湖北省日本落葉松人工林立地分類及質量評價

李斌成，許業洲，袁 慧，侯義梅，李雙龍，宋慧麗，杜超群

（1湖北省林業科學研究院，武漢430075；2長江大學，湖北荊州434025；3建始縣林業局，湖北建始445300；4恩施州林業科學研究所，湖北恩施445000；5武漢百禾景觀設計有限責任公司，武漢430079）

0 引言

立地分類與質量評價是根據植被生長情況及其立地條件等綜合要素的異同，結合立地因子實際調查結果，人為地將立地劃分成不同類別和等級，并在此基礎上建立森林立地質量評價體系[1]?？茖W的立地分類和質量評價是林業科學基礎理論研究的重點，也是實現森林集約化經營和可持續發展的關鍵[2]。20世紀50年代，中國在波氏立地條件類型學說和蘇卡喬夫林型學說的基礎上逐漸開展國內森林立地分類的研究。1978年，由南方14省區杉木協作組主持的杉木產區區劃及立地質量評價研究，對國內杉木林區立地進行了分類規劃，建立了杉木林區立地分類系統，為其他林區樹種立地分類系統的建立提供了借鑒[3-4]。1987年，沈國舫在論述立地分類方法時，強調對生態序列法、主導因子法、指示植物種譜應用和數量化分類法等各種立地分類方法的綜合使用，并指出立地的內容分析應包含生物因子與非生物環境間的相互關系[5]。20世紀末，隨著地理信息系統和遙感技術的發展進步，結合3S技術對林區海拔、坡度、坡位等立地因子進行定性分析，能夠得到調查區域內林地的立地類型圖，對大面積林地的立地分類和質量評價做出快速、有效的估測[6-7]。而數量化分析方法[8-10]作為森林立地研究中應用最為廣泛的一種方法，已廣泛與模糊綜合評價法[11]、主成分分析法[12-13]、灰色關聯分析法[14-15]等結合使用，均取得了不錯的效果。

日本落葉松作為外來引進樹種，在中國已有近百年的引種歷史，因材質優良、早期速生等特點，已成為湖北省中高海拔地區速生豐產林和生態公益林的主要樹種[16-17]。目前，針對湖北省日本落葉松人工林的研究主要集中在種源研究[18]、撫育間伐[19]以及栽培區劃等方面，而對日本落葉松立地質量與分類的相關研究主要以鄂西山區為主，對全省范圍內的研究鮮有報道[20]。為更好地指導湖北省日本落葉松人工林營林造林，為日本落葉松定向培育提供理論依據，本研究以湖北省日本落葉松人工林為對象，在現地調查的基礎上，利用主成分分析法和數量化理論Ⅰ方法對影響日本落葉松生長的主導因子進行篩選，建立數量化預測方程，結合篩選結果建立研究區日本落葉松人工林立地分類系統，結合數量化結果建立研究區日本落葉松數量化立地質量評價表。

1 研究區概況

湖北省位于長江中游，地理位置承東啟西，接南納北，位于 108°21′—116°07′E、29°01′—33°6′N 范圍內，屬于亞熱帶季風氣候區，省內年均氣溫15～17℃，年平均日照時數1100～2150 h，年均降水量800～1600 mm。湖北省正處于中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶，東、西、北三面環山，中間低平，地勢高低相差較大，以山地、丘陵地貌為主。省內土壤類型復雜，有水稻土、潮土、黃棕壤、黃褐土、紅壤、黃壤、石灰（巖）土和紫色土等多種土壤類型。日本落葉松主要分布于海拔1300～2100 m的鄂西亞高山區，屬內陸性冷涼氣候，全年無霜期約160天。

2 材料與方法

2.1 數據來源

數據來源于2016年6月—2017年11月的標準地調查資料，在造林面積大于15 hm2的日本落葉松人工純林中選取具有代表性、生長正常、林相完整的林分設置面積600 m2(20 m×30 m)的標準地共計80塊。標準地內每木檢尺，測量胸徑、樹高、枝下高、冠幅等測樹因子；利用GPS獲取標準地的地理坐標及海拔，用羅盤儀測量坡度、坡向并調查坡位、土壤類型等環境因子；在每個樣地內開挖寬1 m、深度1 m的土壤剖面，記錄土層厚度以及腐殖層厚度等信息。樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息

