永壽縣底角溝流域刺槐人工林穩(wěn)定性研究

高 建，張志東，王迪海

(1.咸陽(yáng)市林業(yè)科學(xué)研究所，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

中國(guó)人工林面積逐年增加，居全球第一，黃土高原地區(qū)人工林已經(jīng)成為該地區(qū)的主導(dǎo)林分，但是大面積的營(yíng)建人工林卻存在著很大的風(fēng)險(xiǎn)[1-10]。人工林會(huì)隨著時(shí)間的推移其林分生物學(xué)穩(wěn)定性愈來(lái)愈差，生物學(xué)穩(wěn)定性的降低會(huì)導(dǎo)致森林的蓄積量降低，多樣性下降，可持續(xù)發(fā)展受阻等一系列問(wèn)題的產(chǎn)生[5]。因此，研究人工林的穩(wěn)定性問(wèn)題是林業(yè)工作者高度關(guān)注的問(wèn)題之一。

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始我國(guó)黃土高原干旱半干旱地區(qū)大面積營(yíng)造人工刺槐林，作為黃土高原水土保持林體系的主體，其對(duì)改善黃土高原的生態(tài)環(huán)境、防止水土流失和調(diào)節(jié)黃河流域的水文狀況發(fā)揮著重要作用[11]。但其生長(zhǎng)緩慢、森林蓄積量低下，生物學(xué)穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)不合理，自然更新不良、地力衰退等諸多問(wèn)題，將會(huì)使黃土高原人工林的生態(tài)服務(wù)功能難以正常發(fā)揮，人工林可持續(xù)發(fā)展嚴(yán)重受阻。從生物學(xué)角度研究影響人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，從而對(duì)低質(zhì)量的人工林進(jìn)行撫育改造，讓人工林生態(tài)系統(tǒng)有效發(fā)揮水土保持及其它生態(tài)功能具有現(xiàn)實(shí)意義[12]。在人工林穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系建立的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS強(qiáng)大的分析功能，從景觀層面探究人工林穩(wěn)定性，有助于深入了解森林景觀格局和人工林穩(wěn)定性之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為黃土高原生態(tài)修復(fù)工程和大面積人工林科學(xué)森林經(jīng)營(yíng)方式提供理論參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省永壽縣底角溝流域(E 107°56′至108°21′、N 34°29′至34°85′)，平均海拔約為1 175 m，黃土高原殘?jiān)珳羡值孛玻瑢儆谂瘻貛Т箨懶詺夂?，年平均氣?0.8 ℃，年平均降水量606 mm，降水在年內(nèi)分配極不平均，雨季多集中于夏季7-9月，占全年降水量52%以上。年平均累計(jì)光照時(shí)數(shù)為1 790.3～2 831.0 h，其中夏季6-8月日照時(shí)數(shù)占全年30%[13]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與設(shè)置

分別在陽(yáng)坡、陰坡、半陽(yáng)坡、半陰坡選取10個(gè)刺槐人工林分樣地，根據(jù)樣地實(shí)情，分別設(shè)置為60 m×10 m、50 m×50 m、30 m×50 m、60 m×20 m、20 m×20 m、50 m×35 m、60 m×15 m標(biāo)準(zhǔn)地。調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地位置、海拔、坡度、坡向、坡位。根據(jù)研究區(qū)刺槐的生長(zhǎng)情況定義樹(shù)高<1.5 m的為幼苗；樹(shù)高>1.5 m，胸徑≤2 cm為幼樹(shù)；胸徑>2 cm為成樹(shù)。以樣地兩條相互垂直的邊分別為X軸和Y軸建立平面直角坐標(biāo)系，記錄每個(gè)喬木灌木個(gè)體的位置坐標(biāo)。對(duì)樣地內(nèi)高于1.5 m的所有喬木進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定并記錄種類、樹(shù)高、胸徑、冠幅、枝下高、活力狀況等。同時(shí)測(cè)定并記錄樣地內(nèi)灌木的種類、高度及冠幅。其次在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線的任意兩個(gè)角和中央位置，分別設(shè)置1個(gè)1 m×1 m的草本調(diào)查樣方，調(diào)查林下植被覆蓋度，記錄草本樣方中的草本種類及每種的株數(shù)和高度。最后在草本樣方的旁邊取0～10、10～20、20～40 cm和40 cm以下土壤備用，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得土壤中有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀的含量。

