西北地區(qū)紅樺天然次生林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

王澤龍,李澤義,陳邑?zé)@,馬孟良,姜在民,蔡 靖,3*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院,陜西 楊陵 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 楊陵 712100;3.陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,陜西 寧陜 711600)

森林的生長(zhǎng)和發(fā)展與立地質(zhì)量息息相關(guān),立地質(zhì)量評(píng)價(jià)是掌握和研究森林生長(zhǎng)環(huán)境以及環(huán)境對(duì)森林生產(chǎn)力影響的一個(gè)重要手段,是科學(xué)開(kāi)展造林規(guī)劃設(shè)計(jì)、森林撫育經(jīng)營(yíng)等林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ),對(duì)實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有極其重要的意義[1-4]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多用樹(shù)高作為立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo),主要方法有立地指數(shù)、立地形、地位級(jí)法[5-8]。地位級(jí)法簡(jiǎn)便易行,但相比立地指數(shù)法其精度和準(zhǔn)確性較差。立地指數(shù)法在人工林中應(yīng)用較廣,其優(yōu)勢(shì)在于優(yōu)勢(shì)樹(shù)高受林分密度影響較小,能夠比較客觀地反映森林立地質(zhì)量[9]。然而在異齡林或混交林中,林分年齡這一概念意義不大,因此立地指數(shù)不適用于異齡林,且在一些國(guó)家森林調(diào)查中主要調(diào)查林分的平均年齡,由于優(yōu)勢(shì)木年齡數(shù)據(jù)缺乏,限制了立地指數(shù)的應(yīng)用[10-11]。立地形法回避了林分年齡的問(wèn)題,所以適用于異齡林和混交林,但立地形受林分密度影響較大。因此目前有關(guān)立地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法還是以立地指數(shù)為主,立地形的應(yīng)用較為少見(jiàn),其評(píng)價(jià)效果有待進(jìn)一步研究。

紅樺(Betulaalbosinensis)是我國(guó)特有樹(shù)種,具有較高的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,其適應(yīng)能力強(qiáng),是我國(guó)北方高海拔地區(qū)重要的先鋒造林樹(shù)種,也是高山主要成林樹(shù)種[12-13]。但現(xiàn)存紅樺原始林較少,多為天然次生林,且普遍存在林內(nèi)環(huán)境差、林木質(zhì)量低等問(wèn)題[14]。開(kāi)展紅樺天然次生林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)是解決上述問(wèn)題,充分發(fā)揮林地生產(chǎn)力的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)研究。馬俊[15]建立了秦嶺南坡的紅樺天然次生林立地指數(shù)模型,但區(qū)域相對(duì)有限,目前未見(jiàn)有關(guān)紅樺天然次生林立地形方面的研究。本研究通過(guò)對(duì)西北地區(qū)紅樺主要分布地進(jìn)行樣地調(diào)查,編制立地指數(shù)和立地形表,以期科學(xué)評(píng)價(jià)西北地區(qū)紅樺天然次生林的立地質(zhì)量,對(duì)實(shí)現(xiàn)紅樺高質(zhì)量森林經(jīng)營(yíng)管理和可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

在陜西火地塘林場(chǎng)、甘肅洮坪林場(chǎng)、寧夏二龍河林場(chǎng)、青海北山林場(chǎng)等紅樺天然次生林分布較為集中地區(qū),按照海拔、坡向、坡位等因子共設(shè)置臨時(shí)樣地85塊,樣地以紅樺純林為主,大小為20 m×20 m。樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺,每個(gè)樣地選擇樹(shù)高最高、不受其他林木擠壓、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)斷梢的優(yōu)勢(shì)木3株,并用生長(zhǎng)錐鉆取樹(shù)芯,確定樹(shù)齡,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表1。對(duì)于調(diào)查數(shù)據(jù),按齡級(jí)5 a、徑階2 cm整化,計(jì)算各齡級(jí)、徑階優(yōu)勢(shì)木平均樹(shù)高和標(biāo)準(zhǔn)差,±3倍標(biāo)準(zhǔn)差為界剔除該齡級(jí)或徑階范圍之外的異常點(diǎn)。樣地?cái)?shù)據(jù)中80%用于擬合,20%用于檢驗(yàn)。

