全 文 ：第 50 卷 第 9 期
2 0 1 4 年 9 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 9
Sep．，2 0 1 4
doi:10．11707 / j．1001-7488．20140903
收稿日期: 2014 － 01 － 10; 修回日期: 2014 － 04 － 23。
基金项目: “十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAD22B0202 － 3) ; 林业公益性行业科研专项(201004043)。
* 董希斌为通讯作者。
大兴安岭低质阔叶混交林不同
改造模式综合评价*
宋启亮 董希斌
(东北林业大学 哈尔滨 150040)
摘 要: 在大兴安岭低质阔叶混交林中建立不同宽度的带状改造试验区和不同面积的块状改造试验区，选取生
物多样性、枯落物持水特性、土壤物理性质、土壤化学性质、土壤碳通量和更新苗木生长状况等 33 项指标，运用主
成分分析法综合评价不同改造模式的改造效果。结果表明: 顺山带状皆伐改造模式优于块状改造模式，对于带状
改造样地，不同带宽的改造效果依次为 10 m 带宽 ＞ 6 m 带宽 ＞ 18 m 带宽 ＞ 14 m 带宽，对于块状改造样地，不同面
积的改造效果依次为 100 m2 ＞ 25 m2 ＞ 225 m2 ＞ 400 m2 ＞ 900 m2 ＞ 625 m2，其中 10 m 带宽顺山带状改造模式和
100 m2块状改造模式最适宜大兴安岭阔叶混交低质林，其改造效果明显优于其他改造模式。
关键词: 大兴安岭; 低质阔叶混交林; 改造模式; 主成分分析
中图分类号: S756. 5 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)09 － 0018 － 08
Comprehensive Evaluation of Different Transformation Models of Low-Quality
Broad-Leaved Mixed Forest in Daxing’an Mountains
Song Qiliang Dong Xibin
(Northeast Forestry University Harbin 150040)
Abstract: Strip transformation test zone with different bandwidths and block transformation test zone with different sizes
were established in low-quality mixed broad-leaved forest in Daxing’an Mountains，and principal component analysis was
applied to comprehensively evaluate the ecological improvement models with the selection of 33 indicators such as
biodiversity，water holding characteristics of litter，soil physical properties，soil chemical properties，soil carbon flux and
seedling growth status，etc． The results showed that: strip clear-cutting along the hillside transformation model was better
than block clear-cutting transformation model，for the strip clear-cutting transformation，the effect of different bandwidths
were 10 m bandwidth ＞ 6 m bandwidth ＞ 18 m bandwidth ＞ 14 m bandwidth plots， for the block clear-cutting
transformation，the effect of different sizes were 100 m2 ＞ 25 m2 ＞ 225 m2 ＞ 400 m2 ＞ 900 m2 ＞ 625 m2，strip along the
hillside transformation with 10 m bandwidth model and block transformation with 100 m2 model were most appropriate to
Daxing’an Mountains broad-leaved mixed low-quality forest，and its improvement effect were better than the other
transformation models．
Key words: Daxing’an Mountains; low-quality broad-leaved mixed forest; transformation models; principal component
analysis
大兴安岭经过多年滥砍滥伐、伐优留劣、反复采
伐等人为干扰和森林火灾、病虫害等自然灾害的破
坏后，原始森林急剧减少，形成了大量的低质林，生
物多样性减少，土壤侵蚀加剧，水土流失严重，森林
整体生态功能急剧退化。近年来，为满足森林可持
续经营和森林生态安全的需要，以恢复近自然林为
