徂徠山刺槐人工林立地分類及立地質量評價

李業宇 ，曹幫華，倪智雄，宋 勇，黃 恒，趙文軒，付錦雪

（1.山東農業大學 黃河下游森林培育國家林業局重點實驗室，山東 泰安 271018；2.山東徂徠山林場，山東 泰安 271027）

樹木的生長與其所處的立地條件密切相關[1]。從二十世紀九十年代起，國內外林業和生態學工作者就對林地立地類型的劃分和質量評價工作十分重視，視它為適地適樹和科學造林、營林的理論基礎[2]。森林立地分類和質量評價是林業生產中的一項基礎工作[3-4]。林業生產具有生長周期長、見效慢、商品率高、占地面積大、受地理環境影響強、林木資源可再生等特點。在研究林業實踐問題時，不僅數據量大，而且涉及很多環境因子，但是，在這些因子中，哪些是主導因子，究竟改良這些影響因子的哪些方面所帶來的效益最大，目前在我國還是一個十分重要的課題[5]。

刺槐Robinia pseudoacacia是我國落葉闊葉林中栽植范圍最廣泛的人工林樹種，分布在23°～ 46° N，84°～124° E 的廣大區域[6]，具有抗旱、耐貧瘠、生長快、干形良好、萌蘗力強、耐鹽堿等優良特點，因此常用來保持水土、防風固沙、改良土壤和四旁綠化[7-8]。目前對影響刺槐林生長的立地條件已經開展了一些研究[9-10]。黃婷等研究表明陰坡刺槐林的土壤含水量、有機質、全氮、酶活性大于陽坡，但陽坡刺槐林的速效養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、速效養分以及酶活性降低，土壤pH 值升高[11]。王佑民則發現影響6 年生刺槐生長的立地因子排序為地貌部位、土壤、坡向、坡度、海拔高度[12]。侯淑艷構建了評價體系將北京市低效人工林分為一級低效林、二級低效林、三級低效林和四級低效林[13]。張小泉等采用地位指數、標淮林分蓄積量、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，分別對立地生產力、立地水保特性和立地經濟效益進行評價，尋求一套合理的立地質量多用途評價方法[14]。劉財富等篩選出包含5 個因子的立地指數最佳預估方程，編制了數量立地指數得分表[15]。

刺槐是山東省主要的荒山造林樹種，在水土保持、生態環境建設方面發揮了重要作用。徂徠山地區是山東刺槐造林的典型地區，較高的海拔使得其造林的立地條件多樣，且在各個立地條件下均有分布。大部分刺槐林多營造于上世紀五六十年代，造林時間長，樹木生長充分。因此，開展徂徠山刺槐林立地質量評價對周邊地區林分管理具有重要的指導意義，但目前還未開展系統的研究。本文對徂徠山不同海拔、坡向、坡度、土壤厚度下的刺槐生長狀況進行了系統的調查，利用回歸分析和數量化理論Ⅰ確定徂徠山刺槐生長的主導環境因子，進行立地分類和立地質量數量化評價，找出適宜刺槐林生長的立地條件，為徂徠山及周邊地區刺槐林的經營管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

山東省泰安市徂徠山林場，地理坐標為117°13′07″～ 117°25′11″ E，35°59′42″～ 36°05′18″ N，位于泰安市區東南20 km。林場始建于1956 年，橫跨泰安市岱岳區和新泰市，東西長30 km，南北寬15 km，林場內有山峰99 座，主峰太平頂海拔1 028 m，相對高差800 m，選擇樣地海拔272.3～891.7 m，土壤類型為砂質土，較為貧瘠。林場屬暖溫帶大陸性季風氣候區，春季干旱多風，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，年日照時數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℃，全年無霜期215 d。林場經營面積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%，是山東省第二大國有林場。林場內共有植物資源449 屬789 種。植被以常綠針葉林和落葉闊葉林為主，樹種單一，主要是刺槐、赤松Pinus densiflora和麻櫟Quercus acutissima。

