唐国华 董希斌 张甜 管惠文 王智勇 阮加甫

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

大兴安岭低质林补植改造效果的综合评价1)

唐国华 董希斌 张甜 管惠文 王智勇 阮加甫

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

以大兴安岭阔叶混交低质林为研究对象，对其进行补植改造，补植苗木为兴安落叶松(Larixgmelinii)。通过野外实地取样和室内实验测得各指标数据，选取35个评价指标进行分析，利用主成分分析法建立综合评价模型，计算样地改造效果的综合得分，筛选出最佳的补植改造密度。结果表明：不同样地补植改造后的综合得分由大到小依次为BZ5(0.761)、BZ3(0.351)、BZ6(0.247)、BZ2(0.017)、BZ4(-0.059)、CK(-0.394)、BZ1(-0.923)。其中BZ5改造样地的综合得分最高，补植改造效果最好，表明补植密度为800株·hm-2最适宜大兴安岭阔叶混交低质林的补植改造。

大兴安岭；低质林；补植改造；主成分分析

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：20-24,48.

We studied broad-leaved mixed low-quality forest in Daxing’an Mountains, and the replanting seedlings wereLarixgmelinii. The indexes were measured by field sampling and indoor experiment. We selected 35 evaluation indexes, used the principal component analysis method to establish a comprehensive evaluation model, calculated the comprehensive score of the plot transformation effect, and screened out the best replanting density. The comprehensive scores were BZ5(0.761), BZ3(0.351), BZ6(0.247), BZ2(0.017), BZ4(-0.059), CK(-0.394) and BZ1(-0.923). Among them, the comprehensive score of BZ5 transformation plot was the highest, and the replanting effect was the best, indicating that the planting density of 800 tree·hm-2was the most suitable for the replanting transformation of low-quality mixed forest in Daxing’an Mountains.

大兴安岭地区的森林由于受到各种自然因素和人为因素的影响已经严重退化，大面积出现残次林，此种森林林相衰败[1]，郁闭度低，立木质量差，森林出材率低，土壤侵蚀破坏严重，土壤肥力较低，整个系统自我恢复和调节能力很弱，加剧了生态系统的不平衡，形成了大量的低质低效林[2-5]。近年来，随着社会的不断发展进步和人们环境保护意识的增强，人类逐渐认识到生态环境的重要性；从全世界范围来看，生态系统恶化趋势明显，已经变成严重的环境问题，引起人类的担忧和关切[6-7]。同时，恢复生态系统的计划正在付诸于实际行动，人类希望通过自身的努力来提高森林中的生物多样性、增加木质林产品的产量和质量、改良土壤的养分状况、改善林下光照条件等多方面的功效[8]。因此，有关低质林的研究逐渐增多，包括低质林评定[9]、低质林成因[10]、低质林改造方式[11-12]以及低质林改造效果[13-14]等方面。低质低效林的改造方式目前主要以抚育改造、复壮改造、效应带改造、栽针保阔改造、封育改造等方式为主[15-16]。曲杭峰等[17]在大兴安岭地区选取5种不同种类的低质林进行带状改造，分别栽植兴安落叶松、樟子松和西伯利亚红松，利用主成分分析法对选取的38项指标建立评价模型并进行综合评价，认为针阔混交低质林的改造效果最好。宋启亮等[18]采取带状改造和块状改造的模式对低质林进行改造，得出了顺山带状改造效果优于块状改造的结论，且以10 m带宽顺山带状改造和100 m2块状改造对大兴安岭阔叶混交低质林改造最有利。毛波等[19]通过对大兴安岭山杨低质林进行3 S带状改造，发现10 m改造带中20 m保留带的改造效果最好。

近年来，有关学者主要研究了抚育间伐、带状改造、块状改造等改造模式后的低质林改造效果，对于补植改造后低质林改造效果的研究较少。崔莉[20]研究了补植改造初期不同林分密度和种类对更新苗木的影响，对改造效果的研究未涉及。笔者以大兴安岭阔叶混交低质林为研究对象，对其进行补植改造，选取能够反映低质林补植改造初期效果的35个评价指标，包括土壤理化性质、枯落物持水性能、冠层结构参数和更新苗木光合作用等指标，利用主成分分析法建立综合评价模型，并进行综合评价，得出了最佳的低质林补植改造密度，可作为后续大兴安岭阔叶混交低质林补植改造研究的参考。

