在母樹(shù)周圍，但是母樹(shù)并不一定位于所選取樣方的周邊，因此，通過(guò)四角和樣地中心設(shè)置樣方對(duì)全林的更新進(jìn)行估算的方法具有不準(zhǔn)確性，并且在調(diào)查中往往很難從直觀上判斷更新?tīng)顩r的優(yōu)劣，而對(duì)整個(gè)樣地進(jìn)行調(diào)查則耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。有研究顯示，種源不足、生物抑制障礙、生境異質(zhì)性、種群障礙、人為干擾等諸多因子影響森林更新的優(yōu)劣[5]。因此，本文以大興安嶺地區(qū)的3種典型森林類型（白樺林Betula platyphylla、針闊混交林、落葉松林）為主要研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建森林更新影響因子的指標(biāo)體系，以熵-AHP 法確定各指標(biāo)權(quán)重值，采用線性函數(shù)綜合評(píng)價(jià)法得出116 塊樣地森林更新影響因子的綜合評(píng)價(jià)值，對(duì)其在判斷更新優(yōu)劣的準(zhǔn)確性上進(jìn)行檢驗(yàn)，最后以該綜合評(píng)價(jià)值為基礎(chǔ)，對(duì)不同林型下的更新?tīng)顩r進(jìn)行分析。本研究提出了基于森林更新影響因子評(píng)價(jià)體系構(gòu)建的一種更新優(yōu)劣判斷方法，為該地區(qū)天然次生林的經(jīng)營(yíng)決策提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，同時(shí)評(píng)價(jià)過(guò)程也可以為不同地區(qū)更新影響因子評(píng)價(jià)提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑龍江大興安嶺新林林業(yè)局翠崗林場(chǎng)、新林林場(chǎng)、松嶺林業(yè)局壯志林場(chǎng)，其中翠崗林場(chǎng)（124°5′～124°30′ E，51°38′～51°47′ N）位于大興安嶺新林區(qū)東北部，施業(yè)區(qū)總面積160 101 hm2。新林林場(chǎng)（123°41′～125°25′ E，51°20′～52°10′ N）地處黑龍江省西北部，和翠崗林場(chǎng)同屬新林區(qū)管轄，施業(yè)區(qū)總面積143 926 hm2。壯志林場(chǎng)（123°29′～124°18′ E，50°58′～51°23′ N）位于大興安嶺松嶺區(qū)西北端，施業(yè)區(qū)總面積131403 hm2。新林區(qū)主要樹(shù)種包括興安落葉松Larix gmelinii、白樺、樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、紅皮云杉Picea koraiensis、山楊Populus davidiana等，灌木主要包括興安杜鵑Rhododendron dauricum、胡枝子Lespedeza bicolor、杜香Ledum palustre和越桔Vaccinium vitisidaea等。壯志林場(chǎng)主要樹(shù)種有興安落葉松、白樺和山楊等，灌草種類包括篤斯越桔Vaccinium uliginosun、紅花鹿蹄草Pyrola incarnata等。

采用充電較好環(huán)狀電極，試驗(yàn)利用感應(yīng)充電的原理，在噴頭上安裝銅圈和絕緣環(huán)，然后接上高壓直流電源，對(duì)霧滴形成區(qū)域施加環(huán)狀感應(yīng)電極[2]。環(huán)狀電極為自制的電極并且在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段進(jìn)行了霧滴帶電噴霧的預(yù)試驗(yàn)并取得了良好的荷電效果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行液力式噴霧機(jī)高壓靜電噴霧，研究霧滴粒數(shù)和平均粒徑的沉降分布狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2017—2019 年大興安嶺新林林業(yè)局新林林場(chǎng)、翠崗林場(chǎng)、松嶺林業(yè)局壯志林場(chǎng)的固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，3 年間共設(shè)置面積為20×30 m 的樣地116 塊，在樣地調(diào)查過(guò)程中，對(duì)于樣地內(nèi)胸徑≥5 cm 的林木進(jìn)行每木檢尺，記錄其樹(shù)種、狀態(tài)、胸徑、樹(shù)高、冠幅以及坐標(biāo)位置等信息，胸徑＜5 cm 記為更新層，記錄更新層所有個(gè)體的樹(shù)種、狀態(tài)、地徑或胸徑（樹(shù)高＞1.3 m）、樹(shù)高及位置等信息，對(duì)所有樣地的森林更新進(jìn)行了全部調(diào)查（不區(qū)分起測(cè)地徑和高度），需要指出的是在統(tǒng)計(jì)更新株數(shù)的過(guò)程中，只記錄了實(shí)生苗的天然更新株數(shù)，對(duì)于蘗生苗和萌生苗沒(méi)有進(jìn)行記錄。同時(shí)，在樣地中心設(shè)置5×5 m 的樣方進(jìn)行灌木調(diào)查，在樣地的四角設(shè)置1×1 m 的樣方進(jìn)行草本調(diào)查。各樣地的基本統(tǒng)計(jì)量見(jiàn)表1。

