山蒼子林分和環境因子與其經濟指標的關聯特征

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（1.安徽農業大學 林學與園林學院，安徽 合肥 230036；2.中國林業科學研究院 亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400；3.福建清流國有林場，福建 三明 365300）

山蒼子Litsea cubeba系樟科木姜子屬，是我國重要的香料樹種之一，山蒼子果實富含天然檸檬醛，具有較高的經濟價值和醫用價值[1-4]。在我國，山蒼子分布廣泛，其產量、果實精油含量以及精油中檸檬醛含量均受生長環境和生長狀況的影響。田勝平等[5]研究了年均降雨量和年均溫度對山蒼子果實精油含量和精油中檸檬醛含量的影響；李紅盛等[6]研究了山蒼子果實精油含量和精油中檸檬醛含量與林分生長性狀之間的關系；谷戰英等[7]研究了不同海拔分布區山蒼子生長性狀和經濟性狀的差異性。環境因子和林分因子對山蒼子經濟指標的共同影響，成為了山蒼子林永續利用和可持續經營研究的重點。

結構方程模型可用于分析潛變量和顯變量之間的關系。應用該模型可以同時分析多個變量對總體的作用和變量之間的相互關系，而且能夠對其作用進行全面評估[8-11]。目前，結構方程已被用于解析林分生長環境和林分結構與經濟指標的關系。李慧等[12]利用結構方程模型探討了旱田有機碳平衡關系的各潛變量和可測變量的相互關系；毛鑫等[13]運用結構方程模型對油菜性狀和產量之間的關系進行了研究；王樹力等[14]基于結構方程模型分析了次生林的立地條件、林分結構、樹木多樣性與林分生長之間的耦合關系；白江迪等[15]運用結構方程模型分析了森林生態安全的影響因素；Brahim 等[16]應用結構方程模型對半干旱的地中海地區土壤有機碳與土壤理化性質的關系進行了研究。而該模型在山蒼子相關研究中的應用鮮見報道。本研究中以福建清流、湖北太子山、浙江富陽三地的山蒼子林為研究對象，在分析山蒼子經濟指標與林分和環境因子差異性和相關性的基礎上，建立結構方程模型，探討山蒼子經濟指標與林分和環境因子之間的關系，以期為山蒼子林可持續經營和優質豐產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗樣地分別位于福建清流國有林場、湖北京山太子山林場、浙江杭州富陽山蒼子家系試驗林地，研究區概況見表1。

表1 研究區概況Table 1 Study site overview

1.2 試驗材料

研究區內山蒼子林齡均為5 a，株行距為3 m×3 m。清流樣地參試山蒼子分別來源于貴州、廣西、安徽、福建、湖南、浙江；太子山樣地參試山蒼子分別來源于貴州、廣西、安徽、福建、浙江；富陽樣地參試山蒼子分別來源于貴州、廣西、江西、安徽、湖南、福建、浙江。

1.3 試驗方法

1.3.1 林分和環境因子的測定和選擇

在每塊樣地隨機取樣，清流、太子山、富陽樣地分別選取樣樹31、53、46 株。使用塔尺和游標卡尺分別測定樹高、枝下高、樹冠高、胸徑、冠幅。山蒼子單株產量是其經濟性狀的最直觀指標，通過回歸分析，選擇對山蒼子產量影響較大的林分因子作為研究指標。

采用GPS 獲取樣地地理坐標及海拔，氣候數據來源于中國氣象數據網，包括溫度、降水量、日照（表1）。

1.3.2 山蒼子經濟指標的測定

利用標準枝收獲法計算山蒼子果實的產量。在每塊樣地內，沿S 形選取5 個點，每個點附近選取3 株，每株隨機選取3 個標準枝進行測定，取算術平均值為單株產量（M）。

式中：B為標準枝產量，n為結果枝數。

采用濃度法計算果實精油含量。將采集的果實用冰袋帶回實驗室后，采用水蒸氣蒸餾法提取精油，將蒸餾油收集在干燥的試管中，經無水硫酸鈉（Na2SO4）處理，去除精油中殘留的水分，將精油保存在密封的試管中，置于4 ℃條件下保存，用于精油組分測定。山蒼子果實精油含量為提取油質量占果實鮮質量的百分比。

精油樣品用乙醚稀釋（1∶10）后，采用GC-MS 分析法測定其精油中檸檬醛含量。氣相色譜條件：HP-5MS 色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序為50 ℃保持2 min 后，以3 ℃/min 的速率升至120 ℃，并保持2 min，然后以15 ℃/min 的速率升至250 ℃并保持2 min；載氣為N2，流量1 mL/min，進樣量為1.0 μL，進樣口溫度為220 ℃。對采用GC-MS 法得到的質譜圖，利用NWAST（08）譜庫進行檢索分析，并結合標準樣品的保留時長和保留指數，對化合物進行定性分析，采用峰面積歸一法對檸檬醛的相對含量進行定量分析。

