湖北省日本落葉松人工林立地分類及質(zhì)量評價

李斌成，許業(yè)洲，袁 慧，侯義梅，李雙龍，宋慧麗，杜超群

（1湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢430075；2長江大學(xué)，湖北荊州434025；3建始縣林業(yè)局，湖北建始445300；4恩施州林業(yè)科學(xué)研究所，湖北恩施445000；5武漢百禾景觀設(shè)計有限責(zé)任公司，武漢430079）

0 引言

立地分類與質(zhì)量評價是根據(jù)植被生長情況及其立地條件等綜合要素的異同，結(jié)合立地因子實際調(diào)查結(jié)果，人為地將立地劃分成不同類別和等級，并在此基礎(chǔ)上建立森林立地質(zhì)量評價體系[1]?？茖W(xué)的立地分類和質(zhì)量評價是林業(yè)科學(xué)基礎(chǔ)理論研究的重點，也是實現(xiàn)森林集約化經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。20世紀50年代，中國在波氏立地條件類型學(xué)說和蘇卡喬夫林型學(xué)說的基礎(chǔ)上逐漸開展國內(nèi)森林立地分類的研究。1978年，由南方14省區(qū)杉木協(xié)作組主持的杉木產(chǎn)區(qū)區(qū)劃及立地質(zhì)量評價研究，對國內(nèi)杉木林區(qū)立地進行了分類規(guī)劃，建立了杉木林區(qū)立地分類系統(tǒng)，為其他林區(qū)樹種立地分類系統(tǒng)的建立提供了借鑒[3-4]。1987年，沈國舫在論述立地分類方法時，強調(diào)對生態(tài)序列法、主導(dǎo)因子法、指示植物種譜應(yīng)用和數(shù)量化分類法等各種立地分類方法的綜合使用，并指出立地的內(nèi)容分析應(yīng)包含生物因子與非生物環(huán)境間的相互關(guān)系[5]。20世紀末，隨著地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的發(fā)展進步，結(jié)合3S技術(shù)對林區(qū)海拔、坡度、坡位等立地因子進行定性分析，能夠得到調(diào)查區(qū)域內(nèi)林地的立地類型圖，對大面積林地的立地分類和質(zhì)量評價做出快速、有效的估測[6-7]。而數(shù)量化分析方法[8-10]作為森林立地研究中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，已廣泛與模糊綜合評價法[11]、主成分分析法[12-13]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[14-15]等結(jié)合使用，均取得了不錯的效果。

日本落葉松作為外來引進樹種，在中國已有近百年的引種歷史，因材質(zhì)優(yōu)良、早期速生等特點，已成為湖北省中高海拔地區(qū)速生豐產(chǎn)林和生態(tài)公益林的主要樹種[16-17]。目前，針對湖北省日本落葉松人工林的研究主要集中在種源研究[18]、撫育間伐[19]以及栽培區(qū)劃等方面，而對日本落葉松立地質(zhì)量與分類的相關(guān)研究主要以鄂西山區(qū)為主，對全省范圍內(nèi)的研究鮮有報道[20]。為更好地指導(dǎo)湖北省日本落葉松人工林營林造林，為日本落葉松定向培育提供理論依據(jù)，本研究以湖北省日本落葉松人工林為對象，在現(xiàn)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用主成分分析法和數(shù)量化理論Ⅰ方法對影響日本落葉松生長的主導(dǎo)因子進行篩選，建立數(shù)量化預(yù)測方程，結(jié)合篩選結(jié)果建立研究區(qū)日本落葉松人工林立地分類系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)量化結(jié)果建立研究區(qū)日本落葉松數(shù)量化立地質(zhì)量評價表。

