祝維 張西 賈黎明

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林地位指數表的編制1)

祝維 張西 賈黎明

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

編制了伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林地位指數表，以期為當地栓皮櫟天然次生林后期的森林經營和天然林保護工作奠定基礎。從伏牛山南北坡88株平均優(yōu)勢木解析木數據獲得了619對樹高—年齡數據對，用SPSS軟件對優(yōu)勢木平均樹高與年齡的關系進行擬合，從而獲得導向曲線方程。根據各齡階樹高變動系數(CH)及標準差(SH)的變化幅度確定基準年齡，根據基準年齡時的優(yōu)勢木樹高絕對變動幅度(ΔH)與指數級數量(n)的比值確定指數級距，采用標準差調整法導出地位指數曲線。從9個常用的數學模型中選定對數曲線式模型作為導向曲線；確定基準年齡為45 a，指數級距為1 m；以15指數級樹高為基準導出了9～18 m共10條地位指數曲線，最終通過上限排外法編制了伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林的地位指數表。經χ2檢驗和落點檢驗后證明所編地位指數表精度較高，能夠客觀地評價伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林的立地質量。

伏牛山地區(qū)；栓皮櫟；天然次生林；地位指數表；立地質量評價

中國天然櫟類林面積廣闊，是我國最為重要的一類森林。栓皮櫟(Quercusvariabilis)是重要的櫟類樹種之一，具有極高的經濟價值和生態(tài)效益。立地質量直接影響林分生長和產量，因此立地質量的確定是森林管理的重點[1]，地位指數表是森林經營工作的基礎數表，用地位指數法對立地質量進行評價在我國應用十分廣泛[2-3]。從1978年地位指數表引入中國以來，至今國內已有62個樹種被編表，闊葉樹種有南方型楊樹(Populusdeltoides)[4]、栓皮櫟(Quercusvariabilis)[5-8]、巨桉(Eucalyptusgrandis)[9]等，針葉樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)[10]、杉木(Cunninghamialanceolata)[11]、側柏(Platycladusorientalis)[12]、油松(Pinustabulaeformis)[13-14]等。在秦嶺、華北等地區(qū)已有關于栓皮櫟天然林的地位指數表[5-8]，雖伏牛山為秦嶺山脈向東最大的余脈，但它是中國天然栓皮櫟分布的地理中心之一。由于中國長期缺乏對栓皮櫟作用的正確認識，導致伏牛山地區(qū)的栓皮櫟林至今仍沒有得到合理的撫育管理，結果林分內密度過大，干形彎曲，材質差。這樣的林分不僅損失巨大的經濟價值，且對其潛在生態(tài)經濟價值也影響重大。因此筆者使用在伏牛山南北坡獲得的619對樹高1 a齡數據對來編制地位指數表，利用該表可以科學、客觀地評價伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林的立地質量，以期為后續(xù)的森林培育經營方案提供基礎數表參考。

1 研究地概況

伏牛山位于河南省西部地區(qū)，山脈山勢自西北向東南逐漸變緩，海拔1 000 m左右，為秦嶺山脈向東最大的余脈。整個伏牛山區(qū)域約占河南省山地丘陵面積的40%[15]。山體主要由花崗巖組成，土壤隨著自然植被和氣候變化特點主要分為棕壤土和褐色土。由于伏牛山的地勢高差懸殊且正好處于南北分界線，導致其垂直氣候變化較為明顯且南北坡氣候也有所不同。南坡據中國氣候區(qū)劃的指標將其劃分為北亞熱帶，北坡可以將其劃分為暖溫帶[15]。伏牛山地區(qū)的植被以暖溫帶和亞熱帶天然闊葉林為主，同時兼有針闊混交林。栓皮櫟(Quercusvariabilis)是伏牛山地區(qū)海拔1 000 m以下的山地和丘陵的建群種，是該地區(qū)地帶性植被[16]。

2 研究方法

2.1 數據來源與立地類型劃分

2013年6月份將標準地設置在伏牛山北坡和南坡，北坡有洛陽市欒川縣的合峪鎮(zhèn)、廟子鎮(zhèn)，南坡有南陽市西峽縣米坪鎮(zhèn)、回車鎮(zhèn)和南召縣四棵樹鄉(xiāng)。標準地為長30 m、寬20 m的矩形，面積600 m2，共88塊標準地。對標準地內的每一株達到起測徑階的樹木進行每木檢尺，從5株優(yōu)勢木中選取1株平均優(yōu)勢木進行樹干解析，求出其樹高、年齡及其各齡階樹高作為編表數據來源。

