主成分分析在台湾相思优树选择标准和方法中的应用研究

肖泽鑫，彭剑华，詹潮安，赖焕武，罗 超，邹桂逢，谢少鸿

（1.汕头市林业科学研究所，广东 汕头 515041；2.汕头市林业局种苗站，广东 汕头 515031）

主成分分析在台湾相思优树选择标准和方法中的应用研究

肖泽鑫1，彭剑华1，詹潮安1，赖焕武1，罗 超1，邹桂逢1，谢少鸿2

（1.汕头市林业科学研究所，广东 汕头 515041；2.汕头市林业局种苗站，广东 汕头 515031）

应用样圆标准地法在汕头市潮阳区西环山森林公园的台湾相思人工林中选优，按预定要求对树高、胸径、冠形等10个因子进行测定。分析结果表明，样圆较合理的调查半径在15～20 m，胸径、材积、尖削度、通直度、冠幅、侧枝粗则对台湾相思选优具有较大的贡献量。计算得出综合评分入选最低分数线为63.1分，5株预选树最终有4株确定为优树，选择率为0.7%。

台湾相思；选优标准；主成分分析；综合评分

台湾相思Acacia confusa是自然分布于我国唯一的相思类树种，对立地条件要求不高，尤其具根瘤固氮的速生树种特性，对土壤适应性强，其生长量、制浆性能和纤维质量都表现出较优异的性能，在我国南方水土保持、防护林、薪炭林、短周期工业原料林发展等方面具有很重要的地位和作用[1-6]。台湾相思研究国内己见多篇相关文献的报道，但多集中在树种特征特性、育苗造林技术、种群生态等方面，因此，探索台湾相思选优标准，对该树种的保护、恢复、经营管理及提高造林工程林木质量具有重要意义。

1983年，杜天理等[7]介绍了台湾相思造林技术及经济效益，随后农民新[8]在飞播马尾松、台湾相思混交林试验成功；1995年胡荣春等[9]在对干热河谷台湾相思造林技术进行研究；朱国飞等[10-11]也介绍了台湾相思育苗造林技术以及在园林绿化中的应用；2005年，谢少鸿等[12]在对南澳岛台湾相思群落与植物多样性、种群生态位进行分析。杨晓伟等[13]在2010年调查了亚热带台湾相思次生林林隙边缘木高径分布特征；还有学者研究了台湾相思种群生命过程及谱分析、组织培养等方面内容[14-15]，但对台湾相思优树系统选育等方面的研究未见报道。本文将从优良度、缩差值分析优树优劣程度和选择强度入手，论述台湾相思优树选择的标准和方法，为台湾相思选优提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

研究数据来自汕头市潮阳区西环山森林公园内保存较好的台湾相思人工纯林，林龄已超过20年，郁闭度在0.6以上，无严重病虫害。该区域地理位置为 23°15′45′～ 23°15′57′N， 116°34′26′～116°34′39′E，坡度 20°～ 35°，海拔 106 ～ 222 m。土壤主要为赤红壤，由花岗岩发育而成，土层中，夹杂石块。该地区属南亚热带海洋性气候，年平均气温为21.5℃，日照时数2 000～3 000 h，最高温度出现在7～8月份，最低温度出现在1月份。年均降雨量为1 721 mm，降雨主要集中在4～9月份，约占全年降雨 量的80%。

1.2 调查与数据处理

在对林分进行全面踏查的基础上按表型及选优目标筛选出预选树XS-1、XS-2、XS-3、XS-4、XS-5，以预选树为圆心，分别以5、10、15、20 m为半径设置样圆进行每木检尺，并挑选出5株仅次于预选树作为优势木，把预选树、优势木与样圆内的林木按选标准项目逐项观侧评定，当预选树综合评分达到样地林木规定标准时定为优树。

式（1）～（3）中：K、I、P分别是优树某一性状(X)的优良度、选择强度及选择率；X优、X与Sx分别是优树某一性状值、样圆内全部台湾相思某一性状均值和标准差；n、N表示优树中选个体数、供选林木群体总株数[16]。一般数据处理由EXСEL完成，方差分析及主成分分析均由SPSS软件完成。

2 方法与分析

2.1 生长量指标分析

选择强度是以标准差为单位的选择差，用于权衡所选优树在正态分布中的位置，也是权衡优树优劣的指标，并能用于估价入选优树的力度[16-17]。从表1可看出，预选树树高、胸径、材积等3个因子在半径10、15、20 m样圆内选择强度的变异系数较小，即较稳定。为了比较不同半径样圆对预选树选择强度的影响，对树高、胸径、材积等3个因子的选择强度进行方差分析，表2说明3个因子在10～20 m半径样圆内的选择强度并无显著差异。通常统计学上大样本是指样本单元数不少于50个，其抽查结果的代表性更强，因此调查样圆的大小应根据环境条件和工作实际合理选择，而本研究样地内要达到大样本数量，其样圆半径一般在15～20 m。

表1 台湾相思选择强度及其变异系数Table 1 The selection intensity and variation coefficient of Acacia confusa

表2 台湾相思生长量选择强度的方差分析Table 2 The variance analysis for selection intensity of growth of Acacia confusa

优良度是评判所选预选树能否入选为优树，并和同类立地条件下与其他优树互相比较优劣的数量或品质指标，用百分率表示[16-17]。根据上述分析，计算15、20 m样圆内预选树的优良度及变异系数。从表3可以看出，台湾相思胸径、树高、材积变异系数都比较小，与表1结果接近，其优良度载荷量主要集中在材积和胸径两因子，预选树与林分平均木的树高优良度差异较小、与优势木基本持平，这与实地观察相吻合。

表3 台湾相思优良度及其变异系数Table 3 The fine degree and variation coefficient of Acacia confusa

