天然云冷杉针阔混交林立地质量评价1)

王璐　王海燕　何丽鸿　刘鑫

(北京林业大学，北京，100083)



天然云冷杉针阔混交林立地质量评价1)

王璐王海燕何丽鸿刘鑫

(北京林业大学，北京，100083)

摘要以吉林省汪清林业局金沟岭林场中的41块天然云冷杉针阔混交林样地为对象，选取了14个立地因子作为指标进行立地质量分类与评价。根据不同性质, 将评价指标分成宏观因子(土层厚度、坡向、坡位、坡度及海拔)和微观因子(枯落物厚度、自然含水率、土壤密度、pH值、有机质、全氮、全磷、有效磷及速效钾)。采用熵值赋权法和主成分分析赋权法确定立地因子的权重并计算得分，根据各自得分进行聚类分析。结果表明：(1)宏观立地质量评价可分为4类(优、良、一般和差)。第1类为优，主要特征为地势平缓，平均坡度为6.0°；第2类为良，主要特征为地势相对较平缓，平均坡度为11.1°；第3类为一般，主要特征为地势相对较陡，平均坡度为15.2°；第4类为差，主要特征为地势陡峭，平均坡度为21.1°。(2)微观立地质量评价也相应分为优、良、一般和差4类。本研究结果可为今后适地适树地进行造林规划、合理营林措施的设计、林地生产力预估以及森林资源资产评估提供科学依据。

关键词立地质量；森林土壤；熵值赋权法；主成分分析；聚类分析

分类号S714.4

Site Quality Assessment of Natural Spruce-fir Mixed Forest

Wang Lu, Wang Haiyan, He Lihong, Liu Xin

(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(3)：1-7.

Taking the 41 fields of the natural spruce-fir mixed forest in the Jingouling Forestry Center of Wangqing Forestry Bureau in Jilin Province, we selected 14 site factors as indicators to classify and evaluate the site quality. We divided the indicators to the macroscopic (soil depth, slope direction, slope position, slope and altitude) and the microscopic (litter depth, moisture content, soil density, pH, organic material, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and available potassium). We analyzed the weight of the site factors and score to take the cluster analysis by entropy weighting method and principal components methods. The macroscopic and the microscopic evaluation were classified into four classes. The feature of the macroscopic evaluation of first class is with the gentle terrain slopes and average slope of 6.0°, and the feature of the microscopic evaluation is with excellent soil fertility. The feature of the macroscopic evaluation of second class is with relatively gentle terrain slopes, average slope of 11.1°, and the feature of the microscopic evaluation is with the good soil fertility. The feature of the macroscopic evaluation of the third class is with the relatively steep terrain slopes and average slope of 15.2°, and the feature of the microscopic evaluation is with fair soil fertility. The feature of the macroscopic evaluation of the forth class is with steep terrain slopes and the average slope of 21.1°, and the feature of the microscopic evaluation is with poor soil fertility.

KeywordsSite quality; Forest soil; Entropy value method; Principal component analysis; Clustering analysis

森林立地质量评价是了解森林实际质量的基础，同时也是实现科学造林、合理高效利用林地的重要保证[1]。掌握森林立地质量可为森林制定更科学的经营措施、森林的可持续发展、森林资源的恢复与利用以及提高森林的效益(经济、生态和社会效益)提供相应的理论基础[2]。综合国内外研究，森林立地质量评价方法可以分为直接评价法和间接评价法，其中立地指数法、地位级法、多元地位指数法等评价方法最为常见[3-10]。由于天然林林分结构复杂、树种年龄不同等原因，运用直接评价法(如立地指数法)不能有效地评价天然林的立地质量[11]。而天然林的地形因子和土壤因子相对比较稳定，在进行实际调查时，数据比较容易获得，所以本文在对天然林进行立地质量评价时，采用各个立地因子来间接评价天然林立地质量。近年来，有许多针对不同地区、不同研究对象的森林立地质量评价的标准与指标，用到的评价因子和模型也很多[12-21]，而把立地因子分为宏观因子和微观因子分别进行评价的研究比较少见[22]。因此，本研究以吉林汪清林业局金沟岭林场中的41块临时样地为对象，分别从宏观和微观的角度对其进行立地质量分类及评价，将评价结果与地上部分树木实际生长状况结合在一起，提出相应营林措施，以期更加准确地反映东北天然云冷杉针阔混交林立地质量。

