陜西黃陵油松人工林立地類型劃分及評(píng)價(jià)

張春霞，馮自茂，李文鑫，楊培華，安向明，王明杰

(1西北農(nóng)林科技大學(xué) a國(guó)家林業(yè)和草原局油松工程技術(shù)研究中心，b林學(xué)院，陜西 楊凌712100；2延安市橋山國(guó)有林管理局，陜西 黃陵 727300)

立地質(zhì)量是影響林木生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一，評(píng)價(jià)不同立地條件下林木的生長(zhǎng)對(duì)森林經(jīng)營(yíng)和適地適樹造林具有非常重要的意義,根據(jù)不同立地類型條件下林木生長(zhǎng)情況進(jìn)行立地質(zhì)量評(píng)價(jià)是目前廣泛使用的評(píng)價(jià)方法之一[1-4]。不同立地條件下林木生長(zhǎng)差別很大，比如生長(zhǎng)較好地段的20年生油松優(yōu)勢(shì)木樹高可達(dá)8.6 m，而生長(zhǎng)差的只有3 m左右[5]。由于立地類型影響林木的生長(zhǎng)潛力，目前已有關(guān)于重要的林木如柚木、桉樹、油松、樺木、松類等立地指數(shù)表的編制、立地類型和立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究報(bào)道[2-9]。但由于不同地區(qū)存在獨(dú)特的氣候因子、地形因子及其他因素的差異，比如溫度、降水、立地條件等，不同地區(qū)油松立地類型的劃分和立地質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大差異[5,7,10-12]。對(duì)油松主產(chǎn)區(qū)的油松人工林進(jìn)行立地條件評(píng)價(jià)和立地分類，并根據(jù)立地生產(chǎn)力確定不同的育林目標(biāo)和營(yíng)林措施，依此指導(dǎo)荒山造林，是當(dāng)前亟待解決的一個(gè)問題。

油松(Pinustabulaeformis)是黃土高原地區(qū)的主要造林樹種，具有耐干旱、瘠薄，適應(yīng)性和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為黃土高原人工植被的主要組成部分[13-15]。陜西省延安市黃陵地區(qū)是典型的黃土高原地形[16]，油松為黃陵地區(qū)主要的造林樹種[17]。本研究調(diào)查分析了陜西黃陵地區(qū)油松人工林林分的生長(zhǎng)狀況，并對(duì)其立地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為該地區(qū)油松人工林的經(jīng)營(yíng)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市黃陵縣城以西45 km的雙龍林場(chǎng)，地處陜北黃土高原南部(108°45′～109°02′E、35°20′～35°50′N)。該區(qū)有溝壑、梁峁、殘?jiān)忍赜械狞S土地貌，黃土堆積較厚，為典型的黃土高原區(qū)域。該區(qū)海拔900～1 700 m，總體坡度較緩，平均坡度小于25°。年平均氣溫9.3 ℃，極端最高氣溫38 ℃，極端最低氣溫-23.7 ℃。年平均日照時(shí)數(shù)為2 528 h，初霜期多在10月上、中旬，終霜期多在4月下旬[18]。年平均降水量677.4 mm，屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)。土壤屬褐土地帶，多在暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候和森林條件下形成，成土母質(zhì)多為含碳酸鹽的黃土、沙巖和頁巖，土層深厚，一般在0.7～1.0 m，石灰淋溶和淀積作用明顯，黏化作用強(qiáng)烈，pH值7.0～8.0，腐殖質(zhì)層厚8～12 cm，土壤濕潤(rùn)肥沃，有機(jī)質(zhì)含量15.262 g/kg，全氮含量1.06 g/kg，全磷含量1.06 g/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 林地調(diào)查及取樣方法 采取典型樣地調(diào)查方法。2019年5月，在陜西黃陵雙龍林場(chǎng)設(shè)置52個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。樣地設(shè)置的具體原則為：(1)分別在林齡為20，30，40，50年的油松純林中，選取同一起源未進(jìn)行間伐的區(qū)域設(shè)置樣地；(2)由于樣地內(nèi)未進(jìn)行間伐，不同林分疏密度應(yīng)存在一定差異；(3)樣地選擇應(yīng)考慮不同的林齡、生長(zhǎng)情況和立地條件，各種不同的立地類型應(yīng)涵蓋在所選樣地之中；(4)樣地為20 m×20 m，樣地內(nèi)至少有30株以上的油松。

1.2.2 林分因子調(diào)查 調(diào)查并記錄林分種源、起源、造林年度等；對(duì)樣地內(nèi)的每株油松進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定樣地內(nèi)油松的樹高、胸徑、枝下高、南北冠幅和東西冠幅。

