海岸沙地木麻黃林立地質(zhì)量評價及類型劃分

林文泉，高 偉，葉功富，尤龍輝，聶 森，劉 海

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；3.福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建 福州 350003）

森林具有涵養(yǎng)水源、保育土壤、凈化空氣和維護生物多樣性等生態(tài)功能[1-3]，因此，森林的林分質(zhì)量直接關(guān)乎其生態(tài)效益。根據(jù)第八次全國森林資源清查結(jié)果報告，我國森林蓄積量僅占林業(yè)發(fā)達國家的1/3，森林年均生長量僅占林業(yè)發(fā)達國家的1/2，此外，我國人工林蓄積量僅占天然林的半數(shù)，主要人工林樹種杉木、馬尾松和落葉松等蓄積量均達不到國內(nèi)蓄積量的平均水平。雖然我國人工林面積居世界第一，但質(zhì)量卻不高，普遍存在林分矮小、林分結(jié)構(gòu)不合理以及病蟲害嚴重等問題[4-6]。因此，如何通過森林科學(xué)經(jīng)營，構(gòu)建健康穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)高效的森林生態(tài)系統(tǒng)，提高林分的綜合質(zhì)量，充分發(fā)揮森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體作用，是當前林業(yè)工作者面臨的重要任務(wù)。

立地條件作為保障森林活力與穩(wěn)定性的重要因子，是影響林分質(zhì)量的關(guān)鍵，也是適地適樹、科學(xué)營林的重要前提。立地質(zhì)量的不同會導(dǎo)致森林質(zhì)量的優(yōu)劣，進而影響森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮。不同的地理區(qū)位與造林地，立地條件存在較大的異質(zhì)性，這些立地條件在不同尺度上的差異，會影響造林樹種的布局、造林地選擇和同一樹種的生產(chǎn)力。立地分類與質(zhì)量評價是合理利用土地、充分發(fā)揮土地生產(chǎn)潛能的重要基礎(chǔ)[7-9]。通過立地類型劃分和立地質(zhì)量評價，使造林地落實到樹種、品種的適應(yīng)性與立地條件相匹配，即適地適樹適品種，從而提高人工林的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力。

木麻黃Casuarina equisetifolia原產(chǎn)于澳大利亞、東南亞和太平洋島嶼，具有抗逆性強、防護效能高等特點，被廣泛用于防風固沙、鹽堿地改良和干旱區(qū)造林。我國從20世紀50年代開始引種木麻黃用于營造沿海防護林[10-12]，木麻黃現(xiàn)已成為中國東南沿海防護林的當家樹種，在改善沿海生態(tài)環(huán)境、防風固沙和水土保持等方面發(fā)揮了重要作用[13-14]。研究表明，在福建省木麻黃林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中，其生態(tài)價值占99%以上[1]，可見木麻黃的生態(tài)服務(wù)功能極為重要。但在沿海地區(qū)，不同立地條件下木麻黃人工林生長差異較大，防護效益不一，因此對沿海木麻黃主要分布區(qū)的立地狀況進行科學(xué)評定，建立立地質(zhì)量精準評價體系，篩選影響木麻黃森林經(jīng)營的關(guān)鍵立地因子，是建立木麻黃人工林立地精細化造林技術(shù)體系的先決條件。在已有研究中，已有較多針對不同立地木麻黃造林效果的評價[15-18]，但往往由于樣地數(shù)量不足或立地因子不全等問題，使試驗結(jié)果難以從區(qū)域尺度上對立地因子進行劃分。廖曉麗等[19-20]利用3S 技術(shù)對縣域范圍木麻黃的適生立地進行了分類，但研究中忽略了風向和土壤養(yǎng)分等重要因子，海岸帶土壤貧瘠，受臺風干擾頻繁，風向和土壤養(yǎng)分應(yīng)是限制木麻黃生長的主要因素。基于此，本研究綜合了坡度、坡向、海拔、風向、土壤養(yǎng)分和土壤厚度等重要立地因子，結(jié)合數(shù)量化理論Ⅰ，對福建省平潭島木麻黃林立地質(zhì)量進行了綜合評價，以期完善海岸帶木麻黃林立地質(zhì)量的精準評價技術(shù)，為福建沿海木麻黃人工林質(zhì)量精準提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于平潭綜合實驗區(qū)，地理位置為119°32′～120°10′E，25°16′～25°44′N，屬亞熱帶海洋性季風氣候，雨熱同季，旱、雨季節(jié)分明，7—9月高溫干旱。年均降水量1 196.2 mm，年均氣溫19.5℃，最冷日平均氣溫10.2℃，最熱日平均氣溫27.9℃。平潭陸地面積392 km2，境內(nèi)地勢低平，中部略高，地形以海積平原為主。平潭島是福建省強風區(qū)之一，灣海地區(qū)全年大風7 級以上天數(shù)為125 d，季風明顯，夏季以偏南風為主，其余季節(jié)多為東北風，風力年平均風速6.9 m/s。所調(diào)查的木麻黃林地均位于濱海沙地，pH 值為6.22～7.07，土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，透水透氣性強，持水保肥能力低，有機質(zhì)含量較低，養(yǎng)分貧乏。林地表層腐殖質(zhì)層較薄，雜草灌叢少，林分結(jié)構(gòu)較為單一。