1 研究區(qū)概況

湖北省位于長江中游，地理位置承東啟西，接南納北，位于 108°21′—116°07′E、29°01′—33°6′N 范圍內(nèi)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，省內(nèi)年均氣溫15～17℃，年平均日照時數(shù)1100～2150 h，年均降水量800～1600 mm。湖北省正處于中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶，東、西、北三面環(huán)山，中間低平，地勢高低相差較大，以山地、丘陵地貌為主。省內(nèi)土壤類型復(fù)雜，有水稻土、潮土、黃棕壤、黃褐土、紅壤、黃壤、石灰（巖）土和紫色土等多種土壤類型。日本落葉松主要分布于海拔1300～2100 m的鄂西亞高山區(qū)，屬內(nèi)陸性冷涼氣候，全年無霜期約160天。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2016年6月—2017年11月的標準地調(diào)查資料，在造林面積大于15 hm2的日本落葉松人工純林中選取具有代表性、生長正常、林相完整的林分設(shè)置面積600 m2(20 m×30 m)的標準地共計80塊。標準地內(nèi)每木檢尺，測量胸徑、樹高、枝下高、冠幅等測樹因子；利用GPS獲取標準地的地理坐標及海拔，用羅盤儀測量坡度、坡向并調(diào)查坡位、土壤類型等環(huán)境因子；在每個樣地內(nèi)開挖寬1 m、深度1 m的土壤剖面，記錄土層厚度以及腐殖層厚度等信息。樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息

2.2 立地因子分類劃級標準的確定

立地類型劃分是對不同立地條件和生產(chǎn)潛力的林地進行科學(xué)的分類，是森林立地質(zhì)量評價的首要條件[21]。立地因子的選擇必須與優(yōu)勢高的生長具有密切的相關(guān)性，才能使森林生產(chǎn)力的預(yù)估和評價客觀、準確[22]。本研究根據(jù)湖北省日本落葉松主產(chǎn)區(qū)的地形特征和研究需要，選擇土層厚度、坡度、坡位、坡向、海拔、腐殖層厚度、地形地貌、石礫含量和土壤質(zhì)地9個因子，對各因子進行分級劃分，劃分標準見表2。

表2 立地因子的類目劃分

2.3 主成分分析

主成分分析是利用降維的思想，在盡量保存主要信息的情況下，把多個指標轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標的多元統(tǒng)計方法，是對影響林分穩(wěn)定性因子的一個有效擇優(yōu)方式[12]。本研究運用Excel軟件對地形環(huán)境因子、土壤環(huán)境因子和測樹因子數(shù)據(jù)進行整理，運用SPSS 17.0軟件對立地因子進行主成分分析，篩選出對日本落葉松生長影響最為顯著的立地因子作為主導(dǎo)立地因子。

2.4 數(shù)量化理論Ⅰ模型

數(shù)量化方法是分析在數(shù)據(jù)中含有定性因子的一類統(tǒng)計方法，通過數(shù)量化方法，把不能用數(shù)值表示的非數(shù)量化因子轉(zhuǎn)化為數(shù)量化因子，從而掌握各因子之間的定量關(guān)系[23]。本研究應(yīng)用數(shù)量化理論Ⅰ，將各樣地內(nèi)優(yōu)勢木平均高值作為因變量，各主要立地因子作為自變量[24]。數(shù)量化理論Ⅰ模型如式(1)。

其中，當(dāng)?shù)趇塊樣地中第j項目的定性數(shù)據(jù)為k類目時δi(j,k)=1，否則δi(j,k)=0。y是自變量，yi是第i塊地的立地指數(shù)（i=1,2,3,…,n為樣地數(shù)）；b0為常數(shù)項；j=1,2,3,…,m為立地因子數(shù)；k=1,2,3,…,ri為第k個水平；δ(j,k)為第j個因子第k個水平的等級反映（0或1）；bjk為j立地因子的第k水平的得分值。

根據(jù)數(shù)量化理論Ⅰ模型，運用最小二乘原理擬合bjk的最小估計值，得到的預(yù)測方程如式(2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 主導(dǎo)立地因子的篩選

運用SPSS 17.0對影響日本落葉松生長的9個立地因子進行因子分析。結(jié)果（表3）表明，前5個默認提取主成分的累積貢獻率所包含的信息占總體信息的84.803%，因而可以選擇前5個主成分進行油松人工林立地質(zhì)量評價。

