秦世立 曲杭峰

(大興安嶺林業(yè)集團公司，黑龍江加格達奇，165000) (森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室( 東北林業(yè)大學)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在減緩全球氣候變暖進程中起著重要不可替代的作用[1]，森林復雜的群落結(jié)構(gòu)、多樣的動植物種類，深刻影響著氣候以及社會的發(fā)展[2]。大興安嶺是我國的主要林區(qū)，由于受到各種自然因素和人為因素的影響，大興安嶺地區(qū)的森林已經(jīng)嚴重退化(森林林相衰敗、郁閉度低、立木質(zhì)量差、森林出材率低、土壤侵蝕破壞嚴重)，殘次林大面積出現(xiàn)，土壤肥力較低，森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力弱，加劇了生態(tài)系統(tǒng)的不平衡。近年來，越來越多的專家和學者對低質(zhì)林的評定[3-5]、成因[6-9]、改造方式[10-12]以及低質(zhì)林的改造效果[13-15]進行了深入的研究，這些研究對提高森林中的生物多樣性、增加木質(zhì)林產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、改良土壤的養(yǎng)分狀況、改善林下光照等多方面做出貢獻。陳蕾等[11]對大興安嶺闊葉混交低質(zhì)林進行了綜合評價，他認為當塊狀改培面積為225 m2、帶狀改培帶寬為14 m時，改培效果最佳，并且隨著改培強度的逐步加大，改培效果呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；管惠文等[6]對撫育間伐后落葉松天然次生林生境恢復效果的評價，最終得出撫育間伐10 a后，撫育間伐強度29%～40%時，對森林生態(tài)環(huán)境的恢復效果較好，中等強度撫育間伐適用于大興安嶺地區(qū)落葉松天然次生林；唐國華等[13]對大興安嶺低質(zhì)林補植改造效果進行了綜合評價，適宜大興安嶺闊葉混交低質(zhì)林的補植改造的林分密度為800株·hm-2。

1 試驗區(qū)概況

在加格達奇林業(yè)局翠峰林場設(shè)立試驗區(qū)，位于174林班翠峰至古里公路12.5 km處，樣地坐標為東經(jīng)124°24′36″～124°31′46″，北緯50°38′37″～50°45′55″。試驗區(qū)位于大興安嶺山脈的東南坡，土壤類型為暗棕森林壤，土壤厚度為10～30 cm；海拔高度為380～440 m，坡度平均為15°；年平均降水量470 mm，降水主要集中在7、8月份；全年日照時間長，日照百分率為51.5%～56.7%；該地屬于寒溫帶大陸性季風氣候，春秋分明，低溫時間漫長寒冷，年平均氣溫-1.1 ℃，全年無霜期為90～120 d。主要植被種類為白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Xylosmaracemosuz)、黑樺(BetuladahuricaPall.)、胡枝子(Lobelia)、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、水楊梅(Lobelia)、杜香(Ledum)、羊胡子苔草(Eriophorumcarex)、鹿蹄草(Pyroladahurica)、貝加爾野豌豆(Baikalviciam)、老鶴草(GerniumwilfordiiMaxim)。

2 研究方法

2.1 試驗區(qū)設(shè)置與調(diào)查

試驗區(qū)主要植被種類為白樺低質(zhì)林，喬木層主要有白樺、蒙古櫟、黑樺，郁閉度0.5，平均胸徑9.5 cm，平均樹高8.6 m，優(yōu)勢樹種是蒙古櫟；灌木層包括胡枝子、興安杜鵑、水楊梅、杜香，總蓋度為14%，郁閉度0.4；草本層包括羊胡子苔草、鹿蹄草、貝加爾野豌豆、老鶴草，郁閉度0.6，總蓋度為25%。

