張福恩，李加本，馬明呈，李嘉志，李彩青

(1.青海省同仁市林業(yè)和草原局，青海 同仁 811300； 2.青海大學(xué) 青海 西寧 810016)

油松(PinustabuliformisCarr.)是松科(Pinaceae)針葉常綠喬木，為中國(guó)特有種，陽(yáng)性樹種，深根性，耐干旱瘠薄，抗逆性和適應(yīng)性較強(qiáng)，是我國(guó)黃土高原地區(qū)植被的重要組成部分，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面起著至關(guān)重要的作用[1]。森林更新是森林自我完善、自我適應(yīng)和不斷提高質(zhì)量的過程，這一過程在森林的演替中發(fā)揮著重要的作用[2]。天然更新是一種高產(chǎn)出低投入的森林培育方式[3]，現(xiàn)階段，我國(guó)森林更新大部分以人工更新為主，由于多種因素影響，我國(guó)對(duì)天然更新和人工促進(jìn)天然更新的方法推廣力度并不大[4]。為此，研究影響油松林天然更新的因素，以改善油松林天然更新的環(huán)境條件，提高天然更新能力，是實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要措施。關(guān)于影響油松林天然更新因素的相關(guān)研究有，胡玉珠等[3]研究了林窗大小及坡向等因子對(duì)油松人工林天然更新的影響；羅桂生等[5-6]研究了林隙與油松天然林更新的關(guān)系；劉建榮[7]、宋曉剛等[8]研究了油松人工林天然更新的影響因子；王洪江[9]研究了林型、林窗及地被物厚度對(duì)油松天然更新的影響；于欣等[10]研究了撫育措施對(duì)油松天然更新的影響。由此可見，影響油松天然更新的因子多而復(fù)雜。因此，采用數(shù)量化理論Ⅰ綜合評(píng)價(jià)影響天然更新的因素，更加科學(xué)。為此，本研究以高寒蘭采林區(qū)的油松林天然更新為研究對(duì)象，采用數(shù)量化理論Ⅰ評(píng)價(jià)影響油松林天然更新的因素，對(duì)保護(hù)修復(fù)蘭采林區(qū)油松林具有重要現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于青海省同仁市蘭采林區(qū)，蘭采河位于試驗(yàn)區(qū)北面，交通便利。試驗(yàn)區(qū)處于北緯35°35′～35°45′，東經(jīng)101°54′～101°59′，海拔2 500～3 100 m，屬高原大陸性氣候，春季氣溫日升較快，年降水量501.5 mm，降水主要集中在6—9月。年均氣溫0.5 ℃，無霜期80 d，年輻射總量高，輻射年較差小，日較差大，土壤為森林灰褐土。蘭采林區(qū)油松天然林分布在13個(gè)小班，分布海拔2 600～3 100 m，總面積175.2 hm2,總蓄積量14 908.6 m3，以油松天然純林為主。油松天然林生長(zhǎng)勢(shì)比較弱，天然更新不良。

1.2 試驗(yàn)儀器

輪尺、勃魯萊測(cè)高器、測(cè)繩、GPS定位儀、鋼卷尺、皮尺、羅盤儀。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在蘭采林區(qū)內(nèi)根據(jù)不同的立地條件設(shè)置天然更新調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地，調(diào)查天然更新的油松幼苗數(shù)量。

1.3.1 天然更新標(biāo)準(zhǔn)地選設(shè) 2018年4月對(duì)天然更新標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行選設(shè)，在蘭采林區(qū)根據(jù)不同的坡向、坡位、坡度、灌木蓋度設(shè)立20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地12塊。標(biāo)準(zhǔn)地詳細(xì)概況見表1。

表1 天然更新標(biāo)準(zhǔn)地基本情況表

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)調(diào)查 調(diào)查每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)油松幼苗數(shù)量并記錄。

