李業(yè)宇 ，曹幫華，倪智雄，宋 勇，黃 恒，趙文軒，付錦雪

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 黃河下游森林培育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2.山東徂徠山林場(chǎng)，山東 泰安 271027）

樹(shù)木的生長(zhǎng)與其所處的立地條件密切相關(guān)[1]。從二十世紀(jì)九十年代起，國(guó)內(nèi)外林業(yè)和生態(tài)學(xué)工作者就對(duì)林地立地類(lèi)型的劃分和質(zhì)量評(píng)價(jià)工作十分重視，視它為適地適樹(shù)和科學(xué)造林、營(yíng)林的理論基礎(chǔ)[2]。森林立地分類(lèi)和質(zhì)量評(píng)價(jià)是林業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作[3-4]。林業(yè)生產(chǎn)具有生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、見(jiàn)效慢、商品率高、占地面積大、受地理環(huán)境影響強(qiáng)、林木資源可再生等特點(diǎn)。在研究林業(yè)實(shí)踐問(wèn)題時(shí)，不僅數(shù)據(jù)量大，而且涉及很多環(huán)境因子，但是，在這些因子中，哪些是主導(dǎo)因子，究竟改良這些影響因子的哪些方面所帶來(lái)的效益最大，目前在我國(guó)還是一個(gè)十分重要的課題[5]。

刺槐Robinia pseudoacacia是我國(guó)落葉闊葉林中栽植范圍最廣泛的人工林樹(shù)種，分布在23°～ 46° N，84°～124° E 的廣大區(qū)域[6]，具有抗旱、耐貧瘠、生長(zhǎng)快、干形良好、萌蘗力強(qiáng)、耐鹽堿等優(yōu)良特點(diǎn)，因此常用來(lái)保持水土、防風(fēng)固沙、改良土壤和四旁綠化[7-8]。目前對(duì)影響刺槐林生長(zhǎng)的立地條件已經(jīng)開(kāi)展了一些研究[9-10]。黃婷等研究表明陰坡刺槐林的土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、酶活性大于陽(yáng)坡，但陽(yáng)坡刺槐林的速效養(yǎng)分含量大于陰坡并且隨土層深度增加，刺槐林土壤含水量、全氮、速效養(yǎng)分以及酶活性降低，土壤pH 值升高[11]。王佑民則發(fā)現(xiàn)影響6 年生刺槐生長(zhǎng)的立地因子排序?yàn)榈孛膊课?、土壤、坡向、坡度、海拔高度[12]。侯淑艷構(gòu)建了評(píng)價(jià)體系將北京市低效人工林分為一級(jí)低效林、二級(jí)低效林、三級(jí)低效林和四級(jí)低效林[13]。張小泉等采用地位指數(shù)、標(biāo)淮林分蓄積量、土壤侵蝕性和保水蓄水性、立地期望值等一系列定性和定量指標(biāo)，分別對(duì)立地生產(chǎn)力、立地水保特性和立地經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，尋求一套合理的立地質(zhì)量多用途評(píng)價(jià)方法[14]。劉財(cái)富等篩選出包含5 個(gè)因子的立地指數(shù)最佳預(yù)估方程，編制了數(shù)量立地指數(shù)得分表[15]。

刺槐是山東省主要的荒山造林樹(shù)種，在水土保持、生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面發(fā)揮了重要作用。徂徠山地區(qū)是山東刺槐造林的典型地區(qū)，較高的海拔使得其造林的立地條件多樣，且在各個(gè)立地條件下均有分布。大部分刺槐林多營(yíng)造于上世紀(jì)五六十年代，造林時(shí)間長(zhǎng)，樹(shù)木生長(zhǎng)充分。因此，開(kāi)展徂徠山刺槐林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)周邊地區(qū)林分管理具有重要的指導(dǎo)意義，但目前還未開(kāi)展系統(tǒng)的研究。本文對(duì)徂徠山不同海拔、坡向、坡度、土壤厚度下的刺槐生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，利用回歸分析和數(shù)量化理論Ⅰ確定徂徠山刺槐生長(zhǎng)的主導(dǎo)環(huán)境因子，進(jìn)行立地分類(lèi)和立地質(zhì)量數(shù)量化評(píng)價(jià)，找出適宜刺槐林生長(zhǎng)的立地條件，為徂徠山及周邊地區(qū)刺槐林的經(jīng)營(yíng)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

