大興安嶺森林更新綜合評價*

張凌宇 劉兆剛 趙 慶 唐洪輝

（1. 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2. 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點(diǎn)實(shí)驗室/東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林更新是表征森林生產(chǎn)潛力的重要指標(biāo)，是維持群落動態(tài)變化的基礎(chǔ)，也是森林自我修復(fù)的重要途徑。在以往的森林調(diào)查中，對于森林更新的調(diào)查往往采用在樣地的四角和中心設(shè)置小樣方的方法進(jìn)行調(diào)查[1-4]，同時對于起測高度或胸徑也有一定限制，很少有對整個樣地進(jìn)行無差別森林更新調(diào)查的。以往的調(diào)查方法存在缺陷，例如通過重力進(jìn)行種子擴(kuò)散的樹種，其更新往往集中在母樹周圍，但是母樹并不一定位于所選取樣方的周邊，因此，通過四角和樣地中心設(shè)置樣方對全林的更新進(jìn)行估算的方法具有不準(zhǔn)確性，并且在調(diào)查中往往很難從直觀上判斷更新狀況的優(yōu)劣，而對整個樣地進(jìn)行調(diào)查則耗費(fèi)大量的人力和時間。有研究顯示，種源不足、生物抑制障礙、生境異質(zhì)性、種群障礙、人為干擾等諸多因子影響森林更新的優(yōu)劣[5]。因此，本文以大興安嶺地區(qū)的3種典型森林類型（白樺林Betula platyphylla、針闊混交林、落葉松林）為主要研究對象，通過構(gòu)建森林更新影響因子的指標(biāo)體系，以熵-AHP 法確定各指標(biāo)權(quán)重值，采用線性函數(shù)綜合評價法得出116 塊樣地森林更新影響因子的綜合評價值，對其在判斷更新優(yōu)劣的準(zhǔn)確性上進(jìn)行檢驗，最后以該綜合評價值為基礎(chǔ)，對不同林型下的更新狀況進(jìn)行分析。本研究提出了基于森林更新影響因子評價體系構(gòu)建的一種更新優(yōu)劣判斷方法，為該地區(qū)天然次生林的經(jīng)營決策提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，同時評價過程也可以為不同地區(qū)更新影響因子評價提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑龍江大興安嶺新林林業(yè)局翠崗林場、新林林場、松嶺林業(yè)局壯志林場，其中翠崗林場（124°5′～124°30′ E，51°38′～51°47′ N）位于大興安嶺新林區(qū)東北部，施業(yè)區(qū)總面積160 101 hm2。新林林場（123°41′～125°25′ E，51°20′～52°10′ N）地處黑龍江省西北部，和翠崗林場同屬新林區(qū)管轄，施業(yè)區(qū)總面積143 926 hm2。壯志林場（123°29′～124°18′ E，50°58′～51°23′ N）位于大興安嶺松嶺區(qū)西北端，施業(yè)區(qū)總面積131403 hm2。新林區(qū)主要樹種包括興安落葉松Larix gmelinii、白樺、樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、紅皮云杉Picea koraiensis、山楊Populus davidiana等，灌木主要包括興安杜鵑Rhododendron dauricum、胡枝子Lespedeza bicolor、杜香Ledum palustre和越桔Vaccinium vitisidaea等。壯志林場主要樹種有興安落葉松、白樺和山楊等，灌草種類包括篤斯越桔Vaccinium uliginosun、紅花鹿蹄草Pyrola incarnata等。

