湖北省日本落叶松人工林立地分类及质量评价

李斌成，许业洲，袁 慧，侯义梅，李双龙，宋慧丽，杜超群

（1湖北省林业科学研究院，武汉430075；2长江大学，湖北荆州434025；3建始县林业局，湖北建始445300；4恩施州林业科学研究所，湖北恩施445000；5武汉百禾景观设计有限责任公司，武汉430079）

0 引言

立地分类与质量评价是根据植被生长情况及其立地条件等综合要素的异同，结合立地因子实际调查结果，人为地将立地划分成不同类别和等级，并在此基础上建立森林立地质量评价体系[1]。科学的立地分类和质量评价是林业科学基础理论研究的重点，也是实现森林集约化经营和可持续发展的关键[2]。20世纪50年代，中国在波氏立地条件类型学说和苏卡乔夫林型学说的基础上逐渐开展国内森林立地分类的研究。1978年，由南方14省区杉木协作组主持的杉木产区区划及立地质量评价研究，对国内杉木林区立地进行了分类规划，建立了杉木林区立地分类系统，为其他林区树种立地分类系统的建立提供了借鉴[3-4]。1987年，沈国舫在论述立地分类方法时，强调对生态序列法、主导因子法、指示植物种谱应用和数量化分类法等各种立地分类方法的综合使用，并指出立地的内容分析应包含生物因子与非生物环境间的相互关系[5]。20世纪末，随着地理信息系统和遥感技术的发展进步，结合3S技术对林区海拔、坡度、坡位等立地因子进行定性分析，能够得到调查区域内林地的立地类型图，对大面积林地的立地分类和质量评价做出快速、有效的估测[6-7]。而数量化分析方法[8-10]作为森林立地研究中应用最为广泛的一种方法，已广泛与模糊综合评价法[11]、主成分分析法[12-13]、灰色关联分析法[14-15]等结合使用，均取得了不错的效果。

日本落叶松作为外来引进树种，在中国已有近百年的引种历史，因材质优良、早期速生等特点，已成为湖北省中高海拔地区速生丰产林和生态公益林的主要树种[16-17]。目前，针对湖北省日本落叶松人工林的研究主要集中在种源研究[18]、抚育间伐[19]以及栽培区划等方面，而对日本落叶松立地质量与分类的相关研究主要以鄂西山区为主，对全省范围内的研究鲜有报道[20]。为更好地指导湖北省日本落叶松人工林营林造林，为日本落叶松定向培育提供理论依据，本研究以湖北省日本落叶松人工林为对象，在现地调查的基础上，利用主成分分析法和数量化理论Ⅰ方法对影响日本落叶松生长的主导因子进行筛选，建立数量化预测方程，结合筛选结果建立研究区日本落叶松人工林立地分类系统，结合数量化结果建立研究区日本落叶松数量化立地质量评价表。

1 研究区概况

湖北省位于长江中游，地理位置承东启西，接南纳北，位于 108°21′—116°07′E、29°01′—33°6′N 范围内，属于亚热带季风气候区，省内年均气温15～17℃，年平均日照时数1100～2150 h，年均降水量800～1600 mm。湖北省正处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带，东、西、北三面环山，中间低平，地势高低相差较大，以山地、丘陵地貌为主。省内土壤类型复杂，有水稻土、潮土、黄棕壤、黄褐土、红壤、黄壤、石灰（岩）土和紫色土等多种土壤类型。日本落叶松主要分布于海拔1300～2100 m的鄂西亚高山区，属内陆性冷凉气候，全年无霜期约160天。

2 材料与方法

2.1 数据来源

数据来源于2016年6月—2017年11月的标准地调查资料，在造林面积大于15 hm2的日本落叶松人工纯林中选取具有代表性、生长正常、林相完整的林分设置面积600 m2(20 m×30 m)的标准地共计80块。标准地内每木检尺，测量胸径、树高、枝下高、冠幅等测树因子；利用GPS获取标准地的地理坐标及海拔，用罗盘仪测量坡度、坡向并调查坡位、土壤类型等环境因子；在每个样地内开挖宽1 m、深度1 m的土壤剖面，记录土层厚度以及腐殖层厚度等信息。样地基本信息见表1。

