陜西洛南油松人工林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

石夢(mèng)婷，馮自茂，郝紅科，王迪海，楊培華，謝俊鋒，孫衛(wèi)鵬，張春霞*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 國(guó)家林業(yè)和草原局油松工程技術(shù)研究中心/林學(xué)院，陜西 楊陵 712100;2.洛南縣古城國(guó)有林場(chǎng)，陜西 洛南 726107)

森林作為最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有涵養(yǎng)水源、固碳放氧、防風(fēng)固沙、保持生物多樣性以及改善環(huán)境等重要的功能[1-3]，并帶來(lái)了巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值[4,6-7]。隨著人們對(duì)于森林資源需求的快速增長(zhǎng)，人工林在我國(guó)木材生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)中都發(fā)揮著不可替代的作用，人工林早已成為我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[8-9]。但由于林業(yè)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，見(jiàn)效慢的特點(diǎn)，如何保證人工林的質(zhì)量以及森林經(jīng)營(yíng)結(jié)果評(píng)價(jià)一直是森林經(jīng)營(yíng)中的重點(diǎn)問(wèn)題[10-11]。因此對(duì)與森林生長(zhǎng)情況的評(píng)價(jià)是進(jìn)行森林經(jīng)營(yíng)的前提，而其中影響森林生長(zhǎng)最重要的因素之一就是森林立地質(zhì)量。森林立地質(zhì)量是指某一立地上既定森林或其他植被類型的生產(chǎn)潛力[12]。而對(duì)于立地質(zhì)量的評(píng)價(jià)有利于了解、掌握林地的立地條件，為造林規(guī)劃設(shè)計(jì)、適地適樹(shù)、布局樹(shù)種、預(yù)測(cè)森林生產(chǎn)力、地力維持和經(jīng)營(yíng)管理等提供了支持[13-14]。

油松(Pinustabuliformis)是我國(guó)西北地區(qū)重要的造林樹(shù)種之一，由于其耐干旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在水土保持、水源涵養(yǎng)、修復(fù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的作用[15]。目前，已有一些學(xué)者通過(guò)樹(shù)木生長(zhǎng)狀況評(píng)價(jià)立地質(zhì)量[16-17]，還有一些學(xué)者通過(guò)編制立地指數(shù)表用于評(píng)價(jià)立地質(zhì)量[18]，甚至隨著遙感等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，一些外國(guó)學(xué)者還基于光譜測(cè)定、數(shù)字高程模型及其他遙感數(shù)據(jù)建立了立地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型[19-20]。在黃土高原地區(qū)，人工栽培的油松林長(zhǎng)勢(shì)不一，有的林分群落結(jié)構(gòu)合理，林地水肥條件優(yōu)越，能夠持續(xù)發(fā)育，但也有一些油松人工林表現(xiàn)不佳[21]。本研究主要是通過(guò)對(duì)于洛南地區(qū)不同立地下油松人工林的調(diào)查，從而劃分立地類型，對(duì)不同立地類型條件下的油松進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為洛南地區(qū)油松森林培育、提高林地質(zhì)量以及可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于陜西省東南部商洛市的洛南縣(33°52′00″-34°25′58″N，109°44′10″-110°40′06″E)，是商洛市唯一黃河流域縣，海拔670～2 646 m，平均海拔為1 200 m。其地勢(shì)西北高，東南低，山坡北陡南緩，在構(gòu)造上屬斷塊掀升的山地。洛南縣受暖溫帶南緣季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候的影響，四季分明，氣候溫和，年平均氣溫為11.1℃，最低氣溫為-18℃，最冷月平均氣溫-2～-6℃，最高溫度可達(dá)37.1℃，≥10℃的積溫3 453.6℃，年平均無(wú)霜期195 d，全年日照時(shí)數(shù)2 043.2 h，多年平均降水量756 mm[22]。調(diào)查區(qū)內(nèi)喬木樹(shù)種為油松，林下灌木主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、小葉菝葜(Smilaxmicrophylla)等，主要草本物種有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、白茅(Imperatacylindrica)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本研究以海拔、坡度、坡向、坡位為主要立地因子，在不同立地條件下共設(shè)置了63塊面積為20 m×30 m的樣地。采用GPS獲取地理坐標(biāo)及海拔，用羅盤(pán)儀測(cè)量坡度、坡向，并記錄調(diào)查坡位、土壤類型、氣象因素、經(jīng)營(yíng)水平等環(huán)境因子；在每塊樣地中進(jìn)行每木檢尺(測(cè)定樹(shù)種的樹(shù)高、胸徑、冠幅等生長(zhǎng)因子)。處理數(shù)據(jù)時(shí)按如下公式計(jì)算研究區(qū)內(nèi)油松的單株材積[23]。