采用充電較好環(huán)狀電極，試驗利用感應(yīng)充電的原理，在噴頭上安裝銅圈和絕緣環(huán)，然后接上高壓直流電源，對霧滴形成區(qū)域施加環(huán)狀感應(yīng)電極[2]。環(huán)狀電極為自制的電極并且在試驗準(zhǔn)備階段進(jìn)行了霧滴帶電噴霧的預(yù)試驗并取得了良好的荷電效果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行液力式噴霧機(jī)高壓靜電噴霧，研究霧滴粒數(shù)和平均粒徑的沉降分布狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于2017—2019 年大興安嶺新林林業(yè)局新林林場、翠崗林場、松嶺林業(yè)局壯志林場的固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，3 年間共設(shè)置面積為20×30 m 的樣地116 塊，在樣地調(diào)查過程中，對于樣地內(nèi)胸徑≥5 cm 的林木進(jìn)行每木檢尺，記錄其樹種、狀態(tài)、胸徑、樹高、冠幅以及坐標(biāo)位置等信息，胸徑＜5 cm 記為更新層，記錄更新層所有個體的樹種、狀態(tài)、地徑或胸徑（樹高＞1.3 m）、樹高及位置等信息，對所有樣地的森林更新進(jìn)行了全部調(diào)查（不區(qū)分起測地徑和高度），需要指出的是在統(tǒng)計更新株數(shù)的過程中，只記錄了實(shí)生苗的天然更新株數(shù)，對于蘗生苗和萌生苗沒有進(jìn)行記錄。同時，在樣地中心設(shè)置5×5 m 的樣方進(jìn)行灌木調(diào)查，在樣地的四角設(shè)置1×1 m 的樣方進(jìn)行草本調(diào)查。各樣地的基本統(tǒng)計量見表1。

本研究結(jié)合實(shí)際以及前人關(guān)于森林更新影響因子的相關(guān)研究，主要從林分結(jié)構(gòu)、林分因子、土壤理化性質(zhì)、林下植被特征和干擾等5 個方面來對不同林型下森林更新影響的差異進(jìn)行探討。

1.3 研究方法

1.3.1 森林更新影響因子的評價指標(biāo) 本研究以林分結(jié)構(gòu)、林分因子、土壤理化性質(zhì)、林下植被特征和干擾等5 個方面對應(yīng)層次分析法中層次結(jié)構(gòu)的約束層（B 層）建立評級體系，其中林分結(jié)構(gòu)方面主要考慮空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)包括角尺度、大小比數(shù)和混交度，非空間結(jié)構(gòu)包括林分生長活力和林木穩(wěn)定性；林分因子方面主要以每公頃株數(shù)、郁閉度、平均胸徑、平均樹高和林分蓄積量進(jìn)行表征；土壤理化性質(zhì)包括枯落層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、全氮磷鉀含量；林下植被特征包括灌木蓋度、Simpson 多樣性指數(shù)、香濃指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)；干擾方面主要考慮蓄積采伐或間伐強(qiáng)度對更新的影響。各評價指標(biāo)見圖1。

表1 各林型樣地基本統(tǒng)計量Table 1 Basic statistics of each forest type plot

圖1 森林更新影響因子評價體系Fig. 1 The evaluation system of forest regeneration impact factors

使用保水劑并于澆水后每隔10天測定一次結(jié)果，澆水后第一次測定的結(jié)果進(jìn)行分析，施用保水劑后相比對照土壤的含水量有明顯增加。經(jīng)過3次土壤含水量的測定，保水劑顯示出對土壤水分的保持作用，但3種保水劑保水效果存在明顯差異。旱地寶農(nóng)林專用保水劑和農(nóng)林用長效型保水劑均在測定中后期表現(xiàn)出了良好的保水能力，延長了土壤有效水的供應(yīng)時間，且旱地寶蓄水能力更強(qiáng)。R101型保水劑在測定中期表現(xiàn)出良好的保水能力，但后期差別逐漸減小，說明保水劑保存的水分可能已部分供應(yīng)作物吸收利用。綜上所述，保水劑對土壤含水量的影響為：旱地寶農(nóng)林專用保水劑＞農(nóng)林用長效型保水劑＞R101型保水劑。