1.2 外業(yè)調(diào)查與室內(nèi)分析

依據(jù)木麻黃的成熟期[20-22]，從2016年平潭小班數(shù)據(jù)庫中篩選郁閉度0.6～0.8、林齡18～30 a 的成熟木麻黃純林小班，依據(jù)地理專題圖，兼顧不同坡度、坡向、海拔、風向和土壤厚度選取小班51 塊（圖1）。2018年12月—2019年4月在每個小班中選取1 塊長勢均勻且代表性強的面積為20 m×20 m 的樣地（距離小班邊緣20 m 以上，受外界干擾?。{(diào)查坡度、坡向、海拔、風向和土壤厚度等環(huán)境因子，并測量樣地內(nèi)樹高與胸徑。在樣地對角線的兩端和中點采集表層土壤（0～30 cm）帶回實驗室，經(jīng)過自然風干后，剔除根系、枯葉及石塊，用“四分法”取部分土樣，分別研磨過100 目和60 目篩，用于測定土壤全碳等全效養(yǎng)分和土壤有效磷、速效鉀。

土壤全碳和全氮用碳氮元素分析儀（Vario ELⅢ,Germany）進行測定；土壤磷、鉀、鈉、鎂、鈣、銅、鐵、鋅、錳和鋁等全效養(yǎng)分在消煮后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES,America）進行測定；土壤有效磷采用氟化銨-鹽酸浸提，用連續(xù)流動分析儀（Skalar San+,Netherlands）進行測定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提，用原子吸收分光光度計（TAS-990,China）進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

用Excel 2003 軟件進行前期的數(shù)據(jù)處理；用SPSS 20.0 軟件進行調(diào)查數(shù)據(jù)（優(yōu)勢木高和胸徑、樣地平均木高）與土壤各養(yǎng)分指標之間的相關(guān)性分析；根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，選取顯著相關(guān)土壤養(yǎng)分指標進行主成分分析，將各因子的成分矩陣在Excel 2003 軟件中進行權(quán)重換算，因子權(quán)重乘以對應(yīng)的因子含量得到每個樣地的最終得分；在SPSS 20.0 軟件中采用最短距離法對51 塊樣地土壤的養(yǎng)分得分進行聚類分析。

采用數(shù)量化理論Ⅰ方法對木麻黃林立地質(zhì)量進行評價[23-25]，數(shù)量化理論Ⅰ方法主要是通過引入示性函數(shù)（0,1）使定性因子定量化后建立數(shù)學(xué)回歸模型，確定各個變量對基準變量的貢獻度，從而發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律。因子數(shù)量化過程為：

1.4 因子的選擇與劃分

坡度通過水肥含量的再分配進而影響林木生長，坡度劃分參考《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》和相關(guān)文獻進行劃分[20,23]。不同坡向的溫度、降水量等差異明顯，進而影響林木生長，坡向的劃分劃分為陽坡和陰坡[20,26]。不同海拔反映了立地條件在垂直方向的變化，不同海拔梯度上，林木生長差異明顯；海拔劃分參考《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》并結(jié)合平潭實際的地勢特征。平潭是福建省的強風多風區(qū)，是木麻黃生長重要的自然干擾因子；風向劃分結(jié)合《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》與平潭2016年沿?；闪址植紙D。土壤厚度直接關(guān)系著土壤養(yǎng)分庫的容量大小，是影響林木生長的重要因素之一；土壤厚度劃分參考《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》，具體見表1。

