云南省德宏州西南樺人工林立地指數(shù)表編制*

張雪琴，刀保輝，王春勝，唐 誠 ，曾 杰

(1.石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520；3.德宏州林業(yè)科學(xué)研究所，云南 瑞麗 678600)

立地質(zhì)量評價(jià)是指對立地的宜林性或潛在的生產(chǎn)力進(jìn)行判斷和預(yù)測[1]，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)造林和合理高效利用林地的重要保證[2]。林分優(yōu)勢木平均高是評定立地質(zhì)量的一種最為常用且行之有效的方法[3]，其反映的林地生產(chǎn)力受林分密度調(diào)控等經(jīng)營措施的影響較小，能夠更準(zhǔn)確地反映立地質(zhì)量[4]。立地指數(shù)表是森林經(jīng)營工作的基礎(chǔ)數(shù)表，可作為評定林地生產(chǎn)力的綜合指標(biāo)[5]。20世紀(jì)初以來，國外開始對歐洲白蠟(Fraxinus excelsior)[6]、黑云杉(Picea mariana)[7]和意大利石頭松(Pinus pinea)[8]等樹種進(jìn)行立地指數(shù)研究并評價(jià)立地生產(chǎn)力。中國從20世紀(jì)70年代逐步開展該方面的工作，目前，已對楠木(Phoebe zhennan)[9]、桉樹(Eucalyptus robusta)[10]、黑松(Pinus thunbergii)[11]、栓皮櫟(Quercus variabilis)[12]、杉木(Cunninghamia lanceolata)[13]和胡桃楸(Juglans mandshurica)[14]等樹種編制了立地指數(shù)表，為這些樹種的立地質(zhì)量評價(jià)提供了依據(jù)。

西南樺(Betula alnoides)是中國熱帶、亞熱帶地區(qū)的珍貴用材樹種之一，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[15]。云南是西南樺人工林最主要的栽培區(qū)，其中德宏州為西南樺商品材主要產(chǎn)區(qū)。德宏州自1997年開始規(guī)?；N植西南樺，其人工林面積迅速擴(kuò)大，截至2016年已超過10萬hm2，占全州林業(yè)用地面積的18.7%，約占中國西南樺人工林面積的50%，在德宏州林業(yè)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)建設(shè)中占有至關(guān)重要的地位。然而，在西南樺人工林大規(guī)模發(fā)展過程中，由于立地選擇不合理等原因而導(dǎo)致林木分化嚴(yán)重、林分生產(chǎn)力低下等諸多問題，已嚴(yán)重影響全州西南樺人工林產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。編制德宏州西南樺人工林立地指數(shù)表是解決這些問題的有效途徑。因此，本研究基于樣地調(diào)查與優(yōu)勢木樹干解析，編制立地指數(shù)表用于西南樺人工林立地質(zhì)量評價(jià)，為該州乃至類似地區(qū)西南樺適宜造林的立地選擇和人工林合理經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于云南省德宏州芒市、瑞麗市、盈江縣、梁河縣和隴川縣共5個(gè)縣(市)(N23°59'～24°51′，E97°42′～98°38′)，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔820～1 660 m，年平均氣溫18～20 ℃，年降水量約1 500 mm，年日照時(shí)間2 200～2 400 h。德宏州光、熱、水、土和氣資源優(yōu)越，為西南樺人工林的生長提供了得天獨(dú)厚的條件。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

于2019年進(jìn)行外業(yè)調(diào)查工作，考慮到西南樺人工林林齡和立地因子等因素，設(shè)置20 m×20 m的樣地65塊，對樣地進(jìn)行每木檢尺，測量胸徑、樹高、冠幅和枝下高，并記錄海拔、經(jīng)緯度和造林年份等信息。以每塊樣地中樹高最高的5株為優(yōu)勢木，計(jì)算其平均值即為優(yōu)勢高；選取其中1株無病蟲害且樹干通直的優(yōu)勢木進(jìn)行樹干解析，得到1 009對樹高—林齡數(shù)據(jù)，計(jì)算平均樹高和標(biāo)準(zhǔn)差后，運(yùn)用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法剔除異常數(shù)據(jù)，最終得到1 000對樹高—林齡數(shù)據(jù)用于編制立地指數(shù)表。解析木基本信息見表1。

