山蒼子林分和環(huán)境因子與其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)特征

，， ，，，，，，

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；3.福建清流國(guó)有林場(chǎng)，福建 三明 365300）

山蒼子Litsea cubeba系樟科木姜子屬，是我國(guó)重要的香料樹種之一，山蒼子果實(shí)富含天然檸檬醛，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和醫(yī)用價(jià)值[1-4]。在我國(guó)，山蒼子分布廣泛，其產(chǎn)量、果實(shí)精油含量以及精油中檸檬醛含量均受生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀況的影響。田勝平等[5]研究了年均降雨量和年均溫度對(duì)山蒼子果實(shí)精油含量和精油中檸檬醛含量的影響；李紅盛等[6]研究了山蒼子果實(shí)精油含量和精油中檸檬醛含量與林分生長(zhǎng)性狀之間的關(guān)系；谷戰(zhàn)英等[7]研究了不同海拔分布區(qū)山蒼子生長(zhǎng)性狀和經(jīng)濟(jì)性狀的差異性。環(huán)境因子和林分因子對(duì)山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的共同影響，成為了山蒼子林永續(xù)利用和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)研究的重點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)方程模型可用于分析潛變量和顯變量之間的關(guān)系。應(yīng)用該模型可以同時(shí)分析多個(gè)變量對(duì)總體的作用和變量之間的相互關(guān)系，而且能夠?qū)ζ渥饔眠M(jìn)行全面評(píng)估[8-11]。目前，結(jié)構(gòu)方程已被用于解析林分生長(zhǎng)環(huán)境和林分結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)系。李慧等[12]利用結(jié)構(gòu)方程模型探討了旱田有機(jī)碳平衡關(guān)系的各潛變量和可測(cè)變量的相互關(guān)系；毛鑫等[13]運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型對(duì)油菜性狀和產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；王樹力等[14]基于結(jié)構(gòu)方程模型分析了次生林的立地條件、林分結(jié)構(gòu)、樹木多樣性與林分生長(zhǎng)之間的耦合關(guān)系；白江迪等[15]運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型分析了森林生態(tài)安全的影響因素；Brahim 等[16]應(yīng)用結(jié)構(gòu)方程模型對(duì)半干旱的地中海地區(qū)土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了研究。而該模型在山蒼子相關(guān)研究中的應(yīng)用鮮見報(bào)道。本研究中以福建清流、湖北太子山、浙江富陽(yáng)三地的山蒼子林為研究對(duì)象，在分析山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與林分和環(huán)境因子差異性和相關(guān)性的基礎(chǔ)上，建立結(jié)構(gòu)方程模型，探討山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與林分和環(huán)境因子之間的關(guān)系，以期為山蒼子林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地分別位于福建清流國(guó)有林場(chǎng)、湖北京山太子山林場(chǎng)、浙江杭州富陽(yáng)山蒼子家系試驗(yàn)林地，研究區(qū)概況見表1。

表1 研究區(qū)概況Table 1 Study site overview

1.2 試驗(yàn)材料

研究區(qū)內(nèi)山蒼子林齡均為5 a，株行距為3 m×3 m。清流樣地參試山蒼子分別來(lái)源于貴州、廣西、安徽、福建、湖南、浙江；太子山樣地參試山蒼子分別來(lái)源于貴州、廣西、安徽、福建、浙江；富陽(yáng)樣地參試山蒼子分別來(lái)源于貴州、廣西、江西、安徽、湖南、福建、浙江。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 林分和環(huán)境因子的測(cè)定和選擇

在每塊樣地隨機(jī)取樣，清流、太子山、富陽(yáng)樣地分別選取樣樹31、53、46 株。使用塔尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)定樹高、枝下高、樹冠高、胸徑、冠幅。山蒼子單株產(chǎn)量是其經(jīng)濟(jì)性狀的最直觀指標(biāo)，通過(guò)回歸分析，選擇對(duì)山蒼子產(chǎn)量影響較大的林分因子作為研究指標(biāo)。

采用GPS 獲取樣地地理坐標(biāo)及海拔，氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，包括溫度、降水量、日照（表1）。

1.3.2 山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的測(cè)定

利用標(biāo)準(zhǔn)枝收獲法計(jì)算山蒼子果實(shí)的產(chǎn)量。在每塊樣地內(nèi)，沿S 形選取5 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)附近選取3 株，每株隨機(jī)選取3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝進(jìn)行測(cè)定，取算術(shù)平均值為單株產(chǎn)量（M）。

