冀北壩上人工防風固沙林穩定性指標體系構建及評價

摘要為了構建適合于冀北壩上地區人工防風固沙林群落穩定性評價的指標體系，采用典型樣地調查法，對該地區不同林齡的華北落葉松人工林、樟子松人工林和北京楊人工林共計8塊樣地進行調查研究。結果表明：①構建了群落穩定性評價指標體系，包括土壤理化性質（田間持水量、空氣孔隙度、全N、速效P、速效K）、林木生長狀況（胸徑平均生長量、材積平均生長量、枯落物生物量、苗木更新）和林下草本植物多樣性（Margalef豐富度指數、Richness豐富度指數、Simpson多樣性指數）等3個方面12項指標；②不同人工林穩定性比較：華北落葉松人工林穩定性>樟子松人工林穩定性>北京楊人工林穩定性。不同林齡比較結果為：9年生和30年生華北落葉松林為高度穩定，15年生華北落葉松林和24年生樟子松林為輕度穩定，8年生華北落葉松林和5年生北京楊林為不穩定，6年生樟子松林和25年生北京楊林為很不穩定。

關鍵詞冀北壩上；人工防風固沙林；群落穩定性；評價

中圖分類號S727.33文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）26-166-05

AbstractIn this paper， we studied Larix principisrupprechtii， Mongolian pine plantation and Beijing poplar plantation of different tree ages in 8 sampling plots by using the typical sample investigation method， to construct a evaluation index system on the stability of artificial windbreaking and sandfixing forest community in the Bashang area of northern Hebei. The results showed that： ① the evaluation index system of stability consists of 12 indexes in three aspects， which are soil physicochemical properties （field moisture capacity， air porosity， total N， available P， available K）， tree growth status （mean annual DBH increment， mean annual volume increment， litter biomass， seedlings renewal） and the undergrowth herb diversity （Margalef Richness index， Richness abundance index， Simpson diversity index）； ② The stability of different artificial forests： Larix principisrupprechtii > Mongolian pine plantation > Beijing poplar plantation； The stability of different tree ages： 9yearold and 30yearold Larix principisrupprechtii are highly stable， 15yearold Larix principisrupprechtii and 24yearold Mongolian pine plantation are lightly stable， 8yearold Larix principisrupprechtii and 5yearold Beijing poplar plantation are unstable， 6yearold Mongolian pine plantation and 25yearold Beijing poplar plantation are highly unstable.

Key wordsBashang Area of Northern Hebei； Artificial windbreaking and sandfixing forest； Community stability； Assessment

穩定性是指系統受到外部擾動后保持和恢復其初始狀態的能力，是一個基于熱力學原理的概念，是生態系統結構和功能的一個綜合特征[1]。自從穩定性概念被提出之后，對于穩定性的評價研究工作主要集中于濕地生態系統、城市生態系統以及天然的森林生態系統，而對人工生態系統穩定性研究相對較少。然而植被的恢復與重建是生態恢復的重要措施，人工生態系統占有了陸地生態系統的70%以上[2]，人工生態系統的穩定性評價能夠作為檢驗生態可持續發展的重要指標之一[3-5]。該文以冀北壩上地區防風固沙林為研究對象，選取了當地常見的3個樹種構成的防風固沙林，分別為華北落葉松人工林、樟子松人工林和北京楊人工林，系統地研究了其群落的土壤理化性質、林木生長狀況以及林下草本植物多樣性，在此基礎上構建合適的穩定性評價指標體系，并對其進行了穩定性綜合評價，為進一步加強對冀北壩上地區防風固沙林的經營管理和了解其群落穩定性提供一些科學依據。

