張超 彭道黎 黃國勝 馬煒

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院)

責(zé)任編輯:任 俐。

立地質(zhì)量是指某一立地上，既定森林或其他植被類型的生產(chǎn)潛力，與樹種相關(guān)聯(lián)。一個既定的立地，對于不同樹種來說，可能會得到不同的立地質(zhì)量［1］。立地質(zhì)量評價是對立地的宜林性或潛在生產(chǎn)力進(jìn)行判斷和預(yù)測的理論基礎(chǔ)，對于科學(xué)營林、育林等森林經(jīng)營活動以及構(gòu)建經(jīng)營管理決策支持系統(tǒng)等具有重要作用［2-4］。綜合國內(nèi)外研究，立地質(zhì)量評價方法可歸納為直接評價法、間接評價法和綜合評價法［1-10］。其中，應(yīng)用最廣泛的是根據(jù)林分高評定立地質(zhì)量(包括地位指數(shù)法和地位級法)［1］。以林木生長量為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置固定樣地對林木生長進(jìn)行長期連續(xù)測定，同時結(jié)合林地環(huán)境條件來評價立地質(zhì)量的綜合方法，被認(rèn)為是最直接、準(zhǔn)確和可靠的方法［11-13］。此外，現(xiàn)有立地質(zhì)量評價研究主要側(cè)重于有林地，對宜林地、無林地的研究較少［14-16］，且大多數(shù)都限于評價某種立地條件是否適合于某一特定樹種，而少見多個樹種的綜合評價［17-19］。本研究以三峽庫區(qū)為研究對象，以一類清查資料中的標(biāo)準(zhǔn)木、樣木和樣地數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分主要樹種(組)，利用標(biāo)準(zhǔn)木構(gòu)建樹高曲線，篩選樣木中的優(yōu)勢木編制立地指數(shù)表，以地形及土壤等環(huán)境因子與立地指數(shù)之間的定量關(guān)系為基礎(chǔ)，采用逐步回歸方法，構(gòu)建樣地和小班立地指數(shù)估測模型。在此基礎(chǔ)上，利用2013年庫區(qū)林地小班數(shù)據(jù)，結(jié)合小班立地指數(shù)模型對庫區(qū)林地小班的立地指數(shù)進(jìn)行定量估測，以探討三峽庫區(qū)立地質(zhì)量等級空間分布格局。

1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)(106°14'～111°28'E、28°56'～31°44'N)地處中緯度地區(qū)，西起重慶市區(qū)，東至湖北宜陵區(qū)，山地和丘陵面積占全區(qū)總面積的96%以上，海拔跨度較大。庫區(qū)年均溫18 ℃，年均降水量1 120 mm，相對濕度76%。三峽庫區(qū)屬亞熱帶常綠、落葉和針闊混交林區(qū)。根據(jù)《中國森林立地分類》成果［20］，三峽庫區(qū)地處一級區(qū)“南方亞熱帶立地區(qū)”內(nèi)，并在一級分區(qū)框架內(nèi)劃分為4 個二級區(qū)。但“秦巴山地立地區(qū)”在研究區(qū)內(nèi)范圍極小，故文中將三峽庫區(qū)歸并為3 個二級區(qū)，即“四川盆周山地立地區(qū)”(簡稱“二級區(qū)0730”)、“四川盆地立地區(qū)”(簡稱“二級區(qū)0731”)和“川黔湘鄂山地丘陵立地區(qū)”(簡稱“二級區(qū)0732”)。全國森林立地一級分區(qū)，區(qū)內(nèi)立地生產(chǎn)潛力和利用改造方向大致相同，而二級區(qū)在大地貌上基本一致，體現(xiàn)在森林培育、經(jīng)營的適宜性、限制性及生產(chǎn)潛力各方面較一級區(qū)有更大的一致性［20］。

2 研究方法

2.1 資料收集

森林資源一類清查數(shù)據(jù):獲取三峽庫區(qū)第七、八次的一類清查資料的標(biāo)準(zhǔn)木、樣木和樣地數(shù)據(jù)。在每個二級區(qū)的典型樹種中，選擇標(biāo)準(zhǔn)木株數(shù)累計比例超過65%的樹種(組)作為立地指數(shù)的評價樹種;然后，以標(biāo)準(zhǔn)木所在樣地為準(zhǔn)，篩選得到用于立地指數(shù)數(shù)表編制和建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(表1)。需要注意的是，在本研究中，一類清查數(shù)據(jù)是擬合立地指數(shù)導(dǎo)向曲線、編制立地指數(shù)表及構(gòu)建立地指數(shù)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 二級區(qū)0730 主要樹種(組)標(biāo)準(zhǔn)木、樣木和樣地數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2013年三峽庫區(qū)林地小班數(shù)據(jù):包括地貌、坡向、坡位、坡度和土層厚度等立地因子，以967 480個林地小班作為立地評價的空間屬性數(shù)據(jù)，結(jié)合立地指數(shù)模型估算小班的立地指數(shù)，并繪制三峽庫區(qū)林地質(zhì)量等級分布圖。