目标，变低效为高效，改劣质为优质，提高森林资源
的质量，相继开展了低质林的研究工作，包括低质林
的定义(国家林业局，2007)、低质林类型的界定与
评价 (张泱等，2009 )、低质林的成因 (李勇等，
2012a)、低质林改造方式 (白玉茹等，2003; 张涛
等，2004; 马宝峰等，2006)、改造对低质林各项指
第 9 期 宋启亮等: 大兴安岭低质阔叶混交林不同改造模式综合评价
标的影响(刘美爽等，2010; 王会利等，2010; 郭辉
等，2010b; 马履一等，2007)等。目前较常用的低
质林改造模式主要分为全面改造、复壮改造、抚育改
造、效应带改造、栽针保阔改造、封育改造(宋启亮，
2012)，其中，效应带改造样地的形状可分为带状改
造和块状改造 2 种，带状改造又可根据实际立地条
件，选择斜山带、顺山带和横山带 3 种方式 (张涛
等，2004)。如何对多种改造模式进行评价，从中选
出最优的一个，目前选取的指标有生物多样性 (宋
启亮等，2012)、枯落物持水性能(李超等，2012)、
土壤肥力状况 (姜林等，2013)、土壤理化性质 (李
勇等，2012b; 刘美爽等，2012; 纪浩等，2012a)、土
壤呼吸速率(纪浩等，2012b)以及更新苗木生长状
况(李勇等，2012c)等。选取这些指标的原因是较
高的多样性能使森林的生产力增加，有利于保持森
林生态系统的营养，同时可以提高森林生态系统的
稳定性(刘少冲等，2011; Sodhi et al．，2010; Pardini
et al．，2009); 较高的枯落物生物量可以拦截蓄积降
雨、增加土壤水分、疏散缓冲地表径流、改善土壤质
量(刘玉国等，2011; 郭辉等，2010a); 土壤物理性
质的好坏反映了土壤蓄水保水能力，是土壤水源涵
养能力评价的主要指标，显著影响森林植被根系的
生长; 土壤肥力状况是影响森林生产力最主要的因
素，影响并控制着森林植被的生长和健康状况
(Quesada et al．，2009; Pérez-Bejarano et al．，2010;
Nave et al．，2010; 姜林等，2013); 土壤呼吸强度是
评价土壤肥力和土壤质量的重要生物学指标，同时
也是预测森林生态系统生产力与相应气候变化的参
数之一(Anderson，2003; 王淑敏等，2011; 杨阔等，
2010); 更新苗木生长指标直接反映了低质林改造
初期林地的更新能力，直观表现低质林改造更新的
效果。有些研究选取多项指标建立模型(吕海龙
等，2011; 张泱等，2010; 李芝茹，2012)，对不同改
造模式进行综合评价，选取的指标不同，评价结果也
不尽相同。由于不同地区各种类型低质林的生态环
境、立地条件和植被类型等都有差异，所以各改造模
式的改造效果并不相同，故筛选出最适宜本地特有
类型低质林的改造模式，对当地低质林改造十分重
要。本文以大兴安岭阔叶混交低质林为研究对象，
通过筛选反映低质林改造效果的多个评价指标，运
用主成分分析法对不同改造模式建立综合模型，对
不同改造模式进行定量综合评价，并最终优选出大
兴安岭阔叶混交低质林最佳的改造模式，为大兴安
岭地区低质林经营与改造提供参考依据。
1 研究区概况
研究区位于大兴安岭地区加格达奇林业局翠峰
林场，地形地貌为低山丘陵，土壤大多为暗棕壤，
坡度多在 15°以下，无霜期 85 ～ 130 天，年平均降
水量 494. 8 mm。属寒温带大陆性季风气候，冬季寒
冷且漫长，夏季短促炎热，日照时间长，年平均气温
－ 1. 3 ℃。在翠峰林场 174 林班选取阔叶混交低质
林进行改造，地理坐标为 124° 24 35. 1″ E，50° 34
32. 00″ N，地势平缓，坡度 6°，土壤厚 20 cm。乔木层
主要 树 种 有 山 杨 ( Populus davidiana )、蒙 古 栎
(Quercus mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、黑桦
( Betula dahurica ) 等; 下 木 以 兴 安 杜 鹃
(Ｒhododendron dauricum)为主，盖度 12%，地被物以
莎草(Cyperus microiria)、鹿蹄草(Pyrola dahurica)为
主，盖度 27%。改造前林分郁闭度 0. 3，平均胸径
11 cm，平均树高 9 m。
2 研究方法
2. 1 试验区设置
2009 年春在 174 林班阔叶混交低质林试验区
进行带状和块状改造。带状改造试验区设置方式见
图 1，阴影部分为保留带，空白部分为改造带，按照
带宽不同分为 6 m(S1 )，10 m(S2 )，14 m(S3 )，18 m
(S4)共 4 种，改造带内针叶树种的幼苗保留，伐除
其他非目的阔叶树种，每条改造带平均分成 3 段，分
别栽植樟子松(Pinus sylvestris var． mongolica)、欧洲
赤松(Pinus sylvestris)、兴安落叶松( Larix gmelinii)，
栽植苗木时与相邻保留林带距离为1 m，株间距配
置为 2 m × 1. 5 m; 块状改造试验区设置方式见图
2，阴影部分为改造样地，试验区包括 3 组，每组由 6
个大小不同的正方形改造样地组成，改造样地沿横
坡方向排列，面积分别为(G1 )25 m
2 (5 m × 5 m)，
(G2) 100 m
2 (10 m × 10 m)，(G3 ) 225 m
2 (15 m ×
15 m)，( G4 ) 400 m
2 (20 m × 20 m)，( G5 ) 625 m
2
(25 m × 25 m)，(G6 )900 m
2 (30 m × 30 m)。在块
状改造试验区改造样地内进行更新造林，3 组试验