本研究結(jié)合實(shí)際以及前人關(guān)于森林更新影響因子的相關(guān)研究，主要從林分結(jié)構(gòu)、林分因子、土壤理化性質(zhì)、林下植被特征和干擾等5 個(gè)方面來(lái)對(duì)不同林型下森林更新影響的差異進(jìn)行探討。

1.3 研究方法

1.3.1 森林更新影響因子的評(píng)價(jià)指標(biāo) 本研究以林分結(jié)構(gòu)、林分因子、土壤理化性質(zhì)、林下植被特征和干擾等5 個(gè)方面對(duì)應(yīng)層次分析法中層次結(jié)構(gòu)的約束層（B 層）建立評(píng)級(jí)體系，其中林分結(jié)構(gòu)方面主要考慮空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)包括角尺度、大小比數(shù)和混交度，非空間結(jié)構(gòu)包括林分生長(zhǎng)活力和林木穩(wěn)定性；林分因子方面主要以每公頃株數(shù)、郁閉度、平均胸徑、平均樹(shù)高和林分蓄積量進(jìn)行表征；土壤理化性質(zhì)包括枯落層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、全氮磷鉀含量；林下植被特征包括灌木蓋度、Simpson 多樣性指數(shù)、香濃指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)；干擾方面主要考慮蓄積采伐或間伐強(qiáng)度對(duì)更新的影響。各評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)圖1。

表1 各林型樣地基本統(tǒng)計(jì)量Table 1 Basic statistics of each forest type plot

圖1 森林更新影響因子評(píng)價(jià)體系Fig. 1 The evaluation system of forest regeneration impact factors

使用保水劑并于澆水后每隔10天測(cè)定一次結(jié)果，澆水后第一次測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行分析，施用保水劑后相比對(duì)照土壤的含水量有明顯增加。經(jīng)過(guò)3次土壤含水量的測(cè)定，保水劑顯示出對(duì)土壤水分的保持作用，但3種保水劑保水效果存在明顯差異。旱地寶農(nóng)林專用保水劑和農(nóng)林用長(zhǎng)效型保水劑均在測(cè)定中后期表現(xiàn)出了良好的保水能力，延長(zhǎng)了土壤有效水的供應(yīng)時(shí)間，且旱地寶蓄水能力更強(qiáng)。R101型保水劑在測(cè)定中期表現(xiàn)出良好的保水能力，但后期差別逐漸減小，說(shuō)明保水劑保存的水分可能已部分供應(yīng)作物吸收利用。綜上所述，保水劑對(duì)土壤含水量的影響為：旱地寶農(nóng)林專用保水劑＞農(nóng)林用長(zhǎng)效型保水劑＞R101型保水劑。