山東省泰安市徂徠山林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為117°13′07″～ 117°25′11″ E，35°59′42″～ 36°05′18″ N，位于泰安市區(qū)東南20 km。林場(chǎng)始建于1956 年，橫跨泰安市岱岳區(qū)和新泰市，東西長(zhǎng)30 km，南北寬15 km，林場(chǎng)內(nèi)有山峰99 座，主峰太平頂海拔1 028 m，相對(duì)高差800 m，選擇樣地海拔272.3～891.7 m，土壤類(lèi)型為砂質(zhì)土，較為貧瘠。林場(chǎng)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷、雨雪較少，年平均降水量1 000 mm，年日照時(shí)數(shù)2 494.1 h，1 月氣溫最低平均－2.6℃，7 月氣溫最高平均26.4℃，年平均氣溫13.9℃，全年無(wú)霜期215 d。林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)面積9 000 hm2，有林地面積7 266.7 hm2，活立木蓄積量6.005×104m3，森林覆蓋率87.8%，是山東省第二大國(guó)有林場(chǎng)。林場(chǎng)內(nèi)共有植物資源449 屬789 種。植被以常綠針葉林和落葉闊葉林為主，樹(shù)種單一，主要是刺槐、赤松Pinus densiflora和麻櫟Quercus acutissima。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為充分研究地形因子對(duì)刺槐林生長(zhǎng)的影響，調(diào)查了不同海拔、坡向、坡度三個(gè)因子設(shè)置樣地，調(diào)查地形因子對(duì)刺槐林生長(zhǎng)的影響。在海拔上，選取了低（<400 m）、中（400～ 700 m）、高（>700 m）3 個(gè)水平；在坡向上選取了基本等海拔陽(yáng)、半陽(yáng)、陰坡3 個(gè)坡向；在坡度上，選取了等海拔、相同坡向的大（≥30°）、?。ǎ?0°）2 個(gè)坡度；同時(shí)，調(diào)查了等海拔、坡向、坡度基本一致的不同土壤厚度對(duì)刺槐林生長(zhǎng)的影響，選取了?。?30 cm）、中（30～ 60 cm）、厚（>60 cm）3 個(gè)土壤厚度，詳見(jiàn)表1。

表1 立地因子的類(lèi)目劃分Table 1 Classification of site factors

海拔、坡向、坡度和土壤厚度共11 個(gè)處理，每個(gè)處理梯度設(shè)置3 塊臨時(shí)樣地，大小為20 m×10 m，共33塊樣地。對(duì)每一樣地內(nèi)的樹(shù)木進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量其樹(shù)高、胸徑和冠幅。林地狀況見(jiàn)表2，研究區(qū)各刺槐人工林均為皆伐萌蘗。

表2 研究區(qū)刺槐人工林基本狀況Table 2 Information of R.pseudoacacia plantation in the study area

1.3 數(shù)據(jù)分析

以往關(guān)于適地適樹(shù)問(wèn)題已有大量研究[16-18]，但過(guò)去多采用單因子生長(zhǎng)對(duì)比法或立地條件類(lèi)型生長(zhǎng)對(duì)比法。本文采用了方差分析和逐步回歸分析方法，對(duì)刺槐生長(zhǎng)與徂徠山各主要立地因子的關(guān)系作了初步探討，并用數(shù)量化理論Ⅰ對(duì)徂徠山區(qū)林地進(jìn)行立地類(lèi)型劃分和立地質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 徂徠山刺槐人工林立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1.1 立地評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇 本研究共選擇33 塊樣地，選擇優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高作為刺槐的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立胸徑-樹(shù)高，胸徑-冠幅數(shù)學(xué)模型。選擇二次項(xiàng)式模型對(duì)樹(shù)高和冠幅進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖1。

圖1 胸徑-樹(shù)高和胸徑-冠幅擬合曲線Figure 1 Fitting curve of DBH-height and DBH-crown width

二次項(xiàng)式模型：

式中，H為樹(shù)高，D為胸徑，a為二次項(xiàng)系數(shù)，b一次項(xiàng)系數(shù)，c 常數(shù)。

從圖1 可以看到，胸徑-樹(shù)高模型：

與樹(shù)高-胸徑同樣的方法得到胸徑-冠幅模型：

式中，CB表示冠幅。

對(duì)兩模型進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)胸徑-樹(shù)高模型的精度更高。