区的造林树种分别为欧洲赤松、樟子松和兴安落叶
松，栽植苗木时与原有林分的边界距离为 1 m，株间
距为1. 5 m × 1. 5 m。
2. 2 指标测定
于 2012 年 6 月对不同改造试验区的乔木、灌
木、草本植被进行调查，每条改造带设置 3 个样
方，样方长 20 m，宽度为改造带的带宽。每个块状
改造样地为一个调查样方，对样方内的乔木进行
91
林 业 科 学 50 卷
图 1 带状试验区设置
Fig． 1 Strip test zone settings
图 2 块状试验区设置
Fig． 2 Block test zone settings
每木调查，根据样方的大小，在样方内随机设置
1 ～ 5个 5 m × 5 m 的灌木样方，调查灌木的种类和
盖度，在灌木样方内按照“Z”形设置 5 个1 m × 1 m
的草本样方，调查植物的种类和盖度。利用调查
数据计算出物种丰富度指数 ( S)、Shannon-wiener
多样性指数(H )和 Pielou 均匀度指数( J)，以此作
为不同改造模式的物种多样性评价因子 (宋启亮
等，2010)。
在顺山带状改造试验区，每条改造带沿山坡上
中下各随机设置 9 个样点，在块状改造试验区的每
个改造样地按“Z”形设置 5 个样点。在每个样点采
集枯落物和土壤样品。
每个枯落物取样样点的面积为 30 cm × 30 cm，
按未分解层和半分解层收集枯落物，带回实验室，于
7 月将枯落物烘干后称其干质量，以干物质质量推
算枯落物的生物量。枯落物实验室浸泡称重，得出
枯落物的最大持水量。
在每个样点用容积为 100 cm3 的环刀取环刀样
品，用于分析土壤物理性质，评价指标有密度、最大
持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度 (李
勇等，2012b)。同时取表层(0 ～ 10 cm)土壤带回实
验室，自然风干后，于 9 月分析土壤的化学性质，评
价指标有 pH、有机质、全 N、全 P、全 K、水解 N、速效
P 和速效 K 含量。土壤理化性质的测定参照张万儒
等( 1999)的方法进行。
采用 LI-8150 多通道土壤碳通量自动测量系统
(LI-COＲ Inc．，Lincoln，NE，USA ) 测定土壤表面
CO2 通量，每个观测点连续观测 24 h，以 0. 5 h 为一
个测量周期，全天重复测量 48 次，并以平均值作为
试验区的土壤呼吸速率(李勇等，2011)。
对试验区内栽植苗木的地径、树高以及生长量
等指标进行测量，并计算出不同改造样地内樟子松、
欧洲赤松、兴安落叶松的成活率和生长率。
2. 3 评价方法
将评价阔叶混交低质林不同改造模式的 p 个评
价指标记为 X1，X2，… ，Xp，n 个阔叶混交低质林改
造模式的 p 个评价指标组成了数据矩阵 X =
［Xij］n × p，其中 Xij表示第 i 种阔叶混交低质林改造模
式第 j 项评价指标的原始数据( i = 1，2，…，n; j = 1，
2，…，p)。
1) 原始数据标准化，消除数量级和量纲的影
响，正向指标用式 (1) 进行标准化，逆向指标用式
(2)进行标准化:
X *ij =
Xij
X j
; (1)
X *ij =
X j
Xij
。 (2)
式中:X *ij 是 Xij 标准化后的数据; Xj 是第 j 个评价指
标各种改造模式的平均值。
2) 选取主成分，利用 SPSS 软件对标准化后的
数据进行分析，选取方差分析累计贡献率≥85%的
前 m 个主成分，构建 m 个主成分与标准化变量之间
的关系:
Yk = bk1 X
*
1 + bk2 X
*
2 + … + bkp X
*
p 。 (3)
式中: Yk是第 k 个主成分( k = 1，2，3，…，m);bk1是
第 k 个主成分的因子载荷。
3) 各个主成分的权重采用第 k 个主成分的方
差贡献率和所确定的 m 个主成分的总贡献率比值
来表示:
wk =
λ k
∑
m
k = 1
λ k
。 (4)
式中: wk是第 k 个主成分的权重;λ k是第 k 个主成
分的方差贡献率。
4) 利用式(3)选定的 m 个主成分和式(4)确定
的权重构建综合评价函数:
F = ∑
m
k = 1
wkYk。 (5)
式中: F 表示不同改造模式的综合评价得分，得分越高
说明改造效果越好(吕海龙等，2011; 张泱等，2010)。
02
第 9 期 宋启亮等: 大兴安岭低质阔叶混交林不同改造模式综合评价
3 结果与分析
选取带状和块状改造试验区的乔木、灌木、草本
层植被物种丰富度指数( S)、Shannon-wiener 多样性
指数(H)和 Pielou 均匀度指数( J)，未分解层和半
分解层枯落物生物量、最大持水量，土壤物理性质
(土壤密度、最大持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙
度、总孔隙度)，土壤化学性质( pH、有机质、全 N、
全 P、全 K、水解 N、有效 P、速效 K)，土壤呼吸速率，
欧洲赤松、樟子松、兴安落叶松的成活率、生长率等
共 33 项评价指标。不同改造模式各评价指标的测
定数据见表 1。
表 1 不同改造模式各指标基础数据
Tab． 1 Underlying data of indexes of different transformation models
指标 Index S1 S2 S3 S4 G1 G2 G3 G4 G5 G6
乔木层
Arbor layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
未分解枯落物
Non-decomposed
litter
半分解枯落物
Semi-decomposed
