内蒙古大兴安岭林区立地质量评价及生产潜力研究

付 晓 ，王雪军 ，马 炜 ，曹 霖 ，李利伟 ，黄国胜 ，陈新云 ，党永锋

（1.北京联合大学 应用文理学院，北京 100091；2.国家林业局调查规划设计院,北京 100714；3.北京林业大学 林学院,北京 100083）

立地质量是指某一立地条件下，既定的森林或树种的生产潜力[1-4]。林地立地质量评价与生产潜力预测是对立地的宜林性或潜在生产力进行判断和预测的理论基础，也是造林规划、植被恢复与资源利用的基础工作[5]。国内外已形成了林分因子直接评价法、环境因子间接评价法和两者综合评价等多种立地质量评价方法[6-7]。直接评价法是以林分因子为指标，如以林分平均高为指标的地位级法、以林分优势木高为指标的地位指数法和以林分蓄积量为指标的定期收获量法[8-16]。间接评价法主要采用数量化模型，利用立地环境因子来描述立地质量等级[17-22]。目前，大多数研究均为评价某一树种是否适宜于某一研究区，而少有多树种的综合评价[15，23-24]。此外，立地质量及生产潜力评价大多还处于小范围试验阶段，应用性不强。我国的一类、二类调查数据详实可靠，具有充分的代表性，因而如何利用现有资料对全国林地进行立地质量评价，为造林规划设计提供技术支撑值得探讨。为此，本研究以内蒙古大兴安岭林区（简称林区，下同）为研究对象，基于一类清查数据，分别主要树种（组），构建树高曲线，筛选优势木，确定样地立地形，再基于地形和土壤等环境因子与立地形之间的数量关系，拟合立地形估测模型。然后以林区2016年二类调查数据库为基础，以小班为最小评价单元，综合多树种（组）对林区林地质量进行定量评估。最后，根据一类固定样地数据和林区现实林分状况，对比分析林区森林现实生产力与生产力潜力之间的差距，为提高林区森林生产力水平提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

内蒙古大兴安岭林区地处中国北部边疆，位于内蒙古自治区东北部，其地理坐标为东经119°30'～125°24'，北纬47°03'～53°20'。根据詹绍宁[25]中国森林立地类型分类体系，内蒙古大兴安岭林区属于一级区“东北寒温带温带立地区域”（01），二级区“大兴安岭北部山地立地区”（0101）。大兴安岭北部山地立地区地处欧亚大陆中高纬度地带，属寒温带大陆性季风气候区，年平均气温-3.5℃，年降水量300～450mm，植物生长期70～100d。地貌以山地丘陵为主，山地一般海拔为700～1100m。区域内主要植被种类有：兴安落叶松 [Larix gmelinii(Rupr.)Kuze]、蒙古栎（Quercus mongolica）、白桦（Betula platyphylla）、黑桦（Betula davurica）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）等。

根据全国第八次森林资源连续清查结果，林区土地总面积1.06775×107hm2，经营面积9.8099×106hm2。按土地权属分布，国有为1.03341×107hm2，占96.78%；集体为3.434×105hm2，占3.22%。林区的林地面积为1.01498×107hm2，占总面积的95.06%。森林面积8.2685×106hm2，覆盖率为77.44%；活立木总蓄积为9.498848×107m3。

本研究的内蒙古大兴安岭林区评价范围包括阿尔山等17个企业局，大杨树等3个营林局，奇乾等3个原始林业局，汗马、额尔古纳等2个自然保护区，诺敏经营所共计26个局、区、所；不包括已划归莫力达瓦旗的大杨树林业局部分林场、划归阿荣旗的北大河林业局部分林场以及吉拉林和杜博威，研究区总面积为9.265×105hm2。

1.2 研究材料

根据詹绍宁[25]中国森林立地类型分类体系，全国森林立地一级区主要依据大气候，而二级区在大地貌上基本一致，同一区域内的综合自然条件（积温、降水量等）基本相似，其林业利用限制性、生产潜力等大致相同，可认为其林地质量主要取决于地形地貌和土壤状况。