1.2.3 環(huán)境因子調(diào)查 調(diào)查和記錄樣地地形環(huán)境因子，根據(jù)樣地所處的山形位置記錄坡位和坡向，采用 Vertex Ⅳ 測(cè)定坡度大小，羅盤儀確定方位角，GPS儀確定樣地的經(jīng)緯度和海拔高度。

1.3 內(nèi)業(yè)處理及數(shù)據(jù)分析

1.3.1 油松生長(zhǎng)指標(biāo)分析 對(duì)不同林齡的油松進(jìn)行樹高、胸徑、單株材積等生長(zhǎng)指標(biāo)分析，根據(jù)每株油松的樹高和胸徑計(jì)算單株材積，計(jì)算公式為V=0.102 5πD2(H+3)[19]，其中V為單株材積，D為胸徑，H為樹高。

1.3.2 因子類目劃分 根據(jù)立地因子的變化幅度及其對(duì)林木生長(zhǎng)發(fā)育的影響程度，并結(jié)合相關(guān)林業(yè)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)坡度、坡位、坡向和海拔等立地因子進(jìn)行分級(jí)處理。由于林齡和林分密度也影響油松生長(zhǎng)，所以對(duì)林齡和林分密度也進(jìn)行了類目劃分，具體因子類目劃分及賦值見表1。

1.3.3 數(shù)量化理論Ⅰ模型建立 利用數(shù)量化理論Ⅰ，將林齡、林分密度、海拔、坡向、坡位、坡度等作為類目，以各因子不同的分類類型(表1)作為對(duì)應(yīng)的類別[20]。用每一類目對(duì)應(yīng)的觀察值為0或者1，建立[0,1]反應(yīng)矩陣表?；?2個(gè)油松樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，以每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)油松的樹高平均值為因變量，林齡、林分密度、海拔、坡向、坡位、坡度等因子為自變量，構(gòu)建數(shù)量化理論Ⅰ模型，并對(duì)油松人工林立地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 立地因子類目劃分及賦值

2 結(jié)果與分析

2.1 黃陵油松人工林油松生長(zhǎng)指標(biāo)分析

由表2可知，20年生油松的平均樹高為6.70 m，平均胸徑為11.47 cm，平均單株材積為0.045 m3；30年生油松樹高、胸徑和單株材積平均值分別較20年生油松增加了3.31 m、3.26 cm和0.065 m3。在林齡30～40年，平均樹高增加了5.46 m，胸徑增加了5.16 cm，單株材積增加了0.140 m3。由此可以看出，在林齡30～40年，油松樹高、胸徑、單株材積較林齡20～30年增加明顯，而在林齡40～50年時(shí)平均樹高增加較小，僅為1.27 m，胸徑增加了3.02 cm，單株材積增加了0.110 m3，說明油松在40～50年林齡段的生長(zhǎng)速度較慢。盡管不同林齡段油松生長(zhǎng)指標(biāo)每10年增加的幅度不同，但是油松樹高、胸徑和單株材積均隨著林齡的增長(zhǎng)而增加。

表2 不同林齡油松平均樹高、胸徑和單株材積

2.2 黃陵油松人工林原始數(shù)據(jù)分類及各因子方差分析

應(yīng)用數(shù)量化理論Ⅰ，根據(jù)52個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地采集的數(shù)據(jù)建立油松平均樹高與林齡、林分密度、海拔、坡度、坡位和坡向之間的關(guān)系模型,并運(yùn)用Forstat軟件對(duì)各立地因子及水平進(jìn)行數(shù)量化綜合系數(shù)檢驗(yàn)和方差分析統(tǒng)計(jì)[20]，結(jié)果見表3和表4。由表3可知，林齡對(duì)油松平均樹高的影響最大，這說明林齡對(duì)油松樹高的生長(zhǎng)起著決定性作用。從表3還可知，模型經(jīng)F檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平(P<0.001)，可在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

2.3 數(shù)量化理論Ⅰ模型的建立

根據(jù)樣地調(diào)查情況，結(jié)合立地因子的類目劃分(表1)，按照數(shù)量化理論Ⅰ模型計(jì)算各類目與油松樹高平均值的回歸系數(shù)及有關(guān)參數(shù)[20],以樹高(Y)為因變量，以林齡(X1)、林分密度(X2)、海拔(X3)、坡向(X4)、坡度(X5)和坡位(X6)為自變量構(gòu)建數(shù)量化理論模型，得到回歸模型為：

Y=2.47+X11+3.81X12+9.83X13+10.39X14+0.53X21+X22+1.66X31+1.97X32+X33+X41+0.98X42+0.90X43+1.21X51+X52+0.066X61+X62+0.11X63。

