基于森林资源连续清查数据的广东桉树人工林立地质量评价

陈铭捷，陈 敏，刘 萍

(1 华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2 北京林业大学 林学院，北京 100083；3 广东省岭南综合勘察设计院, 广东 广州 510500)

桉树(eucalyptus)为桃金娘科(Myrtaeeae)桉属(Eucalyptus)常绿乔木，是世界著名的三大速生树种之一，具有极为重要的经济、社会和生态效益。广东是我国最早引进桉树种植的省份之一[1]，据2017年广东省第九次森林资源连续清查数据，广东省桉树人工林面积186.65万hm2，占广东省乔木林面积的23.9%；蓄积量4 946.27万m3，占广东省乔木林蓄积量的10.58%；桉树种植面积和蓄积在广东省所有树种中均排名第一，但是桉树人工林单位面积蓄积量只有26.50 m3/hm2，远低于全国人工林单位面积蓄积量59.3 m3/hm2，也远低于面积和蓄积量排名第二、第三的杉木林51.84 m3/hm2和马尾松林67.64 m3/hm2[2]。因此，对桉树人工林的立地质量做出正确评价，从而有针对性地制定森林经营措施，对提高桉树人工林单位面积蓄积量和生产力有着重要意义。

桉树人工林生产力与遗传基因、立地质量、林分密度、森林培育与经营技术措施等密切相关[1,3]，而以往研究多集中于桉树品种改良选育[4-5]、林分密度调控[6-7]、森林培育技术[8-9]、森林经营管理[10-11]以及林业有害生物防控[12-13]等方面，关于桉树人工林立地质量评价方面的研究较少。立地质量是指在某一立地上既定森林或其他植被类型的生产潜力[3,14-15]，立地质量不同，对应适生树种和所采取的经营措施也会有差异，立地质量评价是适地适树造林和森林可持续经营的基础[16-18]。常用的立地质量评价方法有地位指数法和地位级法，这两种方法都属于直接评价法的范畴，其优点是计算简便、调查因子容易获得，针对同龄林立地质量评价精度较高；缺点是需要大量实测样地和解析木数据支撑，所需投入人力物力较高，实际应用范围有限，评价结果只能反映局部地区森林生产力状况[19-22]。与直接评价方法相比，根据气候和土壤等环境因子对立地质量进行间接评价具有更高的稳定性和普适性[23]。主成分分析是一种强大且有效的多元统计方法，广泛应用于各类质量评价研究中[17,24]。该方法能在不减少信息量的情况下对高维数据集进行降维，将若干个相互关联的指标转化为几个综合指标，这些经过转化后的指标称为主成分，主成分是原始变量的线性组合，且各个主成分之间相互独立[24-25]。聚类分析是研究分类问题的一种理想的多元统计分析方法，它的目标是将研究对象进行分组或集群，同一集群成员之间的关联程度强，而不同集群成员之间的关联程度弱[25-26]。本研究基于广东省第九次森林资源连续清查的桉树人工林样地数据，遵循定性与定量相结合的综合评价原则，采用主成分分析和聚类分析的间接评价方法开展桉树人工林立地质量评价研究，为广东乃至整个华南地区桉树人工林可持续经营以及森林质量精准提升提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于2017年广东省第九次森林资源连续清查的389块桉树固定样地复测数据，样地大小为25.82 m×25.82 m。调查因子包括地貌、海拔、坡向、坡位和坡度等地形因子，土壤质地、土壤类型、土层厚度、枯枝落叶层厚度和腐殖质层厚度等土壤因子，以及林龄、胸径和树高等测树因子。根据样地林木更新变化状况，剔除部分调查因子数据缺失的样地，最后共筛选出254块符合分析要求的样地，其基本信息见表1。

表1 用于立地质量评价的广东省桉树人工林样地基本信息Table 1 Basic information of eucalyptus plantation plots in Guangdong for site quality evaluation

