system: [SYSTEM]

user: 2. 材料与方法 2.1. 研究区域概况 崂山位于山东半岛濒临黄海，地处北纬36˚03′~36˚24′、东经120˚07′~120˚43′，最高峰巨峰海拔1133 m。崂山土壤以黄色砂质土和棕色森林土为主，pH值5~7，呈微酸性；属暖温带大陆性季风气候，年平均气温12.6℃；年降水量700~800 mm。 崂山沿垂直方向，从低到高可分为3个植物带：500 m以下的黑松、刺槐林，500~1000 m落叶松林，1000 m以上山地灌丛林。黑松、刺槐(Robinia pseudoacacia)林，在崂山广泛分布。林中常伴生赤松(Pinus densiflora)、辽东桤木(Sibirica Fisch)、榉(Schneider zelkova)、榆(Ulmus pumila)、桑(Morus alba)、盐肤木(Rhus chinensis)、臭椿(Ailanthus altissima)、毛白杨(Populus tomentosa)等乔木。灌木有郁李(Cerasus japonica)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、花木蓝(Indigofera kirilowii)、山楂叶悬钩子(Rubus crataegifolius)、崖椒(Rubus crataegifolius)、黄荆(Vitex negundo)、山合欢(Albizia kalkora)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、鼠李(Rhamnus davurica)等。 2.2. 研究方法 本文按照常规群落调查方法，于2015年5~6月，在崂山地区选取黑松树种组成占80%以上的林分作为研究对象，每个林分内随机选取20 m × 20 m的样地，共26个样地(表1)；每个样地内设置5个灌木样方、5个草本样方及3个土壤和枯落物样方，面积分别为：25 m 2 、4 m 2 和0.04 m 2 。通过踏查和走访，对样地生活状况、人为干扰、病虫害危害程度以及火险等级进行初步的判断和测评。 2.2.1. 评价指标敏感度分析 本研究利用许明祥等提出的敏感性分析法筛选指标因子，用变异系数的百分比对其敏感度进行分析，变异系数越大，指标敏感度越高 [ 14 ] 。敏感度标准见表2。 通过对31个指标的敏感性分析(表3)，高度敏感指标有乔木均匀度、乔木Shannon-Wiener指数、乔木Simpson指数以及乔木丰富度等4个；中度敏感指标有草本盖度、灌木盖度、更新丰富度、乔木生物量、群落结构层次以及pH值等23个；低敏感度指标有郁闭度、灌木Simpson指数、灌木均匀度指数3个；不敏感指标土壤含水量。 丰富度指数(Margelf指数)： M = ( S − 1 ) / ln ( N ) (1) Shannon-Wiener指数： H ′ = − ( ∑ P i ln P i ) (2) Simpson指数： D = 1 − ∑ ( P i ) 2 (3) 均匀度指数(Pielou指数)： J s w = − ( ∑ P i ln P i ) / ln S (4) 式中， P i = N i / N ，N i 是第i种的个体数，N是样地内物种的总个体数。S为物种数目。M、H′、D、J sw 分别是丰富度指数、Shannon-Wiener指数、Simpson指数、均匀度指数。 2.2.2. 指标体系的建立 经过敏感度分析，本研究选择敏感度大于20的指标建立崂山黑松林健康评价指标体系。以活力要素、结构要素、功能要素以及抵抗力要素作为准则层，以乔木均匀度、乔木Shannon-Wiener指数、乔木Simpson指数、乔木丰富度等27个实测指标。 Table 1 Basic features of the sample plot 编号 东经 北纬 海拔(m) 坡向 坡度 1 120˚35′08″ 36˚21′12″ 289 东坡 45˚ 2 120˚35′35″ 36˚21′49″ 342 东南 35˚ 3 120˚35′64″ 36˚21′50″ 318 东 32˚ 4 120˚35′28″ 36˚21′57″ 299 东 35˚ 5 120˚35′27″ 36˚21′58″ 307 东 32˚ 6 120˚35′73″ 36˚21′48″ 348 东 20˚ 7 120˚35′36″ 36˚12′57″ 260 东南 20˚ 8 120˚35′44″ 36˚13′01″ 274 西 34˚ 9 120˚35′43″ 36˚13′03″ 286 西北 18˚ 10 120˚35′42″ 36˚12′50″ 350 东南 26˚ 11 120˚35′46″ 36˚13′2″ 270 西南 16˚ 12 120˚35′54″ 36˚15′55″ 350 西 21˚ 13 120˚35′46″ 36˚12′53″ 340 西北 26˚ 14 120˚35′50″ 36˚12′57″ 356 东 