全国一类清查资料为立地质量评价提供了翔实的基础材料[27]，其样地覆盖了林区所有立地类型，能够代表区域林木平均水平。在二级区的区域典型树种中，选择多种立地形评价树种。二级区0101共有标准木1515株，样木 216946 株，样地 3945 块，其中白桦（421）、栎类（410）、桦木（420）、落叶松（150）、其他软阔类（590）5 个树种（组）占比累计超过80%，确定为评价树种（组），见表1。然后以标准木所在样地为准，筛选得到样地和样木样本。本研究林区范围内二级区0101样地共1680个，涉及基于林地小班465114个。

表1 二级区0101主要树种（组）数据统计Table 1 Statistics result of main tree species in study area

1.3 研究方法

1.3.1 优势木数据处理 分别按树高等级确定树高曲线[26]，利用Forstat 2.1拟合胸径与树高的理查兹模型，并求得各等级树高曲线[27]，即：

式中：常数1.3用以保证胸径为0时树高至少有1.3m；H为树高；D为胸径；i表示不同的等级。

同一样地以多数标准木主导的树高等级作为唯一等级，基于相应的树高曲线，结合胸径，计算样地内样木树高。各样地选择6株树高最大的优势木，其均值作为样地优势木高。使用3倍标准差检验，整理得到编表优势木数据。

1.3.2 编制立地形表 研究以标准木各径阶树高的变异系数和净增长量同时趋于平稳时的胸径作为基准胸径，立地形表示为优势木在基准胸径达到的树高[19]。利用Forstat 2.1软件拟合得到立地形导向曲线模型及曲线簇，以编制立地形表，导向曲线仍采用理查兹模型，然后确定各样地立地形。

1.3.3 构建立地形模型 选择地貌、坡度、坡向、坡位、土层厚度等多个地形和土壤因子，首先根据一类技术规程将定量因子标准化，再根据各因子不同等级区分的立地形大小，赋予相应的分值，消除因子间的量纲差别[28]。再在SPSS18.0中采用逐步回归法，筛选主导因子，构建立地因子与立地形的最优回归模型，即：

式中：SF 为立地形；A，B，…，N 为地形或土壤因子；a，a1，…，an为模型参数。

1.3.4 林地质量等级 综合多个树种（组）的评价，以积分比值的形式划分立地质量等级，即：

式中：FLQC 为林地质量等级；i为第 i种评价树种（组）；i=1，2，…，n。

根据林地立地质量等级，划分3个质量等级，即：（1）一等（3＜FLQC≤5）：好，主要指其有良好的森林生长条件，能保证森林植被良好生长；（2）二等（2＜FLQC≤3）：中等，生态条件一般，生产力一般；（3）三等（0＜FLQC≤2）：较差，生态条件差。

1.3.5 林地生产潜力评价 林地生产潜力特指生长在一定水热条件、土壤和地形特征等自然环境因素组合下，林分可能达到的年平均单位面积蓄积生长量。基于三期一类固定样地数据，各等级分别选取30块近10年自然生长、未受灾害且蓄积生长量最大的白桦或落叶松林样地，计算其年平均生长量的均值，确定该等级林地生产潜力。由于二类调查没有乔木林单位面积年平均生长量的数据，本研究根据一类固定样地数据，分林地质量等级建立了单位面积年生长量与单位面积年平均蓄积量的回归关系。再根据二类数据的小班森林蓄积和林龄计算得到的小班年平均蓄积量，通过回归模型，估计得到各小班的单位面积年平均生长量，即现实生产力。最后，通过林地现实生产力与生产潜力之间的比值（M），来反映两者间的差距，比值越小，林分现实生产力提高的可能性越大。从低到高将比值划分4个分值档：高（M＜0.3），即说明提高林地生产力的可能性高；中(0.3≤M＜0.6)，低（0.6≤M＜1）；当M≥1，说明现实生产力已经达到林地生产潜力水平。

2 结果与分析

2.1 样木优势木

以二级区0101的白桦为例，利用其标准木数据绘制树高曲线（图1a），分为10个等级，拟合的理查兹模型参数 a1～a10大小范围为 8.3955～27.2853，b=0.2019，c=2.7112，R2=0.8768。 再对标准木进行初步分级，调整树高曲线后，确定标准木树高等级（如图1b），评定样地等级。最后基于样地等级和相应树高曲线，计算样木树高，最终筛选出编制立地形表的样本。

图1 二级区0101白桦标准木树高曲线及等级分布Figure 1 Height curves in different classes of white birch in study area