1.2 研究方法

1.2.1 立地因子处理 选取地貌、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤类型、土层厚度、土壤质地、砾石含量、腐殖质层厚度、枯枝落叶层厚度共11个立地因子作为评价指标，除海拔和砾石含量为定量因子外，其余9个因子均为定性因子，参照《国家森林资源连续清查技术规定(2014)》[27]的立地因子分级标准对其进行数量化处理。定性因子数量化处理结果见表2。

表2 立地因子中定性因子的量化赋值标准Table 2 Quantitative assignment criteria for qualitative factors among site factors

1.2.2 主成分分析 使用软件Forstat 3.0、SPSS 22.0和Excel 2010，通过主成分分析方法确定影响广东省桉树人工林立地质量的主导因子，主要步骤为：①采用Z-score方法对254块复测样地的11个立地因子赋值数据进行标准化处理，以消除各指标间的量纲差异。②通过KMO和Bartlett球形检验分析指标间存在的相关关系，这是进行主成分分析的前提，一般来说KMO值越接近1，说明指标间的相关关系越强，大于0.6即可认为数据适合进行因子分析；而Bartlett球形检验显著性小于0.05时，说明指标之间存在相关关系；本研究KMO值为0.745，Bartlett球形检验显著性为0.000 1，检验结果表明数据可以进行主成分分析。③计算主成分方差贡献率、累计方差贡献率以及主成分载荷矩阵，分析提取出来的各主成分，以确定影响广东省桉树人工林立地质量的主导因子。④确定各主成分方程表达式，利用各主成分及其方差贡献率构建各样地立地质量综合评价函数，计算得分值。

F综=F1W1+F2W2+F3W3+…+FnWn。

式中：F综为样地立地质量综合评价得分值，F1,F2,F3…,Fn为提取出来的各主成分的得分值，W1,W2,W3,…,Wn为各主成分的方差贡献率。

1.2.3 聚类分析 常用的聚类分析方法有系统聚类、两步聚类和K-平均值聚类等，本研究使用软件SPSS 22.0，基于各样地立地质量综合评价得分值，采用系统聚类方法对254块桉树人工林样地进行聚类划分立地质量等级。

1.2.4 不同立地质量等级的特征分析 基于立地质量评价及分类结果，选择平均胸径、平均树高、平均每公顷蓄积量以及地貌等10个指标，进一步对广东省桉树人工林不同立地质量等级的特征进行归纳总结。

2 结果与分析

2.1 广东省桉树人工林立地质量评价

2.1.1 立地因子主成分分析 对254块桉树人工林复测样地的11个立地因子进行主成分分析，结果如表3所示。由表3可知，前7个主成分特征值均大于0.6，累计方差贡献率达82.764%，可以反映广东省桉树人工林立地状况。

表3 用于广东省桉树人工林立地质量评价的各主成分方差贡献率Table 3 Variance contribution of each principal component for site quality evaluation of eucalyptus plantation in Guangdong

用这7个主成分代替上述11个立地因子来综合评价广东省桉树人工林的立地质量，选取前7个主成分进一步分析每个主成分的因子载荷量，计算因子载荷矩阵，结果见表4。

表4 广东省桉树人工林立地因子载荷系数矩阵Table 4 Load factor matrix of site factors for eucalyptus plantation in Guangdong

由表4可知，在第1主成分中，地貌、坡度和海拔载荷系数绝对值明显大于其他立地因子，分别为0.800 1，0.766 7和0.732 3，可以将第1主成分看作是地形因子的综合反映，且第1主成分反映原始数据信息量的27.985%，由此可以认为地形因子对立地质量的影响最大。在第2主成分中，砾石含量、土壤质地和土层厚度载荷系数绝对值显著大于其他立地因子，分别为0.696 6，0.656 2和0.534 3，主要反映土壤结构对立地质量的影响。在第3主成分中，腐殖质层厚度和枯枝落叶层厚度载荷系数绝对值远大于其他立地因子，分别为0.693 7和0.627 1，主要反映土壤肥力对立地质量的影响状况。在第4主成分中，腐殖质层厚度、枯枝落叶层厚度和坡向载荷系数绝对值较大，分别为0.554 6，0.433 7和0.407 3，主要反映坡向不同引起土壤养分的再分配差异，从而对立地质量产生影响。在第5主成分中，坡位载荷系数0.629 9显著大于其他立地因子，说明坡位对立地质量影响较大。在第6主成分中，坡向和海拔载荷系数较大，分别为0.445 3和0.426 1，主要反映了海拔和坡向对立地质量的影响，桉树属喜光性树种，耐寒性较差，多分布于低海拔地区的阳坡之中，海拔和坡向与桉树生长有密切关系。在第7主成分中，土壤类型载荷系数绝对值0.431 4明显大于其他立地因子，说明土壤类型对桉树人工林立地质量也有一定影响。

