西北地区红桦天然次生林立地质量评价

王泽龙,李泽义,陈邑烜,马孟良,姜在民,蔡 靖,3*

(1.西北农林科技大学 林学院,陕西 杨陵 712100;2.西北农林科技大学 生命科学学院,陕西 杨陵 712100;3.陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站,陕西 宁陕 711600)

森林的生长和发展与立地质量息息相关,立地质量评价是掌握和研究森林生长环境以及环境对森林生产力影响的一个重要手段,是科学开展造林规划设计、森林抚育经营等林业生产实践的基础,对实现森林可持续经营具有极其重要的意义[1-4]。

目前国内外学者多用树高作为立地质量评价的指标,主要方法有立地指数、立地形、地位级法[5-8]。地位级法简便易行,但相比立地指数法其精度和准确性较差。立地指数法在人工林中应用较广,其优势在于优势树高受林分密度影响较小,能够比较客观地反映森林立地质量[9]。然而在异龄林或混交林中,林分年龄这一概念意义不大,因此立地指数不适用于异龄林,且在一些国家森林调查中主要调查林分的平均年龄,由于优势木年龄数据缺乏,限制了立地指数的应用[10-11]。立地形法回避了林分年龄的问题,所以适用于异龄林和混交林,但立地形受林分密度影响较大。因此目前有关立地质量评价方法还是以立地指数为主,立地形的应用较为少见,其评价效果有待进一步研究。

红桦(Betulaalbosinensis)是我国特有树种,具有较高的观赏价值和经济价值,其适应能力强,是我国北方高海拔地区重要的先锋造林树种,也是高山主要成林树种[12-13]。但现存红桦原始林较少,多为天然次生林,且普遍存在林内环境差、林木质量低等问题[14]。开展红桦天然次生林立地质量评价是解决上述问题,充分发挥林地生产力的一项重要基础研究。马俊[15]建立了秦岭南坡的红桦天然次生林立地指数模型,但区域相对有限,目前未见有关红桦天然次生林立地形方面的研究。本研究通过对西北地区红桦主要分布地进行样地调查,编制立地指数和立地形表,以期科学评价西北地区红桦天然次生林的立地质量,对实现红桦高质量森林经营管理和可持续发展具有现实和长远意义。

1 材料与方法

1.1 数据收集与预处理

在陕西火地塘林场、甘肃洮坪林场、宁夏二龙河林场、青海北山林场等红桦天然次生林分布较为集中地区,按照海拔、坡向、坡位等因子共设置临时样地85块,样地以红桦纯林为主,大小为20 m×20 m。样地内进行每木检尺,每个样地选择树高最高、不受其他林木挤压、无病虫害、无断梢的优势木3株,并用生长锥钻取树芯,确定树龄,数据统计信息见表1。对于调查数据,按龄级5 a、径阶2 cm整化,计算各龄级、径阶优势木平均树高和标准差,±3倍标准差为界剔除该龄级或径阶范围之外的异常点。样地数据中80%用于拟合,20%用于检验。

表1 样地林分因子统计数据描述

1.2 研究方法

1.2.1 导向曲线的选择 以各样地优势木树高、年龄、胸径的算术平均值为材料,选用9个常用的树木生长模型来拟合胸径-树高、年龄-树高生长曲线[16](表2),最终选择相关性最大以及残差平方和最小的模型作为导向曲线。

表2 树木生长备选模型

1.2.2 立地指数和立地形表的编制 立地指数和立地形表的编制方法基本一致,本研究采用相对优势高法进行编表[17]。计算公式如下

Kj=H0j/H0k

(1)

Hij=KjHik

(2)

式中:Kj为各龄阶立地指数的调整系数;H0j是基准年龄的树高值;H0k是基准年龄的树高理论值;Hij是第i龄阶第j指数级的树高值;Hik为各龄阶的树高理论值。

1.2.3 立地指数和立地形表的检验 利用40个检验样本数据进行落点检验和卡方检验。落点检验以检验样本数据作散点图,将其绘制于立地指数曲线图和立地形曲线图上,计算样本数据溢出情况。卡方检验的目的是检验立地指数曲线和立地形曲线与优势木的树高生长趋势是否存在显著差异,计算公式如下

(3)

式中:Ht代表树高理论值;H0代表实际树高值。

2 结果与分析

2.1 编制红桦天然次生林立地指数表的可行性检验

立地指数法主要适用于同龄纯林,因此需要对红桦天然次生林是否适用立地指数进行检验。孟宪宇等[18]认为,天然次生林的径阶分布如果与正态分布没有显著性差异,便可视为“相对同龄林”。由于本研究样地设置以红桦纯林为主,故只需对林分的径阶分布进行正态分布检验即可。随机抽取一块样地,运用Origin 2019绘制林分胸径分布直方图(图1),可以看出胸径结构为一条主要分布于8～14 cm、以11 cm为峰点的单峰山状曲线,近似于正态分布曲线,说明该样地的红桦天然次生林符合“相对同龄林”特征。其他样地作相同分析,结果基本一致,因此本研究区域中的红桦天然次生林可视为“相对同龄林”。