2.2 資料整理

分別樹高等級確定樹高曲線［21］。使用Richards 曲線作為樹高—胸徑曲線的擬合模型，為了保證在胸徑為0 時樹高等于1.3 m，在模型中加上常數(shù)1.3，表達(dá)式如下:

式中:H 為樹高;D 為胸徑;a、b 和c 為參數(shù)，a 為樹高最終值，即上漸進(jìn)值，b 與生長速度有關(guān)，c 為形狀參數(shù)。

從每個樣地中選擇6 株樹高最大的優(yōu)勢木［13］，其樹高的平均值作為樣地優(yōu)勢木高。各徑階以平均優(yōu)勢木高為準(zhǔn)，以3 倍樹高標(biāo)準(zhǔn)差為范圍剔除本徑階內(nèi)數(shù)據(jù)異常的優(yōu)勢木［1］。之后，以徑階為單位，重新整理、統(tǒng)計、計算平均胸徑、平均優(yōu)勢高及優(yōu)勢木株數(shù)，作為擬合地位指數(shù)導(dǎo)向曲線的數(shù)據(jù)。

2.3 立地指數(shù)導(dǎo)向曲線擬合

常用的擬合導(dǎo)向曲線模型有:對數(shù)雙曲線式、對數(shù)曲線式、拋物線式、單分子式、理查茲式等［1］。根據(jù)優(yōu)勢木整理數(shù)據(jù)，文中采用理查茲式，擬合導(dǎo)向曲線。已有研究［7，13，22-23］表明，同一林分中優(yōu)勢木的胸徑與樹高的相關(guān)性明顯高于年齡與樹高的相關(guān)性，認(rèn)為用胸徑取代年齡來進(jìn)行立地質(zhì)量評價是可行的。因此，本研究中的理查茲立地指數(shù)曲線表示為:

式中:H*為林分優(yōu)勢樹高;D 為林分胸徑;a、b 和c為模型參數(shù)。

2.4 立地指數(shù)模型構(gòu)建

選取一類樣地數(shù)據(jù)中的地貌(X1)、海拔(X2)、坡位(X3)、坡向(X4)、坡度(X5)、土層厚度(X6)、腐殖質(zhì)層厚度(X7)和枯枝落葉層厚度(X8)8 個立地因子作為備選自變量。這些立地因子中有定量因子也有定性因子，為避免原始指標(biāo)量綱的影響，先根據(jù)一類技術(shù)規(guī)程［24］將立地因子標(biāo)準(zhǔn)化，再根據(jù)各因子不同等級區(qū)分的立地指數(shù)大小，確定其相應(yīng)的得分值。最后借助SPSS18.0 軟件中的逐步回歸法篩選主導(dǎo)因子，構(gòu)建立地指數(shù)(SI)與這些主導(dǎo)因子的最優(yōu)線性回歸模型，即:

式中:SI為立地指數(shù);X1，X2，…，Xn為立地因子(n=1，2，…，8);α0，α1，…，αn為模型參數(shù)。需要注意的是，林地小班數(shù)據(jù)中只有地貌、坡位、坡向、坡度和土層厚度這5 個立地因子，因此，在構(gòu)建小班立地指數(shù)模型時，備選自變量為X1，X3，X4，X5，X6。

選取確定系數(shù)(R2)、估計值的標(biāo)準(zhǔn)差(SE，E)、總相對誤差(TR，E)和平均預(yù)估誤差(MP，E)4 項指標(biāo)作為立地指數(shù)模型的基本評價指標(biāo)，計算公式詳見文獻(xiàn)［25］。

2.5 立地質(zhì)量等級劃分

根據(jù)立地指數(shù)模型計算出每個樹種對應(yīng)的樣地或小班的立地指數(shù)值，并從高至低歸并為5 個立地質(zhì)量等級，即對應(yīng)Ⅰ級(5 分，優(yōu))、Ⅱ級(4 分，良)、Ⅲ級(3 分，中)、Ⅳ級(2 分，差)和Ⅴ級(1 分，極差)。綜合多個樹種評價林地質(zhì)量的得分值［13］，公式如下:

