主成分分析在臺灣相思優(yōu)樹選擇標準和方法中的應(yīng)用研究

肖澤鑫，彭劍華，詹潮安，賴煥武，羅 超，鄒桂逢，謝少鴻

（1.汕頭市林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 汕頭 515041；2.汕頭市林業(yè)局種苗站，廣東 汕頭 515031）

主成分分析在臺灣相思優(yōu)樹選擇標準和方法中的應(yīng)用研究

肖澤鑫1，彭劍華1，詹潮安1，賴煥武1，羅 超1，鄒桂逢1，謝少鴻2

（1.汕頭市林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 汕頭 515041；2.汕頭市林業(yè)局種苗站，廣東 汕頭 515031）

應(yīng)用樣圓標準地法在汕頭市潮陽區(qū)西環(huán)山森林公園的臺灣相思人工林中選優(yōu)，按預(yù)定要求對樹高、胸徑、冠形等10個因子進行測定。分析結(jié)果表明，樣圓較合理的調(diào)查半徑在15～20 m，胸徑、材積、尖削度、通直度、冠幅、側(cè)枝粗則對臺灣相思選優(yōu)具有較大的貢獻量。計算得出綜合評分入選最低分數(shù)線為63.1分，5株預(yù)選樹最終有4株確定為優(yōu)樹，選擇率為0.7%。

臺灣相思；選優(yōu)標準；主成分分析；綜合評分

臺灣相思Acacia confusa是自然分布于我國唯一的相思類樹種，對立地條件要求不高，尤其具根瘤固氮的速生樹種特性，對土壤適應(yīng)性強，其生長量、制漿性能和纖維質(zhì)量都表現(xiàn)出較優(yōu)異的性能，在我國南方水土保持、防護林、薪炭林、短周期工業(yè)原料林發(fā)展等方面具有很重要的地位和作用[1-6]。臺灣相思研究國內(nèi)己見多篇相關(guān)文獻的報道，但多集中在樹種特征特性、育苗造林技術(shù)、種群生態(tài)等方面，因此，探索臺灣相思選優(yōu)標準，對該樹種的保護、恢復(fù)、經(jīng)營管理及提高造林工程林木質(zhì)量具有重要意義。

1983年，杜天理等[7]介紹了臺灣相思造林技術(shù)及經(jīng)濟效益，隨后農(nóng)民新[8]在飛播馬尾松、臺灣相思混交林試驗成功；1995年胡榮春等[9]在對干熱河谷臺灣相思造林技術(shù)進行研究；朱國飛等[10-11]也介紹了臺灣相思育苗造林技術(shù)以及在園林綠化中的應(yīng)用；2005年，謝少鴻等[12]在對南澳島臺灣相思群落與植物多樣性、種群生態(tài)位進行分析。楊曉偉等[13]在2010年調(diào)查了亞熱帶臺灣相思次生林林隙邊緣木高徑分布特征；還有學(xué)者研究了臺灣相思種群生命過程及譜分析、組織培養(yǎng)等方面內(nèi)容[14-15]，但對臺灣相思優(yōu)樹系統(tǒng)選育等方面的研究未見報道。本文將從優(yōu)良度、縮差值分析優(yōu)樹優(yōu)劣程度和選擇強度入手，論述臺灣相思優(yōu)樹選擇的標準和方法，為臺灣相思選優(yōu)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

研究數(shù)據(jù)來自汕頭市潮陽區(qū)西環(huán)山森林公園內(nèi)保存較好的臺灣相思人工純林，林齡已超過20年，郁閉度在0.6以上，無嚴重病蟲害。該區(qū)域地理位置為 23°15′45′～ 23°15′57′N， 116°34′26′～116°34′39′E，坡度 20°～ 35°，海拔 106 ～ 222 m。土壤主要為赤紅壤，由花崗巖發(fā)育而成，土層中，夾雜石塊。該地區(qū)屬南亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫為21.5℃，日照時數(shù)2 000～3 000 h，最高溫度出現(xiàn)在7～8月份，最低溫度出現(xiàn)在1月份。年均降雨量為1 721 mm，降雨主要集中在4～9月份，約占全年降雨 量的80%。

1.2 調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

在對林分進行全面踏查的基礎(chǔ)上按表型及選優(yōu)目標篩選出預(yù)選樹XS-1、XS-2、XS-3、XS-4、XS-5，以預(yù)選樹為圓心，分別以5、10、15、20 m為半徑設(shè)置樣圓進行每木檢尺，并挑選出5株僅次于預(yù)選樹作為優(yōu)勢木，把預(yù)選樹、優(yōu)勢木與樣圓內(nèi)的林木按選標準項目逐項觀側(cè)評定，當預(yù)選樹綜合評分達到樣地林木規(guī)定標準時定為優(yōu)樹。

