陳 濤，王露露，王思崇，朱學(xué)靈，葉永忠

(1.河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 洛陽 471002；2.河南省遠(yuǎn)志林業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000； 3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命學(xué)院，河南 鄭州 450002)

林木所處的立地條件與其生長狀況密切相關(guān)[1]。20世紀(jì)90年代起，林地立地類型的劃分和立地質(zhì)量評價(jià)是國內(nèi)外林業(yè)和生態(tài)學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)問題之一，這項(xiàng)工作被有關(guān)學(xué)者視為營林、育林、構(gòu)建森林經(jīng)營管理決策支持系統(tǒng)等工作的理論基礎(chǔ)[2-5]。Testh[6]認(rèn)為氣候、土壤和水文等是影響林木生長的重要立地因子，并綜合利用地理學(xué)、土壤學(xué)等多學(xué)科對森林立地分類及評價(jià)；劉平書[7]以主導(dǎo)環(huán)境因子為自變量，以樣地林分立地指數(shù)為因變量，采取數(shù)量化分析并進(jìn)行立地分類和質(zhì)量評價(jià)； 袁雪麗等[8]基于數(shù)量化理論對樹種進(jìn)行了立地質(zhì)量評價(jià)； 滕維超等[9]系統(tǒng)論述了我國森林立地分類與質(zhì)量評價(jià)研究方法。林業(yè)生產(chǎn)存在著生長周期長、見效慢、受周圍環(huán)境影響大等特點(diǎn)，在研究林業(yè)中的科學(xué)造林等生產(chǎn)實(shí)際問題時(shí)，面臨到諸多問題，其中林木所處的環(huán)境因子是主導(dǎo)問題之一，對林木生長起主導(dǎo)作用的環(huán)境因子的研究顯得尤為重要，也是目前我國在林業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中所面臨的重點(diǎn)問題[10]。

刺槐(Robiniapseudoacacia)原產(chǎn)北美洲，1887年由德國引入我國，在23°-46°N、86°-124°E的廣大區(qū)域內(nèi)均有栽植[11]。刺槐喜溫暖、濕潤，對土壤適應(yīng)性很強(qiáng)，在酸性、中性或微堿性土上能夠生長，抗逆性強(qiáng)，萌蘗力強(qiáng)，在水土保持、涵養(yǎng)水源、固定流沙和改良土壤等生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面發(fā)揮重要作用[12-15]。唐洋等[16]提出黃土丘陵區(qū)隨坡位上升，刺槐的葉氮含量、磷含量、有機(jī)碳含量、根磷含量、氮含量、比葉面積、葉厚度均呈減小趨勢；根有機(jī)碳含量和葉組織密度呈增大趨勢，單長卷等[17]研究表明，刺槐在生長初期、中期、末期3個(gè)時(shí)期半陰坡、半陽坡、陽坡3種立地間土壤水分的差異均達(dá)極顯著水平。目前我國林業(yè)科技工作者對影響刺槐生長的立地條件已有部分研究[18-19]，但河南省對刺槐林立地條件卻鮮有研究。河南省丘陵低山區(qū)是全省刺槐人工林種植的主要地區(qū)，復(fù)雜的地形使其造林立地條件多樣，因此開展丘陵低山區(qū)刺槐人工林立地質(zhì)量評價(jià)對河南省林分管理具有重要意義。該研究對刺槐人工林的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)量化理論Ⅰ分析，進(jìn)行分類及評價(jià)立地質(zhì)量，尋找適宜的立地條件，為河南省刺槐人工林經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省地處我國中部腹地(31°23′-36°22′N，110°21′-116°39′E)，處于我國地形中第2級地貌臺階向第3級地貌臺階的過渡帶，地形復(fù)雜，總的地勢是西高東低。北部、西部和南部分別有太行山、伏牛山、桐柏山和大別山四大山系，東部平疇千里，是廣闊的黃淮海沖積平原，山區(qū)與平原之間的過渡地帶多系丘陵低山或壟崗。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

