平泉油松建筑材林立地类型划分及立地质量评价*

张晓文 于青军 罗桂生 贾 茜 吴丹妮 贾忠奎

(1.北京林业大学林学院 国家林业和草原局油松工程技术研究中心 北京 100083；2.河北省平泉市国有黄土梁子林场 平泉 067506)

当前，我国林业处于一个重要的转折期，正以木材生产为主向以生态建设为转变，以采伐天然林为主向以采伐人工林为主转变。根据森林起源，我国人工林面积比重较低，质量低下，而且全面实施天然林保护政策后，国内将停止7 000多万hm2国有天然林商业性采伐，每年会减少5 000万m3木材供给。在这样的背景下，我国木材资源供给远远不能满足日益增长的木材资源需求，木材进口量激增，木材对外依存度持续增长，因北，发展更多的建筑材林对解决木材供需矛盾、保障国家生产安全具有重要意义。建筑材林是速生丰产林的一种，不同于一般用材林，其具有定向、速生、丰产、优质、高效和稳定6大特性，以为建筑、家具和装修等行业提供原料或大径材为经营目标。

我国建筑材林研究起步较晚，20世纪60年代开始对速生丰产人工林木材性质进行过一些探讨，并对建筑材优良种源进行了评估。21世纪以来，我国学者对建筑材的研究主要集中在木材性质方面，如童方平等(2003)探究间伐对湿地松(Pinuselliottii)木材材性的影响效应，结果发现间伐对木材干缩率和抗弯强度影响显著；欧阳林男等(2019)分析6个桉树(Eucalyptusspp.)大径材树种木材力学性质差异，结果表明大花序桉(E.cloeziana)木材综合性能最优，其次为细叶桉(E.tereticornis)、赤桉(E.camaldulensis)、尾叶桉(E.urophylla)、粗皮桉(E.pellita)和巨桉(E.grandis)。

在国外，学者对各类建筑材树种木材性质进行了大量研究。Bhat等(2010)分析化学改性对马占相思(Acaciamangium)木材物理力学性质的影响发现，丙酸酐和琥珀酸酐均能增强木材的耐腐性和机械性能。Bal等(2013)探究热处理对尾巨桉幼龄木和成熟木一些力学性能的影响表明，在相同处理下，幼龄木的力学性能下降程度大于成熟木。Kaygin等(2016)研究发现，海拔对欧洲赤松(Pinussylvestris)木材性质影响显著。Kiaei等(2018)研究得出，鹅耳枥叶槭(Acercarpinifolium)被抑制木与优势木在物理性能方面无显著差异，但在力学性能方面差异显著。

目前，我国已对马尾松(Pinusmassoniana)(程曦依等， 2017； 丁贵杰等， 2000； 李改云等， 2010)、火炬松(Pinustaeda)(蒋开彬等， 2018； 徐有明等， 2007)、杉木(Cunninghamialanceolata)(程琳等， 2017； 尹拥君等， 2001)、湿地松(罗真付等， 2012； 赵奋成等， 2018)、落叶松(Larixspp.)(马成武等， 2018； 朱玉杰等， 2016)等一系列树种的建筑材林培育技术进行了研究，油松(Pinustabulaeformis)作为我国北方地区的主要造林树种之一，对其进行建筑材林方面的研究鲜见报道。油松为松科针叶常绿乔木，树皮灰褐色，喜光，耐干旱瘠薄，且材质坚韧细致，耐腐耐久用，抗压力强，可供建筑、车船和器具等使用，是我国特有树种(郑万钧， 1983)。油松开始旺盛生长较早，而衰退慢，这种生长特性既可培育中、小径材，也可培育大径材(郑均宝， 1998)。因此，开展油松建筑材林高效培育技术研究具有重大意义。

