陕西洛南油松人工林立地质量评价

石梦婷，冯自茂，郝红科，王迪海，杨培华，谢俊锋，孙卫鹏，张春霞*

(1.西北农林科技大学 国家林业和草原局油松工程技术研究中心/林学院，陕西 杨陵 712100;2.洛南县古城国有林场，陕西 洛南 726107)

森林作为最重要的陆地生态系统，具有涵养水源、固碳放氧、防风固沙、保持生物多样性以及改善环境等重要的功能[1-3]，并带来了巨大的潜在经济价值[4,6-7]。随着人们对于森林资源需求的快速增长，人工林在我国木材生产和环境保护中都发挥着不可替代的作用，人工林早已成为我国森林生态系统的重要组成部分[8-9]。但由于林业生产周期长，见效慢的特点，如何保证人工林的质量以及森林经营结果评价一直是森林经营中的重点问题[10-11]。因此对与森林生长情况的评价是进行森林经营的前提，而其中影响森林生长最重要的因素之一就是森林立地质量。森林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[12]。而对于立地质量的评价有利于了解、掌握林地的立地条件，为造林规划设计、适地适树、布局树种、预测森林生产力、地力维持和经营管理等提供了支持[13-14]。

油松(Pinustabuliformis)是我国西北地区重要的造林树种之一，由于其耐干旱、耐贫瘠、适应性强等特点，在水土保持、水源涵养、修复生态环境等方面发挥着重要的作用[15]。目前，已有一些学者通过树木生长状况评价立地质量[16-17]，还有一些学者通过编制立地指数表用于评价立地质量[18]，甚至随着遥感等现代技术的发展，一些外国学者还基于光谱测定、数字高程模型及其他遥感数据建立了立地质量评价模型[19-20]。在黄土高原地区，人工栽培的油松林长势不一，有的林分群落结构合理，林地水肥条件优越，能够持续发育，但也有一些油松人工林表现不佳[21]。本研究主要是通过对于洛南地区不同立地下油松人工林的调查，从而划分立地类型，对不同立地类型条件下的油松进行评价，以期为洛南地区油松森林培育、提高林地质量以及可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

本研究区域位于陕西省东南部商洛市的洛南县(33°52′00″-34°25′58″N，109°44′10″-110°40′06″E)，是商洛市唯一黄河流域县，海拔670～2 646 m，平均海拔为1 200 m。其地势西北高，东南低，山坡北陡南缓，在构造上属断块掀升的山地。洛南县受暖温带南缘季风性湿润气候的影响，四季分明，气候温和，年平均气温为11.1℃，最低气温为-18℃，最冷月平均气温-2～-6℃，最高温度可达37.1℃，≥10℃的积温3 453.6℃，年平均无霜期195 d，全年日照时数2 043.2 h，多年平均降水量756 mm[22]。调查区内乔木树种为油松，林下灌木主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、卫矛(Euonymusalatus)、小叶菝葜(Smilaxmicrophylla)等，主要草本物种有铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、白茅(Imperatacylindrica)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

本研究以海拔、坡度、坡向、坡位为主要立地因子，在不同立地条件下共设置了63块面积为20 m×30 m的样地。采用GPS获取地理坐标及海拔，用罗盘仪测量坡度、坡向，并记录调查坡位、土壤类型、气象因素、经营水平等环境因子；在每块样地中进行每木检尺(测定树种的树高、胸径、冠幅等生长因子)。处理数据时按如下公式计算研究区内油松的单株材积[23]。

V=0.102 5πD2(H+3)

(1)

式中，V为单株材积，D为胸径，H为树高。

2.2 立地分类及分级标准

立地因素的选择须与树木的生长状况密切相关，其中非生物环境因素是人工林立地类型划分的主要根据[24]，在此调查区，气候条件基本不变，立地差别主要由地形因子影响。根据洛南地区地形特征和研究需要，本研究选取的因子为海拔、坡度、坡向、坡位和林龄(表1)。本研究调查林区海拔主要为800～1 140 m，将实测样地海拔高度分为2个相对的等级：海拔<970 m为低海拔，海拔≥970 m为高海拔；根据林区所测样地位置，将固定样地分为上坡(山坡相对高2/3以上)、中坡位(山坡相对高1/3～2/3)和下坡位(山坡相对高1/3以下)3部分；将坡度陡峭程度相对分为3类，分别为急陡坡(≥35°)、较陡坡(20°～35°)以及平缓坡(<20°)；坡向分为阴坡和阳坡。

表1 立地因子类目划分

2.3 数据处理

用SPSS统计分析软件进行数据处理、计算以及相关性分析。根据样地采集的数据，利用数量化理论Ⅰ，将海拔、林龄、坡度、坡向和坡位5项作为类目，各因子不同的分级作为对应的类别。将每一类目对应的观察值为0或者1，建立[0,1]反应矩阵表。用Forstat进行数量化理论Ⅰ的分析[25]，建立油松平均高与因子的预测方程，并对各立地因子、水平数量化综合系数及检验。将立地分类结果用数量化理论Ⅱ建立判别模型，并考察该模型的判别能力[26]。