1.3.3 立地因子調(diào)查 用GPS測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)地中心位置的坐標(biāo)，記錄海拔、坡向、坡位、坡度。在標(biāo)準(zhǔn)地的中心和四個(gè)角設(shè)置5個(gè)5 m×5 m的樣方，調(diào)查灌木蓋度。

1.4 數(shù)量化理論Ⅰ

1.4.1 數(shù)量化理論Ⅰ模型 數(shù)量化理論I是用基準(zhǔn)變量是定量變量，自變量是定性變量的方法，分析與預(yù)測(cè)問題，采用多變量來模擬線性，表示式中基準(zhǔn)變量的定量變化。其模型如下：

(1)

式中：j為項(xiàng)目數(shù)(j=1,2,3…m),k為類目數(shù)(k=1,2,3…n),i為樣品數(shù)，yi為因變量，bjk為j項(xiàng)目k類目的系數(shù)，εi是觀察中的隨機(jī)誤差，δi(j,k)為定性變量，當(dāng)且僅當(dāng)樣品i有第j項(xiàng)目第k類目的特性時(shí)，有δi(j,k)=1；反之，δi(j,k)=0，X=[δi(j,k)]稱為反應(yīng)矩陣，即0～1反應(yīng)表。

1.4.2 數(shù)量化理論Ⅰ模型方程 將選定的坡度、坡向、坡位、灌木蓋度4個(gè)影響因子項(xiàng)目分解成3～4個(gè)類目，詳見表2。運(yùn)用數(shù)量化理論Ⅰ，將4個(gè)因子個(gè)類目與更新株數(shù)構(gòu)建反應(yīng)矩陣，用于回歸建模。在Excel 2007軟件中建立原始數(shù)據(jù)反應(yīng)矩陣，原始數(shù)據(jù)反應(yīng)矩陣見表3。將表3導(dǎo)入 SPSS 24.0軟件中進(jìn)行數(shù)量化理論Ⅰ分析，結(jié)果見表4。

表2 油松天然更新影響因子對(duì)照表

表3 影響油松天然更新幼苗株數(shù)因子的原始數(shù)據(jù)反應(yīng)矩陣

根據(jù)數(shù)量化理論Ⅰ模型，用最小二乘法擬合的值，模型方程式如下：

(2)

Y=-4.861X11+1.361X12+4.124X13+6.126X14+1.085X21+3.589X22+4.109X23+(-2.821X31)+3.546X32+2.154X33+1.165X41+3.798X42+(-2.134X43)

模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.979，決定系數(shù)R2=0.959，F(xiàn)0.05=5.251<21.026，因此該回歸模型線性關(guān)系較為顯著。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel2007軟件對(duì)本試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)在進(jìn)行初步整理與統(tǒng)計(jì)分析，在 SPSS 24.0軟件中進(jìn)行數(shù)量化數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 油松天然更新密度分析

通過實(shí)地調(diào)查從油松天然更新的密度來看，在12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地中有10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)了油松幼苗的存在，即有更新幼苗的標(biāo)準(zhǔn)地占總標(biāo)準(zhǔn)地的83.3%。油松平均更新密度為196株/hm2，最高更新密度450株/hm2。

2.2 影響油松天然更新因子的數(shù)量化理論Ⅰ評(píng)價(jià)

從表4中各項(xiàng)目得分范圍和偏相關(guān)系數(shù)可以看出，各項(xiàng)目對(duì)油松天然更新幼苗株數(shù)影響的大小順序：X1>X2>X4>X3，即坡向>坡位>灌木蓋度>坡度。坡向的貢獻(xiàn)明顯比其他因子大，坡位的貢獻(xiàn)僅次于坡向，灌木蓋度和坡度對(duì)油松天然更新幼苗株數(shù)影響程度無明顯差別。由此可知，坡向是影響蘭采林區(qū)油松天然更新的主導(dǎo)因子。