表1 解析木基本信息Tab.1 Basic information of stem analysis

1.2.2 導(dǎo)向曲線擬合

采用Korf、Richards和Weibull等8個(gè)常用的方程擬合樹高—年齡數(shù)據(jù)，選用決定系數(shù)(R2)、絕對殘差(AMR)、均方根誤差(RMSE)和相對殘差(RAR)等4個(gè)常用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行模型篩選。選擇R2大以及AMR、RMSE和RAR較小且具有生物學(xué)意義的方程作為樹高生長方程。各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表2。

表2 模型統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Tab.2 Index of model statistics

1.2.3 基準(zhǔn)年齡與指數(shù)級距

德宏州西南樺人工林的平均生長量和連年生長量表現(xiàn)與廣西大青山西南樺人工林相似，因此，參照唐誠等[16]的方法將云南西南樺人工林的基準(zhǔn)林齡定為15年，指數(shù)級距定為2 m。

1.2.4 立地指數(shù)表編制方法

選用標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法[5]編制西南樺人工林立地指數(shù)表。

1.2.5 立地指數(shù)表檢驗(yàn)

運(yùn)用卡方檢驗(yàn)、預(yù)測精度檢驗(yàn)[17]及落點(diǎn)檢驗(yàn)[18]對所編立地指數(shù)表的適用性和精確性進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證所編立地指數(shù)表是否能夠客觀評價(jià)云南省德宏州西南樺人工林的立地質(zhì)量。其中，落點(diǎn)檢驗(yàn)以65塊樣地中每塊樣地選取的1株優(yōu)勢木樹高值作散點(diǎn)圖，運(yùn)用R軟件將其繪制于立地指數(shù)曲線簇上。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)向曲線篩選

由表3可知：8個(gè)方程中，對數(shù)雙曲線式的R2最小，說明其擬合效果最差；Weibull和Richards方程的R2最大，AMR和RMSE均最小，且Richards方程的RAR比Weibull方程略小，說明Richards方程擬合效果最佳。因此，選擇Richards作為最優(yōu)導(dǎo)向曲線方程。其方程表達(dá)式為：H＝39.453[1-exp(-0.067t)]1.018，其中H為優(yōu)勢高，t為年齡。

表3 擬合公式及結(jié)果Tab.3 Fitting formulas and results

2.2 立地指數(shù)表編制

采用基準(zhǔn)林齡15年和指數(shù)級距2 m編制立地指數(shù)表(表4)。德宏州西南樺優(yōu)勢高變動(dòng)范圍為17.0～33.0 m，其絕對變動(dòng)幅度為13.9 m，可劃分為8個(gè)指數(shù)級，分別為18、20、22、24、26、28、30和32。

表4 云南省德宏州西南樺人工林立地指數(shù)表Tab.4 Site index table of Betula alnoides at Dehong Prefecture,Yunnan Province

2.3 立地指數(shù)表檢驗(yàn)

2.3.1 卡方檢驗(yàn)

本研究中立地指數(shù)為18～32，隨機(jī)抽取林齡大于基準(zhǔn)林齡的3株優(yōu)勢木進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，其χ2值分別為1.83、1.10和1.59 (表5)，而其卡方臨界值依次為31.41、28.87和26.30[16]，可見其χ2值遠(yuǎn)小于相應(yīng)臨界值，說明優(yōu)勢高生長趨勢與立地指數(shù)曲線之間無明顯差異。

2.3.2 預(yù)報(bào)精度檢驗(yàn)

由表5可知：各林齡的立地指數(shù)預(yù)測誤差在0.16～2.89。2、4和5年林齡的預(yù)測誤差較大，變異系數(shù)達(dá)49.54%；6～13年林齡的預(yù)測誤差>1，變異系數(shù)為27.09%；林齡13年后，各林齡的預(yù)測誤差<1，變異系數(shù)為14.95%。表明預(yù)測精度呈現(xiàn)隨林齡增長而逐漸升高趨勢。不同立地指數(shù)級的預(yù)測誤差在1.20～1.69，立地指數(shù)級為24時(shí)預(yù)測誤差最小。

