海岸沙地木麻黄林立地质量评价及类型划分

2021-03-04林文泉叶功富尤龙辉

中南林业科技大学学报 2021年1期

林文泉，高伟，叶功富，尤龙辉，聂森，刘海

（1.福建农林大学林学院，福建福州 350002；2.福建省林业科学研究院，福建福州 350012；3.福建省林业调查规划院，福建福州 350003）

森林具有涵养水源、保育土壤、净化空气和维护生物多样性等生态功能[1-3]，因此，森林的林分质量直接关乎其生态效益。根据第八次全国森林资源清查结果报告，我国森林蓄积量仅占林业发达国家的1/3，森林年均生长量仅占林业发达国家的1/2，此外，我国人工林蓄积量仅占天然林的半数，主要人工林树种杉木、马尾松和落叶松等蓄积量均达不到国内蓄积量的平均水平。虽然我国人工林面积居世界第一，但质量却不高，普遍存在林分矮小、林分结构不合理以及病虫害严重等问题[4-6]。因此，如何通过森林科学经营，构建健康稳定、优质高效的森林生态系统，提高林分的综合质量，充分发挥森林在陆地生态系统的主体作用，是当前林业工作者面临的重要任务。

立地条件作为保障森林活力与稳定性的重要因子，是影响林分质量的关键，也是适地适树、科学营林的重要前提。立地质量的不同会导致森林质量的优劣，进而影响森林生态系统服务功能的发挥。不同的地理区位与造林地，立地条件存在较大的异质性，这些立地条件在不同尺度上的差异，会影响造林树种的布局、造林地选择和同一树种的生产力。立地分类与质量评价是合理利用土地、充分发挥土地生产潜能的重要基础[7-9]。通过立地类型划分和立地质量评价，使造林地落实到树种、品种的适应性与立地条件相匹配，即适地适树适品种，从而提高人工林的稳定性和生产力。

木麻黄Casuarina equisetifolia原产于澳大利亚、东南亚和太平洋岛屿，具有抗逆性强、防护效能高等特点，被广泛用于防风固沙、盐碱地改良和干旱区造林。我国从20世纪50年代开始引种木麻黄用于营造沿海防护林[10-12]，木麻黄现已成为中国东南沿海防护林的当家树种，在改善沿海生态环境、防风固沙和水土保持等方面发挥了重要作用[13-14]。研究表明，在福建省木麻黄林的生态系统服务功能中，其生态价值占99%以上[1]，可见木麻黄的生态服务功能极为重要。但在沿海地区，不同立地条件下木麻黄人工林生长差异较大，防护效益不一，因此对沿海木麻黄主要分布区的立地状况进行科学评定，建立立地质量精准评价体系，筛选影响木麻黄森林经营的关键立地因子，是建立木麻黄人工林立地精细化造林技术体系的先决条件。在已有研究中，已有较多针对不同立地木麻黄造林效果的评价[15-18]，但往往由于样地数量不足或立地因子不全等问题，使试验结果难以从区域尺度上对立地因子进行划分。廖晓丽等[19-20]利用3S 技术对县域范围木麻黄的适生立地进行了分类，但研究中忽略了风向和土壤养分等重要因子，海岸带土壤贫瘠，受台风干扰频繁，风向和土壤养分应是限制木麻黄生长的主要因素。基于此，本研究综合了坡度、坡向、海拔、风向、土壤养分和土壤厚度等重要立地因子，结合数量化理论Ⅰ，对福建省平潭岛木麻黄林立地质量进行了综合评价，以期完善海岸带木麻黄林立地质量的精准评价技术，为福建沿海木麻黄人工林质量精准提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于平潭综合实验区，地理位置为119°32′～120°10′E，25°16′～25°44′N，属亚热带海洋性季风气候，雨热同季，旱、雨季节分明，7—9月高温干旱。年均降水量1 196.2 mm，年均气温19.5℃，最冷日平均气温10.2℃，最热日平均气温27.9℃。平潭陆地面积392 km2，境内地势低平，中部略高，地形以海积平原为主。平潭岛是福建省强风区之一，湾海地区全年大风7 级以上天数为125 d，季风明显，夏季以偏南风为主，其余季节多为东北风，风力年平均风速6.9 m/s。所调查的木麻黄林地均位于滨海沙地，pH 值为6.22～7.07，土质结构疏松，透水透气性强，持水保肥能力低，有机质含量较低，养分贫乏。林地表层腐殖质层较薄，杂草灌丛少，林分结构较为单一。

