李清順,王得軍,孫景梅,劉 勇
(1.國家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710048;2.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)和草原局 局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)
立地質(zhì)量是指在某一立地上既定森林或者其他植被類型的生產(chǎn)潛力,對林地立地質(zhì)量的有效科學(xué)評價(jià)是林地管理和經(jīng)營的基礎(chǔ)。目前,最為流行的立地質(zhì)量評價(jià)方法是采用一定年齡下的優(yōu)勢高,即立地指數(shù)[1-4]。為了獲取立地指數(shù),需要測得立木的年齡和優(yōu)勢高數(shù)據(jù)進(jìn)而建立年齡-優(yōu)勢高方程。但是,由于生長環(huán)境和過程等因素的影響,只有年齡大、同齡、保存良好且未受破壞的純林或單一優(yōu)勢木的林分才能達(dá)到建立模型的要求[5-7]。正是由于這些限制,導(dǎo)致立地指數(shù)的應(yīng)用受到影響。在此情況下,立地形(或立地產(chǎn)量)作為一種替代立地指數(shù)的方法被提出[8]。立地形定義為指定胸徑下的優(yōu)勢高或亞優(yōu)勢高平均值,立地形的提出基于2個(gè)假設(shè):(1)立地形隨著削度(胸徑樹高比)的降低而升高;(2)在異齡或混交林分中,林分密度并不影響優(yōu)勢木或亞優(yōu)勢木的胸徑-樹高關(guān)系[8-9]。立地形從被提出就一直備受爭議,很多學(xué)者依據(jù)立地形對一定地區(qū)的立地質(zhì)量作了評價(jià),并認(rèn)為該方法對于異齡、混交林有效[10-14],而另外的學(xué)者則得出了相反的結(jié)論[15-16]。
對于立地質(zhì)量的評價(jià)一般采用固定樣地、臨時(shí)樣地或者解析木數(shù)據(jù)。不管采用哪種方法,年齡的獲取和精度保證都是評價(jià)的關(guān)鍵。因此,采用解析木數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)是比較準(zhǔn)確和客觀的。本研究采用重慶市南川區(qū)馬尾松解析木128株、圓盤記錄1 282對,建立了馬尾松立地指數(shù)和立地形表,同時(shí),對立地指數(shù)和立地形作了對比驗(yàn)證,并對使用立地形對馬尾松立地質(zhì)量評價(jià)的可行性進(jìn)行了評價(jià)。在此基礎(chǔ)上給出了使用立地形對立地質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的條件,從而避免了對立地形進(jìn)行立地質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的直接否定或肯定。
南川區(qū)位于重慶市南部,介于28°46′-29°30′N,106°54′-107°27′E,南與貴州省道真縣、正安縣、桐梓縣接壤,東北與武隆縣為鄰,北接涪陵區(qū),西連巴南區(qū)、綦江區(qū)、萬盛經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。南川區(qū)地處四川盆地與云貴高原的過渡地帶,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,平均海拔340~2 251 m;屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,全區(qū)年平均氣溫16.6℃,常年平均降雨量1 185 mm。南川區(qū)的喬木林樹種以馬尾松(Pinusmassoniana)、柏木(Cupressusfunebris)、杉木(Cunninghamialanceolata)為主,其中馬尾松面積最大,占整個(gè)喬木林面積的67.7%。