1.2 試驗設計

為充分研究地形因子對刺槐林生長的影響，調查了不同海拔、坡向、坡度三個因子設置樣地，調查地形因子對刺槐林生長的影響。在海拔上，選取了低（<400 m）、中（400～ 700 m）、高（>700 m）3 個水平；在坡向上選取了基本等海拔陽、半陽、陰坡3 個坡向；在坡度上，選取了等海拔、相同坡向的大（≥30°）、小（＜30°）2 個坡度；同時，調查了等海拔、坡向、坡度基本一致的不同土壤厚度對刺槐林生長的影響，選取了薄（<30 cm）、中（30～ 60 cm）、厚（>60 cm）3 個土壤厚度，詳見表1。

表1 立地因子的類目劃分Table 1 Classification of site factors

海拔、坡向、坡度和土壤厚度共11 個處理，每個處理梯度設置3 塊臨時樣地，大小為20 m×10 m，共33塊樣地。對每一樣地內的樹木進行每木檢尺，測量其樹高、胸徑和冠幅。林地狀況見表2，研究區各刺槐人工林均為皆伐萌蘗。

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

1.3 數據分析

以往關于適地適樹問題已有大量研究[16-18]，但過去多采用單因子生長對比法或立地條件類型生長對比法。本文采用了方差分析和逐步回歸分析方法，對刺槐生長與徂徠山各主要立地因子的關系作了初步探討，并用數量化理論Ⅰ對徂徠山區林地進行立地類型劃分和立地質量評價。

2 結果與分析

2.1 徂徠山刺槐人工林立地質量評價

2.1.1 立地評價指標的選擇 本研究共選擇33 塊樣地，選擇優勢木樹高作為刺槐的評價指標，建立胸徑-樹高，胸徑-冠幅數學模型。選擇二次項式模型對樹高和冠幅進行擬合，結果如圖1。

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

二次項式模型：

式中，H為樹高，D為胸徑，a為二次項系數，b一次項系數，c 常數。

從圖1 可以看到，胸徑-樹高模型：

與樹高-胸徑同樣的方法得到胸徑-冠幅模型：

式中，CB表示冠幅。

對兩模型進行比較，發現胸徑-樹高模型的精度更高。

從統計的角度來說，指標的變動范圍和方差越大，越有利于區分指標的組間差異和進行分類[19]。本研究考慮胸徑、樹高和冠幅3 個因子作為待選立地評價指標，不同因子分別按優勢木平均值進行計算。從表3 可以看出，樹高方差和變動范圍高于胸徑和冠幅指標，因此本研究選擇優勢木樹高平均值作為立地質量的評價指標。

表3 不同林分因子的統計對比Table 3 Comparison of different plantation factors

2.2 立地因子對刺槐人工林樹高的影響及相關性分析

對不同立地條件的刺槐樹高進行方差分析，結果如圖2。由圖2 可知，隨海拔增加，刺槐樹高先增加再降低，在中海拔（400～ 700 m）最高，但方差分析結果表明3 個海拔之間差異不顯著（P>0.05）。坡向對刺槐樹高的影響極顯著（P<0.01），陽坡極顯著低于半陽坡和陰坡（P<0.01），但半陽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、半陽坡水分條件好于陽坡有關。

圖2 不同立地條件對樹高生長的影響Figure 2 Effect of different site conditions on tree height

關于坡向對刺槐生長的影響，還需要進一步的研究。不同坡度之間樹高差異顯著（P<0.05），這可能是由于陡坡條件下土壤和養分流失造成的，說明過大的陡坡不適合刺槐的造林。不同土層厚度之間樹高差異均極顯著（P<0.01），薄土層<中土層<厚土層，厚土層樹高是中土層的1.95 倍，是薄土層的2.35 倍，說明土層越厚，越有利于刺槐的生長。

對上述立地因子與樹高進行相關性分析，結果如表4。從表4 可以看出，樹高與坡度、土層厚度之間均存在極顯著的相關關系，與坡向呈現顯著的相關性，但與海拔間不存在相關性。各立地因子之間，土層厚度與坡度之間沒有顯著的相關性，但海拔和坡向之間的相關性顯著。