表1 样地基本信息

2.2 立地因子分类划级标准的确定

立地类型划分是对不同立地条件和生产潜力的林地进行科学的分类，是森林立地质量评价的首要条件[21]。立地因子的选择必须与优势高的生长具有密切的相关性，才能使森林生产力的预估和评价客观、准确[22]。本研究根据湖北省日本落叶松主产区的地形特征和研究需要，选择土层厚度、坡度、坡位、坡向、海拔、腐殖层厚度、地形地貌、石砾含量和土壤质地9个因子，对各因子进行分级划分，划分标准见表2。

表2 立地因子的类目划分

2.3 主成分分析

主成分分析是利用降维的思想，在尽量保存主要信息的情况下，把多个指标转化为几个综合指标的多元统计方法，是对影响林分稳定性因子的一个有效择优方式[12]。本研究运用Excel软件对地形环境因子、土壤环境因子和测树因子数据进行整理，运用SPSS 17.0软件对立地因子进行主成分分析，筛选出对日本落叶松生长影响最为显著的立地因子作为主导立地因子。

2.4 数量化理论Ⅰ模型

数量化方法是分析在数据中含有定性因子的一类统计方法，通过数量化方法，把不能用数值表示的非数量化因子转化为数量化因子，从而掌握各因子之间的定量关系[23]。本研究应用数量化理论Ⅰ，将各样地内优势木平均高值作为因变量，各主要立地因子作为自变量[24]。数量化理论Ⅰ模型如式(1)。

其中，当第i块样地中第j项目的定性数据为k类目时δi(j,k)=1，否则δi(j,k)=0。y是自变量，yi是第i块地的立地指数（i=1,2,3,…,n为样地数）；b0为常数项；j=1,2,3,…,m为立地因子数；k=1,2,3,…,ri为第k个水平；δ(j,k)为第j个因子第k个水平的等级反映（0或1）；bjk为j立地因子的第k水平的得分值。

根据数量化理论Ⅰ模型，运用最小二乘原理拟合bjk的最小估计值，得到的预测方程如式(2)。

3 结果与分析

3.1 主导立地因子的筛选

运用SPSS 17.0对影响日本落叶松生长的9个立地因子进行因子分析。结果（表3）表明，前5个默认提取主成分的累积贡献率所包含的信息占总体信息的84.803%，因而可以选择前5个主成分进行油松人工林立地质量评价。

表3 日本落叶松人工林主成分分析结果

为突出每个主成分所包含的具体立地因子，对成分矩阵进行旋转，结果见表4。由旋转后的成分矩阵可以看出，第1个主成分主要由海拔(0.857)、石砾含量(0.879)和土壤质地(0.514)决定，第2个主成分主要由土层厚度(0.931)、腐殖层厚度(0.617)和地形地貌(-0.749)决定，第3个主成分主要由坡位(-0.889)和土壤质地(0.694)决定，第4个主成分主要由坡度(0.974)决定，第5个主成分主要由坡向(0.981)决定。每个主成分中选择所占比最高的立地因子作为影响日本落叶松生长的主导立地因子，第一主成分中海拔和石砾含量所占比例十分接近，由于在实际调查中，海拔数据易于测量且石砾含量的测量误差较大，因此选择海拔作为主导因子，影响顺序为海拔＞土层厚度＞坡位＞坡度＞坡向。

表4 旋转后的成分矩阵

3.2 立地因子分析

根据表2中的分类划级标准，在ForStat中利用数量化理论Ⅰ，建立日本落叶松优势木平均高与各立地因子间的关系模型，结果见表5～6。由表可以看出，模型的F检验达到极显著水平(P＜0.01)，能够用于实际生产。依据P＞F值，结合各因子平方和，各立地因子对于基准变量的贡献率由大到小依次为坡度(X1)＞土层厚度(X2)＞海拔(X3)＞坡位(X4)＞坡向(X5)。

表5 湖北省杉木人工林原始数据分类表

表6 湖北省杉木人工林各因子方差分析表

3.3 数量化理论预测方程

利用预测方程[式(2)]计算出各因子的待定系数值，将系数带入方程中得到各标准地优势木平均高的预测方程，如式(3)。

将各因子得分值进行整理可得到数量化立地质量得分表（表7），经计算，模型的复相关系数R=0.7362。由表可知，随着土层厚度的增加，相应的类目得分值逐渐增大(X23＞X22＞X21)，并且可以看出，中坡度、厚土层、中海拔、阳坡、中坡位立地条件更有利于日本落叶松的生长。