研究區(qū)數(shù)據(jù)來源為2017年南川區(qū)森林資源二類調(diào)查樣地補(bǔ)充調(diào)查數(shù)據(jù)。樣地采用大小為1畝(邊長為25.82 m的方形樣地)的臨時(shí)樣地,臨時(shí)樣地參考前期確認(rèn)的馬尾松小班分布圖,按立地類型全覆蓋進(jìn)行設(shè)置,保證每一種立地類型有3個(gè)以上的樣地。共設(shè)置臨時(shí)樣地35個(gè),樣地海拔472~1 583 m,坡度2°~37°,坡向以陽坡為主(近70%為陽坡,陽坡包括南坡、東南坡和西南坡)。每個(gè)樣地選擇生長正常、無病蟲害、無斷梢的優(yōu)勢木3~5株。優(yōu)勢木在伐倒前,應(yīng)先準(zhǔn)確確定根頸位置和實(shí)測胸徑,并在樹干上標(biāo)明胸高直徑的位置和正南正北方向。伐倒后,先測定由根頸至第1個(gè)死枝和活枝在樹干上的高度,然后打去枝椏,在全樹干上用紅色標(biāo)明南北方向。并在全樹高1/4、1/2、3/4處做上紅色標(biāo)記,然后測量帶皮和去皮直徑(去皮直徑結(jié)合圓盤截取進(jìn)行)。同時(shí),按2 m進(jìn)行造材,用藍(lán)色在每2 m一段處做上標(biāo)記,測量帶皮和去皮直徑(去皮直徑結(jié)合圓盤截取進(jìn)行)。結(jié)合樹干全長測定,采用中央斷面區(qū)分求積法,按1 m(樹干全長3~12 m)或2 m(樹干長度在12 m以上)對樹干進(jìn)行區(qū)分,并做好標(biāo)記,標(biāo)記處是圓盤段面高處。不足一個(gè)區(qū)分段長度的樹干為梢頭木。需要注意的是:胸徑與梢頭底直徑位置處必須截取圓盤,做好標(biāo)記。最終獲取馬尾松解析木128株,圓盤記錄1 282對。通過散點(diǎn)圖和三倍標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行控制,刪除雙河林場187號樣地4號解析木10個(gè)圓盤記錄對,然后進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)(表1)。
表1 優(yōu)勢木特征值
1.3.1 數(shù)據(jù)劃分 根據(jù)研究需要,依據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村全覆蓋原則,進(jìn)行劃分,4/5用以建模,1/5用以驗(yàn)證。劃分結(jié)果102株解析木(包含圓盤記錄1 021對)用以建模,25株解析木(包含圓盤記錄251對)用于驗(yàn)證。
1.3.2 導(dǎo)向曲線的擬合 導(dǎo)向曲線是指中等立地條件下,林分優(yōu)勢高隨年齡變化的平均生長曲線。導(dǎo)向曲線的選擇直接影響立地質(zhì)量評價(jià)的精度,這就需要導(dǎo)向曲線不僅能反映生物的生長規(guī)律,同時(shí)要能對生長過程做出最佳擬合。本研究采用了5個(gè)常用的理論生長方程Logistic、Mitscherlich、Gompertz、Korf和 Richard[17](表2)。另外,為了保證立地指數(shù)和立地形對比的一致性,年齡-樹高和直徑-樹高采用了相同的生長模型。表2中AD表示年齡或直徑(胸徑),a、b、c為模型參數(shù)。模型根據(jù)決定系數(shù)R2,均方根誤差RMES、AIC及方程的參數(shù)變動系數(shù)進(jìn)行選擇。
表2 樹高生長備選模型