式中:Y代表樹高平均值;X11、X12、…、X63代表6個(gè)因子劃分的17個(gè)變量，其中X1代表林齡(X11、X12、X13、X14分別代表20，30，40和50年)，X2代表林分密度(X21和X22分別代表低密度和高密度)，X3代表海拔(X31、X32、X33分別代表低海拔、中海拔、高海拔)，X4代表坡向(X41、X42、X43分別代表陽坡、半陰坡、陰坡)，X5代表坡度(X51和X52分別代表緩坡和陡坡)，X6代表坡位(X61、X62、X63分別代表上部、中部、下部)，系數(shù)表示各個(gè)變量的得分值。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.956，達(dá)到極顯著水平，說明油松平均樹高與上述6個(gè)因子高度相關(guān)，所建回歸模型是可靠的。

表3 黃陵油松人工林原始數(shù)據(jù)分類

表4 黃陵油松人工林各立地因子的方差分析

由回歸分析結(jié)果(表5)及表2油松生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果可知，隨著林齡的增加油松樹高呈增加趨勢(shì);根據(jù)得分值可以看出,對(duì)油松生長(zhǎng)影響最大的因子為林齡，林齡與油松平均樹高的相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.001)。立地因子得分排序?yàn)椋汉０?坡向>坡度>林分密度>坡位。將回歸模型的6個(gè)因子(林齡、林分密度、海拔、坡向、坡度、坡位)與油松平均樹高生長(zhǎng)模型進(jìn)行適用性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示6個(gè)因子與樹高平均值有極其緊密的相關(guān)性(P<0.001)，可用該方程來評(píng)價(jià)黃陵地區(qū)油松人工林的立地質(zhì)量。

表5 黃陵油松人工林各因子數(shù)量化回歸分析結(jié)果

2.4 黃陵油松人工林立地因子和樣地的得分值

根據(jù)數(shù)量化理論模型的得分范圍、方差比和偏相關(guān)系數(shù)判斷自變量的影響大小，數(shù)值大的作用程度大。由表5可知，在海拔>900～≤1 100 m時(shí)，隨著海拔的增加得分值增大，而海拔高于1 100 m時(shí)得分值降低，說明油松適宜在中低海拔生長(zhǎng)。林分密度較低時(shí)油松生長(zhǎng)較好，適當(dāng)?shù)氖璺ス芾韺?duì)促進(jìn)油松人工林的生長(zhǎng)很有必要。油松在陰坡和半陰坡的得分值高于陽坡，雖然油松是陽性樹種，但是往往在陰坡的生長(zhǎng)狀況好于陽坡，這可能和陰坡的保水保肥能力高于陽坡有關(guān)。在緩坡的得分值高于陡坡，在下坡位和上坡位的得分值高于中坡位。綜合來看，黃陵地區(qū)油松適宜的生長(zhǎng)環(huán)境為中低海拔、陰坡半陰坡、緩坡、上坡位或者下坡位。根據(jù)海拔、坡向、坡位、坡度等立地因子的得分值，計(jì)算出52個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的得分值見表6。

表6 黃陵地區(qū)油松人工林樣地的得分值

表6(續(xù)) Continued table 6

根據(jù)樣地得分值劃分立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)，將立地因子代數(shù)和的最大值和最小值均分為三等分，根據(jù)需要將樣地分為Ⅰ(優(yōu),得分值≥2.847)、Ⅱ(中，1.423<得分值<2.847)、Ⅲ(差,得分值≤1.423)3個(gè)等級(jí)。表6表明，52個(gè)調(diào)查樣地中有4個(gè)樣地的得分值低于1.423，評(píng)價(jià)結(jié)果為差，其他樣地評(píng)價(jià)為中等或者優(yōu)，即在所調(diào)查的樣地中，有92.3%的立地質(zhì)量為中等或者優(yōu)，說明黃陵地區(qū)油松人工林總體生長(zhǎng)條件良好。

2.5 立地分類結(jié)果與立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)海拔、坡度、坡位、坡向?qū)S陵地區(qū)油松人工林進(jìn)行了立地類型劃分。先依據(jù)海拔高度劃為立地類型區(qū)，再根據(jù)坡度劃分立地類型組，最后依據(jù)坡位和坡向劃分立地類型，結(jié)果見表7。

表7 黃陵地區(qū)油松人工林立地分類與立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

表7(續(xù)) Continued table 7

表7表明，52個(gè)油松人工林樣地可劃分為36種立地類型。利用得分值對(duì)其進(jìn)行立地質(zhì)量評(píng)價(jià)，表7顯示，在所劃分的36種立地類型中，有75%立地類型的立地質(zhì)量處在中等及中等以上水平，且黃陵地區(qū)中低海拔(>900～≤1 100 m)生長(zhǎng)的油松都處于中等以上水平。

