李斌成，許業(yè)洲，袁 慧，侯義梅，李雙龍，宋慧麗，杜超群

（1湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢430075；2長(zhǎng)江大學(xué)，湖北荊州434025；3建始縣林業(yè)局，湖北建始445300；4恩施州林業(yè)科學(xué)研究所，湖北恩施445000；5武漢百禾景觀設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，武漢430079）

0 引言

立地分類與質(zhì)量評(píng)價(jià)是根據(jù)植被生長(zhǎng)情況及其立地條件等綜合要素的異同，結(jié)合立地因子實(shí)際調(diào)查結(jié)果，人為地將立地劃分成不同類別和等級(jí)，并在此基礎(chǔ)上建立森林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系[1]。科學(xué)的立地分類和質(zhì)量評(píng)價(jià)是林業(yè)科學(xué)基礎(chǔ)理論研究的重點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)森林集約化經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。20世紀(jì)50年代，中國在波氏立地條件類型學(xué)說和蘇卡喬夫林型學(xué)說的基礎(chǔ)上逐漸開展國內(nèi)森林立地分類的研究。1978年，由南方14省區(qū)杉木協(xié)作組主持的杉木產(chǎn)區(qū)區(qū)劃及立地質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，對(duì)國內(nèi)杉木林區(qū)立地進(jìn)行了分類規(guī)劃，建立了杉木林區(qū)立地分類系統(tǒng)，為其他林區(qū)樹種立地分類系統(tǒng)的建立提供了借鑒[3-4]。1987年，沈國舫在論述立地分類方法時(shí)，強(qiáng)調(diào)對(duì)生態(tài)序列法、主導(dǎo)因子法、指示植物種譜應(yīng)用和數(shù)量化分類法等各種立地分類方法的綜合使用，并指出立地的內(nèi)容分析應(yīng)包含生物因子與非生物環(huán)境間的相互關(guān)系[5]。20世紀(jì)末，隨著地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，結(jié)合3S技術(shù)對(duì)林區(qū)海拔、坡度、坡位等立地因子進(jìn)行定性分析，能夠得到調(diào)查區(qū)域內(nèi)林地的立地類型圖，對(duì)大面積林地的立地分類和質(zhì)量評(píng)價(jià)做出快速、有效的估測(cè)[6-7]。而數(shù)量化分析方法[8-10]作為森林立地研究中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，已廣泛與模糊綜合評(píng)價(jià)法[11]、主成分分析法[12-13]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[14-15]等結(jié)合使用，均取得了不錯(cuò)的效果。

日本落葉松作為外來引進(jìn)樹種，在中國已有近百年的引種歷史，因材質(zhì)優(yōu)良、早期速生等特點(diǎn)，已成為湖北省中高海拔地區(qū)速生豐產(chǎn)林和生態(tài)公益林的主要樹種[16-17]。目前，針對(duì)湖北省日本落葉松人工林的研究主要集中在種源研究[18]、撫育間伐[19]以及栽培區(qū)劃等方面，而對(duì)日本落葉松立地質(zhì)量與分類的相關(guān)研究主要以鄂西山區(qū)為主，對(duì)全省范圍內(nèi)的研究鮮有報(bào)道[20]。為更好地指導(dǎo)湖北省日本落葉松人工林營林造林，為日本落葉松定向培育提供理論依據(jù)，本研究以湖北省日本落葉松人工林為對(duì)象，在現(xiàn)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用主成分分析法和數(shù)量化理論Ⅰ方法對(duì)影響日本落葉松生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子進(jìn)行篩選，建立數(shù)量化預(yù)測(cè)方程，結(jié)合篩選結(jié)果建立研究區(qū)日本落葉松人工林立地分類系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)量化結(jié)果建立研究區(qū)日本落葉松數(shù)量化立地質(zhì)量評(píng)價(jià)表。