表3 日本落葉松人工林主成分分析結(jié)果

為突出每個主成分所包含的具體立地因子，對成分矩陣進行旋轉(zhuǎn)，結(jié)果見表4。由旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣可以看出，第1個主成分主要由海拔(0.857)、石礫含量(0.879)和土壤質(zhì)地(0.514)決定，第2個主成分主要由土層厚度(0.931)、腐殖層厚度(0.617)和地形地貌(-0.749)決定，第3個主成分主要由坡位(-0.889)和土壤質(zhì)地(0.694)決定，第4個主成分主要由坡度(0.974)決定，第5個主成分主要由坡向(0.981)決定。每個主成分中選擇所占比最高的立地因子作為影響日本落葉松生長的主導(dǎo)立地因子，第一主成分中海拔和石礫含量所占比例十分接近，由于在實際調(diào)查中，海拔數(shù)據(jù)易于測量且石礫含量的測量誤差較大，因此選擇海拔作為主導(dǎo)因子，影響順序為海拔＞土層厚度＞坡位＞坡度＞坡向。

表4 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

3.2 立地因子分析

根據(jù)表2中的分類劃級標準，在ForStat中利用數(shù)量化理論Ⅰ，建立日本落葉松優(yōu)勢木平均高與各立地因子間的關(guān)系模型，結(jié)果見表5～6。由表可以看出，模型的F檢驗達到極顯著水平(P＜0.01)，能夠用于實際生產(chǎn)。依據(jù)P＞F值，結(jié)合各因子平方和，各立地因子對于基準變量的貢獻率由大到小依次為坡度(X1)＞土層厚度(X2)＞海拔(X3)＞坡位(X4)＞坡向(X5)。

表5 湖北省杉木人工林原始數(shù)據(jù)分類表

表6 湖北省杉木人工林各因子方差分析表

3.3 數(shù)量化理論預(yù)測方程

利用預(yù)測方程[式(2)]計算出各因子的待定系數(shù)值，將系數(shù)帶入方程中得到各標準地優(yōu)勢木平均高的預(yù)測方程，如式(3)。

將各因子得分值進行整理可得到數(shù)量化立地質(zhì)量得分表（表7），經(jīng)計算，模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.7362。由表可知，隨著土層厚度的增加，相應(yīng)的類目得分值逐漸增大(X23＞X22＞X21)，并且可以看出，中坡度、厚土層、中海拔、陽坡、中坡位立地條件更有利于日本落葉松的生長。

表7 數(shù)量化立地質(zhì)量得分

3.4 立地類型劃分

根據(jù)篩選出的主導(dǎo)立地因子，參考分區(qū)分類原則，采用立地區(qū)劃單位和分類單位相統(tǒng)一的分類系統(tǒng)來進行研究區(qū)的立地類型劃分。考慮到坡位與海拔、土層厚度之間有很強的一致性，海拔和土層厚度包含了坡位的大部分影響，并且結(jié)合主成分分析中各成分因子的貢獻率，坡向因子的貢獻率較小(8.849%＜10%)，本著簡單實用的原則，選擇坡度、土層厚度和海拔3個立地因子對日本落葉松人工林立地類型進行劃分。采用海拔因子劃分立地類型區(qū)、坡度因子劃分立地類型組、土層厚度劃分立地類型，除去樣地中未收集到的立地類型，共劃分為16類，具體見表8。