3 结果与分析

3.1 不同林龄油松优势木生长情况

本研究以海拔、坡度、坡向、坡位为主要立地因子设置了不同立地类型的63块油松人工林样地，调查样地内油松的树高、胸径、冠幅等生长指标，对不同林龄的油松人工林内优势木的生长因子进行对比分析(图1)。随着林龄的增长，林分在胸径(图1A)、树高(图1B)及单株材积(图1C)的增长上均存在显著差异。油松人工林在第10～20年时胸径及树高增长最为显著，由5.0 cm、3.4 m分别增长为8.3 cm和7.3 m；油松人工林在10～20 a和20～30 a平均单株材积增长量较高，分别为0.019 0 m3和0.016 0 m3，而30～40 a有所下降，为0.001 0 m3。

注：A.平均树高；B.平均胸径；C.平均材积；图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 各因子方差分析

利用数量化理论研究立地类型对于调查区内不同林龄油松人工林的影响。由于立地因子对树高生长的影响较大[27]，故此次调查根据63块样地采集的数据，应用数量化理论Ⅰ，在Forstat中对各立地因子的不同水平进行方差分析(表2)。林龄对油松树高的影响达到极显著水平(P<0.01)，坡度对树高的影响也较显著(P<0.05)，利用相同的处理对胸径的影响因子进行研究发现，海拔和坡度对于油松胸径生长的影响显著。

3.3 数量化理论Ⅰ预测方程

根据预测方程计算出待定系数值，将系数带入方程得到各样地平均高的预测方程：Y=2.849 098+0.497 629X11+X12+0.125 249X21+X22+0.343 571X31+0.353 796X32+X33+0.462 006X41+0.762 331X42+X43+3.290 282X51+4.587 983X52+5.713 083X53+X54。此预测方程是关于林龄、海拔、坡向、坡位和坡度5个因子的量化方程，式中系数表示每个类目的得分，即可算出不同类目的得分值。Y代表树高平均值；X11、X12、...、X55代表5个因子划分的15个变量，其中X1代表海拔(X11、X12分别代表高海拔，低海拔)，X2代表坡向(X21、X22分别代表阴坡和阳坡)，X3代表坡位(X31、X32、X33分别代表下坡、中坡、上坡)，X4代表坡向(X41、X42、X43分别代表较陡坡、平缓坡、急陡坡)，X5代表林龄(X51、X52、X53、X54分别代表20、30、40 a和10 a)。由预测方程及得分值可知，随着坡度的增大，立地的得分值越低。高海拔(≥970 m)、阴坡、中坡位且平缓坡在所属类别中分别得分最高，即这些条件更利于油松的生长。

表2 油松人工林各因子方差分析

3.4 立地得分与立地分类质量评价

根据不同类目的得分值可计算出在4个立地因子影响下，本研究的油松人工林样地得分值，并以其为依据划分立地质量评价等级(表3)。根据预测方程运算的每块样地的得分值，各立地因子代数和最大值为1.60，最小值为0。将计算出的立地得分值按大小顺序3等分，分别对应3个等级作为立地质量评价等级，即等级Ⅰ(优，得分值≥1.07)、Ⅱ(中，0.53≤得分值<1.07)、Ⅲ(差，得分值<0.53)。

表3 调查样地得分评价

本研究调查的63块样地中，有45块样地的得分值>0.53，即调查样地中71.43%的油松人工林样地立地质量评价在中级以上，表明洛南地区内油松人工林种植区域生长条件较好。确定立地质量评价等级后，根据海拔、坡向、坡位、坡度对洛南地区的油松人工林划分立地类型，进行质量评价(表4)。本研究在立地分类时，依据结果将油松人工林立地类型划分为36种，其中有29种立地质量处于中等及中等以上水平，适宜种植油松。

表4 立地分类结果

3.5 数量化理论Ⅱ判别分析

为迅速准确地判别立地质量，采用数量化理论Ⅱ建立了陕西洛南油松人工林立地质量类型判别模型。选取坡向、坡位、坡度和海拔作为评价指标，以51组样本数据进行训练，得到了立地质量的判别系数矩阵(表5)，确定不同立地质量样本在空间中的样本中心判别坐标分别为：立地质量优组样本中心点P1=(0.102 618，0.011 14)；立地质量中组样本中心点P2=(-0.008 306，-0.193 31)；立地质量差组样本中心点P3=(-0.242 452，-0.027 41)。利用该模型对训练样本进行回判，判别结果正确率达88.82%。

表5 判别系数矩阵

将该数量化理论Ⅱ判别模型用于判别预测余下的12组样本数据，对该判别模型进行检验(表6)，仅有待判样地1判断有误，正确率达91.67%，表明该模型具有良好的判别能力，可以用来判别预测洛南油松人工林的立地质量。