式（1）～（3）中：K、I、P分別是優(yōu)樹某一性狀(X)的優(yōu)良度、選擇強度及選擇率；X優(yōu)、X與Sx分別是優(yōu)樹某一性狀值、樣圓內(nèi)全部臺灣相思某一性狀均值和標準差；n、N表示優(yōu)樹中選個體數(shù)、供選林木群體總株數(shù)[16]。一般數(shù)據(jù)處理由EXСEL完成，方差分析及主成分分析均由SPSS軟件完成。

2 方法與分析

2.1 生長量指標分析

選擇強度是以標準差為單位的選擇差，用于權(quán)衡所選優(yōu)樹在正態(tài)分布中的位置，也是權(quán)衡優(yōu)樹優(yōu)劣的指標，并能用于估價入選優(yōu)樹的力度[16-17]。從表1可看出，預(yù)選樹樹高、胸徑、材積等3個因子在半徑10、15、20 m樣圓內(nèi)選擇強度的變異系數(shù)較小，即較穩(wěn)定。為了比較不同半徑樣圓對預(yù)選樹選擇強度的影響，對樹高、胸徑、材積等3個因子的選擇強度進行方差分析，表2說明3個因子在10～20 m半徑樣圓內(nèi)的選擇強度并無顯著差異。通常統(tǒng)計學(xué)上大樣本是指樣本單元數(shù)不少于50個，其抽查結(jié)果的代表性更強，因此調(diào)查樣圓的大小應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件和工作實際合理選擇，而本研究樣地內(nèi)要達到大樣本數(shù)量，其樣圓半徑一般在15～20 m。

表1 臺灣相思選擇強度及其變異系數(shù)Table 1 The selection intensity and variation coefficient of Acacia confusa

表2 臺灣相思生長量選擇強度的方差分析Table 2 The variance analysis for selection intensity of growth of Acacia confusa

優(yōu)良度是評判所選預(yù)選樹能否入選為優(yōu)樹，并和同類立地條件下與其他優(yōu)樹互相比較優(yōu)劣的數(shù)量或品質(zhì)指標，用百分率表示[16-17]。根據(jù)上述分析，計算15、20 m樣圓內(nèi)預(yù)選樹的優(yōu)良度及變異系數(shù)。從表3可以看出，臺灣相思胸徑、樹高、材積變異系數(shù)都比較小，與表1結(jié)果接近，其優(yōu)良度載荷量主要集中在材積和胸徑兩因子，預(yù)選樹與林分平均木的樹高優(yōu)良度差異較小、與優(yōu)勢木基本持平，這與實地觀察相吻合。

表3 臺灣相思優(yōu)良度及其變異系數(shù)Table 3 The fine degree and variation coefficient of Acacia confusa

2.2 形質(zhì)指標分析

形質(zhì)指標的評價是在對整體林分踏查、實測的基礎(chǔ)上，根據(jù)臺灣相思生長的特點和選育目標，選取樹干枝下高、通直度、尖削度、枝葉濃密度、側(cè)枝粗、冠幅、結(jié)實情況、健康狀況等8個因子進行分析，根據(jù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用主成分分析方法，確定影響臺灣相思形質(zhì)的主要成分。分析碎石圖1可以看出，主成分1、2、3之間的特征值之差比較大，主成分3～7之間的差值相對較小，明顯的拐點為主成分3，結(jié)核表4可知，前3個主成分能解釋原始8個因子62.7%的變異，主成分1中，側(cè)枝粗、冠幅、結(jié)實情況的載荷量最大，分別為0.847、0.620、-0.607；主成分2中，枝下高、通直度、尖削度的載荷量最大，分別為0.680、-0.703、0.688；主成分3中，濃密度的載荷量最大，為-0.769。綜合各因子對各主成分的貢獻量，尖削度、通直度、冠幅、側(cè)枝粗對臺灣相思候選樹和優(yōu)勢木的質(zhì)量性狀有較大的代表性。

表4 臺灣相思主成分分析Table 4 The principal component analysis of Acacia confusa

2.3 綜合評價

圖1 臺灣相思特征值Fig. 1 The characteristic value of Acacia confusa

采用評分法對臺灣相思生長量指標和形質(zhì)指標進行綜合評價。為了避免立地條件對生長量指標的影響，該部分采用優(yōu)良度和評分權(quán)重制定評分標準；形質(zhì)指標根據(jù)主成分分析確定因子權(quán)重制定評分標準，權(quán)重的確定是在林分調(diào)查的基礎(chǔ)上，多人參加討論制定的，評分標準見表5。對兩部分指標得分相加，即可得出綜合評分。

