川黄柏一年生实生苗质量的分级标准*

刘年元，钟青山，向祖恒，彭先凤,曾慧杰，向 华，向 明，向才海，黄正明

(1.湖南省湘西土家族苗族自治州林业局，湖南 吉首 416000；2.湖南省龙山县林业局，湖南 龙山 416800：3.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

川黄柏(Phellodendronchinense)，也叫川黄檗、黄柏、黄皮树，是芸香科黄檗属落叶小乔木[1-2].黄柏是武陵山区传统的“三木药材”之一，其干燥树皮入药，具清热解毒、泻火燥湿等功能[2].龙山县是川黄柏主产区，中低山普遍栽培.“龙山黄柏”于2019年获国家农业农村部“农产品地理标志”(AG102618).川黄柏用1年生实生苗造林.苗木质量分级是检验苗木培育成效、选择合格造林苗木的主要依据.苗木质量由地径、苗高、高径比、冠幅、全苗生物量、主根长、侧根数等因子决定.现有研究表明，全苗生物量是评价苗木质量的最佳指标[3]，地径、苗高与全苗生物量相关性最强,可作为苗木分级的代表指标[4-5]，地径是影响全苗生物量的主导因子[6].苗木质量分三级，Ⅰ、Ⅱ级为合格苗，用于造林；Ⅲ级不合格，不能用于造林.国内苗木质量分级方法主要有聚类法[7-12]、主分量法[5,11]和标准差法[12-14].目前，川黄柏苗木质量分级尚无研究报道.为利于指导生产实践，推动川黄柏实生苗培育规范化、标准化，笔者以湖南省龙山县大安乡2020年培育的川黄柏实生苗为研究对象，以地径和苗高为代表指标，通过样方调查获取分析样本，用K-均值聚类法及标准差法对川黄柏1年生实生苗质量分级标准开展相应研究，经综合分析，确定川黄柏苗木质量分级标准.

1 材料与方法

1.1 苗圃地自然概况

川黄柏育苗地位于湖南省龙山县大安乡大红村、西堰村，海拔1 050 m(大红村)及900 m(西堰村).该区域属亚热带山地季风湿润气候，年均气温11.2 ℃，极端低温-11.9 ℃，极端高温35.0 ℃，≥15 ℃活动积温2 669.8 ℃，无霜期240 d，年均降水量2 064.6 mm，年日照时数935.2 h，年日照百分率21%.苗圃地为页岩发育的山地黄棕壤，属常耕旱土.

1.2 苗木培育概况

2019年秋季采集成熟(变黑)果实，揉搓、淘洗出种子，晾干，干藏.2020年春季选择土壤深厚肥沃的旱土，深耕、细致整地，作宽1.2 m苗床，施1 500 kg/hm2复合肥作基肥，条状撒播，播种量750～900 kg/hm2；发芽出苗后及时防病除草；真叶3～4片时，间除、移植过密幼苗；5～7月追施尿素3次，每次30～45 kg/hm2；立秋后停止追肥.大红村及西堰村2个点共育川黄柏苗4 hm2.

1.3 苗木调查方法

在龙山县大安乡大红村、西堰村1年生川黄柏实生苗圃地，选择培育质量较好的丘块2块，作为样方调查对象.

N=(tC/E)2.

(1)

(2)样方调查.在圃地中央，按相同间距均匀设置1 m×1 m的苗木样方N个，用游标卡尺及钢卷尺实测样方内每株苗木的地径(D)及苗高(H).

(4)抽样精度控制.利用N个样方调查数据按公式(2)计算抽样精度，精度大于95%时抽取的样本符合要求，精度小于95%时需增加调查样方数，直至精度符合要求.

抽样精度

(2)

1.4 苗木质量分级方法

1.4.1K-均值聚类法 将样方调查获取的统计分析样本的D值和H值按以下标准化公式计算：

(3)

其中：X为D和H测量值，i为D或H，j为样苗号；Xmax为样本最大值;Xmin为样本最小值.