1 研究區(qū)概況

湖北省位于長(zhǎng)江中游，地理位置承東啟西，接南納北，位于 108°21′—116°07′E、29°01′—33°6′N 范圍內(nèi)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，省內(nèi)年均氣溫15～17℃，年平均日照時(shí)數(shù)1100～2150 h，年均降水量800～1600 mm。湖北省正處于中國地勢(shì)第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯過渡地帶，東、西、北三面環(huán)山，中間低平，地勢(shì)高低相差較大，以山地、丘陵地貌為主。省內(nèi)土壤類型復(fù)雜，有水稻土、潮土、黃棕壤、黃褐土、紅壤、黃壤、石灰（巖）土和紫色土等多種土壤類型。日本落葉松主要分布于海拔1300～2100 m的鄂西亞高山區(qū)，屬內(nèi)陸性冷涼氣候，全年無霜期約160天。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2016年6月—2017年11月的標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查資料，在造林面積大于15 hm2的日本落葉松人工純林中選取具有代表性、生長(zhǎng)正常、林相完整的林分設(shè)置面積600 m2(20 m×30 m)的標(biāo)準(zhǔn)地共計(jì)80塊。標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)每木檢尺，測(cè)量胸徑、樹高、枝下高、冠幅等測(cè)樹因子；利用GPS獲取標(biāo)準(zhǔn)地的地理坐標(biāo)及海拔，用羅盤儀測(cè)量坡度、坡向并調(diào)查坡位、土壤類型等環(huán)境因子；在每個(gè)樣地內(nèi)開挖寬1 m、深度1 m的土壤剖面，記錄土層厚度以及腐殖層厚度等信息。樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息

2.2 立地因子分類劃級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

立地類型劃分是對(duì)不同立地條件和生產(chǎn)潛力的林地進(jìn)行科學(xué)的分類，是森林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的首要條件[21]。立地因子的選擇必須與優(yōu)勢(shì)高的生長(zhǎng)具有密切的相關(guān)性，才能使森林生產(chǎn)力的預(yù)估和評(píng)價(jià)客觀、準(zhǔn)確[22]。本研究根據(jù)湖北省日本落葉松主產(chǎn)區(qū)的地形特征和研究需要，選擇土層厚度、坡度、坡位、坡向、海拔、腐殖層厚度、地形地貌、石礫含量和土壤質(zhì)地9個(gè)因子，對(duì)各因子進(jìn)行分級(jí)劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 立地因子的類目劃分

2.3 主成分分析

主成分分析是利用降維的思想，在盡量保存主要信息的情況下，把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法，是對(duì)影響林分穩(wěn)定性因子的一個(gè)有效擇優(yōu)方式[12]。本研究運(yùn)用Excel軟件對(duì)地形環(huán)境因子、土壤環(huán)境因子和測(cè)樹因子數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，運(yùn)用SPSS 17.0軟件對(duì)立地因子進(jìn)行主成分分析，篩選出對(duì)日本落葉松生長(zhǎng)影響最為顯著的立地因子作為主導(dǎo)立地因子。

2.4 數(shù)量化理論Ⅰ模型

數(shù)量化方法是分析在數(shù)據(jù)中含有定性因子的一類統(tǒng)計(jì)方法，通過數(shù)量化方法，把不能用數(shù)值表示的非數(shù)量化因子轉(zhuǎn)化為數(shù)量化因子，從而掌握各因子之間的定量關(guān)系[23]。本研究應(yīng)用數(shù)量化理論Ⅰ，將各樣地內(nèi)優(yōu)勢(shì)木平均高值作為因變量，各主要立地因子作為自變量[24]。數(shù)量化理論Ⅰ模型如式(1)。

其中，當(dāng)?shù)趇塊樣地中第j項(xiàng)目的定性數(shù)據(jù)為k類目時(shí)δi(j,k)=1，否則δi(j,k)=0。y是自變量，yi是第i塊地的立地指數(shù)（i=1,2,3,…,n為樣地?cái)?shù)）；b0為常數(shù)項(xiàng)；j=1,2,3,…,m為立地因子數(shù)；k=1,2,3,…,ri為第k個(gè)水平；δ(j,k)為第j個(gè)因子第k個(gè)水平的等級(jí)反映（0或1）；bjk為j立地因子的第k水平的得分值。

根據(jù)數(shù)量化理論Ⅰ模型，運(yùn)用最小二乘原理擬合bjk的最小估計(jì)值，得到的預(yù)測(cè)方程如式(2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 主導(dǎo)立地因子的篩選