3.5 立地質(zhì)量評價時

根據(jù)湖北省日本落葉松有林地制定的立地質(zhì)量得分表對日本落葉松立地質(zhì)量進行評價，能夠?qū)ζ渌哂邢嗨屏⒌仡愋偷牧值剡M行生產(chǎn)力預(yù)估。將各類目的得分值極差和優(yōu)、良、中、差4個立地等級進行3等分，計算結(jié)果表明，立地質(zhì)量得分值y≥20.422299的標準地立地質(zhì)量為優(yōu)，17.243092≤y≤20.422299的標準地立地質(zhì)量為良，14.063885≤y≤17.243092的標準地立地質(zhì)量為中，y≤14.063885的標準地立地質(zhì)量為差。對16種立地類型進行立地質(zhì)量評價的結(jié)果見表8，80塊標準地中有17塊標準地立地質(zhì)量評價結(jié)果為優(yōu)，占總標準地的21.25%；40塊標準地立地質(zhì)量評價結(jié)果為良，占總標準地的50.00%；15塊標準地立地質(zhì)量評價結(jié)果為中，占總標準地的18.75%；8塊標準地立地質(zhì)量評價結(jié)果為差，占總標準地的10.00%。湖北省日本落葉松人工林立地質(zhì)量總體處于中等偏上水平，較適合落葉松的生長。

表8 立地類型劃分結(jié)果

4 結(jié)論與討論

利用主成分分析法對影響湖北省日本落葉松人工林生長的主導(dǎo)立地因子進行篩選，結(jié)果表明，海拔、土層厚度、坡位、坡度、坡向5個因子所包含的信息占總體的84.803%，能夠作為影響日本落葉松生長的主導(dǎo)立地因子。因子分析的結(jié)果表明，模型的F檢驗達到極顯著水平(P＜0.01)，能夠用于實際生產(chǎn)。利用數(shù)量化理論Ⅰ模型建立優(yōu)勢高與立地因子之間的多元線性回歸，根據(jù)回歸結(jié)果，結(jié)合因子貢獻率，本著簡單實用的原則，選擇海拔、坡位和土層厚度3個因子將研究區(qū)劃分為3個立地類型區(qū)、3個立地類型組和17個立地類型區(qū)。

立地質(zhì)量評價結(jié)果顯示，研究區(qū)日本落葉松人工林立地質(zhì)量評價得分介于14.063884～23.601506之間，根據(jù)各標準地立地質(zhì)量得分值，將研究區(qū)立地質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、中、差4個等級。研究區(qū)立地質(zhì)量在中等偏上水平的標準地占90.00%，表明研究區(qū)立地質(zhì)量總體處于中等偏上水平，這與孫擁康[15]對于鄂西山區(qū)日本落葉松的立地質(zhì)量評價結(jié)果一致。日本落葉松人工林種植區(qū)域在湖北省分布較為合理，研究區(qū)適合日本落葉松生長。

地形和土壤因子是影響立地質(zhì)量的重要因子，能夠直接影響與植物生長息息相關(guān)的光照強度、土壤水分以及土壤養(yǎng)分。本研究中，對日本落葉松人工林生長產(chǎn)生主要影響的因子為坡度、土層厚度和海拔，這與李忠國[23]得出海拔、坡度和土層厚度是影響北亞熱帶中山區(qū)日本落葉松主導(dǎo)因子的結(jié)論一致。

近年來，國內(nèi)多地松樹陸續(xù)感染松材線蟲病，致使松樹大面積枯死，對松樹經(jīng)營和生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響，造成了巨大的經(jīng)濟損失。日本落葉松作為湖北省中高海拔地區(qū)速生豐產(chǎn)林和生態(tài)公益林的主要樹種，于2018年開始爆發(fā)松材線蟲病，對恩施州多個林區(qū)的日本落葉松已經(jīng)產(chǎn)生影響。因此，降低并防治松材線蟲病對松樹影響尤為緊迫。馬菁[25]研究發(fā)現(xiàn)，松材線蟲病的發(fā)生與松樹生長所處的海拔、立地質(zhì)量、坡向、坡位、樹高、胸徑6個生態(tài)因子相關(guān)性較高，指出樹高、胸徑小、海拔低、立地質(zhì)量差、陽坡和上坡位的植株受害率要高。因此，結(jié)合日本落葉松人工林立地分類和立地質(zhì)量評價結(jié)果，培育受病率低且生產(chǎn)力高的日本落葉松人工林是進一步研究的重點。