1研究区概况

研究区位于吉林省汪清林业局金沟岭林场。该林场地处长白山系老爷岭山脉雪岭支脉，地貌属低山丘陵，海拔为300～1 200 m，坡度5°～25°；该区属大陆性季风气候，年均气温3.9 ℃，年均日照时间2 352 h；年均降水量547 mm，主要集中在6—9月份(占全年降水量的59%)[23]。林区内有丰富的植物种类，研究样地选择以云杉(Piceajezoensisvar.microsperma)、冷杉(Abiesnephrolepis)和阔叶树为优势树种的天然林，林下主要灌木有毛榛(Corylusmandshurica)、蓝靛果忍冬(Loniceraceandea)、绢毛绣线菊(SpiraeasericeaTurcz.)等，林下草本主要有蕨类(Pteridophyta)、节节草(EquisetumramosissimumDesf)和异穗苔草(CarexheterostachyaBge.)。林区内土壤有明显的垂直变化，其成土母质多为片麻岩、玄武岩和花岗岩。土壤类型大多属于暗棕色森林土，结构为粒状，质地为粘壤土，较湿润疏松且植物根系多，土层平均厚度约63 cm[24]。

2研究方法

2.1立地因子的选取

土壤是林木主要的生活基质供体，土层厚度直接影响着林木生长。在山地条件下，影响土层厚度的主要因素是地形。土壤水分状况直接影响到林木的成活与生长，在地形因子中，坡度对水分状况的影响最大[25-27]，同时，海拔的高低也影响着林木的分布与生长。另外土壤密度则主要影响着林木根系的生长状况[28-29]，而土壤腐殖质是土壤养分的储存库，是土壤肥力的重要指标，而土壤肥力决定着林木的生长状况。因此，选用常见的立地因子(土层厚度、坡向、坡位、坡度、海拔、枯落物厚度、自然含水率、土壤密度、土壤pH值、土壤有机质、全氮、全磷、有效磷以及速效钾等14个因子)对研究区域进行立地质量评价。

2.2分类和评价方法

将14个评价因子分成两类，分别进行基于宏观因子(土层厚度、坡向、坡位、坡度和海拔)和微观因子(枯落物厚度、土壤自然含水率、土壤密度、土壤pH值、有机质、全氮、全磷、有效磷和速效钾)的立地质量分类及评价。在确定因子权重中，宏观因子采用熵值赋权法[30-31]，而微观因子采用主成分分析赋权法[32-33]。除此之外，在评价过程中还用到其他一些数学方法(标准化模型，加权求和模型和聚类分析)。

宏观立地因子的数量化和标准化。宏观立地因子包括坡向、坡位、坡度、海拔和土层厚度，首先将坡向和坡位数量化，其中阴坡为4、半阴坡为3、半阳坡为2、阳坡为1；坡位则是山顶为1、上坡为2、中坡为3、下坡为4[22]。然后对数据进行标准化处理[30]，公式(1)适合坡向、坡位和土层厚度3个正向因子，其值越大越好；公式(2)则适合坡度和海拔两个反向因子，其值越小越好。

dij=xij/ximax;

(1)

dij=ximin/xij。

(2)

式中：dij为第i项评价因子第j块样地的标准化处理值；xij为第i项评价因子第j块样地的实测值(或数量化的值)；ximin为第i项评价因子最小值；ximax为第i项评价因子最大值；i=1、2、…、5；j=1、2、…、41。

宏观立地因子权重的确定。采用熵值赋权法确定宏观因子权重[34]。Hj为第j项指标的信息熵；wj为第j项指标的权重：

(3)

