魯中山地側柏人工林喬木層的質量評價研究

王 鳳，謝同利，葛忠強，梁 燕，李宗泰，呂雷昌，王清華*

（1.淄博市張店區園林綠化服務中心，山東 淄博255000；2.濟南市歷城區國有黑峪林場，山東 濟南250000；3.山東省林業科學研究院，山東 濟南250014）

森林生態系統是由森林及其周圍環境和附屬物構成的，具有涵養水源、固碳釋氧、保育土壤、調節氣候、凈化環境、保護生物多樣性等諸多方面的生態功能[1]。森林生態系統的穩定性已成為衡量生態系統結構和功能最重要的特性，隨著研究的不斷深入，穩定性的內涵和概念也越來越豐富[2]。林分主要包含喬木層、林下灌草層、土壤層3個主要層次，喬木層是其中最重要的組成部分，很大程度上決定了系統的生產力和穩定性。因此，林分喬木層的質量優劣對于保持森林生態穩定，讓森林擁有更大產出值、生產力，實現森林的可持續發展具有重要意義。側柏（Platycladus orientalis）對氣候、土壤條件有較強的適應性，抗干旱瘠薄能力強，是我國淮河以北石灰巖山地的主要造林樹種[3]，在荒山綠化、水土保持、防風固沙、凈化空氣等方面發揮了重要生態作用[4]。山東省第八次森林資源清查結果表明，2014年側柏人工林面積為11.36 萬hm2，是山東省栽植面積最大的針葉林樹種[5]。山東省是側柏人工林主要分布區之一，魯中山地側柏人工林多營造于20世紀60年代，造林時密度普遍很大，由于后期缺乏間伐、更新等科學撫育措施，目前林分密度仍然較大，多數在3000株/hm2以上，郁閉度一般在0.6～0.9之間，導致側柏林木生長緩慢，林下植被稀疏，水土流失嚴重，難以全面發揮其生態功能，生態穩定性普遍較差。因此，急需采用科學有效的撫育措施，為其構建穩定森林生態系統，而首先需要對魯中山區側柏人工林喬木層進行質量評價，這對于確定側柏林合理經營技術，全面發揮生態效益，促進山東省干旱瘠薄山地生態環境建設具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 調查區概況

魯中山區位于山東省中部，地理坐標為東經116° 28′-118° 49′，北緯35°42′-37° 09′，行政區劃主要有濟南、淄博、泰安等市；山地與丘陵占總面積的70%以上，是山東省內地山地最集中的區域，以500 m以下的低山丘陵為主[6]。該區屬于暖溫帶濕潤氣候區，年平均氣溫13℃，年均降水量750 mm，大于10℃積溫約為4200～4600℃，日照時數2500～2800 h，無霜期190～220 d。該區土壤類型以褐土和棕壤為主，主要植被類型為落葉類闊葉樹種和松柏類樹種[7]。

1.2 樣地設置

試驗樣點共有3處，樣點1 設在山東省林業科學研究院燕子山實驗林場，位于濟南市歷下區；樣點2設在原山林場，位于淄博市博山區；樣點3 設在黑峪林場，位于濟南市歷城區彩石辦事處。供試林分為50年左右林齡的長期側柏人工林，整體郁閉度較大。上述樣點的側柏人工林主要分布于山坡地，土壤類型均為石灰性褐土，土層較薄，石礫含量較高。在各樣點選取不同密度和郁閉度的側柏人工林，樣點1、2、3 分別設置6、8、9塊樣地，按“樣點-樣地”格式編號。每塊樣地面積為100 m2，林下植被主要以灌木為主，少數樣地草本植物較多，植物品種主要有荊條（Vitex negundo）、君遷子（Diospytos lotus)、胡枝子（Lespedeza bicolor）、珍珠菜（Lysimachia clethroides）、羊須草（Carex callitrichos）等。調查并記錄樣地的經緯度、林齡、郁閉度、林下蓋度、海拔、坡向、坡位、林分結構等特征和生境因子。具體情況見表1。

表1 側柏人工林樣地概況

1.3 調查方法

1.3.1 喬木層生長指標

對所設23塊樣方中的側柏進行每木調查，記錄樣方內側柏的存活株數、死亡株數、間伐株數、胸徑、樹高、冠幅、枝下高、葉面指數等生長指標，分別計算不同側柏林的林分密度、保存率、冠層高、材積和生物量。其中，胸徑、樹高、冠幅、冠層高、葉面指數、年均生物量的調查和計算方法參見文獻[8-9]。將喬灌草、喬草、喬灌、純喬木四種林分結構分別賦值為4、3、2、1 作為結構系數。

1.3.2 葉片營養指標

在各樣方中選取胸徑接近平均值的側柏樹木3株，使用高枝剪分別采集其冠層中部葉片，四個方位均采集200 g 左右，混勻后帶回實驗室殺青、烘干后，采用H2SO4-H2O2消化分別測定葉片中的氮、磷和鉀含量。氮含量采用凱氏定氮法測定，磷含量采用釩鉬黃比色法，鉀含量采用火焰光度計法[10]。

1.4 數據處理與分析

由于各調查指標對評價目標的影響并不一致，因此采用因子分析法對側柏人工林的喬木層質量優劣進行綜合評價，具體步驟參見文獻[11]。采用變異系數來分析側柏人工林喬木層綜合質量的變異程度，低于10%為弱變異，高于100%為強變異，處于二者之間（10%～100%）的為中等變異[12]。利用Excel 2007軟件進行數據整理、計算和圖表制作，采用數理統計軟件SPSS 18.0 進行因子分析、相關性分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 公因子提取和公因子模型