1 研究区域概况

试验样地位于加格达奇林业局翠峰林场，黑龙江大兴安岭山脉的东南坡，地理坐标为东经124°22′47.8″～124°24′35.2″，北纬50°34′9.15″～50°34′32″，属于低山丘陵地带。海拔高度370～420 m，林下土壤以暗棕壤和棕色针叶林土为主，土壤厚度介于15～30 cm；地势平缓，立地条件较好，坡度多在15°以下；无霜期为85～130 d，年平均降水量大约494.8 mm，降水多集中于夏季的6—8月，属寒温带大陆性季风气候；冬天寒冷而漫长，夏天短暂且炎热；年平均气温-1.3 ℃，最髙气温37.3 ℃，最低气温-45.4 ℃。该地区的阔叶混交低质林乔木树种主要有蒙古栎(Xylosmaracemosuz)、山杨(PopulusdavidianaDode)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)和少许枫桦(Ribbedbirch)，灌木以榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等为主，盖度15%，草本以铃兰(Convallariamajalis)、水莎草(CrperusserotinusRottob)、鹿蹄草(Pyroladahurica)等为主，盖度27%；林分郁闭度0.4。

2 研究方法

2.1 样地设置

于2014年5月经过野外实地勘察设计，在加格达奇林业局翠峰林场设立试验样地，改造样地编号记为BZ1—BZ6，CK作为对照样地，其中7块样地的大小为20 m×20 m。在改造样地补植兴安落叶松(Larixgmelinii)，通过块状补植法对试验样地进行改造，分别在6个不同的改造样地内补植不同密度的兴安落叶松(Larixgmelinii)，原有林分平均密度为3 200株·hm-2左右。BZ1—BZ6样地的补植密度分别为400、500、600、700、800、900株·hm-2，CK作为对照样地，不进行补植作业；在改造试验区相邻处，选取林分和立地条件接近的保留地作为对照样地CK，改造样地的设计方式如图1所示。对低质林补植改造完成后，须对补植树种进行基本的管理和维护，并对其进行科学合理的抚育，当年的抚育工作主要有：浇水、扩穴、扶正、培土、踏实、除草。

BZ6BZ5BZ64BZ1BZ2BZ3

图1 补植改造样地示意图

2.2 土壤理化性质测定

于2016年6月进行野外取样，在每块补植改造样地和对照样地上，按照“S”型混合采样法进行取样，每个样地选择5个土壤取样点，在每个取样点均取厚度为0～10 cm的土壤样本，按照四分法混合取样，每个土壤样本为1 kg。将土壤样本带回实验室，在室内土壤经过自然风干、研磨过筛，然后分析化学性质，土壤化学性质的测定方法如表1所示。土壤的物理性质采用环刀法进行测量，环刀容积为100 cm3。

表1 土壤化学性质测定方法

2.3 枯落物采集与测定

在大兴安岭地区阔叶混交低质林试验区补植改造样地和对照样地内采用“Z”型取样法进行取样，样方大小为30 cm×30 cm，收集林下枯落物的未分解层和半分解层，带回实验室，采用烘干法得到枯落物蓄积量。首先将枯落物放入温度为85 ℃的干燥箱内进行烘干，之后利用干物质质量计算出枯落物蓄积量，并采用浸泡法对枯落物持水性能进行测定；然后根据所测枯落物蓄积量计算出枯落物最大持水量和有效拦蓄量。采用浸泡法测定最大持水量、最大持水量、有效拦蓄量，浸泡时间为0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h。

2.4 冠层结构参数测定

于2016年6月在改造样地和对照样地内分别随机选取5个点，用GPS分别测得每个样点所在地点的经纬度和海拔高度。在试验样地内利用冠层分析仪进行实地实验，寻找准确的正北方向同时将仪器调平，对仪器镜头与地面之间的距离进行测量。选择3、4个不同的方向进行观测，用Winscanopy冠层分析仪采集图像。

2.5 更新苗木光合作用参数测定

在6块改造样地中利用LCpro+便携式光合作用测定仪对所有的兴安落叶松(Larixgmelinii)幼苗进行光合作用测定。同时，在对照样地CK内选取林龄相当的幼树进行光合作用测定，当天气晴朗时，选择上午的9:00—11:00和下午的13:30—15:30时间段进行光合作用数据测定。

2.6 苗木生长调查

利用数显游标卡尺和钢尺对6块改造样地内的所有兴安落叶松(Larixgmelinii)幼苗进行苗高生长量和地径的测量。同时，在对照样地中选取林龄相当的幼树进行苗高生长量和地径的测量。

