王岳 王海燕 李旭 何麗鴻 李衛(wèi)松

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

責(zé)任編輯:潘 華。

林分優(yōu)勢(shì)木樹高、胸徑調(diào)查是表征該林分生產(chǎn)潛力的重要數(shù)據(jù)來源。有研究表明，優(yōu)勢(shì)木的樹高與林分密度及間伐強(qiáng)度關(guān)系不大［1－3］，因此，立地條件和氣候因子就成為其主要影響因素。基準(zhǔn)年齡下優(yōu)勢(shì)木的平均高，即地位指數(shù)，常被用來反映立地生產(chǎn)力的大小，且因其調(diào)查方法相對(duì)簡(jiǎn)單而得到了廣泛應(yīng)用，但此方法不能完全說明立地條件的復(fù)雜特征，尤其是土壤因子對(duì)優(yōu)勢(shì)木生長(zhǎng)的影響。此外，隨著直徑生長(zhǎng)模型研究的深入［4－5］，運(yùn)用胸徑、樹高、材積共同表征林分內(nèi)樹木的生長(zhǎng)情況更加系統(tǒng)和科學(xué)。不同林分條件下的樹高—胸徑曲線，不論是普通樹高曲線還是標(biāo)準(zhǔn)樹高曲線，均以林分因子如樹高、胸徑、優(yōu)勢(shì)木平均高、優(yōu)勢(shì)木平均胸徑、林分公頃斷面積等作為模型變量［6－8］。模型的類型也有較新變化，如符利勇等［9］、李春明等［10］利用非線性混合模型對(duì)杉木優(yōu)勢(shì)木平均高進(jìn)行了研究，賴巧玲等［11］則應(yīng)用非參數(shù)估計(jì)構(gòu)造樹高曲線，這些變量易于測(cè)量和計(jì)算，擬合效果好且對(duì)生產(chǎn)具有實(shí)際指導(dǎo)意義，但立地條件中土壤因子對(duì)樹高—胸徑曲線中變量的影響卻鮮有研究。

蒙古櫟(Quercus mongolica)是我國落葉櫟中分布最北的一個(gè)種，是營(yíng)造防風(fēng)林、水源涵養(yǎng)林及防火林的優(yōu)良樹種，同時(shí)也是落葉櫟類中抗逆性較強(qiáng)的樹種之一。它是我國東北地區(qū)針闊混交林的主要建群種，具有重要的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值［12］，在維持地域生態(tài)平衡和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建中起到重要作用。本文以吉林汪清林業(yè)局塔子溝林場(chǎng)蒙古櫟林為對(duì)象，通過測(cè)樹因子調(diào)查和土樣測(cè)定分析，探討了土壤養(yǎng)分因子對(duì)蒙古櫟林優(yōu)勢(shì)木生長(zhǎng)的影響，以期為該區(qū)域森林經(jīng)營(yíng)管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省汪清林業(yè)局塔子溝林場(chǎng)(129°56'～131°04'E，43°05'～43°40'N)，屬山地丘陵地帶，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.9 ℃，年平均降水量547 mm。在林場(chǎng)范圍內(nèi)選取12 塊1 hm2大樣地，樣地是以蒙古櫟為主要建群種的蒙古櫟闊葉混交林，闊葉樹種有水曲柳(Fraxinus mandshurica)、白樺(Betula platyphylla)、紫椴(Tilia amurensis)、楓樺(Betula costata)、榆樹(Ulmus propinqua)等。林下植被豐富，灌木主要有瑞香(Daphne koreanum Nakai)、稠李(Prunus padus)、刺玫薔薇(Rose dahurica)等30 余種，草本主要有艾蒿(Artemisia vulgaris)、白花碎米薺(Cardamine leucantha)、白屈菜(Chelidonium majus)等200 余種。土壤類型以暗棕壤為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在12 塊1 hm2大樣地中，以20 m×100 m 共設(shè)置60 塊樣地，并將其平均分為20 個(gè)10 m×10 m 樣方，每個(gè)樣方內(nèi)采集0～20 cm 土樣并充分混合，得到60 個(gè)混合土樣。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)定［13］測(cè)量樣地內(nèi)蒙古櫟樹高和胸徑，選取5 株最高木作為優(yōu)勢(shì)木。

