尾巨桉人工林立地因子筛选及评价

张 程，欧阳林男，陈少雄，张维耀，陈 沫，何沙娥，刘学锋

(1 国家林业和草原局桉树研究开发中心，广东 湛江 524022；2 南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037)

立地条件是影响林木生长和林分生产力的重要因素，决定了树种选择和林地经营规划方向[1-3]。对立地生境进行因子筛选和评价，分析立地条件与林木生长的关系，使树种与立地条件相匹配，构建生长模型预测林分生产量，可达到适地适树及提高营林效率的目的。在国内外有关人工林立地因子的报道中，多数基于地位指数，构建其与林地环境因子模型，进行立地生境因子筛选和立地评价。唐诚等[4]利用地位指数与立地因子构建数量化模型，筛选出坡位、海拔、坡向为西南桦林(Betulaalnoides)的主导立地因子；Curt等[5]采用多元回归方法分析法国中部花旗松林(Pseudotsugamenziesii)立地指数与生态因子的联系；Pietrzykowski等[6]基于立地指数与土壤理化性质及其生物学特性，筛选出影响樟子松(PinussylvestrisL.)生长的主导因子，并对立地生产潜力进行预测。此外，通过分析林木其他生长指标与环境因子间的关系，构建模型进行立地评价也较常见，如杜健等[7]建立优势木年均高生长量与立地因子模型，筛选出土壤密度、土壤质地和土壤养分为西双版纳柚木(Tectonagrandis)林的主导立地因子，并划分立地类型；Quichimbo等[8]基于气候、土壤和地形因子与林木优势高，筛选出厄瓜多尔安第斯山脉南部展松林(Pinuspatula)立地等级划分的主导因子；杨海宾等[9]基于最大胸径生长率和数量化理论I对浙江杉木(Cunninghamialanceolata)人工林进行了立地评价。然而，至今为止，有关桉树(Eucalyptus)人工林的立地因子及立地评价研究很少[10]。本研究以我国南部桉树主要栽培区广西、广东和福建3个省(区)为研究区域，以广泛种植的尾巨桉为研究对象，设置试验样地，调查尾巨桉生长数据，分析样地的气候、地形和土壤因子数据，采用主成分分析、数量化理论I和聚类分析等方法，建立立地因子与尾巨桉生长关系模型进行主导立地因子筛选，划分立地等级，并评价立地质量，为尾巨桉实地栽培的立地选择和经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区分布于沿海地区，包括广西、广东和福建3个省(区)，具体包括广西国有东门林场、广西国有黄冕林场、福建龙海九龙岭国有林场和广东清远基地4个典型栽培区作为尾巨桉立地研究试验区。广西国有东门林场(22°17′～22°30′N，107°14′～108°00′E)，年均气温21 ℃，年均降水量1 200 mm左右，相对湿度75%，海拔100～200 m，地势较为平缓，土壤类型以砖红壤为主，土壤pH值4.0～5.5。广西国有黄冕林场(24°37′～24°52′N，109°43′～109°58′E)，年均气温19 ℃，年均降水量1 900 mm左右，相对湿度74%，海拔120～350 m，急陡坡居多，土壤类型以红壤、山地黄红壤为主，土壤pH值4.3～5.5。福建龙海九龙岭国有林场(24°21′～24°27′N，117°41′～117°45′E)，年均气温21 ℃，年均降水量1 450 mm，相对湿度78%，海拔150～350 m，陡坡居多，土壤类型以赤红壤、山地红壤为主，土壤pH值为4.0～4.8。广东清远基地(23°31′～25°12′N，111°55′～113°55′E)，年均气温22 ℃，年均降雨量2 069 mm，相对湿度76%，海拔200～300 m，地势偏陡，土壤类型以红壤和黄壤为主，pH值4.0～5.0。东门林场、清远基地及九龙岭林场均为南亚热带季风气候，黄冕林场为中亚热带季风气候。林下植被以山莓(Rubuscorchorifolius)、毛桐(Mallotusbarbatus)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、三杈苦(Evodialepta)、盐肤木(Rhuschinensis)和乌桕(Triadicasebifera)等居多。

2 研究方法

2.1 样地设置及取样方法

在广西、广东和福建共设立4个试验点，采用典型抽样法设置样地40块，每块样地面积20 m×20 m，其中东门林场设置样地13个，黄冕林场设置样地11个，九龙岭林场、清远基地均设置8个样地。