伏牛山區(qū)屬于北亞熱帶和暖溫帶的分界帶，因此其南北坡的氣候條件差異很大，有研究表明南坡極端低溫和均溫明顯高于北坡，而年降水量北坡則比南坡低14.41%[17]。因此本研究以南坡為陽坡，以北坡為陰坡作為劃分立地類型的依據之一；土壤厚度等土壤性狀因子是影響伏牛山南北坡喬木生長的重要因子[18]，所以土壤厚度將作為依據之二；由于栓皮櫟在伏牛山分布的垂直高度上存在差異，而海拔的不同水熱條件也會出現很大的變化，因此海拔作為依據之三。依據以上3個劃分立地類型的依據，我們將伏牛山栓皮櫟的立地類型劃分為5種。

本研究中設置的標準地覆蓋了伏牛山地區(qū)栓皮櫟次生林的所有齡組和有栓皮櫟純林分布的大部分立地類型(見表1、表2)。

表1 標準地年齡分布統(tǒng)計

2.2 編制天然林地位指數表的可行性分析

根據林分樹高評定立地質量的方法，其前提為研究對象必須是同齡純林或者相對同齡純林。然而天然次生林的年齡無法通過查閱造林記錄等方法確定其是否為同齡林，因此需要根據其他方法判斷其年齡。據文獻[2]的介紹，同齡純林的直徑結構近似遵從正態(tài)分布。通過對林分直徑分布進行擬合，根據擬合曲線的特征可以判斷其是否為同齡純林。根據上述方法，本研究從88塊標準地中隨機選擇一塊平均直徑為17.5 cm的標準地，運用統(tǒng)計軟件SPSS18.0對該塊標準地內樣木作直徑分布頻次直方圖(見圖1)?？芍械却笮诫A(直徑在10.0～25.0 cm區(qū)間內)的林木數量占多數,向兩端徑階的林木數量逐漸減少,在林分算數平均值(17.5 cm)時達到峰值。根據這些特征可以判斷該分布曲線近似于正態(tài)分布，與同齡純林直徑分布規(guī)律相吻合。運用相同方法對其他標準地內樣木作直徑分布頻次直方圖，得出的結果基本一致，可以認為伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林為相對同齡林。

表2 標準地立地類型統(tǒng)計

圖1 直徑分布頻次圖

2.3 異常數據剔除

使用EXCEL2007，SPSS18.0等統(tǒng)計軟件對調查數據進行統(tǒng)計分析。首先將所有從平均優(yōu)勢木解析木獲得的樹高1 a齡數據對，按照5 a的階距將5～70 a劃分為14個齡階，然后統(tǒng)計出各齡階平均優(yōu)勢木解析木樣本數量及其平均樹高、標準差，再以每齡階平均樹高為基準，使用3倍標準差法對該齡階內異常的優(yōu)勢木樹高1 a齡數據對進行剔除，最終得到619組數據對。

表3 解析木特征統(tǒng)計

2.4 地位指數曲線方程的選擇與擬合

根據標準地整理資料，使用統(tǒng)計軟件SPSS18.0，利用9個曲線方程來擬合樹高曲線，各方程表達式及計算結果見表4。比較9個樹高曲線方程，結合決定系數(R2)和殘差平方和(Q)最終確定對數曲線式lnH=a+blnA為導向曲線擬合公式，即

lnH=0.217 8+0.658 5lnA。

(1)

式中：H為優(yōu)勢木樹高；A為優(yōu)勢木年齡。R2=0.912，且殘差平方和在9個曲線中最小，故選擇其為導向曲線方程。

2.5 基準年齡(A0)和地位指數級距(D)的計算

以標準地的619對樹高1 a齡數據樣本為研究對象，通過公式：ΔSH=SH(i+1)/SH(i)和ΔCH=CH(i+1)/CH(i)分別計算各齡階樹高標準差的變化幅度(ΔSH)和變異系數的變化幅度(ΔCH)。當它們的變化幅度均接近于1時，說明該齡階樹高生長趨于穩(wěn)定，這時的年齡可以確定為基準年齡[5,13]。根據計算的ΔSH和ΔCH的值繪制折線圖(圖2)?？梢钥闯銮?0 a樹高標準差(SH)與變異系數(CH)的變化幅度一直較大，隨著林木年齡增長逐漸減小，并在45齡級之后趨向穩(wěn)定，且伏牛山地區(qū)栓皮櫟林的成熟年齡為40～50 a。綜上，本研究將采用45 a作為基準年齡。