litter
土壤物理性质
Soil physical
properties
土壤化学性质
Soil chemical
properties
欧洲赤松
Pinus sylvestris
樟子松 P． sylvestris
var． mongolica
兴安落叶松 Larix
gmelinii
S 3. 00 4. 00 3. 00 4. 00 2. 00 4. 00 4. 00 4. 00 3. 00 3. 00
H 0. 70 1. 29 1. 03 0. 55 0. 64 1. 17 1. 13 1. 02 0. 88 0. 94
J 0. 50 0. 93 0. 94 0. 51 0. 92 0. 84 0. 82 0. 74 0. 80 0. 86
S 4. 00 6. 00 5. 00 5. 00 3. 00 4. 00 3. 00 3. 00 3. 00 3. 00
H 0. 89 1. 58 1. 41 1. 36 0. 93 1. 23 0. 93 1. 01 0. 44 0. 69
J 0. 64 0. 88 0. 88 0. 84 0. 85 0. 89 0. 84 0. 92 0. 40 0. 63
S 8. 00 8. 00 11. 00 6. 00 10. 00 9. 00 9. 00 8. 00 10. 00 11. 00
H 1. 88 1. 97 1. 92 1. 58 1. 96 1. 88 1. 87 1. 64 1. 80 1. 57
J 0. 91 0. 95 0. 80 0. 88 0. 85 0. 86 0. 85 0. 75 0. 78 0. 65
生物量 Litter
biomass /( t·hm － 2 )
2. 65 3. 18 2. 72 2. 08 2. 03 2. 45 2. 13 4. 01 2. 62 3. 38
最大持水量 Maximum
water-holding capacity(% )
10. 78 16. 06 12. 89 12. 00 9. 83 9. 83 10. 17 14. 83 17. 00 15. 67
生物量 Litter
biomass /( t·hm － 2 )
5. 37 5. 75 3. 46 2. 97 3. 50 7. 08 8. 20 4. 74 3. 72 4. 04
最大持水量 Maximum
water-holding capacity(% )
16. 89 20. 28 11. 50 11. 67 9. 16 7. 52 7. 07 1. 93 6. 59 1. 20
土壤密度 Soil
density /( g·cm － 3 )
0. 57 0. 62 0. 65 0. 58 0. 59 0. 50 0. 73 0. 75 0. 96 0. 76
最大持水量 Maximum
water-holding capacity(% )
1. 14 1. 05 1. 04 1. 15 1. 16 1. 53 0. 81 0. 78 0. 57 0. 77
非毛管孔隙度 Non-
capillary porosity(% )
0. 13 0. 12 0. 09 0. 10 0. 12 0. 11 0. 17 0. 14 0. 10 0. 16
毛管孔隙度
Capillary porosity(% )
0. 52 0. 53 0. 56 0. 55 0. 57 0. 65 0. 42 0. 45 0. 45 0. 43
总孔隙度 Total porosity(% ) 0. 65 0. 65 0. 65 0. 65 0. 69 0. 76 0. 59 0. 59 0. 55 0. 59
pH 5. 92 5. 66 5. 92 5. 87 5. 96 6. 78 6. 45 6. 56 6. 64 6. 23
有机质 Organic
matter /( g·kg － 1 )
17. 63 22. 90 22. 19 26. 33 22. 14 18. 67 21. 61 15. 54 12. 94 14. 48
全 N Total N /( g·kg － 1 ) 10. 52 7. 79 9. 86 11. 21 8. 15 9. 64 10. 80 8. 88 9. 98 7. 22
全 P Total P /( g·kg － 1 ) 1. 07 1. 02 1. 08 1. 17 1. 02 1. 18 1. 06 0. 99 0. 91 0. 86
全 K Total K /( g·kg － 1 ) 24. 94 23. 69 26. 05 17. 37 21. 84 21. 64 25. 65 23. 46 21. 88 20. 92
水解 N Hydrolyzable
N /(mg·kg － 1 )
372. 23 297. 79 334. 56 388. 07 316. 40 324. 75 352. 51 326. 02 298. 84 254. 18
有效 P Available
P /(mg·kg － 1 )
20. 08 37. 80 35. 44 44. 73 31. 09 36. 64 39. 63 33. 04 25. 04 19. 45
速效 K Available
K /(mg·kg － 1 )
33. 98 39. 66 48. 99 52. 43 37. 22 47. 05 48. 07 46. 38 37. 96 36. 96
土壤呼吸速率 Soil respiration rate /(μmol·m － 2 s － 1 ) 4. 68 6. 84 5. 25 4. 56 4. 87 5. 12 6. 07 5. 98 5. 32 4. 89
