遼東山區(qū)蒙古櫟天然林立地指數(shù)曲線模型的建立及精度分析

夏 炎，安文娟，鄭 瀟，郭 紅，房 鋼，潘曉威

(1.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113004；3.磐石市吉昌國(guó)有林保護(hù)中心，吉林 吉林 132300；4.遼寧省林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110053；5.長(zhǎng)春市森林病蟲(chóng)防治檢疫站，吉林 長(zhǎng)春 130031)

天然林作為森林資源的主體，是自然界中系統(tǒng)最完善、結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定和生物多樣性最為豐富的陸地生態(tài)系統(tǒng)。鑒于不同立地類型的立地質(zhì)量不同，林木生長(zhǎng)過(guò)程和林分生產(chǎn)力等差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致可適用的經(jīng)營(yíng)手段也存在較大差異，因此，對(duì)各立地類型的立地質(zhì)量差異進(jìn)行科學(xué)判斷、分析并預(yù)測(cè)林地生產(chǎn)力、制定合理的營(yíng)林方案，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)森林立地質(zhì)量并掌握森林與環(huán)境互作的重要手段[1，2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)森林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究手段略有差異，最具代表性的是蓄積量評(píng)價(jià)法和林木平均高法。前者是利用立木材積評(píng)價(jià)立地質(zhì)量，為較理想的方法，但在實(shí)際調(diào)查過(guò)程中材積的獲取十分困難，在實(shí)際操作中難以開(kāi)展[3]；后一種方法較前一種方法簡(jiǎn)單和實(shí)用，細(xì)分為地位級(jí)法和地位指數(shù)法，其中，應(yīng)用最廣泛的方法是地位指數(shù)法[4-9]。我國(guó)學(xué)者多用地位級(jí)法評(píng)價(jià)天然林分的立地質(zhì)量，但是該方法不能具體地對(duì)地位質(zhì)量進(jìn)行定性，因此，在使用中不及具有量化指標(biāo)的地位指數(shù)法方便且準(zhǔn)確[10]。地位指數(shù)法采用林分優(yōu)勢(shì)木平均高作為林分立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于人工林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)中，之后經(jīng)國(guó)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，利用立地指數(shù)曲線模型方法將其應(yīng)用至天然林，在我國(guó)，僅有部分學(xué)者利用立地指數(shù)曲線模型法評(píng)價(jià)天然林[10-14]。目前，該法已經(jīng)被學(xué)者們逐漸認(rèn)同，成為了應(yīng)用最多且最可靠的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[15]。模型也涉及到了立地指數(shù)表的編制，我國(guó)相關(guān)研究始于20世紀(jì)60年代末，常用的編制方法有：標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法和相對(duì)優(yōu)勢(shì)高法，其應(yīng)用廣泛，前者適用于闊葉樹(shù)種，后者適用于針葉樹(shù)種[16]。值得注意的是，在立地指數(shù)表編制過(guò)程中，正確的導(dǎo)向曲線以及立地指數(shù)曲線模型選擇十分重要，模型包括線性和非線性2種，鑒于樹(shù)木生長(zhǎng)曲線為“S”型，符合非線性擬合，具有生物學(xué)意義[17]。目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)于森林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少，現(xiàn)有的研究集中在刺槐(Robiniapseudoacacia)、馬尾松(Pinusmassoniana)和毛竹(Phyllostachysedulis)[18-21]。

蒙古櫟(Quercusmongolica)為殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)落葉喬木[22]，主要分布在中國(guó)東北、華北、西北各地，華中地區(qū)有少量分布，在俄羅斯、日本、蒙古及朝鮮半島也有分布[23，24]。蒙古櫟喜光、耐寒、耐瘠薄,根系發(fā)達(dá)、材質(zhì)堅(jiān)硬、耐腐，是營(yíng)造防風(fēng)林、水源涵養(yǎng)林及防火林的優(yōu)良樹(shù)種[25，26]。蒙古櫟具有很高的應(yīng)用價(jià)值，是我國(guó)主要的用材樹(shù)種之一[27]；也可作為經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種，木材可用來(lái)制作精美的葡萄酒桶[28]；同時(shí)蒙古櫟種實(shí)可提取單寧，具有良好的清熱解毒功效，藥用和食用價(jià)值較高[29]。因其用途廣泛的特點(diǎn)，蒙古櫟被人類長(zhǎng)期掠奪性采伐，造成各林區(qū)林木數(shù)量急劇減少，且恢復(fù)困難。目前，蒙古櫟是中國(guó)東北林區(qū)中主要的次生林樹(shù)種[30]。