式中：B為標(biāo)準(zhǔn)枝產(chǎn)量，n為結(jié)果枝數(shù)。

采用濃度法計(jì)算果實(shí)精油含量。將采集的果實(shí)用冰袋帶回實(shí)驗(yàn)室后，采用水蒸氣蒸餾法提取精油，將蒸餾油收集在干燥的試管中，經(jīng)無(wú)水硫酸鈉（Na2SO4）處理，去除精油中殘留的水分，將精油保存在密封的試管中，置于4 ℃條件下保存，用于精油組分測(cè)定。山蒼子果實(shí)精油含量為提取油質(zhì)量占果實(shí)鮮質(zhì)量的百分比。

精油樣品用乙醚稀釋（1∶10）后，采用GC-MS 分析法測(cè)定其精油中檸檬醛含量。氣相色譜條件：HP-5MS 色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序?yàn)?0 ℃保持2 min 后，以3 ℃/min 的速率升至120 ℃，并保持2 min，然后以15 ℃/min 的速率升至250 ℃并保持2 min；載氣為N2，流量1 mL/min，進(jìn)樣量為1.0 μL，進(jìn)樣口溫度為220 ℃。對(duì)采用GC-MS 法得到的質(zhì)譜圖，利用NWAST（08）譜庫(kù)進(jìn)行檢索分析，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)樣品的保留時(shí)長(zhǎng)和保留指數(shù)，對(duì)化合物進(jìn)行定性分析，采用峰面積歸一法對(duì)檸檬醛的相對(duì)含量進(jìn)行定量分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

結(jié)構(gòu)方程模型（structural equation model，SEM），一般由測(cè)量指標(biāo)和潛在變量組成，是基于假設(shè)觀測(cè)變量的相關(guān)系數(shù)、協(xié)方差矩陣的一套參數(shù)函數(shù)[8]?？梢岳媒Y(jié)構(gòu)方程模型來(lái)解釋山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)單株產(chǎn)量、果實(shí)精油含量、精油中檸檬醛含量與林分因子樹冠高、胸徑以及環(huán)境因子年平均溫度、年降水量的關(guān)系。本研究中采用最大似然法進(jìn)行模型估計(jì)，并通過(guò)驗(yàn)證測(cè)量指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，估計(jì)結(jié)構(gòu)模型的通徑系數(shù)[17]。

結(jié)構(gòu)方程模型（結(jié)構(gòu)方程）的一般形式如下

式中：η為內(nèi)生潛變量；ξ為外源潛變量；β為內(nèi)生潛變量η的系數(shù)矩陣；Г為外源潛變量對(duì)內(nèi)生潛變量的影響路徑系數(shù)矩陣，也是顯變量對(duì)相應(yīng)內(nèi)生潛變量的通徑系數(shù)矩陣；ζ為殘差向量，是模式內(nèi)未能解釋部分。

結(jié)構(gòu)方程模型（測(cè)量方程）的一般形式如下

式中：X、Y分別是外源和內(nèi)生變量；δ、ε分別是X、Y測(cè)量上的誤差；ΛX是X在ξ上的因子載荷矩陣；ΛY是Y在η上的因子載荷矩陣。

運(yùn)用SPSS 25.0 和Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析；運(yùn)用Amos 24.0 軟件創(chuàng)建結(jié)構(gòu)方程模型時(shí)，先對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化，再進(jìn)行分析和建模[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分和環(huán)境因子的選擇

山蒼子林分特征各指標(biāo)見表2。將各指標(biāo)和單株產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表3。由表3可知，胸徑和樹冠高與單株產(chǎn)量的相關(guān)性較高，因此選擇胸徑和樹冠高作為林分因子。

表2 山蒼子林分特征各指標(biāo)Table 2 Characteristics indicators of L.cubeba forest

表3 林分因子與單株產(chǎn)量的線性回歸分析結(jié)果?Table 3 The linear regression analysis results of stand factor and yield per plant

由于太陽(yáng)輻射的分布是從低緯向高緯遞減，氣溫從低緯向高緯遞減，隨著海拔的升高氣溫降低，故海拔、緯度、日照均影響年平均溫度。本研究中選擇常用的年平均溫度和年降水量作為環(huán)境因子。

