延安市城郊側柏純林及混交林的近自然度評價

郭廷棟，王得祥，王 濤，胡有寧，張新平

(西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100)

延安市城郊側柏純林及混交林的近自然度評價

郭廷棟，王得祥，王 濤，胡有寧，張新平

(西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 對延安城郊不同側柏群落的近自然度進行評價，為其近自然經營的實施提供依據?！痉椒ā?在延安城郊側柏-遼東櫟混交林、側柏-河北楊混交林、側柏-刺槐混交林和側柏純林中布設樣地進行林分組成與結構調查，采用敏感性分析方法，篩選出建群種平均胸徑、建群種樹高、天然更新幼苗株數、喬木層物種豐富度、喬木層Pielou均勻度指數、灌木草本層Margalef指數、土壤有機質含量、土壤全氮含量、土壤速效磷含量、土壤速效鉀含量、自然構成系數和干擾度指數共12個反映群落類型特征的敏感性指標，運用層次分析法構建近自然度評價指標體系，計算各林分類型的近自然度綜合指數，對4種林分類型的近自然度進行評價?！窘Y果】 側柏-遼東櫟混交林、側柏-河北楊混交林、側柏-刺槐混交林、側柏純林的近自然度綜合指數分別為0.78，0.76，0.38和0.19，相應的自然度等級分別為2、2、4和5?！窘Y論】 側柏-遼東櫟混交林和側柏-河北楊混交林處于半自然狀態，側柏-刺槐混交林處于近人工狀態，側柏純林處于人工狀態。

側柏；人工林；混交林；純林；近自然度評價

近自然度評價是確定林分近自然程度的一系列參數和指標，用以評價現實植被與天然植被的距離，是近自然林經營的基礎。土壤、植被構成、森林演替、林分年齡結構和生態干擾等，共同構成了森林近自然度的指標體系[1]。找到一個匹配的從未受人類干擾、仍處于天然狀態的參照系，從植被構成、立地類型、生態系統等方面將評價對象與參照系進行對比，評測其與天然參照系之間的距離[2-3]，是近自然度評價的最佳途徑。國際上近自然度的研究開始于利用生態干擾度和演替階段等級劃分來確定評價等級序列[4-6]的區域性研究，到20世紀90年代，發展為在其基礎上運用具體的林區大小、土壤特性、樹齡、生物多樣性、天然更新以及森林功能等指標進行計算的定量評價研究[7-9]。國內的相關研究起步較晚，文獻較少，僅有的研究主要集中在國外研究方法的引進及指標體系探討等方面[10-12]，對中小尺度森林生態系統的近自然度定量評價涉及甚少[13-15]，指標選取也僅僅考慮近自然度的物種組成和演替階段，評價體系不夠完善。

側柏(Platycladusorientalis)耐干旱、耐瘠薄，適應性強，屬淺根性樹種，具有密集而強大的吸收根系群，吸收水分和營養物質的能力極強，可以抗御干旱的威脅，但在迎風處生長不良，耐澇能力較弱[16]。側柏適宜在低山或中山2 000 m以下干旱瘠薄的陽坡、半陽坡和梁峁坡生長，為延安市城郊的主要造林樹種。本研究以該地區4種側柏林分為研究對象，通過對其植被構成、土壤肥力、演替階段的調查分析，篩選出12個反映群落類型特征的敏感性指標，構建近自然度評價指標體系，并對研究區內不同側柏群落近自然綜合指數進行排序，判定側柏林分的近自然度，從而為側柏林分近自然經營措施的制定提供理論依據，并為實現延安城郊乃至干旱地區植被的近自然化經營及城市森林生態系統的構建和經營管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