立地质量评价即对某一立地单元在采用某种利用方式时的最大自然生产潜力进行评价(詹昭宁, 1989)，其是研究、掌握森林生长环境对森林生产力影响的一种重要手段，对林地经营和决策至关重要(Louwetal.， 2002)，是实现科学造林和经营森林的关键。立地质量评价方法通常可分为生物因子法和地理因子法两大类，其中生物因子法中的地位级法和立地指数法最常用，立地指数法多用于评价人工林(吴恒等， 2015)。我国学者对森林立地质量评价开展过一些研究，部分学者采用逐步回归分析(张超等， 2015)、人工神经网络模型(巩垠熙等， 2013)、建立数学模型(朱光玉等， 2010)和遥感(李明泽等， 2017； 王永昌等， 2007)等方法对我国主要森林立地质量进行了评价。但随着国家对林业需求的转变，森林立地质量评价要求更加精细，需要进一步量化到二级林种上，建筑材林作为人工用材林的二级林种，目前对其的研究多集中于高效培育技术或木材基本物理力学性质方面(徐有明等， 2007； 周海宾等， 2012)，未将立地质量评价与木材材性结合起来。鉴于此，本研究对河北省平泉市油松人工林进行立地类型划分和立地质量评价，并将立地质量分级，以期筛选出适合培育油松建筑材林的林地。

1 研究区概况

河北平泉(118°21′—119°15′E, 40°24′—40°40′N)是河北、辽宁、内蒙古三省(自治区)交界地带，位于燕山山脉末端，平均海拔660 m。该市地处我国半湿润地区，年均降水量540 mm，属温带季风性气候，四季分明，春季风大干旱、回暖较快，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温7.3 ℃。7月平均气温22～32 ℃，降水占全年降水量的68%～74%； 年日照时数2 000～2 900 h，年日照率65%，全年无霜期120～130天。土壤类型以褐土为主，森林类型为天然次生林，主要树种有油松、落叶松、刺槐(Robiniapseudoacacia)等，灌木层主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、锦鸡儿(Caraganasinica)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、山杏(Armeniacasibirica)等，常见草本有菊叶委陵菜(Potentillatanacetifolia)、细叶薹草(Carexduriusculasubsp.stenophylloides)和玉竹(Polygonatumodoratum)等。

2 研究方法

2.1 样地布设与调查

在平泉市马家南沟、娄南沟、苏达营子等地布设92块样地，使其能够代表平泉油松人工林的生长状况。为了保证调查数据的代表性和精确性，并综合考虑密度、林龄等因素，调查样地包含幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林，且郁闭度均在0.5以上。同时要求布设样地的造林技术和经营措施基本一致，未发生过虫害、火灾等自然灾害。

在每块样地内进行每木检尺，实测树高、胸径、活枝下高、东西冠幅、南北冠幅，并记录海拔、坡度、坡向、土层厚度、腐殖质厚度、枯落物厚度和土壤类型等因子。采用调查林场小班与生长锥相结合的方法确定样地林龄。每块样地内选取胸径最大且最高的5株树木取树高平均值(段劼等， 2009)。测量过程中，每株优势木最少测高2次，2次误差不超过0.1 m时取其平均值作为优势木高。

2.2 样地数据整理

将92块样地调查数据汇总成表，按龄阶(段劼等， 2009)分别统计出平均林龄和优势木平均高，并计算各龄阶的树高标准差：

(1)

式中：Si为第i龄阶树高标准差；Hij为第i龄阶中第j株优势木高(j=1,2,3,…，ni)；ni为第i龄阶中优势木株数。

各龄阶以平均优势木高为准，以3倍树高标准差为范围，剔除各龄阶内数据异常的样地或优势木，重新统计样地数、优势木平均高。经检验，在92块样地中选取的优势木均符合条件，满足立地指数表编制要求。编表数据按龄阶整理后，优势木平均高6～14 m，具体结果见表1。

2.3 立地类型划分方法

2.3.1 立地因子分级 采用主导因子分析法(马明东， 2006)筛选主导因子，其中类目范围划分以其对油松生长影响是否显著、实践中是否便于调查和应用为依据(唐诚等， 2018)。实地调查时发现，平泉油松人工林主要分布在海拔720～820 m，且土壤类型以褐土为主，故排除海拔和土壤类型对林地的影响；油松人工林分布坡位差异不显著，故排除坡位对林地的影响。将坡向、坡度、土层厚度、腐殖质厚度、枯落物厚度等立地因子进行分级并赋值(表2)。