1研究區概況

研究區位于河北省豐寧滿族自治縣大灘鎮、魚兒山鎮、草原鄉和外溝門鄉，地處承德市西北部，地理坐標為115°55′～117°23′ E，40°54′～42°01′ N。研究區自然地貌由東南向西北呈現階梯型增高，分為壩下淺山區、接壩深山區和壩上高原區，平均海拔1 475 m，最高海拔1 998 m，相對高差最大達1 200 m。氣候類型屬于大陸季風型半濕潤、半干旱高原山地氣候，寒冷干燥，年平均氣溫6.7 ℃，≥10 ℃積溫1 600～1 798 ℃，年平均降水量350～500 mm，無霜期80～140 d。土壤呈地帶性分布，壩下淺山區以褐土為主，接壩深山區主要為棕壤，而高原區為黃土。豐寧滿族自治縣植被屬于暖溫帶落葉闊葉林區域和溫帶草甸草原地帶，境內植物種類豐富，但由于受經濟利益的驅使，該地區天然植被被破壞殆盡。隨著退耕還林工程的實施，營建了以人工林為主的防風固沙林帶，主要的防風固沙樹種為華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）、樟子松（Pinus sylvestris）、北京楊（Populus beijingensis）等。

2研究方法

2.1樣地設置

野外調查于2013年8月下旬進行，運用羅盤與GPS進行定位，共設置8塊20 m×30 m的樣地，記錄樣地的海拔、坡度、坡向、林齡、初植密度以及造林前地類等，樣地基本情況見表1。

2.2群落調查

對樣地進行每木檢尺，記錄喬木種類、胸徑、樹高等因子。規定胸徑≥7.5 cm為成樹，胸徑

<2.5 cm的個體為幼苗，介于兩者中間的為幼樹[6]。按平均木法選取1株標準木進行樹干解析，根據解析木計算樹木材積、林分蓄積量等。同時，調查記錄樣地內所有幼苗種類及株數。在標準木下選取1個2 m×1 m的小樣方收集枯落物，烘干稱重。于每個樣地內隨機設置5個1 m×1 m草本樣方，記錄各樣方內出現的草本植物種類、高度、頻度、蓋度及密度等，并計算草本植物的Margalef豐富度指數、Richness豐富度指數、ShannonWiener多樣性指數、Simpson多樣性指數和Pielou均勻度指數[7]，公式如下：

Margalef豐富度指數：R1 =（S-1）/lnN

Richness豐富度指數：R2 =S/N-2

Shannon-Wiener多樣性指數：H = -∑PilnPi

Simpson 多樣性指數：D=1 -∑P2i

Pielou均勻度指數：E=H/lnS

式中，S為標準樣地內林下各層次物種數目；N為標準樣地內林下各層次多度指標總和；Ni為第i個種多度指標；Pi=Ni/N，i = 1，2，3，4，…，n。

在樣地內隨機挖取3個土壤剖面，進行機械分層，按照0～10、10～20和20～40 cm的深度取樣，分別測定其田間持水量、毛管持水量、飽和持水量、土壤容重、土壤總孔隙度、毛管孔隙度以及土壤空氣孔隙度等土壤水分物理性質[8]；分別測定其全N、堿解N、全P、速效P、全K、速效K、土壤有機質含量等土壤化學性質。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化硫酸亞鐵滴定法測定，全N采用凱式定氮法測定，堿解N采用堿解擴散法測定，全P采用堿溶鉬藍比色法測定，速效P采用NaHCO3振蕩提取鉬銻抗比色法測定，全K采用火焰光度法測定，速效K采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[9]。

2.3穩定性評價方法

模糊綜合評價法：模糊綜合評價假設了每個參與評價的指標因子的權重都是相等的。首先，對每一個參與評價的指標因子數據進行標準化處理，以便能更直觀進行評價比較；然后用每一樣地各項評價指標因子的標準化值作為森林群落穩定性綜合評判的標準，進行穩定性等級的評價[10]。

標準化處理：將各樣地內參與模糊綜合評判的同種評價指標因子的數據進行排列分析，選擇參數最大值作為分母，將每一個具體值作為分子，將此比值作為標準化處理后的參數值，并將每個組織層次所有參與評價指標因子的標準化后參數值求其平均值作為這一組織層次的標準化后參數值。