V=0.102 5πD2(H+3)

(1)

式中，V為單株材積，D為胸徑，H為樹(shù)高。

2.2 立地分類及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

立地因素的選擇須與樹(shù)木的生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)，其中非生物環(huán)境因素是人工林立地類型劃分的主要根據(jù)[24]，在此調(diào)查區(qū)，氣候條件基本不變，立地差別主要由地形因子影響。根據(jù)洛南地區(qū)地形特征和研究需要，本研究選取的因子為海拔、坡度、坡向、坡位和林齡(表1)。本研究調(diào)查林區(qū)海拔主要為800～1 140 m，將實(shí)測(cè)樣地海拔高度分為2個(gè)相對(duì)的等級(jí)：海拔<970 m為低海拔，海拔≥970 m為高海拔；根據(jù)林區(qū)所測(cè)樣地位置，將固定樣地分為上坡(山坡相對(duì)高2/3以上)、中坡位(山坡相對(duì)高1/3～2/3)和下坡位(山坡相對(duì)高1/3以下)3部分；將坡度陡峭程度相對(duì)分為3類，分別為急陡坡(≥35°)、較陡坡(20°～35°)以及平緩坡(<20°)；坡向分為陰坡和陽(yáng)坡。

表1 立地因子類目劃分

2.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算以及相關(guān)性分析。根據(jù)樣地采集的數(shù)據(jù)，利用數(shù)量化理論Ⅰ，將海拔、林齡、坡度、坡向和坡位5項(xiàng)作為類目，各因子不同的分級(jí)作為對(duì)應(yīng)的類別。將每一類目對(duì)應(yīng)的觀察值為0或者1，建立[0,1]反應(yīng)矩陣表。用Forstat進(jìn)行數(shù)量化理論Ⅰ的分析[25]，建立油松平均高與因子的預(yù)測(cè)方程，并對(duì)各立地因子、水平數(shù)量化綜合系數(shù)及檢驗(yàn)。將立地分類結(jié)果用數(shù)量化理論Ⅱ建立判別模型，并考察該模型的判別能力[26]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡油松優(yōu)勢(shì)木生長(zhǎng)情況

本研究以海拔、坡度、坡向、坡位為主要立地因子設(shè)置了不同立地類型的63塊油松人工林樣地，調(diào)查樣地內(nèi)油松的樹(shù)高、胸徑、冠幅等生長(zhǎng)指標(biāo)，對(duì)不同林齡的油松人工林內(nèi)優(yōu)勢(shì)木的生長(zhǎng)因子進(jìn)行對(duì)比分析(圖1)。隨著林齡的增長(zhǎng)，林分在胸徑(圖1A)、樹(shù)高(圖1B)及單株材積(圖1C)的增長(zhǎng)上均存在顯著差異。油松人工林在第10～20年時(shí)胸徑及樹(shù)高增長(zhǎng)最為顯著，由5.0 cm、3.4 m分別增長(zhǎng)為8.3 cm和7.3 m；油松人工林在10～20 a和20～30 a平均單株材積增長(zhǎng)量較高，分別為0.019 0 m3和0.016 0 m3，而30～40 a有所下降，為0.001 0 m3。

注：A.平均樹(shù)高；B.平均胸徑；C.平均材積；圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 各因子方差分析

