基于林分結(jié)構(gòu)和竹筍產(chǎn)量的有機材料覆蓋雷竹林退化程度評價

劉 麗，陳雙林，李艷紅

（1.中國林業(yè)科學研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 富陽 311400；2.杭州市余杭區(qū)實用技術(shù)學校，浙江 余杭 311121）

生態(tài)退化是目前全球面臨的主要環(huán)境問題之一，已引起各國政府和學者的高度重視，生態(tài)系統(tǒng)退化和退化生態(tài)系統(tǒng)恢復已成為當前生態(tài)學研究的熱點［1］。對退化程度的診斷是生態(tài)系統(tǒng)退化研究中首先遇到和必須解決的問題，而當前對生態(tài)系統(tǒng)退化程度診斷的研究大多仍停留在定性階段，這在一定程度上制約著生態(tài)恢復實踐和恢復生態(tài)學的發(fā)展［2］。目前，關(guān)于退化生態(tài)系統(tǒng)研究多集中在荒漠生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)［3］，涉及到竹林生態(tài)系統(tǒng)的很少。雷竹Phyllostachys praecox是中國優(yōu)良的散生筍用竹種，具有成林速度快，出筍早，筍味佳，產(chǎn)量高，經(jīng)濟效益好等特點，在中國許多雷竹適生區(qū)有規(guī)?；N栽培。為了獲取高的經(jīng)濟產(chǎn)出，浙江省雷竹主要栽培區(qū)普遍實施林地有機材料覆蓋竹筍早出技術(shù)措施，在一定時間內(nèi)雷竹林竹筍產(chǎn)量和經(jīng)濟效益得到了顯著提高［4－5］，但是，隨著覆蓋年限增加，雷竹林出現(xiàn)了不同程度的退化現(xiàn)象，且有日趨嚴重的趨勢［6－7］，主要表現(xiàn)在林分立竹平均胸徑和相同徑級立竹枝下高明顯減小，新竹留養(yǎng)困難，年齡結(jié)構(gòu)不合理，竹筍產(chǎn)量顯著下降［8－9］，土壤養(yǎng)分失衡［10－11］，土壤重金屬含量增加［12－13］，土壤酶活性異常［14－15］，土壤微生物區(qū)系變化［7，16］等。目前，針對有機材料覆蓋雷竹林退化程度的評價少有涉及。本研究應用主成分分析法，采用林地有機材料覆蓋雷竹林林分結(jié)構(gòu)和竹筍產(chǎn)量等14項指標來評價有機材料覆蓋雷竹林林分退化程度，旨在為退化雷竹林恢復提供理論依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地位于浙江省臨安市太湖源鎮(zhèn)（30°24′N，119°32′E），屬中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明。年平均氣溫為15.9℃，最高氣溫41.3℃，最低氣溫－13.3℃，≥10℃年積溫4 999.7℃，年無霜期234 d，年降水量1 400 mm。地形地貌為低山丘陵，土壤為紅壤、黃紅壤和水稻土3種類型。

試驗區(qū)屬臨安市雷竹重點產(chǎn)區(qū)，全鎮(zhèn)雷竹林面積有0.4萬hm2，是雷竹林林地有機材料覆蓋高效栽培技術(shù)推廣最早、面積最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，竹筍業(yè)是區(qū)域農(nóng)村家庭經(jīng)濟收入的主要來源。由于長期集約經(jīng)營和林地連年覆蓋，雷竹林立地生產(chǎn)力退化現(xiàn)象嚴重，已影響到區(qū)域竹筍業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 試驗材料與方法

2.1 樣地設置

2007年10月在臨安市太湖源鎮(zhèn)隨機選擇有機材料覆蓋雷竹林15個樣點，設置10 m×10 m固定樣地3個·樣點-1，樣地四角豎木樁作為標志。

2.2 林分結(jié)構(gòu)及竹筍產(chǎn)量調(diào)查

調(diào)查竹林立竹密度和每竹的立竹年齡、立竹胸徑、立竹枝下高等林分結(jié)構(gòu)因子。2008年出筍期除正常經(jīng)營所需要留養(yǎng)的竹筍數(shù)量外（按雷竹豐產(chǎn)結(jié)構(gòu)的立竹密度1.2～1.5萬株·hm-2，立竹胸徑3～4 cm，立竹年齡比為1年生 ∶2年生 ∶3年生 ＝4∶3∶3的標準要求，在自然出筍盛期留養(yǎng)新竹），樣地中其他竹筍悉數(shù)挖取，以實際采收的竹筍統(tǒng)計竹筍產(chǎn)量。在新竹長成后調(diào)查固定樣地內(nèi)的新竹數(shù)、新竹胸徑、新竹枝下高等。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

