安溪縣福建柏人工林立地質(zhì)量數(shù)量化評(píng)價(jià)*

劉 聘，喬一娜，李靜文，榮俊冬，陳禮光，鄭郁善

(福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002)

立地質(zhì)量是指在某一立地條件上森林植被的生產(chǎn)潛力[1]。立地條件是影響林地質(zhì)量和林木生長(zhǎng)的自然與環(huán)境因子的綜合，包括土壤、地形、氣候以及植被之間的競(jìng)爭(zhēng)等[2]。立地質(zhì)量評(píng)價(jià)則是對(duì)該立地條件下的立地因子進(jìn)行調(diào)查，分析各因子同植被生長(zhǎng)之間的關(guān)系，確定其生產(chǎn)潛力[3]。立地質(zhì)量評(píng)價(jià)是合理造林的基礎(chǔ)及有效措施，正確的評(píng)價(jià)結(jié)果能為當(dāng)?shù)氐脑炝趾瓦m地適樹(shù)提供科學(xué)依據(jù)[4]。

目前對(duì)于有林地立地質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法最常見(jiàn)的是地位指數(shù)法[5-7]，對(duì)于無(wú)林地的評(píng)價(jià)主要是通過(guò)有林地的立地因子來(lái)間接評(píng)估其生產(chǎn)潛力[8]。張伏全等[9]應(yīng)用數(shù)量化理論模型評(píng)價(jià)了滇西南地區(qū)龍竹立地質(zhì)量；陳昌雄等[10]使用數(shù)量化的方法，利用樹(shù)高與林地立地因子建立回歸模型，編制了南平市延平區(qū)天然常綠闊葉林的地位指數(shù)表。近年來(lái)隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者可以通過(guò)土壤圖[11]、DEM[12]與遙感數(shù)據(jù)[13]的獲取來(lái)進(jìn)行立地質(zhì)量評(píng)價(jià)。鞏垠熙等[14]利用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行了落葉松立地質(zhì)量評(píng)價(jià)；張曉麗等[15]通過(guò)遙感數(shù)據(jù)用3S 技術(shù)對(duì)北京地區(qū)進(jìn)行了森林立地分類(lèi)及質(zhì)量評(píng)價(jià)；豐緒霞等[16]利用遙感數(shù)據(jù)，用GIS 技術(shù)對(duì)帽兒山林場(chǎng)進(jìn)行森林立地分類(lèi)及質(zhì)量評(píng)價(jià)。目前對(duì)于福建柏林分的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)研究較少，且大多數(shù)研究是通過(guò)編制立地指數(shù)表進(jìn)行的有林地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)于無(wú)林地的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究十分缺乏。

為進(jìn)一步加強(qiáng)福建柏人工林的科學(xué)造林和合理經(jīng)營(yíng)管理，本研究利用數(shù)量化理論Ⅰ方法建立林分優(yōu)勢(shì)木平均高與立地因子之間的多元回歸方程，根據(jù)篩選出的主導(dǎo)因子劃分立地類(lèi)型，并構(gòu)建數(shù)量化預(yù)測(cè)方程對(duì)福建安溪福建柏人工林的立地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為提高土地利用率和森林生產(chǎn)潛力提供技術(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)有無(wú)林地的統(tǒng)一評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安溪縣位于福建省東南部的泉州市，地處E117°36′～118°17′，N24°50′～25°26′之間，地勢(shì)自西北向東南傾斜，西北部山巒起伏，坡度大，平均海拔在700 m 以上；東南部地勢(shì)平緩，平均海拔在500 m 以下。安溪縣屬南、中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，由于地貌差異造成內(nèi)外安溪?dú)夂蛎黠@不同。東部外安溪屬南亞熱帶，年平均溫度19～21 ℃，年降雨量1 600 mm，夏季長(zhǎng)而炎熱，冬季短而無(wú)嚴(yán)寒；西部?jī)?nèi)安溪屬中南亞熱帶，年平均溫度在16～18 ℃，年降雨量1 800 mm，全年四季分明，夏季不酷熱，秋季冷得較早，春季來(lái)得稍遲。

土壤類(lèi)型主要是紅壤、黃紅壤和黃壤，植物種類(lèi)繁多，人工林樹(shù)種主要有福建柏(Fokienia hodginsii)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)和木荷(Schima superba)等。安溪縣福建柏多見(jiàn)人工林，主要分布于海拔400～800 m 之間，在豐田、半林和竹園等國(guó)有林場(chǎng)分布面積較大。

1.2 樣地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源

采用安溪縣林業(yè)局2017—2018 年二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)材料，小班調(diào)查因子主要包括林分起源、造林年度、郁閉度、經(jīng)營(yíng)密度、小班面積、海拔、坡向、坡位、坡度和土層厚度等。從中篩選出優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為福建柏的人工純林、林齡為6～45 年的小班共75 塊。

1.3 立地因子分級(jí)