2009年春季經(jīng)過野外實地勘察設(shè)計，對白樺低質(zhì)林試驗區(qū)進行帶狀改培和塊狀改培。帶狀改培試驗區(qū)，按照改培帶寬不同設(shè)置4條改培帶，分別為S1(6 m)、S2(10 m)、S3(14 m)、S4(18 m)，改培帶內(nèi)保留針葉幼樹，對其他的針闊葉樹種進行伐除，4條改培帶的長度為300 m，把每條改培帶平均分成3段，每段長度為100 m，分別栽植樟子松(Pinussylvestris)、興安落葉松(Larixgmelinii)、西伯利亞紅松(Pinussylvestris)，栽植3種針葉苗木時，株行距為1.5 m×2.0 m，3種針葉苗木與保留木距離2m，改培帶帶寬與相對應(yīng)的保留帶的帶寬保持一致(見圖1)。塊狀改培試驗區(qū)總共3組，每組由6個面積不同的正方形改培樣地組成，面積分別為G1(25 m2)、G2(100 m2)、G3(225 m2)、G4(400 m2)、G5(625 m2)、G6(900 m2)，每塊改培樣地間的距離與各自的改培寬度保持一致，即正方形樣地的邊長分別為5、10、15、20、25、30 m，在塊狀改培試驗區(qū)進行苗木更新，分別栽植樟子松、興安落葉松、西伯利亞紅松，栽植3種針葉苗木時，株行距為1.5 m×2.0 m，3種針葉苗木與保留木距離2 m(見圖2)。在空白地帶設(shè)置一條長度為300 m，寬度為10 m的對照樣地(CK)。

圖1 帶狀樣地設(shè)置圖

圖2 塊狀樣地設(shè)置圖

2.2 樣品采集與測定

2020年9月在大興安嶺地區(qū)加格達奇林業(yè)局翠峰林場的改培樣地和對照樣地內(nèi)進行野外取樣，測量枯落物持水性能的方法是采用“Z”型取樣法進行取樣，收集面積大小為30 cm×30 cm的林下未分解和半分解枯落物，將樣品帶回實驗室，在烘干箱內(nèi)85 ℃烘干后，計算枯落物蓄積量；采用浸泡法測量枯落物最大持水量、有效攔蓄量，浸泡時間分別為0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h。土壤物理性質(zhì)按照環(huán)刀法測定，環(huán)刀容積為100 cm3，需要用到電子天平、帶水的平底盆和烘干箱，實驗需要24 h，通過土壤干質(zhì)量和土壤濕質(zhì)量計算各樣地土壤密度、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度等。按照“Z”型取樣法取得厚度為0～10 cm的土壤層的土樣，每個土壤樣本質(zhì)量為1.5 kg左右，帶回實驗室后自然風干，研磨過篩后，測定土壤的化學性質(zhì)，具體測定方法見表1。

對樣地的喬木、灌木、草本植被進行調(diào)查，調(diào)查樣地內(nèi)樹木的株數(shù)和胸徑，運用樹木測高儀對喬木的高度進行測量，運用全站儀測出喬木坐標。灌木的調(diào)查方法為選取5個面積為25 m2的正方形樣地進行“Z”型取樣，調(diào)查其種類和蓋度。草本植被的調(diào)查方法是選取5個面積為4 m2的正方形樣地進行“Z”型取樣，調(diào)查其種類和蓋度。草本植被的物種豐富度指數(shù)(S)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)作為不同改培模式的物種多樣性評價因子。

更新苗木光合作用參數(shù)測定，利用LCpro+便攜式光合作用測定儀進行測定，選擇一個晴天的上午對改培樣地和對照樣地的幼樹進行光合作用測定，運用LCpro+便攜式光合作用測定儀對幼樹進行監(jiān)測，間隔時間為2 h，測量的指標參數(shù)有：光合有效輻射、蒸騰速率、胞間CO2摩爾分數(shù)等指標。苗木生長調(diào)查利用游標卡尺和鋼尺對照樣地內(nèi)栽植的西伯利亞紅松、興安落葉松、樟子松幼苗進行苗高生長量和地徑的測量，并統(tǒng)計各樣地栽植苗木的成活率和生長率。

表1 土壤化學性質(zhì)測定方法

2.3 指標評價方法

運用主成分分析法對大興安嶺低質(zhì)白樺林的38項生態(tài)指標進行綜合評價，具體步驟為：設(shè)有n種不同樣地，m個評價指標，其矩陣構(gòu)成了原始矩陣X。