综上所述，地貌、砾石含量、腐殖质层厚度、枯枝落叶层厚度、坡位、坡向和土壤类型7个立地因子是影响桉树人工林立地质量的主导因子，可根据这7个主导因子进行广东省桉树人工林立地类型的划分。同时，在适地适树造林和森林经营过程中也应重点关注这7个方面的立地生长环境因子，有针对性地制定造林计划和各种营林措施，以提高桉树人工林生产力。

2.1.2 立地质量综合评价得分 依据选取出来的7个主成分计算主成分载荷矩阵，得到各主成分的载荷系数，进而确定7个主成分的方程表达式为：

F1=-0.456 9X1+0.418 2X2-0.324 4X3-0.313 5X4-0.437 9X5+0.359 9X6+0.271 4X7+0.068 7X8-0.101 4X9+0.082 9X10+0.000 6X11；

F2=0.096 9X1-0.041 6X2+0.206 9X3+0.173 9X4+0.041 4X5-0.095 2X6+0.427 3X7+0.524 8X8-0.557 1X9+0.326 1X10+0.185 3X11；

F3=0.022 2X1+0.084 0X2+0.231 5X3+0.123 0X4-0.136 6X5+0.236 3X6-0.229 0X7-0.099 8X8+0.329 8X9+0.553 8X10+0.612 6X11；

F4=0.051 1X1+0.119 7X2+0.433 3X3-0.077 0X4-0.120 6X5+0.043 0X6-0.039 7X7-0.407 5X8-0.219 9X9+0.461 4X10-0.589 9X11；

F5=-0.198 6X1-0.113 3X2-0.131 3X3+0.682 5X4+0.181 4X5+0.370 5X6+0.377 4X7-0.389 4X8-0.029 2X9-0.054 9X10-0.024 2X11；

F6=-0.144 9X1+0.495 5X2+0.517 9X3+0.239 5X4+0.131 7X5+0.190 5X6-0.057 6X7+0.395 2X8+0.273 1X9- 0.301 3X10-0.182 4X11；

F7=-0.086 3X1+0.390 6X2+0.160 9X3+0.203 4X4-0.291 9X5-0.522 6X6-0.021 3X7-0.379 4X8-0.286 3X9-0.288 5X10+0.329 7X11。

式中：X1,X2,X3,…,X11依次代表地貌、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤类型、土层厚度、土壤质地、砾石含量、枯枝落叶层厚度和腐殖质层厚度等11个立地因子。

利用上述主成分方程表达式求出各主成分的得分值，再代入构建的立地质量综合评价函数F综，便可得出254块桉树人工林复测样地立地质量的综合评价得分，结果见表5。

表5 广东省桉树人工林各样地立地质量综合评价得分Table 5 Comprehensive score of site quality evaluation in various sites for eucalyptus plantation in Guangdong

2.2 广东省桉树人工林立地质量分类及评价

依据表5中的广东省桉树人工林立地质量综合评价得分值对254块桉树人工林样地进行系统聚类分析，再根据聚类分析结果并结合立地类型的主导因子划分原则，在阈值为4时将254块样地划分成4个类型。由于本研究中的桉树人工林多为短轮伐期用材林，其经营的主要目的是为了生产木材，因此本研究选取与出材量最密切相关的林分每公顷蓄积量作为反映立地质量好坏的主要因子，综合考虑各类型样地的平均得分值以及平均每公顷蓄积量，对这4个立地类型进行重新排序分成4个等级，分别记为Ⅰ(优)、Ⅱ(良)、Ⅲ(中)、Ⅳ(差)，详见表6。

