摘要:【目的】了解自然保護區(qū)人工林健康狀況,指導森林經營和保護區(qū)建設?!痉椒ā恳院颖笔∪眽巫匀槐Wo區(qū)華北落葉松(Larix gmelinii var. principis-rupprechtii)和樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)人工林為研究對象,基于分層隨機取樣法,設置36塊樣地,選取生產力、林分結構、物種多樣性、土壤質量和穩(wěn)定性等5個方面17個指標,建立森林健康評價指標體系。運用主成分分析法計算森林健康指數(shù)、K均值聚類法劃分森林健康等級、Fisher判別分析法驗證聚類結果的準確性?!窘Y果】研究區(qū)森林健康指數(shù)范圍在-1.02~1.46;土壤質量和林分結構是影響研究區(qū)森林健康的最主要因素;森林健康等級所占面積比例從大到小依次為:中健康(50%)>不健康(25%)>亞健康(19%)>健康(6%);在中齡林(20~30 a)和近熟林(gt;30 a)中,華北落葉松林健康狀況均優(yōu)于樟子松林;隨著林分密度的增加,華北落葉松林和樟子松林的森林健康指數(shù)呈降低趨勢?!窘Y論】塞罕壩自然保護區(qū)人工林主要處于中健康和不健康狀態(tài),亟須采取有效經營活動改善森林健康狀態(tài)。
關鍵詞:森林健康;人工林;主成分分析;華北落葉松;樟子松;塞罕壩自然保護區(qū)
中圖分類號:S757 文獻標志碼:A開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
文章編號:1000-2006(2024)03-0199-08
Health assessment of Larix gmelinii var. principis-rupprechtii and Pinus sylvestris var. mongolica
plantations in Saihanba Nature Reserve
ZHAO Jinman, HAN Xinyue, CHENG Ruiming, ZHANG Zhidong*
(Hebei Province Key Laboratory of Forest Trees Germplasm Resources and Forest Protection,
College of Forestry, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China)
Abstract:【Objective】The study aimed to understand the health status of plantations in nature reserves for forest management and the construction of nature reserves. 【Method】 A total of 36 sample plots were surveyed in the pure Larix gmelinii var. principis-rupprechtii and Pinus sylvestris var. mongolica plantations in the Saihanba Nature Reserve of Hebei Province using the stratified random sampling method. A total of 17 indicators, including the five aspects of productivity, stand structure, species diversity, soil quality, and stability, were selected to establish an indicator system for assessing forest health. The forest health index was calculated by principal component analysis, and the forest health grades were classified using the K-means clustering method. The accuracy of the clustering results was verified by Fisher’s discriminant analysis. 【Result】 The forest health index of the study area ranged between -1.02 and 1.46. The soil quality and stand structure were the most important indicators that influenced forest health in the study area. The proportionate areas were in the following order: mid-health (50%) gt; unhealthy (25%) gt; sub-health (19%) gt; healthy (6%). The health status of L. gmelinii var. principis-rupprechtii forests was better than that of P. sylvestris var. mongolica forests for middle-aged (20-30 a) and near-mature (gt; 30 a) stands. The forest health indices of L. gmelinii var. principis-rupprechtii and P. sylvestris var. mongolica forests tended to decrease with increasing stand density. 【Conclusion】 The plantations in the Saihanba Nature Reserve were primarily in the mid-health and non-health states. Therefore, the findings revealed that effective management strategies are urgently necessary for improving forest health in the study area.