X=(xij)m×n,i=1、2、…、m，j=1、2、…、n。

式中：xij表示第j種樣地的第i項指標的實測值。

運用Excel2016對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，用SPSS20.0軟件對標準化后的數(shù)據(jù)進行處理分析。

3 結(jié)果與分析

由表2可知，選取2020年9月測得的大興安嶺低質(zhì)白樺林實驗區(qū)內(nèi)林下林地植被的生物多樣性指標的標準化結(jié)果，選取的指標包括：喬木層、灌木層、草本層的Shannon-wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)；枯落物的總最大持水量、總蓄積量水率、總有效攔蓄量、總蓄積量、總自然持水率；更新苗木光合作用指標(蒸騰速率、光合有效輻射、葉片溫度、氣孔導度、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)、凈光合速率、胞間CO2摩爾分數(shù))；更新苗(樟子松、木西伯利亞紅松、落葉松)的生長率、成活率；土壤物理性質(zhì)指標(土壤密度、最大持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度)；土壤化學性質(zhì)指標(土壤pH，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、水解氮、速效鉀質(zhì)量分數(shù))。

表2 標準化處理

續(xù)(表2)

由表3可知，10塊改造樣地和1塊對照樣地各指標前5個主成分的累計貢獻率為86.24%，大于85.00%，說明前5個主成分可以描述大興安嶺白樺低質(zhì)林的改培后的各指標信息。

表3 各指標總方差分析

由表4可知，第1個主成分，喬木層Pielou均勻度指數(shù)、總有效攔蓄量、總蓄積量、蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率、樟子松成活率、西伯利亞紅松成活率、落葉松生長率、非毛管孔隙度、總孔隙度、全氮質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù)等有較大載荷；第2個主成分，總自然持水率、總有效攔蓄量、樟子松成活率、西伯利亞紅松生長率、落葉松成活率、非毛管孔隙度、總孔隙度、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù)、有效磷質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù)等有較大載荷；第3個主成分，灌木層物種豐富度指數(shù)、灌木層Pielou均勻度指數(shù)、總最大持水率、總蓄積量、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)、毛管持水量、毛管孔隙度、水解氮質(zhì)量分數(shù)等有較大載荷；第4個主成分，喬木層物種豐富度指數(shù)、總最大持水量、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)、毛管持水量、水解氮等有較大載荷；第5個主成分，草本層Pielou均勻度指數(shù)、總蓄積量、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2摩爾分數(shù)、最大持水量、毛管持水量、毛管持水量、速效鉀質(zhì)量分數(shù)等有較大載荷。

表4 各樣地各指標因子載荷

由表5可知，第1個主成分在枯落物總有效攔蓄量、光合作用蒸騰速率、凈光合速率、總孔隙度、全氮質(zhì)量分數(shù)等指標上比較重要；第2個主成分在灌木層Pielou均勻度指數(shù)、草本層物種豐富度指數(shù)、枯落物總最大持水量、枯落物總自然持水率等指標上比較重要；第3個主成分在枯落物總最大持水量、枯落物總最大持水率、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)、毛管孔隙度等指標上比較重要；第4個主成分在枯落物總最大持水量、枯落物總蓄積量、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)、光合作用葉片溫度等指標上比較重要。第5個主成分在枯落物總蓄積量、氣孔導度、枯落物總最大持水量、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)等指標上比較重要。

表5 各指標主成分得分系數(shù)矩陣

由表6可知，根據(jù)大興安嶺白樺低質(zhì)林帶狀和塊狀改培后前5個主成分的貢獻率和總貢獻率，可以得出5個主成分的權(quán)重值0.395、0.238、0.162、0.122、0.084，然后通過得分系數(shù)矩陣和權(quán)重值可以求出5個主成分的綜合分值。不同模式的改培效果的綜合得分由高到低依次為：S2(0.741)、G2(0.641)、S3(0.471)、G3(0.193)、G1(0.135)、S4(-0.005)、G4(-0.097)、S1(-0.175)、G5(-0.396)、CK(-0.619)、G6(-0.888)。其中，S2樣地和G2樣地的綜合得分最高，說明這兩種改培模式對大興安嶺白樺低質(zhì)林的可持續(xù)經(jīng)營效果顯著。