Ui=Xi/Ximax（Ⅰ）

Qk=（ni=1Uki）/n（Ⅱ）

式中，Ui為i評價指標因子標準化后參數值；Xi為i評價指標因子樣地觀測值；Ximax為所有樣地中i評價指標因子最大值；Qk為第k指標層所有評價指標因子標準化后參數值的平均值；n為第k層評價指標因子的總數。

隸屬函數值計算：對不同樣地的同一層次的參數值計算其隸屬函數值，最后用同一樣地的所有組織層次的隸屬函數值的平均值作為這一樣地的穩定性指數值。

Skj=（Qkj-Qkmin）/（Qkmax-Qkmin）（Ⅲ）

Hj=（mk=1Skj）/m（Ⅳ）

式中Skj為j樣地k層的隸屬函數值；Qkj為j樣地k層的參數值；Qkmin為k層所有樣地中最小參數值；Qkmax為k層所有樣地中最大參數值；Hj為j樣地的隸屬函數值即穩定性指數值；m為一個樣地中層次總數。

文中參考廖玉靜[11]、劉振乾等[12]對濕地生態系統穩定性評價等級的評定標準，結合模糊綜合評價計算的穩定性指數值Hj，將防風固沙林植物群落穩定性依次劃分為0～0.2很不穩定；0.2～0.4不穩定；0.4～0.6輕度穩定；0.6～0.8中度穩定；0.8～1.0高度穩定5個等級層次。

2.4穩定性評價指標體系構建

合理的穩定性評價指標能準確地反映出森林生態系統的實際情況，評價森林生態系統的穩定性狀況應選擇最直接、最有效、最關鍵的指標因子。在遵循科學性、可操作性、系統性、一致性和適用性等原則指導下[13-17]，防風固沙林植物群落，作為人工林植物群落，林分結構單一，林分結構方面的指標因子可略去。作為壩上防風固沙林，氣候干旱、風沙大，其穩定性首先體現在林木植物對環境的適應性方面，所以，林木生長狀況和林下草本植物多樣性應作為防風固沙林穩定性評價重要指標。同時，土壤理化性質改善是沙漠化土地恢復的最終目標，對涵養水土、穩定地表有直接的作用。綜上所述，此次冀北沙化土地上防風固沙林植物群落穩定性評價指標體系從土壤理化性質、林木生長狀況以及林下草本植物多樣性3個方面的指標因子篩選構建。

2.5數據處理

應用Excel2003、ForStat以及SPSS15.0進行數據處理和分析。

3結果與分析

3.1穩定性評價指標體系的建立

針對調查中所獲得的土壤理化性質（田間持水量、毛管持水量、飽和持水量、土壤容重、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、空氣孔隙度、全N、堿解N、全P、速效P、全K、速效K以及土壤有機質含量）、林木生長狀況（胸徑、樹高、材積平均生長量和林分蓄積量、枯落物生物量）和林下草本植物多樣性（Margalef豐富度指數、Richness豐富度指數、ShannonWiener多樣性指數、Simpson多樣性指數以及Pielou均勻度指數）3個方面的所有可利用指標因子，運用SPSS軟件對各層可利用指標因子進行相關性分析，為了評價過程的簡單可操作性和評價結果的科學準確性，將多個呈極顯著相關的指標因子剔除[18]，篩選出科學合理的指標因子構建成適合于該地的穩定性評價指標體系（表2～5）。