表4 立地條件與樹高的相關分析

2.3 模型建立過程

為使立地條件的研究工作數量化，對上述的4 個立地因子進行逐步回歸分析。通過逐步回歸分析，得到一個最佳的方程，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，都要對引入的方程的各變量進行一次檢驗，看看是否有無需要剔除的因子，現以一塊樣地具體值樣地立地因子相同，樹高不同，坡向以東向為0°，順時針計算度數。為使計算和制表的方便，令Y代表刺槐優勢木樹高；X1代表海拔；X2代表坡向；X3代表坡度；X4代表土層厚度。將上述標準地各因子觀測值輸入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 中各項的系數顯著性均為極顯著（P<0.01）。在表5 中，模型3 調整后的決定系數最大，擬合度最高且大于0.8，說明回歸方程的相關性良好，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刺槐樹高生長相關性最為密切，與刺槐生長相關程度的排序為土層厚度>坡度>坡向。海拔雖然對刺槐的生長也有影響，但是在此調查中是不明顯的。此結果與相關性分析結果一致。

表5 模型摘要dTable 5 Model abstract

2.4 立地質量評價模型的建立

選擇坡向、坡度和土層厚度3 個影響顯著的因子作為自變量X，刺槐優勢木樹高因變量Y，利用數量化模型Ⅰ建立線性模型，具體結果見表7，模型擬合R2為0.804，RMSE為12.859，模型表達式為：

式中，系數為0 的變量沒有顯示。對于某一林地來說，已知3 個立地因子值則可用該式預測刺槐的平均木樹高。

2.5 立地分類的結果

基于以上分析，采用坡向、坡度、土層厚度3 個主導因子分級組合劃分立地類型，將立地因子排列組合得18 種立地類型，但其中由于重復以及有些類型沒有對應的標準地，因此將其刪除。最終將徂徠山刺槐立地類型分為6 類（表8）

表6 模型系數aTable 6 Model coefficient

表7 立地因子參數估計Table 7 Parameters estimation of site factors

分類結果表明，徂徠山地區大部分立地類型在海拔范圍內都是薄層土型占大多數，薄層土型立地類型占總采樣標準地數的81.81%。立地質量評價等級的劃分是根據立地質量預測方程分別計算立地質量得分值，按照分級標準分為優、中、差3 個等級（表9）。經過計算，標準地立地質量得分值<16.698 1 的立地質量為差，16.867 9≥得分值≥16.698 1 的立地質量為中，得分值>16.867 9 的立地質量為優（表8）。

表9 立地質量評價等級分級標準①Table 9 Standard for site classification

3 討論與結論

本研究對徂徠山刺槐林地形因子進行了相關性分析、逐步回歸分析、立地類型分類和立地質量評價，結果表明坡向、坡度是影響刺槐生長的主要地形因子，小坡度、陰坡環境是適宜刺槐生長的地形條件，這與一些學者的對刺槐的研究結果[8,20-22]相似。海拔對刺槐的生長沒有顯著影響，可能與徂徠山海拔相對較低，高海拔處降水較多有關。

從土壤因子來看，土層厚度能顯著增加刺槐的樹高生長，但薄層土不適宜刺槐的生長，這與王春麗[23]、劉財富[15]等的研究結果一致。因此營造刺槐林應盡量選擇厚層土壤。

在綜合分析徂徠山地區自然地理環境的基礎上，選取海拔、坡向、坡度和土層厚度四個立地因子，運用數量化理論Ⅰ，構建了徂徠山地區刺槐質量評價模型，根據主導因子將刺槐立地類型劃分為6 類。刺槐屬于淺根系、喜土層深厚、肥沃、疏松、濕潤的樹種，所以從評價結果來看，立地質量得分值大于16.698 1 的標準地有12 塊，這些標準地占總調查量的36.36%，都適合或較適合發展刺槐；得分值小于16.698 1 的有21 塊，這些立地不適合刺槐的生長，應該優先考慮其他適合的樹種，才能得到較好的經營效果。