图1 林分胸径结构分布频率

2.2 导向曲线拟合结果

用于拟合导向曲线的数据见图2、图3,采用SPSS 20软件对所选9个备选模型进拟合(表3)。年龄-树高关系拟合中,Sigmodial模型的决定系数最大(0.615);残差平方和最小;胸径-树高关系拟合中,同样是Sigmodial模型的决定系数最大(0.708),残差平方和最小。因此选择Sigmodial模型作为立地指数和立地形的导向曲线。其中,立地指数导向曲线方程为

图2 年龄-树高数据散点图及导向曲线

图3 胸径-树高数据散点图及导向曲线

表3 树木生长备选模型拟合结果

H=18.073/{1+exp[-(A-22.571)/9.144]}

(4)

立地形导向曲线方程为

H=19.793/{1+exp[-(D-12.218)/6.588]}

(5)

式中:H为优势木树高;A为优势木年龄;D为优势木胸径。

2.3 基准年龄(胸径)和指数级距确定

2.3.1 基准年龄(胸径)的确定 基准年龄对于立地指数表或立地形表的准确编制影响十分明显,选择不当会对立地质量评价造成偏差,一般选择树高生长趋于稳定且能灵敏反映立地差异的年龄作为基准年龄[19-20]。由图2可知,红桦在40 a以后的生长趋于稳定,其成熟年龄一般为80 a,故将红桦的基准年龄定为40 a。

为更好地比较2种评价方法的精度,选择基准年龄对应的胸径作为基准胸径。运用表3中的模型对年龄-胸径关系进行拟合(图4),其中自变量为年龄,因变量为胸径,经过筛选,Richard方程为最优模型,表达式为

图4 年龄与胸径关系拟合

D=30.814×[1-exp(-0.05×A)]2.402

(6)

将基准年龄A0=40代入式(6),求得D为20.7 cm,为方便编表,最终确定基准胸径为20 cm。

2.3.2 指数级距的确定 指数级距主要根据在基准年龄(胸径)时树高的绝对变动幅度及经营水平来确定。根据编表数据,在基准年龄40 a时优势木树高的最大值为20 m,最小值为10 m;在基准胸径20 cm时优势木树高最大值为19.5 m,最小值为10.1 m。根据红桦的生长特性和树高分布差值,确定指数级距为2 m,最终划分10、12、14、16、18、20 m共6个立地质量等级。

2.4 立地指数表和立地形表

以导向曲线为基础,按基准年龄(胸径)时的树高和指数级距,采用相对优势高法,可编成立地指数和立地形表(表4、表5)。

表4 红桦立地指数

表5 红桦立地形表

2.5 立地指数与立地形表检验

2.5.2 落点检验 在立地指数曲线簇和立地形曲线簇中绘制检验样本的散点图。立地指数落点检验中(图5),散点在曲线范围外的有2个,占散点总数的5%,检验精度为95%;立地形落点检验中(图6),散点在曲线范围外的点有1个,占散点总数的2.5%,检验精度为97.5%。两者误差均较小,说明所编立地指数和立地形表能够较好地反映红桦天然次生林的立地质量,符合精度要求。

图5 立地指数落点检验

图6 立地形落点检验

2.6 立地指数与立地形模型的相关性

2.6.1 树高生长预测的相关性 以检验样本为例,通过查表确定每个样地的立地指数和立地形,计算其龄阶和径阶对应的树高理论值并进行线性拟合(图7)。理想情况下应该为y=x的直线,说明2种方法对树高生长预测具有高度的一致性。经过拟合,得到方程SF=1.255+0.934×SI,相关系数为0.897,说明两者在树高生长预测中具有高度相关性。

图7 立地指数与立地形树高预测值线性拟合

2.6.2 立地质量评价的相关性 作为评价同一研究对象的2种不同方法,在评价结果上应该具有较好的相关性,即对于同一个样地,应该划分为相同的立地质量等级。为方便比较,分别用1、2、3、4、5、6表示10、12、14、16、18、20 m共6个不同立地质量等级。将全部样地通过查立地指数和立地形表,确定其立地质量等级(表6)。比较发现,2种方法在立地质量等级划分上存在一定的一致性,就整体立地质量而言,均呈现正态分布趋势,立地质量等级划分相同的样地共39块,占比47.56%。但2种方法也存在一定的差异性,其中立地形中等级3、4所占比例最高,分别为39.02%、37.80%,其次是等级2,占比10.98%;立地指数中立地质量等级占比最高的是等级4、5,分别为40.24%、21.95%,其次是等级3,占比15.85%。立地指数等级高于立地形的样地共30块,占比36.59%,总体来看,立地指数对立地质量等级的评价高于立地形。