運(yùn)用SPSS 17.0對(duì)影響日本落葉松生長(zhǎng)的9個(gè)立地因子進(jìn)行因子分析。結(jié)果（表3）表明，前5個(gè)默認(rèn)提取主成分的累積貢獻(xiàn)率所包含的信息占總體信息的84.803%，因而可以選擇前5個(gè)主成分進(jìn)行油松人工林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)。

表3 日本落葉松人工林主成分分析結(jié)果

為突出每個(gè)主成分所包含的具體立地因子，對(duì)成分矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，結(jié)果見表4。由旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣可以看出，第1個(gè)主成分主要由海拔(0.857)、石礫含量(0.879)和土壤質(zhì)地(0.514)決定，第2個(gè)主成分主要由土層厚度(0.931)、腐殖層厚度(0.617)和地形地貌(-0.749)決定，第3個(gè)主成分主要由坡位(-0.889)和土壤質(zhì)地(0.694)決定，第4個(gè)主成分主要由坡度(0.974)決定，第5個(gè)主成分主要由坡向(0.981)決定。每個(gè)主成分中選擇所占比最高的立地因子作為影響日本落葉松生長(zhǎng)的主導(dǎo)立地因子，第一主成分中海拔和石礫含量所占比例十分接近，由于在實(shí)際調(diào)查中，海拔數(shù)據(jù)易于測(cè)量且石礫含量的測(cè)量誤差較大，因此選擇海拔作為主導(dǎo)因子，影響順序?yàn)楹０危就翆雍穸龋酒挛唬酒露龋酒孪颉?/p>

表4 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

3.2 立地因子分析

根據(jù)表2中的分類劃級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在ForStat中利用數(shù)量化理論Ⅰ，建立日本落葉松優(yōu)勢(shì)木平均高與各立地因子間的關(guān)系模型，結(jié)果見表5～6。由表可以看出，模型的F檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，能夠用于實(shí)際生產(chǎn)。依據(jù)P＞F值，結(jié)合各因子平方和，各立地因子對(duì)于基準(zhǔn)變量的貢獻(xiàn)率由大到小依次為坡度(X1)＞土層厚度(X2)＞海拔(X3)＞坡位(X4)＞坡向(X5)。

表5 湖北省杉木人工林原始數(shù)據(jù)分類表

表6 湖北省杉木人工林各因子方差分析表

3.3 數(shù)量化理論預(yù)測(cè)方程

利用預(yù)測(cè)方程[式(2)]計(jì)算出各因子的待定系數(shù)值，將系數(shù)帶入方程中得到各標(biāo)準(zhǔn)地優(yōu)勢(shì)木平均高的預(yù)測(cè)方程，如式(3)。

將各因子得分值進(jìn)行整理可得到數(shù)量化立地質(zhì)量得分表（表7），經(jīng)計(jì)算，模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.7362。由表可知，隨著土層厚度的增加，相應(yīng)的類目得分值逐漸增大(X23＞X22＞X21)，并且可以看出，中坡度、厚土層、中海拔、陽坡、中坡位立地條件更有利于日本落葉松的生長(zhǎng)。

表7 數(shù)量化立地質(zhì)量得分

3.4 立地類型劃分

根據(jù)篩選出的主導(dǎo)立地因子，參考分區(qū)分類原則，采用立地區(qū)劃單位和分類單位相統(tǒng)一的分類系統(tǒng)來進(jìn)行研究區(qū)的立地類型劃分。考慮到坡位與海拔、土層厚度之間有很強(qiáng)的一致性，海拔和土層厚度包含了坡位的大部分影響，并且結(jié)合主成分分析中各成分因子的貢獻(xiàn)率，坡向因子的貢獻(xiàn)率較小(8.849%＜10%)，本著簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，選擇坡度、土層厚度和海拔3個(gè)立地因子對(duì)日本落葉松人工林立地類型進(jìn)行劃分。采用海拔因子劃分立地類型區(qū)、坡度因子劃分立地類型組、土層厚度劃分立地類型，除去樣地中未收集到的立地類型，共劃分為16類，具體見表8。

3.5 立地質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)