表4 影響油松天然更新幼苗株數(shù)因子的數(shù)量化理論Ⅰ評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 不同坡向下的油松天然更新評(píng)價(jià)

坡向?qū)τ退商烊桓碌挠绊?，主要是由坡向?qū)ι鷳B(tài)因子(光照、溫度、水分、土壤狀況等)再分配引起的。不同坡向太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和日照時(shí)數(shù)不同，因而導(dǎo)致土壤理化特性和水、熱狀況存在較大的差異。坡向?qū)τ退商烊桓掠绊懸姳?。

表5 坡向?qū)τ退商烊桓碌挠绊?/p>

從表5可知，不同坡向下油松天然更新的優(yōu)次順序：X14>X13>X12>X11，即陰坡>半陰坡>半陽(yáng)坡>陽(yáng)坡。該結(jié)果說明陰坡最適宜油松天然更新；陽(yáng)坡的幼苗更新密度為38株/hm2，說明陽(yáng)坡嚴(yán)重阻礙油松天然更新，這是因?yàn)樵诔?yáng)地區(qū)，氣候惡劣，高溫少雨。通常，陰坡輻射強(qiáng)度小、日照時(shí)間短、所獲得的輻射總量比陽(yáng)坡少，所以土壤的含水率高、蒸發(fā)量小，有利于種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育；而陽(yáng)坡輻射強(qiáng)度大、日照時(shí)間長(zhǎng)、所獲得的輻射總量大，土壤的含水率低、蒸發(fā)量大，加劇了高溫干旱這一障礙因子，從而對(duì)更新產(chǎn)生不利影響。油松雖為喜陽(yáng)樹種，但幼樹時(shí)期需要遮陰條件才能生長(zhǎng)。

2.4 不同坡位下的油松天然更新評(píng)價(jià)

坡位對(duì)油松天然更新的影響見表6。由表可知，不同坡位下油松天然更新的優(yōu)次順序：X23>X22>X21，即下坡位>中坡位>上坡位。該結(jié)果說明下坡位更適合油松天然更新。因地表徑流與長(zhǎng)期降水作用，不同的坡位土壤質(zhì)地、土層厚度、腐殖質(zhì)層厚度不同，上坡位一般為土壤剝蝕，土層厚度較薄，中下坡會(huì)逐漸堆積厚腐殖層。中下坡的土層厚度、土壤水分、土壤養(yǎng)分皆優(yōu)于上坡，故中下坡對(duì)油松天然更新具有推進(jìn)作用。

表6 坡位對(duì)油松天然更新的影響

2.5 不同坡度下的油松天然更新評(píng)價(jià)

坡度對(duì)油松天然更新的影響主要體現(xiàn)在坡度影響著地表徑流和水分在土壤中滲透速度。坡度越大土壤養(yǎng)分流失加重，水分也越容易流失。而且坡度大小不同影響著太陽(yáng)輻射的差異，造成熱量分配不同，由此會(huì)對(duì)油松天然更新產(chǎn)生影響。坡度對(duì)油松天然更新的影響見表7。由表可知，不同坡度下油松天然更新的優(yōu)次順序：X32>X33>X31，即斜坡(坡度15°～30°)>陡坡(坡度≥30°)>緩坡(坡度<15°)。當(dāng)坡度為15°～30°時(shí)，天然更新的幼苗密度最大，為221株/hm2；坡度小于15°時(shí)，天然更新的幼苗密度最小，為142株/hm2。坡度處于中坡時(shí)，油松天然更新情況最好；坡度過大，水土流失嚴(yán)重，影響油松天然更新；坡度過小，人為干擾和牛羊活動(dòng)頻繁等因素會(huì)對(duì)油松天然更新造成影響。

表7 坡度對(duì)油松天然更新的影響

2.6 灌木不同蓋度下的油松天然更新評(píng)價(jià)