Keywords:forest health; plantation; principal component analysis; Larix gmelinii var. prinoipis-rupprechtii; Prinus sylvestris var. mongolica; Saihanba Nature Reserve
森林健康是森林生態(tài)系統(tǒng)健康的簡稱,用于評價森林生態(tài)系統(tǒng)的健康程度[1]。擁有一個狀態(tài)穩(wěn)定、結構合理的森林生態(tài)系統(tǒng)是森林可持續(xù)經營的目標。目前,我國森林蓄積、面積及覆蓋率保持快速增長趨勢,但主要是人工林面積的增長,森林質量不高、森林健康指數(shù)較低等問題依然存在[2-3]。森林健康評價是了解森林健康狀態(tài)的重要手段,通過對森林健康的合理監(jiān)測,可以了解生態(tài)系統(tǒng)的變化,減少生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的損失[4-5]。
森林健康評價體系包括評價尺度的確定、評價指標的選取及評價方法的運用。不同的評價尺度所衡量的森林健康標準不同,因此,評價尺度的確定對于森林健康評價非常重要。常見的評價涉及單木、林分、小班、森林生態(tài)系統(tǒng)和森林景觀等尺度[6-8],多數(shù)學者主要從林分和小班尺度進行分析[9-11],其涵蓋面廣泛且適合大區(qū)域的森林健康評價研究。評價指標的選取是森林健康評價的關鍵步驟,根據(jù)研究目的和實際情況,選取合適的評價指標,盡可能完整地反映森林的健康狀況。谷鑫鑫等[12]從生產力、組織結構、土壤和抵抗力等4個方面選取14個指標構建評價體系;王瑋瑋等[13]從組織結構、土壤狀況以及人為干擾等方面進行健康評價;賈大鵬等[14]從水源涵養(yǎng)功能、生態(tài)系統(tǒng)保護功能和木材生產功能等3個方面選取評價指標,該體系中的指標選取缺少森林火災等抵抗力指標,但指標針對性較強。不同學者針對不同的研究對象所選取指標有所差異,指標過多會導致信息重疊,指標選取較少則不能準確反映森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。目前,有關森林健康評價沒有統(tǒng)一的評價體系,針對不同的研究對象和評價尺度,學者們提出多種評價方法,主要包括層次分析法[15]、主成分分析[11]、健康距離法[16]、綜合指數(shù)法[5]和模糊綜合評價法[17]等。這些方法被劃分為主觀分析法和客觀分析法,在森林健康評價中均有不同程度的應用??傊纸】翟u價尺度、評價指標及評價方法的確定因不同的研究目的和研究內容而異。
塞罕壩自然保護區(qū)造林樹種以樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)和華北落葉松(Larix gmelinii var. principis-rupprechtii)為主。該地區(qū)樟子松和華北落葉松人工林多為純林。受制于自然保護區(qū)的嚴格條例規(guī)定,保護區(qū)內的林分尚未開展大規(guī)模森林經營活動。目前,部分林地出現(xiàn)了生長衰退、生產力下降及生態(tài)服務功能降低等問題[18-19]。2020年,在河北省林業(yè)和草原局的支持下,首次在塞罕壩自然保護區(qū)試驗區(qū)內開展了人工林生態(tài)撫育活動。為準確了解保護區(qū)華北落葉松和樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況及存在的問題,本研究基于林分尺度建立森林健康評價指標體系,進行森林健康診斷,擬為保護區(qū)森林可持續(xù)經營提供指導。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于河北省承德市圍場縣的塞罕壩機械林場(117°22′E,42°46′N),海拔在1 000 m以上,該地處于內蒙古高原向華北平原的過渡地帶,地勢南低北高,地形以丘陵和平原為主。屬于半干旱半濕潤寒溫性的大陸季風氣候,年平均氣溫-1.3 ℃,土壤類型主要是風沙土、沼澤土、山地棕壤土及灰色森林土,年均降水量460 mm左右,且主要集中在夏季。霜凍、大風、干旱等災害天氣較多。該地區(qū)的喬木樹種主要有華北落葉松、樟子松、白樺(Betula platyphylla)、云杉(Picea asperata)等;灌木物種主要包括山刺玫(Rosa davurica)、金花忍冬(Lonicera chrysantha)、金露梅(Potentilla fruticosa)等;草本物種主要有蒙古蒿(Artemisia mongolica)、地榆(Sanguisorba officinalis)、鼠掌老鸛草(Geranium sibiricum)、展枝唐松草(Thalictrum squarrosum)等。