基于不同林型下實(shí)測值和評價值對森林更新優(yōu)劣判斷效果的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗。將各林型綜合評價值和對應(yīng)樣地的更新密度進(jìn)行降序比較，對實(shí)測值和評價值整體數(shù)值分別處于前20%、50%、80%范圍內(nèi)所包含樣地的匹配度進(jìn)行對比。白樺林中（表3），在前20%和50%范圍內(nèi)，樣地更新密度與綜合評價值的結(jié)果匹配度均為100%，即綜合評價值較高的樣地其樹種更新密度也表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。在擴(kuò)大比較范圍后，匹配度有所下降，但也達(dá)到了90%以上（前80%范圍內(nèi)，匹配度為94.1%）。針闊混交林（表4）和落葉松林（表5）中，綜合評價值與實(shí)測更新密度在3 個給定范圍內(nèi)的匹配度也均在90%以上?？傮w來說，3 種林型下森林更新影響因子的綜合評價值都可以很好地反映樣地更新的優(yōu)劣。

1.3.5 評價效果的檢驗 本研究從建立森林更新影響因子評價體系的角度為切入點(diǎn)，對森林更新優(yōu)劣情況進(jìn)行一個判斷，利用綜合評價值與實(shí)測數(shù)據(jù)在不同尺度排序范圍內(nèi)（前20%、50%、80%）的匹配度對森林更新影響因子評價值在判斷更新優(yōu)劣的準(zhǔn)確性上進(jìn)行檢驗。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理 本研究中涉及層次分析法采用yaahp11.3 版本軟件實(shí)現(xiàn)權(quán)重值計算，熵值法在Excel 2019 中實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)特征中角尺度、混交度、大小比數(shù)運(yùn)用Winkelmass 2006 版本進(jìn)行計算，其它相關(guān)數(shù)據(jù)處理、繪圖等則分別在Excel 2019 和SPSS 20.0 支持下完成。

由表2 可知，白樺林和針闊混交林中以熵-AHP 法最終確定的各約束層權(quán)重值的排序表現(xiàn)一致，從大到小的排序均為：B1＞B2＞B3＞B4＞B5，落葉松林中以熵-AHP 法最終確定的各約束層權(quán)重值從大到小的排序為：B2＞B1＞B3＞B4＞B5。從約束層角度來看，白樺林和針闊混交林在林分結(jié)構(gòu)（B1）中貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)均為林分生長活力（C4），在該約束層下落葉松林中貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)為混交度（C2）；林分因子（B2）方面，白樺林中貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)為林分蓄積量（C10），針闊混交林中為林分郁閉度（C7），落葉松林中為林分平均胸徑（C8）；土壤理化性質(zhì)（B3）方面，3 種林型貢獻(xiàn)最大的均為枯落層厚度；林下植被特征（B4）方面，3 種林型貢獻(xiàn)值最大的均為Pielou-均勻度指數(shù)（C19）。

式中：y是指評價目標(biāo)的綜合評價值，λi是與第i項評價指標(biāo)xi相應(yīng)的權(quán)重值。

1.3.3 各類型指標(biāo)的計算 在所有的數(shù)據(jù)指標(biāo)中，分為正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)和適度性指標(biāo)，對于逆向指標(biāo)（如枯落層厚度），進(jìn)行逆向指標(biāo)的正向化處理，即以1 減去該指標(biāo)的差值作為其評價值。對于適度性指標(biāo)（如林木角尺度），轉(zhuǎn)換為分段函數(shù)再進(jìn)行正向化處理，具體計算方法依據(jù)陳瑩等[6]的研究，所選取的林分結(jié)構(gòu)中角尺度等指標(biāo)的計算方法依據(jù)惠剛盈等[7]的研究，林分生活力、森林穩(wěn)定性等指標(biāo)的計算方法依據(jù)魏紅洋等[8]的研究，林分多樣性指數(shù)依據(jù)劉燦然等[9]的研究。

