基于森林清查数据的三峡库区林地立地质量评价1)

张超 彭道黎 黄国胜 马炜

(北京林业大学，北京，100083) (国家林业局调查规划设计院)

责任编辑:任 俐。

立地质量是指某一立地上，既定森林或其他植被类型的生产潜力，与树种相关联。一个既定的立地，对于不同树种来说，可能会得到不同的立地质量［1］。立地质量评价是对立地的宜林性或潜在生产力进行判断和预测的理论基础，对于科学营林、育林等森林经营活动以及构建经营管理决策支持系统等具有重要作用［2-4］。综合国内外研究，立地质量评价方法可归纳为直接评价法、间接评价法和综合评价法［1-10］。其中，应用最广泛的是根据林分高评定立地质量(包括地位指数法和地位级法)［1］。以林木生长量为标准，设置固定样地对林木生长进行长期连续测定，同时结合林地环境条件来评价立地质量的综合方法，被认为是最直接、准确和可靠的方法［11-13］。此外，现有立地质量评价研究主要侧重于有林地，对宜林地、无林地的研究较少［14-16］，且大多数都限于评价某种立地条件是否适合于某一特定树种，而少见多个树种的综合评价［17-19］。本研究以三峡库区为研究对象，以一类清查资料中的标准木、样木和样地数据为基础数据，分主要树种(组)，利用标准木构建树高曲线，筛选样木中的优势木编制立地指数表，以地形及土壤等环境因子与立地指数之间的定量关系为基础，采用逐步回归方法，构建样地和小班立地指数估测模型。在此基础上，利用2013年库区林地小班数据，结合小班立地指数模型对库区林地小班的立地指数进行定量估测，以探讨三峡库区立地质量等级空间分布格局。

1 研究区概况

三峡库区(106°14'～111°28'E、28°56'～31°44'N)地处中纬度地区，西起重庆市区，东至湖北宜陵区，山地和丘陵面积占全区总面积的96%以上，海拔跨度较大。库区年均温18 ℃，年均降水量1 120 mm，相对湿度76%。三峡库区属亚热带常绿、落叶和针阔混交林区。根据《中国森林立地分类》成果［20］，三峡库区地处一级区“南方亚热带立地区”内，并在一级分区框架内划分为4 个二级区。但“秦巴山地立地区”在研究区内范围极小，故文中将三峡库区归并为3 个二级区，即“四川盆周山地立地区”(简称“二级区0730”)、“四川盆地立地区”(简称“二级区0731”)和“川黔湘鄂山地丘陵立地区”(简称“二级区0732”)。全国森林立地一级分区，区内立地生产潜力和利用改造方向大致相同，而二级区在大地貌上基本一致，体现在森林培育、经营的适宜性、限制性及生产潜力各方面较一级区有更大的一致性［20］。

2 研究方法

2.1 资料收集

森林资源一类清查数据:获取三峡库区第七、八次的一类清查资料的标准木、样木和样地数据。在每个二级区的典型树种中，选择标准木株数累计比例超过65%的树种(组)作为立地指数的评价树种;然后，以标准木所在样地为准，筛选得到用于立地指数数表编制和建模的基础数据(表1)。需要注意的是，在本研究中，一类清查数据是拟合立地指数导向曲线、编制立地指数表及构建立地指数模型的基础数据。

表1 二级区0730 主要树种(组)标准木、样木和样地数据统计

2013年三峡库区林地小班数据:包括地貌、坡向、坡位、坡度和土层厚度等立地因子，以967 480个林地小班作为立地评价的空间属性数据，结合立地指数模型估算小班的立地指数，并绘制三峡库区林地质量等级分布图。

2.2 资料整理

分别树高等级确定树高曲线［21］。使用Richards 曲线作为树高—胸径曲线的拟合模型，为了保证在胸径为0 时树高等于1.3 m，在模型中加上常数1.3，表达式如下:

式中:H 为树高;D 为胸径;a、b 和c 为参数，a 为树高最终值，即上渐进值，b 与生长速度有关，c 为形状参数。

从每个样地中选择6 株树高最大的优势木［13］，其树高的平均值作为样地优势木高。各径阶以平均优势木高为准，以3 倍树高标准差为范围剔除本径阶内数据异常的优势木［1］。之后，以径阶为单位，重新整理、统计、计算平均胸径、平均优势高及优势木株数，作为拟合地位指数导向曲线的数据。