1.3.3 基準(zhǔn)年齡、基準(zhǔn)胸徑和指數(shù)級距的確定 確定基準(zhǔn)年齡和基準(zhǔn)胸徑就是尋找樹高生長趨于穩(wěn)定且能夠靈敏反映立地差異的年齡。基準(zhǔn)年齡和基準(zhǔn)胸徑對于立地指數(shù)表或立地形表的準(zhǔn)確編制影響十分明顯。其一般考慮以下3點(diǎn):(1)樹高生長趨于穩(wěn)定后的一個(gè)齡(徑)階;(2)采伐年齡(胸徑);(3)自然成熟年齡(胸徑)的1/2[18-19]。樹高的連續(xù)生長量和平均生長量曲線在樹高生長趨于穩(wěn)定后,將會出現(xiàn)相交,相交后的后一個(gè)齡階的年齡(胸徑)可以作為基準(zhǔn)年齡(胸徑)。樹高的連續(xù)生長量定義為樹木某一年(或1 cm)的實(shí)際生長速度,連續(xù)生長量是樹木年齡t(或胸徑D)的函數(shù)。其生長方程為(方程中t換為D,即為以胸徑為單位的連續(xù)生長量):
(1)
樹高平均生長量說明樹木在某一時(shí)刻t(或某一胸徑D)的平均生長速度,其方程為(同樣t換成D,即為以胸徑為單位的平均生長量):
(2)
式中,H(t)為年齡為t時(shí)的樹高,H(t0)為年齡為0時(shí)的理論樹高。由于所選用生長方程在年齡或胸徑為0時(shí),樹高并不一定為0,因此方程中要減去理論樹高。
指數(shù)級距的確定根據(jù)基準(zhǔn)年齡(胸徑)時(shí)的樹高絕對變幅和指數(shù)級個(gè)數(shù)確定。公式如下:
CV=Si/HI
(3)
ΔCV=CVi+1/CVi
(4)
C=ΔH/k
(5)
式中,CV為變異系數(shù);ΔCV為變異系數(shù)變化幅度;Si為第i齡(徑)階樹高標(biāo)準(zhǔn)差;HI為第i齡(徑)階主曲線樹高值;C為指數(shù)級距;ΔH為基準(zhǔn)年齡(胸徑)時(shí)的樹高絕對變幅;k為指數(shù)級個(gè)數(shù)。
1.3.4 立地指數(shù)表和立地形表的編制 立地指數(shù)表的編制方法主要有標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法、變動系數(shù)調(diào)整法、相對優(yōu)勢高法。很多學(xué)者對3種編制方法的優(yōu)劣性進(jìn)行了對比,并對其適用性作了說明[21-22]。本研究采用比較流行的標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法進(jìn)行編表,所用公式如下:
(6)
式中,Hij為第i齡階第j指數(shù)級調(diào)整后的樹高;Hik為第i齡階的導(dǎo)向曲線樹高;H0j為基準(zhǔn)年齡時(shí)第j指數(shù)級的樹高;H0k為基準(zhǔn)年齡時(shí)的導(dǎo)向曲線樹高;SA0為基準(zhǔn)年齡所在齡階樹高標(biāo)準(zhǔn)差理論值;SAi為第i齡階樹高標(biāo)準(zhǔn)差理論值。
(7)
(8)
(9)
采用SPSS26軟件對所選5個(gè)備選方程進(jìn)擬合,擬合結(jié)果見表3。
表3 導(dǎo)向曲線擬合結(jié)果
在同一坐標(biāo)系下分別作出年齡-樹高和胸徑-樹高曲線(圖1、圖2)[23]。
圖1 年齡-樹高擬合曲線
從表3可以看出,無論從決定系數(shù)、均方根誤差還是從AIC結(jié)果來看,年齡-樹高的方程M4(Korf)和M5(Richard)的擬合效果都優(yōu)于其他3個(gè)模型。查看方程M4和M5的3個(gè)參數(shù)的變動系數(shù),方程M4參數(shù)變動系數(shù)分別為34.74%、4.24%、16.22%,方程M5的參數(shù)變動系數(shù)分別為7.44%、15.16%、7.53。從參數(shù)變動系數(shù)來看,方程5的穩(wěn)定性要優(yōu)于方程M4。再參照圖1的方程擬合曲線,方程M1(Logistic)和方程M3(Gompertz)在幼齡階段過高擬合,而在成、過熟林階段存在過低擬合;而方程M2(Mitscherlich)擬合結(jié)果整體偏高;方程M4在幼齡林階段擬合偏低,在成、過熟林階段擬合偏高。