1.3.4 綜合評價值的確定 由于指標(biāo)的層次分析權(quán)重排序往往與熵權(quán)重排序有較大差別，因此本研究采用熵權(quán)重(ui)對層次分析法得出權(quán)重(Wi)進(jìn)行修正處理，結(jié)合前人研究[6]取α=0.5 帶入公式(1)，從而得到各指標(biāo)最終權(quán)重λi。

2 結(jié)果與分析

2.1 評價指標(biāo)權(quán)重

本研究采用線性函數(shù)綜合評價法得到森林更新影響因子的綜合評價值。其表達(dá)式如下：

表2 各指標(biāo)權(quán)重Table 2 Weight of each indicators

2.2 綜合評價模型的評價效果檢驗

其中，i為待求的像素；N為圖像I中以像素i為核心的方形鄰域；j表示鄰域內(nèi)的任一像素.σd和σr是基于高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差.Gσd是減弱遠(yuǎn)距離像素影響的空間鄰近度函數(shù)，Gσr是用來減少像素點(diǎn)j對像素點(diǎn)i灰度差異影響的相似度函數(shù).

隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，主流的無損檢測研究手段與技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，如X射線實(shí)時成像系統(tǒng)、相控陣超聲檢測系統(tǒng)、衍射時差超聲檢測、自動磁粉探傷系統(tǒng)、漏磁自動探傷系統(tǒng)以及新型滲透材料的出現(xiàn)等。此外，無損檢測還增添了一些新的檢測方法，如聲發(fā)射檢測、工業(yè)CT檢測、紅外檢測、光纖檢測、微波檢測、振動與噪聲檢測、泄露檢測等其他適合各不相同材料與場地的檢測方法。到目前為止，已有將近50多種檢測方法被列為無損檢測的范疇。

1.3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定 層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是指將與決策目標(biāo)有比較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性的因子分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等幾個層次，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，熵權(quán)法則是依據(jù)數(shù)學(xué)原理來充分反映原始數(shù)據(jù)包含信息，結(jié)果客觀不受任何主觀意識控制，本研究采用熵-AHP 法確定各指標(biāo)權(quán)重值，該法具備集專家決策與數(shù)據(jù)信息決策為一體的特點(diǎn)，能夠有效降低主觀賦值法和客觀賦值法單獨(dú)使用帶來的影響。

表3 白樺林中綜合評價值和實(shí)測數(shù)據(jù)的匹配度比較Table 3 Comparison of the matching degree between comprehensive evaluation value and measured data in BF

表4 針闊混交林中綜合評價值和實(shí)測數(shù)據(jù)的匹配度比較Table 4 Comparison of the matching degree between comprehensive evaluation value and measured data in CBMF

表5 落葉松林中綜合評價值和實(shí)測數(shù)據(jù)的匹配度比較Table 5 Comparison of the matching degree between comprehensive evaluation value and measured data in LF

2.3 基于綜合評價值的更新分析

以森林更新影響因子的綜合評價值為基礎(chǔ)，在得出3 種林型下各樣地的綜合評價值得分之后，采用得分排序并取5 個尺度（前10%、20%、30%、40%、50%）的方法對不同林分類型樣地個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到現(xiàn)有林分類型下森林更新相對最優(yōu)的林型。由圖2 可以看出，在綜合評價值排名尺度在前10%（前12）下，只出現(xiàn)了落葉松林樣地，從前20%（前23）開始，出現(xiàn)了落葉松林和白樺林，隨著尺度的增大，兩種林型的樣地個數(shù)逐漸增多，在前50%（前58）排名尺度下，落葉松樣地個數(shù)占總個數(shù)的82.8%，在所選取的所有排名尺度內(nèi)均未出現(xiàn)針闊混交林，結(jié)合表6 給出的各林型綜合評價值特征，針闊混交林的綜合評價值也處于偏低的水平?？傮w而言，落葉松林的更新狀況優(yōu)于其他兩個林型。