表1 樣地林分因子統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)描述

1.2 研究方法

1.2.1 導(dǎo)向曲線的選擇 以各樣地優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高、年齡、胸徑的算術(shù)平均值為材料,選用9個(gè)常用的樹(shù)木生長(zhǎng)模型來(lái)擬合胸徑-樹(shù)高、年齡-樹(shù)高生長(zhǎng)曲線[16](表2),最終選擇相關(guān)性最大以及殘差平方和最小的模型作為導(dǎo)向曲線。

表2 樹(shù)木生長(zhǎng)備選模型

1.2.2 立地指數(shù)和立地形表的編制 立地指數(shù)和立地形表的編制方法基本一致,本研究采用相對(duì)優(yōu)勢(shì)高法進(jìn)行編表[17]。計(jì)算公式如下

Kj=H0j/H0k

(1)

Hij=KjHik

(2)

式中:Kj為各齡階立地指數(shù)的調(diào)整系數(shù);H0j是基準(zhǔn)年齡的樹(shù)高值;H0k是基準(zhǔn)年齡的樹(shù)高理論值;Hij是第i齡階第j指數(shù)級(jí)的樹(shù)高值;Hik為各齡階的樹(shù)高理論值。

1.2.3 立地指數(shù)和立地形表的檢驗(yàn) 利用40個(gè)檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行落點(diǎn)檢驗(yàn)和卡方檢驗(yàn)。落點(diǎn)檢驗(yàn)以檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)作散點(diǎn)圖,將其繪制于立地指數(shù)曲線圖和立地形曲線圖上,計(jì)算樣本數(shù)據(jù)溢出情況?？ǚ綑z驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)立地指數(shù)曲線和立地形曲線與優(yōu)勢(shì)木的樹(shù)高生長(zhǎng)趨勢(shì)是否存在顯著差異,計(jì)算公式如下

(3)

式中:Ht代表樹(shù)高理論值;H0代表實(shí)際樹(shù)高值。

2 結(jié)果與分析

2.1 編制紅樺天然次生林立地指數(shù)表的可行性檢驗(yàn)

立地指數(shù)法主要適用于同齡純林,因此需要對(duì)紅樺天然次生林是否適用立地指數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。孟憲宇等[18]認(rèn)為,天然次生林的徑階分布如果與正態(tài)分布沒(méi)有顯著性差異,便可視為“相對(duì)同齡林”。由于本研究樣地設(shè)置以紅樺純林為主,故只需對(duì)林分的徑階分布進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)即可。隨機(jī)抽取一塊樣地,運(yùn)用Origin 2019繪制林分胸徑分布直方圖(圖1),可以看出胸徑結(jié)構(gòu)為一條主要分布于8～14 cm、以11 cm為峰點(diǎn)的單峰山狀曲線,近似于正態(tài)分布曲線,說(shuō)明該樣地的紅樺天然次生林符合“相對(duì)同齡林”特征。其他樣地作相同分析,結(jié)果基本一致,因此本研究區(qū)域中的紅樺天然次生林可視為“相對(duì)同齡林”。

圖1 林分胸徑結(jié)構(gòu)分布頻率

2.2 導(dǎo)向曲線擬合結(jié)果

用于擬合導(dǎo)向曲線的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2、圖3,采用SPSS 20軟件對(duì)所選9個(gè)備選模型進(jìn)擬合(表3)。年齡-樹(shù)高關(guān)系擬合中,Sigmodial模型的決定系數(shù)最大(0.615);殘差平方和最小;胸徑-樹(shù)高關(guān)系擬合中,同樣是Sigmodial模型的決定系數(shù)最大(0.708),殘差平方和最小。因此選擇Sigmodial模型作為立地指數(shù)和立地形的導(dǎo)向曲線。其中,立地指數(shù)導(dǎo)向曲線方程為

圖2 年齡-樹(shù)高數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖及導(dǎo)向曲線

圖3 胸徑-樹(shù)高數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖及導(dǎo)向曲線

表3 樹(shù)木生長(zhǎng)備選模型擬合結(jié)果

H=18.073/{1+exp[-(A-22.571)/9.144]}

(4)

立地形導(dǎo)向曲線方程為

H=19.793/{1+exp[-(D-12.218)/6.588]}

(5)

式中:H為優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高;A為優(yōu)勢(shì)木年齡;D為優(yōu)勢(shì)木胸徑。