成活率 Survival rate(% ) 88. 40 83. 50 82. 30 72. 80 76. 90 82. 50 73. 10 74. 50 67. 80 65. 70
生长率 Growth rate(% ) 21. 80 22. 00 22. 40 21. 20 22. 60 21. 00 21. 70 21. 20 20. 90 19. 70
成活率 Survival rate(% ) 68. 70 73. 20 73. 10 70. 50 63. 70 73. 30 71. 70 68. 60 66. 40 61. 90
生长率 Growth rate(% ) 22. 00 24. 90 22. 40 21. 10 21. 10 20. 70 23. 10 22. 60 21. 00 21. 20
成活率 Survival rate(% ) 75. 10 77. 60 82. 40 77. 20 65. 20 71. 30 81. 10 75. 90 79. 60 70. 00
生长率 Growth rate(% ) 22. 60 23. 80 23. 70 22. 60 22. 40 22. 70 23. 90 24. 20 23. 40 23. 10
12
林 业 科 学 50 卷
应用主成分分析对不同改造模式的改造效果进
行综合评价。为消除各评价指标量纲和数量级的影
响，首先利用式(1)，(2)对各个评价指标进行标准化
处理。大兴安岭阔叶混交低质林的土壤呈弱酸性，其
pH 均低于 7，则当其 pH 越接近 7 时，越适合地上植
被的生长。因此，土壤 pH 为正向指标，按式(1)进行
标准化处理; 土壤密度越大，说明土壤越紧实，不利于
地上植被的生长，土壤密度为逆向指标，按式(2)进行
标准化处理。其他评价指标均为正向指标，按式(1)进
行标准化处理，标准化后的结果见表 2。
表 2 不同改造模式指标标准化
Tab． 2 Standard index of different transformation models
指标 Index S1 S2 S3 S4 G1 G2 G3 G4 G5 G6
乔木层 Arbor layer
灌木层 Shrub layer
草本层 Herb layer
未分解枯落物
Non-decomposed litter
半分解枯落物
Semi-decomposed litter
土壤物理性质
Soil physical properties
土壤化学性质
Soil chemical properties
欧洲赤松
P． sylvestris
樟子松 P． sylvestris
var． mongolica
兴安落叶松
L． gmelinii
S 0. 88 1. 18 0. 88 1. 18 0. 59 1. 18 1. 18 1. 18 0. 88 0. 88
H 0. 75 1. 38 1. 10 0. 59 0. 68 1. 25 1. 21 1. 09 0. 94 1. 01
J 0. 64 1. 18 1. 20 0. 65 1. 17 1. 07 1. 04 0. 94 1. 02 1. 09
S 1. 03 1. 54 1. 28 1. 28 0. 77 1. 03 0. 77 0. 77 0. 77 0. 77
H 0. 85 1. 51 1. 35 1. 30 0. 89 1. 17 0. 89 0. 96 0. 42 0. 66
J 0. 82 1. 13 1. 13 1. 08 1. 09 1. 15 1. 08 1. 18 0. 51 0. 81
S 0. 89 0. 89 1. 22 0. 67 1. 11 1. 00 1. 00 0. 89 1. 11 1. 22
H 1. 04 1. 09 1. 06 0. 87 1. 08 1. 04 1. 03 0. 91 1. 00 0. 87
J 1. 10 1. 15 0. 97 1. 06 1. 03 1. 04 1. 03 0. 91 0. 94 0. 79
生物量 Litter biomass 0. 97 1. 17 1. 00 0. 76 0. 75 0. 90 0. 78 1. 47 0. 96 1. 24
最大持水量 Maximum
water-holding capacity
0. 84 1. 24 1. 00 0. 93 0. 76 0. 76 0. 79 1. 15 1. 32 1. 21
生物量 Litter biomass 1. 10 1. 18 0. 71 0. 61 0. 72 1. 45 1. 68 0. 97 0. 76 0. 83
最大持水量 Maximum
water-holding capacity
1. 80 2. 16 1. 23 1. 24 0. 98 0. 80 0. 75 0. 21 0. 70 0. 13
土壤密度 Soil density 1. 18 1. 08 1. 04 1. 15 1. 14 1. 35 0. 92 0. 89 0. 70 0. 88
最大持水量 Maximum
water-holding capacity
1. 14 1. 05 1. 04 1. 15 1. 16 1. 53 0. 81 0. 78 0. 57 0. 77
非毛管孔隙度 Non-
capillary porosity
1. 05 0. 94 0. 73 0. 81 0. 97 0. 89 1. 37 1. 13 0. 81 1. 29
毛管孔隙度
Capillary porosity
1. 01 1. 04 1. 09 1. 07 1. 11 1. 27 0. 82 0. 87 0. 88 0. 83
总孔隙度 Total porosity 1. 02 1. 02 1. 02 1. 02 1. 08 1. 20 0. 93 0. 92 0. 87 0. 92