2.2 林分和環(huán)境因子對(duì)山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響

林分和環(huán)境因子與山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的協(xié)方差分析結(jié)果見表4。由表4可知，胸徑和樹冠高對(duì)山蒼子單株產(chǎn)量有極顯著影響（P＜0.01），平均降水量對(duì)單株產(chǎn)量有顯著影響（P=0.034），年平均溫度對(duì)單株產(chǎn)量無(wú)顯著影響（P=0.400）；胸徑（P=0.138）和樹冠高（P=0.095）均對(duì)山蒼子果實(shí)精油含量無(wú)顯著影響，年平均降水量和年平均溫度對(duì)果實(shí)精油含量均有極顯著影響（P＜0.01）；胸徑（P=0.560）、樹冠高（P=0.355）、年平均降水量（P=0.451）和年平均溫度（P=0.059）對(duì)山蒼子精油中檸檬醛含量均無(wú)顯著影響。

表4 林分和環(huán)境因子與山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的協(xié)方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of covariance between stand, environmental factors and economic indexes of L.cubeba

2.3 林分和環(huán)境因子與山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)性

在林分和環(huán)境因子與山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。由表5可知，胸徑與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.787；樹冠高與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.886，與果實(shí)精油含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.169；年平均降水量與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.470，與果實(shí)精油含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.298；年平均溫度與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.330，與精油中檸檬醛含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.137；單株產(chǎn)量與果實(shí)精油含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.236。

表5 林分和環(huán)境因子與山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient between stand and environmental factors and economic indexes of L.cubeba

2.4 林分和環(huán)境因子與山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的結(jié)構(gòu)方程

利用結(jié)構(gòu)方程模型分析山蒼子樹冠高、胸徑對(duì)山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)單株產(chǎn)量、果實(shí)精油含量、精油中檸檬醛含量的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，結(jié)果見表6。由表6可知，在直接效應(yīng)方面，胸徑和樹冠高對(duì)單株產(chǎn)量的效應(yīng)均為正效應(yīng)，其效應(yīng)系數(shù)分別為0.255（P＜0.01）、0.668（P＜0.01）；年平均降水量和年平均溫度對(duì)單株產(chǎn)量均為正效應(yīng)，其效應(yīng)系數(shù)分別為0.051（P=0.384）和0.048（P=0.380）。因此，根據(jù)對(duì)單株產(chǎn)量的總效應(yīng)由強(qiáng)到弱排列，各因素依次為樹冠高、胸徑、年平均降水量、年平均溫度。在間接效應(yīng)方面，胸徑、樹冠高、年平均降水量、年平均溫度對(duì)果實(shí)精油含量均呈負(fù)效應(yīng)，效應(yīng)系數(shù)分別為-0.060、-0.158、-0.012、-0.011；胸徑、樹冠高、年平均降水量、年平均溫度對(duì)精油中檸檬醛含量均呈正效應(yīng)，效應(yīng)系數(shù)分別為0.025、0.066、0.005、0.005。此外，單株產(chǎn)量對(duì)果實(shí)精油含量的直接效應(yīng)為極顯著的負(fù)效應(yīng)，其效應(yīng)系數(shù)為-0.236（P＜0.01），單株產(chǎn)量對(duì)精油中檸檬醛含量的直接效應(yīng)為正效應(yīng)，其效應(yīng)系數(shù)為0.098（P=0.262）。

表6 林分和環(huán)境因子對(duì)山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)Table 6 Direct and indirect effects of stand and environmental factors on economic indexes of L.cubeba

3 結(jié)論與討論

通過(guò)調(diào)查3 個(gè)研究地的林分和環(huán)境因子數(shù)據(jù)，結(jié)合山蒼子經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的測(cè)定，在對(duì)樹冠高、胸徑、年平均溫度、年平均降水量、單株產(chǎn)量、果實(shí)精油含量、精油中檸檬醛含量統(tǒng)一進(jìn)行自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，利用協(xié)方差分析、相關(guān)性分析、結(jié)構(gòu)方程，解析山蒼子樹冠高、胸徑、年平均降水量和年平均溫度與單株產(chǎn)量、果實(shí)精油含量以及精油中檸檬醛含量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，山蒼子胸徑和樹冠高與單株產(chǎn)量均極顯著相關(guān)，且林分和環(huán)境因子對(duì)單株產(chǎn)量的影響效應(yīng)由強(qiáng)到弱依次均為樹冠高、胸徑、年平均降水量、年平均溫度，說(shuō)明山蒼子樹冠高和胸徑對(duì)單株產(chǎn)量有較大的影響，加強(qiáng)對(duì)樹冠高和胸徑的經(jīng)營(yíng)管理，可以提高山蒼子的單株產(chǎn)量。年平均降水量與果實(shí)精油含量極顯著相關(guān)，說(shuō)明山蒼子果實(shí)精油含量受降水量的影響較大。