在東北遼東山區(qū)，蒙古櫟具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但因其天然林生產(chǎn)力低下，至今對(duì)該地區(qū)的蒙古櫟天然林立地指數(shù)表確立和立地指數(shù)模型的研究較少，為了更好地保存和維持現(xiàn)有蒙古櫟天然林，以提高林分生產(chǎn)力，首要任務(wù)是針對(duì)蒙古櫟天然林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行探索，建立科學(xué)合理的立地指數(shù)曲線模型，為科學(xué)制定現(xiàn)有蒙古櫟天然林的營(yíng)林管理奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于遼寧省撫順市撫順縣馬古林場(chǎng)(地理位置124°13′04″～124°17′07″ E、41°45′21″～41°42′13″ N)，屬長(zhǎng)白山余脈。為大陸性季風(fēng)氣候，春季多強(qiáng)風(fēng)、濕度較低，夏季溫度較高、降雨稀少，冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、氣溫偏低。年均氣溫7 ℃，無(wú)霜期145 d左右，年均日照時(shí)數(shù)2 091 h。土壤類型為棕色森林土和暗棕色森林土，土壤肥沃。境內(nèi)渾河為主河流，屬遼河水系。

1.2 樣地及樣樹(shù)選擇

采用樣圓法對(duì)林場(chǎng)內(nèi)的36塊樣地(每塊樣地面積為100 m × 100 m)進(jìn)行調(diào)查，樣地距離林緣30 m，調(diào)查路線不涉及和跨越任何河流及道路。為準(zhǔn)確編制以樹(shù)高與林齡為基礎(chǔ)的立地指數(shù)曲線模型，均選擇平坦無(wú)坡度的樣地。樣圓半徑為20 m，以中心點(diǎn)為起點(diǎn)，對(duì)樣方內(nèi)胸徑大于5 cm的活立木調(diào)查其樹(shù)高、胸徑、冠幅和海拔，用生長(zhǎng)錐鉆取樹(shù)芯測(cè)定林齡。利用三倍樹(shù)高標(biāo)準(zhǔn)差法剔除異常數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最終得到325株蒙古櫟優(yōu)勢(shì)木林齡和樹(shù)高數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。

表1 調(diào)查樣樹(shù)主要參數(shù)

1.3 導(dǎo)向曲線選取

導(dǎo)向曲線是將優(yōu)勢(shì)木平均高與平均林齡數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合得到優(yōu)勢(shì)木的樹(shù)高生長(zhǎng)模型。主流的導(dǎo)向曲線模型有：

H=αA+β

(1)

H=αlnA+β

(2)

H=αAβ

(3)

H=αe-β/A

(4)

H=α(1-e-βA)

(5)

H=α(1+γe-βA)

(6)

式中：H為各齡階優(yōu)勢(shì)木平均高/m；α、β、γ為獲得的模型參數(shù)；e為自然常數(shù)，取2.718；A為各齡級(jí)優(yōu)勢(shì)木平均林齡/年。

1.4 指數(shù)級(jí)距確立

在確定立地指數(shù)級(jí)距(D)時(shí)，應(yīng)確定立地指數(shù)曲線模型在該地區(qū)的林木基準(zhǔn)林齡(A0)?；鶞?zhǔn)林齡是指樹(shù)高生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定且能靈敏反映立地差異的年齡[31]。確定樹(shù)種基準(zhǔn)林齡的主要因素有：樹(shù)種主伐林齡一半的年數(shù)、樹(shù)高在生長(zhǎng)過(guò)程中平均生長(zhǎng)量最大的年份[32]。一般認(rèn)為D以2～3 m最為合適，過(guò)大或過(guò)小會(huì)產(chǎn)生跳級(jí)現(xiàn)象且效果不明顯[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016進(jìn)行初步處理。數(shù)據(jù)關(guān)系趨勢(shì)擬合分析應(yīng)用OriginLab.OriginPro v 9.0 SR 2軟件(OriginLab Inc.，Northampton，MA，USA)和SPSS 21.0(IBM Inc.，NC，USA)。圖形繪制應(yīng)用OriginLab.OriginPro v 9.0 SR 2軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)向曲線的確定