对样地内尾巨桉的树高、胸径进行每木调查。记录所有样地的坡向、坡位、坡度及地貌等因子，结合GPS仪测定各样地的海拔、经纬度。依据软件New_LocClim V1.10收集气候因子年日照时数。根据7.5年生尾巨桉的林木调查数据，以最高树高为标准，在每块样地内确定5株优势木，其树高平均值作为样地林分优势高，沿样地对角线等距离挖3个土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分层3点采集土样并混合，分析土壤化学性质，所有剖面各层用环刀取原状土，测定土壤孔隙度、田间持水量、土壤密度等物理性质。

2.2 土样测定方法

土壤密度测定采用环刀法[11]，土壤机械组成按照美国制标准过筛，并确定土壤质地[12]。土壤有机质、pH值及N、P、K全量分别采用重铬酸钾水浴法[11]、pH计[13]、半微量凯氏法[13]、碱溶-钼蓝比色法[14]、火焰光度法[11]测定。土壤速效K、有效P、碱解N分别采用乙酸铵浸提-火焰光度法[11]、双酸法浸提-钼蓝比色法[15]、碱解扩散吸收法[11]测定。土壤有效Ca和有效Mg使用NH4OAc-EDTA浸提[16]，有效Zn和有效Cu使用HCl浸提[17]，有效Mn用浓硫酸-高氯酸消解[18]，原子吸收分光光度法测定各有效成分含量。土壤有效B、有效S测定分别采用姜黄素比色法[16]和硫酸钡比浊法[19]。试验数据取同一处理测定结果均值。

2.3 数据处理

采用主成分分析、聚类分析方法划分土壤养分等级，结合数量化理论I方法[20]进行立地类型划分和评价。所有数据均利用Excel 2013、Spss 23和Origin 2017进行处理和分析。

3 结果与分析

3.1 调查样地的林分情况

通过对40块样地的尾巨桉林分情况进行调查，结果见表1。由表1可以看出，黄冕林场、清远基地、东门林场和九龙岭林场4个试验点调查样地的坡向均涉及2～3个，以阳坡、半阳坡和半阴坡为主，坡度为4.36°～45.52°，坡位均涉及2～3个，以中、下坡为主，海拔为106.4～341.7 m，土壤密度为1.06～1.55 g/cm3，土壤质地均涉及1～3种，以粘土、粘壤土为主，尾巨桉优势高为20.60～28.30 m，其中东门林场的长势最好。

表1 调查样地的林分情况Table 1 Stand situation of sample plots

3.2 土壤理化性质与尾巨桉优势高的相关性

由表2可以看出，调查样地土壤全P、有效Cu、有效Mg、有效Mn和有机质含量与尾巨桉优势高显著正相关(P<0.05)，土壤全K、速效K和有效P含量与尾巨桉优势高显著负相关(P<0.05)。土壤粘粒含量与尾巨桉优势高显著正相关(P<0.05)。粘粒含量与水稳性系数密切相关，且土壤中粘粒含量越高，吸附营养成分的能力越强，故尾巨桉在粘粒含量高的土壤中长势较好。

表2 土壤理化指标与林木优势高的相关性Table 2 Correlation analysis of soil physical and chemical properties with heights of dominant trees

3.3 土壤养分的等级划分

通过对标准化数据进行巴特利特检验和KMO抽样测定，对测定的15项土壤化学指标进行因子分析，得到因子特征值、成分矩阵、各主成分贡献率及累积贡献率，前4个主成分的累积贡献率为77.012%(表3)。

表3 土壤养分因子分析成分矩阵、特征值和贡献率Table 3 Component matrix,eigenvalue and contribution rate of soil nutrient factors analysis

各因子得分乘以对应特征值的算术平方根可得各主成分得分，各主成分贡献率在累积贡献率中的占比为各主成分的权重，乘以对应的主成分得分，求和可得各样地的综合得分。对各样地的综合得分进行聚类分析，将土壤养分划分为高、中、低3个养分等级，结果见表4。