表6 广东省桉树人工林立地质量等级划分Table 6 Site quality classification of eucalyptus plantation in Guangdong

总体来看，样地数量最多的是立地质量为“中”的类型Ⅲ，有108块，占样地总数的42.52%；其次是立地质量为“良”的类型Ⅱ，再次是立地质量为“差”的类型Ⅳ，样地数量分别为62和46块，分别占样地总数的24.41%和18.11%；而立地质量为“优”的类型Ⅰ，仅有38块样地，占样地总数的14.96%。由此可见，广东省桉树人工林整体立地质量不高，立地质量等级为“中”和“差”的样地合计占总数的60.63%，立地质量表现为“优”和“良”的样地，平均每公顷蓄积量也仅为39.781 6和44.936 5 m3/hm2，虽高于广东桉树人工林的平均水平26.50 m3/hm2，但远远低于全国乔木林的平均水平94.83 m3/hm2，也低于福建桉树人工林的平均水平64.56 m3/hm2[2]，只有澳大利亚等林业发达国家桉树人工林蓄积量水平的1/10[28]。因此，有必要对各立地类型的特征进行更深入的总结分析，为森林经营和森林质量精准提升提供方向性指引和参考依据。

2.3 广东省桉树人工林不同立地质量等级特征分析

广东省桉树人工林立地质量等级特征详见表7。由表7可知，广东省桉树人工林集中分布在低山或丘陵的低海拔地区，比较桉树人工林平均胸径、平均树高和每公顷蓄积量可知，类型Ⅰ、Ⅱ 样地优于类型Ⅲ、Ⅳ样地，各立地类型间立地质量以及森林生产力的差异主要是由坡位、坡向、枯枝落叶层厚度、腐殖层厚度、砾石含量和土壤类型的差异引起的。

表7 广东省桉树人工林各立地质量等级特征表Table 7 Characteristics of site quality level of eucalyptus plantations in Guangdong

立地质量表现最好的Ⅰ类型样地主要特征如下：大多分布在坡位较低的阳坡或半阳坡地区，该地区光照充足，降雨量较大，水热条件好，是桉树理想的分布区；土层深厚、肥沃，有94.7%的样地土层厚度为“厚”(>80 cm)；枯枝落叶层厚度与腐殖质层厚度较大，分别有57.9%的样地腐殖质层厚度为中度以上(>10 cm)，65.8%的样地枯枝落叶层厚度为中度以上(>5 cm)；土壤砾石含量较少，为6.74%；土壤类型多为赤红壤或红壤，质地多为壤土或粘土。这类土壤含水量高、通气条件好、土壤养分充足、保水保肥能力强，土壤的水、肥、气、热条件优越，非常适于桉树这种根系发达、生长迅速、蒸腾量大的树种生长，可培育出径级大、木材质量和生长质量优的桉树。

立地质量表现较好的Ⅱ类型样地具有与Ⅰ类型样地相似的坡向、坡位条件，但坡度较大，有69.4%的样地分布于陡坡以上(>25°)地区，不利于土壤养分的贮存与水分的固持；土壤多为赤红壤，质地多为壤土，土层深厚，砾石含量较低，但土壤腐殖质层和枯枝落叶层厚度较小，有67.7%的样地土壤腐殖层厚度为“薄”(<10 cm)，87.3%的样地枯枝落叶层厚度为“中”及以下(<9 cm)，土壤肥力较好，但养分贮存状况欠佳。