2.2 樹木材積的計(jì)算

根據(jù)GB 4814—84 中的計(jì)算公式(當(dāng)D＞14 cm，V=0.785 4L［D+0.5L+0.005L2+0.000 125L(14－L)2(D－10)］2/10 000;當(dāng)2＜D＜14 cm，V=0.785 4L(D+0.45L+0.2)2/10 000，其中D 為胸徑，L 為樹高，V 為材積)計(jì)算蒙古櫟材積。

2.3 土壤養(yǎng)分因子的測(cè)定

測(cè)定混合土樣中有機(jī)質(zhì)—外加熱重鉻酸鉀氧化—容量法;全磷—硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法;全鉀—?dú)浞帷呗人嵯蟆鹧婀舛扔?jì)法;全氮—硫酸—高氯酸消煮—?jiǎng)P氏定氮儀法;有效磷—氟化銨—鹽酸—鉬銻抗比色法;速效鉀—中性乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法;土壤pH 值—酸度計(jì)法(V(水)∶V(土)=2.5 ∶1.0)［14］。

2.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010 和SPSS 18.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用Pearson 相關(guān)系數(shù)表征兩變量間的線性相關(guān)程度。

式中，Cov(X，Y)是隨機(jī)變量X 和Y 的協(xié)方差;Var(X)和Var(Y)分別為變量X 和Y 的方差。

選取顯著相關(guān)變量，運(yùn)用常用的6 種曲線模型對(duì)林分測(cè)樹因子與土壤變量進(jìn)行擬合(表1)，并采用多元線性逐步回歸方法分析模型中土壤因子的組成。

表1 曲線模型方程

3 結(jié)果與分析

60 塊20 m×100 m 樣地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及優(yōu)勢(shì)木調(diào)查數(shù)據(jù)見表2。樣地均符合材積計(jì)算公式要求，數(shù)據(jù)具有代表性。

表2 土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及優(yōu)勢(shì)木樹高、胸徑統(tǒng)計(jì)

續(xù)(表2)

對(duì)表2中土壤變量及優(yōu)勢(shì)木指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，各變量間相關(guān)系數(shù)及顯著性見表3。由表3可以看出，優(yōu)勢(shì)木平均胸徑和樹高之間并沒有顯著相關(guān)關(guān)系，而與土壤pH 值、有效磷及全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)。將優(yōu)勢(shì)木平均胸徑分別與土壤pH 值、有效磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行擬合，得到參數(shù)檢驗(yàn)與模型檢驗(yàn)均顯著且擬合優(yōu)度(調(diào)整R2)最高分別是“S”形曲線、“S”形曲線和Logistic 曲線(表4)。由圖1和圖2可以看出，雖然同為“S”形曲線，但樣地間土壤pH 值差異并不大，這說明樣地內(nèi)優(yōu)勢(shì)木平均胸徑與土壤pH 值之間的顯著相關(guān)性實(shí)際上是通過影響樣地內(nèi)其他元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來體現(xiàn)。因此，用土壤pH 值與優(yōu)勢(shì)木的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合并不能反映出pH 值對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響。

續(xù)(表3)

表4 曲線回歸分析參數(shù)估計(jì)

圖1 胸徑與土壤pH 值“S”形曲線

圖2 胸徑與土壤有效磷“S”形曲線

圖3 胸徑與土壤全鉀“Logistic”曲線

將優(yōu)勢(shì)木平均胸徑與這3 個(gè)土壤因子進(jìn)行多元線性回歸分析(表5)。

表5 多元線性回歸參數(shù)

發(fā)現(xiàn)僅土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)入模型HDB=26.70+0.036PA。由此方程可以得出，當(dāng)胸徑大于27 cm 時(shí)，雖然優(yōu)勢(shì)木平均胸徑仍隨土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，但其增幅明顯降低，即土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)胸徑的影響明顯減小。當(dāng)胸徑達(dá)到27 cm 時(shí)曲線的斜率明顯降低，這與二者曲線模型擬合結(jié)果相一致(圖1—圖3)。

4 結(jié)論與討論

土壤因子對(duì)立地生產(chǎn)力有顯著影響，作為立地條件的重要組成部分，土壤養(yǎng)分因子對(duì)優(yōu)勢(shì)木平均胸徑影響顯著，雖然土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤養(yǎng)分有效性及根系分布有一定影響，但不論是曲線回歸還是多元線性回歸，最終進(jìn)入模型的土壤變量都是土壤養(yǎng)分因子。相關(guān)分析結(jié)果表明，優(yōu)勢(shì)木樹高、胸徑間無顯著相關(guān)關(guān)系。但本文分析只針對(duì)優(yōu)勢(shì)木，不能說明全林分條件下胸徑、樹高之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