(4)

宏观立地质量综合得分。采用加权求和数学模型，可以较好地反映各宏观立地因子综合作用的结果。计算公式为：

(5)

式中：Yj为样地j的宏观立地质量综合得分值；wi为第i项评价因子的权重；dij为第i项评价因子样地j的标准化处理值。

主成分分析。通过主成分分析得到基于微观因子的立地质量综合得分。主成分分析是将多个微观立地因子变换为少数几个不相关的综合变量，其核心是“降维”[35]。主要步骤为：①进行因子分析；②计算特征向量矩阵；③计算主成分矩阵，确定主成分表达式；④计算主成分载荷值，计算综合得分即进行主成分评分。

聚类分析。聚类分析可以很好地避免主观随意性，一般分三步进行：①数据变换处理；②计算聚类统计量；③选择聚类方法。

2.3样品的采集与处理

2014年7月下旬，选取41块临时样地进行样品的采集。采用标准地采样法在每块面积为0.025hm2的临时样地内，挖取一个典型土壤剖面，记录剖面形态特征。土壤密度和自然含水率用环刀法采样测定。然后，在样地内以“S”形随机布设5～7个采样点，用土钻取样，按0～20cm、>20～40cm、>40～60cm3个层次采集样品，并进行等层次混合。将混合土样风干后研磨，使之分别过2.00、1.00、0.25mm土壤筛，用于测定土壤理化性质。同时对每块样地的经纬度、坡向、坡度、海拔、郁闭度、株数密度、胸径进行调查(见表1)。

2.4土壤理化性质的测定[36]

环刀取样烘干法测定土壤密度及自然含水率；土壤pH值用酸度计法(m(水)∶m(土)=2.5∶1)；土壤有机质采用外加热重铬酸钾氧化—容量法；全氮采用硫酸—高氯酸消煮—凯氏定氮法；全磷采用硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法；有效磷采用氟化铵—盐酸浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用中性乙酸铵浸提—火焰光度计法。

3结果与分析

3.1宏观因子的立地质量得分

3.1.1立地因子的数量化和标准化

由表1可知，对各宏观立地因子进行标准化处理后的值都分布在0.10～1.00，这样消除了各指标间量纲的差异。

表1　宏观因子数量化和标准化处理值

3.1.2立地因子权重的确定及评价得分

由表2可知，各指标中坡度的权重最大(0.27)，对立地质量影响最大，其次是权重为0.22的坡向，土层厚度、坡位、海拔对立地质量的影响相对较小，权重也较低。根据立地质量的各指标权重计算各样地的得分值(见表3)。

表2　各评价指标的熵值和权重

表3　各评价指标综合评价得分和样地综合得分

3.2微观因子的立地质量得分

由表4可知，选取特征值大于1的成分作为主成分来进行，前4个因子的特征值之和占总特征值的73.36%，这4个主成分大致包括了该研究区土壤特性的内容，基本可以反映基于微观立地因子的立地质量综合状况[37]。

表4　总方差解释

由表5可知，第一主成分主要包括了土壤密度和全氮质量分数，其系数绝对值很接近，这表明土壤密度和全氮对立地质量的影响都很大，土壤密度越小、全氮质量分数越大，立地质量越好；第二主成分主要包括了全磷和有效磷质量分数，其中有效磷系数绝对值最大，这表明土壤有效磷对立地质量的影响最大，因此，土壤有效磷质量分数越大，立地质量越好；第三主成分主要包括了枯落物厚度、自然含水率和速效钾质量分数，其中枯落物厚度和速效钾质量分数的系数绝对值最大，这表明枯落物厚度和速效钾对立地质量的影响最大，也就是说，土壤枯落物厚度和速效钾质量分数越大，立地质量越好；第四主成分主要包括pH值和土壤有机质质量分数，其中pH值系数绝对值最大，表明土壤pH值对立地质量的影响最大，在整个研究区范围内土壤都为酸性的条件下，土壤pH值越大，立地质量越好。