擬合公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)6種導(dǎo)向曲線模型，結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，最后一項(xiàng)模型擬合結(jié)果最好(見(jiàn)公式7)，殘差平方和最小且R2最大。

表2 各導(dǎo)向曲線模型參數(shù)及結(jié)果

H=8.64(1+5.98e-1.54A)

(7)

2.2 指數(shù)級(jí)的確立

確定D之前，首先要確定A0，繪制樹(shù)高-林齡導(dǎo)向曲線(見(jiàn)圖1)，當(dāng)樹(shù)木生長(zhǎng)達(dá)到30年時(shí)其關(guān)系式斜率最大，認(rèn)為其年平均生長(zhǎng)量達(dá)到了最大值。因此，A0設(shè)定為30年。

圖1 優(yōu)勢(shì)木平均林齡與樹(shù)高的關(guān)系

從表1中可以看出，蒙古櫟在30年時(shí)樹(shù)高為19.69～25.39 m，當(dāng)D為2 m時(shí)，得到5個(gè)指數(shù)級(jí)，為1 m時(shí)，得到12個(gè)指數(shù)級(jí)。本研究中D=3 m最佳，最后得到16 m、19 m、22 m和25 m 4個(gè)指數(shù)級(jí)。

蒙古櫟為較速生的闊葉樹(shù)種，本次研究采用標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法。首先將各齡級(jí)林齡帶入導(dǎo)向方程(7)，得到各個(gè)齡級(jí)的導(dǎo)向曲線樹(shù)高Hi。利用模型(6)擬合各齡級(jí)樹(shù)高的標(biāo)準(zhǔn)差與各齡階的平均林齡得到函數(shù)(8)。

Sd=7.65(1+6.21e-2.00A)

(8)

將各齡級(jí)優(yōu)勢(shì)木平均林齡帶入公式(8)中，得到各個(gè)齡級(jí)的優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高標(biāo)準(zhǔn)差理論值Sd，并得到基準(zhǔn)林齡(30 年)時(shí)的樹(shù)高標(biāo)準(zhǔn)誤差理論值Sdi=2.0 m。比例系數(shù)K，利用D與Sdi的比值，得到1.50。K與Sd的乘積，得到各個(gè)齡級(jí)曲線的指數(shù)級(jí)距Di。在基準(zhǔn)林齡時(shí)導(dǎo)向曲線的樹(shù)高理論值為15.84 m，根據(jù)已確定的指數(shù)級(jí)，將其提升為最近的指數(shù)級(jí)16 m。指數(shù)級(jí)與樹(shù)高理論值的差異、基準(zhǔn)林齡樹(shù)高標(biāo)準(zhǔn)誤差理論值，前后兩者的比值，得到矯正后的比例系數(shù)Ki，為0.08。計(jì)算各齡級(jí)的樹(shù)高指數(shù)級(jí)距Di和指數(shù)級(jí)16 m各齡級(jí)樹(shù)高值Hii=Hi+KSd，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 導(dǎo)向曲線各參數(shù)調(diào)整值

利用指數(shù)級(jí)16 m的Hii與KSd計(jì)算其他指數(shù)級(jí)的樹(shù)高值，方法如下：指數(shù)級(jí)19 m各齡級(jí)樹(shù)高值由指數(shù)級(jí)16 m的各齡級(jí)樹(shù)高值Hii與各齡級(jí)曲線的級(jí)距值KSd差值得到，其他指數(shù)級(jí)以此類推，利用OriginLab.OriginPro v 9.0 SR 2軟件繪制指數(shù)曲線(見(jiàn)圖2)。

圖2 蒙古櫟立地指數(shù)曲線模型

2.3 立地指數(shù)曲線模型精度分析

采用落點(diǎn)檢驗(yàn)法：將325株優(yōu)勢(shì)木林齡與樹(shù)高值作為檢驗(yàn)樣本，在立地指數(shù)模型曲線上進(jìn)行落點(diǎn)檢驗(yàn)(見(jiàn)圖3)，可以看出，立地指數(shù)曲線落點(diǎn)檢驗(yàn)只溢出2個(gè)點(diǎn)，因此，立地指數(shù)精度較高，更具科學(xué)性。