1.2 外业调查与室内分析

依据木麻黄的成熟期[20-22]，从2016年平潭小班数据库中筛选郁闭度0.6～0.8、林龄18～30 a 的成熟木麻黄纯林小班，依据地理专题图，兼顾不同坡度、坡向、海拔、风向和土壤厚度选取小班51 块（图1）。2018年12月—2019年4月在每个小班中选取1 块长势均匀且代表性强的面积为20 m×20 m 的样地（距离小班边缘20 m 以上，受外界干扰小），调查坡度、坡向、海拔、风向和土壤厚度等环境因子，并测量样地内树高与胸径。在样地对角线的两端和中点采集表层土壤（0～30 cm）带回实验室，经过自然风干后，剔除根系、枯叶及石块，用“四分法”取部分土样，分别研磨过100 目和60 目筛，用于测定土壤全碳等全效养分和土壤有效磷、速效钾。

土壤全碳和全氮用碳氮元素分析仪（Vario ELⅢ,Germany）进行测定；土壤磷、钾、钠、镁、钙、铜、铁、锌、锰和铝等全效养分在消煮后用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES,America）进行测定；土壤有效磷采用氟化铵-盐酸浸提，用连续流动分析仪（Skalar San+,Netherlands）进行测定；土壤速效钾采用乙酸铵浸提，用原子吸收分光光度计（TAS-990,China）进行测定。

1.3 数据处理与分析方法

用Excel 2003 软件进行前期的数据处理；用SPSS 20.0 软件进行调查数据（优势木高和胸径、样地平均木高）与土壤各养分指标之间的相关性分析；根据相关性分析结果，选取显著相关土壤养分指标进行主成分分析，将各因子的成分矩阵在Excel 2003 软件中进行权重换算，因子权重乘以对应的因子含量得到每个样地的最终得分；在SPSS 20.0 软件中采用最短距离法对51 块样地土壤的养分得分进行聚类分析。

采用数量化理论Ⅰ方法对木麻黄林立地质量进行评价[23-25]，数量化理论Ⅰ方法主要是通过引入示性函数（0,1）使定性因子定量化后建立数学回归模型，确定各个变量对基准变量的贡献度，从而发现其内在规律。因子数量化过程为：

1.4 因子的选择与划分

坡度通过水肥含量的再分配进而影响林木生长，坡度划分参考《森林资源规划设计调查主要技术规定》和相关文献进行划分[20,23]。不同坡向的温度、降水量等差异明显，进而影响林木生长，坡向的划分划分为阳坡和阴坡[20,26]。不同海拔反映了立地条件在垂直方向的变化，不同海拔梯度上，林木生长差异明显；海拔划分参考《森林资源规划设计调查主要技术规定》并结合平潭实际的地势特征。平潭是福建省的强风多风区，是木麻黄生长重要的自然干扰因子；风向划分结合《森林资源规划设计调查主要技术规定》与平潭2016年沿海基干林分布图。土壤厚度直接关系着土壤养分库的容量大小，是影响林木生长的重要因素之一；土壤厚度划分参考《森林资源规划设计调查主要技术规定》，具体见表1。

表1 各项目的划分标准Table 1 Standards for division of every items

2 土壤养分分析与评价

2.1 土壤养分指标的选择

海岸沙地木麻黄林的生长主要受磷元素的限制[27-30]，相关性分析结果表明样地平均木高与土壤有效磷呈极显著正相关（P＜0.01）。将测得的14个土壤养分指标进行相关性分析，其中全碳、全氮、速效钾、全磷、全镁、全铜、全铁、全铝和全锰与有效磷显著相关（表2）。全碳、全氮、全磷、全铜与有效磷呈极显著正相关（P＜0.01），速效钾、全铁和全锰与有效磷呈显著正相关（P＜0.05），全镁和全铝与有效磷呈极显著负相关（P＜0.01）。选取有效磷及其相关的9个指标进行土壤养分评价。

