山苍子林分和环境因子与其经济指标的关联特征

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（1.安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥 230036；2.中国林业科学研究院 亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；3.福建清流国有林场，福建 三明 365300）

山苍子Litsea cubeba系樟科木姜子属，是我国重要的香料树种之一，山苍子果实富含天然柠檬醛，具有较高的经济价值和医用价值[1-4]。在我国，山苍子分布广泛，其产量、果实精油含量以及精油中柠檬醛含量均受生长环境和生长状况的影响。田胜平等[5]研究了年均降雨量和年均温度对山苍子果实精油含量和精油中柠檬醛含量的影响；李红盛等[6]研究了山苍子果实精油含量和精油中柠檬醛含量与林分生长性状之间的关系；谷战英等[7]研究了不同海拔分布区山苍子生长性状和经济性状的差异性。环境因子和林分因子对山苍子经济指标的共同影响，成为了山苍子林永续利用和可持续经营研究的重点。

结构方程模型可用于分析潜变量和显变量之间的关系。应用该模型可以同时分析多个变量对总体的作用和变量之间的相互关系，而且能够对其作用进行全面评估[8-11]。目前，结构方程已被用于解析林分生长环境和林分结构与经济指标的关系。李慧等[12]利用结构方程模型探讨了旱田有机碳平衡关系的各潜变量和可测变量的相互关系；毛鑫等[13]运用结构方程模型对油菜性状和产量之间的关系进行了研究；王树力等[14]基于结构方程模型分析了次生林的立地条件、林分结构、树木多样性与林分生长之间的耦合关系；白江迪等[15]运用结构方程模型分析了森林生态安全的影响因素；Brahim 等[16]应用结构方程模型对半干旱的地中海地区土壤有机碳与土壤理化性质的关系进行了研究。而该模型在山苍子相关研究中的应用鲜见报道。本研究中以福建清流、湖北太子山、浙江富阳三地的山苍子林为研究对象，在分析山苍子经济指标与林分和环境因子差异性和相关性的基础上，建立结构方程模型，探讨山苍子经济指标与林分和环境因子之间的关系，以期为山苍子林可持续经营和优质丰产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地分别位于福建清流国有林场、湖北京山太子山林场、浙江杭州富阳山苍子家系试验林地，研究区概况见表1。

表1 研究区概况Table 1 Study site overview

1.2 试验材料

研究区内山苍子林龄均为5 a，株行距为3 m×3 m。清流样地参试山苍子分别来源于贵州、广西、安徽、福建、湖南、浙江；太子山样地参试山苍子分别来源于贵州、广西、安徽、福建、浙江；富阳样地参试山苍子分别来源于贵州、广西、江西、安徽、湖南、福建、浙江。

1.3 试验方法

1.3.1 林分和环境因子的测定和选择

在每块样地随机取样，清流、太子山、富阳样地分别选取样树31、53、46 株。使用塔尺和游标卡尺分别测定树高、枝下高、树冠高、胸径、冠幅。山苍子单株产量是其经济性状的最直观指标，通过回归分析，选择对山苍子产量影响较大的林分因子作为研究指标。

采用GPS 获取样地地理坐标及海拔，气候数据来源于中国气象数据网，包括温度、降水量、日照（表1）。

1.3.2 山苍子经济指标的测定

利用标准枝收获法计算山苍子果实的产量。在每块样地内，沿S 形选取5 个点，每个点附近选取3 株，每株随机选取3 个标准枝进行测定，取算术平均值为单株产量（M）。

式中：B为标准枝产量，n为结果枝数。

采用浓度法计算果实精油含量。将采集的果实用冰袋带回实验室后，采用水蒸气蒸馏法提取精油，将蒸馏油收集在干燥的试管中，经无水硫酸钠（Na2SO4）处理，去除精油中残留的水分，将精油保存在密封的试管中，置于4 ℃条件下保存，用于精油组分测定。山苍子果实精油含量为提取油质量占果实鲜质量的百分比。

精油样品用乙醚稀释（1∶10）后，采用GC-MS 分析法测定其精油中柠檬醛含量。气相色谱条件：HP-5MS 色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升温程序为50 ℃保持2 min 后，以3 ℃/min 的速率升至120 ℃，并保持2 min，然后以15 ℃/min 的速率升至250 ℃并保持2 min；载气为N2，流量1 mL/min，进样量为1.0 μL，进样口温度为220 ℃。对采用GC-MS 法得到的质谱图，利用NWAST（08）谱库进行检索分析，并结合标准样品的保留时长和保留指数，对化合物进行定性分析，采用峰面积归一法对柠檬醛的相对含量进行定量分析。