1.4 數據分析

結構方程模型（structural equation model，SEM），一般由測量指標和潛在變量組成，是基于假設觀測變量的相關系數、協方差矩陣的一套參數函數[8]。可以利用結構方程模型來解釋山蒼子經濟指標單株產量、果實精油含量、精油中檸檬醛含量與林分因子樹冠高、胸徑以及環境因子年平均溫度、年降水量的關系。本研究中采用最大似然法進行模型估計，并通過驗證測量指標之間的相關系數，估計結構模型的通徑系數[17]。

結構方程模型（結構方程）的一般形式如下

式中：η為內生潛變量；ξ為外源潛變量；β為內生潛變量η的系數矩陣；Г為外源潛變量對內生潛變量的影響路徑系數矩陣，也是顯變量對相應內生潛變量的通徑系數矩陣；ζ為殘差向量，是模式內未能解釋部分。

結構方程模型（測量方程）的一般形式如下

式中：X、Y分別是外源和內生變量；δ、ε分別是X、Y測量上的誤差；ΛX是X在ξ上的因子載荷矩陣；ΛY是Y在η上的因子載荷矩陣。

運用SPSS 25.0 和Excel 2010 軟件進行數據統計和分析；運用Amos 24.0 軟件創建結構方程模型時，先對數據統一進行自然對數轉化，再進行分析和建模[18]。

2 結果與分析

2.1 林分和環境因子的選擇

山蒼子林分特征各指標見表2。將各指標和單株產量進行回歸分析，結果見表3。由表3可知，胸徑和樹冠高與單株產量的相關性較高，因此選擇胸徑和樹冠高作為林分因子。

表2 山蒼子林分特征各指標Table 2 Characteristics indicators of L.cubeba forest

表3 林分因子與單株產量的線性回歸分析結果?Table 3 The linear regression analysis results of stand factor and yield per plant

由于太陽輻射的分布是從低緯向高緯遞減，氣溫從低緯向高緯遞減，隨著海拔的升高氣溫降低，故海拔、緯度、日照均影響年平均溫度。本研究中選擇常用的年平均溫度和年降水量作為環境因子。

2.2 林分和環境因子對山蒼子經濟指標的影響

林分和環境因子與山蒼子經濟指標的協方差分析結果見表4。由表4可知，胸徑和樹冠高對山蒼子單株產量有極顯著影響（P＜0.01），平均降水量對單株產量有顯著影響（P=0.034），年平均溫度對單株產量無顯著影響（P=0.400）；胸徑（P=0.138）和樹冠高（P=0.095）均對山蒼子果實精油含量無顯著影響，年平均降水量和年平均溫度對果實精油含量均有極顯著影響（P＜0.01）；胸徑（P=0.560）、樹冠高（P=0.355）、年平均降水量（P=0.451）和年平均溫度（P=0.059）對山蒼子精油中檸檬醛含量均無顯著影響。

表4 林分和環境因子與山蒼子經濟指標的協方差分析結果Table 4 Analysis of covariance between stand, environmental factors and economic indexes of L.cubeba

2.3 林分和環境因子與山蒼子經濟指標的相關性

在林分和環境因子與山蒼子經濟指標自然對數轉化的基礎上，對其進行相關性分析，結果見表5。由表5可知，胸徑與單株產量呈極顯著正相關，相關系數為0.787；樹冠高與單株產量呈極顯著正相關，相關系數為0.886，與果實精油含量呈顯著負相關，相關系數為-0.169；年平均降水量與單株產量呈極顯著正相關，相關系數為0.470，與果實精油含量呈極顯著負相關，相關系數為-0.298；年平均溫度與單株產量呈極顯著正相關，相關系數為0.330，與精油中檸檬醛含量呈顯著負相關，相關系數為-0.137；單株產量與果實精油含量呈極顯著負相關，相關系數為-0.236。

表5 林分和環境因子與山蒼子經濟指標的相關系數Table 5 Correlation coefficient between stand and environmental factors and economic indexes of L.cubeba