表2 土壤主要养分指标间的相关性分析†Table 2 Correlation analysis of main nutrient indexes in soil

2.2 土壤养分的综合评价

经KMO 和Bartlett 检验，KMO 值为0.72（P＜0.01），表明10 个养分指标数据适合做主成分分析。将土壤有效磷及与其显著相关的9 个养分指标进行主成分分析，结果如表3所示。前3 个特征值＞1 的主成分贡献率分别为42.29%、26.1%和13.67%，累计贡献率为82.06%，说明前3 个主成分可解释数据82.06%的信息量。根据成分矩阵（表4），可知第1 主成分主要受有效磷、全碳、全氮和全磷的影响，第2 主成分主要受全镁和全铝的影响，第3 主成分主要受速效钾的影响。依据成分矩阵换算各样地的得分，对各样地得分进行聚类分析，根据聚类分析结果将51 块样地的土壤划分为4 个等级（表5）。样地土壤养分以低养分为主，占54.9%；其次是贫养分、中养分和高养分，说明平潭木麻黄林地土壤大多相对贫瘠。

表3 主成分特征值及累计贡献Table 3 Eigenvalues and variance contribution rates of the principal component analysis

表4 养分指标成分矩阵Table 4 Component matrix of the nutrient index

表5 土壤养分分级Table 5 Classification of soil nutrients

3 立地质量评价

3.1 模型建立与数量化得分表编制

结合类目划分标准（表1），根据51 块样地实际调查数据列出[0,1]反应表，以木麻黄优势木平均树高为因变量，各项目为自变量分别进行数量化理论Ⅰ分析，获得各个因子对树高的贡献度。坡向与优势木高未达到显著水平，故剔除，其余5 个因子对树高的贡献度大小依次为坡度C1（0.460 2）＞风向C2（0.409 3）＞土壤养分C3（0.292 1）＞海拔C4（0.286 1）＞土壤厚度C5（0.285 6），其中坡度和风向与优势木高偏相关系数达极显著水平（P＜0.01），海拔、土壤厚度和土壤养分皆达到显著水平（P＜0.05）。再以木麻黄林优势木平均树高为因变量y，以坡度、土壤养分、风向、海拔和土壤厚度5 个因子作为自变量，应用数量化理论Ⅰ方法进行分析，根据各因子贡献度大小依次剔除最小值，分别建立5 个影响优势木平均树高的多元线性模型，具体为：

依据计算结果编制数量化得分表（表6）。从表6中可知，随着立地因子数量的增多，复相关系数从0.555 4增加到0.761 1，说明相关程度不断增加，应用5个立地因子能更加准确科学地评价立地质量。经方差齐性检验（F检验），5 个方程均达到极显著水平，说明对立地质量的预测具有较好的效果。

表6 数量化得分表†Table 6 Quantified scores

3.2 立地条件等级划分与评价

根据数量化得分表（表6），计算编制木麻黄立地质量数量化评价表（表7），该表的编制是基于将得分表每列项目数得分值的极差5 等分，依据从小到大组合为5 个数值范围，即5 个等级：Ⅰ级（最适宜）、Ⅱ级（较适宜）、Ⅲ级（适宜）、Ⅳ级（勉强适宜）、Ⅴ级（不适宜）。将每个样地的相关因子转化为对应类目代入表6进行得分换算，依据表7对每个样地得分进行分级并汇总（表8），51 块样地中Ⅱ级（较适宜）占比最大，为43.1%，其次为Ⅳ级（勉强适宜）、Ⅲ级（适宜）、Ⅴ级（不适宜）和Ⅰ级（最适宜），适宜、较适宜和最适宜等级总占比达66.7%，说明所选样地整体较适合木麻黄生长。

表7 木麻黄立地质量数量化评价Table 7 Quantified evaluation for site quality of C.equisetifolia plantation