表6 待判样地结果

4 结论与讨论

4.1 讨论

本研究对不同林龄油松优势木生长因子调查表明，油松人工林在10～20 a时胸径及树高生长较为迅速，随后生长较之前缓慢。李校等[16]研究表明树高的平均生长量在早期逐渐升高，至15 a后缓慢，而胸径的平均生长量逐渐增加，至10 a后逐渐下降，至20 a时降至最低，这也解释了本次研究时出现的现象，而单株材积与胸径和树高有着正相关的关系，因此出现了增长的现象。

近年来，基于测树因子调查，已有大量的研究应用数量化理论Ⅰ进行立地质量评价[28-30]。为获取更具普遍性的规律，以油松平均树高作为因变量，海拔、坡度、坡向等作为自变量来建立方程，经分析评价结果表明，油松适宜在高海拔(≥960 m)、阴坡、中坡位且平缓坡的地方生长。在此基础上，本研究还选取海拔、坡向、坡位和坡度作为评价指标利用数量化理论Ⅱ，建立立地质量评价模型，准确度达91.67%，表明该模型可以准确的预测立地质量，可在实践中利用。在此前的研究中，一些学者针对油松适宜生长的立地提出了不同的观点。段高辉等[12]通过立地质量评价认为油松林在阳坡、低海拔(<1 400 m)且地势平缓条件长势较好，而本研究的海拔分区更为细致，研究结果表明在高海拔(≥960 m)条件下长势更好。张春霞等[31]在陕西黄陵的研究表明油松最适宜生长的立地条件为阴坡、下坡位及平缓坡，在王梅[32]以及韩文娟等[33]的研究中发现，无论是油松平均树高、胸径等生长因子，还是土壤养分、灌木物种的丰富度及多样性指数，均表明油松较宜生长在阴坡条件。这主要是由于在陕北地区，水肥条件较差是限制油松生长的关键性问题。阳坡温度高，土壤含水率低，林木的生长受到制约，而阴坡具有较强的保水保肥能力，水分状况明显好于阳坡，更适宜油松的生长。并且阴坡与阳坡在土壤结构及土壤养分上也存在着一定的差异[13,33]，这也可能是导致阴坡和阳坡油松人工林种群生长发育情况不同的原因之一。

目前，在黄土高原上，油松人工林主要还是在于发挥其水土保持及维护生物多样性的功能[16]。而洛南油松人工林立地质量评价得分为0～1.603 531，整体得分值偏低。并且在张晓文等[34]的研究中指出河北平泉油松胸径平均生长量在5～10 a最大，峰值可达到0.51～0.63 cm·a-1，而本研究总体样本生长量偏小。笔者认为主要有2个原因导致此结果。首先，油松在调查区范围内生长的主要限制因子是水分，调查洛南地区的样地坡度较大，土层相对较薄，涵养水源能力较差，而油松为深根性树种，入土较深[35]，故油松生长情况不理想。其次，在油松林栽种后，几乎未对油松进行定株，导致林分过密，对油松的生长造成了一定的影响，可通过疏伐调节林分密度改善油松的生长情况。从整体评价结果来看，洛南油松人工林区域仍有较大的增长空间，仍需加强对于相应林分的经营管理。在今后的经营中，首先应当考虑立地因子，选择适宜立地条件种植，其次应适当疏伐，移植阔叶树种，改善林分状况，提高林地生产力，使其能够向可持续方向发展。

本研究还存在着一定不足，研究仅观察了油松林的生长状况并采用了数量化理论的评价方法，未与其他评价方法进行比较，没有探讨土壤对于油松人工林生长的影响。因此在未来还需要加强研究深度及与其他各项指标建立相关性，从而提高对于立地质量评价的准确性。

4.2 结论

对于油松人工林的生长状况研究发现，随着林龄的增长，油松人工林各项生长指标均有显著的增高，尤其在第10～20年时树高和胸径增长迅速，随后至第40年时生长速度较快，而单株材积在第10～30年增长较为显著。

在对洛南的大环境进行综合分析的基础上，选择海拔、坡度、坡向、坡位作为影响因子，将洛南古城林场地区划分为29个立地类型区。根据数量化理论Ⅰ模型得出油松平均高的预测方程，经检验该方程可以评价洛南油松人工林立地质量。

采用数量化理论Ⅰ对洛南地区油松人工林的立地质量进行了评价，其中Ⅰ、Ⅱ级均表明立地较适宜油松生长。结果表明，71.43%的油松人工林样地立地质量评价在中级以上，表明调查区域内油松人工林立地条件较好，适宜油松生长。

选取海拔、坡向、坡位和坡度作为评价指标利用数量化理论II，建立立地质量评价模型，准确度达91.67%，表明该模型可以准确预测洛南古城林场的立地质量，以便今后在实践中利用。