延安市地處黃土高原丘陵溝壑區，黃土梁狀丘陵為該區主要地形，平均海拔為1 200 m。該區氣候屬干旱半干旱氣候，年平均氣溫7.7～10.6 ℃，四季分明、日照充足、晝夜溫差大；年降水量550 mm，主要集中在7-9月，且多以暴雨形式出現；干旱、冰雹、暴雨、大風及霜凍等自然災害發生頻繁；年平均蒸發量為823.4～995.3 mm，蒸發量大于降水量；地表水數量少，地域分布不平衡[17]。本研究區位于延安市寶塔區城區及近郊，地理位置為北緯36°32′-36°36′，東經109°20′-109°29′，區內地形地勢變化多樣，地勢西北高、東南低，自然條件惡劣，地帶性植被為干旱森林向森林草原過渡的植被。多年的墾荒種田使周圍山體植被遭到較大破壞，自然植被資源貧乏，水土流失嚴重。主要植被類型有天然遼東櫟林、山楊林、山杏和槭樹林。人工林于20世紀中期開始營建，主要有側柏林、楊樹林、刺槐林、檸條灌叢等。

1.2 研究方法

1.2.1 林分組成與結構調查 樣地調查工作于2013年8月進行。在野外踏查的基礎上，結合延安市現有的森林植被調查資料，根據組成結構選取4類有代表性的側柏林(側柏-遼東櫟林、側柏-河北楊林、側柏-刺槐林和側柏純林)，每種類型設置3塊樣地，每塊樣地面積為20 m×20 m，共計12塊。對樣地內的喬木進行每木檢尺，調查指標包括植物名稱、郁閉度、林齡、胸徑、樹高、枝下高和天然更新幼苗株數；同時在每塊樣地的四角和中心分別設5 m×5 m的灌木樣方和1 m×1 m的草本樣方各5個，調查灌木層和草本層植物種的蓋度、多度、頻度、高度、基徑、冠幅等。

1.2.2 土樣采集及其理化性質測定 在每塊樣地內按“S”型隨機選取土壤采樣點5個，挖取土壤剖面，按0～20，20～40和40～60 cm 土層分層取樣，并記錄每層土壤的質地、結構、緊實度。將挖取的土樣裝入采樣袋內，待土壤自然風干后，按文獻[18]的方法測定土壤體積質量(環刀法)、pH值(電位法)及有機質(重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法)、全氮(凱氏定氮法)、速效磷(0.5 mol/L，碳酸氫鈉法)和速效鉀(NH4OAc浸提，火焰光度法)含量。

1.2.3 指標的計算與處理 (1)林分物種多樣性指標。根據樣地調查所得到的不同群落的物種相對蓋度、相對多度、相對頻度，計算林下各物種的重要值和同一種群中各物種的平均重要值。計算各物種的Margalef豐富度指數(D)、Pielou均勻度指數(J)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)和Simpson指數(λ)[19]，其計算公式如下：

D=(S-1)/lnN；

J=(-∑PilnPi)/lnS；

H=-∑PilnPi；

λ=1-∑Pi2。

式中：S為樣方的物種數量；N為樣地中全部物種數量；Pi為第i個種的個體數占樣地中所有種總個體數的比例，Pi=Ni/N，其中Ni為第i種的個體數。

(2)林分演替階段指標。對于群落演替的研究，雖然以空間代替時間的研究方法存在一定的局限性[20]，但森林演替周期較長，直接研究困難大，因此以空間代替時間是必須的。為了消除和縮小演替在時間和空間序列上的差異，特引入自然構成系數來合理解決這一問題。

自然構成系數(CI)由組成群落各喬木樹種的重要值(IV)和其頂級適應值(CAV)的乘積加和得到，即CI=∑(IV×CAV)，其中重要值=(相對密度+相對蓋度+相對頻度)/ 3。頂級適應值能夠反映群落現狀所處的演替階段，確定各喬木樹種的頂級適應值是確定群落自然構成系數的關鍵，基于對各喬木種的分布指數與胸高斷面積的關系分析，根據雷瑞德等[21]的研究，并且參考研究區域大量的樣地資料，劃分各喬木樹種在群落中的地位，首先確定該地區的頂級種，繼而確定其他樹種的頂級適應值，取值范圍為1～10。

本研究依照樣地中出現樹種的演替特性將其分為3個植物種組，并賦以相應的頂極適應值(表1)。

表1 延安市城郊側柏群落演替種組的劃分及樹種構成Table 1 Major tree species and composition in each successive group of Platycladus orientalis communities in Yan’an suburb