2.3 基準(zhǔn)年齡(胸徑)和指數(shù)級(jí)距確定

2.3.1 基準(zhǔn)年齡(胸徑)的確定 基準(zhǔn)年齡對(duì)于立地指數(shù)表或立地形表的準(zhǔn)確編制影響十分明顯,選擇不當(dāng)會(huì)對(duì)立地質(zhì)量評(píng)價(jià)造成偏差,一般選擇樹(shù)高生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定且能靈敏反映立地差異的年齡作為基準(zhǔn)年齡[19-20]。由圖2可知,紅樺在40 a以后的生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定,其成熟年齡一般為80 a,故將紅樺的基準(zhǔn)年齡定為40 a。

為更好地比較2種評(píng)價(jià)方法的精度,選擇基準(zhǔn)年齡對(duì)應(yīng)的胸徑作為基準(zhǔn)胸徑。運(yùn)用表3中的模型對(duì)年齡-胸徑關(guān)系進(jìn)行擬合(圖4),其中自變量為年齡,因變量為胸徑,經(jīng)過(guò)篩選,Richard方程為最優(yōu)模型,表達(dá)式為

圖4 年齡與胸徑關(guān)系擬合

D=30.814×[1-exp(-0.05×A)]2.402

(6)

將基準(zhǔn)年齡A0=40代入式(6),求得D為20.7 cm,為方便編表,最終確定基準(zhǔn)胸徑為20 cm。

2.3.2 指數(shù)級(jí)距的確定 指數(shù)級(jí)距主要根據(jù)在基準(zhǔn)年齡(胸徑)時(shí)樹(shù)高的絕對(duì)變動(dòng)幅度及經(jīng)營(yíng)水平來(lái)確定。根據(jù)編表數(shù)據(jù),在基準(zhǔn)年齡40 a時(shí)優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高的最大值為20 m,最小值為10 m;在基準(zhǔn)胸徑20 cm時(shí)優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高最大值為19.5 m,最小值為10.1 m。根據(jù)紅樺的生長(zhǎng)特性和樹(shù)高分布差值,確定指數(shù)級(jí)距為2 m,最終劃分10、12、14、16、18、20 m共6個(gè)立地質(zhì)量等級(jí)。

2.4 立地指數(shù)表和立地形表

以導(dǎo)向曲線為基礎(chǔ),按基準(zhǔn)年齡(胸徑)時(shí)的樹(shù)高和指數(shù)級(jí)距,采用相對(duì)優(yōu)勢(shì)高法,可編成立地指數(shù)和立地形表(表4、表5)。

表4 紅樺立地指數(shù)

表5 紅樺立地形表

2.5 立地指數(shù)與立地形表檢驗(yàn)

2.5.2 落點(diǎn)檢驗(yàn) 在立地指數(shù)曲線簇和立地形曲線簇中繪制檢驗(yàn)樣本的散點(diǎn)圖。立地指數(shù)落點(diǎn)檢驗(yàn)中(圖5),散點(diǎn)在曲線范圍外的有2個(gè),占散點(diǎn)總數(shù)的5%,檢驗(yàn)精度為95%;立地形落點(diǎn)檢驗(yàn)中(圖6),散點(diǎn)在曲線范圍外的點(diǎn)有1個(gè),占散點(diǎn)總數(shù)的2.5%,檢驗(yàn)精度為97.5%。兩者誤差均較小,說(shuō)明所編立地指數(shù)和立地形表能夠較好地反映紅樺天然次生林的立地質(zhì)量,符合精度要求。

圖5 立地指數(shù)落點(diǎn)檢驗(yàn)

圖6 立地形落點(diǎn)檢驗(yàn)

2.6 立地指數(shù)與立地形模型的相關(guān)性

2.6.1 樹(shù)高生長(zhǎng)預(yù)測(cè)的相關(guān)性 以檢驗(yàn)樣本為例,通過(guò)查表確定每個(gè)樣地的立地指數(shù)和立地形,計(jì)算其齡階和徑階對(duì)應(yīng)的樹(shù)高理論值并進(jìn)行線性擬合(圖7)。理想情況下應(yīng)該為y=x的直線,說(shuō)明2種方法對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)預(yù)測(cè)具有高度的一致性。經(jīng)過(guò)擬合,得到方程SF=1.255+0.934×SI,相關(guān)系數(shù)為0.897,說(shuō)明兩者在樹(shù)高生長(zhǎng)預(yù)測(cè)中具有高度相關(guān)性。