對預(yù)選樹和優(yōu)勢木進行綜合評分，結(jié)果見表6。在確定選優(yōu)最低分數(shù)線時，可采用預(yù)選樹的得分值顯著高于預(yù)選樹平均分數(shù)線的下限作為入選的基本標準。由公式：G=G′-1.64σ/N1/2(可信度95%)。式中G為選優(yōu)最低分數(shù)線，G′為優(yōu)勢木平均值，σ為優(yōu)勢木標準差，N為優(yōu)勢木株數(shù)。計算可得選優(yōu)最低分數(shù)線G=63.1分，比優(yōu)勢木平均分50.9分高出24%，且入選樹生長量指標得分大于19.6分，形質(zhì)指標得分大于31.4分。計算結(jié)果表明，XS-2、XS-3、XS-4、XS-5均可入選，選擇率為0.7%。不能入選的候選樹主要是生長量因子調(diào)查林分中優(yōu)勢不明顯，得分較低。從預(yù)選樹和優(yōu)勢木各指標的得分平均值可以看出，通直度、胸徑、材積擁有較高的遺傳估計值[18]，樹高其次。

3 結(jié)論與討論

確定合理的樣地范圍，可以在保證抽樣數(shù)據(jù)較精準的基礎(chǔ)上提高工作效率。對不同半徑樣圓內(nèi)的選擇強度進行變異系數(shù)計算及方差分析，表明本研究樣圓較合理的調(diào)查半徑在15～20 m，若采用更大半徑進行選優(yōu)，一方面受臺灣相思林分大小限制，同時也會增加工作量，另一方面分析表明，在此范圍內(nèi)預(yù)選樹優(yōu)良度的變異系數(shù)較小，即較穩(wěn)定，這與陳祖松、周建云等人的研究較一致[19-20]。對其它地方的臺灣相思調(diào)查，可根據(jù)立地條件和林分密度等實際情況合理調(diào)整樣地大小。

表5 臺灣相思評分標準Table 5 The grading standard of Acacia confusa

表6 臺灣相思預(yù)選樹和優(yōu)勢木綜合評分Table 6 The comprehensive scores of potential plus-trees and dominant trees of Acacia confusa

優(yōu)良度和主成分分析表明，生長量3個因子中，優(yōu)良度的差異主要體現(xiàn)在胸徑和材積兩因子，在同齡林中，預(yù)選樹樹高與林分均高的差異性較小，與優(yōu)勢木基本持平；尖削度、通直度、冠幅、側(cè)枝粗則對臺灣相思候選樹和優(yōu)勢木的質(zhì)量性狀產(chǎn)生的差異具有較大的貢獻量。因此，在汕頭臺灣相思人工林選優(yōu)時，應(yīng)以胸徑、材積、尖削度、通直度、冠幅、側(cè)枝粗為主要因子。

由于我們的選優(yōu)目標是較高的出材率，因此適當提高形質(zhì)指標權(quán)重。在進行綜合評分時，通過計算預(yù)選樹與平均木標準差的倍數(shù)關(guān)系，以消除因立地條件變化而引起的生長量差異；形質(zhì)指標則根據(jù)主成分分析及在林分調(diào)查的基礎(chǔ)上，多人參加討論制定的。確定選優(yōu)分數(shù)線要顯著高于預(yù)選樹平均分數(shù)線的下限，且入選樹生長量指標得分小計、形質(zhì)指標得分小計均要大于優(yōu)勢木相應(yīng)得分。

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Application of principal component analysis in plus-tree selection criteria and methods of Acacia confusa

X?AO Ze-xin1, PENG Jian-hua1, ZHAN Сhao-an1, LA? Huan-wu1, LUO Сhao1, ZOU Gui-feng1,X?E Shao-hong2
(1.Shantou Forestry Research ?nstitute, Shantou 515041, Guangdong, Сhina;2. Shantou Forestry Bureau, Shantou 515031, Guangdong, Сhina)

Potential plus-trees have been classif i ed in plantation ofAcacia confusain Xihuanshan Forest Park in Сhaoyang district of Shantou city, based on the method of small sample plot. The main 10 factors were determined in the survey including tree height,diameter in breast height, tree crown and so on. The results show that the suitable range of investigation was 15～20 meters, the diameter in breast height, stem volume, tapering, stem straightness, crown width and lateral branches had greater contribution rate to the plustree selection ofAcacia confusethan other factors. The calculated results show that the lowest borderline of plus-trees selection was 63.1 points, of the fi ve per-selected trees, four potential plus-trees were selected as plus-trees, and the selection rate was 0.7%.

Acacia confusa；selection standard；principal component analysis；comprehensive score

S722.5

A

1673-023X (2012)05-0054-05

2012-02-22

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項目(2010KJСX006、2011KJСX005)；廣東省科技計劃項目（2011B060400002）

肖澤鑫(1977-),男,廣東汕頭人,工程師,主要從事森林培育方面的研究；E-mail: st3084@126.com

詹潮安(1956-), 男, 研究員, 國務(wù)院政府特殊津貼獲得者；E-mail: zhca@21cn.com

[本文編校：歐陽欽]