在河南省內(nèi)丘陵低山區(qū)采用典型選樣法進(jìn)行抽樣，共設(shè)置106塊20 m×30 m的刺槐人工林樣地，樣地林分年齡為1～26 a，確保樣地塊數(shù)至少應(yīng)為所分類目總數(shù)的5倍以上，并要求在各個(gè)類目中均勻分布。 在每塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木檢尺，測定胸徑、樹高、郁閉度等生長指標(biāo)，并選取6株優(yōu)勢木測定樹高(平均每100 m2內(nèi)選1株最高的樹木作為優(yōu)勢木)，以其算術(shù)平均值作為優(yōu)勢木平均高，同時(shí)記錄樣地的立地因子(海拔、坡向、土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤類型等)，在樣地中間位置設(shè)置長1.5 m、寬1 m、深0.8～1.0 m的土壤剖面，植被、地形應(yīng)具有代表性，地段內(nèi)近期無人為或自然損壞。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與方法

數(shù)量化理論Ⅰ：標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)與單株產(chǎn)量顯著相關(guān)的生長性狀作為因變量，各立地因子作為自變量，利用數(shù)量化理論I對河南省丘陵低山區(qū)林地進(jìn)行立地類型劃分和立地質(zhì)量評價(jià)。根據(jù)m個(gè)項(xiàng)目x1,…,xm對一定量變量進(jìn)行預(yù)測，設(shè)項(xiàng)目x有z個(gè)類目，并取得了n個(gè)樣品的觀測數(shù)據(jù)。令：

St(i,j)=

(1)

式中:t=1,…，n;i=1,…,m;j=1,…,zi。

數(shù)量化理論Ⅰ模型[20]為：

(2)

式中:y為因變量；i=1，2，3，…；m為項(xiàng)目的數(shù)量；j=1，2，3，…；Zi為類目的數(shù)量；bij為未知系數(shù)；St(i,j)為t塊標(biāo)準(zhǔn)地的觀測數(shù)據(jù)中，第i個(gè)項(xiàng)目恰好屬于第j個(gè)類目時(shí)的反應(yīng)；εt為隨機(jī)誤差。

理查德方程(Richard)：為常用導(dǎo)向曲線數(shù)學(xué)模型，以擬合林木樹高生長曲線，Richard生長函數(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是線形符合樹高生長規(guī)律，整個(gè)曲線略呈“S”形，當(dāng)年齡為0時(shí)，樹高也為0，生長初期曲線平緩向上，至速生期則急劇抬升，桿材期高生長減慢，曲線逐漸平緩，直至穩(wěn)定在某一高度。計(jì)算公式如下：

H=a(1-e-bA)c

(3)

式中:H為樹高；A為年齡；a、b、c為參數(shù)。

剩余標(biāo)準(zhǔn)差：對數(shù)量化地位指數(shù)表進(jìn)行精度檢驗(yàn)，采用剩余標(biāo)準(zhǔn)差和復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)2種方法，剩余標(biāo)準(zhǔn)差Sy是評定對Y的估計(jì)效果的重要指標(biāo)，Sy愈小，估計(jì)的精度愈高。計(jì)算公式如下：

(4)

復(fù)相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)：復(fù)相關(guān)系數(shù)是衡量立地指數(shù)理論值與立地因子之間線性相關(guān)程度的一個(gè)重要指標(biāo)，復(fù)相關(guān)系數(shù)愈大，說明對優(yōu)勢木樹高估計(jì)值的估計(jì)效果愈好，精度愈高。計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