各試驗點所采集數據見表2所示。對各樣地的側柏林樹高（X1）、胸徑（X2）、材積（X3）、年均生物量（X4）、冠幅（X5）、冠層高（X6）、葉面指數（X7）、密度（X8）、保存率（X9）、郁閉度（X10）、結構系數（X11），以及葉片含氮量（X12）、含磷量（X13）和含鉀量（X14）等14個調查指標進行因子分析。數據標準化后通過計算，提取出了5個公因子，這5個公因子的累積方差貢獻率為82.24%，表明原來14個觀測指標的全部信息可由這5個公因子反映80%以上（表3）。在因子分析中，一般需要提取累計貢獻率達到80%左右或以上的少數幾個特征根對應的公因子。在本研究中，需要提取前5個公因子。經過進一步簡化結構，通過采用最大方差正交旋轉后，求得旋轉后因子載荷如表4所示。

表2 側柏林喬木層質量評價指標

表3 公因子的特征根和貢獻率

由公因子載荷表中可以看出（表4），決定第1個公因子大小的是樹高（X1）、胸徑（X2）、材積（X3）、年均生物量（X4）、冠幅（X5）、冠層高（X6）和密度（X8），這表示第1個公因子主要反映了樹木生長量對喬木層質量的直接影響作用；決定第2公因子的是郁閉度（X10）和結構系數（X11），主要反映了林分整體結構對喬木層質量的直接影響作用，而決定第3公因子大小的則是葉面指數（X7）、保存率（X9）和葉面含鉀量（X14），決定第4、5公因子大小的分別是葉片含氮量（X12）和含磷量（X13）。

表4 旋轉后的公因子載荷

表5 不同樣地的公因子得分和綜合得分

2.2 各樣地側柏林喬木層質量綜合評價結果

在影響側柏人工林喬木層質量的公因子中，各個公因子的影響程度并不相同，特征根貢獻率大小已說明了這種情況。在綜合評價時，必須區別各個公因子對其影響的主次關系，賦予不同的權重，權數越大，表示該公因子所起的作用也越大。由此可見，公因子權重的相對大小反映了各個公因子在質量評價中的相對地位。目前，確定權數的通常方法是采用專家打分或層次分析法，但都帶有很大的主觀性。為了更合理地給出權重，突出各個公因子的作用程度，本研究以公因子特征根貢獻率所占比例作為權重值[11]。

按因子分析的要求計算各樣地的5個公因子得分值，然后將各樣點的5個公因子得分與權重分別相乘，得到各個樣地側柏林喬木層質量的因子得分，再通過數據標準化后得到綜合分值（表5）。結果表明，綜合分值排前5名的側柏林依次為原山林場2號、燕子山林場5號、原山林場3號、黑峪林場5號和黑峪林場7號，表明這5個樣地側柏林喬木層的綜合質量較好；而燕子山林場6號、1號和黑峪林場2號的綜合分值最低，側柏林喬木層質量相對較差。供試所有林分喬木層質量分值的變異系數為49.79%，為中等變異程度，表明魯中山地長期側柏人工林的喬木層質量在不同樣地間的整體變異不大，相對較為穩定。

根據表的綜合得分，計算出不同地點林分的喬木層質量平均得分（圖1)。從圖中可以看出，位于原山林場的側柏林喬木層質量較好，平均分值明顯高于燕子山林場和黑峪林場，三者之間的差異沒有達到顯著性水平。通過計算3個樣點的變異系數得知，燕子山林場、原山林場和黑峪林場側柏人工林喬木層質量分值的變異系數分別為87.87%、15.73%和52.29%，均為中等變異，其中原山林場側柏林喬木層的整體穩定性最好。

2.3 影響因子分析

由于側柏林喬木層質量是多個因子綜合作用的結果，為進一步分析不同觀測指標與喬木層質量之間的關系，對它們之間的關系進行了相關性分析，結果見表6。由表中數據可以看出，在14個評價指標中，共有樹高、胸徑、材積、年均生物量、冠幅、冠層高、葉面指數和密度等8個指標分別與喬木層質量綜合分值之間存在顯著性相關（P ＜0.05），而其它6個因子與喬木層質量綜合分值的相關性沒有達到顯著性水平。

在相關性顯著的因子中，只有密度與喬木層質量呈現負相關。將林分密度與質量綜合分值進行回歸分析，由圖2可以看出兩者之間表現出線性負相關。隨著林分密度的增加，側柏林喬木層質量也顯著降低。經擬合分析后，得到回歸方程為：Y = 1.038-12.23×10-6X（P ＜0.01,R=0.677）。結果表明，林分密度過高不利于側柏人工林喬木層的生長和質量提升。

3 結論

采用因子分析方法對魯中山區23塊樣地的側柏人工林喬木層質量進行了綜合評價，結果表明，不同樣地側柏喬木層質量存在較大差異，但整體屬中等變異，其中以原山林場2號、燕子山林場5號、原山林場3號、黑峪林場5號和黑峪林場7號等5個樣地側柏林喬木層質量較好；而燕子山林場6號、1號和黑峪林場2號相對較差。相比之下，位于原山林場的側柏林喬木層質量較好，各林分間變異最小，整體更為穩定。在14個評價指標中，共有8個指標與喬木層質量綜合分值之間存在顯著性相關，分別是樹高、胸徑、材積、年均生物產量、冠幅、冠層高、葉面指數和密度；隨著林分密度的增加，側柏林喬木層質量顯著降低，對于過高密度的側柏人工林應及時進行間伐撫育。