2.2 形质指标分析

形质指标的评价是在对整体林分踏查、实测的基础上，根据台湾相思生长的特点和选育目标，选取树干枝下高、通直度、尖削度、枝叶浓密度、侧枝粗、冠幅、结实情况、健康状况等8个因子进行分析，根据这些基础数据，采用主成分分析方法，确定影响台湾相思形质的主要成分。分析碎石图1可以看出，主成分1、2、3之间的特征值之差比较大，主成分3～7之间的差值相对较小，明显的拐点为主成分3，结核表4可知，前3个主成分能解释原始8个因子62.7%的变异，主成分1中，侧枝粗、冠幅、结实情况的载荷量最大，分别为0.847、0.620、-0.607；主成分2中，枝下高、通直度、尖削度的载荷量最大，分别为0.680、-0.703、0.688；主成分3中，浓密度的载荷量最大，为-0.769。综合各因子对各主成分的贡献量，尖削度、通直度、冠幅、侧枝粗对台湾相思候选树和优势木的质量性状有较大的代表性。

表4 台湾相思主成分分析Table 4 The principal component analysis of Acacia confusa

2.3 综合评价

图1 台湾相思特征值Fig. 1 The characteristic value of Acacia confusa

采用评分法对台湾相思生长量指标和形质指标进行综合评价。为了避免立地条件对生长量指标的影响，该部分采用优良度和评分权重制定评分标准；形质指标根据主成分分析确定因子权重制定评分标准，权重的确定是在林分调查的基础上，多人参加讨论制定的，评分标准见表5。对两部分指标得分相加，即可得出综合评分。

对预选树和优势木进行综合评分，结果见表6。在确定选优最低分数线时，可采用预选树的得分值显著高于预选树平均分数线的下限作为入选的基本标准。由公式：G=G′-1.64σ/N1/2(可信度95%)。式中G为选优最低分数线，G′为优势木平均值，σ为优势木标准差，N为优势木株数。计算可得选优最低分数线G=63.1分，比优势木平均分50.9分高出24%，且入选树生长量指标得分大于19.6分，形质指标得分大于31.4分。计算结果表明，XS-2、XS-3、XS-4、XS-5均可入选，选择率为0.7%。不能入选的候选树主要是生长量因子调查林分中优势不明显，得分较低。从预选树和优势木各指标的得分平均值可以看出，通直度、胸径、材积拥有较高的遗传估计值[18]，树高其次。

3 结论与讨论

确定合理的样地范围，可以在保证抽样数据较精准的基础上提高工作效率。对不同半径样圆内的选择强度进行变异系数计算及方差分析，表明本研究样圆较合理的调查半径在15～20 m，若采用更大半径进行选优，一方面受台湾相思林分大小限制，同时也会增加工作量，另一方面分析表明，在此范围内预选树优良度的变异系数较小，即较稳定，这与陈祖松、周建云等人的研究较一致[19-20]。对其它地方的台湾相思调查，可根据立地条件和林分密度等实际情况合理调整样地大小。

表5 台湾相思评分标准Table 5 The grading standard of Acacia confusa

表6 台湾相思预选树和优势木综合评分Table 6 The comprehensive scores of potential plus-trees and dominant trees of Acacia confusa

优良度和主成分分析表明，生长量3个因子中，优良度的差异主要体现在胸径和材积两因子，在同龄林中，预选树树高与林分均高的差异性较小，与优势木基本持平；尖削度、通直度、冠幅、侧枝粗则对台湾相思候选树和优势木的质量性状产生的差异具有较大的贡献量。因此，在汕头台湾相思人工林选优时，应以胸径、材积、尖削度、通直度、冠幅、侧枝粗为主要因子。

由于我们的选优目标是较高的出材率，因此适当提高形质指标权重。在进行综合评分时，通过计算预选树与平均木标准差的倍数关系，以消除因立地条件变化而引起的生长量差异；形质指标则根据主成分分析及在林分调查的基础上，多人参加讨论制定的。确定选优分数线要显著高于预选树平均分数线的下限，且入选树生长量指标得分小计、形质指标得分小计均要大于优势木相应得分。

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Application of principal component analysis in plus-tree selection criteria and methods of Acacia confusa

XІAO Ze-xin1, PENG Jian-hua1, ZHAN Сhao-an1, LAІ Huan-wu1, LUO Сhao1, ZOU Gui-feng1,XІE Shao-hong2
(1.Shantou Forestry Research Іnstitute, Shantou 515041, Guangdong, Сhina;2. Shantou Forestry Bureau, Shantou 515031, Guangdong, Сhina)

Potential plus-trees have been classif i ed in plantation ofAcacia confusain Xihuanshan Forest Park in Сhaoyang district of Shantou city, based on the method of small sample plot. The main 10 factors were determined in the survey including tree height,diameter in breast height, tree crown and so on. The results show that the suitable range of investigation was 15～20 meters, the diameter in breast height, stem volume, tapering, stem straightness, crown width and lateral branches had greater contribution rate to the plustree selection ofAcacia confusethan other factors. The calculated results show that the lowest borderline of plus-trees selection was 63.1 points, of the fi ve per-selected trees, four potential plus-trees were selected as plus-trees, and the selection rate was 0.7%.

Acacia confusa；selection standard；principal component analysis；comprehensive score

S722.5

A

1673-023X (2012)05-0054-05

2012-02-22

广东省林业科技创新项目(2010KJСX006、2011KJСX005)；广东省科技计划项目（2011B060400002）

肖泽鑫(1977-),男,广东汕头人,工程师,主要从事森林培育方面的研究；E-mail: st3084@126.com

詹潮安(1956-), 男, 研究员, 国务院政府特殊津贴获得者；E-mail: zhca@21cn.com

[本文编校：欧阳钦]