2.4 林分和環境因子與山蒼子經濟指標的結構方程

利用結構方程模型分析山蒼子樹冠高、胸徑對山蒼子經濟指標單株產量、果實精油含量、精油中檸檬醛含量的直接效應和間接效應，結果見表6。由表6可知，在直接效應方面，胸徑和樹冠高對單株產量的效應均為正效應，其效應系數分別為0.255（P＜0.01）、0.668（P＜0.01）；年平均降水量和年平均溫度對單株產量均為正效應，其效應系數分別為0.051（P=0.384）和0.048（P=0.380）。因此，根據對單株產量的總效應由強到弱排列，各因素依次為樹冠高、胸徑、年平均降水量、年平均溫度。在間接效應方面，胸徑、樹冠高、年平均降水量、年平均溫度對果實精油含量均呈負效應，效應系數分別為-0.060、-0.158、-0.012、-0.011；胸徑、樹冠高、年平均降水量、年平均溫度對精油中檸檬醛含量均呈正效應，效應系數分別為0.025、0.066、0.005、0.005。此外，單株產量對果實精油含量的直接效應為極顯著的負效應，其效應系數為-0.236（P＜0.01），單株產量對精油中檸檬醛含量的直接效應為正效應，其效應系數為0.098（P=0.262）。

表6 林分和環境因子對山蒼子經濟指標的直接效應和間接效應Table 6 Direct and indirect effects of stand and environmental factors on economic indexes of L.cubeba

3 結論與討論

通過調查3 個研究地的林分和環境因子數據，結合山蒼子經濟指標的測定，在對樹冠高、胸徑、年平均溫度、年平均降水量、單株產量、果實精油含量、精油中檸檬醛含量統一進行自然對數轉化的基礎上，利用協方差分析、相關性分析、結構方程，解析山蒼子樹冠高、胸徑、年平均降水量和年平均溫度與單株產量、果實精油含量以及精油中檸檬醛含量之間的關系。結果表明，山蒼子胸徑和樹冠高與單株產量均極顯著相關，且林分和環境因子對單株產量的影響效應由強到弱依次均為樹冠高、胸徑、年平均降水量、年平均溫度，說明山蒼子樹冠高和胸徑對單株產量有較大的影響，加強對樹冠高和胸徑的經營管理，可以提高山蒼子的單株產量。年平均降水量與果實精油含量極顯著相關，說明山蒼子果實精油含量受降水量的影響較大。

胸徑是林分結構的重要指標[19-20]，可以直接反映林分結構特征[21]，與樹高[22]、冠幅[23-24]、林分密度、林齡[25]等變量顯著相關。樹冠影響果樹生長和結實，影響果實的產量和質量[26-28]。在本研究中發現，胸徑和樹冠高對山蒼子單株產量有極顯著影響，年平均降水量對山蒼子單株產量有顯著影響，年平均溫度和年平均降水量對果實精油含量有極顯著影響，與田勝平等[5]和李紅盛等[6]的研究結果一致，也與氣候因子對花椒[29]、油茶[30]、藍莓[31]產量的影響相同。環境因子年平均溫度對單株產量無顯著影響，與田勝平等[5]的研究結果不同，這是由于本試驗中樣地均處于亞熱帶季風氣候區，溫度變化不大。

夏國威等[32]應用結構模型進行研究，發現光合有效輻射是影響凈光合速率的主要因素，氣溫和空氣相對濕度對凈光合速率影響較小。Lamb等[33]利用結構方程模型研究氮沉降與土壤溫度、土壤濕度、土壤有機質含量、土壤全氮含量和土壤pH 的關系，得出39%的影響氮沉降變化的因素與土壤有機質含量、土壤全氮含量和土壤pH 有關。黃興召等[8]在利用結構方程解析杉木林生產力與環境因子及林分因子關系的研究中發現，62%的影響杉木林凈初級生產力變化的因素為年均溫度、年均降水量、林齡和林分密度。毛鑫等[13]在利用結構方程研究油菜性狀與產量的關系時發現，擁有較多單株有效角果數和分枝數的品種，其單株產量更為穩定，油菜總產量更高。本研究中利用結構方程模型，闡釋了山蒼子單株產量、果實精油含量以及精油中檸檬醛含量與林分和環境因子之間的關系，不僅直接分析了山蒼子單株產量與林分和環境因子之間的關系，還間接通過單株產量分析了林分和環境因子對果實精油含量和精油中檸檬醛含量的影響。結果顯示，胸徑和樹冠高對單株產量的效應均為極顯著的正效應（P＜0.01），各因素對單株產量的效應由強到弱依次為樹冠高、胸徑、年平均降水量、年平均溫度，單株產量對果實精油含量的直接效應為極顯著的負效應，其效應系數為-0.236（P＜0.01）。

由于可供借鑒的研究不多，而且山蒼子家系生長和精油化學成分均有不同[34]，本研究中在模型構建上存在一定的不足。另外，在選擇指標時，家系的遺傳性質、立地條件、土壤理化性質等未考慮。因此，對于山蒼子林分和環境因子與其經濟性狀之間的關聯特征還應進一步探討和驗證。