表5 立地指數(shù)表顯著性和預(yù)報(bào)精度檢驗(yàn)Tab.5 Site index table significance and prediction accuracy test

2.3.3 落點(diǎn)檢驗(yàn)

由圖1可知：僅3個(gè)點(diǎn)落在立地指數(shù)曲線簇外，精度達(dá)95.4%，落點(diǎn)檢驗(yàn)合格，說明所編立地指數(shù)表能夠較好地反映德宏州西南樺人工林立地質(zhì)量。

圖1 西南樺人工林立地指數(shù)曲線落點(diǎn)檢驗(yàn)Fig.1 Test of falling point for site index curves of Betula alnoides plantations

3 討論

本研究中2、4和5年林齡的預(yù)測誤差較大，變異系數(shù)接近50%，反映出西南樺在幼齡階段的生長變異性較大；6～13年林齡預(yù)測誤差>1，變異系數(shù)亦較大；林齡13年后，各林齡的立地指數(shù)預(yù)測誤差<1，而且較為穩(wěn)定，基準(zhǔn)林齡以上時(shí)預(yù)報(bào)精度趨高。可見模型的擬合程度因生長階段而異。德宏州西南樺人工林解析木數(shù)據(jù)多集中在中齡林，成、過熟林的數(shù)據(jù)相對較少，為完善德宏州地區(qū)西南樺人工林立地指數(shù)表，在未來的研究中可考慮再補(bǔ)充近熟林和成熟林的解析木數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高立地質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確性。

森林經(jīng)營中應(yīng)針對不同立地條件的林分制定相應(yīng)的經(jīng)營措施。立地條件差的地區(qū)應(yīng)進(jìn)行低效林改造，立地條件好的地區(qū)林分生長較快，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行撫育間伐[19]。本研究所編立地指數(shù)表顯示：林齡2年時(shí)，立地指數(shù)18與立地指數(shù)32的樹高相差約4 m；林齡21年時(shí)，立地指數(shù)18與立地指數(shù)32的樹高相差達(dá)18 m，故可利用此立地指數(shù)表量化德宏州及類似地區(qū)西南樺林地的潛在生產(chǎn)力，并根據(jù)其生產(chǎn)力水平制定經(jīng)營方案。

對比分析廣西大青山[16]與云南省德宏州西南樺人工林立地指數(shù)表之間的差異可知：基準(zhǔn)林齡15年時(shí)，兩地西南樺人工林優(yōu)勢高的范圍分別為15～27 m和17～33 m，可見，云南省德宏州西南樺人工林優(yōu)勢高大于廣西大青山，其立地質(zhì)量更好。3年林齡時(shí)，大青山和德宏州立地指數(shù)18～26對應(yīng)樹高范圍分別為2.9～9.7 m和3.8～7.9 m，說明幼齡階段兩地樹高差異不大；21年林齡時(shí)，大青山和德宏州立地指數(shù)18～26對應(yīng)樹高分別為17.1～30.6 m和20.9～32.2 m。可見，隨著林齡增大，德宏州西南樺人工林生長速度明顯快于廣西大青山，說明德宏州更適合種植西南樺。西南樺喜溫涼氣候[20]，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能與氣候差異有關(guān)。未來可將研究范圍擴(kuò)大至整個(gè)西南樺適生區(qū)，編制適合西南樺人工林的立地指數(shù)表，以全面評價(jià)中國西南樺人工林的立地質(zhì)量。

4 結(jié)論

擬合比較Korf、Richards和Weibull等8個(gè)常用的數(shù)學(xué)模型，得出Richards方程H=39.453[1-exp(-0.067t)]1.018最優(yōu)，可作為導(dǎo)向曲線。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法編制云南德宏州西南樺人工林立地指數(shù)表，所編表經(jīng)檢驗(yàn)表明可用于評價(jià)云南省德宏州及類似地區(qū)西南樺人工林立地質(zhì)量。