(3)林分受干擾度指數(HI)的確定。生態干擾研究的是植物種類、植物群落或立地對生態因子變化的一般反應，生態干擾度既反映人類對植被的影響程度，也反映現實植被狀態與潛在自然植被之間的距離。生態干擾度不僅能夠反映所有阻礙植物群落向其潛在的自然植被終態發展的人類活動對植被或其立地的總的影響[22-24]，而且是一種可定性和定量反映植被與立地當前狀態的重要參數，同時也可反映出現實植被與其潛在的自然植被之間的距離。

本研究參考Schirmer的6級干擾度劃分法，設立5級人為干擾度(Hemeroby)表，結合研究區的實際情況，按照人類影響由弱到強分別給予不同群落相應的干擾度相對值(表2)。

表2 延安市城郊側柏群落干擾度等級和干擾度相對值Table 2 Rank of disturbance and relative value of Platycladus orientalis communities in Yan’an suburb

(4)近自然度綜合指數的計算。為了對延安不同側柏群落的近自然度進行評價，運用層次分析法(AHP)構建了一個3層次的評價指標體系[25]，3個層次依次為目標層、約束層和指標層，近自然度綜合指數的計算與約束層和指標層下各指標的權重及取值有關，其計算公式如下[26]：

式中：D表示近自然度綜合指數值，Bv、Bc、Bs分別表示約束層各指標權重值，Si、Sj、Sk分別表示約束層各指標標準化值，Wi、Wj、Wk分別表示約束層下各參評指標的權重值，n、m、p分別表示指標層的指標數。

1.2.4 數值標準化處理 在進行近自然度評價時，由于指標間量綱不統一，缺乏可比性，因此需要對參評指標的原始數據進行標準化處理[27]，從而得到標準化數據。標準化處理公式如下：

式中：Si表示參評因素的標準化值，xi表示參評因素實測值，xmin、xmax分別表示參評因素實測最小值和最大值。

2 結果與分析

2.1 側柏群落近自然度評價指標體系的構建

2.1.1 評價指標的篩選 遵循可獲取性、代表性、完整性、可定量化等原則，借鑒相關學者的研究成果[28]，利用各因子指標變異系數(CV)確定其敏感度(CV≤10%表示不敏感，10%60%表示高敏感)，采用敏感性分析法[29]，從反映群落特征的22個指標中，篩選出12個延安市城郊側柏純林及混交林近自然度評價指標，其中植被構成指標6個(建群種平均胸徑、建群種樹高、天然更新幼苗株數、喬木層物種豐富度、喬木層Pielou均勻度指數、灌木草本層Margalef指數)，土壤肥力類指標4個(土壤有機質含量、土壤全氮含量、土壤速效磷含量、土壤速效鉀含量)，群落演替階段指標2個(自然構成系數、干擾度指數)(表3)。

表3 延安城郊側柏群落近自然度評價各指標敏感性分級及評價指標的選擇Table 3 Sensitive classification of indexes and selection of assessment index in assessing naturalness of Platycladus orientalis communities in Yan’an suburb

注：*標*者為選定的評價指標。

Note:Thoseitemsmarked*areassessmentindexwhichareselected.

2.1.2 各級指標權重的確定 將篩選得到的12個指標，運用層次分析法(AHP)構建一個3層次結構的評價指標體系[25]，每層次各因子之間兩兩比較，并由專家打分對其賦值，分別計算各層次判斷矩陣，求解特征向量W，對各矩陣進行一致性檢驗后，得到各層次指標的權重值如表4所示。

表4 延安城郊側柏林近自然度評價指標及其權重Table 4 Weight of naturalness of Platycladus orientalis forest in Yan’an suburb

2.2 側柏群落近自然度評價因子的標準化處理

根據1.2.4中的標準化處理公式，對原始數據(表5)進行標準化處理，得到標準化數據見表6。

表5 延安城郊不同側柏群落評價特征參數原始數據Table 5 Original data of parameters in different Platycladus orientalis communities in Yan’an suburb

注：*Ⅰ.側柏-刺槐混交林,Ⅱ.側柏-遼東櫟混交林,Ⅲ.側柏-河北楊混交林,Ⅳ.側柏純林；C1，C2，…，C12含義與表4同。表6，7同。

Note:Ⅰ.Platycladus orientalisandRobinia pseudoacaciamixedplantation，Ⅱ.Platycladus orientalisandQuercus wutaishannicemixedplantation，Ⅲ.Platycladus orientalisandPopulus hopeiensismixedplantation，Ⅳ.Platycladus orientalisplantation;ThemeaningsofC1，C2，…，C12arethesameasTable4.ThesameforTable6andTable7.