表6 帶狀和塊狀改培效果的綜合評價

4 結(jié)論與討論

本文對大興安嶺白樺低質(zhì)林的38項生態(tài)指標建立評價模型，運用主成分分析法提取了5個主成分，最后得出大興安嶺白樺低質(zhì)林不同模式改培效果的綜合分值，得分越高說明改培效果越優(yōu)，使得評價結(jié)果更具科學性。綜合評價大興安嶺白樺低質(zhì)林的改培效果，帶寬10 m的改培帶、面積100 m2的塊狀改培分別在兩種模式中綜合得分最高，說明其改培效果最好，這與陳蕾等[11]應(yīng)用森林土壤化學性質(zhì)和枯落物持水性對不同改造模式效果的評價和管惠文等[22]誘導改造對大興安嶺蒙古櫟低質(zhì)林土壤養(yǎng)分的時空影響的結(jié)果基本一致。

10 m改培帶狀改培和100 m2塊狀改培樣地的綜合得分高主要表現(xiàn)在喬木層Pielou均勻度指數(shù)、枯落物總最大持水量、蒸騰速率、凈光合速率、環(huán)境CO2摩爾分數(shù)、胞間CO2摩爾分數(shù)、最大持水量、毛管孔隙度以及有機質(zhì)、全氮、全鉀、有效磷質(zhì)量分數(shù)等指標上。帶狀改培效果隨著改培帶寬的增大，綜合評分先增大后減小，分值比對照樣地高；塊狀改培隨著面積的增加，綜合評分先增大后減小，分值比對照樣地高。根據(jù)以上規(guī)律綜合分析大興安嶺白樺低質(zhì)林改培效果發(fā)現(xiàn)，各樣地的改培效果隨著改培強度的增加先呈現(xiàn)逐漸變好的趨勢，但隨著其改培強度的增大，改培效果也逐漸下降。物種多樣性是森林可持續(xù)經(jīng)營的重要指標[16-18]，林下的灌木和草本是植被多樣性的重要指標，林下植被多樣性對于水土保持和揭示植被演替方面有著不可替代的作用，分析表明大興安嶺白樺低質(zhì)林多樣性和撫育強度呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系；枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，未分解和半分解的枯落物層結(jié)構(gòu)疏松，能夠有效的減緩地表徑流，有利于森林的水土保持，白樺低質(zhì)林的毛管孔隙度皆高于非毛管孔隙度，說明枯落物的持水能力強，有利于森林的水源涵養(yǎng)；土壤理化學性質(zhì)能夠間接的體現(xiàn)著林木健康情況[19-22]，其中全氮、水解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀質(zhì)量分數(shù)以及毛管孔隙度、最大持水量、土壤密度是體現(xiàn)土壤理化性質(zhì)的主要指標。大興安嶺白樺低質(zhì)林在改培后，由于林分郁閉度下降，陽光直射地面，林地溫度上升，土壤理化性質(zhì)受到影響，進而影響更新苗木的生長和植被覆蓋率；更新苗木包括樟子松、西伯利亞紅松和落葉松的生長和森林的結(jié)構(gòu)有關(guān)，森林的結(jié)構(gòu)不同會使得森林的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生差異性，更新苗木影響著林分的混交度，能夠反應(yīng)森林經(jīng)營的合理程度。在大興安嶺白樺低質(zhì)林改培效果的綜合評價中，5各層次的38項指標互相聯(lián)系，但關(guān)系既有相互促進，也有相互排斥，改培的目的達到了生態(tài)群落的穩(wěn)定性。

本研究利用能夠反應(yīng)大興安嶺白樺低質(zhì)林改培效果的生物多樣性、枯落物持水性能、更新苗木生長狀況等38項生態(tài)指標建立綜合評價體系，評價結(jié)果可為大興安嶺白樺低質(zhì)林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學可靠的理論依據(jù)。