2007年調(diào)查因子：X1為立竹密度（萬株·hm-2），X2為1年生立竹比例（%），X3為1年生立竹平均胸徑（mm），X4為1年生立竹平均枝下高（m），X5為2年生立竹比例（%），X6為2年生立竹平均胸徑（mm），X7為2年生立竹平均枝下高（m），X8為2年生以上立竹比例（%），X9為2年生以上立竹平均胸徑（mm），X10為2年生以上立竹平均枝下高（m）；2008年調(diào)查因子：X11為新竹比例（%），X12為新竹平均胸徑（mm），X13為新竹平均枝下高（m），X14為竹筍產(chǎn)量（t·hm－2）。數(shù)據(jù)分析采用主成分分析（PCA），數(shù)據(jù)處理用SPSS統(tǒng)計軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分選擇

對15個樣點的14項因子指標（表1）的信息作主成分分析（PCA），進行信息集中與提取，在不損失原有信息的情況下，通過降維產(chǎn)生新變量，提取雷竹林退化的主要評價因子。根據(jù)各項因子指標特征值和累計貢獻率（表2）可知，前5個因子特征值均大于1，累計貢獻率達81.712%，可概括14個因子指標所涵蓋的大部分信息。因此，選擇前5個因子作為林地有機材料覆蓋雷竹林退化程度劃分的主成分（Fi），即 F1～F5。

表1 林地有機材料覆蓋雷竹林林分結(jié)構(gòu)和竹筍產(chǎn)量Table 1 Bamboo forest structure and bamboo shoot output of in 15 sampling plots

3.2 主成分因子識別

主成分因子識別是通過各項因子指標對主成分的貢獻率（主成分載荷）進行分析，表3是各主成分在各變量上的載荷，從中得到各主成分的載荷方程：

由表2和表3可知，第1主成分貢獻率為27.000%，其中，1年生立竹胸徑、立竹枝下高、2年生立竹胸徑和竹筍產(chǎn)量有較大的正載荷。第2主成分貢獻率為18.214%，其中，2年生立竹所占比例、新竹胸徑、新竹枝下高有較大的正載荷。第3主成分貢獻率為13.348%，其中，立竹密度、1年生立竹枝下高、2年生以上立竹所占比例有較大的正載荷。第4主成分貢獻率為12.760%，其中，2年生以上立竹胸徑和枝下高有較大的正載荷；第5主成分貢獻率為10.389%，其中，2年生立竹所占比例和新竹比例有較大的正載荷。綜合分析，有機材料林地覆蓋導致的雷竹林退化對立竹年齡結(jié)構(gòu)、立竹胸徑、立竹枝下高和竹筍產(chǎn)量影響較大，也即說明立竹年齡結(jié)構(gòu)、立竹胸徑、立竹枝下高和竹筍產(chǎn)量可以用來作為雷竹林退化程度評價的主要指標。

表2 各項因子指標特征值及累計貢獻率Table 2 Eigenvalue and cumulative contribution of 14 biological indices

3.3 退化程度劃分

采用主成分得分與各自貢獻率累加和計算各樣點雷竹林退化指數(shù)，即Fc=0.270 00F1＋0.182F2＋0.134F3＋0.128F4＋0.104F5。根據(jù)綜合因子得分，對15個樣點雷竹林進行退化程度評價，得出各樣點雷竹林退化情況（表4）。依據(jù)綜合因子得分將試驗樣點雷竹林劃分為4大類：重度退化（Ⅰ），中度退化（Ⅱ和Ⅲ），輕度退化（Ⅳ和Ⅴ），未退化（Ⅵ）。重度、中度、輕度退化的林地有機材料覆蓋雷竹林所占比例分別為13.34%，26.66%，46.67%，未退化的雷竹林比例僅占13.33%，可見試驗區(qū)雷竹林退化現(xiàn)象已十分嚴重。

表4 林地有機材料覆蓋雷竹林退化程度劃分Table 4 Evaluation of degradation degree of Phyllostachys praecox stands in samping plots