根據(jù)湖北省日本落葉松有林地制定的立地質(zhì)量得分表對(duì)日本落葉松立地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠?qū)ζ渌哂邢嗨屏⒌仡愋偷牧值剡M(jìn)行生產(chǎn)力預(yù)估。將各類目的得分值極差和優(yōu)、良、中、差4個(gè)立地等級(jí)進(jìn)行3等分，計(jì)算結(jié)果表明，立地質(zhì)量得分值y≥20.422299的標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量為優(yōu)，17.243092≤y≤20.422299的標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量為良，14.063885≤y≤17.243092的標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量為中，y≤14.063885的標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量為差。對(duì)16種立地類型進(jìn)行立地質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果見表8，80塊標(biāo)準(zhǔn)地中有17塊標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)，占總標(biāo)準(zhǔn)地的21.25%；40塊標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為良，占總標(biāo)準(zhǔn)地的50.00%；15塊標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為中，占總標(biāo)準(zhǔn)地的18.75%；8塊標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為差，占總標(biāo)準(zhǔn)地的10.00%。湖北省日本落葉松人工林立地質(zhì)量總體處于中等偏上水平，較適合落葉松的生長(zhǎng)。

表8 立地類型劃分結(jié)果

4 結(jié)論與討論

利用主成分分析法對(duì)影響湖北省日本落葉松人工林生長(zhǎng)的主導(dǎo)立地因子進(jìn)行篩選，結(jié)果表明，海拔、土層厚度、坡位、坡度、坡向5個(gè)因子所包含的信息占總體的84.803%，能夠作為影響日本落葉松生長(zhǎng)的主導(dǎo)立地因子。因子分析的結(jié)果表明，模型的F檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，能夠用于實(shí)際生產(chǎn)。利用數(shù)量化理論Ⅰ模型建立優(yōu)勢(shì)高與立地因子之間的多元線性回歸，根據(jù)回歸結(jié)果，結(jié)合因子貢獻(xiàn)率，本著簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，選擇海拔、坡位和土層厚度3個(gè)因子將研究區(qū)劃分為3個(gè)立地類型區(qū)、3個(gè)立地類型組和17個(gè)立地類型區(qū)。

立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)日本落葉松人工林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)得分介于14.063884～23.601506之間，根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量得分值，將研究區(qū)立地質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級(jí)。研究區(qū)立地質(zhì)量在中等偏上水平的標(biāo)準(zhǔn)地占90.00%，表明研究區(qū)立地質(zhì)量總體處于中等偏上水平，這與孫擁康[15]對(duì)于鄂西山區(qū)日本落葉松的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果一致。日本落葉松人工林種植區(qū)域在湖北省分布較為合理，研究區(qū)適合日本落葉松生長(zhǎng)。

地形和土壤因子是影響立地質(zhì)量的重要因子，能夠直接影響與植物生長(zhǎng)息息相關(guān)的光照強(qiáng)度、土壤水分以及土壤養(yǎng)分。本研究中，對(duì)日本落葉松人工林生長(zhǎng)產(chǎn)生主要影響的因子為坡度、土層厚度和海拔，這與李忠國[23]得出海拔、坡度和土層厚度是影響北亞熱帶中山區(qū)日本落葉松主導(dǎo)因子的結(jié)論一致。

近年來，國內(nèi)多地松樹陸續(xù)感染松材線蟲病，致使松樹大面積枯死，對(duì)松樹經(jīng)營和生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。日本落葉松作為湖北省中高海拔地區(qū)速生豐產(chǎn)林和生態(tài)公益林的主要樹種，于2018年開始爆發(fā)松材線蟲病，對(duì)恩施州多個(gè)林區(qū)的日本落葉松已經(jīng)產(chǎn)生影響。因此，降低并防治松材線蟲病對(duì)松樹影響尤為緊迫。馬菁[25]研究發(fā)現(xiàn)，松材線蟲病的發(fā)生與松樹生長(zhǎng)所處的海拔、立地質(zhì)量、坡向、坡位、樹高、胸徑6個(gè)生態(tài)因子相關(guān)性較高，指出樹高、胸徑小、海拔低、立地質(zhì)量差、陽坡和上坡位的植株受害率要高。因此，結(jié)合日本落葉松人工林立地分類和立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，培育受病率低且生產(chǎn)力高的日本落葉松人工林是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。