基于森林连续清查数据的马尾松立地质量评价

陈 敏,叶金盛,刘 萍

(1.华南农业大学 林学与风景园林学院，广州 510642；2.广东省林业调查规划院森林资源监测中心，广州 510520)

立地质量是指某一立地上既定森林或其他植被类型的生产潜力,与树种相关并有高低之分。立地质量评价是对立地的宜林性或潜在的生产力进行判断和预测的理论基础,对于适地适树造林、科学开展森林经营以及构建森林资源管理决策支持系统具有重要作用[1]。立地质量评价的方法很多,可分为直接评价法和间接评价法两大类。其中,应用最广泛的方法是地位指数法[2-6],即该树种在一定基准年龄时的优势木平均高。20世纪70年代,美国中西部的林农就已经依赖地位指数曲线来指导生产[7-8],通过设置固定样地对林木进行连续测定,以林分生长量为标准评价立地质量的方法,被认为是最直接、最准确和最可靠的方法[1,9]。另外,利用生物量收获指标和公顷蓄积量评价立地质量也是近几年来常用的方法[10]。

马尾松(Pinusmassoniana)是松科松属乔木,为喜光、深根性树种,不耐庇荫,喜温暖湿润气候,能生于干旱、贫瘠的红壤、石砾土及砂质土,或生于岩石缝中。在肥润、深厚的砂质壤土上生长迅速,在钙质土上生长不良或不能生长,不耐盐碱。马尾松是中国南部主要用材树种之一,是长江流域以南荒山造林的先锋树种,经济价值高。在我国分布极广,北自河南及山东南部,南达福建、两广、台湾北部低山,西至四川中部大相岭东坡,西南至贵州贵阳、毕节及云南富宁,遍布于华中华南各地。近年来,马尾松人工林规模种植及多代连作导致地力下降、病虫害爆发、生态系统稳定性差等突出问题[11],有关马尾松立地质量报道较少,立地质量是科学经营和质量精准提升的技术关键,因此,评价广东马尾松林立地质量为提高广东省乃至华南地区马尾松林科学经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料来源

材料来源于广东省第九次森林连续清查77块马尾松固定样地数据,样地面积为25.82m×25.82m,样地林木信息如表1所示。

表1 样地林木信息表

1.2 研究方法

1.2.1立地因子选取

地形因子包括地貌、海拔、坡向、坡位、坡度等,影响着与林木生长直接相关的光照、热量和水分的分布。土壤因子包括土壤类型、土壤厚度、土壤质地、砾石含量、腐殖质厚度、枯枝落叶层厚度等,这都影响着土壤的理化性质,对林木生长所需的水、肥、气、热具有控制作用。由于地貌是根据海拔高度划分为4个水平,故选择其中1个因子即可。基于广东省第九次森林资源连续清查数据,选用地貌、坡向、坡位、坡度、土壤类型、土壤厚度、土壤质地、砾石含量、腐殖质层厚度、枯枝落叶层厚度等10个立地因子,对广东省马尾松林进行立地质量评价。

1.2.2评价方法

1) 变量数量化处理。根据《国家森林资源连续清查技术规定(2014)》(1)国家林业局.国家森林资源连续清查技术规定(2014).2014.和《第九次全国森林资源清查广东省2017年暨大样地监测试点操作细则》(2)广东省林业厅,广东省林业调查规划院.第九次全国森林资源清查广东省2017年暨大样地监测试点操作细则.2017.的相关技术规定的立地因子分级,结合马尾松的生长环境特性,确定各立地因子的分级标准,并对除砾石含量以外的9个立地因子进行数量化处理[12]。

2) 主成分分析。通过主成分分析将10个立地因子变换为少数几个不相关的综合变量[13],主要步骤为:a.计算样本相关矩阵；b.进行因子分析；c.计算样本相关矩阵的特征值和特征向量；d.计算贡献率和累计贡献率,确定选取主成分个数；e.计算主成分矩阵,确定主成分方程。

3) 聚类分析。聚类分析可以很好的避免主观随意性[14],是数据的客观反映,文章采用的是离差平方和法(Ward法)。

2 结果与分析

2.1 主成分分析

对各项指标进行标准化处理并依据主成分分析得到7个主成分,由表2可知,有4个主成分的特征根大于1,前7个主成分的特征根大于0.75,累计贡献率达到86.32%,说明前7个主成分基本可以综合评价立地质量状况,各主成分特征向量矩阵如表3所示。