2.3.2 主导因子筛选及立地类型划分 采用Forstat软件，将表2中立地因子与优势木平均高进行相关性分析，结果如表3所示。

根据Pr>F判断因子显著性，当Pr>F<0.01时极显著，0.01≤Pr>F<0.05时显著，Pr>F≥0.05时不显著。由表3可知，坡向和土层厚度对油松生长影响显著，故选择坡向和土层厚度作为主导因子，据此将平泉油松人工林立地类型划分为阳坡薄土、阳坡中土、阳坡厚土、阴坡薄土、阴坡中土和阴坡厚土，土层厚度划分依据见表2。

表3 立地因子与优势木平均高的相关性Tab.3 The correlation between site factors and dominant tree mean height

2.4 立地质量评价方法

2.4.1 基准年龄的确定 基准年龄(A0)指林分生长趋于稳定时的年龄，是立地质量评价的重要指标(陈永富， 2010)。确定基准年龄应考虑以下几方面： 1) 基准年龄时，林分树高生长已趋于稳定，且能反映林分生长的立地差异(吴中能等， 2010)； 2) 确定基准年龄前应先对树种的生长规律进行分析，还要考虑树种的培育目的。段劼等(2009)研究北京地区油松基准年龄时，将其定为20年。本研究在确定基准年龄时，首先采用随机抽样方法，在不同立地类型林分中各选取1株解析木，共计42株，分析树高0～35年的生长过程(图1)，然后对全部解析木求树高连年生长量和平均生长量的算数平均值，再绘制其随年龄的变化曲线(图2)。

由图1可知， 20年后油松树高生长逐渐减缓，趋于稳定；由图2可知，油松树高平均生长量在20年左右达到峰值，其后逐渐减缓，趋于稳定，而连年生长量在10、20年达到峰值，其后下降。所以，本研究将平泉油松建筑材林的基准年龄定为20年。

图1 各立地类型树高生长曲线Fig.1 Tree height growth curves of various site types

图2 解析木树高生长曲线Fig.2 Analytic tree height growth curves

2.4.2 指数级距的确定 指数级距指在基准年龄时优势木平均高变幅与指数级个数的比值。同一森林植被地带同一树种的指数级距应基本一致，一般来说，集约经营水平较高、以速生丰产为主的地区，级距可以适当小些，管理水平较低、立地条件较差、以防护或其他效能为主的地区，级距可以大些(郑聪慧等， 2013)。本研究用以下2种方法确定指数级距。

1) 重点分析油松建筑材林20年(基准年龄)时林分优势木平均高的分布情况，各样地优势木平均高变幅为3.2～9.6 m，绝对变幅ΔH为6.4 m，一般指数级个数不超过10个，采用式(2)计算指数级距：

S=ΔH/k。

(2)

根据计算结果，确定指数级距(S)为1 m，指数级个数(k)为7，分别为4、5、6、7、8、9、10 m。

2) 根据唐瑞德(1986)给出的立地指数级距计算公式S=1.5+1/2lnΔA/A0，(ΔA=5，为立地指数表的龄阶；A0=20)，求得指数级距S=0.8 m，依据指数级距最小为1 m的原则，确定指数级距为1 m。

以上2种方法确定的指数级距均为1 m，因此本研究将平泉油松建筑材林的指数级距确定为1 m。

2.4.3 导向曲线的拟合 编制立地指数表时，导向曲线的选择至关重要，其与立地指数表的精度密切相关。选择导向曲线时既要考虑树高生长规律，又要保证拟合效果。本研究根据全部样地优势木解析资料，利用各公式对龄阶优势木平均高数据进行曲线拟合，常用的导向曲线拟合公式及其参数见表4。

表4 导向曲线拟合公式及其参数①Tab.4 Guiding curve fitting formula and its parameters

由表4可知，线性、对数曲线、抛物线、幂函数、等比级数曲线和指数曲线的R2均超过0.8，其中R2最大的是幂函数曲线(0.855)，这是因为幂函数只有2个参数，幂函数图像在林龄为0时树高为0，且幂函数曲线趋势更符合油松生长规律。所以本研究选择幂函数曲线，导向曲线方程为：