pH 0. 95 0. 91 0. 96 0. 95 0. 96 1. 09 1. 04 1. 06 1. 07 1. 01
有机质 Organic matter 0. 91 1. 18 1. 14 1. 35 1. 14 0. 96 1. 11 0. 80 0. 67 0. 74
全 N Total N 1. 12 0. 83 1. 05 1. 19 0. 87 1. 02 1. 15 0. 94 1. 06 0. 77
全 P Total P 1. 03 0. 98 1. 04 1. 13 0. 98 1. 14 1. 02 0. 96 0. 88 0. 83
全 K Total K 1. 10 1. 04 1. 15 0. 76 0. 96 0. 95 1. 13 1. 03 0. 96 0. 92
水解 N Hydrolyzable N 1. 14 0. 91 1. 02 1. 19 0. 97 0. 99 1. 08 1. 00 0. 92 0. 78
有效 P Available P 0. 62 1. 17 1. 10 1. 38 0. 96 1. 13 1. 23 1. 02 0. 78 0. 60
速效 K Available K 0. 79 0. 93 1. 14 1. 22 0. 87 1. 10 1. 12 1. 08 0. 89 0. 86
土壤呼吸速率 Soil respiration rate 0. 87 1. 28 0. 98 0. 85 0. 91 0. 96 1. 13 1. 12 0. 99 0. 91
成活率 Survival rate 1. 15 1. 09 1. 07 0. 95 1. 00 1. 07 0. 95 0. 97 0. 88 0. 86
生长率 Growth rate 1. 02 1. 03 1. 04 0. 99 1. 05 0. 98 1. 01 0. 99 0. 97 0. 92
成活率 Survival rate 0. 99 1. 06 1. 06 1. 02 0. 92 1. 06 1. 04 0. 99 0. 96 0. 90
生长率 Growth rate 1. 00 1. 13 1. 02 0. 96 0. 96 0. 94 1. 05 1. 03 0. 95 0. 96
成活率 Survival rate 0. 99 1. 03 1. 09 1. 02 0. 86 0. 94 1. 07 1. 00 1. 05 0. 93
生长率 Growth rate 0. 97 1. 02 1. 02 0. 97 0. 96 0. 98 1. 03 1. 04 1. 01 0. 99
使用 SPSS 数据分析软件对标准化后的数据
进行主成分分析，得到方差分析结果，由表 3 可
知前 6 个 主 成 分 的 累 计 方 差 贡 献 率 达 到 了
90 . 06% ，大于 85% ，所以选取前 6 个主成分已
足够表达各改造模式的总体改造效果。通过分
析得到选定的 6 个主成分的因子载荷见表 4。
表 3 总方差分析
Tab． 3 Total variance analysis
主成分
Component
特征值
Eigenvalue
贡献率
Variance(% )
累计贡献率
Cumulative(% )
1 11. 329 34. 332 34. 332
2 6. 360 19. 274 53. 605
3 4. 279 12. 968 66. 573
4 3. 144 9. 529 76. 102
5 2. 663 8. 071 84. 173
6 1. 943 5. 887 90. 060
22
第 9 期 宋启亮等: 大兴安岭低质阔叶混交林不同改造模式综合评价
表 4 因子载荷
Tab． 4 Component matrix
指标 Index
主成分 Component
1 2 3 4 5 6
乔木层 Arbor layer
灌木层 Shrub layer
草本层 Herb layer
未分解枯落物
Non-decomposed litter
半分解枯落物
Semi-decomposed litter
土壤物理性质
Soil physical properties
土壤化学性质
Soil chemical properties
欧洲赤松 Pinus sylvestris
樟子松
Pinus sylvestris var． mongolica
兴安落叶松
Larix gmelinii
S 0. 002 － 0. 011 0. 737 0. 425 0. 369 － 0. 310
H － 0. 010 － 0. 057 0. 858 0. 116 － 0. 403 0. 192
J － 0. 031 － 0. 067 0. 207 0. 149 － 0. 919 0. 260
S 0. 265 0. 711 0. 205 0. 272 0. 061 － 0. 082
H 0. 422 0. 551 0. 218 0. 618 － 0. 008 0. 025
J 0. 446 0. 202 0. 163 0. 768 － 0. 086 0. 151
S － 0. 137 － 0. 395 － 0. 172 － 0. 236 － 0. 688 0. 416
H 0. 331 0. 369 0. 263 － 0. 156 － 0. 271 0. 615
J 0. 417 0. 680 0. 284 0. 060 0. 324 0. 108
生物量 Litter biomass － 0. 275 － 0. 054 0. 235 － 0. 126 － 0. 222 － 0. 016
最大持水量 Maximum