表4 曲線方程表達式及其計算結果統(tǒng)計

注：H為優(yōu)勢木各齡階平均樹高(m)；A為優(yōu)勢木各齡階平均年齡(a)；a、b、c、d為相關參數；R2為決定系數；Q為殘差平方和。

圖2 樹高標準差變化幅度與變異系數變化幅度

本研究中栓皮櫟在基準年齡45 a時的優(yōu)勢木樹高范圍為8.8～17.9 m，即ΔH=9.1。通常情況下指數級距(D)為1～4 m，指數級的數量(n)在10個左右為宜[2]，本研究以n=10個為標準，通過公式D=ΔH/n確定D為1 m，最終得到9、10、11、12、13、14、15、16、17和18 m共10個指數級。

3 結果與分析

3.1 地位指數表的編制

以導向曲線為基礎，根據指數級距(D)和基準年齡(A0)時樹高值，通過標準差調整法形成地位曲線簇[2]。將各齡階年齡(A)代入導向曲線方程(1)，可以計算得出各齡階導向曲線樹高(Hik)。根據各齡階樹高標準差(SH)與各齡階平均年齡(Ai)的值，擬合得到方程表達式

lnSH=-1.160+1.157lnA。

(2)

再將各齡階年齡A代入方程(2)中，可以計算得到各齡階的樹高標準差理論值(SAi)。本研究中，基準年齡45 a時，導向曲線的理論樹高值(15.25 m)不等于地位指數級數值(15 m)，因此要進行相應的調整。首先計算基準年齡時導向曲線樹高值與基準年齡時第15指數級樹高值的差值d=Hoj-Hok=0.25m，然后計算調整系數Kj=((Hoj-Hok)/SA0)≈0.077，最后將調整系數(Kj)與各齡階樹高標準差理論值(SAi)相乘，即得到各齡階調整值(Kj·SAi)。將各齡階導向曲線樹高值(Hik)與各齡階調整值相減即可得到以15指數級為基礎各齡階調整后的樹高值(Ho)。具體計算結果見表5。

表5 各齡階的樹高調整值統(tǒng)計

注：Hik為第i齡階的導向曲線樹高(m)；SAi為第i齡階樹高標準差理論值；kj為調整系數；Ho為15指數級各齡階樹高值(m)。

以15指數級的導向曲線為準，按照指數級距1 m逐齡階導算出各地位指數曲線上的樹高值，最終通過上限排外法編制出伏牛山地區(qū)的栓皮櫟林地位指數表(表6)，根據各齡階各地位指數級的樹高值繪制的地位指數曲線簇見圖3。

3.2 地位指數表的適用性檢驗

必須對編制好的地位指數表進行檢驗，在保證其精度和適用性后，方能投入到實際工作中使用。本研究將以常用的方法落點檢驗和擬合顯著性檢驗對所編制的伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林進行檢驗。

3.2.1 落點檢驗

在88塊有解析木的標準地中，統(tǒng)計出每一塊樣地的優(yōu)勢木樹高均值，將得到的88株優(yōu)勢木高均值繪在地位指數曲線簇上，有84株優(yōu)勢木樹高落在所編的地位指數曲線內(如圖4)，精度達到95.45%。結果表明，所編的地位指數表具有良好地反映伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林立地質量的能力。

表6 伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然林地位指數

圖3 伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然林地位指數曲線簇

3.2.2 擬合顯著性檢驗

為了判斷解析木樹高生長趨勢與地位指數曲線趨勢的差異是否顯著，需要進行擬合顯著性檢驗。從地位指數級j=12、15、17中各隨機抽取1株50年生以上的解析木，將處于3個不同地位指數級(j=12、15、17)的3株解析木的10個齡階(i=5、10、15、…、50)的樹高值按公式Hoj=Hok-SA0(Hik-Hij)/SAi轉化為基準年齡(45 a)時第j指數級的樹高，即地位指數。式中：Hoj為基準年齡時第j指數級的樹高值(即地位指數)；Hok為基準年齡時導向曲線樹高；Hik為第i齡階導向曲線樹高；Hij為第i齡階第j指數級的樹高；SA0為基準年齡所在齡階樹高標準差理論值；SAi為第i齡階樹高標準差理論值。本研究中SA0=3.25，Hok=15.25。抽取的3個指數級的3株解析木的各齡階樹高值Hij和基準年齡時第j指數級樹高值Hoj的具體計算結果見表7。