H=0.524A0.815。

(3)

2.4.4 立地指数表的编制 本研究采用相对优势高法编制立地指数表，具体步骤如下：

1) 计算各龄阶树高理论值Hi,将各龄阶阶值分别代入导向曲线，即可得到树高理论值；

2) 计算基准年龄时的树高理论值H0；

3) 计算各龄阶调整系数Ki：

Ki=Hi/H0×100%；

(4)

4) 计算各龄阶各指数级树高值Hik：

Hik=Ki×H0k。

(5)

式中：H0k为标准年龄时第k指数级的树高值。

由式(3)和(4)计算得出各龄阶树高理论值及调整系数(表5)，由式(5)和表5整理得到油松人工林立地指数表(表6)。

表5 各龄阶调整系数及树高理论值Tab.5 Adjust coeffident and tree height in theory of different age classes

表6 平泉油松人工林立地指数表(A0=20年)Tab.6 Site index table of P. tabulaeformis plantations in Pingquan (A0=20 a) m

2.4.5 立地指数表的检验 立地指数表编制完成必须进行检验，在保证精度和适用性后才能应用于实际生产中。本研究采用卡方检验，首先利用现有42株优势木解析木树高和年龄，在立地指数表(表6)中查到相对应的立地指数，然后将优势木解析木林龄分别代入导向曲线得到各优势木解析木树高理论值Ht，与优势木解析木树高实际值Hp进行χ2检验，公式为：

(6)

2.5 油松木材物理力学性质测定

立地质量对林木生长影响很大，且其影响将伴随林木一生，因此，在人工林培育中立地选择十分重要。实际应用中，木材体积干缩率、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度是优良建筑材选择的重要参数(罗彬等， 2008； 周海宾等， 2012)。为了探究不同立地指数下木材物理力学性质是否存在显著差异，本研究选取立地条件为差、中、优3种类型样地(立地条件划分标准见表7)，每种类型样地3块，在样地中伐取1株优势木作为样木，对其进行物理力学性质测试。

表7 立地条件划分标准Tab.7 Site condition division standard

3 结果与分析

3.1 油松人工林立地类型划分

根据筛选的主导因子，将平泉油松人工林立地划分为阳坡厚土、阳坡中土、阳坡薄土、阴坡厚土、阴坡中土和阴坡薄土6种类型。基于ArcGIS地理信息系统，结合立地类型划分结果，绘制平泉油松人工林立地类型分布图(图3)。从图3可以看出，平泉油松人工林主要分布在薄土层和中土层，厚土层分布较少，其中薄土层面积14 239.15 hm2,占油松人工林总面积的27.9%，中土层面积33 355.98 hm2，占油松人工林总面积的65.5%，厚土层面积3 304.67 hm2，占油松人工林总面积的6.6%。由图3还可以看出，平泉油松人工林阴坡分布较多，阳坡分布较少，其中阴坡面积38 976.01 hm2，占油松人工林总面积的76.6%，阳坡面积11 920.04 hm2，占油松人工林总面积的23.4%。

图3 平泉油松人工林立地类型分布Fig.3 Site type distribution of P. tabulaeformis plantations in Pingquan

3.2 油松人工林立地质量评价

3.2.1 拟合优势木平均高和林分平均高曲线 为了将平泉油松人工林立地指数表与油松二类调查数据相结合，需要拟合平泉油松人工林优势木平均高和林分平均高曲线，以探究油松优势木平均高与林分平均高的关系。本研究基于平泉油松人工林优势木平均高和林分平均高调查数据，以林分平均高为自变量(x)、优势木平均高为因变量(y)，采用直线型、二次曲线型、三次曲线型、对数曲线型、幂函数型、S型曲线、复合函数型、指数曲线型和逻辑斯特曲线型9种模型拟合平泉油松人工林优势木平均高与林分平均高的关系。各曲线模型的相关系数和参数见表8。