從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，指標(biāo)的變動(dòng)范圍和方差越大，越有利于區(qū)分指標(biāo)的組間差異和進(jìn)行分類(lèi)[19]。本研究考慮胸徑、樹(shù)高和冠幅3 個(gè)因子作為待選立地評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同因子分別按優(yōu)勢(shì)木平均值進(jìn)行計(jì)算。從表3 可以看出，樹(shù)高方差和變動(dòng)范圍高于胸徑和冠幅指標(biāo)，因此本研究選擇優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高平均值作為立地質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 不同林分因子的統(tǒng)計(jì)對(duì)比Table 3 Comparison of different plantation factors

2.2 立地因子對(duì)刺槐人工林樹(shù)高的影響及相關(guān)性分析

對(duì)不同立地條件的刺槐樹(shù)高進(jìn)行方差分析，結(jié)果如圖2。由圖2 可知，隨海拔增加，刺槐樹(shù)高先增加再降低，在中海拔（400～ 700 m）最高，但方差分析結(jié)果表明3 個(gè)海拔之間差異不顯著（P>0.05）。坡向?qū)Υ袒睒?shù)高的影響極顯著（P<0.01），陽(yáng)坡極顯著低于半陽(yáng)坡和陰坡（P<0.01），但半陽(yáng)坡與陰坡之間差異不顯著（P>0.05），表明光照在2 種條件下基本能滿足需求，造成此情況的原因可能與陰坡、半陽(yáng)坡水分條件好于陽(yáng)坡有關(guān)。

圖2 不同立地條件對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的影響Figure 2 Effect of different site conditions on tree height

關(guān)于坡向?qū)Υ袒鄙L(zhǎng)的影響，還需要進(jìn)一步的研究。不同坡度之間樹(shù)高差異顯著（P<0.05），這可能是由于陡坡條件下土壤和養(yǎng)分流失造成的，說(shuō)明過(guò)大的陡坡不適合刺槐的造林。不同土層厚度之間樹(shù)高差異均極顯著（P<0.01），薄土層<中土層<厚土層，厚土層樹(shù)高是中土層的1.95 倍，是薄土層的2.35 倍，說(shuō)明土層越厚，越有利于刺槐的生長(zhǎng)。

對(duì)上述立地因子與樹(shù)高進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4。從表4 可以看出，樹(shù)高與坡度、土層厚度之間均存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，與坡向呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，但與海拔間不存在相關(guān)性。各立地因子之間，土層厚度與坡度之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性，但海拔和坡向之間的相關(guān)性顯著。

表4 立地條件與樹(shù)高的相關(guān)分析

2.3 模型建立過(guò)程

為使立地條件的研究工作數(shù)量化，對(duì)上述的4 個(gè)立地因子進(jìn)行逐步回歸分析。通過(guò)逐步回歸分析，得到一個(gè)最佳的方程，將自變量影響不大的因子從方程中剔除出去。在逐步回歸分析每做一步，都要對(duì)引入的方程的各變量進(jìn)行一次檢驗(yàn)，看看是否有無(wú)需要剔除的因子，現(xiàn)以一塊樣地具體值樣地立地因子相同，樹(shù)高不同，坡向以東向?yàn)?°，順時(shí)針計(jì)算度數(shù)。為使計(jì)算和制表的方便，令Y代表刺槐優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高；X1代表海拔；X2代表坡向；X3代表坡度；X4代表土層厚度。將上述標(biāo)準(zhǔn)地各因子觀測(cè)值輸入SPSS 22.0 軟件。

回歸模型的整體顯著性為P<0.01，此模型的整體回歸性極其顯著并且模型3 中各項(xiàng)的系數(shù)顯著性均為極顯著（P<0.01）。在表5 中，模型3 調(diào)整后的決定系數(shù)最大，擬合度最高且大于0.8，說(shuō)明回歸方程的相關(guān)性良好，模型3 是最適合的回歸方程。因此由表7 得出回歸方程為：