立地质量表现一般的Ⅲ类型样地，多数分布于坡位较高的阴坡或半阴坡地区，气温较低，水热条件不足，土壤养分与水分容易随着雨水的冲刷沉积至下坡位，而桉树耐寒能力差，生长过程中对水分和养分的要求较高，因此在此类地区的生长表现不佳；土壤多为赤红壤或砖红壤，质地以壤土和砂壤土为主，砾石含量较高，为8.96%，土壤保水保肥能力不佳，土壤养分和矿质元素容易流失，不利于桉树根系对养分和水分的吸收利用。土层厚度中等，腐殖质层厚度和枯枝落叶层厚度小，有85.2%的样地腐殖质层厚度为“薄”(<10 cm)，79.6%的样地枯枝落叶层厚度为“薄”(<5 cm)，土壤肥力中等。

立地质量表现最差的Ⅳ类型样地，大多位于中坡的阴坡或平原的无坡向地区，光照条件较差；71.7%的样地土壤为砖红壤，质地多为砂壤土或砂土，土壤孔隙度高，保水保肥能力差，土层浅薄，土层厚度、腐殖质层厚度和枯枝落叶层厚度均为4种立地类型中最薄的一类，土壤较为贫瘠，肥力低下；同时，该类型样地土壤砾石含量高达13.83%，有的样地砾石含量甚至高达90%，远高于其他立地类型的样地；大量砾石的存在会影响土壤理化性质和保水保肥能力，而且会阻碍桉树根系向下延伸生长，桉树根系往往只能分布于表土区，严重影响桉树根系对水分、矿物质和养分的吸收，在此类立地类型上不适宜种植桉树。

综上所述可知，最适宜桉树人工林生长的立地类型特征为：下坡位，阳坡，缓坡，红壤或黄壤，砾石含量较低，土层厚度、枯枝落叶层和腐殖质层深厚的低山或丘陵地区。造林时尽量选择与上述立地条件相近的立地进行桉树人工林种植，并以此为标准对现有的桉树人工林立地质量进行改良，以充分发挥不同林地的生产潜力。

3 讨 论

在以往的桉树人工林立地质量评价研究中，研究数据大多来自临时样地或解析木数据[29-30]，缺乏长期性、系统性和连续性，导致所评价结果在很大程度上依赖于所分析的数据，适用性较差。而本次研究的数据来源于2017年广东省第九次国家森林资源连续清查样地数据，基于连续清查数据的立地质量评价方法可为实现立地质量的长期监测和评价研究提供一个新的思路。

本研究选取地貌、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤类型、土层厚度、土壤质地、砾石含量、腐殖质层厚度、枯枝落叶层厚度共11个立地因子作为评价指标，对广东省桉树人工林立地质量进行评价。采用主成分分析方法，最终确定地貌、砾石含量、腐殖质层厚度、枯枝落叶层厚度、坡位、坡向和土壤类型7个立地因子是影响广东省桉树人工林立地质量的主导因子，这与陆海飞等[29]在广西省尾巨桉人工林立地质量评价研究中得出的结果相似，说明地形和土壤因子是影响桉树人工林生长的关键因素。

本研究对254块桉树人工林复测样地的立地质量评价得分进行系统聚类分析，选取阈值为4时，可将254块桉树人工林复测样地立地质量划分为4个类型，分级评价结果显示，立地质量等级为Ⅲ(中)和Ⅳ(差)的样地合计占样地总数的60.63%；类型Ⅰ、Ⅱ 样地上生长的桉树人工林在平均胸径、平均树高和每公顷蓄积量方面的表现均要好于类型Ⅲ、Ⅳ，但即使是在立地质量表现较好的Ⅰ、Ⅱ 类型样地中，桉林人工林平均每公顷蓄积量也仅有39.781 6和44.936 5 m3/hm2，可见广东省桉树人工林整体的立地质量不高，立地生产力水平还有待提高；对于立地条件较好的Ⅰ、Ⅱ 类型地区，需要注重的问题是如何遏制地力的衰退。由于桉树是速生树种，生长过程对土壤肥力的要求比较高，且生长和经营周期较短，在桉树人工林的经营中，连作现象非常普遍，这就不可避免地会引起不同程度的地力衰退问题[31]。黄玉梅[32]在对桉树人工林地力衰退成因的研究中认为，桉树人工林地力衰退的根本原因是林内生物多样性的下降。因此，解决桉树人工林地力衰退问题的关键就在于如何提高并维持桉树人工林的生物多样性和生态系统的稳定。在这种类型的桉树人工林经营中，可采用适当发展林下植被、开展农林复合经营、轮作或适当混种其他树种以营造混交林的措施，有效提高林内的生物多样性，促进土壤肥力和养分的自我更新和循环，从根本上解决地力衰退问题。对于立地条件及立地质量相对较差的Ⅲ、Ⅳ 类型地区，除了要采取必要措施减少地力衰退的影响外，还要重视对土壤的改良和中幼龄林的林分抚育工作。此类型地区土壤较为贫瘠，土壤质地多为砂土或砂壤土，砾石含量较高，在造林前应该结合立地实际情况，采取相应的造林整地方式，改善土壤的物理结构和质地，提高土壤保水保肥能力。在经营时要重视对中幼龄林的林分抚育工作，及时松土除草、施肥和防治病虫害，做好水肥管理和整形修枝工作，以促进桉树人工林的生长，保证林分能够维持在一个正常的生产力水平。