偏相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)：偏相關(guān)系數(shù)是除去Xi以外的其他自變量的影響后Xi與Y的相關(guān)，同時(shí)對偏相關(guān)系數(shù)Ri做t檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)Xi對Y貢獻(xiàn)的顯著性。其中，ti是自由度為n-m-1的t分布統(tǒng)計(jì)量，可稱為Xi的T值。T值愈大該因子愈重要，當(dāng)T>1時(shí)該因子就有一定影響，>2時(shí)就可以看作是重要因子。計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

主導(dǎo)因子的選擇及立地分類標(biāo)準(zhǔn)：主導(dǎo)因子的選擇主要考慮其對立地質(zhì)量影響的程度，它將直接關(guān)系到數(shù)量化立地質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確性。本次篩選出了便于測定和掌握的坡向、海拔高度、土壤質(zhì)地、土層厚度4項(xiàng)主導(dǎo)因子(項(xiàng)目)，并對各個(gè)因子分級處理，共劃分了8個(gè)類目(表1)。

表1 立地因子類目劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 基準(zhǔn)年齡的確定與樹高值的統(tǒng)一

由表2可知，刺槐人工林平均樹高隨林齡不斷增加，26 a時(shí)最大平均樹高為15.87 m；樹高標(biāo)準(zhǔn)差也呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大的趨勢，在26 a時(shí)達(dá)到2.51 m；刺槐人工林在12 a時(shí)的樹高變異系數(shù)為22.52%，從刺槐樹高變異系數(shù)看，刺槐人工林各齡階的樹高變異系數(shù)在10 a前遞減較快，至12 a后樹高變異系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，從刺槐樹高生長情況看，12 a時(shí)的樹高能較為準(zhǔn)確地反映立地條件，因此確定河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林的基準(zhǔn)年齡為12 a。

利用擬合的理查德方程：H=61.792 100×(1-e-0.006 121 358A)0.709 4,R=0.993，來統(tǒng)一各標(biāo)準(zhǔn)地的樹高值，即將不同年齡的標(biāo)準(zhǔn)地樹高值改算為刺槐人工林標(biāo)準(zhǔn)年齡(12 a)時(shí)的樹高值(立地指數(shù))。

2.2 數(shù)量化立地指數(shù)表的編制

將8個(gè)類目等級作為自變量，記為X，將各樣地標(biāo)準(zhǔn)年齡(12 a)時(shí)的樹高(立地指數(shù))作為因變量，記為Y，計(jì)算出各個(gè)類目的得分值，編制了河南省丘陵低山區(qū)刺槐數(shù)量化立地指數(shù)表(表3)。 為了便于計(jì)算，將列入的樣地原始記錄按表1的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，把立地因子換算成以編碼形式表示的數(shù)據(jù)，依此編制數(shù)量化簡化反應(yīng)表(表4)。根據(jù)數(shù)量化立地指數(shù)表的偏相關(guān)系數(shù)并結(jié)合得分范圍判斷自變量的影響大小，數(shù)值大的作用程度大。由表3可知，影響河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林林地生產(chǎn)力的重要環(huán)境因子，依次為土壤質(zhì)地>海拔>土層厚度>坡向。

2.3 數(shù)量化立地指數(shù)表的精度檢驗(yàn)

由表5、表6可知，復(fù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)中t=14.96>t0.01=3.41，偏相關(guān)系數(shù)t檢驗(yàn)中土壤質(zhì)地T最大為9.88，坡向T最小為3.05，但T均大于2，4個(gè)自變量因子均對立地質(zhì)量貢獻(xiàn)顯著，復(fù)相關(guān)系數(shù)及各立地因子偏相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平，說明用數(shù)量化模型Ⅰ為基本數(shù)學(xué)模型對立地質(zhì)量估計(jì)效果好，此次所構(gòu)建的數(shù)量化立地指數(shù)表適用于河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林。

表2 刺槐人工林不同林齡優(yōu)勢木樹高的變異系數(shù)

表3 河南省丘陵低山區(qū)刺槐數(shù)量化立地指數(shù)

表4 立地因子數(shù)量化簡化反應(yīng)