適宜的灌木蓋度在一定程度上可以促進(jìn)油松天然更新，如減少雨水對(duì)土壤的沖刷，增加土壤肥力，避免陽(yáng)光直射，為幼苗提供保護(hù)作用等。灌木蓋度對(duì)油松天然更新的影響見表8。從表可知，不同灌木蓋度下油松天然更新的優(yōu)次順序：X42>X41>X43，即灌木蓋度中等(蓋度20%～40%)>灌木蓋度小(蓋度<20%)>灌木蓋度大(蓋度≥40%)。該結(jié)果說明灌木蓋度適中時(shí)，最適宜油松天然更新；灌木蓋度過大時(shí)，天然更新幼苗密度僅為125株/hm2，灌木蓋度過大會(huì)阻礙油松天然更新。這可能是，灌木密度過大時(shí)，強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)作用使油松幼苗無法獲得生長(zhǎng)發(fā)育所需要的水分、養(yǎng)分和光照，從而影響油松的天然更新；灌木密度過小時(shí)，無法為油松幼苗提供遮陰條件，在一定程度上會(huì)影響油松天然更新。

表8 灌木蓋度對(duì)油松天然更新的影響

3 討論與結(jié)論

(1)數(shù)量化理論Ⅰ對(duì)油松天然更新的影響評(píng)價(jià)排序：坡向>坡位>灌木蓋度>坡度。坡向?yàn)橛绊懱m采林區(qū)油松天然更新的主導(dǎo)因子，該研究結(jié)果與曹怡立等[11]對(duì)影響遼寧省章古臺(tái)地區(qū)樟子松天然更新的影響因素的研究結(jié)果一致。坡向不同，溫度和濕度出現(xiàn)差異，影響油松天然更新。坡位的變化，實(shí)際上是陽(yáng)光、水分、養(yǎng)分和土壤條件的生態(tài)序列改變，坡位不同，土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量和土壤含水量出現(xiàn)差異。坡度的變化，影響著土壤養(yǎng)分，從而影響油松天然更新。隨著灌木蓋度的變化，灌木與油松幼苗之間對(duì)光照和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生變化，從而影響油松天然更新。

(2)坡向?qū)τ退商烊桓碌挠绊戫樞颍宏幤?半陰坡>半陽(yáng)坡>陽(yáng)坡。其中，陰坡、半陰坡適宜天然更新，該研究結(jié)果與劉明國(guó)等[12]對(duì)遼西半干旱地區(qū)油松人工林天然更新影響因素研究，許家銘等[13]對(duì)樟子松林天然更新的研究，魏登賢[14]對(duì)大通東峽林區(qū)青海云杉天然更新影響的研究結(jié)果一致。陰坡適合油松幼樹生長(zhǎng)，有利于油松林天然更新。

(3)坡位對(duì)油松天然更新的影響順序：下坡位>中坡位>上坡位。其中，下坡和中坡適宜油松天然更新，初寶順等[15]對(duì)遼寧省朝陽(yáng)地區(qū)油松天然更新影響因素研究中也得到了相似的結(jié)果。隨著坡位的變化，光照、土壤水分、土壤養(yǎng)分等發(fā)生變化。

(4)坡度對(duì)油松天然更新的影響順序：斜坡>陡坡>緩坡。其中，斜坡適宜油松天然更新，該研究結(jié)果與北京松山油松林的天然更新結(jié)果相似[16]。從更新幼苗的生長(zhǎng)分析，緩坡的油松幼苗長(zhǎng)勢(shì)最好，因?yàn)榫徠碌耐寥鲤B(yǎng)分積累豐富，有利于幼苗生長(zhǎng)。但是，緩坡上的人為和動(dòng)物活動(dòng)頻繁，對(duì)幼苗造成破壞，從而影響油松天然更新。

綜上可知，影響高寒蘭采林區(qū)油松林天然更新的主導(dǎo)因子為坡向。陰坡、下破位、斜坡和中等灌木蓋度地段油松天然更新最好。