1.2 樣地調查
2020年8月,在對保護區(qū)進行實地考察的基礎上,依據(jù)典型性和代表性原則,同時考慮林分密度、林齡和林分分化程度,要求所選樣地能夠反映研究區(qū)林分基本特征?;诜謱与S機取樣方法,在華北落葉松和樟子松林各設置18塊30 m×30 m的標準地,共36塊(表1)。自2002年該地劃定為省級保護區(qū)后,近20年未進行過撫育,各樣地受人為干擾活動較小,海拔、坡度基本一致。對所有樣地的喬木進行每木檢尺,記錄樹種名稱、胸徑、樹高、冠幅、株數(shù)及相對坐標。調查樣地內的所有灌木,并按照對角線設置3塊1 m×1 m的草本樣方,記錄灌木和草本的種類、株數(shù)、蓋度、高度等因子。每塊標準地內隨機選取5個土壤采樣點,采用環(huán)刀法取表層土(0~20 cm),土壤過孔徑0.85 mm篩,將同一樣地的土樣等量混合,取1 kg左右裝袋帶回實驗室。土壤樣品分為兩部分,一份保存在-80 ℃進行土壤微生物高通量測序[20],另一份在室溫干燥后進行土壤化學性質分析。有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;全氮含量用凱氏定氮-消煮法測定;全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定;全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定[21]。
1.3 評價指標選取及計算
1)指標選取。
評價結果的合理性和準確性取決于評價指標體系構建的合理程度。評價指標的選取應遵循客觀性、可操作性和全面性原則:①客觀性,指標選取要考慮研究對象特點和林分實際情況,要求指標能夠客觀反映森林特征。②可操作性,指標在實際調查中容易獲取,計算過程簡單,能為后續(xù)研究提供指導,在實踐中推廣應用。③全面性,結合前人研究成果和本研究目標,所選指標要盡可能完整地反映森林各方面情況,但為避免指標重復,需選擇影響森林健康的關鍵指標?;诖?,本研究以維護健康穩(wěn)定優(yōu)質的森林生態(tài)系統(tǒng)為核心,以保護生物多樣性、改善林分空間結構、提高生產力、降低森林火險等級、確保生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)為目標,從生產力、林分結構、物種多樣性、土壤質量和穩(wěn)定性5個方面選取17個指標構建評價體系(表2)。
2)評價指標計算。采用文獻[22-29]方法計算單位面積蓄積量、競爭指數(shù)、角尺度、尺小比、物種多樣性指數(shù)及森林火險系數(shù)等5類指標。
單位面積蓄積量采用“標準木法”計算,選取與樣地平均胸徑和平均樹高相近的1~3株標準木,結合塞罕壩華北落葉松和樟子松人工林的二元立木材積公式[22-23],可計算標準木材積。
競爭指數(shù)是衡量林木個體生長差異的量化指標,主要反映林木間的競爭強度[24]。本研究利用改進的單木競爭模型計算競爭指數(shù)[25-26]。
根據(jù)研究區(qū)實際情況,選取角尺度和大小比兩個空間結構指標。角尺度指林木個體在水平面上的分布形式,大小比表示樹木個體大小的分化程度[27]。
本研究所選物種多樣性指標為草本和灌木的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[28]。
森林火險系數(shù)為定性指標,采用喬木平均枝下高、灌草蓋度和林齡3個亞指標對該定性指標進行定量化。首先對各亞指標進行森林火險等級賦值1~5,其次采用計算公式[29]:
式中:R為森林火險系數(shù);mi為亞指標i賦值數(shù);wi為權重(將影響火災發(fā)展最大的灌草蓋度設為0.4,其余亞指標設為0.3)。
1.4 森林健康評價指標體系的構建
1.4.1 數(shù)據(jù)標準化
由于各指標的量綱不統(tǒng)一,缺乏可比性,需要對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理,采用Z-score法使數(shù)據(jù)量綱一致。
1.4.2 數(shù)據(jù)檢驗