胸徑是林分結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[19-20]，可以直接反映林分結(jié)構(gòu)特征[21]，與樹高[22]、冠幅[23-24]、林分密度、林齡[25]等變量顯著相關(guān)。樹冠影響果樹生長(zhǎng)和結(jié)實(shí)，影響果實(shí)的產(chǎn)量和質(zhì)量[26-28]。在本研究中發(fā)現(xiàn)，胸徑和樹冠高對(duì)山蒼子單株產(chǎn)量有極顯著影響，年平均降水量對(duì)山蒼子單株產(chǎn)量有顯著影響，年平均溫度和年平均降水量對(duì)果實(shí)精油含量有極顯著影響，與田勝平等[5]和李紅盛等[6]的研究結(jié)果一致，也與氣候因子對(duì)花椒[29]、油茶[30]、藍(lán)莓[31]產(chǎn)量的影響相同。環(huán)境因子年平均溫度對(duì)單株產(chǎn)量無(wú)顯著影響，與田勝平等[5]的研究結(jié)果不同，這是由于本試驗(yàn)中樣地均處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫度變化不大。

夏國(guó)威等[32]應(yīng)用結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)光合有效輻射是影響凈光合速率的主要因素，氣溫和空氣相對(duì)濕度對(duì)凈光合速率影響較小。Lamb等[33]利用結(jié)構(gòu)方程模型研究氮沉降與土壤溫度、土壤濕度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮含量和土壤pH 的關(guān)系，得出39%的影響氮沉降變化的因素與土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮含量和土壤pH 有關(guān)。黃興召等[8]在利用結(jié)構(gòu)方程解析杉木林生產(chǎn)力與環(huán)境因子及林分因子關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，62%的影響杉木林凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的因素為年均溫度、年均降水量、林齡和林分密度。毛鑫等[13]在利用結(jié)構(gòu)方程研究油菜性狀與產(chǎn)量的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，擁有較多單株有效角果數(shù)和分枝數(shù)的品種，其單株產(chǎn)量更為穩(wěn)定，油菜總產(chǎn)量更高。本研究中利用結(jié)構(gòu)方程模型，闡釋了山蒼子單株產(chǎn)量、果實(shí)精油含量以及精油中檸檬醛含量與林分和環(huán)境因子之間的關(guān)系，不僅直接分析了山蒼子單株產(chǎn)量與林分和環(huán)境因子之間的關(guān)系，還間接通過(guò)單株產(chǎn)量分析了林分和環(huán)境因子對(duì)果實(shí)精油含量和精油中檸檬醛含量的影響。結(jié)果顯示，胸徑和樹冠高對(duì)單株產(chǎn)量的效應(yīng)均為極顯著的正效應(yīng)（P＜0.01），各因素對(duì)單株產(chǎn)量的效應(yīng)由強(qiáng)到弱依次為樹冠高、胸徑、年平均降水量、年平均溫度，單株產(chǎn)量對(duì)果實(shí)精油含量的直接效應(yīng)為極顯著的負(fù)效應(yīng)，其效應(yīng)系數(shù)為-0.236（P＜0.01）。

由于可供借鑒的研究不多，而且山蒼子家系生長(zhǎng)和精油化學(xué)成分均有不同[34]，本研究中在模型構(gòu)建上存在一定的不足。另外，在選擇指標(biāo)時(shí)，家系的遺傳性質(zhì)、立地條件、土壤理化性質(zhì)等未考慮。因此，對(duì)于山蒼子林分和環(huán)境因子與其經(jīng)濟(jì)性狀之間的關(guān)聯(lián)特征還應(yīng)進(jìn)一步探討和驗(yàn)證。