從表3來看,對胸徑-樹高模型方程M3(Gompertz)從各項(xiàng)指標(biāo)來看都優(yōu)于其他4個(gè)方程。再參照圖2的擬合曲線,方程M1(Logistic)在幼齡階段過高擬合,而在成、過熟林階段存在過低擬合;方程M2(Mitscherlich)整體擬合偏高;方程M4(Korf)、M5(Richard)在幼齡林階段擬合偏低,在成、過熟林階段擬合偏高。
綜上所述,年齡-樹高選用方程M5(Richard),胸徑-樹高選用方程M3(Gompertz),具體方程如下:
H=22.083(1-e-0.041t)1.417
(10)
H=17.577e-4.565e-0.171D
(11)
圖2 胸徑-樹高擬合曲線
根據(jù)年齡-樹高模型、胸徑-樹高模型,采用方程(1)、(2)分別求出馬尾松生長量曲線方程如下:
Z(t)=1.283e-0.041t(1-e-0.041t)0.417
(12)
(13)
Z(D)=13.721e(-4.565e-0.171D-0.171D)
(14)
(15)
根據(jù)方程(12)、(13)和方程(14)、(15)利用Matlab軟件分別繪出馬尾松生長量曲線圖(圖3、圖4)。從圖4可以看出,馬尾松在8 a時(shí)連年生長量達(dá)到最大,在16 a時(shí)樹高生長趨于穩(wěn)定,平均生長量達(dá)到最大,并且與連年生長量出現(xiàn)相交,以后平均生長量和連年生長量都下降。16 a后的下一個(gè)齡階為20 a,因此,將馬尾松的基準(zhǔn)年齡定為20 a。從圖2可以看出,馬尾松在胸徑為9 cm時(shí)連續(xù)生長量達(dá)到最大,在胸徑接近14 cm時(shí)樹高生長趨于穩(wěn)定,平均生長量達(dá)到最大,并且與連續(xù)生長量出現(xiàn)相交,以后平均生長量和連續(xù)生長量都下降。因此選擇平均胸徑14 cm作為基準(zhǔn)胸徑。
基準(zhǔn)年齡為20 a時(shí),樹高變動范圍為5.7~15.6 m,確定級數(shù)距為2 m,劃分6~16共6個(gè)指數(shù)級。基準(zhǔn)胸徑為14 cm時(shí),樹高變動范圍為5.6~19.8 m,級數(shù)距仍為2 m,劃分出6~20共8個(gè)指數(shù)級。
利用標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法編制地位指數(shù)表和地位形表(表4、表5),同時(shí)作出其曲線簇(圖5、圖6)。
根據(jù)編表齡(徑)階范圍,刪除圓盤記錄中低于最小編表齡(徑)階的圓盤記錄,剩余圓盤記錄179對。經(jīng)成對T檢驗(yàn)算出立地指數(shù)和立地形評價(jià)指標(biāo)結(jié)果(表5)。從表6可以看出,立地指數(shù)95%顯著水平下的T值為1.528,平均相對誤差1.309%,相對總誤差0.03%,預(yù)估精度99.18%;立地形95%顯著水平下的T值為0.903,平均總相對誤差0.181%,相對總誤差0.02%,預(yù)估精度99.22%。查T檢驗(yàn)表T0.05(178)=1.96,立地指數(shù)和立地形的T值均小于該值,說明立地指數(shù)和立地形在95%水平下顯著。平均總相對誤差和相對總誤差都<5%,而預(yù)估精度分別達(dá)到了99.18%和99.22%,說明所編立地指數(shù)表和立地形表精度較高,能夠滿足編表需要。
圖3 馬尾松生長量曲線(胸徑)
圖4 馬尾松生長量曲線(年齡)
圖5 立地指數(shù)曲線
表4 馬尾松立地指數(shù)表(基準(zhǔn)年齡:20 a)
表5 馬尾松立地形表(基準(zhǔn)胸徑:14 cm)
圖6 立地形曲線
表6 立地指數(shù)和立地形檢驗(yàn)結(jié)果