2.3 立地指数导向曲线拟合

常用的拟合导向曲线模型有:对数双曲线式、对数曲线式、抛物线式、单分子式、理查兹式等［1］。根据优势木整理数据，文中采用理查兹式，拟合导向曲线。已有研究［7，13，22-23］表明，同一林分中优势木的胸径与树高的相关性明显高于年龄与树高的相关性，认为用胸径取代年龄来进行立地质量评价是可行的。因此，本研究中的理查兹立地指数曲线表示为:

式中:H*为林分优势树高;D 为林分胸径;a、b 和c为模型参数。

2.4 立地指数模型构建

选取一类样地数据中的地貌(X1)、海拔(X2)、坡位(X3)、坡向(X4)、坡度(X5)、土层厚度(X6)、腐殖质层厚度(X7)和枯枝落叶层厚度(X8)8 个立地因子作为备选自变量。这些立地因子中有定量因子也有定性因子，为避免原始指标量纲的影响，先根据一类技术规程［24］将立地因子标准化，再根据各因子不同等级区分的立地指数大小，确定其相应的得分值。最后借助SPSS18.0 软件中的逐步回归法筛选主导因子，构建立地指数(SI)与这些主导因子的最优线性回归模型，即:

式中:SI为立地指数;X1，X2，…，Xn为立地因子(n=1，2，…，8);α0，α1，…，αn为模型参数。需要注意的是，林地小班数据中只有地貌、坡位、坡向、坡度和土层厚度这5 个立地因子，因此，在构建小班立地指数模型时，备选自变量为X1，X3，X4，X5，X6。

选取确定系数(R2)、估计值的标准差(SE，E)、总相对误差(TR，E)和平均预估误差(MP，E)4 项指标作为立地指数模型的基本评价指标，计算公式详见文献［25］。

2.5 立地质量等级划分

根据立地指数模型计算出每个树种对应的样地或小班的立地指数值，并从高至低归并为5 个立地质量等级，即对应Ⅰ级(5 分，优)、Ⅱ级(4 分，良)、Ⅲ级(3 分，中)、Ⅳ级(2 分，差)和Ⅴ级(1 分，极差)。综合多个树种评价林地质量的得分值［13］，公式如下:

式中:S 为立地质量综合得分值(0～5);n 为选取的评价树种(组)数目;i 为第几个评价树种(i=1，2，…，n);si为每个评价树种的立地质量得分值(0～5)。对计算出的S 值进行等级划分，即:0＜S≤1(V级)，1＜S≤2(IV 级)，2＜S≤3(III 级)，3＜S≤4(II级)，4＜S≤5(I 级)。

3 结果与分析

3.1 优势木树高

以二级区0730 杉木为例，利用468 株标准木绘制树高曲线，标准木树高曲线分为9 个等级，拟合的Richards 模型参数a1～a9的范围为10.042 4～30.127 1，b=1.936 1，c=0.110 0，R2=0.861(图1a)。先对标准木树高进行初步分级，然后，再利用树高曲线调整，确定标准木树高等级，如图1b 所示。利用同一样地的标准木树高等级评定样地等级。基于树高曲线和样地等级，计算样木的树高，筛选每个样地的6 株优势木作为立地指数表编表样本。

图1 二级区0730 杉木标准木树高曲线和等级分布

3.2 立地指数表的编制

以二级区0730 杉木立地指数表编制结果为例，样地数为125 块，每个样地6 株优势木，也就是说理论上有750 株优势木，但需要用3 倍标准差筛选并剔除异常值，分析发现没有异常值，则用于拟合立地导向曲线的优势木株数为750 株。由图2可知，优势木树高净增长量和变异系数均在胸径20 cm 左右趋于平稳，因此，确定基准胸径为20 cm。

图2 二级区0730 杉木胸径—树高分布(左)及树高净增长量和变异系数变化(右)

确定林分基准胸径后，利用Forstat 2.1 软件拟合立地指数导向曲线，模型参数为a=16.084 3，b=0.104 6，c=1.489 9，R2=0.627(n=750)。当优势木达到基准胸径时，树高变动范围为8～20 m，确定指数级距为2 m，共7 个立地指数级(8，10，12，14，16，18、20)。利用Forstat 2.1 软件和标准差调整法编制立地指数表(表2)。若已知优势木的胸径和树高，查表2可以得到该优势木所在林分的立地指数，并作为样地或林分立地质量评价的依据。