表6 2种方法立地质量等级划分的比较

2.7 不同地区的立地质量比较

按照编制的立地指数和立地形表对4个地区的立地质量进行评价(表7),陕西火地塘林场样地的立地质量主要为4、5、6级,宁夏二龙河林场样地的立地质量主要为3、4、5级,青海北山林场和甘肃洮坪林场样地的立地质量主要为2、3、4级。因此,总体来看,陕西火地塘林场的立地质量最好,宁夏二龙河林场次之,青海北山林场和甘肃洮坪林场立地质量则一般。

表7 不同地区立地质量等级比较

3 讨论

3.1 立地指数和立地形的适用性

利用立地指数来评价立地质量主要基于以下假设:优势木树高的生长取决于立地质量,与林分密度无关。这一点在很多研究中已被证实,并且有大量学者将这一方法应用于栓皮栎(Quercusvariabilis)、楠木(Phoebezhennan)等天然次生林的立地质量评价中,均取得了良好的评价效果[5,18,21-23]。本研究通过绘制林分胸径结构分布图,验证了红桦天然次生林符合“相对同龄林”的基本特征,这为立地指数法的应用提供了重要基础,同时从模型拟合和评价结果来看,立地指数法在红桦天然次生林中具有良好的适用性。与马俊[15]在秦岭南坡红桦天然次生林的研究相比,本研究扩大了研究范围,提高了模型预测精度,能够为西北地区红桦天然次生林评价提供较为可靠的依据。立地形评价立地质量主要基于2个假设:①树高胸径关系和立地质量之间存在确定相关关系;②林分密度对优势木树高胸径关系影响不显著[24]。Fu等[25]在对吉林省中东部地区的蒙古栎和朝鲜松天然林中的研究证明了以上假设的成立。李清顺等[26]在对马尾松的研究中认为,当优势木生长不受周围树木竞争的影响时,可以忽略林分密度对优势木胸径树高关系的影响,本研究调查区域的红桦天然次生林样地,林分密度指数均在1 000以下,且红桦为唯一优势树种,因此林分内生长竞争较小,基本能够满足上述条件,这为立地形在红桦天然次生林中的应用提供了重要基础。立地形与林分断面积以及衡量立地质量的生态指标之间存在显著相关关系[27-31],后续可以补充研究立地形与林分蓄积量之间的关系,以便建立与立地生产力的直接关系,从而进一步证明立地形评价立地质量的科学性。

3.2 立地形与立地指数比较

通过对2种模型进行卡方检验和落点检验比较,立地形模型的卡方值小于立地指数模型,落点检验精度大于立地指数模型,说明立地形对于树木生长的预测和立地质量的反映均优于立地指数。从年龄与树高、胸径拟合的结果看出,随着年龄的增长,胸径和树高的增长速度并不一致,红桦在40 a前树高快速增长,40 a之后树高生长速度极为缓慢,而胸径的增长则表现出更好的稳定性,同样从树高与年龄、胸径的拟合结果来看表现出相同的规律,这可能是立地形在红桦立地质量评价中表现出更高精度的主要原因。从2种方法对树高生长预测方面来看,两者拟合相关系数为0.897,具有高度相关性。沈剑波等[32]在长白落叶松人工林中对2种方法相关性也进行了比较,但结果表明2种方法相关性较差,可能是因为人工林相比天然次生林更易受到人为因素的干扰,从而影响了林分密度,降低了立地形评价的准确性。有学者提出通过建立多隐含层神经网络方法为基础的立地形模型,可以显著提高立地形与立地指数的一致性,这也为立地形代替立地指数提供了更加可靠的思路[21]。

4 结论

对西北地区红桦天然次生林进行样地调查,得到257组优势木数据,选取9个树木生长模型进行年龄-树高关系、胸径-树高关系拟合,确定立地指数导向曲线H=18.073/{1+exp[-(A-22.571)/9.144]}和立地形导向曲线H=19.793/{1+exp[-(D-12.218)/6.588]},运用相对优势高法编制了立地指数和立地形表,落点检验精度分别为95%和97.5%,并通过了卡方检验,可作为西北地区红桦天然次生林立地质量评价的依据。

立地指数和立地形在红桦天然次生林的立地质量评价中表现出较好的一致性,在4个不同地区的立地质量评价中,陕西火地塘林场立地质量最优,宁夏二龙河林场次之,青海北山林场和甘肃洮坪林场立地质量一般。在实际生产应用中胸径相比年龄数据更易获取,且测定更准确,当缺乏优势木年龄数据时,在选取符合条件的优势木的基础上,可以考虑用立地形作为评价红桦天然次生林立地质量的指标。