基準(zhǔn)年齡和基準(zhǔn)胸徑的選擇對于立地指數(shù)和立地形模型的影響顯著,如果選擇不當(dāng)或選擇錯誤將嚴(yán)重影響立地指數(shù)和立地形的編表質(zhì)量。目前常用的比較流行的方法中,采用樹種生活史(主伐年齡或胸徑)的1/2或成熟年齡(胸徑)的年數(shù),不僅缺乏對當(dāng)?shù)貙?shí)際立地情況的考慮,而且缺乏理論基礎(chǔ)。相比較而言,利用某一樹種連續(xù)生長量和平均生長量趨于穩(wěn)定后的年齡(或胸徑),具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),而且比較客觀的反應(yīng)了所研究地區(qū)的立地質(zhì)量情況。但是,在采用該方法時(shí),一般都是采用實(shí)測值的連續(xù)生長量和變異系數(shù)的變化趨于穩(wěn)定時(shí)的年齡(胸徑)[18-20],這樣對于實(shí)測值的要求較高,當(dāng)樣本量不夠時(shí)很難準(zhǔn)確的估計(jì)出實(shí)際年齡(胸徑)。本研究根據(jù)所確定的導(dǎo)向曲線,直接求出該樹種的連續(xù)生長量和平均生長量方程,然后利用Matlab繪出其生長量曲線,根據(jù)連續(xù)生長量和平均生長量曲線次相交時(shí)的年齡(胸徑),采用其下一個(gè)齡階或徑階作為基準(zhǔn)年齡(胸徑)。該方法具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論基礎(chǔ),而且繪出的曲線圖直觀明了,可以方便準(zhǔn)確地確定基準(zhǔn)年齡(胸徑)。
本研究中立地指數(shù)和立地形的指數(shù)級分別為6級和8級,指數(shù)級別的不同是由于齡階和徑階的不同劃分造成的結(jié)果。齡階采用的是5 a一個(gè)齡階,基準(zhǔn)年齡為20 a,即20齡階,實(shí)際采用的年齡范圍為15~20 a。胸徑采用的是2 cm一個(gè)徑階,基準(zhǔn)胸徑為14 cm,即14徑階,實(shí)際采用的胸徑范圍13~15 cm。在基準(zhǔn)年齡和基準(zhǔn)胸徑范圍內(nèi)樹高變化范圍為5.7~15.6 m和5.6~19.8 m,因此造成了指數(shù)級別的不同。指數(shù)級別的不同也在一定程度上影響了立地指數(shù)表和立地形表的精度。由于立地形表的級別較多,每一級別所對應(yīng)的變動范圍較窄,編制精度也就越高,這與模型的評價(jià)與檢驗(yàn)結(jié)果相一致。
由于在評價(jià)立地質(zhì)量時(shí)采用的是立地指數(shù)(立地形)基于基準(zhǔn)年齡(胸徑)時(shí)的實(shí)際值,而不是其調(diào)整值,因此,為了檢驗(yàn)2種方法的差異,我們首先采用差分方程法重新計(jì)算立地指數(shù)和立地形。所用方程如下:
(16)
(17)
式中,SI為立地指數(shù),H為樹高,t為樹齡,t0為基準(zhǔn)年齡;SF為立地形,D為胸徑,D0為基準(zhǔn)胸徑。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果對立地指數(shù)和立地形進(jìn)行線性擬合,得到的線性方程如下:
SF=0.631SI+4.215
(18)
從方程(16)可以看出,在立地指數(shù)<11.4時(shí),立地形大于立地指數(shù),當(dāng)立地指數(shù)>11.4時(shí),立地形小于立地指數(shù)。
進(jìn)一步,用以上5個(gè)經(jīng)驗(yàn)生長模型擬合年齡和胸徑,得到胸徑年齡方程如下:
D=61.03exp (-4.829t-0.372)
(19)
當(dāng)基準(zhǔn)年齡為20 a時(shí),胸徑為12.5 cm,明顯小于所選基準(zhǔn)胸徑14 cm,此時(shí)對應(yīng)的立地指數(shù)為10,而基準(zhǔn)胸徑對應(yīng)的立地形為12。
由此可以看出,當(dāng)樹高生長趨于穩(wěn)定時(shí),由于胸徑生長滯后于樹高,導(dǎo)致基準(zhǔn)胸徑的選擇大于對應(yīng)基準(zhǔn)年齡時(shí)的胸徑,從而導(dǎo)致立地形在生長的不同階段與立地指數(shù)反映出的立地質(zhì)量的差異性。也就是說在樹木生長的早期,由于胸徑的生長率低于樹高生長率,導(dǎo)致立地形偏低,而在樹木生長的中后期由于胸徑的生長率高于樹高的生長率,導(dǎo)致立地形偏高。立地形和立地指數(shù)在評價(jià)立地質(zhì)量的這種差異性是在對立地質(zhì)量進(jìn)行客觀評價(jià)時(shí)需要注意的。