利用數(shù)量化理論研究立地類型對(duì)于調(diào)查區(qū)內(nèi)不同林齡油松人工林的影響。由于立地因子對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的影響較大[27]，故此次調(diào)查根據(jù)63塊樣地采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)量化理論Ⅰ，在Forstat中對(duì)各立地因子的不同水平進(jìn)行方差分析(表2)。林齡對(duì)油松樹(shù)高的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，坡度對(duì)樹(shù)高的影響也較顯著(P<0.05)，利用相同的處理對(duì)胸徑的影響因子進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，海拔和坡度對(duì)于油松胸徑生長(zhǎng)的影響顯著。

3.3 數(shù)量化理論Ⅰ預(yù)測(cè)方程

根據(jù)預(yù)測(cè)方程計(jì)算出待定系數(shù)值，將系數(shù)帶入方程得到各樣地平均高的預(yù)測(cè)方程：Y=2.849 098+0.497 629X11+X12+0.125 249X21+X22+0.343 571X31+0.353 796X32+X33+0.462 006X41+0.762 331X42+X43+3.290 282X51+4.587 983X52+5.713 083X53+X54。此預(yù)測(cè)方程是關(guān)于林齡、海拔、坡向、坡位和坡度5個(gè)因子的量化方程，式中系數(shù)表示每個(gè)類目的得分，即可算出不同類目的得分值。Y代表樹(shù)高平均值；X11、X12、...、X55代表5個(gè)因子劃分的15個(gè)變量，其中X1代表海拔(X11、X12分別代表高海拔，低海拔)，X2代表坡向(X21、X22分別代表陰坡和陽(yáng)坡)，X3代表坡位(X31、X32、X33分別代表下坡、中坡、上坡)，X4代表坡向(X41、X42、X43分別代表較陡坡、平緩坡、急陡坡)，X5代表林齡(X51、X52、X53、X54分別代表20、30、40 a和10 a)。由預(yù)測(cè)方程及得分值可知，隨著坡度的增大，立地的得分值越低。高海拔(≥970 m)、陰坡、中坡位且平緩坡在所屬類別中分別得分最高，即這些條件更利于油松的生長(zhǎng)。

表2 油松人工林各因子方差分析

3.4 立地得分與立地分類質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)不同類目的得分值可計(jì)算出在4個(gè)立地因子影響下，本研究的油松人工林樣地得分值，并以其為依據(jù)劃分立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)(表3)。根據(jù)預(yù)測(cè)方程運(yùn)算的每塊樣地的得分值，各立地因子代數(shù)和最大值為1.60，最小值為0。將計(jì)算出的立地得分值按大小順序3等分，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)等級(jí)作為立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)，即等級(jí)Ⅰ(優(yōu)，得分值≥1.07)、Ⅱ(中，0.53≤得分值<1.07)、Ⅲ(差，得分值<0.53)。

表3 調(diào)查樣地得分評(píng)價(jià)

本研究調(diào)查的63塊樣地中，有45塊樣地的得分值>0.53，即調(diào)查樣地中71.43%的油松人工林樣地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)在中級(jí)以上，表明洛南地區(qū)內(nèi)油松人工林種植區(qū)域生長(zhǎng)條件較好。確定立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)后，根據(jù)海拔、坡向、坡位、坡度對(duì)洛南地區(qū)的油松人工林劃分立地類型，進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)(表4)。本研究在立地分類時(shí)，依據(jù)結(jié)果將油松人工林立地類型劃分為36種，其中有29種立地質(zhì)量處于中等及中等以上水平，適宜種植油松。