表5 復(fù)相關(guān)系數(shù)t檢驗(yàn)

表6 偏相關(guān)系數(shù)t檢驗(yàn)

2.4 河南省丘陵低山區(qū)刺槐立地分類結(jié)果

根據(jù)《中國森林立地》分類系統(tǒng)和有關(guān)用材林基地立地分類系統(tǒng)，把不同產(chǎn)區(qū)分屬到不同的立地類型區(qū)域、立地類型區(qū)和立地類型亞區(qū)。在以上3個(gè)高級單元劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行低級單元的劃分，本次采用的立地分類系統(tǒng)如下：立地類型區(qū)域、立地類型區(qū)、立地類型亞區(qū)、立地類型小區(qū)、立地類型組、立地類型。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[21]并結(jié)合地貌類型及刺槐分布的實(shí)際情況，將該刺槐立地區(qū)域劃分為：華北暖溫帶立地區(qū)域、丘陵低山立地區(qū)。由表7可知，根據(jù)數(shù)量化立地指數(shù)表結(jié)果，以海拔高度作為立地類型組劃分的依據(jù)，而以坡向、土層厚度和土壤質(zhì)地作為立地類型劃分的依據(jù)。由表8可知，以地貌類型作為小區(qū)分類依據(jù)，將河南省丘陵低山區(qū)劃分成3個(gè)立地亞區(qū)、5個(gè)立地小區(qū)、10個(gè)立地類型組和80個(gè)立地類型。

2.5 河南省丘陵低山區(qū)立地質(zhì)量評價(jià)

由表9可知，根據(jù)各立地類型的立地因子查取數(shù)量化立地指數(shù)表，求得各立地類型的立地指數(shù)，立地指數(shù)變幅為4.5～10.7。按立地指數(shù)級≥9 m、6～9 m、≤6 m為標(biāo)準(zhǔn)，將各立地類型合并為生產(chǎn)力水平相近的好、中、差3個(gè)立地等級。等級為好、中的立地類型，應(yīng)優(yōu)先考慮發(fā)展刺槐；差的立地類型，可考慮其他樹種或林種。

表7 立地類型組、立地類型分類依據(jù)及分級標(biāo)準(zhǔn)

表8 河南省丘陵低山區(qū)刺槐立地類型

由表10可知，河南省丘陵低山區(qū)主要立地特征為：丘陵低山土層深厚壤土適宜刺槐生長，丘陵低山土層深厚壤土(少量堅(jiān)實(shí))較適宜刺槐生長，丘陵低山土層較薄黏土不適宜刺槐生長。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)量化理論Ⅰ分析表明，影響刺槐生長的主導(dǎo)因子是土壤質(zhì)地、海拔高度、土層厚度、坡向，前三者的影響更為顯著。結(jié)合地貌類型及刺槐分布的實(shí)際情況，最終將河南省丘陵低山區(qū)劃分為1個(gè)立地區(qū)域(華北暖溫帶立地區(qū)域)、1個(gè)立地區(qū)(丘陵低山區(qū))、3個(gè)立地亞區(qū)、5個(gè)立地小區(qū)、10個(gè)立地類型組、80個(gè)立地類型。

根據(jù)數(shù)量化理論Ⅰ，在立地分類的基礎(chǔ)上，編制數(shù)量化立地指數(shù)表，檢驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)相關(guān)系數(shù)及各立地因子偏相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平，此次所構(gòu)建的數(shù)量化立地指數(shù)表適用于河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林，可用于刺槐人工林的立地質(zhì)量評價(jià)。并且將各立地類型劃分好、中、差3個(gè)立地等級，結(jié)果表明河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林75%以上的立地質(zhì)量都處于中等以上。河南省丘陵低山地區(qū)刺槐人工林最適宜生長的環(huán)境為中厚(>30 cm)、壤土、小坡度、陰坡。