式中:S 為立地質(zhì)量綜合得分值(0～5);n 為選取的評價樹種(組)數(shù)目;i 為第幾個評價樹種(i=1，2，…，n);si為每個評價樹種的立地質(zhì)量得分值(0～5)。對計算出的S 值進(jìn)行等級劃分，即:0＜S≤1(V級)，1＜S≤2(IV 級)，2＜S≤3(III 級)，3＜S≤4(II級)，4＜S≤5(I 級)。

3 結(jié)果與分析

3.1 優(yōu)勢木樹高

以二級區(qū)0730 杉木為例，利用468 株標(biāo)準(zhǔn)木繪制樹高曲線，標(biāo)準(zhǔn)木樹高曲線分為9 個等級，擬合的Richards 模型參數(shù)a1～a9的范圍為10.042 4～30.127 1，b=1.936 1，c=0.110 0，R2=0.861(圖1a)。先對標(biāo)準(zhǔn)木樹高進(jìn)行初步分級，然后，再利用樹高曲線調(diào)整，確定標(biāo)準(zhǔn)木樹高等級，如圖1b 所示。利用同一樣地的標(biāo)準(zhǔn)木樹高等級評定樣地等級?；跇涓咔€和樣地等級，計算樣木的樹高，篩選每個樣地的6 株優(yōu)勢木作為立地指數(shù)表編表樣本。

圖1 二級區(qū)0730 杉木標(biāo)準(zhǔn)木樹高曲線和等級分布

3.2 立地指數(shù)表的編制

以二級區(qū)0730 杉木立地指數(shù)表編制結(jié)果為例，樣地數(shù)為125 塊，每個樣地6 株優(yōu)勢木，也就是說理論上有750 株優(yōu)勢木，但需要用3 倍標(biāo)準(zhǔn)差篩選并剔除異常值，分析發(fā)現(xiàn)沒有異常值，則用于擬合立地導(dǎo)向曲線的優(yōu)勢木株數(shù)為750 株。由圖2可知，優(yōu)勢木樹高凈增長量和變異系數(shù)均在胸徑20 cm 左右趨于平穩(wěn)，因此，確定基準(zhǔn)胸徑為20 cm。

圖2 二級區(qū)0730 杉木胸徑—樹高分布(左)及樹高凈增長量和變異系數(shù)變化(右)

確定林分基準(zhǔn)胸徑后，利用Forstat 2.1 軟件擬合立地指數(shù)導(dǎo)向曲線，模型參數(shù)為a=16.084 3，b=0.104 6，c=1.489 9，R2=0.627(n=750)。當(dāng)優(yōu)勢木達(dá)到基準(zhǔn)胸徑時，樹高變動范圍為8～20 m，確定指數(shù)級距為2 m，共7 個立地指數(shù)級(8，10，12，14，16，18、20)。利用Forstat 2.1 軟件和標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)整法編制立地指數(shù)表(表2)。若已知優(yōu)勢木的胸徑和樹高，查表2可以得到該優(yōu)勢木所在林分的立地指數(shù)，并作為樣地或林分立地質(zhì)量評價的依據(jù)。

3.3 立地指數(shù)模型擬合結(jié)果

以二級區(qū)0730 杉木立地指數(shù)模型構(gòu)建為例，先對X1～X88 個立地因子等級化并賦以得分值［13］。然后將杉木立地指數(shù)與分級賦分處理后的立地因子進(jìn)行逐步回歸分析，擬合得到多元線性回歸方程(表3)。對于一類樣地立地指數(shù)模型，入選自變量為地貌、海拔、坡位、坡度和枯枝落葉層厚度;而對于林地小班立地指數(shù)模型，地貌、坡位、坡向、坡度和土層厚度5 個因子全部入選。

表2 二級區(qū)0730 杉木立地指數(shù)表

表3 立地指數(shù)模型擬合結(jié)果

根據(jù)表3可知，一類樣地立地指數(shù)模型(SI)和林地小班立地指數(shù)(S*I)模型的R2均大于0.950，TR，E小于2%，MP，E小于5%，說明這2 個立地指數(shù)模型擬合效果都較好，可分別應(yīng)用于二級區(qū)0730 杉木樣地和林地小班立地指數(shù)計算。

3.4 樣地立地質(zhì)量評價結(jié)果

三峽庫區(qū)涉及3 個二級區(qū)0730、0731 和0732，由于篇幅有限，僅以二級區(qū)0730 樣地立地質(zhì)量評價為例，一類樣地總數(shù)為4 144 塊，根據(jù)樣地立地指數(shù)模型(SI)計算出每個樹種對應(yīng)樣地的立地指數(shù)并分級賦分，再根據(jù)公式(4)計算樣地立地質(zhì)量評價的綜合得分，并劃分立地等級，編制立地質(zhì)量評定表(表4)。由表4可知，不同樹種在同一立地條件下生產(chǎn)潛力不同，如樣地0001，以馬尾松、柏木和軟闊的立地質(zhì)量得分最高(其立地質(zhì)量為II 級)，櫟類得分次之(其立地質(zhì)量為III 級)，而杉木得分較低(對應(yīng)的立地質(zhì)量為IV 級)，說明該樣地宜種植馬尾松、柏木和軟闊，若種植杉木則不能充分發(fā)揮其立地生產(chǎn)潛力。