按D和H标准化值之和由大到小排序，将排序后的标准化值按等距原则划分12层，用分层抽样法按5%的比例随机抽取相应数量的样苗作聚类分析样本，各层抽取数量按四舍五入原则整化.将样苗D+H、D、H标准化值用SPSS22.0软件，按K-均值聚类法聚成3类，获取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级苗凝聚中心坐标.各级苗木聚集在以凝聚中心为圆心、以d为凝聚半径的圆内.凝聚半径d的计算公式为[10]

(4)

其中K=1，SD，SH为各级苗D和H标准化值的标准差.

根据Ⅰ、Ⅱ级苗凝聚中心坐标及凝聚半径d值确定Ⅰ、Ⅱ级苗下限[7-8].以D为横坐标，H为纵坐标，将Ⅰ、Ⅱ级苗凝聚中心绘于平面坐标上，根据凝聚中心D值、H值及d值，利用相似三角形原理计算Ⅰ、Ⅱ级苗下临界点标准化坐标值.利用公式(3)将Ⅰ、Ⅱ级苗下临界点标准化坐标值还原，得出Ⅰ、Ⅱ级苗下临界点D值和H值.

1.4.3 综合评定法 用K-均值聚类法及标准差法划分的各级苗木分级值，对统计分析样本进行验证，获得不同分级方法各级苗木株数百分率，根据较合理的Ⅰ、Ⅱ级苗株数百分率确定各级苗木分级标准.

2 结果分析

2.1 调查结果

前期踏查获得川黄柏苗木样方最大株数53、最小株数13，用公式(1)计算得到应调查苗木样方数68个，为确保调查可靠性及精度，实际调查72个样方，获得2 573株苗木D值和H值，统计获得平均值、标准差，剔除D值和H值超过“平均值±3倍标准差”范围的异常植株9株，实际分析样本2 564株.

72个样方2 564株样苗D值和H值统计结果见表1，抽样精度P大于95%(表2)，符合抽样要求.

表1 川黄柏苗木样方调查统计Table 1 Survey of Phellodendron Chinense Seedling Sample Plots

表2 川黄柏苗木抽样调查精度Table 2 Statistics of Sampled Phellodendron chinense Seedlings

2.2 K-均值聚类法分级

将2 564株样苗D值和H值标准化后分层，抽样获得128株聚类分析样苗的标准化值，用SPSS22.0软件按K-均值聚类法，经9次迭代聚为3类(表3和表4).

表3 聚类成员Table 3 Cluster Members

表4 最终聚类中心Table 4 Result of Cluster Center

由表4可见，第1类(Ⅰ级苗)凝聚中心坐标(0.649 3，0.706 6)，第2类(Ⅱ级苗)凝聚中心坐标(0.347 2，0.520 7)，第3类(Ⅲ级苗)凝聚中心坐标(0.128 7，0.244 3).

128株分析样苗经K-均值聚类后归为3类(表3)，1类(Ⅰ级苗)37株，2类(Ⅱ级苗)48株，3类(Ⅲ级苗)43株.利用SPSS22.0软件对1类样苗37株、2类样苗48株的D和H标准化值作描述统计，获得Ⅰ级苗D和H标准化值标准差SD1=0.116 4，SH1=0.080 4，Ⅱ级苗D和H标准化值标准差SD2=0.083 4，SH2=0.084 5，根据公式(4)计算出Ⅰ级苗凝聚半径0.141 5，Ⅱ级苗凝聚半径0.118 7.

以D为横坐标，H为纵坐标，根据Ⅰ、Ⅱ级苗凝聚中心坐标值及凝聚半径d值，利用相似三角形原理计算出Ⅰ、Ⅱ级苗下临界点标准化坐标值：Ⅰ级(0.553 6，0.602 4)，Ⅱ级(0.281 3，0.491 2).利用公式(3)将下临界点标准化坐标值还原，得Ⅰ级苗下临界点坐标(1.091，110.79)，Ⅱ级苗下临界点坐标(0.653，81.20)，即：Ⅰ级苗D≥1.091 cm，H≥110.79 cm；Ⅱ级苗0.653≤D<1.091 cm，81.2≤H<110.79 cm；Ⅲ级苗D<0.653 cm，H<81.2 cm.