表4 立地分類結(jié)果

3.5 數(shù)量化理論Ⅱ判別分析

為迅速準(zhǔn)確地判別立地質(zhì)量，采用數(shù)量化理論Ⅱ建立了陜西洛南油松人工林立地質(zhì)量類型判別模型。選取坡向、坡位、坡度和海拔作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以51組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到了立地質(zhì)量的判別系數(shù)矩陣(表5)，確定不同立地質(zhì)量樣本在空間中的樣本中心判別坐標(biāo)分別為：立地質(zhì)量?jī)?yōu)組樣本中心點(diǎn)P1=(0.102 618，0.011 14)；立地質(zhì)量中組樣本中心點(diǎn)P2=(-0.008 306，-0.193 31)；立地質(zhì)量差組樣本中心點(diǎn)P3=(-0.242 452，-0.027 41)。利用該模型對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行回判，判別結(jié)果正確率達(dá)88.82%。

表5 判別系數(shù)矩陣

將該數(shù)量化理論Ⅱ判別模型用于判別預(yù)測(cè)余下的12組樣本數(shù)據(jù)，對(duì)該判別模型進(jìn)行檢驗(yàn)(表6)，僅有待判樣地1判斷有誤，正確率達(dá)91.67%，表明該模型具有良好的判別能力，可以用來(lái)判別預(yù)測(cè)洛南油松人工林的立地質(zhì)量。

表6 待判樣地結(jié)果

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

本研究對(duì)不同林齡油松優(yōu)勢(shì)木生長(zhǎng)因子調(diào)查表明，油松人工林在10～20 a時(shí)胸徑及樹(shù)高生長(zhǎng)較為迅速，隨后生長(zhǎng)較之前緩慢。李校等[16]研究表明樹(shù)高的平均生長(zhǎng)量在早期逐漸升高，至15 a后緩慢，而胸徑的平均生長(zhǎng)量逐漸增加，至10 a后逐漸下降，至20 a時(shí)降至最低，這也解釋了本次研究時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象，而單株材積與胸徑和樹(shù)高有著正相關(guān)的關(guān)系，因此出現(xiàn)了增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

近年來(lái)，基于測(cè)樹(shù)因子調(diào)查，已有大量的研究應(yīng)用數(shù)量化理論Ⅰ進(jìn)行立地質(zhì)量評(píng)價(jià)[28-30]。為獲取更具普遍性的規(guī)律，以油松平均樹(shù)高作為因變量，海拔、坡度、坡向等作為自變量來(lái)建立方程，經(jīng)分析評(píng)價(jià)結(jié)果表明，油松適宜在高海拔(≥960 m)、陰坡、中坡位且平緩坡的地方生長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，本研究還選取海拔、坡向、坡位和坡度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)利用數(shù)量化理論Ⅱ，建立立地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，準(zhǔn)確度達(dá)91.67%，表明該模型可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)立地質(zhì)量，可在實(shí)踐中利用。在此前的研究中，一些學(xué)者針對(duì)油松適宜生長(zhǎng)的立地提出了不同的觀點(diǎn)。段高輝等[12]通過(guò)立地質(zhì)量評(píng)價(jià)認(rèn)為油松林在陽(yáng)坡、低海拔(<1 400 m)且地勢(shì)平緩條件長(zhǎng)勢(shì)較好，而本研究的海拔分區(qū)更為細(xì)致，研究結(jié)果表明在高海拔(≥960 m)條件下長(zhǎng)勢(shì)更好。張春霞等[31]在陜西黃陵的研究表明油松最適宜生長(zhǎng)的立地條件為陰坡、下坡位及平緩坡，在王梅[32]以及韓文娟等[33]的研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是油松平均樹(shù)高、胸徑等生長(zhǎng)因子，還是土壤養(yǎng)分、灌木物種的豐富度及多樣性指數(shù)，均表明油松較宜生長(zhǎng)在陰坡條件。這主要是由于在陜北地區(qū)，水肥條件較差是限制油松生長(zhǎng)的關(guān)鍵性問(wèn)題。陽(yáng)坡溫度高，土壤含水率低，林木的生長(zhǎng)受到制約，而陰坡具有較強(qiáng)的保水保肥能力，水分狀況明顯好于陽(yáng)坡，更適宜油松的生長(zhǎng)。并且陰坡與陽(yáng)坡在土壤結(jié)構(gòu)及土壤養(yǎng)分上也存在著一定的差異[13,33]，這也可能是導(dǎo)致陰坡和陽(yáng)坡油松人工林種群生長(zhǎng)發(fā)育情況不同的原因之一。