3.2 討論

利用優(yōu)勢高估測立地指數(shù)以評價(jià)同齡純林的立地生產(chǎn)力，立地質(zhì)量評價(jià)結(jié)果顯示，河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林各立地類型的立地指數(shù)變幅為4.5～10.7。按立地指數(shù)級≥9 m、6～9 m、≤6 m為標(biāo)準(zhǔn)，將各立地類型合并為生產(chǎn)力水平相近的好、中、差3個(gè)立地等級。等級為好、中的立地類型，應(yīng)優(yōu)先考慮發(fā)展刺槐；差的立地類型，不適宜栽植刺槐，可考慮栽植其他樹種或林種。從整體評價(jià)結(jié)果來看，立地評價(jià)結(jié)果較好的種植區(qū)域仍有增長空間，比如林分密度對刺槐人工林的樹高有較大的影響[22]，在林分管理中應(yīng)考慮以合理的刺槐林種植密度來提升林分質(zhì)量。數(shù)量化立地質(zhì)量表可以解決人工林統(tǒng)一評價(jià)問題[23]，本研究采用數(shù)量化立地指數(shù)表來評價(jià)丘陵低山區(qū)刺槐人工林的立地質(zhì)量問題，為河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林的立地生產(chǎn)潛力提升提供參考。

表9 丘陵低山區(qū)各立地類型立地指數(shù)

表10 立地等級劃分

刺槐喜溫暖、肥沃、濕潤條件，對土壤適應(yīng)性強(qiáng)，在水土保持、涵養(yǎng)水源和改良土壤等生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面發(fā)揮重要作用[12-13]。其中土壤厚度能明顯增加刺槐樹高生長量，這與王林等[24]的研究結(jié)果一致，土層淺薄導(dǎo)致土壤水分承載力不足，刺槐易受到較嚴(yán)重的水分脅迫，致使刺槐樹高和胸徑減小。刺槐是喜陽樹種，而本研究從坡向因子來看，小坡度、陰環(huán)境更適宜刺槐生長，結(jié)果與孔凌霄等[19]、馬娟霞等[25]研究結(jié)果相似。陰坡土壤的保水保肥能力較強(qiáng)，土壤熱量分配較陽坡為少，微環(huán)境條件較陽坡好，從而導(dǎo)致陰坡刺槐的生長狀況較陽坡好。本研究數(shù)量化建模評價(jià)結(jié)果表明，河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林適宜在中厚(>30 cm)、壤土、陰坡且地勢較平坦的地方生長，此研究結(jié)果可為丘陵低山區(qū)刺槐人工林的營造和管理提供理論基礎(chǔ)。

趙吉麟[26]選取地形、海拔、植被類型、土地利用類型、植被覆蓋度、土壤含鹽量、土壤類型為寧夏地區(qū)刺槐立地劃分的主導(dǎo)因子，對區(qū)域林業(yè)發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。影響丘陵低山區(qū)林地生產(chǎn)力的立地因子(環(huán)境因子)很多[27-29]，尤其是人為活動的影響。本研究以刺槐基準(zhǔn)年齡12 a的樹高為因變量，以土壤質(zhì)地、海拔高度、土層厚度、坡向等因子為自變量來建立立地質(zhì)量評價(jià)模型，檢驗(yàn)結(jié)果表明該模型能夠真實(shí)反映刺槐人工林各立地的生產(chǎn)潛力，可為河南省丘陵低山區(qū)刺槐人工林營造林規(guī)劃、撫育、管理等提供理論依據(jù)。但本研究的立地分類和立地質(zhì)量評價(jià)方面僅選用了4個(gè)因子8個(gè)類目，在此基礎(chǔ)上，可選取更多的立地因子(如林分密度、土壤養(yǎng)分狀況、降雨等)，以增強(qiáng)刺槐人工林立地分類系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和針對性，同時(shí)提高立地質(zhì)量評價(jià)模型的精度及適用性。