2.2 立地因子分類劃級標準的確定

立地類型劃分是對不同立地條件和生產潛力的林地進行科學的分類，是森林立地質量評價的首要條件[21]。立地因子的選擇必須與優勢高的生長具有密切的相關性，才能使森林生產力的預估和評價客觀、準確[22]。本研究根據湖北省日本落葉松主產區的地形特征和研究需要，選擇土層厚度、坡度、坡位、坡向、海拔、腐殖層厚度、地形地貌、石礫含量和土壤質地9個因子，對各因子進行分級劃分，劃分標準見表2。

表2 立地因子的類目劃分

2.3 主成分分析

主成分分析是利用降維的思想，在盡量保存主要信息的情況下，把多個指標轉化為幾個綜合指標的多元統計方法，是對影響林分穩定性因子的一個有效擇優方式[12]。本研究運用Excel軟件對地形環境因子、土壤環境因子和測樹因子數據進行整理，運用SPSS 17.0軟件對立地因子進行主成分分析，篩選出對日本落葉松生長影響最為顯著的立地因子作為主導立地因子。

2.4 數量化理論Ⅰ模型

數量化方法是分析在數據中含有定性因子的一類統計方法，通過數量化方法，把不能用數值表示的非數量化因子轉化為數量化因子，從而掌握各因子之間的定量關系[23]。本研究應用數量化理論Ⅰ，將各樣地內優勢木平均高值作為因變量，各主要立地因子作為自變量[24]。數量化理論Ⅰ模型如式(1)。

其中，當第i塊樣地中第j項目的定性數據為k類目時δi(j,k)=1，否則δi(j,k)=0。y是自變量，yi是第i塊地的立地指數（i=1,2,3,…,n為樣地數）；b0為常數項；j=1,2,3,…,m為立地因子數；k=1,2,3,…,ri為第k個水平；δ(j,k)為第j個因子第k個水平的等級反映（0或1）；bjk為j立地因子的第k水平的得分值。

根據數量化理論Ⅰ模型，運用最小二乘原理擬合bjk的最小估計值，得到的預測方程如式(2)。

3 結果與分析

3.1 主導立地因子的篩選

運用SPSS 17.0對影響日本落葉松生長的9個立地因子進行因子分析。結果（表3）表明，前5個默認提取主成分的累積貢獻率所包含的信息占總體信息的84.803%，因而可以選擇前5個主成分進行油松人工林立地質量評價。

表3 日本落葉松人工林主成分分析結果

為突出每個主成分所包含的具體立地因子，對成分矩陣進行旋轉，結果見表4。由旋轉后的成分矩陣可以看出，第1個主成分主要由海拔(0.857)、石礫含量(0.879)和土壤質地(0.514)決定，第2個主成分主要由土層厚度(0.931)、腐殖層厚度(0.617)和地形地貌(-0.749)決定，第3個主成分主要由坡位(-0.889)和土壤質地(0.694)決定，第4個主成分主要由坡度(0.974)決定，第5個主成分主要由坡向(0.981)決定。每個主成分中選擇所占比最高的立地因子作為影響日本落葉松生長的主導立地因子，第一主成分中海拔和石礫含量所占比例十分接近，由于在實際調查中，海拔數據易于測量且石礫含量的測量誤差較大，因此選擇海拔作為主導因子，影響順序為海拔＞土層厚度＞坡位＞坡度＞坡向。

表4 旋轉后的成分矩陣

3.2 立地因子分析

根據表2中的分類劃級標準，在ForStat中利用數量化理論Ⅰ，建立日本落葉松優勢木平均高與各立地因子間的關系模型，結果見表5～6。由表可以看出，模型的F檢驗達到極顯著水平(P＜0.01)，能夠用于實際生產。依據P＞F值，結合各因子平方和，各立地因子對于基準變量的貢獻率由大到小依次為坡度(X1)＞土層厚度(X2)＞海拔(X3)＞坡位(X4)＞坡向(X5)。

表5 湖北省杉木人工林原始數據分類表

表6 湖北省杉木人工林各因子方差分析表

3.3 數量化理論預測方程

利用預測方程[式(2)]計算出各因子的待定系數值，將系數帶入方程中得到各標準地優勢木平均高的預測方程，如式(3)。

將各因子得分值進行整理可得到數量化立地質量得分表（表7），經計算，模型的復相關系數R=0.7362。由表可知，隨著土層厚度的增加，相應的類目得分值逐漸增大(X23＞X22＞X21)，并且可以看出，中坡度、厚土層、中海拔、陽坡、中坡位立地條件更有利于日本落葉松的生長。