表5　成分得分系数矩阵

根据各指标的成分得分系数(表5)，由此可以得到的四个主成分F1、F2、F3、F4的线性组合如下：

F1=0.34X1+0.30X2-0.90X3+0.24X4+0.52X5+0.38X6+

0.30X7+0.30X8+0.30X9；

F2=-0.26X1-0.36X2+0.37X3-0.19X4-0.01X5+0.23X6+0.52X7+0.55X8-0.6X9；

F3=0.53X1-0.39X2+0.28X3+0.10X4-0.01X5-0.35X6-

0.18X7+0.21X8+0.53X9；

F4=0.13X1-0.07X2+0.00X3+0.79X4-0.47X5-0.01X6+

0.22X7+0.05X8-0.29X9。

用Fi表示第i个基于微观因子的立地质量综合指标；X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9分别表示枯落物厚度、自然含水率、土壤密度、土壤pH、土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾等9种指标数据经过标准化后的数据。利用上面表达式求出各主成分的得分，然后进行加权求和，其权数为各主成分的方差贡献率(见表6)。

表6　基于微观因子立地质量综合得分

3.3天然云冷杉针阔混交林立地质量分类

本研究采用目前国内外常用的生态区划法和聚类分析法，分别对基于宏观立地因子和微观立地因子的立地质量得分进行分类，这样可以有效地避免人为主观的影响[38]。由图1可见，当立地质量得分(宏观)分类数为9时出现明显的转折点，宏观因子的曲线变化比较平缓，虽然符合聚类的目的，但结合图2树状图(宏观因子)进一步观察时，不难发现{YLK-26}、{YLK-41，YLK-49}、{YLK-33，YLK-36}和{YLK-51，YLK-57}类型样地数目太少，所以将这4类与邻近的种类合并。在重新调整距离为5时，恰好可以将研究区的41块样地宏观立地质量得分分为4类。其宏观立地质量得分排名1～4的样地为第1类(优)，其特点为地势平缓，坡度很小；得分排名5～16的样地为第2类(良)，其特点为地势相对较平缓，坡度相对较小；得分排名17～34的样地为第3类(一般)，其特点为地势相对较陡，坡度相对较大；得分排名35～41的样地为第4类(差)，其特点为地势陡峭，坡度很大。

图1　聚合系数随分类数变化曲线

图2　树状聚类图

当立地质量得分(微观)分类数为4时，图1出现明显的转折点，曲线变化趋于平缓，同时结合图2也可看到，重新调整距离在5时，恰好可以将研究区的41块样地立地质量分为4类，虽然{YLK-53，YLK-56}类型样地数目很少，但是在图2中，重新调整距离在25时才能合并，故将其单独分为一类。因此，对微观立地质量得分分为4类最为合理，其中综合排名1～9的样地为第1类(优)，综合排名10～18的样地为第2类(良)，综合排名19～39的样地为第3类(一般)，综合排名40～41的样地为第4类(差)。

3.4综合立地质量分类及评价

综合宏观立地质量得分和微观立地质量得分分类，最终将41块样地分成了12类(见表7)，很好地避免了由相关立地因子过多而造成的权重难以确定的问题。

表7　东北云冷杉针阔混交林综合立地质量分类及评价

4讨论与结论

(1)森林立地是对所有影响林木生长的环境因子的统称，由于天然针阔混交林人为干扰较少，林分结构复杂，林分密度、郁闭度和地下植被覆盖率均较高，不能准确测量林地中所有林木树龄的准确值[3]，所以本研究从地形和土壤的角度，对森林立地质量做出了评价。在同一地区相同气候条件下，地形和土壤肥力直接影响着树种的分布和林木的生长发育。而外业直接测定的因子(海拔、坡度、坡向及坡位、土层厚度等)与室内试验分析因子(土壤性质等因子)并没有直接相关性，所以分别采用不同的方法进行分类评价，这样可以提高各因子权重的准确性，最后再将两类因子综合起来进行整体分类评价，很大程度上提高了分类评价结果的质量[22]。由于本文所选取的宏观因子不宜改变，而微观因子可以通过一定的措施加以改良，以弥补宏观因子的不足。同时本文所采取的分类评价法，也可以很好地应用在对无林地和人工林地的评价管理中。本研究没有考虑地上林木实际生长状况因素和山地小气候对森林立地质量的影响，对于环境因素指标和林木生长指标在天然林立地质量评价中的应用还有待更加深入的研究。