聚类分析法是适用苗木质量分级的一种系统、科学方法[10]，K-均值聚类也叫快速聚类，是苗木质量分级的重要方法之一.根据表3可计算出128株样苗中1，2，3类苗株数百分率分别为28.9%，37.5%，33.6%，即Ⅰ级苗28.9%，Ⅱ级苗37.5%，Ⅲ级苗33.6%.Ⅰ、Ⅱ级苗株数百分率计66.4%，百分率偏低，应与该批苗木部分样方密度较大、弱小苗木较多(表1)有关，该批苗木整体培育水平有待提高.

2 564株样苗验证结果表明(表5)，样苗中Ⅰ级苗22.0%，Ⅱ级苗32.7%，Ⅰ、Ⅱ级苗计54.7%，明显低于128株样苗聚类结果.用聚类分级指标对原128株聚类分析样苗进行验证(表6)，也表明用聚类分级标准划分的Ⅰ、Ⅱ级苗株数百分率明显低于聚类分析结果.K-均值聚类是基于D和H标准化值之和进行的，而根据聚类分析得出的标准化值的还原值划线确定的D值和H值，会漏掉D值笔H值迭加上线植株，导致以D值和H值分别划线的标准高于K-均值聚类所代表的实际水平，因此K-均值聚类划分的苗木质量分级标准需适当降低.

表5 K-均值聚类分级2 564株样苗验证Table 5 Test of 2 564 Seedlings by K Averaged Value Cluster Classification

表6 K-均值聚类分级128株样苗验证Table 6 Test of 128 Seedlings by K-Averaged Value Cluster Classification

2.3 标准差法分级

表7 川黄柏苗木标准差法分级结果Table 7 ClassificationResult of Standard Deviation Method on Phellodendron Chinense Seedling

2.4 川黄柏苗木分级标准综合评定

表8 川黄柏苗木分级综合比较Table 8 Comprehensive Comparison of Phellodendron Chinense Seedling Classification

由表8可见，综合评定的B套质量标准最接近K-均值聚类Ⅰ、Ⅱ级苗株数百分率，因此，川黄柏1年生实生苗质量分级宜选择综合评定B套质量标准：Ⅰ级苗D≥1.0 cm，H≥100 cm；Ⅱ级苗0.6 cm≤D<1.0 cm，60 cm≤H<100 cm；Ⅲ级苗D<0.6 cm，H<60 cm. 在该标准下，本次研究样本Ⅰ、Ⅱ级苗占比64.8%.

3 讨论

(1)川黄柏1年生实生苗质量分级标准：Ⅰ级苗地径D≥1 cm，苗高H≥100 cm；Ⅱ级苗地径D0.6～<1 cm，苗高H60～<100 cm；Ⅲ级苗地径D<0.6 cm，苗高H<60 cm.

(2)以地径、苗高为代表，用K-均值聚类法划分苗木质量等级，存在分级标准值偏高问题，需适当降低.K-均值聚类是基于地径、苗高2个关键性代表因子标准化值之和进行的，其聚类结果各类株数百分率是科学可信的，但根据聚类标准化值还原的地径、苗高值分别划线，会漏掉地径、苗高迭加上线的个体，导致实际划分标准值偏高，这种偏差可能会因树种不同或苗木整体质量差异而变化.根据K-均值聚类获得的各类苗木株数百分率，对聚类分析获得的分级标准值适度调整是科学合理的.

(4)川黄柏是速生树种，苗期生长量与漆树、臭椿、檫木、华榛接近，根据《主要造林树种苗木质量分级》(GB6000—1999)，漆树、臭椿、檫木Ⅰ、Ⅱ级苗株数应达75%，而作为本研究对象的川黄柏，Ⅰ、Ⅱ级苗株数仅66.4%，百分率偏低.影响苗木Ⅰ、Ⅱ级苗株数百分率的主要因子是密度，密度越大，Ⅰ、Ⅱ级苗株数百分率越小.川黄柏高密度样方的存在，是导致本研究Ⅰ、Ⅱ级苗株数百分率偏低的主要原因.生产上应注意控制苗木密度，及时间除过密植株，提高苗木整体质量，增加Ⅰ、Ⅱ级苗占比.

(5)川黄柏既适宜旱土育苗，也适宜水稻土育苗，通常水稻土水肥供应能力较旱土强，其苗木生长量应更大.本研究仅针对川黄柏的旱土育苗，存在一定的局限，未来应增加水稻土培育研究，使川黄柏苗木质量分级标准更合理、更全面、更科学.