water-holding capacity
－ 0. 649 0. 096 0. 152 － 0. 242 － 0. 302 － 0. 295
生物量 Litter biomass 0. 220 － 0. 135 0. 815 － 0. 018 0. 121 0. 208
最大持水量 Maximum
water-holding capacity
0. 271 0. 861 0. 141 － 0. 109 0. 196 0. 157
土壤密度 Soil density 0. 940 0. 237 － 0. 021 0. 156 0. 164 － 0. 005
最大持水量 Maximum
water-holding capacity
0. 963 0. 153 － 0. 004 0. 174 0. 091 － 0. 018
非毛管孔隙度 Non-
capillary porosity
－ 0. 265 － 0. 210 0. 243 － 0. 115 － 0. 012 0. 019
毛管孔隙度
Capillary porosity
0. 881 0. 157 － 0. 084 0. 173 － 0. 058 0. 007
总孔隙度 Total porosity 0. 969 0. 092 0. 013 0. 156 － 0. 067 0. 016
pH － 0. 056 － 0. 905 0. 328 － 0. 066 0. 011 － 0. 053
有机质 Organic matter 0. 284 0. 579 － 0. 097 0. 662 0. 127 － 0. 020
全 N Total N － 0. 020 － 0. 124 0. 021 0. 215 0. 836 0. 167
全 P Total P 0. 654 0. 104 0. 110 0. 492 0. 492 0. 049
全 K Total K － 0. 123 0. 091 0. 346 － 0. 093 － 0. 058 0. 907
水解 N Hydrolyzable N 0. 192 0. 181 － 0. 116 0. 336 0. 850 0. 175
有效 P Available P 0. 133 0. 201 0. 278 0. 859 0. 127 － 0. 132
速效 K Available K 0. 049 － 0. 210 0. 171 0. 897 0. 263 － 0. 067
土壤呼吸速率 Soil respiration rate － 0. 304 － 0. 301 0. 318 0. 763 0. 197 － 0. 306
成活率 Survival rate 0. 634 0. 492 0. 184 － 0. 068 0. 209 0. 490
生长率 Growth rate 0. 228 0. 591 － 0. 088 0. 263 0. 018 0. 612
成活率 Survival rate 0. 268 0. 224 0. 614 0. 476 0. 270 0. 239
生长率 Growth rate － 0. 259 0. 651 0. 555 0. 202 － 0. 096 0. 291
成活率 Survival rate － 0. 529 0. 121 0. 403 0. 276 0. 358 0. 288
生长率 Growth rate － 0. 595 － 0. 087 0. 581 0. 297 － 0. 128 0. 318
由表 4 各因子载荷的绝对值可知，第 1 主成分
在土壤总孔隙度、土壤最大持水量、土壤密度、土壤
毛管孔隙度等指标上有较大载荷; 第 2 主成分在土
壤 pH、半分解枯落物最大持水量、灌木层物种丰富
度指数等指标上有较大载荷; 第 3 主成分在乔木层
多样性指数、半分解枯落物生物量、土壤呼吸速率、
乔木层物种丰富度指数等指标上有较大载荷; 第 4
主成分在土壤速效 K 含量、有效 P 含量、灌木层均
匀度指数等指标上有较大载荷; 第 5 主成分在乔木
层均匀度指数、水解 N 含量、全 N 含量等指标上有
较大载荷; 第 6 主成分在全 K 含量指标上有较大
载荷。
首先计算出 6 个主成分的因子得分，然后根据
式(4)确定每个主成分的权重，6 个主成分的权重依
次为 0. 38，0. 21，0. 14，0. 11，0. 09，0. 07，最后利用式
(5)构造的综合评价函数计算出不同改造模式的综
合得分，各主成分的因子及综合得分见表 5。
32
林 业 科 学 50 卷
表 5 综合评价结果①
Tab． 5 Comprehensive evaluation results
改造样地 Transformation plots F1 F2 F3 F4 F5 F6 综合得分 Composite score
S1 0. 62 0. 70 － 0. 36 － 1. 73 1. 68 0. 92 0. 36
S2 － 0. 04 2. 17 1. 45 － 0. 09 － 0. 96 － 0. 46 0. 53
S3 － 0. 08 0. 03 － 0. 62 1. 07 － 0. 46 1. 73 0. 07
S4 0. 02 0. 53 － 0. 93 1. 29 1. 43 － 1. 71 0. 14
G1 0. 69 0. 41 － 1. 60 0. 01 － 1. 20 0. 33 0. 03
G2 2. 18 － 1. 29 1. 09 0. 03 － 0. 16 － 0. 40 0. 68
G3 － 0. 89 － 0. 43 1. 18 0. 77 0. 51 0. 74 － 0. 09
G4 － 0. 60 － 0. 65 0. 24 0. 66 0. 30 0. 21 － 0. 22