以往的樹高—胸徑曲線是基于樣地內(nèi)調(diào)查的全部樹木數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模型檢驗(yàn)，因此曲線的擬合效果較好［15－16］。本研究中優(yōu)勢(shì)木樹高和胸徑并沒有呈現(xiàn)顯著線性相關(guān)，說明在樹木生長(zhǎng)過程中胸徑隨樹高的變化并不能夠用簡(jiǎn)單的線性關(guān)系描述［17］，對(duì)于不同樹種，曲線模型的精度也達(dá)不到要求，因此混合模型得到應(yīng)用［18］。不同生長(zhǎng)階段樹高、胸徑關(guān)系發(fā)生變化的原因可能是在成為種群中優(yōu)勢(shì)個(gè)體之后，由于樹高較高，對(duì)于林分內(nèi)各個(gè)因子的爭(zhēng)奪也處在相對(duì)優(yōu)勢(shì)的地位，并不需要通過植株的增粗對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

土壤pH 值影響樹木生長(zhǎng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是影響植物根系生長(zhǎng)，二是影響土壤養(yǎng)分的有效性。隨著土層加深，土壤pH 值有增大的趨勢(shì)，但作為土壤養(yǎng)分因子中變異系數(shù)最小的因子［19－20］，不同樣地間同一土層的土壤pH 值差異不大，即使樣地表層土壤間pH 值略有不同，pH 值也不能作為數(shù)值型變量與其他土壤因子一起與因變量進(jìn)行模型擬合，其主要作用是判斷土壤基本性質(zhì)或是分析不同層次間土壤pH 與養(yǎng)分吸收的關(guān)系。因此，優(yōu)勢(shì)木平均胸徑雖然與土壤pH 值有顯著相關(guān)關(guān)系，但這種相關(guān)性的本質(zhì)是pH 值對(duì)樹木吸收養(yǎng)分的影響。

對(duì)樣地內(nèi)優(yōu)勢(shì)木平均胸徑與土壤因子的多元線性回歸分析，最終進(jìn)入模型的僅土壤有效磷。土壤養(yǎng)分全量與有效量一直是土壤測(cè)定分析的重要指標(biāo)，全量表征的是土壤支持林分生長(zhǎng)的潛力，而實(shí)際為樹木生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)元素的是土壤中元素的有效量。由于表層土壤枯落物較多，促進(jìn)枯落物及有機(jī)質(zhì)分解的微生物的活動(dòng)相對(duì)頻繁，表層土壤的元素有效量對(duì)植物生長(zhǎng)的作用更加重要。P 元素作為植物所需大量營(yíng)養(yǎng)元素，是細(xì)胞中磷脂、核酸、核蛋白等化合物的組成成分，參與脂肪代謝及碳水化合物的代謝和運(yùn)輸，對(duì)植物生長(zhǎng)具有重要意義。由于一般樹木的生長(zhǎng)，在幼齡時(shí)樹高生長(zhǎng)明顯，表現(xiàn)為樹高的速生期，但生長(zhǎng)到一定高度時(shí)，生長(zhǎng)減慢，而徑生長(zhǎng)加快，表現(xiàn)為胸徑生長(zhǎng)的速生期，因此在胸徑生長(zhǎng)旺盛時(shí)期有效磷濃度對(duì)其影響較小，即為圖2表現(xiàn)出的斜率顯著降低，P 元素對(duì)植物光合作用影響較大，在以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主的中、幼齡時(shí)期，作為細(xì)胞分裂原料的核酸、核蛋白等對(duì)樹木生長(zhǎng)影響較大，宏觀上同樣表現(xiàn)為P 元素對(duì)樹高生長(zhǎng)的影響。