2.2 立地形模型

2.2.1 立地形表 基于白桦优势木，拟合其立地形导向曲线。由图2可知，优势木树高净增长幅度和树高变异系数均在20cm减缓，因此确定基准胸径为20cm。当优势木达到标准胸径时，其树高变动范围为9.3～21.3m，从8～22m共划分为7个指数级，级距为2m。

图2 二级区0101白桦优势木Figure 2 Data analysis of white birch in study area

二级区0101白桦立地形表编制导向曲线模型为：

式中：Ht为树高（m）；DBH为树高为1.3m处的胸径(cm)。

使用Forstat 2.1软件编制完成5个树种（组）立地形表的导向曲线模型（表2）。

表2 二级区0101主要树种（组）导向曲线模型Table 2 Guide curve model of main tree species in study area

2.2.2 立地形模型 使用Forstat 2.1软件编制完成各树种（组）立地形表。以二级区0101白桦为例（表3），依据样地优势木树高，确定其立地形，用以划分林地立地质量等级。

表3 二级区0101白桦立地形表Table 3 Site form table of white birch in study area

分树种（组）将各样地立地形与地貌、海拔、坡向等8个分级赋分处理后的立地因子使用强制进入法，拟合多元线性模型（表4）。再对立地形与立地因子进行逐步回归分析，拟合多元线性模型，通过模型优选，最终拟合出二级区0101各树种立地形估测模型。选择复相关系数、估计值标准差、平均系统误差、平均预估误差等指标对模型进行评价[10]。经检验，二级区0101中5个树种（组）立地形模型的相关性均达到极显著水平，表明该模型可以用于估算林地或无林地立地形（表5）。

表4 二级区0101主要树种（组）使用8个立地因子进行建模的模型参数Table 4 Results of modeling with 8 site factors for main tree species in study area

表5 二级区0101主要树种（组）使用逐步回归建模的建模参数Table 5 Results of stepwise regression modeling for main tree species in study area

由表6可知，各树种（组）不同立地形的样地数量分布情况在拟合前后基本一致，说明模型拟合结果较好。

表6 二级区0101主要树种（组）立地形模型拟合结果Table 6 Fitting results of site index model of main tree(species)in study area

2.3 林区林地质量评价分析

基于林区二类调查矢量数据库，以林地小班作为立地评价的空间属性数据，可以绘制林地立地质量分布图（图4）和林区森林生产潜力分布图（图5）。由表7可知，林地立地质量等级为一等的面积为4974424.71hm2（占56.59%），小班数量为269906个（占55.21%），主要分布在全林区降水量较为充沛、土壤较为肥沃的低、中山区；二等林地全林区均有分布，面积为2553920.29hm2，占29.05%，小班数为129290个（占26.45%）；而三等面积为1261927.40hm2，占14.36%，小班数有89687个（占18.34%），主要分布在毕拉河、大杨树等林业局人为干扰严重地区，以及北部的乌玛、阿龙山、满归、莫尔道嘎等和中部的根河、阿里河等林业局薄土层，保肥保水差地区；乔木林地方面，同样以一等 （4281082.73hm2，占55.02%）和二等 （2358630.52hm2，占30.32%）为主，三等（1140674.10hm2，占 14.66%）；宜林地方面，一等（458734.40hm2，占 70.78%），二等（104579.67hm2，占 16.14%），三等（84807.30hm2，占13.08%）。可见，林区地处寒温带，是我国典型寒温带针叶林的集中分布区，其林地质量整体较好，适宜林木生长，适合规划建设国家战略储备林。

表7 林区林地立地质量等级评价结果表Table 7 Evaluation result of forest land quality classes in study area

2.4 林地生产潜力分析

根据一类固定样地调查数据中样地单位面积生长量及同理得到样地年平均蓄积量，分别按林地质量等级建立这两者的线性回归模型。由图3可知，模型复相关系数均0.42以上，样地单位面积生长量与样地年平均蓄积量具有很好的相关性。再基于二类调查数据中的小班森林蓄积和林龄计算得到的小班年平均蓄积量，通过回归模型，估计得到每个林分小班的单位面积年平均生长量，即现实生产力。

图3 不同立地质量等级林地现实生产力回归模型Figure 3 Regression model of realistic productivity of forestland at different site quality class