立地因子的選定必須對(duì)優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高影響較大，能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)福建柏林分生產(chǎn)力，因此選取6 個(gè)與優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高生長(zhǎng)密切相關(guān)的因子為坡向、坡位、坡度、海拔、土層厚度和腐殖質(zhì)層厚度。其中坡向和坡位為定性指標(biāo)，將其定量化處理后分級(jí)賦值；坡度、海拔、土層厚度和腐殖質(zhì)層厚度等定量指標(biāo)依據(jù)具體值劃分，對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，具體見(jiàn)表1。

表1 立地因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard for site factors

1.4 試驗(yàn)方法

采用數(shù)量化理論Ⅰ預(yù)測(cè)模型(公式1)：

式中，i為標(biāo)準(zhǔn)地號(hào)；j為項(xiàng)目數(shù)；k為各項(xiàng)目的類(lèi)目數(shù)；bjk是第j個(gè)項(xiàng)目第k個(gè)類(lèi)目的得分值；εi為隨機(jī)誤差；yi為第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的優(yōu)勢(shì)木平均高。

引入(0，1)化數(shù)量化函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)定性因子的定量化推斷以及定性與定量因子間的對(duì)比。代入各樣地立地因子得表2。

利用數(shù)量化理論Ⅰ，通過(guò)最小二乘法求出bjk的值，得到預(yù)測(cè)方程(公式2)。

表2 立地因子原始數(shù)據(jù)反映表Tab.2 Raw data of site factors

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)，用Matlab 2016 中的矩陣運(yùn)算函數(shù)計(jì)算得出bjk，運(yùn)用SPSS 20.0 計(jì)算出各因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行顯著性t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)量化理論預(yù)測(cè)方程

依據(jù)數(shù)量化理論得出各樣地優(yōu)勢(shì)木平均高的預(yù)測(cè)方程(公式3)。

該方程是關(guān)于6 個(gè)項(xiàng)目20 個(gè)類(lèi)目的數(shù)量化方程，示性函數(shù)前的系數(shù)表示各類(lèi)目得分值，具體見(jiàn)表3。若已知某一樣地各因子，將對(duì)應(yīng)值代入方程即可預(yù)測(cè)該樣地優(yōu)勢(shì)木平均高。

由表3 可知：X11與X12、X13的得分明顯高于X14；X21與X22和X23相比得分最低；X3中隨著坡度的增加得分值相應(yīng)減少，且X31與X32的得分明顯高于X33與X34；X4中隨著海拔升高得分值依次降低；對(duì)于X5與X6因子，均是隨著厚度的增加，得分有所提高。在6 個(gè)項(xiàng)目因子中，通過(guò)各類(lèi)目得分值可確定出立地因子與林木生長(zhǎng)的關(guān)系，在陰坡、坡度＜15°的下坡位、低海拔、土層厚度＞80 cm 和腐殖質(zhì)厚度＞20 cm 等條件下更有利于福建柏的生長(zhǎng)，得出的結(jié)果與我們實(shí)踐應(yīng)用中的規(guī)律相一致。

2.2 數(shù)量化預(yù)測(cè)方程的檢驗(yàn)

2.2.1 復(fù)相關(guān)系數(shù)及t檢驗(yàn)

運(yùn)用SPSS 計(jì)算得出R復(fù)=0.622，F(xiàn)=7.168，P＜0.001，福建柏優(yōu)勢(shì)木平均高與6 個(gè)立地因子之間存在較高的線(xiàn)性相關(guān)性，說(shuō)明本文選取的6 個(gè)因子在很大程度上影響福建柏的生長(zhǎng)。

2.2.2 偏相關(guān)系數(shù)及其t檢驗(yàn)

如表4 所示：優(yōu)勢(shì)木平均高與坡向、坡度、土層厚度之間顯著相關(guān)，與腐殖質(zhì)層厚度的相關(guān)性較小，與坡位、海拔則不顯著。依據(jù)偏相關(guān)系數(shù)大小得出各因子對(duì)立地質(zhì)量的影響程度排序?yàn)椋浩露龋就翆雍穸龋酒孪颍靖迟|(zhì)厚度＞海拔＞坡位，其中坡度、土層厚度和坡向?qū)α⒌刂笖?shù)的貢獻(xiàn)率達(dá)71.42%，確定其為主導(dǎo)立地因子。

表3 福建柏立地質(zhì)量得分表Tab.3 The score table for site quality of Fujian Cypress

表4 各因子偏相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)Tab.4 Partial correlation coefficient and significance test

2.3 立地類(lèi)型劃分與立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)立地質(zhì)量數(shù)量化得分表中各立地因子的得分值劃分立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)，用各立地因子中最大得分值的代數(shù)和減去最小得分值的代數(shù)和然后進(jìn)行3 等分，根據(jù)需要把立地質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、差4 個(gè)等級(jí)(表5)。

根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)的順序大小，采用坡度、土壤厚度和坡向3 種主導(dǎo)因子對(duì)福建柏人工林類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)。分別采用坡度、土層厚度和坡向來(lái)劃分立地類(lèi)型區(qū)、立地類(lèi)型組及立地類(lèi)型，共劃分為48 個(gè)立地類(lèi)型。所選樣地中共劃分出26 個(gè)立地類(lèi)型，部分立地類(lèi)型無(wú)樣地存在(表6)。