由表2可知，將所有土壤物理性質指標因子中呈極顯著相關的指標因子剔除后，選擇出田間持水量和空氣孔隙度2個指標因子代表土壤物理性質參與穩定性評價指標體系的構建。

由表3可知，將所有土壤化學性質指標因子中呈極顯著相關的指標因子剔除后，可以選擇出全N、速效P和速效K 3個指標因子代表土壤化學性質參與穩定性評價指標體系的構建。

由表4可知，將所有林木生長狀況指標因子中呈極顯著相關的指標因子剔除后，可以選擇出胸徑平均生長量、材積平均生長量、枯落物生物量和苗木更新4個指標因子代表林木生長狀況參與穩定性評價指標體系的構建。

由表5可知，將所有林下草本植物多樣性指標因子中呈極顯著相關的指標因子剔除后，可以選擇出Margalef豐富度指數、Richness豐富度指數和Simpson多樣性指數3個指標因子代表林下草本植物多樣性參與穩定性評價指標體系的構建。

從以上25項指標因子中最終篩選出來適合用于冀北沙化土地上防風固沙林穩定性評價的指標體系包括有：土壤理化性質（田間持水量、空氣孔隙度、全N、速效P和速效K）、林木生長狀況（胸徑平均生長量、材積平均生長量、枯落物生物量和苗木更新）和林下草本植物多樣性（Margalef豐富度指數、Richness豐富度指數和Simpson多樣性指數）共3個方面12項指標因子。

3.2穩定性評價

在已建立適合用于冀北沙化土地上防風固沙林穩定性評價指標體系的基礎上，運用模糊綜合評價法對8塊樣地進行了穩定性評價，各樣地穩定性評價等級為8年生樟子松林、25年生北京楊林很不穩定；8年生華北落葉松林、5年生北京楊林不穩定；15年生華北落葉松林、24年生樟子松林輕度穩定；9年生華北落葉松林和30年生華北落葉松林高度穩定。各樣地穩定性指數如表6所示。

對比不同樹種植物群落穩定性指數，可以得出結論：華北落葉松林穩定性>樟子松林穩定性>北京楊林穩定性。其中，林齡相差較大的9年生和30年生華北落葉松林最為穩定，而年齡相近的2個8年生華北落葉松林與9年生華北落葉松林穩定性等級情況較為反常。結合穩定性計算過程中數據資料可知，在已構建的評價指標體系中，導致8年生華北落葉松林穩定性指數顯著小于9年生華北落葉松林的主要準則層因素是土壤理化性質和林木生長狀況，其隸屬函數值S分別為：8年生華北落葉松林（0.092，0.183）<9年生華北落葉松林（1.000，1.000）；具體到指標層的指標因子則主要有田間持水量（16.366%<45.079%）、全N（0.793 g/kg<3.926 g/kg）、速效P（2.703 mg/kg<5.370 mg/kg）、速效K（74.083 mg/kg<299.362 mg/kg）和枯落物生物量（3.304 kg<8.791 kg）5個指標因子。在調查中得知8年生華北落葉松林處于上風方向，有較為嚴重的風蝕現象，正是由于風蝕導致了以上5個指標因子的數值相比于9年生華北落葉松林明顯偏小，從而導致年齡相近的2個華北落葉松植物群落的穩定性等級差異較大。由以上結果可以看出，年齡不是影響該地防風固沙林穩定性的主要因素，而樹種是決定其穩定的主要因子，華北落葉松林的穩定性普遍要好于其他2個樹種，北京楊林穩定性最差，說明楊樹不是冀北壩上沙漠化土地防風固沙林的優良造林樹種。

4結論與討論

4.1結論

（1）該文構建了適合用于冀北壩上地區防風固沙林植物群落穩定性評價的指標體系，共3個方面12項指標因子，分別為土壤理化性質（田間持水量、空氣孔隙度、全N、速效P和速效K）、林木生長狀況（胸徑平均生長量、材積平均生長量、枯落物生物量和苗木更新）和林下草本植物多樣性（Margalef豐富度指數、Richness豐富度指數和Simpson多樣性指數）。