2.7 评价方法

通过采用主成分分析法对大兴安岭阔叶混交低质林补植改造2 a后的改造效果进行综合评价。其基本步骤为：设有n种不同样地，m个评价指标，其集合构成了原始矩阵(X)：

X=(xij)m×ni=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

式中：xij表示第j种样地的第i项指标的实测值。

标准化原始矩阵:利用Excel2010对原始数据进行标准化处理，消除数量级和量纲的影响，正向指标用公式(1)进行标准化，逆向指标用公式(2)进行标准化。

(1)

(2)

确定主成分：用SPSS19.0软件处理标准化的数据，选取方差分析累计贡献率≥85%的前m个主成分，建立m个主成分与标准化变量间的关系。其公式为

(3)

式中：Yk是第k个主成分(k=1,2,3,…，m)；bk1是表示第k个主成分的因子载荷。

确定权重：用第k个主成分的贡献率和所选取的m个主成分的总贡献率比值表示各个主成分的权重

(4)

式中：wk是第k个主成分的权重；λk是第k个主成分的贡献率。

构造综合评价函数:根据式(3)确定的前m个主成分与式(4)中得到的权重建立综合评价函数

(5)

式中：F表示不同补植密度样地的综合评价得分。综合评价的得分越高，则表明该补植密度改造效果越好。

3 结果与分析

采用主成分分析法对大兴安岭阔叶混交低质林补植改造2a后的改造效果进行综合评价，在建立综合评价体系时，应该尽可能选取较多的指标，能够全面反映改造效果，可以得到比较理想的评价结果。本研究选取能够反映低质林补植改造初期效果的35个评价指标，包括土壤理化性质、枯落物持水性能、冠层结构参数、苗木光合作用和苗木生长参数等指标。利用Excel2010对各个指标的实测值进行标准化处理，大兴安岭阔叶混交低质林补植改造后土壤呈弱酸性，其pH值均低于7；当pH值越大即越靠近7时，对林地植被生长越有利，可见pH值为正向指标。本研究中所有的正向指标均利用公式(1)进行标准化处理；土壤密度越大，说明土壤板结程度严重，土壤越紧实，不利于植被根部呼吸和植被生长，土壤持水性能下降，可见土壤密度是逆向指标。利用公式(2)对其进行标准化处理，结果见表2。

表2 各样地指标标准化处理

续(表2)

样地未分解蓄积量半分解蓄积量未分解最大持水量半分解最大持水量未分解有效拦蓄量半分解有效拦蓄量林隙分数BZ10.8310.8230.9980.8460.9380.8711.092BZ21.0541.0281.1071.1271.1341.0890.346BZ30.9491.0420.7240.8270.8210.9201.038BZ40.9511.0390.9270.8101.0210.8930.814BZ50.9721.0371.1481.2240.9901.1100.403BZ61.2261.0671.1571.1921.1501.1971.581CK1.0170.9640.9390.9730.9470.9201.725

样地开度叶面积指数平均叶倾角总定点因子冠下总辐射通量蒸腾速率净光合速率BZ11.0930.8441.0730.8630.8870.4320.936BZ20.3571.3880.8540.0960.1320.7120.989BZ31.0460.9100.9581.3421.3671.2541.190BZ40.8191.1110.8541.2471.2561.7030.823BZ50.4121.4130.8540.0960.1131.5001.149BZ61.5660.6921.1281.6301.5810.8220.959CK1.7080.6431.2781.7261.6650.5760.953

样地环境CO2摩尔分数光合有效辐射叶片温度胞间CO2摩尔分数气孔导度苗木生长量地径BZ10.8830.6920.7620.8800.7130.8820.867BZ20.9350.9110.9450.9490.8031.0031.016BZ31.1470.9681.0601.0530.8921.0281.040BZ40.9651.3360.6770.9731.2040.9540.956BZ51.1171.5631.1411.0821.4711.1461.135BZ61.0481.0241.4411.1971.3821.0271.054CK0.9050.5060.9730.8650.5350.9600.932

利用SPSS19.0分析软件，将标准化后的数据进行主成分分析，各样地各指标总方差分析结果见表3。可知：前4个主成分的累计贡献率为86.205%>85.000%，前4个主成分就可以反映基础数据的信息，即可满足描述大兴安岭阔叶混交低质林补植改造2a后的改造效果。