表8 优势木平均高和林分平均高曲线拟合参数Tab.8 Fitting parameters of dominant tree mean height and stand mean height

通过R2比较，选择二次曲线型，得到平泉油松人工林优势木平均高-林分平均高拟合曲线，公式为：

y=0.512 26+1.563 74x-0.034 67x2。

(7)

3.2.2 立地指数等级分布图的绘制 依据式(7)和表6，结合平泉油松二类调查数据，利用ArcGIS软件，绘制立地指数等级分布图(图4)。统计分析发现，立地指数为9、10的地块占地面积14 277.665 hm2，占油松人工林总面积的28.1%，其中黄土梁子镇和柳溪满族乡占地面积13 645.96 hm2，说明这两个地区立地质量较好。立地指数为6、7、8的地块占地面积33 648.51 hm2，占油松人工林总面积的66.1%，而立地指数为4、5的仅有2 973.63 hm2，仅占油松人工林总面积的5.8%。这说明河北平泉地区立地质量状况总体较好，适合培育油松建筑材林。

3.3 油松木材物理力学性质分析

分别计算各立地质量样地各木材物理力学指标测定值的最小值、最大值、均值和标准差，结果见表9。

图4 平泉油松立地指数等级分布Fig.4 Site index distribution of P. tabulaeformis in Pingquan

表9 各立地质量样地木材物理力学性质①Tab.9 Physical and mechanical properties of wood in various site quality samples

体积干缩率反映木材在干燥过程中的收缩程度，与木材中射线细胞数量和分布有关(Mohammadetal., 2012)。由表9可知，各样地体积干缩率均值为0.097%～0.125%，极差为0.028%，立地质量优的样地体积干缩率最高，立地质量中的样地体积干缩率次之，立地质量差的样地体积干缩率最低，且两两之间在0.05水平上差异显著，说明木材干缩性能随立地质量提升而增强。

抗弯弹性模量和抗弯强度代表木材的抗弯性能(Ruelleetal., 2007)。由表9可知，各样地抗弯弹性模量均值为10.27～13.79 GPa，极差为3.52 GPa，立地质量优的样地抗弯弹性模量最高，立地质量中的样地抗弯弹性模量次之，立地质量差的样地抗弯弹性模量最低，立地质量差、立地质量中的样地与立地质量优的样地在0.05水平上均差异显著，说明抗弯弹性模量随着立地质量提升而提高，在一定范围内差异显著。各样地抗弯强度均值为98.61～119.94 MPa，极差为21.33 MPa，立地质量优的样地抗弯强度最高，立地质量中的样地抗弯强度次之，立地质量差的样地抗弯强度最低，立地质量差和立地质量中的样地均与立地质量优的样地在0.05水平上差异显著，说明木材抗弯强度随立地质量提升而增强。

各样地顺纹抗压强度均值为56.623～78.612 MPa，极差为21.989 MPa，立地质量优的样地顺纹抗压强度最高，立地质量中的样地顺纹抗压强度次之，立地质量差的样地顺纹抗压强度最低，立地质量差和立地质量中的样地均与立地质量优的样地在0.05水平上差异显著，而立地质量差与立地质量中的样地之间差异不显著。

综上所述，木材物理力学性质各项指标均随着立地质量提升而提高，说明立地质量好的林地(立地指数为9、10)更适合培育大、中径材，而立地质量中的林地(立地指数为6、7、8)适合培育中、小径材，立地质量差的林地(立地指数为4、5)在木材材性方面不够稳定，不适合培育建筑材，可用作生态公益林。