目前，在黃土高原上，油松人工林主要還是在于發(fā)揮其水土保持及維護(hù)生物多樣性的功能[16]。而洛南油松人工林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)得分為0～1.603 531，整體得分值偏低。并且在張曉文等[34]的研究中指出河北平泉油松胸徑平均生長(zhǎng)量在5～10 a最大，峰值可達(dá)到0.51～0.63 cm·a-1，而本研究總體樣本生長(zhǎng)量偏小。筆者認(rèn)為主要有2個(gè)原因?qū)е麓私Y(jié)果。首先，油松在調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)生長(zhǎng)的主要限制因子是水分，調(diào)查洛南地區(qū)的樣地坡度較大，土層相對(duì)較薄，涵養(yǎng)水源能力較差，而油松為深根性樹(shù)種，入土較深[35]，故油松生長(zhǎng)情況不理想。其次，在油松林栽種后，幾乎未對(duì)油松進(jìn)行定株，導(dǎo)致林分過(guò)密，對(duì)油松的生長(zhǎng)造成了一定的影響，可通過(guò)疏伐調(diào)節(jié)林分密度改善油松的生長(zhǎng)情況。從整體評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，洛南油松人工林區(qū)域仍有較大的增長(zhǎng)空間，仍需加強(qiáng)對(duì)于相應(yīng)林分的經(jīng)營(yíng)管理。在今后的經(jīng)營(yíng)中，首先應(yīng)當(dāng)考慮立地因子，選擇適宜立地條件種植，其次應(yīng)適當(dāng)疏伐，移植闊葉樹(shù)種，改善林分狀況，提高林地生產(chǎn)力，使其能夠向可持續(xù)方向發(fā)展。

本研究還存在著一定不足，研究?jī)H觀察了油松林的生長(zhǎng)狀況并采用了數(shù)量化理論的評(píng)價(jià)方法，未與其他評(píng)價(jià)方法進(jìn)行比較，沒(méi)有探討土壤對(duì)于油松人工林生長(zhǎng)的影響。因此在未來(lái)還需要加強(qiáng)研究深度及與其他各項(xiàng)指標(biāo)建立相關(guān)性，從而提高對(duì)于立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

4.2 結(jié)論

對(duì)于油松人工林的生長(zhǎng)狀況研究發(fā)現(xiàn)，隨著林齡的增長(zhǎng)，油松人工林各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均有顯著的增高，尤其在第10～20年時(shí)樹(shù)高和胸徑增長(zhǎng)迅速，隨后至第40年時(shí)生長(zhǎng)速度較快，而單株材積在第10～30年增長(zhǎng)較為顯著。

在對(duì)洛南的大環(huán)境進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，選擇海拔、坡度、坡向、坡位作為影響因子，將洛南古城林場(chǎng)地區(qū)劃分為29個(gè)立地類型區(qū)。根據(jù)數(shù)量化理論Ⅰ模型得出油松平均高的預(yù)測(cè)方程，經(jīng)檢驗(yàn)該方程可以評(píng)價(jià)洛南油松人工林立地質(zhì)量。

采用數(shù)量化理論Ⅰ對(duì)洛南地區(qū)油松人工林的立地質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中Ⅰ、Ⅱ級(jí)均表明立地較適宜油松生長(zhǎng)。結(jié)果表明，71.43%的油松人工林樣地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)在中級(jí)以上，表明調(diào)查區(qū)域內(nèi)油松人工林立地條件較好，適宜油松生長(zhǎng)。

選取海拔、坡向、坡位和坡度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)利用數(shù)量化理論II，建立立地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，準(zhǔn)確度達(dá)91.67%，表明該模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)洛南古城林場(chǎng)的立地質(zhì)量，以便今后在實(shí)踐中利用。