G5 － 1. 39 － 0. 72 0. 09 － 1. 27 － 0. 07 － 0. 35 － 0. 84
G6 － 0. 52 － 0. 75 － 0. 55 － 0. 74 － 1. 08 － 1. 02 － 0. 68
① F1，F2，F3，F4，F5，F6 分别表示 6 个主成分的因子得分。F1，F2，F3，F4，F5，F6 indicated factor score of 6 component．
由表 5 综合评价结果可见: 低质阔叶混交林顺
山带状改造样地的综合得分总体上好于块状改造样
地。顺山带状改造样地综合得分从高到低依次是
S2(0. 53 )，S1 ( 0. 36 )，S4 ( 0. 14 )，S3 ( 0. 07 )，即以
10 m带宽进行顺山带状改造的综合得分最高;块状
改造样地综合得分从高到低依次是 G2 (0. 68)，G1
(0. 03)，G3( － 0. 09)，G4 ( － 0. 22)，G6 ( － 0. 68)，G5
( － 0. 84)，各块状样地的综合得分先是随着块状样
地面积增大而升高，当块状样地的面积大于 100 m2
后，各样地的综合得分又随着面积的增大呈现下降
的趋势，其中以 100 m2 面积进行块状改造的综合得
分最高。表明 10 m 带宽顺山带状改造和 100 m2 面
积块状改造的改造效果最好。
4 结论与讨论
应用主成分分析法综合评价大兴安岭林区阔叶
混交低质林不同改造模式的改造效果，筛选出反映
森林生态效益的生物多样性、枯落物持水特性、土壤
物理性质、土壤化学性质、土壤碳通量和更新苗木生
长状况 6 个层次的 33 项指标。首先将所有指标的
原始数据进行标准化处理，提取出 6 个反映各改造
模式总体改造效果的主成分，计算各主成分的因子
得分，并依据各主成分的权重构建出低质林不同改
造模式综合评价模型，计算出 10 种改造模式的综合
得分，据此筛选出大兴安岭林区阔叶混交低质林最
优改造模式，使得评价结果更具全面性和科学性。
综合评价大兴安岭林区阔叶混交低质林不同带
宽顺山带状改造模式和不同面积块状改造模式的改
造效果，对于带状改造样地，不同带宽的改造效果依
次为 10 m 带宽 ＞ 6 m 带宽 ＞ 18 m 带宽 ＞ 14 m 带
宽，对于块状改造样地，不同面积的改造效果依次为
100 m2(10 m × 10 m) ＞ 25 m2 (5 m × 5 m) ＞ 225 m2
(15 m × 15 m) ＞ 400 m2 ( 20 m × 20 ) ＞ 900 m2
(30 m × 30 m) ＞ 625 m2 (25 m × 25 m)，其中 10 m
带宽顺山带状和 100 m2 (10 m × 10 m)块状改造模
式最适宜大兴安岭阔叶混交低质林，其改造效果明
显优于其他改造模式。
综合比较发现，顺山带状改造模式总体上优于
块状改造模式，这主要是因为顺山带状改造林地内
采光条件较好，温度、湿度、光照等微气候环境有利
于林地采伐剩余物的分解，提高了土壤肥力;同时由
于本研究试验样地的坡度较小，保留带内植被的枯
落物可以有效补充到采伐带两侧，所以顺山带状改
造不会降低林地的水土保持能力，而且为改造带内
栽植的针叶目的树种创造了良好的生长环境，有利
于改造林地植被的更新和生长，最终形成生态效益
和经济效益较高的针阔混交林。
顺山带状改造 10 m 带宽的改造效果最佳，这与
吕海龙等 ( 2011 )对小兴安岭低质林分和李芝茹
(2012)对大兴安岭白桦低质林不同改造模式的评
价结果一致。随着改造带带宽的增加，改造样地的
综合评价值并没有呈现出明显的规律性，各块状改
造样地的改造效果随着面积增大而变好，到一定面
积后，改造效果又随着面积的继续增大而呈现逐渐
变差的趋势。块状改造样地中 100 m2 ( 10 m ×
10 m)样地改造效果明显好于其他面积块状样地，
而吕海龙等(2011)研究认为小兴安岭低质林分林
窗面积 25 m2(5 m × 5 m)改造效果好于其他面积林
窗。由于在对低质林进行带状和块状改造后，林地
内的微气候环境发生变化，带宽较小的采伐带和面
积较小的块状样地变化较小，采伐剩余物也较少，林
地的土壤肥力增加不明显，生物多样性没有明显增
加，同时也不利于喜阳的引进树种的生长，改造效果
不明显;而当采伐带带宽或者块状改造样地面积过
大时，虽然在改造后的初期由于大量采伐剩余物和
枯落物的分解，使土壤肥力迅速增加，但由于缺少高
大乔木，改造后期林地枯落物减少，没有林冠截留的
保护，地表径流增大，土壤侵蚀严重，容易造成水土
42
第 9 期 宋启亮等: 大兴安岭低质阔叶混交林不同改造模式综合评价
流失，苗木的保存率也不理想，改造效果也不好。由
于大小兴安岭的气候条件、生态环境、立地条件和植
被类型等都有差异，所以选择合理的采伐宽度和采
伐面积是不同地区不同类型低质林改造成功的关键
因素。
本研究通过选择反映森林改造效果的生物多样
性、枯落物持水特性、土壤物理性质、土壤化学性质、
土壤碳通量和更新苗木生长状况等指标，计算各改
造模式的综合得分，关键是各项评价指标的筛选与
评价的过程，评价结果只说明各改造模式改造效果
的相对优劣，并不是该改造模式的实际值，但对于大
兴安岭地区阔叶混交低质林的改造和经营具有指导
和参考意义。由于受到数据收集的限制，一定程度
上影响评价结果的科学性，随着对大兴安岭林区低
质林经营实践与认识的逐步提高，应该对该地区低
质林改造效果评价指标进行不断调整和补充。
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(责任编辑 石红青)
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