圖2 3 種林型不同排名尺度下的樣地分布規(guī)律Fig. 2 The distribution of sample plots under different ranking scales of three forest types

3 結(jié)論與討論

本研究選取可以反映影響森林更新的指標(biāo)，運(yùn)用主客觀相結(jié)合的方法對各項指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)處理，采用線性函數(shù)綜合評價法得到森林更新影響因子的綜合評價值。通過該評價值與實(shí)測值的對比分析發(fā)現(xiàn)，綜合評價值可以很好地判斷森林更新的優(yōu)劣情況。進(jìn)一步以該評價值為基礎(chǔ)，分析3種林型的相對最優(yōu)更新情況，從總體上看，落葉松林的更新優(yōu)于針闊混交林和白樺林。

在進(jìn)行綜合評價時，指標(biāo)權(quán)重的確定方法尤為重要，通過主客觀相結(jié)合的方法可以降低主觀隨意性，使評價結(jié)果更加客觀。熵-AHP 法作為一種將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法相結(jié)合的綜合評價方法被應(yīng)用在森林資源健康評價[10]、防護(hù)林防護(hù)效能評價[11]、生態(tài)功能綜合評價[12]以及最優(yōu)樹種組成評價[6]等研究。本研究采用了熵-AHP 法對森林更新影響因子進(jìn)行了綜合評價，得出的結(jié)果與實(shí)際更新情況相符。

還有無人倉的HUB。王一鐸說，HUB的智能升級是單-車-倉，HUB是一個很關(guān)鍵的資料收集器，也就是觸點(diǎn)，我們要把這個觸點(diǎn)快速掌握在手里，這樣才能快速反應(yīng)給市場。

本評價體系同時也存在需要改進(jìn)之處。在實(shí)際研究中，參考指標(biāo)越多則得出的結(jié)果越具備實(shí)際意義[13]，而本研究干擾程度方面只選取了蓄積采伐強(qiáng)度一個指標(biāo)。從理論上來講，更新受采伐強(qiáng)度和采伐次數(shù)的共同影響[14]，但是在實(shí)際森林調(diào)查工作中，由于各種因素的限制，采伐具體次數(shù)的調(diào)查數(shù)據(jù)很難獲取，所以只選擇了一個采伐強(qiáng)度指標(biāo)。本研究中大部分采伐強(qiáng)度都是在30%以下。干擾形式可以分為人為干擾（采伐、撫育間伐等）、自然干擾（風(fēng)倒木等），有關(guān)這一約束層指標(biāo)選取的問題會在今后的研究中進(jìn)一步完善。此外，本研究未涉及種子雨特征方面的數(shù)據(jù)，因此在影響森林更新的因子中未考慮種源限制及樹種自身特性對森林更新的影響。

表6 3 種林型的綜合評價值特征Table 6 Characteristics of comprehensive evaluation values of three forest types

更新優(yōu)劣包括更新質(zhì)量和更新數(shù)量，本研究選擇用更新數(shù)量（密度）作為唯一評價優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，是因為在樣地調(diào)查時就考慮了森林更新質(zhì)量的影響，在統(tǒng)計更新株數(shù)的過程中，只記錄了實(shí)生苗的天然更新株數(shù)，由于蘗生苗和萌生苗更新質(zhì)量較差，不成材，如果將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計在內(nèi)，勢必影響森林更新質(zhì)量，所以在考慮了更新質(zhì)量的前提下選取密度作為參照。本文選擇一種間接的評價方法，并用實(shí)測數(shù)據(jù)對這種方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，綜合評價值的結(jié)果顯示，落葉松林的森林更新優(yōu)于白樺林和針闊混交林，該結(jié)果與徐鶴忠等[15]的研究結(jié)果一致，這也為今后該地區(qū)采取人工補(bǔ)植等經(jīng)營措施提供了理論支持和借鑒。