表4 土壤养分的等级分组Table 4 Classification of sample plots based on soil nutrient grades

3.4 立地因子的类目划分

依据相关的林业调查技术标准，结合立地因子对林木生长发育的影响及其变化范围，以及上述土壤养分分级结果，对8项因子进行不同类目划分，结果见表5。

表5 立地因子的类目划分Table 5 Category division of site factors

3.5 数量化回归模型的建立与检验

结合立地因子的类目划分结果和数量化理论方法Ⅰ，将各样地的立地因子数据进行(0,1)处理，运用回归方法构建量化后立地因子与尾巨桉优势高(H)数量化回归模型如下：

H=-0.700X11-1.354X13+0.557X14+0.332X22-0.382X24-0.275X31-0.593X32+0.100X34-1.962X41-2.709X42-0.020X51-0.256X53-1.311X54-1.041X61-2.346X63-0.414X64-0.324X71+0.728X73-1.903X81-4.515X82-3.647X84+29.473。

采用偏相关分析方法计算各指标与尾巨桉优势高的偏相关系数，并通过t检验方法对偏相关系数进行假设检验，拟合模型得出的回归系数和有关参数如表6所示。

表6 立地因子数量回归分析结果Table 6 Quantitive regression of site factors

回归分析的结果表明，除坡度和坡位外，其他因子与尾巨桉优势高的偏相关系数均达到显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)，其中年日照时数、土壤质地、海拔、坡向达到了极显著水平(P<0.01)。从得分所占比例看，年日照时数(29.61%)、海拔(17.76%)、土壤质地(15.38%)在所选立地因子中位列前3，且得分总占比为62.75%，坡向和土壤密度次之。模型拟合的复相关系数R=0.956，达极显著水平(P<0.01)。对所选的8个因子(坡向X1，坡度X2，坡位X3，海拔X4，土壤密度X5，土壤质地X6，土壤养分等级X7和年日照时数X8)与林木优势高拟合模型的适用性进行检验，F(8,31)=9.049>F0.01(8,31)=3.17，即8个立地因子与尾巨桉优势高密切相关，使用该方程对尾巨桉人工林进行立地质量评价是可靠的。

3.6 生产力等级及立地类型

结合上述数量化回归模型和各样地调查的立地因子数据，计算得到尾巨桉优势高预测值，采用聚类方法，将40块样地划分为高、中和低3组生产力等级，进而结合年日照时数、海拔和土壤质地3个主导因子对各生产组进行立地类型划分，依据各立地类型的尾巨桉优势高预测值进行组内排序，最终划分为10个立地类型(表7)。

表7 尾巨桉立地类型划分结果Table 7 Site type classification of Eucalyptus urophylla×E.grandis

由表7可以看出，3组生产力等级中尾巨桉优势高实测值为21.77～27.16 m，不同生产力等级间差异较显著。土壤质地以粘土为主。年日照时数越长，林分生产力越高。

高产组立地环境最佳，具有最大生产潜力。该组林木优势高为27.16 m。光照时间最长，立地海拔较低，地势较为平坦。土壤粘粒含量最高，土壤全P、有效Mg、有效Mn、有效Cu与有机质含量在3组生产力等级中最高，立木生长迅速，个体长势更加凸显。本组在适时间伐下可以保证林地生产潜力最大化，培育尾巨桉大径材。

中产组立地环境优良，具有较高生产潜力。该组林木优势高为24.19～25.45 m，海拔较高，粉粘壤土、粉粘土、粘壤土和粘土4种土壤质地均有涉及，以粘土和粘壤土为主，土壤养分中有效Cu和有效Mn含量较高。光照时长仅次于高产组，有利于尾巨桉的光合作用。本组生产潜力稍低于高产组，可结合抚育间伐、施肥管理等措施培育中大径材。

低产组立地环境较差，光照较为不足，生产潜力不高。该组林木优势高为21.77～23.40 m，土壤养分偏低，有效Cu和有效Mn含量在3组生产力等级中最低，石砾较多，土壤瘠薄，林木长势参差不齐，可加强经营管理，考虑培育尾巨桉中小径材，部分林地需要适当改造，维持效益。

3种生产力等级的主要立地因子比较结果见图1。由图1可以看出，气候因子年日照时数不同生产组间差异显著(P<0.05)，以低产组作为参照，中产组是低产组的1.19倍，高产组是低产组的1.35倍。地形因子海拔表现为高产组与中、低产组差异显著(P<0.05)，中产组比高产组高132.31 m，低产组比高产组高96.28 m。