圖3 蒙古櫟立地指數(shù)模型精度分析

3 討論

立地指數(shù)曲線模型采用優(yōu)勢(shì)解析木的樹(shù)高-林齡測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，目前這一方法的應(yīng)用和研究越來(lái)越廣泛。從立地指數(shù)編制方法的演變來(lái)看，從最初的圖形法編制，到研究中期的數(shù)學(xué)方法，再到現(xiàn)在的導(dǎo)向曲線法，利用立地樹(shù)高和林木林齡的實(shí)測(cè)值，從而提高了立地指數(shù)曲線模型的預(yù)測(cè)精度[33]。例如在編制吉林省汪清縣臭松(Abiesnephrolepis)天然林立地指數(shù)曲線模型的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，臭松在模型下包含了不同立地類型中林齡和樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程，精確度高，能準(zhǔn)確表達(dá)其生物學(xué)特性[34]。在本次研究中，為了編制遼寧省撫順市撫順縣馬古林場(chǎng)天然蒙古櫟立地指數(shù)曲線模型，采用蒙古櫟優(yōu)勢(shì)木平均林齡和平均齡級(jí)樹(shù)高數(shù)據(jù)，編制立地指數(shù)表，采用落點(diǎn)檢驗(yàn)法進(jìn)行精度分析，確定了該地區(qū)天然蒙古櫟林最適合的立地指數(shù)表，不僅能反映野生蒙古櫟樹(shù)高與林地立地質(zhì)量間的關(guān)系，還能為遼東山區(qū)天然林的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)尋找到可行且便捷的方法，為林地營(yíng)林措施的制定具有重要意義。

不同樹(shù)種適合的導(dǎo)向曲線方程存在較大的差異，例如，針葉樹(shù)種馬尾松適合邏輯斯蒂方程[14]。本研究借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)嘗試從6種常用的數(shù)學(xué)函數(shù)模型進(jìn)行導(dǎo)向曲線擬合，最后選擇擬合效果最好的方程為本次編制立地指數(shù)表的導(dǎo)向曲線，相關(guān)系數(shù)最高，之后采用適合闊葉樹(shù)種的標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法編制立地指數(shù)表。然而實(shí)際上，本研究所涉及的立地指數(shù)曲線模型更多是單形立地指數(shù)曲線模型，從現(xiàn)實(shí)環(huán)境來(lái)看，樹(shù)高的生長(zhǎng)受環(huán)境因素影響很大，為提高立地指數(shù)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，本研究還應(yīng)將坡度、坡位和坡向等環(huán)境因素添加進(jìn)來(lái)，編制蒙古櫟天然林多形立地指數(shù)曲線模型。并最終對(duì)比2個(gè)模型的精確度，以確定哪種模型效果最好。另外，從立地指數(shù)精度計(jì)算來(lái)看，利用指數(shù)級(jí)差法，結(jié)果具有偶然性，代表性不強(qiáng)，因此，研究應(yīng)采用落點(diǎn)檢驗(yàn)法，其檢驗(yàn)精度較高。總體上，本研究編制的遼寧省蒙古櫟天然林立地指數(shù)曲線模型更可靠并具科學(xué)性，有助于蒙古櫟林地經(jīng)營(yíng)和培育等生產(chǎn)工作。

4 結(jié)論

本次研究采用遼寧省撫順市撫順縣馬古林場(chǎng)蒙古櫟天然林臨時(shí)樣地的數(shù)據(jù)，具有較高的置信度，比較了6種常用的導(dǎo)向曲線模型對(duì)蒙古櫟樹(shù)高-林齡擬合結(jié)果，并選擇最優(yōu)模型，利用標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法編制立地指數(shù)表，提高了立地指數(shù)表的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)落點(diǎn)檢驗(yàn)實(shí)際數(shù)值與立地指數(shù)曲線模型的覆蓋率，所建立的立地指數(shù)曲線模型具有更高的精度。本研究為遼寧省撫順市撫順縣馬古林場(chǎng)天然蒙古櫟林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供理論基礎(chǔ)，并且對(duì)林地營(yíng)林措施的制定具有重要意義，為遼東山區(qū)天然林的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)尋找到可行和便捷的方法。但是，要在遼東山區(qū)天然林林地中應(yīng)用立地指數(shù)表時(shí)，應(yīng)該考慮不同樹(shù)種的不同生物學(xué)特性，特別是林分的林齡結(jié)構(gòu)，在滿足純林和異齡林的條件下，才可以考慮將立地指數(shù)法作為天然林林分立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法。