1.4 数据分析

结构方程模型（structural equation model，SEM），一般由测量指标和潜在变量组成，是基于假设观测变量的相关系数、协方差矩阵的一套参数函数[8]。可以利用结构方程模型来解释山苍子经济指标单株产量、果实精油含量、精油中柠檬醛含量与林分因子树冠高、胸径以及环境因子年平均温度、年降水量的关系。本研究中采用最大似然法进行模型估计，并通过验证测量指标之间的相关系数，估计结构模型的通径系数[17]。

结构方程模型（结构方程）的一般形式如下

式中：η为内生潜变量；ξ为外源潜变量；β为内生潜变量η的系数矩阵；Г为外源潜变量对内生潜变量的影响路径系数矩阵，也是显变量对相应内生潜变量的通径系数矩阵；ζ为残差向量，是模式内未能解释部分。

结构方程模型（测量方程）的一般形式如下

式中：X、Y分别是外源和内生变量；δ、ε分别是X、Y测量上的误差；ΛX是X在ξ上的因子载荷矩阵；ΛY是Y在η上的因子载荷矩阵。

运用SPSS 25.0 和Excel 2010 软件进行数据统计和分析；运用Amos 24.0 软件创建结构方程模型时，先对数据统一进行自然对数转化，再进行分析和建模[18]。

2 结果与分析

2.1 林分和环境因子的选择

山苍子林分特征各指标见表2。将各指标和单株产量进行回归分析，结果见表3。由表3可知，胸径和树冠高与单株产量的相关性较高，因此选择胸径和树冠高作为林分因子。

表2 山苍子林分特征各指标Table 2 Characteristics indicators of L.cubeba forest

表3 林分因子与单株产量的线性回归分析结果†Table 3 The linear regression analysis results of stand factor and yield per plant

由于太阳辐射的分布是从低纬向高纬递减，气温从低纬向高纬递减，随着海拔的升高气温降低，故海拔、纬度、日照均影响年平均温度。本研究中选择常用的年平均温度和年降水量作为环境因子。

2.2 林分和环境因子对山苍子经济指标的影响

林分和环境因子与山苍子经济指标的协方差分析结果见表4。由表4可知，胸径和树冠高对山苍子单株产量有极显著影响（P＜0.01），平均降水量对单株产量有显著影响（P=0.034），年平均温度对单株产量无显著影响（P=0.400）；胸径（P=0.138）和树冠高（P=0.095）均对山苍子果实精油含量无显著影响，年平均降水量和年平均温度对果实精油含量均有极显著影响（P＜0.01）；胸径（P=0.560）、树冠高（P=0.355）、年平均降水量（P=0.451）和年平均温度（P=0.059）对山苍子精油中柠檬醛含量均无显著影响。

表4 林分和环境因子与山苍子经济指标的协方差分析结果Table 4 Analysis of covariance between stand, environmental factors and economic indexes of L.cubeba

2.3 林分和环境因子与山苍子经济指标的相关性

在林分和环境因子与山苍子经济指标自然对数转化的基础上，对其进行相关性分析，结果见表5。由表5可知，胸径与单株产量呈极显著正相关，相关系数为0.787；树冠高与单株产量呈极显著正相关，相关系数为0.886，与果实精油含量呈显著负相关，相关系数为-0.169；年平均降水量与单株产量呈极显著正相关，相关系数为0.470，与果实精油含量呈极显著负相关，相关系数为-0.298；年平均温度与单株产量呈极显著正相关，相关系数为0.330，与精油中柠檬醛含量呈显著负相关，相关系数为-0.137；单株产量与果实精油含量呈极显著负相关，相关系数为-0.236。

表5 林分和环境因子与山苍子经济指标的相关系数Table 5 Correlation coefficient between stand and environmental factors and economic indexes of L.cubeba