3.3 立地指数模型拟合结果

以二级区0730 杉木立地指数模型构建为例，先对X1～X88 个立地因子等级化并赋以得分值［13］。然后将杉木立地指数与分级赋分处理后的立地因子进行逐步回归分析，拟合得到多元线性回归方程(表3)。对于一类样地立地指数模型，入选自变量为地貌、海拔、坡位、坡度和枯枝落叶层厚度;而对于林地小班立地指数模型，地貌、坡位、坡向、坡度和土层厚度5 个因子全部入选。

表2 二级区0730 杉木立地指数表

表3 立地指数模型拟合结果

根据表3可知，一类样地立地指数模型(SI)和林地小班立地指数(S*I)模型的R2均大于0.950，TR，E小于2%，MP，E小于5%，说明这2 个立地指数模型拟合效果都较好，可分别应用于二级区0730 杉木样地和林地小班立地指数计算。

3.4 样地立地质量评价结果

三峡库区涉及3 个二级区0730、0731 和0732，由于篇幅有限，仅以二级区0730 样地立地质量评价为例，一类样地总数为4 144 块，根据样地立地指数模型(SI)计算出每个树种对应样地的立地指数并分级赋分，再根据公式(4)计算样地立地质量评价的综合得分，并划分立地等级，编制立地质量评定表(表4)。由表4可知，不同树种在同一立地条件下生产潜力不同，如样地0001，以马尾松、柏木和软阔的立地质量得分最高(其立地质量为II 级)，栎类得分次之(其立地质量为III 级)，而杉木得分较低(对应的立地质量为IV 级)，说明该样地宜种植马尾松、柏木和软阔，若种植杉木则不能充分发挥其立地生产潜力。

表4 二级区0730 样地不同树种立地质量评定表示例

由图3可知，以二级区0730 为例，马尾松、杉木和侧柏对林地质量的评价结果相似，都接近于正态分布，得分3 的样地数最多，而得分1、2、4 和5 的样地数都较少，可认为三者的生产力属于中等水平，应该成为二级区0730 造林的首选树种(组);栎类得分主要集中在1、2、3 分，4、5 分较少，说明其现实生产力水平偏低，需加强抚育管理;软阔得分主要集中在3、4、5 分，评价结果明显优于其余树种(组)，宜栽植软阔。根据综合评价结果可知，得分3 的样地数最多而得分4 的样地数次之，得分1、2、5 的样地数总和接近于0，因此，认为二级区0730 内样地立地质量总体属于中等(或偏上)水平。

图3 二级区0730 样地不同树种立地质量评价结果

3.5 三峡库区立地质量等级分布

基于2013年三峡库区林地小班数据，以林地小班为单位，分别树种(组)对小班立地因子分级赋分，基于小班立地指数模型估算各小班立地指数，归并为5 个立地质量等级，利用公式(4)推算小班综合立地质量，汇总得到全库区林地质量评价结果(表5)，并绘制三峡库区林地立地质量等级分布图(图4)。

表5 三峡库区各等级林地面积

图4 三峡库区林地质量等级分布图

由表5可推算出，三峡库区林地立地质量III 级占库区林地总面积的比例最大，为78.71%，Ⅳ级(13.17%)和II 级(7.32%)次之，而Ⅰ级(0.72%)和Ⅴ级(0.09%)所占比例都几乎为零。综合表5和图4可以发现，整体而言，三峡库区林地质量处于中等水平。其中，Ⅰ级林地主要分布于万州区、涪陵区、丰都县、武隆县和开县境内，Ⅴ级主要分布于巴东县、夷陵区。

4 结束语

本研究参照《中国森林立地分类》将研究区划分为3 个二级区(区内气候干扰小)，二级区内立地质量主要受地形和土壤因子影响。在此基础上，选取地形和土壤等立地因子构建立地指数估测模型，在同一个二级区内模型适用性较好。

常规立地指数模型中的自变量年龄在实际操作中不易获取，有学者提出用林分胸径替换年龄作为立地质量评价模型的自变量［7，13，22-23］。本研究采用Richards 模型拟合立地指数导向曲线时，用基准胸径替换基准年龄，并编制立地指数表，结果证明这种方法确实是可行的。

我国森林资源清查资料内容翔实可靠，而林地小班数据是对区域的全区划，反映了区域林地资源的数量、质量和空间分布特征。目前，已有研究大多用单一树种来评价某特定范围的立地质量，而少见多个树种的综合评价［17-19］。文中结合森林资源一类数据和林地小班数据，并综合多个树种进行林地立地质量评价，取得了较为满意的结果。这种方法为估测大尺度范围的林地立地质量提供了一种有效的途径。

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