由此方程可以看出土層厚度對(duì)刺槐樹(shù)高生長(zhǎng)相關(guān)性最為密切，與刺槐生長(zhǎng)相關(guān)程度的排序?yàn)橥翆雍穸?坡度>坡向。海拔雖然對(duì)刺槐的生長(zhǎng)也有影響，但是在此調(diào)查中是不明顯的。此結(jié)果與相關(guān)性分析結(jié)果一致。

表5 模型摘要dTable 5 Model abstract

2.4 立地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的建立

選擇坡向、坡度和土層厚度3 個(gè)影響顯著的因子作為自變量X，刺槐優(yōu)勢(shì)木樹(shù)高因變量Y，利用數(shù)量化模型Ⅰ建立線性模型，具體結(jié)果見(jiàn)表7，模型擬合R2為0.804，RMSE為12.859，模型表達(dá)式為：

式中，系數(shù)為0 的變量沒(méi)有顯示。對(duì)于某一林地來(lái)說(shuō)，已知3 個(gè)立地因子值則可用該式預(yù)測(cè)刺槐的平均木樹(shù)高。

2.5 立地分類(lèi)的結(jié)果

基于以上分析，采用坡向、坡度、土層厚度3 個(gè)主導(dǎo)因子分級(jí)組合劃分立地類(lèi)型，將立地因子排列組合得18 種立地類(lèi)型，但其中由于重復(fù)以及有些類(lèi)型沒(méi)有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)地，因此將其刪除。最終將徂徠山刺槐立地類(lèi)型分為6 類(lèi)（表8）

表6 模型系數(shù)aTable 6 Model coefficient

表7 立地因子參數(shù)估計(jì)Table 7 Parameters estimation of site factors

分類(lèi)結(jié)果表明，徂徠山地區(qū)大部分立地類(lèi)型在海拔范圍內(nèi)都是薄層土型占大多數(shù)，薄層土型立地類(lèi)型占總采樣標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)的81.81%。立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分是根據(jù)立地質(zhì)量預(yù)測(cè)方程分別計(jì)算立地質(zhì)量得分值，按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為優(yōu)、中、差3 個(gè)等級(jí)（表9）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)地立地質(zhì)量得分值<16.698 1 的立地質(zhì)量為差，16.867 9≥得分值≥16.698 1 的立地質(zhì)量為中，得分值>16.867 9 的立地質(zhì)量為優(yōu)（表8）。

表9 立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)①Table 9 Standard for site classification

3 討論與結(jié)論

本研究對(duì)徂徠山刺槐林地形因子進(jìn)行了相關(guān)性分析、逐步回歸分析、立地類(lèi)型分類(lèi)和立地質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果表明坡向、坡度是影響刺槐生長(zhǎng)的主要地形因子，小坡度、陰坡環(huán)境是適宜刺槐生長(zhǎng)的地形條件，這與一些學(xué)者的對(duì)刺槐的研究結(jié)果[8,20-22]相似。海拔對(duì)刺槐的生長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響，可能與徂徠山海拔相對(duì)較低，高海拔處降水較多有關(guān)。

從土壤因子來(lái)看，土層厚度能顯著增加刺槐的樹(shù)高生長(zhǎng)，但薄層土不適宜刺槐的生長(zhǎng)，這與王春麗[23]、劉財(cái)富[15]等的研究結(jié)果一致。因此營(yíng)造刺槐林應(yīng)盡量選擇厚層土壤。

在綜合分析徂徠山地區(qū)自然地理環(huán)境的基礎(chǔ)上，選取海拔、坡向、坡度和土層厚度四個(gè)立地因子，運(yùn)用數(shù)量化理論Ⅰ，構(gòu)建了徂徠山地區(qū)刺槐質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，根據(jù)主導(dǎo)因子將刺槐立地類(lèi)型劃分為6 類(lèi)。刺槐屬于淺根系、喜土層深厚、肥沃、疏松、濕潤(rùn)的樹(shù)種，所以從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，立地質(zhì)量得分值大于16.698 1 的標(biāo)準(zhǔn)地有12 塊，這些標(biāo)準(zhǔn)地占總調(diào)查量的36.36%，都適合或較適合發(fā)展刺槐；得分值小于16.698 1 的有21 塊，這些立地不適合刺槐的生長(zhǎng)，應(yīng)該優(yōu)先考慮其他適合的樹(shù)種，才能得到較好的經(jīng)營(yíng)效果。