3.4 退化雷竹林林分結(jié)構(gòu)因子相關(guān)性分析

對退化雷竹林林分結(jié)構(gòu)因子作相關(guān)性分析（表5）可知，1年生立竹平均胸徑與枝下高，新竹平均胸徑與枝下高呈極顯著正相關(guān)，說明立竹枝下高是立竹胸徑的從屬因子，因此在退化程度評價的主要因子中可剔除立竹枝下高，而用容易測量的立竹胸徑；1年生立竹比例與2年生立竹比例極顯著負相關(guān)；1年生立竹比例與2年生立竹平均胸徑，新竹比例與新竹平均胸徑顯著負相關(guān)；2年生及以上立竹平均胸徑與1年生立竹平均胸徑，2年生以上立竹比例與1年生立竹枝下高、新竹比例均呈顯著正相關(guān)。退化雷竹林的林分結(jié)構(gòu)因子關(guān)系反映出竹林新竹留養(yǎng)困難，新竹質(zhì)量下降，竹林結(jié)構(gòu)趨于不合理。

表5 退化樣地林分因子相關(guān)性分析Table 5 Correlation between each 14 biological indices in 15 sampling degraded plots

3.5 雷竹林整齊度和均勻度

用退化和未退化雷竹林立竹平均胸徑和立竹平均胸徑的標準差計算立竹整齊度，得出退化和未退化雷竹林的立竹平均整齊度分別為4.10和5.23。退化雷竹林立竹整齊度下降，說明立竹個體大小分化程度高，個體間競爭趨于激烈，大的個體往往在養(yǎng)分、光合空間等資源競爭中占據(jù)優(yōu)勢，不利于無性系種群的良好自我更新和立地生產(chǎn)力發(fā)揮。

用退化和未退化雷竹林單位面積平均立竹數(shù)和平均立竹數(shù)的標準差計算立竹分布均勻度，得出退化和未退化雷竹林立竹平均均勻度分別為2.95和5.60。退化雷竹林較低的立竹分布均勻度，表明立竹在林地中分布不均勻，往往成聚集分布，立竹所占據(jù)的土壤、光合營養(yǎng)空間重疊度高，環(huán)境資源利用率降低。

4 結(jié)論與討論

生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化，將會在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與功能發(fā)揮等方面有所表現(xiàn)。退化生態(tài)系統(tǒng)診斷途徑有生物途徑、生境途徑、生態(tài)系統(tǒng)功能服務途徑、景觀途徑和生態(tài)過程途徑等［2］。本研究從生物途徑應用主成分分析法對有機材料覆蓋雷竹林進行退化程度診斷，得出立竹年齡結(jié)構(gòu)、立竹胸徑、枝下高和竹筍產(chǎn)量占有較大的正載荷，鑒于立竹枝下高是立竹胸徑的從屬因子，將立竹年齡結(jié)構(gòu)、立竹胸徑和竹筍產(chǎn)量作為有機材料覆蓋雷竹林退化程度評價的主要指標。根據(jù)主成分得分與各自貢獻率累加值所計算的雷竹林退化指數(shù)，將有機材料覆蓋雷竹林退化程度劃分為4類和6個等級：重度退化（Ⅰ）、中度退化（Ⅱ，Ⅲ）、輕度退化（Ⅳ，Ⅴ）、未退化（Ⅵ），其中，退化竹林占86.67%，未退化竹林僅占13.33%，反映出林地覆蓋易造成雷竹林退化，如何科學地進行林地覆蓋是實現(xiàn)雷竹林高效可持續(xù)經(jīng)營所迫切需要解決的問題。

立竹密度、立竹胸徑和立竹年齡結(jié)構(gòu)是衡量竹林生長狀況和生產(chǎn)力高低的重要指標［8，17］，在豐產(chǎn)林分結(jié)構(gòu)的立竹密度范圍內(nèi)，竹林密度與立竹平均胸徑存在顯著性相關(guān)［18－19］，徑級結(jié)構(gòu)可以用Weibull分布來描述［20］。而本研究結(jié)果為退化雷竹林立竹密度與其他林分結(jié)構(gòu)因子間相關(guān)不顯著，立竹整齊度和均勻度下降，立竹徑級趨于非正態(tài)分布，也即說明林分結(jié)構(gòu)趨于不合理，分析致成原因認為，有機材料覆蓋措施不僅干擾了雷竹正常的生長發(fā)育規(guī)律，而且有機覆蓋物地表層發(fā)酵增溫耗氧和物理隔離效果，會使林地土壤長期處于高濕和缺氧狀態(tài)，從而改變了土壤物理、化學和生物性狀［10－11，14］，影響竹林地下鞭根系統(tǒng)生長更新［9］，導致立竹更新困難，立竹生長勢衰退，竹林出現(xiàn)退化，竹筍產(chǎn)量下降。因此，對于退化雷竹林恢復，除實施劣變土壤改良外，直接關(guān)系到竹林更新生長和效益產(chǎn)出的立竹密度、立竹胸徑和立竹年齡結(jié)構(gòu)等林分結(jié)構(gòu)主要因子也是重要的調(diào)控對象。

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