由图1还可以看出，土壤物理因子粘粒含量不同生产组间差异显著(P<0.05)，表现为高产组比低产组高87.7%，比中产组高112.5%。土壤化学因子中，土壤有机质含量表现为高产组与中、低产组差异显著(P<0.05)，高产组是中产组的1.53倍，是低产组的1.28倍。土壤全P、有效Mg和有效Cu含量均表现为高产组与中、低产组差异显著(P<0.05)，高产组土壤全P含量是中产组的2.65倍，是低产组的1.77倍;高产组土壤有效Mg含量比中产组高119.5%，比低产组高81.9%;高产组土壤有效Cu含量比中产组高97.8%，中产组比低产组高13.9%。土壤有效Mn含量表现为高产组与低产组差异显著(P<0.05)，高产组比中产组高36.3%，低产组比中产组低34.6%。高产组主要位于坡度较缓且海拔较低的区域，水分充足，气候较为适宜，土壤养分流动较慢，尾巨桉长势较好;低产组位于海拔较高且粘粒含量较少的区域，土壤保水保肥能力较弱，气温较低，不利于尾巨桉生长。

图柱上标不同小写字母代表不同生产组间差异显著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significant differences among productivity level groups(P<0.05)图1 尾巨桉各生产力等级的主要立地因子比较Fig.1 Comparison of main site factors of productivity groups of Eucalyptus urophylla×E.grandis

4 讨 论

4.1 沿海地区尾巨桉人工林主导立地因子

立地质量对林分生长及木材质量具有决定性作用，故立地分类及评价在科学营林方法中至关重要。以桉树为对象的立地研究报道较少，赖挺[21]、Scolforo等[10]、蔡会德等[22]、赵时胜等[23]、邓翔[24]考虑了地形、土壤等立地因子和林木生长指标，但多数未结合气候因子。然而，在桉树生长过程中，不同地区的气温、降水量、日照时数等气候因子差异较大，对尾巨桉的树高和胸径生长产生显著影响[25]。因此，与已有报道相比，本研究除地形、土壤因子外还综合考虑了气候因子，在立地因子类型选择上更加全面，研究结果也更精确。

在桉树立地研究报道中，赵时胜等[23]选择以海拔、坡位和土壤因子建立三级分类系统，Lu等[26]选择海拔、土层厚度和坡向作为立地分类的主导因子。本研究中，沿海地区尾巨桉林立地类型划分的主导因子为年日照时数、海拔和土壤质地，与赵时胜等[23]和Lu等[26]的研究结果不完全一致，原因可能在于本研究试验区涉及广西、广东和福建3个省(区)，范围更广，气候变化较大，且不同地区的地形地貌也有所区别，对土壤的形成产生了一定影响，但海拔均是影响桉树林立地分类的主导因子，说明海拔对尾巨桉的分布和生长非常重要。海拔可对土壤有效养分、光照、水分和温度等产生影响，进而间接影响植物的生长和分布[27]。根据数量化回归分析结果，海拔与尾巨桉林分优势高极显著相关(P<0.01)，且高产组显著低于中、低产组，说明低海拔有利于尾巨桉生长，这与Lu等[26]和赵筱青等[28]的研究结果较为一致。

除海拔外，年日照时数和土壤质地也是影响尾巨桉生长的重要立地因子。年日照时数越长，光合作用积累的产物越多[29]，对于树高生长来说，年日照时数的影响较降水量更为显著[30]。本研究中，年日照时数与尾巨桉优势高极显著正相关(P<0.01)，在数量化回归模型中得分占比达29.61%，在8项立地因子中最大，是最重要的立地因子。年日照时数表现为高产组比中、低产组长，体现出桉树喜阳的生理特性[22]。同为速生树种的华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)也具有喜光特性，树高生长受年日照时数影响较大[31]。本研究结果表明，在土壤质地方面，尾巨桉优势高与土壤质地极显著正相关(P<0.01)，其中，粘粒含量表现为高产组显著高于中、低产组，且与尾巨桉优势高显著正相关(P<0.05)，说明粘粒含量较高的土壤质地更适合尾巨桉生长。李爱英[32]对广东省桉树林的土壤环境调查发现，粘土含量高的土壤中有机质、全N及速效P含量最高，说明土壤有机质含量与粘粒含量密切相关，且粘粒对土壤营养元素的吸附作用较大[33-34]，而自然条件下粘土中的凋落物分解率较高[35]，也可推测较高含量粘粒的土壤有助于促进物质与养分转化，从而影响林分生产力。