基于不同林型下實(shí)測(cè)值和評(píng)價(jià)值對(duì)森林更新優(yōu)劣判斷效果的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。將各林型綜合評(píng)價(jià)值和對(duì)應(yīng)樣地的更新密度進(jìn)行降序比較，對(duì)實(shí)測(cè)值和評(píng)價(jià)值整體數(shù)值分別處于前20%、50%、80%范圍內(nèi)所包含樣地的匹配度進(jìn)行對(duì)比。白樺林中（表3），在前20%和50%范圍內(nèi)，樣地更新密度與綜合評(píng)價(jià)值的結(jié)果匹配度均為100%，即綜合評(píng)價(jià)值較高的樣地其樹(shù)種更新密度也表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。在擴(kuò)大比較范圍后，匹配度有所下降，但也達(dá)到了90%以上（前80%范圍內(nèi)，匹配度為94.1%）。針闊混交林（表4）和落葉松林（表5）中，綜合評(píng)價(jià)值與實(shí)測(cè)更新密度在3 個(gè)給定范圍內(nèi)的匹配度也均在90%以上?？傮w來(lái)說(shuō)，3 種林型下森林更新影響因子的綜合評(píng)價(jià)值都可以很好地反映樣地更新的優(yōu)劣。

1.3.5 評(píng)價(jià)效果的檢驗(yàn) 本研究從建立森林更新影響因子評(píng)價(jià)體系的角度為切入點(diǎn)，對(duì)森林更新優(yōu)劣情況進(jìn)行一個(gè)判斷，利用綜合評(píng)價(jià)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在不同尺度排序范圍內(nèi)（前20%、50%、80%）的匹配度對(duì)森林更新影響因子評(píng)價(jià)值在判斷更新優(yōu)劣的準(zhǔn)確性上進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理 本研究中涉及層次分析法采用yaahp11.3 版本軟件實(shí)現(xiàn)權(quán)重值計(jì)算，熵值法在Excel 2019 中實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)特征中角尺度、混交度、大小比數(shù)運(yùn)用Winkelmass 2006 版本進(jìn)行計(jì)算，其它相關(guān)數(shù)據(jù)處理、繪圖等則分別在Excel 2019 和SPSS 20.0 支持下完成。

由表2 可知，白樺林和針闊混交林中以熵-AHP 法最終確定的各約束層權(quán)重值的排序表現(xiàn)一致，從大到小的排序均為：B1＞B2＞B3＞B4＞B5，落葉松林中以熵-AHP 法最終確定的各約束層權(quán)重值從大到小的排序?yàn)椋築2＞B1＞B3＞B4＞B5。從約束層角度來(lái)看，白樺林和針闊混交林在林分結(jié)構(gòu)（B1）中貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)均為林分生長(zhǎng)活力（C4），在該約束層下落葉松林中貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)為混交度（C2）；林分因子（B2）方面，白樺林中貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)為林分蓄積量（C10），針闊混交林中為林分郁閉度（C7），落葉松林中為林分平均胸徑（C8）；土壤理化性質(zhì)（B3）方面，3 種林型貢獻(xiàn)最大的均為枯落層厚度；林下植被特征（B4）方面，3 種林型貢獻(xiàn)值最大的均為Pielou-均勻度指數(shù)（C19）。

式中：y是指評(píng)價(jià)目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值，λi是與第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)xi相應(yīng)的權(quán)重值。

1.3.3 各類型指標(biāo)的計(jì)算 在所有的數(shù)據(jù)指標(biāo)中，分為正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)和適度性指標(biāo)，對(duì)于逆向指標(biāo)（如枯落層厚度），進(jìn)行逆向指標(biāo)的正向化處理，即以1 減去該指標(biāo)的差值作為其評(píng)價(jià)值。對(duì)于適度性指標(biāo)（如林木角尺度），轉(zhuǎn)換為分段函數(shù)再進(jìn)行正向化處理，具體計(jì)算方法依據(jù)陳瑩等[6]的研究，所選取的林分結(jié)構(gòu)中角尺度等指標(biāo)的計(jì)算方法依據(jù)惠剛盈等[7]的研究，林分生活力、森林穩(wěn)定性等指標(biāo)的計(jì)算方法依據(jù)魏紅洋等[8]的研究，林分多樣性指數(shù)依據(jù)劉燦然等[9]的研究。

1.3.4 綜合評(píng)價(jià)值的確定 由于指標(biāo)的層次分析權(quán)重排序往往與熵權(quán)重排序有較大差別，因此本研究采用熵權(quán)重(ui)對(duì)層次分析法得出權(quán)重(Wi)進(jìn)行修正處理，結(jié)合前人研究[6]取α=0.5 帶入公式(1)，從而得到各指標(biāo)最終權(quán)重λi。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