表7 數量化立地質量得分

3.4 立地類型劃分

根據篩選出的主導立地因子，參考分區分類原則，采用立地區劃單位和分類單位相統一的分類系統來進行研究區的立地類型劃分?？紤]到坡位與海拔、土層厚度之間有很強的一致性，海拔和土層厚度包含了坡位的大部分影響，并且結合主成分分析中各成分因子的貢獻率，坡向因子的貢獻率較小(8.849%＜10%)，本著簡單實用的原則，選擇坡度、土層厚度和海拔3個立地因子對日本落葉松人工林立地類型進行劃分。采用海拔因子劃分立地類型區、坡度因子劃分立地類型組、土層厚度劃分立地類型，除去樣地中未收集到的立地類型，共劃分為16類，具體見表8。

3.5 立地質量評價時

根據湖北省日本落葉松有林地制定的立地質量得分表對日本落葉松立地質量進行評價，能夠對其他具有相似立地類型的林地進行生產力預估。將各類目的得分值極差和優、良、中、差4個立地等級進行3等分，計算結果表明，立地質量得分值y≥20.422299的標準地立地質量為優，17.243092≤y≤20.422299的標準地立地質量為良，14.063885≤y≤17.243092的標準地立地質量為中，y≤14.063885的標準地立地質量為差。對16種立地類型進行立地質量評價的結果見表8，80塊標準地中有17塊標準地立地質量評價結果為優，占總標準地的21.25%；40塊標準地立地質量評價結果為良，占總標準地的50.00%；15塊標準地立地質量評價結果為中，占總標準地的18.75%；8塊標準地立地質量評價結果為差，占總標準地的10.00%。湖北省日本落葉松人工林立地質量總體處于中等偏上水平，較適合落葉松的生長。

表8 立地類型劃分結果

4 結論與討論

利用主成分分析法對影響湖北省日本落葉松人工林生長的主導立地因子進行篩選，結果表明，海拔、土層厚度、坡位、坡度、坡向5個因子所包含的信息占總體的84.803%，能夠作為影響日本落葉松生長的主導立地因子。因子分析的結果表明，模型的F檢驗達到極顯著水平(P＜0.01)，能夠用于實際生產。利用數量化理論Ⅰ模型建立優勢高與立地因子之間的多元線性回歸，根據回歸結果，結合因子貢獻率，本著簡單實用的原則，選擇海拔、坡位和土層厚度3個因子將研究區劃分為3個立地類型區、3個立地類型組和17個立地類型區。

立地質量評價結果顯示，研究區日本落葉松人工林立地質量評價得分介于14.063884～23.601506之間，根據各標準地立地質量得分值，將研究區立地質量劃分為優、良、中、差4個等級。研究區立地質量在中等偏上水平的標準地占90.00%，表明研究區立地質量總體處于中等偏上水平，這與孫擁康[15]對于鄂西山區日本落葉松的立地質量評價結果一致。日本落葉松人工林種植區域在湖北省分布較為合理，研究區適合日本落葉松生長。

地形和土壤因子是影響立地質量的重要因子，能夠直接影響與植物生長息息相關的光照強度、土壤水分以及土壤養分。本研究中，對日本落葉松人工林生長產生主要影響的因子為坡度、土層厚度和海拔，這與李忠國[23]得出海拔、坡度和土層厚度是影響北亞熱帶中山區日本落葉松主導因子的結論一致。

近年來，國內多地松樹陸續感染松材線蟲病，致使松樹大面積枯死，對松樹經營和生產以及生態環境產生了重大影響，造成了巨大的經濟損失。日本落葉松作為湖北省中高海拔地區速生豐產林和生態公益林的主要樹種，于2018年開始爆發松材線蟲病，對恩施州多個林區的日本落葉松已經產生影響。因此，降低并防治松材線蟲病對松樹影響尤為緊迫。馬菁[25]研究發現，松材線蟲病的發生與松樹生長所處的海拔、立地質量、坡向、坡位、樹高、胸徑6個生態因子相關性較高，指出樹高、胸徑小、海拔低、立地質量差、陽坡和上坡位的植株受害率要高。因此，結合日本落葉松人工林立地分類和立地質量評價結果，培育受病率低且生產力高的日本落葉松人工林是進一步研究的重點。