表1 各項目的劃分標準Table 1 Standards for division of every items

2 土壤養(yǎng)分分析與評價

2.1 土壤養(yǎng)分指標的選擇

海岸沙地木麻黃林的生長主要受磷元素的限制[27-30]，相關(guān)性分析結(jié)果表明樣地平均木高與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。將測得的14個土壤養(yǎng)分指標進行相關(guān)性分析，其中全碳、全氮、速效鉀、全磷、全鎂、全銅、全鐵、全鋁和全錳與有效磷顯著相關(guān)（表2）。全碳、全氮、全磷、全銅與有效磷呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），速效鉀、全鐵和全錳與有效磷呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），全鎂和全鋁與有效磷呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）。選取有效磷及其相關(guān)的9個指標進行土壤養(yǎng)分評價。

表2 土壤主要養(yǎng)分指標間的相關(guān)性分析?Table 2 Correlation analysis of main nutrient indexes in soil

2.2 土壤養(yǎng)分的綜合評價

經(jīng)KMO 和Bartlett 檢驗，KMO 值為0.72（P＜0.01），表明10 個養(yǎng)分指標數(shù)據(jù)適合做主成分分析。將土壤有效磷及與其顯著相關(guān)的9 個養(yǎng)分指標進行主成分分析，結(jié)果如表3所示。前3 個特征值＞1 的主成分貢獻率分別為42.29%、26.1%和13.67%，累計貢獻率為82.06%，說明前3 個主成分可解釋數(shù)據(jù)82.06%的信息量。根據(jù)成分矩陣（表4），可知第1 主成分主要受有效磷、全碳、全氮和全磷的影響，第2 主成分主要受全鎂和全鋁的影響，第3 主成分主要受速效鉀的影響。依據(jù)成分矩陣換算各樣地的得分，對各樣地得分進行聚類分析，根據(jù)聚類分析結(jié)果將51 塊樣地的土壤劃分為4 個等級（表5）。樣地土壤養(yǎng)分以低養(yǎng)分為主，占54.9%；其次是貧養(yǎng)分、中養(yǎng)分和高養(yǎng)分，說明平潭木麻黃林地土壤大多相對貧瘠。

表3 主成分特征值及累計貢獻Table 3 Eigenvalues and variance contribution rates of the principal component analysis

表4 養(yǎng)分指標成分矩陣Table 4 Component matrix of the nutrient index

表5 土壤養(yǎng)分分級Table 5 Classification of soil nutrients

3 立地質(zhì)量評價

3.1 模型建立與數(shù)量化得分表編制

結(jié)合類目劃分標準（表1），根據(jù)51 塊樣地實際調(diào)查數(shù)據(jù)列出[0,1]反應(yīng)表，以木麻黃優(yōu)勢木平均樹高為因變量，各項目為自變量分別進行數(shù)量化理論Ⅰ分析，獲得各個因子對樹高的貢獻度。坡向與優(yōu)勢木高未達到顯著水平，故剔除，其余5 個因子對樹高的貢獻度大小依次為坡度C1（0.460 2）＞風向C2（0.409 3）＞土壤養(yǎng)分C3（0.292 1）＞海拔C4（0.286 1）＞土壤厚度C5（0.285 6），其中坡度和風向與優(yōu)勢木高偏相關(guān)系數(shù)達極顯著水平（P＜0.01），海拔、土壤厚度和土壤養(yǎng)分皆達到顯著水平（P＜0.05）。再以木麻黃林優(yōu)勢木平均樹高為因變量y，以坡度、土壤養(yǎng)分、風向、海拔和土壤厚度5 個因子作為自變量，應(yīng)用數(shù)量化理論Ⅰ方法進行分析，根據(jù)各因子貢獻度大小依次剔除最小值，分別建立5 個影響優(yōu)勢木平均樹高的多元線性模型，具體為：