表8 各样地立地等级划分Table 8 Grading of various sites

4 讨论

坡度是影响林木生长的首要因子，坡度越大，土壤养分越容易流失[31-33]。海岸沙地土壤较为贫瘠且保肥能力低，对木麻黄生长起关键作用的土壤有效磷等养分元素淋溶和流失严重，导致坡度较大立地上的木麻黄生长受到严重的养分限制。本研究中，Ⅰ级（最适宜）与Ⅱ级（较适宜）皆处于平坡或缓坡，且平坡与缓坡两者得分相差甚微，而Ⅴ级（不适宜）皆位于斜坡，可见，木麻黄在＜15°坡度上生长较为合适。频繁的风干扰会限制植物的光合作用，从而使植物普遍矮化[34-35]。在亚热带沿海地区，风是影响海岸带木麻黄林生长的重要干扰因子，导致迎风向的木麻黄树冠普遍向背风面弯曲，外形呈“旗形树”。本研究中，Ⅰ级（最适宜）样地皆位于背风向，Ⅱ级（较适宜）样地大多也处于背风向，而Ⅲ级（适宜）、Ⅳ级（勉强适宜）是大多处于迎风向，Ⅴ级（不适宜）则全部位于迎风向。虽然木麻黄在背风向生长较为良好，但木麻黄主要用于沿海基干林带造林，以发挥其防风固沙作用[1,13-14,36]，如何保证前沿基干林带木麻黄林的长势，除风向外，还需要对其他关键因子进行研究。本研究表明，海拔高度影响了海岸带木麻黄的生长，丘陵（10～100 m）的得分最高，Ⅰ级（最适宜）与Ⅱ级（较适宜）的木麻黄样地大多位于丘陵区。木麻黄在不同海拔上的长势符合“中间高度膨胀理论”，即植物多样性及生物量皆在中海拔达到峰值，与浙江省大鹿岛木麻黄的平均生命期望值趋势相同，同为中间海拔最高，低海拔和高海拔较低[37-40]。海拔越高，气温越低，蒸发量减小，湿度增大，木麻黄在中海拔区长势最好，可能与此海拔中相对适宜的湿度、温度有关。

坡向通过对水热条件的再分配进而影响植物生长。在本研究中，坡向与木麻黄生长无显著相关性，可能与平潭岛气候条件有关，研究区频繁的强风干扰会影响木麻黄林内温度与湿度[35]，从而极大程度地影响了水热分配，这可能弱化了坡向对木麻黄生长的影响。除坡度与风向之外，土壤养分对木麻黄生长也有显著的影响，土壤综合评价显示平潭岛海岸沙地土壤以低贫养分为主，相关性分析表明林木树高与土壤有效磷含量呈显著正相关。可见，有效磷为限制木麻黄生长的主要元素，在木麻黄防护林的抚育中应注意磷肥的补充。一般来说，土壤越厚则表示土壤养分库容量越大。本研究中，土壤厚度与优势木树高呈显著正相关，Ⅰ级（最适宜）样地皆位于中厚土层，但在5 个因子分析中，中厚土层得分无差异，而薄土层得分最高。分析其原因，首先可能与滨海沙地土壤特性有关，滨海沙地土壤持水保肥性能差，且淋溶强烈，除表层腐殖质层有明显养分富集外，底层土壤养分贫瘠，且在垂直分布上变异较小，沙地土壤有机碳、全氮等主要养分主要集中在土壤表层，随着土壤深度的增加而急剧减少，土层60 cm 以下甚至只有痕量水平，由此导致中厚土层的养分库容没有显著高于薄土层[41-42]；其次，在沿海强风环境中，风向和坡度等是影响木麻黄生长的主要因子，因此在综合分析当中，土壤厚度对于木麻黄生长的贡献小于其他因子，但仍然是影响木麻黄生长的重要因子。

通过对51 块木麻黄纯林样地生长情况及相关因子的调查，采用主成分分析和聚类分析方法进行土壤养分分级，结合数量化理论Ⅰ方法对木麻黄林立地条件进行评价，将简单的定性评价量化，可更有效、更精确地评价木麻黄林地质量。本研究中，平潭木麻黄林地中Ⅱ级（较适宜）占比最大，为43.1%，适宜、较适宜和最适宜等级总占比为66.7%，说明海岸沙地较适合木麻黄生长。但仍有1/3 样地是勉强适宜或不适宜木麻黄生长的，为了确保木麻黄人工林良好生长和维持林地土壤肥力，必须采取综合技术措施，包括林下套种绿肥植物，植穴内客土施肥，保护林下植被和凋落物等，以改善林地水肥条件和维持林地的持续利用。平潭Ⅰ、Ⅱ级立地多处于背风面，土壤肥力条件较好，尽量选用速生的木麻黄无性系，多品种配置，避免人工林结构的单一性，保留林下植被，增加生物多样性。Ⅲ级立地影响木麻黄生长的因子主要是大风和部分贫瘠土壤，从提高林地肥力和改善生态条件出发，有必要营造混交林，以改良土壤理化性质和提高造林成效；纯林则要注意施用磷肥等，加强林分养分管理。Ⅳ级立地应选用抗性强的木麻黄无性系，并辅以浇灌补水等工程措施和混用客土等营林措施，有利于改善林地营养条件和水分状况，促进林木更好地生长发育，提高人工林生态系统的稳定性和生产力。