(2)在宏观立地质量评价中，各宏观立地因子经过熵值赋权法处理后，得出坡度对立地质量的影响最大，其次是坡向、坡位，最后是海拔。由此看出在地势平坦、海拔较低、土层较厚的条件下，立地质量就越好。而海拔影响最小，可能是由于在本次实验样地分布在海拔上差异较小造成的。

在微观立地质量评价中，各微观立地因子经过主成分分析之后，根据第一个主成分表达式，得出对立地质量影响最大的土壤因子是土壤密度、有机质、全氮和枯落物厚度。土壤密度的大小与土壤的化学与矿物组成有关，土壤密度越高，有机质和全氮质量分数越低，这与杨晓娟等[39]研究的结果一致。土壤有机质与全氮质量分数有密切的正相关性[40-43]，这是由于在土壤中大部分氮素是有机的结合形态，存在有机质中的氮素也相对稳定，在自然状态下，森林土壤有机质的主要来源是大量的凋落物和庞大的树木根系。

根据分类评价时各指标因子权重的大小，建议选取权重较大的因子(坡度、坡向、土层厚度、坡位、海拔、土壤密度、有机质、全氮和枯落物厚度)作为评价指标外，还应将林分密度作为一个评价指标，这是由于林木的生长也会受到林分密度的影响[2]。

(3)在平均树高相对一致的情况下，出现了宏观立地质量良，微观立地质量差的状况。是由于林分密度过大，土壤养分不能很好地供给林木的生长，而造成林木平均胸径较小、生长状况较差和土壤贫瘠。建议采取适当的采伐措施，减少林分密度。而在宏观立地质量差的条件下，出现了微观立地质量优、良和一般这3种状况。这是由于株数密度相较小，树木之间竞争小和林木处于良好的生长状态。在进行人工林栽植时，可以借鉴这3种状况下的林分密度。在宏观立地质量优，微观立地质量优的状况下，林分密度小，树木生长良好，这说明土壤养分完全可以供给林木生长所需的养分，可以进行适当地补植，确保林地在最优的状态下生长最好。从研究结果来看，宏观立地质量好的样地，微观立地质量并不一定就好。而在研究结果中并没有出现宏观优—微观良、宏观优—微观差、宏观一般—微观差、宏观差—微观差的状况，并不代表没有符合这4种状况的林地，与张勇等[22]对连云港市云台山宜林荒山立地质量分类及评价的研究结果相似。

(4)采用的数学方法和相关的统计软件，均有效地提高了分类评价的精确度。宏观立地质量评价利用熵值赋权法确定权重，受主观因素影响较小，使所确定的权重更好地反映研究样地的实际情况；同时在确定权重前，对因子进行数量化和标准化处理，可以消除不同因子间的量纲差异。在微观立地质量评价中，则采用主成分分析法确定权重，其优点可消除评价指标之间相互影响[44]，但具有一定的主观性；而聚类分析能够降低主观性的影响；两种方法相互弥补了各自的不足，并对其进行系统聚类，有效避免了主观随意性。为准确地对该区的立地质量做出评价和森林可持续经营提供一定的参考。

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收稿日期：2015年10月1日。

第一作者简介：王璐，女，1990年5月生，北京林业大学林学院，硕士研究生。E-mail:wanglu123wl@163.com。通信作者：王海燕，北京林业大学林学院，副教授。E-mail:haiyanwang72@aliyun.com。

1)林业公益性行业科研专项(201504303)。

责任编辑：王广建。