2.2 主成分分析綜合評(píng)價(jià)法

采取基于主成分分析的綜合評(píng)價(jià)法，即利用群落穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指數(shù)Fi及其平均值A(chǔ)F和標(biāo)準(zhǔn)誤SF，對(duì)刺槐人工林穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為若Fi>AF+SF，則判定該樣地處于穩(wěn)定狀態(tài)；若AF-SF

2.3 數(shù)據(jù)處理及制圖

數(shù)據(jù)整理、PCA分析、影像圖處理、制圖和分析及景觀格局分析，分別采用Office Excle2016軟件、SPSS.25軟件、ENVI軟件、Arcgis10.5軟件和fragstats4.2軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 群落穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由于群落穩(wěn)定性評(píng)價(jià)目前尚無(wú)完善系統(tǒng)的研究理論和方法，也未有統(tǒng)一完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，且群落穩(wěn)定性由群落各種因子共同作用的結(jié)果，因此本研究在參閱大量人工林穩(wěn)定性研究文獻(xiàn)之后[11-19]，選擇反映森林群落基本特征的種群更新潛力、群落生物量、群落組成及結(jié)構(gòu)、群落生物多樣性和林地土壤肥力等5大類指標(biāo)(共19個(gè)因子，表1)，構(gòu)建刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)該地區(qū)的刺槐人工林做出穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

表1 底角溝流域刺槐人工林穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 人工刺槐林穩(wěn)定性主要影響因素

PCA分析可知(表2)，第1、2、3、4、5個(gè)主成分對(duì)數(shù)據(jù)集的解釋率分別是29.456%、23.315%、17.620%、12.274%和8.999%，前5個(gè)主成分的累計(jì)解釋率達(dá)到91.663%，累計(jì)解釋率超過(guò)85%。

表2 PCA分析各主成分解釋率

PCA因子系數(shù)負(fù)荷矩陣(表3)，超過(guò)半數(shù)的因子對(duì)第一主成分的影響絕對(duì)值都大于0.5，說(shuō)明本文所采用的指標(biāo)因子體系較為科學(xué)合理，對(duì)系統(tǒng)的影響較大，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的可靠性。其中物種種數(shù)、豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)因子對(duì)第1主成分影響最大，喬木蓄積量對(duì)第2主成分的影響最大，土壤有機(jī)含碳量對(duì)第3主成分影響最大，絕大多數(shù)因子對(duì)第4、第5主成分的影響逐漸減小。其中更新潛力(幼樹(shù)和幼苗)對(duì)第2、第5主成分的影響都較大，灌木蓄積量對(duì)第1、第2、第3主成分的影響絕對(duì)值超過(guò)0.5，對(duì)群落穩(wěn)定性影響較大；平均年齡對(duì)第3、第4主成分的影響較大。可見(jiàn)影響刺槐人工林穩(wěn)定性的主要因素有更新潛力、喬木蓄積量及灌木生物量、物種豐富度、物種多樣性和土壤有機(jī)碳含量。

表3 PCA主成分分析各因子系數(shù)負(fù)荷矩陣

3.3 人工刺槐林穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，10個(gè)樣地林分的相對(duì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指數(shù)依次為：1號(hào)>5號(hào)>8號(hào)>9號(hào)>4號(hào)>7號(hào)>3號(hào)>2號(hào)>6號(hào)>10號(hào)樣地(表4)；以AF+SF=0.457和AF-SF=-0.457為評(píng)價(jià)依據(jù)，1號(hào)樣地處于穩(wěn)定狀態(tài)，5號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、3號(hào)、2號(hào)、6號(hào)樣地處于較穩(wěn)定狀態(tài)，10號(hào)樣地處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 主成分分析綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Fi