表6 延安城郊不同側柏群落評價特征參數標準化數據Table 6 Standard data of parameters in different Platycladus orientalis communities in Yan’an suburb

2.3 側柏群落近自然度評價

2.3.1 近自然度綜合指數計算 利用標準化后的指標參數計算近自然度綜合指數，得到不同群落的近自然度綜合指數值如表7所示。由表7可知，延安市城郊不同側柏群落近自然度排序為：Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ，即側柏-遼東櫟混交林(0.78)>側柏-河北楊混交林(0.76)>側柏-刺槐混交林(0.38)>側柏純林(0.19)。

表7 延安城郊側柏不同群落近自然度綜合指數值Table 7 Integrated index values of naturalness of different Platycladus orientalis communities in Yan’an suburb

2.3.2 近自然度等級劃分 由近自然度綜合指數值公式計算得到的數值隨機分布于0～1，借鑒德國近自然度評價體系[1]，根據延安城郊的實際和近自然度綜合指數取值范圍，可將近自然度劃分為5個等級(表8)。

表8 延安城郊森林群落近自然度分級標準Table 8 Classification criterion for evaluating naturalness of different Platycladus orientalis communities in Yan’an suburb

2.3.3 側柏群落近自然度評價結果 根據所得到的不同側柏群落的近自然度綜合指數值，依照近自然度等級劃分標準，評價延安市城郊不同側柏群落的近自然度等級和最終評價結果。

植被構成、土壤肥力和演替階段作為城市森林近自然度評價的重要指標，三者相互影響、相互制約、相互協調，構成結構和功能完整的森林生態系統。植被構成由群落的土壤狀況和生境條件所決定，同時也會影響森林群落的演替，反之，土壤的理化性質和肥力狀況也被植被構成和群落演替所影響。另一方面，文中所研究的區域為延安城郊，臨近人類生活區域，砍柴、耕作、祭奠等人為活動嚴重干擾著森林生態系統。

側柏-遼東櫟混交林近自然綜合指數最高，為0.78，近自然度等級為2，處于演替的中期。群落內遼東櫟為該區域頂級樹種，并且大樹較多，林下天然更新幼苗量豐富，較之于其他群落，該群落喬灌草結構合理均勻，所受干擾相對較小。

側柏-河北楊混交林近自然度綜合指數也較高，為0.76，近自然等級為2，同樣處于演替的中期。該區域中可見頂級樹種，林分中除先鋒樹種外，河北楊作為地帶性適應值較高的樹種也占一定比例，林下天然更新幼苗良好，人為干擾小。

側柏-刺槐混交林近自然度綜合指數值為 0.38，近自然度等級為4。刺槐和側柏同屬于耐干旱瘠薄的樹種，有較強的適應性和抗逆性，具有很好的保持水土、涵養水源及改良土壤的作用，被認為是黃土高原地區退耕還林過程中的首選樹種，在黃土高原地區占有相當比例。

側柏純林的植被構成和演替階段的綜合指數值最低，近自然度綜合指數為0.19，多為人工林，群落的近自然等級為5。側柏作為近些年來延安地區廣泛種植的樹種之一，其純林的生長和林下更新不良，灌木草本結構單一，數量稀少。

3 結論與討論

本研究以側柏為研究對象，從植被構成、土壤肥力、演替階段3個方面選取建群種平均胸徑、建群種樹高、天然更新幼苗株數、喬木層物種豐富度、喬木層Pielou均勻度指數、灌木草本層Margalef指數、土壤有機質含量、土壤全氮含量、土壤速效磷含量、土壤速效鉀含量、自然構成系數、干擾度指數12個敏感性指標構建近自然度評價指標體系，能很好地評價干旱半干旱區不同側柏群落的近自然度，該體系能否用于其他群落，還有待于進一步研究。