表5 數(shù)量化立地質(zhì)量評(píng)價(jià)表Tab.5 Quantifiable evaluation of site quality

表6 立地類(lèi)型與立地質(zhì)量等級(jí)表Tab.6 Site type and site quality scale

由表6 可以看出：福建安溪地區(qū)整體立地質(zhì)量等級(jí)在中及以上，其中立地質(zhì)量?jī)?yōu)、良的樣地占85%以上，說(shuō)明該地立地條件良好，適宜福建柏人工林生長(zhǎng)。

3 討論

目前有關(guān)立地質(zhì)量數(shù)量化評(píng)價(jià)方法應(yīng)用最廣泛的是數(shù)量化理論Ⅰ模型[17]，其主要原理是建立林木優(yōu)勢(shì)平均高與立地因子的回歸方程，從而預(yù)測(cè)林分生長(zhǎng)。本研究中，選取海拔、坡度、坡向、坡位、土層厚度和腐殖質(zhì)層厚度6 個(gè)立地因子，運(yùn)用數(shù)量化理論Ⅰ，根據(jù)各因子得分值，得出因子影響程度排序?yàn)椋浩露龋就翆雍穸龋酒孪颍靖迟|(zhì)厚度＞海拔＞坡位，因此選擇坡度、土壤厚度和坡向?yàn)橹鲗?dǎo)因子。由于安溪地區(qū)福建柏在坡度分布上具有一定的規(guī)律性，坡度對(duì)于降水的分配作用直接影響土壤入滲水分，因此將坡度作為影響福建柏生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子之一；林木生長(zhǎng)所需要的土壤養(yǎng)分受土壤厚度直接影響，因此土層厚度也成為主導(dǎo)因子之一；不同坡向會(huì)導(dǎo)致不同日照時(shí)間和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，進(jìn)而影響到土壤的水熱狀況，因此坡向也成為其中一個(gè)主導(dǎo)因子。而坡位、海拔的不顯著主要是因?yàn)楦＝ò亓址址植嫉臒o(wú)規(guī)律性。莊晨輝等[18]研究得出地勢(shì)、地形、坡位、土層厚度和腐殖質(zhì)層厚度為影響福建柏林分生長(zhǎng)的主要立地因子；易長(zhǎng)權(quán)等[19]得出了影響湖北省公安縣楊樹(shù)人工林生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子為土壤質(zhì)地、地下水位、排水狀況和夾層；于玉芳等[20]得出影響昌寧縣華山松的主導(dǎo)因子是坡形、土層厚度和海拔。這些結(jié)果與本研究有所差異，可能是由于不同地區(qū)的地貌、環(huán)境差異以及不同的林分經(jīng)營(yíng)密度與模式造成的，采用坡度、土壤厚度和坡向3 個(gè)主導(dǎo)因子將安溪地區(qū)劃分為48 個(gè)立地類(lèi)型和該結(jié)論與郭艷榮等[21]和李艷潔等[22]研究結(jié)果相似。

本研究未考慮氣候和水文等因素的影響，在今后的研究中可探討多因素的交互作用，在運(yùn)用立地因子對(duì)立地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)先采用主成分分析及聚類(lèi)分析篩選出對(duì)林分生長(zhǎng)影響較大的立地因子，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)法、遙感影像結(jié)合BP 網(wǎng)絡(luò)模型等多種不同方法，并結(jié)合地位指數(shù)表，進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)結(jié)果的預(yù)測(cè)精度，以期對(duì)森林立地質(zhì)量進(jìn)行更精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)，為福建省適地適樹(shù)提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)量化模型得出福建柏優(yōu)勢(shì)木平均高的預(yù)測(cè)方程，模型經(jīng)檢驗(yàn)符合要求，可以利用這一模型較好地評(píng)價(jià)福建柏立地質(zhì)量，對(duì)于評(píng)價(jià)林地生產(chǎn)力提供了一種可行方法，為安溪地區(qū)合理造林提供了理論依據(jù)。通過(guò)各個(gè)立地因子得分值的計(jì)算，把48 個(gè)立地類(lèi)型劃分為優(yōu)、良、中、差4 個(gè)等級(jí)，得分在11.549 5～14.634 7 的為優(yōu)，得分在8.464 2～11.549 5 之間的為良，得分在5.378 9～8.464 2 之間的為中，得分值小于5.378 9 的為差。由于部分樣地不存在，根據(jù)實(shí)際情況共得出26 個(gè)立地類(lèi)型，所有樣地的立地質(zhì)量等級(jí)均在中等及以上。在實(shí)際應(yīng)用中，首先調(diào)查某林地的立地因子，再由立地質(zhì)量得分表查出相應(yīng)立地因子得分值，可確定立地等級(jí)，最后代入數(shù)量化理論預(yù)測(cè)方程即可得出優(yōu)勢(shì)木平均高。