3 討論與結(jié)論

海拔、坡向、坡度、坡位、林分密度等對(duì)油松樹高的生長(zhǎng)都有一定的影響[21]。本研究采用數(shù)量化理論分析表明，海拔得分值所占比例最大，說明海拔對(duì)黃陵地區(qū)油松樹高的生長(zhǎng)影響最大，這與段高輝等[7]的研究結(jié)果相一致。根據(jù)數(shù)量化理論Ⅰ模型構(gòu)建了黃陵地區(qū)油松優(yōu)勢(shì)木平均樹高預(yù)測(cè)方程，模型檢驗(yàn)結(jié)果表明該方程可用于黃陵地區(qū)油松人工林的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)，為該林區(qū)油松林的種植、撫育、管理等提供了理論基礎(chǔ)。

立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，黃陵地區(qū)油松人工林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)得分為0～4.27，整體得分值較其他研究[7]偏低。這可能是由于本研究調(diào)查的是不同林齡階段的樣地，林齡顯著影響油松樹高的生長(zhǎng)[22]，導(dǎo)致林齡的得分值最高，其他立地因子的得分值相對(duì)林齡偏低，所以樣地總體得分值較其他根據(jù)同齡林進(jìn)行的數(shù)量化理論分析的得分值偏低。

采用數(shù)量化理論Ⅰ對(duì)黃陵地區(qū)油松人工林52個(gè)樣地的立地質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明有92.3%的油松標(biāo)準(zhǔn)樣地的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)為“中等”或“優(yōu)”，說明黃陵地區(qū)油松人工林整體種植區(qū)域分布比較合理，且生長(zhǎng)情況良好。立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為“差”的有4個(gè)樣地，說明此區(qū)域不適宜栽植油松，可考慮栽植其他更適宜的樹種來提升土地的利用效率。從整體評(píng)價(jià)結(jié)果來看，立地評(píng)價(jià)結(jié)果較好的種植區(qū)域仍有較大的增長(zhǎng)空間，比如林分密度對(duì)油松人工林平均樹高生長(zhǎng)有很大的影響[23]，在林分經(jīng)營(yíng)管理中應(yīng)該考慮以合理的種植密度來提升林分質(zhì)量。數(shù)量化立地質(zhì)量評(píng)價(jià)表可以解決黃陵地區(qū)油松林的統(tǒng)一評(píng)價(jià)問題，為實(shí)現(xiàn)黃陵地區(qū)油松人工林的合理經(jīng)營(yíng)管理提供了一定的理論依據(jù)。

油松生長(zhǎng)的影響因素很多，比如海拔、坡向、坡位、坡度，外界因素還有林分密度、土壤養(yǎng)分狀況等，另外還有降雨、光照等其他氣候因素[21,24-26]。由于本研究立地因子和樣本數(shù)量的限制，后期在研究區(qū)范圍和立地因子方面應(yīng)加大選擇力度，以增強(qiáng)油松人工林立地分類系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和針對(duì)性。選擇合適的立地因子對(duì)立地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)研究非常重要，立地因子不僅要反映林地生產(chǎn)潛力，也要便于獲取、計(jì)算與運(yùn)用。本研究以油松平均樹高作為因變量，以實(shí)際調(diào)查的海拔、坡度、坡向、坡位等因子作為自變量來建立立地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，經(jīng)分析檢驗(yàn)，表明該模型能真實(shí)反映林區(qū)立地的生產(chǎn)潛力。

已有研究表明，松類林木在林分密度適宜的情況下以油松的生長(zhǎng)最好[23,27-28]。本研究結(jié)果也表明，林分密度對(duì)油松樹高生長(zhǎng)有一定的影響，林分密度過大不利于油松的生長(zhǎng)，合理的定植油松苗和疏伐管理能夠促進(jìn)油松的生長(zhǎng)發(fā)育。油松是喜陽樹種，有研究表明，黃龍山林區(qū)陽坡的油松生長(zhǎng)狀況要優(yōu)于陰坡[7]。而本研究和其他一些研究[10,24]均發(fā)現(xiàn)陰坡和半陰坡油松的生長(zhǎng)狀況優(yōu)于陽坡，這可能與不同研究選取的樣地位置不同有關(guān)。黃土高原地區(qū)比較干旱，陰坡土壤的保水保肥能力較強(qiáng)，從而導(dǎo)致陰坡油松的生長(zhǎng)狀況較陽坡好，以后的研究需要綜合考慮地理環(huán)境因子、立地因子、土壤施肥保濕條件、氣候因子等多重因素。本研究數(shù)量化理論分析建模評(píng)價(jià)結(jié)果表明，黃陵地區(qū)油松最適宜在半陰坡、中海拔、下坡位且地勢(shì)較平緩的地方生長(zhǎng)，此研究結(jié)果為黃陵地區(qū)油松人工林的營(yíng)造和管理奠定了理論基礎(chǔ)。