圖7 立地指數(shù)與立地形樹(shù)高預(yù)測(cè)值線性擬合

2.6.2 立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的相關(guān)性 作為評(píng)價(jià)同一研究對(duì)象的2種不同方法,在評(píng)價(jià)結(jié)果上應(yīng)該具有較好的相關(guān)性,即對(duì)于同一個(gè)樣地,應(yīng)該劃分為相同的立地質(zhì)量等級(jí)。為方便比較,分別用1、2、3、4、5、6表示10、12、14、16、18、20 m共6個(gè)不同立地質(zhì)量等級(jí)。將全部樣地通過(guò)查立地指數(shù)和立地形表,確定其立地質(zhì)量等級(jí)(表6)。比較發(fā)現(xiàn),2種方法在立地質(zhì)量等級(jí)劃分上存在一定的一致性,就整體立地質(zhì)量而言,均呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì),立地質(zhì)量等級(jí)劃分相同的樣地共39塊,占比47.56%。但2種方法也存在一定的差異性,其中立地形中等級(jí)3、4所占比例最高,分別為39.02%、37.80%,其次是等級(jí)2,占比10.98%;立地指數(shù)中立地質(zhì)量等級(jí)占比最高的是等級(jí)4、5,分別為40.24%、21.95%,其次是等級(jí)3,占比15.85%。立地指數(shù)等級(jí)高于立地形的樣地共30塊,占比36.59%,總體來(lái)看,立地指數(shù)對(duì)立地質(zhì)量等級(jí)的評(píng)價(jià)高于立地形。

表6 2種方法立地質(zhì)量等級(jí)劃分的比較

2.7 不同地區(qū)的立地質(zhì)量比較

按照編制的立地指數(shù)和立地形表對(duì)4個(gè)地區(qū)的立地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)(表7),陜西火地塘林場(chǎng)樣地的立地質(zhì)量主要為4、5、6級(jí),寧夏二龍河林場(chǎng)樣地的立地質(zhì)量主要為3、4、5級(jí),青海北山林場(chǎng)和甘肅洮坪林場(chǎng)樣地的立地質(zhì)量主要為2、3、4級(jí)。因此,總體來(lái)看,陜西火地塘林場(chǎng)的立地質(zhì)量最好,寧夏二龍河林場(chǎng)次之,青海北山林場(chǎng)和甘肅洮坪林場(chǎng)立地質(zhì)量則一般。

表7 不同地區(qū)立地質(zhì)量等級(jí)比較

3 討論

3.1 立地指數(shù)和立地形的適用性

利用立地指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)立地質(zhì)量主要基于以下假設(shè):優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高的生長(zhǎng)取決于立地質(zhì)量,與林分密度無(wú)關(guān)。這一點(diǎn)在很多研究中已被證實(shí),并且有大量學(xué)者將這一方法應(yīng)用于栓皮櫟(Quercusvariabilis)、楠木(Phoebezhennan)等天然次生林的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)中,均取得了良好的評(píng)價(jià)效果[5,18,21-23]。本研究通過(guò)繪制林分胸徑結(jié)構(gòu)分布圖,驗(yàn)證了紅樺天然次生林符合“相對(duì)同齡林”的基本特征,這為立地指數(shù)法的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ),同時(shí)從模型擬合和評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,立地指數(shù)法在紅樺天然次生林中具有良好的適用性。與馬俊[15]在秦嶺南坡紅樺天然次生林的研究相比,本研究擴(kuò)大了研究范圍,提高了模型預(yù)測(cè)精度,能夠?yàn)槲鞅钡貐^(qū)紅樺天然次生林評(píng)價(jià)提供較為可靠的依據(jù)。立地形評(píng)價(jià)立地質(zhì)量主要基于2個(gè)假設(shè):①樹(shù)高胸徑關(guān)系和立地質(zhì)量之間存在確定相關(guān)關(guān)系;②林分密度對(duì)優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高胸徑關(guān)系影響不顯著[24]。Fu等[25]在對(duì)吉林省中東部地區(qū)的蒙古櫟和朝鮮松天然林中的研究證明了以上假設(shè)的成立。李清順等[26]在對(duì)馬尾松的研究中認(rèn)為,當(dāng)優(yōu)勢(shì)木生長(zhǎng)不受周圍樹(shù)木競(jìng)爭(zhēng)的影響時(shí),可以忽略林分密度對(duì)優(yōu)勢(shì)木胸徑樹(shù)高關(guān)系的影響,本研究調(diào)查區(qū)域的紅樺天然次生林樣地,林分密度指數(shù)均在1 000以下,且紅樺為唯一優(yōu)勢(shì)樹(shù)種,因此林分內(nèi)生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)較小,基本能夠滿足上述條件,這為立地形在紅樺天然次生林中的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。立地形與林分?jǐn)嗝娣e以及衡量立地質(zhì)量的生態(tài)指標(biāo)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系[27-31],后續(xù)可以補(bǔ)充研究立地形與林分蓄積量之間的關(guān)系,以便建立與立地生產(chǎn)力的直接關(guān)系,從而進(jìn)一步證明立地形評(píng)價(jià)立地質(zhì)量的科學(xué)性。