（2）基于穩定性指數計算的8塊樣地的穩定性評價結果顯示：9年生華北落葉松林（0.870）和30年生華北落葉松林（0.830）為高度穩定，15年生華北落葉松林（0.414）和24年生樟子松林（0.419）為輕度穩定，8年生華北落葉松林（0.291）和5年生北京楊林（0.279）為不穩定，6年生樟子松林（0.147）和25年生北京楊林（0.171）為很不穩定；就不同樹種穩定性比較而言，華北落葉松林穩定性>樟子松林穩定性>北京楊林穩定性。

4.2討論

（1）在對人工林植物群落進行穩定性評價的工作中，其評價指標體系的構建對于穩定性評價的過程和結果均具有重要意義。而對于人工林生態系統穩定性的評價，學術界并沒有形成統一固定的模式或體系，人們在對具體的生態系統進行穩定性研究時更多的是根據具體研究對象給出相對應的穩定性指標[19]。在構建森林植物群落穩定性評價指標體系時，不一定要得出一個適合于運用到所有森林生態系統的評價指標體系，鑒于生態系統的復雜性，可以在已有的森林分類的基礎上構建適合用于各個不同森林類型的評價指標體系。這樣的思路不僅是可行的，而且是具有實際利用價值的。此次研究對象是冀北壩上沙化土地上人工防風固沙林植物群落，作為一類特殊的森林生態系統，理應根據森林經營目的的不同和森林類型的不同構建適合于該森林的穩定性評價指標體系。同時在指標體系構建過程中，如果將所有可獲得的指標因子都列入到指標體系中，不但使評價過程變得繁瑣，而且也會導致評價結果的不真實性。所以在構建指標體系時，有必要運用一種合理的科學方法對其進行篩選。肖雁青[18]在對北京松山自然保護區森林群落結構健康研究中采用的相關性分析法可以有效地解決這一問題。該研究在借鑒他人研究的基礎上，從土壤理化性質、林木生長狀況和林下草本多樣性3方面有針對性地篩選了12項指標因子，將其納入了對冀北壩上沙漠化土地上防風固沙林植物群落的穩定性評價指標體系的模型中，使得該地防風固沙林森林群落的穩定性評價更具有科學性和實用性。

（2）該研究通過選擇能夠反映出人工防風固沙林植物群落穩定性狀況的指標因子，運用模糊綜合評價法計算其隸屬函數值從而衡量其相對穩定性，重點是對穩定性評價指標體系的構建。所得的評價結果符合冀北壩上森林群落的狀況，華北落葉松林和樟子松林相比于北京楊林具有更好的穩定性，這一結果與趙存玉[20]在對河北壩上風蝕沙化土地上固沙造林樹種選擇上的研究結論相一致，華北落葉松和樟子松是適合于冀北壩上沙化土地上固沙造林的樹種。而北京楊作為闊葉樹種，其蒸騰耗水量大且冬季落葉，不利于其防風固沙功能的發揮，說明楊樹不是冀北壩上沙漠化土地防風固沙林的優良造林樹種。

（3）防風固沙林的防護期也是人們關注的問題之一，從該文結果可以看出，在立地類型、坡向等環境條件相近的前提下，9年生、15年生和30年生的華北落葉松林具有相近的穩定性，這意味著在該地區，與樟子松和楊樹林相比，華北落葉松林的防護期應該最長，林分穩定性維持能力最強。而樟子松幼林和老齡楊樹林穩定性最差，樟子松生長速度慢，形成地面有效覆蓋所用時間較長，但后期林分穩定性高。而楊樹是速生樹種，5年生的北京楊林反倒要比25年生的林分穩定性略高。因此，根據冀北不同樹種的生長、成熟等生物學特性，通過林分穩定性評價，選擇適宜的樹種、制定合理的樹種配置、適時的樹種更新、適度的采伐等經營管理措施，進而構建穩定性高、防護功能強、短期與長期效益兼顧的防風固沙林才是冀北沙漠化土地修復的根本途徑之一。

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