在立地因子的选取中，本研究重点考虑了地形因子与土壤因子对立地质量的影响，而没有考虑气候因子的影响，但这并不意味着气候因子对桉树人工林的生长没有影响。张程等[1]在桉树人工林立地因子的研究中指出，气候因子会对桉树的各种生长指标产生不同程度的影响，其中以气温和降水量的影响最为明显，桉树更偏向于生长在热带亚热带及雨水充沛的地区；潘嘉雯等[33]的研究也表明，年降水量和年均温是影响广东、广西和云南3省桉树人工林生产力的关键因素。因此，关于气候因子对桉树人工林立地质量的影响还有待进一步深化研究。

本研究基于定性因子与定量因子相结合的综合评价方法，通过主成分分析方法确定影响立地质量的主导因子并对各样地进行综合评分，再基于综合评分对样地进行聚类分析，将广东省桉树人工林按立地质量等级划分为4个类型。其中，主成分分析能够很好地降低评价指标之间的相互影响，但会带有一定的主观性，而聚类分析能够降低评价过程中主观因素的影响，两种评价方法优劣互补，可使评价结果更加客观真实、科学可信。但在数据标准化方法以及综合评价函数的构建方面，还存在着一定的理论缺陷和改进空间，有待从数理统计角度更加深入地进行研究和探讨。

由于本次研究调查范围以及数据的局限性，所划分出的立地质量等级类型不可能包含广东省桉树人工林所有的立地类型，所得出的立地质量等级特征表的适用性和代表性也有待进一步的实践验证和调整，在桉树人工林立地质量评价和森林质量精准提升方面，仍然有诸多的实际生产问题亟待解决，对广东省桉树人工林进行更加系统和细致的立地类型划分，对立地因子与桉树人工林生长之间的关系进行更加深入的研究，是日后实现广东省桉树人工林可持续经营过程中需要解决的问题。

4 结 论

地貌、砾石含量、腐殖质层厚度、枯枝落叶层厚度、坡位、坡向和土壤类型7个立地因子是影响广东省桉树人工林立地质量的主导因子；利用聚类分析可将广东省桉树人工林立地质量分为优、良、中、差4个等级；立地质量评价结果显示，有60.63%的桉树人工林样地立地质量处于中等或中等以下水平，说明广东省桉树人工林整体的立地质量不高，立地生产力水平有待提高；在森林经营过程中除了要采取必要措施减少地力衰退的影响外，还要重视对土壤的改良和中幼龄林的林分抚育工作；在立地质量评价及分类结果的基础上，根据复测样地的实际情况，分析得出了最适宜广东省桉树人工林生长的立地特征为：下坡位，阳坡，缓坡，红壤或黄壤，砾石含量较低，土层厚度、枯枝落叶层和腐殖质层深厚的低山或丘陵地区。该研究结果可为广东省开展适地适树造林和森林可持续经营提供理论参考和技术指引。