本研究采用線性函數(shù)綜合評(píng)價(jià)法得到森林更新影響因子的綜合評(píng)價(jià)值。其表達(dá)式如下：

表2 各指標(biāo)權(quán)重Table 2 Weight of each indicators

2.2 綜合評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)效果檢驗(yàn)

其中，i為待求的像素；N為圖像I中以像素i為核心的方形鄰域；j表示鄰域內(nèi)的任一像素.σd和σr是基于高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差.Gσd是減弱遠(yuǎn)距離像素影響的空間鄰近度函數(shù)，Gσr是用來(lái)減少像素點(diǎn)j對(duì)像素點(diǎn)i灰度差異影響的相似度函數(shù).

隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，主流的無(wú)損檢測(cè)研究手段與技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，如X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)、相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)、衍射時(shí)差超聲檢測(cè)、自動(dòng)磁粉探傷系統(tǒng)、漏磁自動(dòng)探傷系統(tǒng)以及新型滲透材料的出現(xiàn)等。此外，無(wú)損檢測(cè)還增添了一些新的檢測(cè)方法，如聲發(fā)射檢測(cè)、工業(yè)CT檢測(cè)、紅外檢測(cè)、光纖檢測(cè)、微波檢測(cè)、振動(dòng)與噪聲檢測(cè)、泄露檢測(cè)等其他適合各不相同材料與場(chǎng)地的檢測(cè)方法。到目前為止，已有將近50多種檢測(cè)方法被列為無(wú)損檢測(cè)的范疇。

1.3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定 層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是指將與決策目標(biāo)有比較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性的因子分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等幾個(gè)層次，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，熵權(quán)法則是依據(jù)數(shù)學(xué)原理來(lái)充分反映原始數(shù)據(jù)包含信息，結(jié)果客觀不受任何主觀意識(shí)控制，本研究采用熵-AHP 法確定各指標(biāo)權(quán)重值，該法具備集專家決策與數(shù)據(jù)信息決策為一體的特點(diǎn)，能夠有效降低主觀賦值法和客觀賦值法單獨(dú)使用帶來(lái)的影響。

表3 白樺林中綜合評(píng)價(jià)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匹配度比較Table 3 Comparison of the matching degree between comprehensive evaluation value and measured data in BF

表4 針闊混交林中綜合評(píng)價(jià)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匹配度比較Table 4 Comparison of the matching degree between comprehensive evaluation value and measured data in CBMF

表5 落葉松林中綜合評(píng)價(jià)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匹配度比較Table 5 Comparison of the matching degree between comprehensive evaluation value and measured data in LF

2.3 基于綜合評(píng)價(jià)值的更新分析

以森林更新影響因子的綜合評(píng)價(jià)值為基礎(chǔ)，在得出3 種林型下各樣地的綜合評(píng)價(jià)值得分之后，采用得分排序并取5 個(gè)尺度（前10%、20%、30%、40%、50%）的方法對(duì)不同林分類型樣地個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到現(xiàn)有林分類型下森林更新相對(duì)最優(yōu)的林型。由圖2 可以看出，在綜合評(píng)價(jià)值排名尺度在前10%（前12）下，只出現(xiàn)了落葉松林樣地，從前20%（前23）開(kāi)始，出現(xiàn)了落葉松林和白樺林，隨著尺度的增大，兩種林型的樣地個(gè)數(shù)逐漸增多，在前50%（前58）排名尺度下，落葉松樣地個(gè)數(shù)占總個(gè)數(shù)的82.8%，在所選取的所有排名尺度內(nèi)均未出現(xiàn)針闊混交林，結(jié)合表6 給出的各林型綜合評(píng)價(jià)值特征，針闊混交林的綜合評(píng)價(jià)值也處于偏低的水平?？傮w而言，落葉松林的更新?tīng)顩r優(yōu)于其他兩個(gè)林型。