3.4 油松建筑材培育分布图的绘制

基于ArcGIS地理信息系统，从图4中筛选出立地指数9、10的林地为适宜培育大、中径材的林地， 立地指数6、7、8的林地为适宜培育中、小径材的林地， 立地指数4、5的林地为不适宜培育建筑材的林地，绘制出油松建筑材培育分布区(图5)。经筛选统计，可用来培育大、中径材的地块占地面积13 645.96 hm2，占油松人工林总面积的28.1%；可用来培育中、小径材的地块占地面积33 648.51 hm2，占油松人工林总面积的66.1%；生态公益林占地面积2 973.63 hm2，仅占油松人工林总面积的5.8%。这说明，河北平泉地区适合用来培育建筑材。可用于培育大、中径材的地块中，以黄土梁子镇分布最多，共计3 697.61 hm2，其次是柳溪满族乡占地面积1 897.39 hm2。黄土梁子镇和柳溪满族乡所占比例明显高于其他地区，两地所占比例为油松人工林总面积的42.9%。可用于培育中、小径材的地块中，黄土梁子镇占地面积5 570.86 hm2，其次是柳溪满族乡占地面积4 770.64 hm2，黄土梁子镇和柳溪满族乡所占比例为油松人工林总面积的30.7%。因此若要在河北平泉地区培育油松建筑材林，应优先考虑黄土梁子镇和柳溪满族乡。

图5 平泉油松建筑材林适宜培育分布区Fig.5 P. tabulaeformis construction timber cultivation area in Pingquan

4 讨论

本研究对油松建筑材林进行立地类型划分和立地质量评价，基于ArcGIS地理信息系统绘制平泉油松人工林立地类型分布图、立地指数等级分布图以及建筑材林适宜培育区图，可以直观反映出油松人工林立地类型分布、立地指数分布以及建筑材林适宜培育区分布情况，能为林业实践提供指导。

采用主导因子分析法筛选出影响油松人工林优势木平均高的主导因子为坡向和土层厚度，据此将油松人工林立地类型划分为6种。将坡向划分为阳坡和阴坡，并没有细化至半阴坡和半阳坡，以后研究中应加入该部分探索。本研究中，海拔作为立地类型划分的关键因子并没有被筛选出来，以后研究中应注重海拔对立地质量影响方面的分析。

段劼等(2009)选择双曲线为导向曲线，采用相对优势高法对北京低山地区油松进行立地质量评价，并编制立地指数表。本研究同样采用相对优势高法，在10种曲线中，经对比分析选择幂函数式为导向曲线，并进行立地指数表编制，经卡方检验后合格。前人在进行立地质量评价时，多止步于立地指数表的编制，本研究利用ArcGIS地理信息系统，将立地指数表与油松小班调查数据结合，得到包含立地指数信息的油松小班调查属性表，由该表能够快捷、方便查出某一小班的立地类型和立地质量。这一结果在实际应用中能够大幅度提高工作效率，具有很强的现实意义。

木材化学性质也是影响建筑材性能的重要指标，杨昇等(2019)研究热处理对进口辐射松(Pinusradiata)木材化学性质的影响，结果发现， 热处理会导致辐射松木材细胞壁中木质素分子结构发生变化，且随着热处理温度升高，木质素结构改变程度逐渐增加。秦理哲等(2019)研究季铵铜防腐剂对马尾松木材化学性质的影响，结果表明，防腐处理会引起马尾松木材酸碱性质、化学元素组成和官能团强度的变化，影响其化学性质。本研究仅从物理力学性质方面对油松木材进行研究，没有考虑化学性质以及解剖性能，以后研究中可以加入化学性质和解剖性能的探索。

5 结论

1)河北平泉油松人工林主要分布在薄土层和中土层，厚土层分布较少，其中薄土层面积占油松人工林总面积的27.9%，中土层面积占65.5%，厚土层面积仅占6.6%；阴坡分布较多，阳坡分布较少，其中阴坡面积占油松人工林总面积的76.6%，阳坡占23.4%。由此可知，平泉地区的立地特点适合油松林生长。

2)平泉地区油松人工林立地指数为9、10的地块面积占油松人工林面积的28.1%，立地指数为6、7、8的地块面积占66.1%，立地指数为4、5的地块面积占5.8%，说明河北平泉地区立地质量状况较好，适合培育油松建筑材林。

3)木材物理力学性质随立地质量提升而提高，说明立地质量好的林地更适合培育优质的大、中径级建筑材林，立地质量中的林地适合培育中、小径级建筑材林，立地质量差的林地不适合培育建筑材林。黄土梁子镇和柳溪满族乡可作为平泉地区培育油松建筑材林的主要地点。