表2 主成分分析表

表3 主成分特征向量矩阵

由表3可知,第1主成分中砾石含量和土壤质地的特征向量值分别为-0.492 4和0.448 1,明显大于其他立地因子,砾石含量与立地质量是负相关关系,大量砾石的存在会影响土壤理化特性、持水能力和土壤耕性,土壤固体颗粒大小组合不同组成不同的土壤质地,因此第1主成分综合反映的是土壤的结构。第2主成分中,土壤厚度、土壤类型和坡度的特征向量值较大,分别为0.484 3,0.453 1和0.450 9,都呈正相关,坡度越高,土壤所受的雨水冲刷作用越大,表土越容易流失至坡度缓和的地段,土壤厚度越厚,马尾松的根系越发达,第2主成分综合反映了土壤的机械支撑能力。第3主成分中地貌、枯枝落叶层厚度、腐殖质厚度和坡向的特征向量值较大,分别为-0.476 1,0.474 3,-0.430 7和0.419 7,主要反映了土壤养分的贮存。第4主成分中坡位的特征向量值最高,为0.762 8,主要反映的是坡位引起的水热条件。第5主成分中,土壤厚度和腐殖质层厚度的特征向量值较大,分别为 0.493 2和0.479 9,呈正相关,说明土壤厚度和腐殖质层越厚,立地的质量越高,这正好和马尾松是深根性树种的特性相关联。第6主成分中坡度的特征向量值最大,为-0.499 7,呈负相关,说明坡度马尾松林喜欢在山地上生长。第7主成分中枯枝落叶层厚度的特征向量值为0.628 4,呈正相关,说明枯枝落叶层厚度越大,土壤抗侵蚀能力越强、营养物质贮存量越多,越有利于植物的生长。因此,本文认为砾石含量、土壤厚度、地貌、坡位、腐殖质层厚度、坡度和枯枝落叶层厚度等7个指标是影响马尾松林立地质量的主导因子。

2.2 样地聚类分析

将77个样地按照主成分分析的7个指标进行聚类分析,当纵坐标距离取0.081时,可将77个样地分为4大类,每个类别所包含的样地数及其森林质量指标的基本情况如表4所示。类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的平均年龄相近,类型Ⅲ的平均年龄较大,为27.3a。类型Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的平均胸径和平均树高相近,类型Ⅱ的略小于其他3个类型,平均胸径为12.8cm,平均树高为8.0m。各类型平均每公顷蓄积分别为59.41,45.38,80.07,73.48 m3/hm2,类型Ⅲ、Ⅳ蓄积量高于类型Ⅰ、Ⅱ蓄积量。类型Ⅰ、Ⅱ分布在低山和丘陵样地各占一半,类型Ⅲ样地86%分布在丘陵,类型Ⅳ样地89%分布在丘陵,总的来说,广东马尾松林集中生长在丘陵和低山。由土壤厚度、砾石含量、腐殖质层厚度和枯枝落叶层厚度4个指标,基本能解释为什么类型Ⅲ、Ⅳ的公顷蓄积量明显高于类型Ⅰ、Ⅱ。类型Ⅲ的公顷蓄积量最大,为80.071m3/hm2,原因之一是土壤厚度较厚,砾石含量较小,为4%,且57%的样地主要分布在中度腐殖质层厚度,枯枝落叶层厚度的“薄”与“中”的比例为1∶1。其次为类型Ⅳ,单位蓄积量为73.481 m3/hm2,其略小于类型Ⅲ的原因是砾石含量为5%,89%的样地的腐殖质层厚度为“薄”,且平均年龄(24.8a)较小于类型Ⅲ(27.3 a)。再次为类型Ⅰ,单位蓄积量为59.407 m3/hm2,所有样地的土壤厚度均为“厚”,砾石含量较低为9%,腐殖质层厚度和枯枝落叶层厚度都较薄。类型Ⅱ的单位蓄积量最小:一是因为其土壤厚度为中,是4个类型中最薄的；二是因为砾石含量平均值为17%,最大值为60%,远远高于其他3个类型。大量砾石的存在会影响土壤理化特性和水力特性,砾石的存在会影响土温等物理特性,由于砾石而产生的大孔隙不仅会对水分的渗入、蒸发、分布等方面产生影响,也会对土壤碳、氮等各种元素含量及溶质运移过程产生较大影响[15]。

表4 广东马尾松林各类别立地森林质量

3 结论与讨论

1) 由主成分分析结果可知,前7个主成分的累计贡献率达到86.32%,因此选取前7个主成分即可基本说明立地因子对立地质量的综合影响,包括砾石含量、土壤厚度、地貌、坡位、腐殖质层厚度、坡度和枯枝落叶层厚度等7个指标是影响马尾松林立地质量的主导因子。

2) 聚类分析结果表明,当距离取0.081时可将77个样地按照7个主导因子分为4大类。各类别平均年龄、平均胸径和平均树高相近,但类型Ⅲ、Ⅳ的公顷蓄积量明显大于类型Ⅰ、Ⅱ的公顷蓄积量,主要是由土壤厚度、砾石含量、腐殖质层厚度和枯枝落叶层厚度引起的差异。类型Ⅲ、Ⅳ的公顷蓄积量较大,森林质量较高,可在这两类立地上营造大径材、无病虫害、高质量的马尾松林,针对公顷蓄积量较低的类型Ⅰ、Ⅱ,可适当加入其他树种营造混交林。