表7 数量化立地质量得分

3.4 立地类型划分

根据筛选出的主导立地因子，参考分区分类原则，采用立地区划单位和分类单位相统一的分类系统来进行研究区的立地类型划分。考虑到坡位与海拔、土层厚度之间有很强的一致性，海拔和土层厚度包含了坡位的大部分影响，并且结合主成分分析中各成分因子的贡献率，坡向因子的贡献率较小(8.849%＜10%)，本着简单实用的原则，选择坡度、土层厚度和海拔3个立地因子对日本落叶松人工林立地类型进行划分。采用海拔因子划分立地类型区、坡度因子划分立地类型组、土层厚度划分立地类型，除去样地中未收集到的立地类型，共划分为16类，具体见表8。

3.5 立地质量评价时

根据湖北省日本落叶松有林地制定的立地质量得分表对日本落叶松立地质量进行评价，能够对其他具有相似立地类型的林地进行生产力预估。将各类目的得分值极差和优、良、中、差4个立地等级进行3等分，计算结果表明，立地质量得分值y≥20.422299的标准地立地质量为优，17.243092≤y≤20.422299的标准地立地质量为良，14.063885≤y≤17.243092的标准地立地质量为中，y≤14.063885的标准地立地质量为差。对16种立地类型进行立地质量评价的结果见表8，80块标准地中有17块标准地立地质量评价结果为优，占总标准地的21.25%；40块标准地立地质量评价结果为良，占总标准地的50.00%；15块标准地立地质量评价结果为中，占总标准地的18.75%；8块标准地立地质量评价结果为差，占总标准地的10.00%。湖北省日本落叶松人工林立地质量总体处于中等偏上水平，较适合落叶松的生长。

表8 立地类型划分结果

4 结论与讨论

利用主成分分析法对影响湖北省日本落叶松人工林生长的主导立地因子进行筛选，结果表明，海拔、土层厚度、坡位、坡度、坡向5个因子所包含的信息占总体的84.803%，能够作为影响日本落叶松生长的主导立地因子。因子分析的结果表明，模型的F检验达到极显著水平(P＜0.01)，能够用于实际生产。利用数量化理论Ⅰ模型建立优势高与立地因子之间的多元线性回归，根据回归结果，结合因子贡献率，本着简单实用的原则，选择海拔、坡位和土层厚度3个因子将研究区划分为3个立地类型区、3个立地类型组和17个立地类型区。

立地质量评价结果显示，研究区日本落叶松人工林立地质量评价得分介于14.063884～23.601506之间，根据各标准地立地质量得分值，将研究区立地质量划分为优、良、中、差4个等级。研究区立地质量在中等偏上水平的标准地占90.00%，表明研究区立地质量总体处于中等偏上水平，这与孙拥康[15]对于鄂西山区日本落叶松的立地质量评价结果一致。日本落叶松人工林种植区域在湖北省分布较为合理，研究区适合日本落叶松生长。

地形和土壤因子是影响立地质量的重要因子，能够直接影响与植物生长息息相关的光照强度、土壤水分以及土壤养分。本研究中，对日本落叶松人工林生长产生主要影响的因子为坡度、土层厚度和海拔，这与李忠国[23]得出海拔、坡度和土层厚度是影响北亚热带中山区日本落叶松主导因子的结论一致。

近年来，国内多地松树陆续感染松材线虫病，致使松树大面积枯死，对松树经营和生产以及生态环境产生了重大影响，造成了巨大的经济损失。日本落叶松作为湖北省中高海拔地区速生丰产林和生态公益林的主要树种，于2018年开始爆发松材线虫病，对恩施州多个林区的日本落叶松已经产生影响。因此，降低并防治松材线虫病对松树影响尤为紧迫。马菁[25]研究发现，松材线虫病的发生与松树生长所处的海拔、立地质量、坡向、坡位、树高、胸径6个生态因子相关性较高，指出树高、胸径小、海拔低、立地质量差、阳坡和上坡位的植株受害率要高。因此，结合日本落叶松人工林立地分类和立地质量评价结果，培育受病率低且生产力高的日本落叶松人工林是进一步研究的重点。