根据三期（10年）林区一类清查资料，统计得到各等级林地林分生产潜力值，再结合林区各小班现实生产力测算结果，计算得到各等级乔木林生产潜力对比分析结果（表8）。由表8可知，全林区林分单位面积蓄积量为101.84m3·hm-2，相当于世界平均水平（131m3·hm-2）的77%，为全国水平的1.13倍，单位面积年平均生长量为2.52m3·hm-2·a-1，仅为林区林地生产潜力平均值的 39.87%。

表8 不同林地质量等级林分现实及潜在生产力Table 8 Forestland stock realistic productivity and potential at different quality classes

由表9可知，仅1.62%的乔木林地现实生产力基本达到生产潜力值，87.31%的乔木林地仍具有较高的提升潜力（M＜0.3和0.3≤M＜0.6)。从地域分布上看（图4），北部的永安山、汗马、阿龙山、满归、金河和根河等林业局分布最多，大杨树、毕拉河、阿尔山等林业局分布也较多。这都说明目前林区林分生产力水平整体偏低，未来应该进一步加强森林抚育经营，促进林木蓄积增长。

2.5 森林抚育经营潜力分析

由表 10 可知，林区中幼龄林面积大（4393687.04hm2，占 56.47%），其单位面积年平均生产力（2.63m3·hm-2·a-1）仅相当于中幼龄林地生产潜力平均水平（6.40m3·hm-2·a-1）的41.10%。从林地生产潜力提高的可能性来看，全林区有21.51%的中幼龄林现实生产力水平低于生产潜力的30%。从地域分布上看（图5），大杨树、根河、满归和金河等林业局分布最多。经测算，若加强中幼龄森林抚育经营，促进林木生长，林地平均生产力接近生产潜力值，将增长约1.65610×107m3林木蓄积，提升空间巨大。

表9 不同等级乔木林生产潜力面积和比例分布Table 9 Distribution of forestland potential productivity at different quality classes

表10 林区各林业局（保护区）中幼龄林生产潜力分布Table 10 Distribution of forestland potential productivity of the immature and young forests at different district

3 讨论与结论

本研究在气候（光、热和水）变化较小的同一立地区内，克服年龄因子在林地调查中难以测定并测准的难题，根据树高和胸径之间更加稳定密切的关系，以标准胸径替换标准年龄，以编制立地形表。经多树种（组）试验，证明该方法适用于区域异龄、混交复合林的立地质量评价。使用经赋分转化后的立地因子拟合立地形模型，预估模型达到精度要求，可有效地用于立地形的定量预测。

图4 林区林地立地质量等级Figure 4 Distribution of forestland quality classes in study area

图5 林区森林生产潜力Figure 5 Distribution of forest potential productivity in study area

我国一类清查数据内容翔实可靠，其系统布设样地均具有代表性；二类调查数据则具体展现了森林资源的情况及其空间分布特征。本研究采用二者结合综合进行多树种林地立地质量的评价，能从总体上衡量同一立地条件质量的好坏，更可根据空间矢量数据得到各小班林地立地质量情况，可以为林区绿色发展规划、国家储备林基地建设等提供数据支撑。

常规立地指数评价中的自变量年龄在实际操作中不易获取，尤其对于内蒙古国有重点林区以天然异龄为主的林分结构，因而本研究选用标准胸高直径取而代之，采用立地形作为评价标准，结果证明可行、有效；本研究结合多个树种（组）对区域内的林地质量进行评价，取得了较为满意的结果。但同时受限于数据，样地优势木的树高是通过标准木的分级树高曲线计算得到；基准胸径的确定也有不确定性，这些都会对结果造成一定的影响。研究中土壤质地等重要的立地因子并未能参与模型的构建，因而如果今后的一类、二类调查能够进行相关数据的采集，须予以考虑，进一步使评价结果更精确、更科学。

本研究基于内蒙古大兴安岭林区一类、二类调查数据，综合运用多树种对林区林地质量及生产潜力进行评价研究，结果表明，林区林地质量整体较好，林地质量等级为好和中等的分别占56.59%和29.05%，合计高达85.64%。但林分现实生产力接近或高于生产潜力值的面积仅为1.62%，需特别关注的是林区幼龄林面积占比较大（56.47%），且林分现实生产力仅为生产潜力水平的41.10%，森林蓄积提升潜力巨大，应予以重视。