圖2 3 種林型不同排名尺度下的樣地分布規(guī)律Fig. 2 The distribution of sample plots under different ranking scales of three forest types

3 結(jié)論與討論

本研究選取可以反映影響森林更新的指標(biāo)，運(yùn)用主客觀相結(jié)合的方法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)處理，采用線性函數(shù)綜合評(píng)價(jià)法得到森林更新影響因子的綜合評(píng)價(jià)值。通過(guò)該評(píng)價(jià)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，綜合評(píng)價(jià)值可以很好地判斷森林更新的優(yōu)劣情況。進(jìn)一步以該評(píng)價(jià)值為基礎(chǔ)，分析3種林型的相對(duì)最優(yōu)更新情況，從總體上看，落葉松林的更新優(yōu)于針闊混交林和白樺林。

在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，指標(biāo)權(quán)重的確定方法尤為重要，通過(guò)主客觀相結(jié)合的方法可以降低主觀隨意性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀。熵-AHP 法作為一種將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法被應(yīng)用在森林資源健康評(píng)價(jià)[10]、防護(hù)林防護(hù)效能評(píng)價(jià)[11]、生態(tài)功能綜合評(píng)價(jià)[12]以及最優(yōu)樹(shù)種組成評(píng)價(jià)[6]等研究。本研究采用了熵-AHP 法對(duì)森林更新影響因子進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出的結(jié)果與實(shí)際更新情況相符。

還有無(wú)人倉(cāng)的HUB。王一鐸說(shuō)，HUB的智能升級(jí)是單-車-倉(cāng)，HUB是一個(gè)很關(guān)鍵的資料收集器，也就是觸點(diǎn)，我們要把這個(gè)觸點(diǎn)快速掌握在手里，這樣才能快速反應(yīng)給市場(chǎng)。

本評(píng)價(jià)體系同時(shí)也存在需要改進(jìn)之處。在實(shí)際研究中，參考指標(biāo)越多則得出的結(jié)果越具備實(shí)際意義[13]，而本研究干擾程度方面只選取了蓄積采伐強(qiáng)度一個(gè)指標(biāo)。從理論上來(lái)講，更新受采伐強(qiáng)度和采伐次數(shù)的共同影響[14]，但是在實(shí)際森林調(diào)查工作中，由于各種因素的限制，采伐具體次數(shù)的調(diào)查數(shù)據(jù)很難獲取，所以只選擇了一個(gè)采伐強(qiáng)度指標(biāo)。本研究中大部分采伐強(qiáng)度都是在30%以下。干擾形式可以分為人為干擾（采伐、撫育間伐等）、自然干擾（風(fēng)倒木等），有關(guān)這一約束層指標(biāo)選取的問(wèn)題會(huì)在今后的研究中進(jìn)一步完善。此外，本研究未涉及種子雨特征方面的數(shù)據(jù)，因此在影響森林更新的因子中未考慮種源限制及樹(shù)種自身特性對(duì)森林更新的影響。

表6 3 種林型的綜合評(píng)價(jià)值特征Table 6 Characteristics of comprehensive evaluation values of three forest types

更新優(yōu)劣包括更新質(zhì)量和更新數(shù)量，本研究選擇用更新數(shù)量（密度）作為唯一評(píng)價(jià)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)樵跇拥卣{(diào)查時(shí)就考慮了森林更新質(zhì)量的影響，在統(tǒng)計(jì)更新株數(shù)的過(guò)程中，只記錄了實(shí)生苗的天然更新株數(shù)，由于蘗生苗和萌生苗更新質(zhì)量較差，不成材，如果將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，勢(shì)必影響森林更新質(zhì)量，所以在考慮了更新質(zhì)量的前提下選取密度作為參照。本文選擇一種間接的評(píng)價(jià)方法，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)這種方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，綜合評(píng)價(jià)值的結(jié)果顯示，落葉松林的森林更新優(yōu)于白樺林和針闊混交林，該結(jié)果與徐鶴忠等[15]的研究結(jié)果一致，這也為今后該地區(qū)采取人工補(bǔ)植等經(jīng)營(yíng)措施提供了理論支持和借鑒。