同时，李爱英[36]研究发现，桉树在粘壤土中的长势较粘土中更好，与本研究结果有所不同，原因可能有两方面，其一是相对于通气性和透水性较好的粘壤土来说，杂交树种尾巨桉更适宜于养分含量较高的粘土环境；其二是本研究试验区气候因子年日照时数对尾巨桉生长的影响远大于土壤质地，可能对粘土的高养分效果有所强化。

4.2 沿海地区尾巨桉林分生长的土壤化学性质

土壤中P元素主要通过动植物残体归还和成土母质风化两种途径获得，成土母质的类型、风化程度及淋失程度是决定其含量高低的三大因素[37]，也是限制桉树生长的主要营养物质之一。本研究中，尾巨桉林分优势高与土壤有效P含量显著负相关(P<0.05)，这可能与土壤酸性过强影响尾巨桉对P的吸收有关，而土壤pH值与尾巨桉优势高负相关，土壤全P含量与尾巨桉优势高显著正相关也验证了这一点，这与杜健等[7]在柚木人工林立地分类研究中得到的pH值过低影响柚木对P元素吸收的结果相一致。本研究中，高产组土壤全P含量显著高于中、低产组，该结果同西双版纳尾巨桉林中全P含量与生产力等级的关系表现一致[26]。牛芳华等[38]研究发现，与其他营养元素相比，P肥对尾巨桉幼苗根系垂直分布影响最大，对其根系总生物量影响显著，说明P元素与尾巨桉生长密切相关，在立地选择时要重点考虑。

有机质与土壤中微生物代谢活跃度及土壤酶活性紧密相关[39]，是植物所需N、P等大量元素和微量元素的重要来源，其含量是土壤肥力的代表性指标。罗美娟等[40]研究发现，土壤有机质是影响尾叶桉和巨尾桉树高生长的重要因子，因此，应尽量保留桉树林分中的凋落物及枝条、树皮等采伐剩余物[41]。本研究中，土壤有机质含量与尾巨桉优势高显著正相关(P<0.05)，且高产组的土壤有机质含量显著高于中、低产组，这可能与尾巨桉林分中土壤有机质同粘粒相互作用，促进碳积累有关[33]。

Mg、Mn均是参与光合作用的关键元素[42-43]。有研究表明，桉树缺Mg时的症状主要发现于老叶中，一般表现为叶片褪绿或变黄等，而桉树林0～20 cm表层土壤中有效Mg含量低于2 mmol/L时，桉树对Mg的施用响应较大[44]。在一定程度上，Mn对桉树林分土壤中过氧化氢酶、脲酶和蛋白酶的活性有促进作用[45]。Cu是影响桉树生长的微量元素，Cu缺乏会导致木质部纤维减少和导管木质化程度降低，并出现叶缘变形、侧枝死亡等症状[46]。本研究中，有效Mg、有效Mn、有效Cu的含量均与尾巨桉优势高显著正相关(P<0.05)，说明较高含量的有效Mg和有效Mn有利于尾巨桉光合作用以及土壤酶活性的提高，而施加Cu可有效促进3年生尾叶桉(Eucalyptusurophylla)的材积生长[47]，也说明有效Cu对桉树生长至关重要。

5 结 论

(1)使用筛选出的坡向、坡度、坡位、海拔、土壤养分等级、土壤质地、土壤密度、年日照时数8个立地因子与尾巨桉优势高建立数量化回归模型，模型拟合复相关系数R=0.956，达极显著水平(P<0.01)，适用性检验F(8,31)=9.049>F0.01(8,31)=3.17，模型精度高，可有效预测立地生产潜力。预测模型中，年日照时数、海拔和土壤质地为影响尾巨桉优势高生长的3个主导因子。

(2)根据数量化回归模型及立地因子得到的各样地尾巨桉优势高预测值，将40块样地划分为高、中、低3组优势高生产力等级，进而以上述3个主导立地因子将沿海地区尾巨桉人工林划分为10个立地类型，高、中、低生产力等级的尾巨桉优势高实测值分别为27.16 m、24.19～25.45 m和21.77～23.40 m。

(3)高产组年日照时数显著高于中、低产组，高产组海拔显著低于中、低产组。此外，土壤全P、有效Cu、有效Mn、有效Mg、有机质和粘粒含量与林分优势高显著正相关(P<0.05)。选择日照时数较长，海拔较低，粘粒含量占比较大，土壤全P、有效Cu、有效Mn、有效Mg和有机质含量较高的立地，采用适当的营林措施，可培育出尾巨桉大径材。