由表5可見(jiàn)，1號(hào)樣地的更新潛力指標(biāo)和多樣性指標(biāo)最高，在林地生產(chǎn)力、群落立地質(zhì)量、土壤肥力方面均保持了較高水平，林分穩(wěn)定性較好，也表明了混交林樣地整體穩(wěn)定性比純林更高。2、3、4、5、6、7、8、9號(hào)樣地的林地生產(chǎn)力、多樣性及立地質(zhì)量、更新潛力和土壤肥力等指標(biāo)相對(duì)較好，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。10號(hào)樣地土壤肥力狀況、立地質(zhì)量、物種多樣性、立地生產(chǎn)力等指標(biāo)都相對(duì)較低，并且更新潛力比較差，整體的為不穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 刺槐人工林結(jié)構(gòu)特性標(biāo)準(zhǔn)化值及其穩(wěn)定性

10個(gè)刺槐人工林景觀類型斑塊，總面積為239 hm2，其中只有1個(gè)穩(wěn)定的刺槐人工林斑塊，面積為5.41 hm2，占總面積的2.3%；8個(gè)較穩(wěn)定的刺槐人工林斑塊，面積為200.02 hm2，占比達(dá)83.6%；1個(gè)不穩(wěn)定的刺槐人工林斑塊，面積為33.51 hm2，占比為14.1%。

4 結(jié)論與討論

底角溝流域內(nèi)刺槐人工林群落的穩(wěn)定性較差，絕大部分都處于較穩(wěn)定狀態(tài)，刺槐×楊樹(shù)混交林的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于刺槐純林的穩(wěn)定性，對(duì)其穩(wěn)定性影響較大的因素因子為更新潛力、喬木蓄積量及灌木蓄積量、物種豐富度、物種多樣性和有機(jī)碳含量。更新潛力是一個(gè)物種得以延續(xù)的基礎(chǔ)，更新潛力越大的物種也越趨于穩(wěn)定；近年來(lái)許多研究者直接用生物量來(lái)衡量林分生命力的大小，可見(jiàn)群落生物量是森林評(píng)價(jià)方面具有不可忽視的作用，群落生物量越大的林分，其生產(chǎn)力越強(qiáng)，林分就越趨于穩(wěn)定，在本研究也驗(yàn)證了群落生物量是森林穩(wěn)定性重要基礎(chǔ)，對(duì)刺槐人工林的穩(wěn)定性有較大的影響；物種豐富度是衡量生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性重要指標(biāo)，因?yàn)槲锓N多樣性較少的群落，每個(gè)物種在生態(tài)系統(tǒng)中所承擔(dān)的功能作用也就越多，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)一個(gè)物種滅亡或驟減的幾率增大，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響也就越大，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文研究發(fā)現(xiàn)刺槐人工林中的物種豐富度也是影響其穩(wěn)定性的重要因素之一。安麗娟[18]和汪超[20]研究，喬木層物種對(duì)群落結(jié)構(gòu)和功能的影響，比灌木層和草本層更大，這與本文結(jié)果相同，喬木層不論是在天然林還是在人工林中對(duì)穩(wěn)定性有重要的影響；除了生物群落的自身因素之外，土壤因素也是影響林分穩(wěn)定性的主要因素，其中有機(jī)含碳量，氮含量、磷含量都對(duì)人工林的穩(wěn)定性有較大的影響。主成分分析法是一種比較好的人工林穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，在充分考慮所有因子的同時(shí)，選出若干個(gè)主要成分對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅能給出各樣地的相對(duì)穩(wěn)定性，也能判斷樣地是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的定論。但是在PCA分析時(shí)，各因子之間可能存在相互影響從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)出現(xiàn)一定的偏差[15]