本研究中，優(yōu)勢(shì)木對(duì)于土壤因子的響應(yīng)并不十分顯著，原因可能是當(dāng)樹高達(dá)到一定高度時(shí)，樹木根系的生長(zhǎng)也相對(duì)發(fā)達(dá)，整體對(duì)于土壤養(yǎng)分的吸收處于優(yōu)勢(shì)地位，此時(shí)，光照、溫度和水分等氣候因子成為影響樹木生長(zhǎng)的主要因子，這也是優(yōu)勢(shì)木在自然條件下不易枯死的原因。圖3反映出的優(yōu)勢(shì)木平均胸徑隨土壤全鉀濃度升高而降低的趨勢(shì)不符合大量營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響規(guī)律，具體原因還需要進(jìn)一步研究。雖然土壤因子與立地指數(shù)相關(guān)性不顯著，與優(yōu)勢(shì)木平均胸徑的各模型的擬合優(yōu)度不高，但綜合樹木生長(zhǎng)規(guī)律，土壤仍然是重要的立地因子之一。今后，可以運(yùn)用相對(duì)靈活的模型，通過不同算法間的轉(zhuǎn)化及函數(shù)變量的適當(dāng)變形，使得土壤因子與優(yōu)勢(shì)木林分因子的擬合效果更好，還可利用徑階等分類原理分別探究土壤養(yǎng)分濃度對(duì)不同樹高范圍和胸徑的影響。

［1］ Wang M L，Borders B E，Zhao D H.Parameter estimation of based-age invariant site index models:which date structure tousereply［J］.Forestry Science，2008，54(2):129－133.

［2］ Fang Z X，Bailey R L.Nonlinear missed effects modeling for slash pine dominant height growth following intensive silvicultural treatments［J］.Forestry Science，2001，47(3):287－300.

［3］ 相聰偉，張建國，段愛國.山地杉木人工林優(yōu)勢(shì)木選擇方法的研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，40(9):51－53.

［4］ Trasobares A，Pukkala T.Using past growth to improve individualtree diameter growth models for uneven-aged mixtures of Pinus sylvestris L.and Pinus nigra Arn.in Catalonia，north-east Spain［J］.Annals of Forest Science，2004，61(5):409－417.

［5］ Pukkala T，Lahde E，Laiho O.Growth and yield models for uneven-sized forest stands in Finland［J］.Forest Ecology and Management，2009，258(3):207－216.

［6］ 胥輝，全宏波，王斌.思茅松標(biāo)準(zhǔn)樹高曲線的研究［J］.西南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，20(2):74－77.

［7］ Adame P，Rio M D，Canellas I.A mixed nonlinear height-diameter model for Pyrenean oak(Quercus pyrenaica Willd.)［J］.Forest Ecology and Management，2008，256(1/2):88－98.

［8］ Sharma M，Parton J.Height-diameter equations for boreal tree species in Ontario using a mixed-effects modeling approach［J］.Forest Ecology and Management，2007，249:187－198.

［9］ 符利勇，張會(huì)儒，唐守正.基于非線性混合模型的杉木優(yōu)勢(shì)木平均高［J］.林業(yè)科學(xué)，2012，48(7):66－72.

［10］ 李春明，張會(huì)儒.利用非線性混合模型模擬杉木林優(yōu)勢(shì)木平均高［J］.林業(yè)科學(xué)，2010，46(3):89－95.

［11］ 賴巧玲，胥輝，楊為民.非參數(shù)估計(jì)在構(gòu)造樹高曲線中的應(yīng)用［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(4):77－81.

［12］ 李文英，顧萬春.蒙古櫟天然群體表型多樣性研究［J］.林業(yè)科學(xué)，2005:41(1):49－57.

［13］ 中華人民共和國林業(yè)部.林業(yè)專業(yè)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1990.

［14］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.3 版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［15］ 王明亮，唐守正.標(biāo)準(zhǔn)樹高曲線的研制［J］，林業(yè)科學(xué)研究，1997，10(3):259－264.

［16］ Temesgen H，Gadow K V.Generalized height-diameter models:an application for major tree species in complex stands of interior British Columbia［J］.European Journal of Forest Research，2004，123(1):45－51.

［17］ 李海奎，法蕾.基于分級(jí)的全國主要樹種樹高:胸徑曲線模型［J］.林業(yè)科學(xué)，2011，48(10):83－91.

［18］ Meng S X，Huang S，Lieffers V J.Wind speed and crown class influence the height-diameter relationship of lodgepole pine:nonlinear mixed effects modeling［J］.Forest Ecology and Management，2008，256(4):570－577.

［19］ 楊曉娟.東北長(zhǎng)白山系低山丘陵區(qū)不同林分土壤肥力質(zhì)量研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2013.

［20］ 任麗娜，王海燕，丁國棟，等.華北土石山區(qū)人工林土壤健康評(píng)價(jià)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(6):46－52.