2.4 林分和环境因子与山苍子经济指标的结构方程

利用结构方程模型分析山苍子树冠高、胸径对山苍子经济指标单株产量、果实精油含量、精油中柠檬醛含量的直接效应和间接效应，结果见表6。由表6可知，在直接效应方面，胸径和树冠高对单株产量的效应均为正效应，其效应系数分别为0.255（P＜0.01）、0.668（P＜0.01）；年平均降水量和年平均温度对单株产量均为正效应，其效应系数分别为0.051（P=0.384）和0.048（P=0.380）。因此，根据对单株产量的总效应由强到弱排列，各因素依次为树冠高、胸径、年平均降水量、年平均温度。在间接效应方面，胸径、树冠高、年平均降水量、年平均温度对果实精油含量均呈负效应，效应系数分别为-0.060、-0.158、-0.012、-0.011；胸径、树冠高、年平均降水量、年平均温度对精油中柠檬醛含量均呈正效应，效应系数分别为0.025、0.066、0.005、0.005。此外，单株产量对果实精油含量的直接效应为极显著的负效应，其效应系数为-0.236（P＜0.01），单株产量对精油中柠檬醛含量的直接效应为正效应，其效应系数为0.098（P=0.262）。

表6 林分和环境因子对山苍子经济指标的直接效应和间接效应Table 6 Direct and indirect effects of stand and environmental factors on economic indexes of L.cubeba

3 结论与讨论

通过调查3 个研究地的林分和环境因子数据，结合山苍子经济指标的测定，在对树冠高、胸径、年平均温度、年平均降水量、单株产量、果实精油含量、精油中柠檬醛含量统一进行自然对数转化的基础上，利用协方差分析、相关性分析、结构方程，解析山苍子树冠高、胸径、年平均降水量和年平均温度与单株产量、果实精油含量以及精油中柠檬醛含量之间的关系。结果表明，山苍子胸径和树冠高与单株产量均极显著相关，且林分和环境因子对单株产量的影响效应由强到弱依次均为树冠高、胸径、年平均降水量、年平均温度，说明山苍子树冠高和胸径对单株产量有较大的影响，加强对树冠高和胸径的经营管理，可以提高山苍子的单株产量。年平均降水量与果实精油含量极显著相关，说明山苍子果实精油含量受降水量的影响较大。

胸径是林分结构的重要指标[19-20]，可以直接反映林分结构特征[21]，与树高[22]、冠幅[23-24]、林分密度、林龄[25]等变量显著相关。树冠影响果树生长和结实，影响果实的产量和质量[26-28]。在本研究中发现，胸径和树冠高对山苍子单株产量有极显著影响，年平均降水量对山苍子单株产量有显著影响，年平均温度和年平均降水量对果实精油含量有极显著影响，与田胜平等[5]和李红盛等[6]的研究结果一致，也与气候因子对花椒[29]、油茶[30]、蓝莓[31]产量的影响相同。环境因子年平均温度对单株产量无显著影响，与田胜平等[5]的研究结果不同，这是由于本试验中样地均处于亚热带季风气候区，温度变化不大。

夏国威等[32]应用结构模型进行研究，发现光合有效辐射是影响净光合速率的主要因素，气温和空气相对湿度对净光合速率影响较小。Lamb等[33]利用结构方程模型研究氮沉降与土壤温度、土壤湿度、土壤有机质含量、土壤全氮含量和土壤pH 的关系，得出39%的影响氮沉降变化的因素与土壤有机质含量、土壤全氮含量和土壤pH 有关。黄兴召等[8]在利用结构方程解析杉木林生产力与环境因子及林分因子关系的研究中发现，62%的影响杉木林净初级生产力变化的因素为年均温度、年均降水量、林龄和林分密度。毛鑫等[13]在利用结构方程研究油菜性状与产量的关系时发现，拥有较多单株有效角果数和分枝数的品种，其单株产量更为稳定，油菜总产量更高。本研究中利用结构方程模型，阐释了山苍子单株产量、果实精油含量以及精油中柠檬醛含量与林分和环境因子之间的关系，不仅直接分析了山苍子单株产量与林分和环境因子之间的关系，还间接通过单株产量分析了林分和环境因子对果实精油含量和精油中柠檬醛含量的影响。结果显示，胸径和树冠高对单株产量的效应均为极显著的正效应（P＜0.01），各因素对单株产量的效应由强到弱依次为树冠高、胸径、年平均降水量、年平均温度，单株产量对果实精油含量的直接效应为极显著的负效应，其效应系数为-0.236（P＜0.01）。

由于可供借鉴的研究不多，而且山苍子家系生长和精油化学成分均有不同[34]，本研究中在模型构建上存在一定的不足。另外，在选择指标时，家系的遗传性质、立地条件、土壤理化性质等未考虑。因此，对于山苍子林分和环境因子与其经济性状之间的关联特征还应进一步探讨和验证。