考查削度與立地指數(shù)和立地形的相關(guān)性,削度與立地指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.569,與立地形的相關(guān)系數(shù)為-0.309。由此可見立地指數(shù)與立地形都與削度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,即立地質(zhì)量和立地形都隨著削度的增加而降低,只是立地指數(shù)的這種負(fù)相關(guān)性更加明顯。由此可以看出,立地形不管是在同齡純林還是異齡混交林種,只要胸徑的生長能夠具有相對獨(dú)立性而不受周圍樹木競爭的影響,就可以相對比較客觀的反映立地質(zhì)量,其評價(jià)結(jié)果也是可靠的。但是,一旦胸徑的生長受到林分密度等因素的影響,立地形的評價(jià)結(jié)果就會出現(xiàn)偏差,從而失去其評價(jià)的客觀性。另外,立地質(zhì)量與立地形一個(gè)明顯的區(qū)別是一個(gè)采用了無量綱參數(shù)t(年齡),一個(gè)采用了有量綱參數(shù)D(胸徑)。而年齡是不受外界環(huán)境影響的,而胸徑明顯受到周圍各種因素的影響,因此在采用立地形進(jìn)行立地質(zhì)量評價(jià)時(shí)必須首先排除這種影響才能比較客觀的對立地質(zhì)量做出科學(xué)的評價(jià)。也就是說當(dāng)胸徑與樹高的相關(guān)性越強(qiáng),立地形與立地指數(shù)反映出的林地質(zhì)量結(jié)果越接近,立地形也就可以替代立地指數(shù)作為評價(jià)立地質(zhì)量的指標(biāo)。由此給出如下推斷:不管是在同齡純林還是異齡交林,優(yōu)勢木的選擇至關(guān)重要,只要能夠選擇出符合條件的優(yōu)勢木,用立地形代替立地指數(shù)是完全可行的。當(dāng)然,這個(gè)推斷需要相關(guān)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證,也是未來一個(gè)研究的方向。
本研究采用重慶市南川區(qū)馬尾松解析木數(shù)據(jù),選擇合適的導(dǎo)向曲線方程,建立了基于導(dǎo)向曲線的立地指數(shù)和立地形模型。結(jié)果顯示立地指數(shù)和立地形表達(dá)精度在95%水平下顯著,平均總相對誤差和相對總誤差都<5%,而預(yù)估精度分別達(dá)到了99.18%和99.22%,說明所編立地指數(shù)表和立地形表精度較高,能夠滿足編表需要。在此基礎(chǔ)上,對研究過程和結(jié)果進(jìn)行了分析討論,得出了如下結(jié)論:(1)根據(jù)導(dǎo)向曲線繪制生長量曲線方程的方法確定基準(zhǔn)年齡和基準(zhǔn)胸徑的方法準(zhǔn)確可行;(2)由于齡階和徑階的選擇差異,導(dǎo)致立地指數(shù)級不同,同時(shí)影響了立地形與立地指數(shù)的編表質(zhì)量;(3)由于樹木的生長特性,立地形在表示立地質(zhì)量時(shí),在林木的早期將會低于立地指數(shù),在樹木生長的中后期將會高于立地指數(shù);(4)立地形的適用性取決于胸徑與樹高的相關(guān)性,相關(guān)性越強(qiáng),立地形就越準(zhǔn)確,在選擇合適的優(yōu)勢木的情況下,立地形可以取代立地指數(shù)來表示林地質(zhì)量。結(jié)論(3)和(4)是在分析本研究的結(jié)果上提出的,需要相關(guān)的現(xiàn)地研究進(jìn)行驗(yàn)證,也是下一步研究的一個(gè)方向。