表3 各样地指标总方差分析

提取前4个主成分的因子载荷见表4。可知：第1主成分在光合有效辐射、有机质质量分数、平均叶倾角、非毛管孔隙度、总孔隙度、蒸腾速率、叶面积指数、土壤含水率、林隙分数、开度指标上有较大载荷；第2主成分在半分解最大持水量、半分解有效拦蓄量、未分解蓄积量、叶片温度、未分解最大持水量、未分解有效拦蓄量、最大持水量指标上有较大载荷；第3主成分在pH值、土壤密度、冠下总辐射通量、总定点因子、毛管孔隙度、环境CO2摩尔分数指标上有较大载荷；第4主成分在全钾质量分数、全氮质量分数、最大持水量指标上有较大载荷。

对大兴安岭阔叶混交低质林进行补植改造后，各样地补植改造效果综合评价结果如表5所示。可知：综合得分最高的是BZ5改造样地，综合得分为0.761，远远超过其他改造样地，说明其改造效果最理想，补植密度800株·hm-2最适宜大兴安岭阔叶混交低质林的补植改造。各样地综合得分从高到低依次为：BZ5(0.761)、BZ3(0.351)、BZ6(0.247)、BZ2(0.017)、BZ4(-0.059)、CK(-0.394)、BZ1(-0.923)。其中对照样地CK的综合得分大于BZ1改造样地，说明BZ1改造样地的补植改造效果较不理想，其补植密度不适宜大兴安岭阔叶混交低质林的补植改造。

表4 各样地指标因子载荷

表5 各样地补植改造效果综合评价

注：F1、F2、F3、F4分别表示4个主成分的因子得分。

4 结论与讨论

大兴安岭阔叶低质林经过生态改造后，生态功能得到明显的改善，林地利用率得到了提高，林分空间结构变得合理，林木生长良好，林地效益实现了最大化。目前对低质林进行生态改造的模式主要有带状改造、块状改造、抚育改造，但对低质林进行补植改造的研究比较少。本研究从大兴安岭阔叶混交低质林补植改造角度出发，筛选出能够反映改造效果的35项评价指标，运用主成分分析法建立不同样地的综合评价模型，计算出各个样地补植改造效果的综合得分，科学地评价不同样地补植改造效果的优劣，据此筛选出大兴安岭阔叶混交低质林补植改造的最佳补植密度。

运用主成分分析法对大兴安岭阔叶混交低质林补植改造效果进行综合评价，综合得分由高到低依次为BZ5(0.761)、BZ3(0.351)、BZ6(0.247)、BZ2(0.017)、BZ4(-0.059)、CK(-0.394)、BZ1(-0.923)。其中BZ5改造样地综合得分最高，表明BZ5改造样地补植改造效果最理想，补植密度800株·hm-2最适宜大兴安岭阔叶混交低质林的补植改造。随着补植密度的逐渐增大，大兴安岭地区阔叶混交低质林各改造样地的改造效果综合得分逐渐升高(BZ4改造样地除外)，各改造样地的补植改造效果随着补植密度的增大而变好；当补植密度大于800株·hm-2后，各改造样地的综合得分降低，各改造样地的改造效果随着补植密度的增大而变得不理想。对大兴安岭阔叶混交低质林进行补植改造后，当补植密度较小时，可能由于补植兴安落叶松幼苗时对林地草本的踩踏和原有灌木的破坏，造成了BZ1样地改造效果差于对照样地的结果，使得其补植改造效果相对不理想。对低质林进行补植改造后，林地微气候发生改变。随着补植密度的逐渐增大和林分密度的持续增大，林下植被水土保持能力也随之增强，加速了枯落物分解，有助于土壤肥力的增加，光合有效辐射较高，光合作用增加比较明显，补植改造效果趋向于变好；当补植密度过大后，林下植被对土壤养分的需求量增加，冠层结构发生变化，枯落物分解减慢，枯落物蓄水保水能力也较差，到达林地表面的阳光较少，温度较低，林分竞争程度加剧，补植改造效果变的不理想。由于大兴安岭地区阔叶混交低质林不同地区气候条件、生态环境、立地条件和植被类型存在较大差异，所以选择合理的补植密度进行补植改造是达到较好改造效果的关键。

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Comprehensive Evaluation on the Effect of Replanting Alterations of Low-quality Forest in Daxing’an Mountains//

Tang Guohua, Dong Xibin, Zhang Tian, Guan Huiwen, Wang Zhiyong, Ruan Jiafu

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)

Daxing’an Mountains; Low-quality forest; Replanting alterations; Principal component analysis

1)国家自然科学基金项目(31400539)。

唐国华，男，1991年2月生，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，硕士研究生。E-mail：652095437@qq.com。

董希斌，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2017年4月6日。

S756.5

责任编辑：戴芳天。