依據(jù)計算結(jié)果編制數(shù)量化得分表（表6）。從表6中可知，隨著立地因子數(shù)量的增多，復(fù)相關(guān)系數(shù)從0.555 4增加到0.761 1，說明相關(guān)程度不斷增加，應(yīng)用5個立地因子能更加準確科學(xué)地評價立地質(zhì)量。經(jīng)方差齊性檢驗（F檢驗），5 個方程均達到極顯著水平，說明對立地質(zhì)量的預(yù)測具有較好的效果。

表6 數(shù)量化得分表?Table 6 Quantified scores

3.2 立地條件等級劃分與評價

根據(jù)數(shù)量化得分表（表6），計算編制木麻黃立地質(zhì)量數(shù)量化評價表（表7），該表的編制是基于將得分表每列項目數(shù)得分值的極差5 等分，依據(jù)從小到大組合為5 個數(shù)值范圍，即5 個等級：Ⅰ級（最適宜）、Ⅱ級（較適宜）、Ⅲ級（適宜）、Ⅳ級（勉強適宜）、Ⅴ級（不適宜）。將每個樣地的相關(guān)因子轉(zhuǎn)化為對應(yīng)類目代入表6進行得分換算，依據(jù)表7對每個樣地得分進行分級并匯總（表8），51 塊樣地中Ⅱ級（較適宜）占比最大，為43.1%，其次為Ⅳ級（勉強適宜）、Ⅲ級（適宜）、Ⅴ級（不適宜）和Ⅰ級（最適宜），適宜、較適宜和最適宜等級總占比達66.7%，說明所選樣地整體較適合木麻黃生長。

表7 木麻黃立地質(zhì)量數(shù)量化評價Table 7 Quantified evaluation for site quality of C.equisetifolia plantation

表8 各樣地立地等級劃分Table 8 Grading of various sites

4 討 論

坡度是影響林木生長的首要因子，坡度越大，土壤養(yǎng)分越容易流失[31-33]。海岸沙地土壤較為貧瘠且保肥能力低，對木麻黃生長起關(guān)鍵作用的土壤有效磷等養(yǎng)分元素淋溶和流失嚴重，導(dǎo)致坡度較大立地上的木麻黃生長受到嚴重的養(yǎng)分限制。本研究中，Ⅰ級（最適宜）與Ⅱ級（較適宜）皆處于平坡或緩坡，且平坡與緩坡兩者得分相差甚微，而Ⅴ級（不適宜）皆位于斜坡，可見，木麻黃在＜15°坡度上生長較為合適。頻繁的風干擾會限制植物的光合作用，從而使植物普遍矮化[34-35]。在亞熱帶沿海地區(qū)，風是影響海岸帶木麻黃林生長的重要干擾因子，導(dǎo)致迎風向的木麻黃樹冠普遍向背風面彎曲，外形呈“旗形樹”。本研究中，Ⅰ級（最適宜）樣地皆位于背風向，Ⅱ級（較適宜）樣地大多也處于背風向，而Ⅲ級（適宜）、Ⅳ級（勉強適宜）是大多處于迎風向，Ⅴ級（不適宜）則全部位于迎風向。雖然木麻黃在背風向生長較為良好，但木麻黃主要用于沿?；闪謳г炝?，以發(fā)揮其防風固沙作用[1,13-14,36]，如何保證前沿基干林帶木麻黃林的長勢，除風向外，還需要對其他關(guān)鍵因子進行研究。本研究表明，海拔高度影響了海岸帶木麻黃的生長，丘陵（10～100 m）的得分最高，Ⅰ級（最適宜）與Ⅱ級（較適宜）的木麻黃樣地大多位于丘陵區(qū)。木麻黃在不同海拔上的長勢符合“中間高度膨脹理論”，即植物多樣性及生物量皆在中海拔達到峰值，與浙江省大鹿島木麻黃的平均生命期望值趨勢相同，同為中間海拔最高，低海拔和高海拔較低[37-40]。海拔越高，氣溫越低，蒸發(fā)量減小，濕度增大，木麻黃在中海拔區(qū)長勢最好，可能與此海拔中相對適宜的濕度、溫度有關(guān)。