39˚ 15 120˚35′46″ 36˚13′02″ 280 东南 20˚ 16 120˚35′50″ 36˚13′04″ 290 西 27˚ 17 120˚35′37″ 36˚12′57″ 250 东南 39˚ 18 120˚35′39″ 36˚13′02″ 270 东南 36˚ 19 120˚35′40″ 36˚13′03″ 280 东南 32˚ 20 120˚35′36″ 36˚12′52″ 210 西 32˚ 21 120˚35′39″ 36˚12′47″ 270 西北 28˚ 22 120˚35′33″ 36˚12′58″ 300 西 30˚ 23 120˚35′35″ 36˚12′44″ 330 东北 33˚ 24 120˚35′39″ 36˚12′44″ 310 东南 31˚ 25 120˚35′36″ 36˚12′54″ 320 东南 36˚ 26 120˚35′33″ 36˚12′58″ 260 北 33˚ 表1. 标准地基本情况 Table 2 Sensitivity gradation of the synthetical indicator 指标敏感度 不 低 中 高 变异系数(%) ≤10 10~20 20~90 ≥90 表2. 综合指标敏感度分级 Table 3 The indicators sensitivity analysis of the Pinus thunbergii fores 指标 极小值 极大值 均值 标准差 变异系数 敏感度 乔木均匀度指数 0.00 1.73 0.45 0.44 99.46 高 乔木Shannon-Wiener指数 0.00 1.20 0.38 0.37 96.41 高 乔木Simpson指数 0.00 0.58 0.21 0.20 95.63 高 乔木Maralef指数 0.00 0.98 0.30 0.28 94.42 高 草本盖度 0.02 0.75 0.24 0.21 85.96 中 灌木盖度 0.02 0.72 0.28 0.20 69.14 中 更新丰富度 0.00 3.91 1.38 0.89 64.61 中 草本Maralef指数 0.40 3.55 1.09 0.62 56.73 中 凋落物现存量 636.00 4650.50 2306.22 1209.63 52.45 中 更新密度(N/hm 2 ) 560.00 4000.00 1776.92 839.21 47.23 中 蓄积量(hm 2 /m 2 ) 79.2 351.68 169.40 78.70 46.46 中 乔木生物量 1570.78 10400.67 5277.42 2046.36 38.78 中 群落层次结构 1.00 3.00 1.73 0.65 37.78 中 人为干扰 1.00 5.00 3.12 1.12 35.97 中 土壤厚度(cm) 5.00 20.00 11.88 4.26 35.85 中 草本Shannon-Wiener指数 0.61 2.48 1.30 0.46 35.66 中 pH值 4.64 6.43 5.11 1.81 35.42 中 灌木Maralef指数 0.59 2.19 1.38 0.46 33.10 中 草本均匀度指数 0.28 1.51 0.76 0.25 32.69 中 乔木生活力 1.00 4.00 2.31 0.72 31.27 中 幼苗平均高(m) 0.92 2.83 1.65 0.46 27.80 中 病虫害 2.00 5.00 3.31 0.91 27.52 中 草本Simpson指数 0.27 0.89 0.61 0.17 27.24 中 林分密度 525.00 1775.00 1205.77 324.28 26.89 中 年平均生长量 0.19 0.67 0.41 0.10 24.44 中 森林火灾 1.00 3.00 2.65 0.62 23.23 中 灌木Shannon-Wiener指数 0.97 2.41 1.46 0.33 22.51 中 郁闭度 0.49 0.90 0.73 0.12 16.08 低 灌木Simpson指数 0.45 0.85 0.68 0.10 15.00 低 灌木均匀度指数 0.56 1.04 0.81 0.10 12.91 低 土壤含水量 0.05 0.25 0.30 0.02 6.67 不敏感 表3. 崂山黑松林指标敏感性分析 1) 活力要素 本研究选取的生产力主要指标包括：林分蓄积量、胸径年平均生长量、凋落物现存量。 ① 蓄积量：一定面积林分内，所有活立木的总材积。其中，黑松材积计算公式 [ 15 ] ： V = 0.010254 − 0.004214 D + 0.000331 D 2 + 0.00035 H + 0.000011 D 2 H (5) 刺槐材积计算公式 [ 16 ] ： V = 7.118 × 10 − 5 D 1.9414874 H 0.8148708 (6) 其中，V乔木蓄积量，D为胸径，H为树高。 ② 生物量：黑松生物量计算公式 [ 17 ] ： W = 0.1279 D 2.3599 (7) 刺槐生物量计算公式 [ 18 ] ： ln W = − 2.895531 + 0.86764 ln ( D 2 H ) (8) 式中，W生物量，D为胸径，H为树高。 ③ 胸径年平均生长量：可表征优势树种的健康状况。用样本树木的平均胸径除以优势树种的平均年龄得到。 ④ 凋落物的现存量：用单位面积内凋落物干重表示。 ⑤ 生活力：主要通过观察乔木、灌木、草本的生长状况及繁殖能力，将其划分为3个等级(表4)。 ⑥ 林分更新力：本研究选取的指标有幼苗多样性、幼苗平均高度、幼苗更新密度。其中，幼苗更新密度计算公式 [ 19 ] ： 更新密度(N/hm 2 ) = [株数合计/(样方面积 × 样方数)] × 10000 (9) 2) 结构指标 结构性指标表征森林生态系统的组成，体现其复杂性、稳定性和多样性。国内森林研究和实践结果表明：森林群落结构越复杂，生物多样性越高，群落稳定性越好，森林越健康 [ 20 ] 。本研究选择了物种多样性、林分密度、盖度及空间结构4个不同性质的指标。 ① 物种多样性：分别计算乔木层、灌木层、草本层的物种多样性，用于森林健康分析。 ② 林分密度 林分密度(N/hm 2 ) = (合计乔木株数 ÷ 样方面积) × 10000 (10) ③ 群落层次结构：根据森林的分层现象，将群落结构分为3个等级，赋值如下(表5)。 3) 土壤指标 选择了土壤厚度、土壤pH值作为评价指标。土壤厚度实测获得，土壤pH值使用实验室pH计测得。 4) 抵抗力指标 抵抗力指标主要包括人为干扰、病虫害、林火等级(表6、表7) [ 21 ] 。 Table 4 The classification of forest vigo 等级 说明 3 营养生长良好，繁殖能力强，生长势非常好 2 中等或正常生活力，生长势一般 1 营养不良，繁殖很差，生长势很不好 表4. 森林生活力等级划分 Table 5 The classification of forest structur 等级 结构 说明 3 完整结构 具有乔、灌、草和地被层4个植被层的森林 2 复杂结构 具有乔木层和其他1~2个植被层的森林 1 简单结构 只有乔木1个植被层的森林 表5. 结构等级划分 Table 6 The classification of human disturbance and damages of pest and diseas 类型 等级 说明 人为干扰 5 无干扰 4 轻微干扰 3 中度干扰 2 干扰较重 1 严重人为干扰 病虫害危害程度 5 无危害 4 轻微危害 3 中等危害 2 危害较重 1 危害严重 表6. 人为干扰强度和病虫害危害程度等级划分 Table 7 Classification of burning grade of major forest tree species in Chin 分类 主要树种(组) 等级划分 难燃类 榆、槐阔叶混交 一级 可燃类 杨、桦、柳、椴针阔混交 二级 易燃类 松、柏针叶混交林 三级 表7. 中国主要森林树种组燃烧等级划分 2.2.3. 崂山黑松林分健康评价 1) 权重的确定 群落调查调查的基础上，以突出黑松林生态功能为出发点，采用层次分析法(AHP)分别为准则层、指标层赋予权重。基于群落调查崂山黑松林分健康评价指标体系及指标权重(表8)。 运用层次分析法计算权重的基本操作方法： ① 分析系统各要素相关关系，建立递阶层次结构。 ② 对同一层次上各要素构建判断矩阵并进行两两比较。比较的结果用一下标度表示。 ③ 计算各要素重要性系数。 ④ 一致性检验。检验结果如表9。 综述上表，准则层与指标层一致性检验均小于0.1，说明准则层权重具有满意的一致性，可用于建立森林健康评价体系。 Table 8 Scale definition tabl 标度 含义 5/5 两因素同等重要 6/4 两因素另一个稍有优势 7/3 两因素另一个比较有优势 8/2 两因素另一个十分有优势 9/1 两因素另一个绝对有优势 表8. 标度定义表 Table 9 The CR value of the consistency test for different judgment matri 项目 准则层 活力指标 结构指标 土壤指标指标 抵抗力指标 CR值 0.0969 0.0971 0.0977 0 0.0697 表9. 不同判断矩阵一致性检验指标CR值 2) 无纲量化处理 本研究所选指标因子中，有值越大越好的指标，也有越小越好的指标，并且各个指标之间的量纲亦是不同，无法用于直接比较。本研究采用标准化对各个指标因子进行无量纲化处理，公式如下： C ′ = C / max ( C n ) (11) 式中，C′为标准化后数据；C为实测数据；max(C n )为某指标在该项指标中的最大值。 本研究采用综合指数法对崂山黑松林分进行健康评价 [ 22 ] ，公式： H I = ∑ E i × w i (12) 式中，HI为森林健康综合指数；E i 各分项指标值；w i 各分项权重。