對各樣地的指標數(shù)據(jù)進行KMO(gt;0.5)和巴特利特球形度檢驗(Plt;0.05),驗證數(shù)據(jù)是否適合主成分分析。本研究的檢驗結果KMO為0.626,巴特利特球形度檢驗P<0.001,適用于該分析方法。
1.4.3 主成分提取及森林健康指數(shù)計算
根據(jù)總方差解釋結果,按照特征值大于1的原則提取主成分,用提取出的主成分代表原始指標。根據(jù)主成分表達公式計算各樣地的主成分得分和森林健康指數(shù),計算公式為:
式中:Fjm為第j個樣地第m個主成分的得分;Dmi為第i個指標的第m個成分得分系數(shù);Zij為第i個指標的第j個樣地觀測值的標準化數(shù)據(jù);Wm為第m個主成分的權重系數(shù);Cm為主成分分析后得到的各主成分貢獻率;F為各樣地的森林健康指數(shù)值。
1.4.4 健康等級劃分及驗證
參考國內外學者研究成果和研究區(qū)的林分實際情況,采用K均值聚類法劃分為健康、亞健康、中健康和不健康4個等級。為便于劃分等級,對森林健康指數(shù)進行離差標準化,轉換公式如下:
F*=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)。(5)
式中:F*為離差標準化后的森林健康指數(shù)值;Fmax為樣本數(shù)據(jù)最大值;Fmin為樣本數(shù)據(jù)最小值。
以各樣地的森林健康指數(shù)為基礎,采用Fisher判別法,建立判別函數(shù),以此來驗證聚類分析結果的準確性。
g1=b01+b11Fig2=b02+b12Fi……gk=b0k+b1kFi。(6)
式中:gk為判別函數(shù)值;b為判別函數(shù)系數(shù);Fi為各樣地森林健康指數(shù)值(i=1,2,…,m);k為判別分析中的樣本分類數(shù),比較gk數(shù)值大小,最大值函數(shù)gk表明該樣本屬于第k組。
1.4.5 數(shù)據(jù)處理
在Winkelmass和R 4.1.2中進行指標計算及作圖,在SPSS 26.0中進行主成分分析、K均值聚類、Fisher判別分析、方差分析和多重比較等。
2 結果與分析
2.1 影響森林健康的主成分分析
本研究在主成分分析過程中共提取5個主成分,累計貢獻率為73.46%。第1主成分貢獻率達到31.19%,包含全氮、有機碳、全磷,該主成分可解釋為土壤質量指標;第2主成分貢獻率達到17.34%,包含林分密度、平均胸徑、競爭指數(shù)和角尺度,該主成分主要反映了林分結構方面的信息;第3主成分貢獻率為9.70%,包含單位面積蓄積量、全鉀含量和平均樹高,該主成分主要體現(xiàn)生產力方面的信息;前3個主成分累計貢獻率將近60%,第4和第5主成分貢獻率分別是7.80%和7.43%,主要反映了穩(wěn)定性和物種多樣性方面的信息(表3)。
2.2 森林健康等級劃分
塞罕壩自然保護區(qū)森林健康指數(shù)為-1.02~1.46,將36塊樣地的森林健康指數(shù)值離差標準化后進行K均值聚類,聚類數(shù)為4,其中“1”代表健康,“2”代表亞健康,“3”代表中健康,“4”代表不健康。根據(jù)聚類分析結果,劃分森林健康等級為:健康(0.92,1.46]、亞健康(0.12,0.92]、中健康(-0.35,0.12]和不健康[-1.02,-0.35] (表4)。
2.3 森林健康評價
塞罕壩自然保護區(qū)森林健康指數(shù)隨著森林健康水平的下降而逐漸減小,林分整體處于中健康和不健康狀態(tài)(圖1)。對聚類分析結果驗證得到,各健康水平樣地占全部樣地面積比例從大到小次序為:中健康(50%)>不健康(25%)>亞健康(19%)>健康(6%)。聚類分析與判別分析驗證結果一致,表明聚類分析結果準確,研究所采用的模型是可行的。
在不同林分類型的平均健康指數(shù)水平上,華北落葉松林呈亞健康狀態(tài),樟子松林呈中健康狀態(tài);華北落葉松林的健康指數(shù)顯著高于樟子松林,華北落葉松林的整體健康狀況優(yōu)于樟子松林。不同林齡的華北落葉松和樟子松林中,其健康指數(shù)均表現(xiàn)為近熟林高于中齡林,但在樟子松林中無顯著差異。此外,在相同林齡的兩種林分類型中,華北落葉松林健康指數(shù)顯著高于樟子松林。隨著林分密度的增加,不同林分類型的健康指數(shù)均呈降低趨勢(圖2)。
3 討 論