坡向通過對水熱條件的再分配進而影響植物生長。在本研究中，坡向與木麻黃生長無顯著相關(guān)性，可能與平潭島氣候條件有關(guān)，研究區(qū)頻繁的強風干擾會影響木麻黃林內(nèi)溫度與濕度[35]，從而極大程度地影響了水熱分配，這可能弱化了坡向?qū)δ韭辄S生長的影響。除坡度與風向之外，土壤養(yǎng)分對木麻黃生長也有顯著的影響，土壤綜合評價顯示平潭島海岸沙地土壤以低貧養(yǎng)分為主，相關(guān)性分析表明林木樹高與土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān)?？梢姡行Я诪橄拗颇韭辄S生長的主要元素，在木麻黃防護林的撫育中應(yīng)注意磷肥的補充。一般來說，土壤越厚則表示土壤養(yǎng)分庫容量越大。本研究中，土壤厚度與優(yōu)勢木樹高呈顯著正相關(guān)，Ⅰ級（最適宜）樣地皆位于中厚土層，但在5 個因子分析中，中厚土層得分無差異，而薄土層得分最高。分析其原因，首先可能與濱海沙地土壤特性有關(guān)，濱海沙地土壤持水保肥性能差，且淋溶強烈，除表層腐殖質(zhì)層有明顯養(yǎng)分富集外，底層土壤養(yǎng)分貧瘠，且在垂直分布上變異較小，沙地土壤有機碳、全氮等主要養(yǎng)分主要集中在土壤表層，隨著土壤深度的增加而急劇減少，土層60 cm 以下甚至只有痕量水平，由此導(dǎo)致中厚土層的養(yǎng)分庫容沒有顯著高于薄土層[41-42]；其次，在沿海強風環(huán)境中，風向和坡度等是影響木麻黃生長的主要因子，因此在綜合分析當中，土壤厚度對于木麻黃生長的貢獻小于其他因子，但仍然是影響木麻黃生長的重要因子。

通過對51 塊木麻黃純林樣地生長情況及相關(guān)因子的調(diào)查，采用主成分分析和聚類分析方法進行土壤養(yǎng)分分級，結(jié)合數(shù)量化理論Ⅰ方法對木麻黃林立地條件進行評價，將簡單的定性評價量化，可更有效、更精確地評價木麻黃林地質(zhì)量。本研究中，平潭木麻黃林地中Ⅱ級（較適宜）占比最大，為43.1%，適宜、較適宜和最適宜等級總占比為66.7%，說明海岸沙地較適合木麻黃生長。但仍有1/3 樣地是勉強適宜或不適宜木麻黃生長的，為了確保木麻黃人工林良好生長和維持林地土壤肥力，必須采取綜合技術(shù)措施，包括林下套種綠肥植物，植穴內(nèi)客土施肥，保護林下植被和凋落物等，以改善林地水肥條件和維持林地的持續(xù)利用。平潭Ⅰ、Ⅱ級立地多處于背風面，土壤肥力條件較好，盡量選用速生的木麻黃無性系，多品種配置，避免人工林結(jié)構(gòu)的單一性，保留林下植被，增加生物多樣性。Ⅲ級立地影響木麻黃生長的因子主要是大風和部分貧瘠土壤，從提高林地肥力和改善生態(tài)條件出發(fā)，有必要營造混交林，以改良土壤理化性質(zhì)和提高造林成效；純林則要注意施用磷肥等，加強林分養(yǎng)分管理。Ⅳ級立地應(yīng)選用抗性強的木麻黃無性系，并輔以澆灌補水等工程措施和混用客土等營林措施，有利于改善林地營養(yǎng)條件和水分狀況，促進林木更好地生長發(fā)育，提高人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力。

5 結(jié) 論

1）木麻黃作為沿海防護林的重要組成部分，適宜栽植在坡度＜15°、海拔高度10～100 m 的立地之中。

2）坡度是影響平潭島海岸帶木麻黃生長的首要因子，其次為風向、土壤養(yǎng)分、海拔和土壤厚度。

3）平潭島海岸沙地土壤養(yǎng)分較為貧瘠，以低、貧養(yǎng)分為主，沿海沙地木麻黃林的生長主要受磷限制。