延安市城郊側柏-遼東櫟混交林、側柏-河北楊混交林、側柏-刺槐混交林、側柏純林的近自然度綜合指數分別為0.78，0.76，0.38和0.19，近自然度等級分別為2,2，4和5，側柏-遼東櫟混交林和側柏-河北楊混交林處于半自然狀態，側柏-刺槐混交林處于近人工狀態，側柏純林處于人工狀態。

針對不同林分類型的近自然度，應采取相應的經營措施。對于側柏-遼東櫟混交林和側柏-河北楊混交林，應促進林分向頂級天然林的方向演替，根據遭受人為干擾程度的不同，可采用相應的人工撫育措施；對于正處于近人工狀態的側柏-刺槐混交林，單純依靠自然力或者人工撫育措施很難使其向頂級群落演替，可通過引入演替后期或者頂級鄉土樹種，對其進行人工林近自然改造，從而提高林分結構的物種多樣性、物種豐富度及生態系統穩定性；對于側柏純林應進行林分改造，大力推廣鄉土樹種，營造大面積適地樹種，逐步實現人工林分的改造。此外，由于營造側柏純林在發揮森林生態服務功能方面和體現森林生態穩定性方面都沒有起到積極作用，其防護效益和經濟效益亦低于混交林。對側柏純林的進一步調查表明，作為近年來延安地區廣泛栽植的樹種之一，該林分林下更新不良，灌木草本結構單一，數量稀少，植被覆蓋度低，較其他林分攔蓄降水、固土保肥、防風減災能力低。為了更好地保持水土，加速綠化，提高人工林的穩定性，建議對側柏純林進行改造，營造側柏與其他植物的混交林，可選擇側柏與遼東櫟、紫穗槐、檸條等鄉土喬灌木混交栽植。對該地區現有側柏林分的改造和今后側柏林分的營造建議，需在實踐中對其合理性進行驗證。

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Naturalness assessment ofPlatycladusorientalisand mixed forests in Yan’an Suburb

GUO Ting-dong,WANG De-xiang,WANG Tao,HU You-ning,ZHANG Xin-ping

(CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study assessed naturalness of differentPlatycladusorientaliscommunities in Yan’an suburb.【Method】PlatycladusorientalisandQuercuswutaishannicemixed plantation,PlatycladusorientalisandPopulushopeiensismixed plantation,PlatycladusorientalisandRobiniapseudoacaciamixed plantation,andPlatycladusorientalisin Yan’an suburb were selected.Stand structures were investigated and sensitive analysis was conducted to filtrate out 12 indexes,namely DBH of constructive tree species,height of constructive tree species,number of natural regeneration,species richness in arbor layer,Pielou index in arbor layer,Margalef index in shrub and herb layer,organic matter content,total nitrogen content,soil available P,soil available K,compose index and interference to describe the community characteristics.Then the analytic hierarchy process (AHP) was used to build an index system for assessing the naturalness and the integrated index of naturalness of every stand type was calculated and evaluated. 【Result】 The integrated indexes for naturalness ofPlatycladusorientalisandQuercuswutaishannicemixed plantation,PlatycladusorientalisandPopulushopeiensismixed plantation,PlatycladusorientalisandRobiniapseudoacaciamixed plantation,andPlatycladusorientalisplantation were 0.78,0.76,0.38,and 0.19,and their naturalness classifications were 2,2,4,and 5,respectively.【Conclusion】PlatycladusorientalisandQuercuswutaishannicemixed plantation,andPlatycladusorientalisandPopulushopeiensismixed plantation were semi-natural forests,PlatycladusorientalisandRobiniapseudoacaciamixed plantation was near-plantation,andPlatycladusorientalisplantation was plantation.

Platycladusorientalis;artificial forest;mixed forest;pure forest;the assessment of naturalness

時間:2015-08-05 08:56

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.007

2014-07-05

國家林業局林業公益性行業科研專項(201104045)

郭廷棟(1989-)，男，內蒙古包頭人，在讀碩士，主要從事城市森林生態研究。E-mail：guotingdong1989@126.com

王得祥(1966-)，男，青海樂都人，教授，博士生導師，主要從事森林生態學和森林可持續經營研究。 E-mail：wangdx66@sohu.com

S718.55+7

A

1671-9387(2015)09-0043-08

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0856.014.html