森林健康評價是通過對林地進行監(jiān)測評估來掌握森林的健康狀況,是了解森林經營現(xiàn)狀的重要手段[11]。指標體系的建立、指標的確定、指標權重的賦值和評價方法的選擇等都影響著評價結果的科學性和準確性。當前的森林健康評價研究存在著一些問題,如評價指標反映信息重復、評價方法有一定主觀性和單一性、難以對評價結果的正確性和合理性進行驗證等。本研究以維護研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定優(yōu)質高效為目標,基于林分尺度,選取生產力、林分結構、物種多樣性、土壤狀況和穩(wěn)定性5個方面的17個指標建立塞罕壩自然保護區(qū)森林健康評價體系,較全面地反映了森林生態(tài)系統(tǒng)的真實情況。
土壤質量是影響塞罕壩自然保護區(qū)森林健康等級的最主要因素。這與曹小玉等[30]的研究結果一致。一方面土壤養(yǎng)分含量會影響林木生長狀況和林分質量,另一方面土壤微生物類群的數(shù)量及組成多樣性常被用來表征土壤肥力變化以及生態(tài)系統(tǒng)恢復效果[31-33]。適宜的林分密度能夠顯著改善人工林的土壤質量,對密度過高的林分進行合理疏伐,可以降低林分郁閉度以增加林內光照,加快土壤微生物分解凋落物的速率,有效提高土壤養(yǎng)分含量[34-35]。在林分結構指標中,競爭指數(shù)和林分密度這兩個指標對森林健康等級的影響較高。有研究指出[36],林木間的競爭強度極大程度上受到林分密度的影響。通過對林地合理間伐來調整林分密度,可以提高林分的樹種空間隔離程度并降低林分競爭強度,同時促進保留木的快速生長。此外,華北落葉松林和樟子松林的競爭壓力主要來自種內,相較于純林,混交林中的競爭較少發(fā)生,樹種之間主要表現(xiàn)為相互促進作用[24,37]。在本研究中,華北落葉松和樟子松人工林多為單一樹種純林,林木個體生長受種內競爭影響較大。因此,在后期的森林經營中應營造混交林提高林分生產力[38]。物種多樣性和穩(wěn)定性指標對森林健康等級影響較小,間接表明林分結構和土壤質量對研究區(qū)的森林健康狀況起主要決定作用。而林下植被發(fā)育及天然更新主要受林分密度影響,通過合理地調控林分密度,可以提高林下植被多樣性,進而改善群落結構,維持人工林穩(wěn)定性[39-40]。與此同時,穩(wěn)定性指標中的森林火險系數(shù)對研究區(qū)森林健康等級影響最低,這與朱柱等[41]的研究結果不一致。原因可能是該定性指標在定量化過程中,未納入路網密度、人口密度等影響火災發(fā)生的人為活動因子,導致結果存在一定差異。
進一步分析得出研究區(qū)的華北落葉松林健康狀況整體上優(yōu)于樟子松林。一方面樟子松林的林分密度普遍比落葉松林高。林分密度會直接影響林分內的光照、水分和土壤質量條件,進而影響林分健康狀況。因此,對高密度林分進行采伐作業(yè)是有必要的。另一方面,林齡的差異影響到林分生長及養(yǎng)分循環(huán)速率,隨著林齡的增加,林分各方面漸趨穩(wěn)定,而處于中齡林階段的林分還有一定的生長空間,對這類林分進行合理經營,有利于促使其由非健康狀態(tài)向健康狀態(tài)轉變。
目前,研究區(qū)人工林均為純林,存在混交程度差和林分結構不穩(wěn)定等問題。森林整體處于中健康和不健康狀態(tài),對這些林分若不采取必要的經營措施,則極有可能向不健康林分退化。為此,提出如下建議:
1)塞罕壩自然保護區(qū)人工林中健康和不健康樣地占全部樣地面積比例的75%,應對此類密度過大的林分進行及時疏伐作業(yè)。疏伐時要考慮間伐強度和間伐周期。
2)目前,絕大多數(shù)森林火災除因野外吸煙、祭祀燒紙、野炊等人為用火引起,還主要受到林下積累的枯枝落葉、雜草等可燃物的影響,森林可燃物的積累量關系到林火蔓延范圍和強度[42]。但林下枯枝、倒木及凋落物作為維持森林健康經營的因素之一,在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動中發(fā)揮重要作用,應慎重考慮清理作業(yè)。人為因素作為影響森林火災發(fā)生的關鍵因素,也是最可控的因素,相關部門需加大宣傳森林防火教育,增強人們的森林防火意識,杜絕一切因人為用火而引發(fā)森林火災的可能性。此外,還需在保護區(qū)周圍易于觀測處,設立專職管護人員,加強對森林的看護管理。
3)考慮補植白樺等闊葉樹種作為混交樹種,形成針闊混交林。已有研究表明,該混交方式能顯著提高塞罕壩華北落葉松純林土壤肥力[43]和林分生產力[37]。
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(責任編輯 孟苗婧 鄭琰燚)