表4 二級區(qū)0730 樣地不同樹種立地質(zhì)量評定表示例

由圖3可知，以二級區(qū)0730 為例，馬尾松、杉木和側(cè)柏對林地質(zhì)量的評價結(jié)果相似，都接近于正態(tài)分布，得分3 的樣地數(shù)最多，而得分1、2、4 和5 的樣地數(shù)都較少，可認(rèn)為三者的生產(chǎn)力屬于中等水平，應(yīng)該成為二級區(qū)0730 造林的首選樹種(組);櫟類得分主要集中在1、2、3 分，4、5 分較少，說明其現(xiàn)實生產(chǎn)力水平偏低，需加強(qiáng)撫育管理;軟闊得分主要集中在3、4、5 分，評價結(jié)果明顯優(yōu)于其余樹種(組)，宜栽植軟闊。根據(jù)綜合評價結(jié)果可知，得分3 的樣地數(shù)最多而得分4 的樣地數(shù)次之，得分1、2、5 的樣地數(shù)總和接近于0，因此，認(rèn)為二級區(qū)0730 內(nèi)樣地立地質(zhì)量總體屬于中等(或偏上)水平。

圖3 二級區(qū)0730 樣地不同樹種立地質(zhì)量評價結(jié)果

3.5 三峽庫區(qū)立地質(zhì)量等級分布

基于2013年三峽庫區(qū)林地小班數(shù)據(jù)，以林地小班為單位，分別樹種(組)對小班立地因子分級賦分，基于小班立地指數(shù)模型估算各小班立地指數(shù)，歸并為5 個立地質(zhì)量等級，利用公式(4)推算小班綜合立地質(zhì)量，匯總得到全庫區(qū)林地質(zhì)量評價結(jié)果(表5)，并繪制三峽庫區(qū)林地立地質(zhì)量等級分布圖(圖4)。

表5 三峽庫區(qū)各等級林地面積

圖4 三峽庫區(qū)林地質(zhì)量等級分布圖

由表5可推算出，三峽庫區(qū)林地立地質(zhì)量III 級占庫區(qū)林地總面積的比例最大，為78.71%，Ⅳ級(13.17%)和II 級(7.32%)次之，而Ⅰ級(0.72%)和Ⅴ級(0.09%)所占比例都幾乎為零。綜合表5和圖4可以發(fā)現(xiàn)，整體而言，三峽庫區(qū)林地質(zhì)量處于中等水平。其中，Ⅰ級林地主要分布于萬州區(qū)、涪陵區(qū)、豐都縣、武隆縣和開縣境內(nèi)，Ⅴ級主要分布于巴東縣、夷陵區(qū)。

4 結(jié)束語

本研究參照《中國森林立地分類》將研究區(qū)劃分為3 個二級區(qū)(區(qū)內(nèi)氣候干擾小)，二級區(qū)內(nèi)立地質(zhì)量主要受地形和土壤因子影響。在此基礎(chǔ)上，選取地形和土壤等立地因子構(gòu)建立地指數(shù)估測模型，在同一個二級區(qū)內(nèi)模型適用性較好。

常規(guī)立地指數(shù)模型中的自變量年齡在實際操作中不易獲取，有學(xué)者提出用林分胸徑替換年齡作為立地質(zhì)量評價模型的自變量［7，13，22-23］。本研究采用Richards 模型擬合立地指數(shù)導(dǎo)向曲線時，用基準(zhǔn)胸徑替換基準(zhǔn)年齡，并編制立地指數(shù)表，結(jié)果證明這種方法確實是可行的。

我國森林資源清查資料內(nèi)容翔實可靠，而林地小班數(shù)據(jù)是對區(qū)域的全區(qū)劃，反映了區(qū)域林地資源的數(shù)量、質(zhì)量和空間分布特征。目前，已有研究大多用單一樹種來評價某特定范圍的立地質(zhì)量，而少見多個樹種的綜合評價［17-19］。文中結(jié)合森林資源一類數(shù)據(jù)和林地小班數(shù)據(jù)，并綜合多個樹種進(jìn)行林地立地質(zhì)量評價，取得了較為滿意的結(jié)果。這種方法為估測大尺度范圍的林地立地質(zhì)量提供了一種有效的途徑。

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