3.2 立地形與立地指數(shù)比較

通過(guò)對(duì)2種模型進(jìn)行卡方檢驗(yàn)和落點(diǎn)檢驗(yàn)比較,立地形模型的卡方值小于立地指數(shù)模型,落點(diǎn)檢驗(yàn)精度大于立地指數(shù)模型,說(shuō)明立地形對(duì)于樹(shù)木生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)和立地質(zhì)量的反映均優(yōu)于立地指數(shù)。從年齡與樹(shù)高、胸徑擬合的結(jié)果看出,隨著年齡的增長(zhǎng),胸徑和樹(shù)高的增長(zhǎng)速度并不一致,紅樺在40 a前樹(shù)高快速增長(zhǎng),40 a之后樹(shù)高生長(zhǎng)速度極為緩慢,而胸徑的增長(zhǎng)則表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性,同樣從樹(shù)高與年齡、胸徑的擬合結(jié)果來(lái)看表現(xiàn)出相同的規(guī)律,這可能是立地形在紅樺立地質(zhì)量評(píng)價(jià)中表現(xiàn)出更高精度的主要原因。從2種方法對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)預(yù)測(cè)方面來(lái)看,兩者擬合相關(guān)系數(shù)為0.897,具有高度相關(guān)性。沈劍波等[32]在長(zhǎng)白落葉松人工林中對(duì)2種方法相關(guān)性也進(jìn)行了比較,但結(jié)果表明2種方法相關(guān)性較差,可能是因?yàn)槿斯ち窒啾忍烊淮紊指资艿饺藶橐蛩氐母蓴_,從而影響了林分密度,降低了立地形評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。有學(xué)者提出通過(guò)建立多隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法為基礎(chǔ)的立地形模型,可以顯著提高立地形與立地指數(shù)的一致性,這也為立地形代替立地指數(shù)提供了更加可靠的思路[21]。

4 結(jié)論

對(duì)西北地區(qū)紅樺天然次生林進(jìn)行樣地調(diào)查,得到257組優(yōu)勢(shì)木數(shù)據(jù),選取9個(gè)樹(shù)木生長(zhǎng)模型進(jìn)行年齡-樹(shù)高關(guān)系、胸徑-樹(shù)高關(guān)系擬合,確定立地指數(shù)導(dǎo)向曲線H=18.073/{1+exp[-(A-22.571)/9.144]}和立地形導(dǎo)向曲線H=19.793/{1+exp[-(D-12.218)/6.588]},運(yùn)用相對(duì)優(yōu)勢(shì)高法編制了立地指數(shù)和立地形表,落點(diǎn)檢驗(yàn)精度分別為95%和97.5%,并通過(guò)了卡方檢驗(yàn),可作為西北地區(qū)紅樺天然次生林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)。

立地指數(shù)和立地形在紅樺天然次生林的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)中表現(xiàn)出較好的一致性,在4個(gè)不同地區(qū)的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)中,陜西火地塘林場(chǎng)立地質(zhì)量最優(yōu),寧夏二龍河林場(chǎng)次之,青海北山林場(chǎng)和甘肅洮坪林場(chǎng)立地質(zhì)量一般。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中胸徑相比年齡數(shù)據(jù)更易獲取,且測(cè)定更準(zhǔn)確,當(dāng)缺乏優(yōu)勢(shì)木年齡數(shù)據(jù)時(shí),在選取符合條件的優(yōu)勢(shì)木的基礎(chǔ)上,可以考慮用立地形作為評(píng)價(jià)紅樺天然次生林立地質(zhì)量的指標(biāo)。