圖4 伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然林地位指數表的落點檢驗

表7 伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然林地位指數表的顯著性檢驗

注：Hij為第i齡階第j指數級的樹高(m)；Hoj為基準年齡時第j指數級的樹高值(即地位指數)(m)。

4 結論與討論

本研究利用從88塊伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林標準地的調查資料和88株平均優(yōu)勢木解析得到619對樹高1 a齡數據對研制伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林地位指數表。經過統(tǒng)計分析，從9個常用的數學模型中選定lnH=0.217 8+0.658 5lnA作為導向曲線，選定基準年齡為45年，指數級距為1 m。運用標準差調整法，導出了9～18 m共10條地位指數曲線，最終編制了伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林的地位指數表。運用χ2檢驗和落點檢驗對該地位指數表進行檢驗，結果表明所編地位指數表精度較高，可用來對伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林的立地質量進行科學的評價。

在海拔較低或人為干擾嚴重的地區(qū)，形成了部分多代萌生林，萌生林與實生林的生長過程存在差異，為提高所編制的地位指數表對立地質量反映的準確性，本研究所布置的樣地均在實生林內。由于伏牛山地區(qū)的萌生林面積很小，因此本研究所編制的地位指數表能用來評價伏牛山地區(qū)的大部分栓皮櫟林立地質量。

利用樣地平均優(yōu)勢木解析數據編制地位指數曲線，能準確描述林分在各年齡階段的優(yōu)勢高生長情況和反映樹高生長與林地生產力之間的實際關系，因為解析木所在樣地的地位指數是實測值[5]。

將本研究與華北地區(qū)、秦嶺地區(qū)地位指數表進行對比[5-6]，可以發(fā)現3個地區(qū)栓皮櫟林立地質量是：秦嶺地區(qū)最好，伏牛山地區(qū)次之，華北地區(qū)相對最差；其中秦嶺與伏牛山地區(qū)的差距較小，說明栓皮櫟與秦嶺的立地條件有更高的相適度。

該地區(qū)的成過熟林相對較少，且伏牛山地區(qū)的成過熟林受到當地相關部門的保護，因此該年齡層能夠獲得的解析木數據較少，數據多集中在中幼齡林，為完善伏牛山地區(qū)栓皮櫟天然次生林地位指數表，在后續(xù)的工作中還應再加入成過熟林的解析木數據。

在全球氣候變化的大背景下，伏牛山地區(qū)近年多次發(fā)生嚴重干旱等等各種因素均有可能對栓皮櫟樹高生長造成影響。國外已有加入氣象的相關因素的文獻[19-20]，后期研究可加入相關因素，以對伏牛山地區(qū)立地質量進行更科學的評價。

在伏牛山地區(qū)，人為干擾是影響林分生長的重要且可控因素，因此，必須要采取合理的森林撫育措施，對森林進行適當的人工干預，讓森林按照人們預想的方向發(fā)展，使林地發(fā)揮最大的生產潛力。在后期的森林經營工作中，建議根據近自然森林經營模式對伏牛山地區(qū)的栓皮櫟天然次生林進行撫育改造[21]。

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EstablishmentofSiteIndexTableforQuercusvariabilisNaturalSecondaryForestinFuniushanMountainousArea

Zhu Wei, Zhang Xi, Jia Liming

(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：32-37.

Funiu mountainous area;Quercusvariabilis; Natural secondary forest; Site index table; Stand site evaluation

1)北京林業(yè)大學青年教師科學研究中長期項目(2015ZCQLX02)；北京市教育委員會科學研究與科研基地建設項目(SYSBL2009)。

祝維，女，1994年12月生，北京林業(yè)大學林學院，碩士研究生。E-mail：18811375082@163.com。

賈黎明，北京林業(yè)大學林學院，教授。 E-mail：jlm@bjfu.edu.cn。

2017年4月7日。

戴芳天。

S757.1

In order to lay the foundation for the later forest management and natural forest protection program, we established the site index table forQuercusvariabilisnatural secondary forest in the Funiu Mountain area. In this study, 619 height-age data from 88 analytic and average dominant individuals which grow in the southern and northern slopes of the Funiu Mountain were used to construct oriented curve with the software of SPSS. The datum age was ensured according to the varied range of variation coefficient and standard deviation of tree height in various ages. The exponential distance was ensured according to the ratio of absolute the varied range of dominant tree height at the datum age to the number of exponential. The site index curves were developed by using the method of standard deviation adjustment. Logarithmic curve model was selected as oriented curve from nine mathematical models. The datum age was 45 a, and the exponential distance was 1 m. Ten site index curves (9-18 m) were developed on the base of the tree height in the fifteenth site index. Eventually, the site index table forQ.variabilisnatural secondary forest in the Funiu Mountain area was established. The table was demonstrated to be of high accuracy tested by theχ2test and falling point test. This site index table is accurate in evaluating the site quality ofQ.variabilisnatural secondary forest in the Funiu Mountain area.