衡南縣油茶林立地質量評價研究

彭映赫，陳永忠，陳彩虹，王 瑞，陳隆升，劉元年，彭邵鋒，馬 力，龔召松

(1 湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；2 國家油茶工程技術研究中心，湖南 長沙 410004；3 中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004；4 湘西自治州林業(yè)局，湖南 吉首 416000；5 四川省林業(yè)勘察設計研究院，四川 成都 610081)

油茶(Camelliaoleifera)為山茶科(Camellia)常綠小喬木，是我國南方地區(qū)特有的木本食用油料植物，被稱作“世界四大優(yōu)質木本植物”。油茶油中含有許多對人體有益的微量元素和維生素，具有極高的營養(yǎng)價值和保健作用[1]，作為食用油具有安全、天然和健康的特點[2]，被譽為“東方橄欖油”[3]。在我國，油茶的種植歷史有兩千多年之久[4]。在湖南省衡南縣，茶油至今仍是當?shù)夭糠秩罕姷闹饕秤糜?，而該地區(qū)也被列為全國油茶重點種植縣。衡南縣的油茶林雖然有著廣泛的種植面積，但各種植區(qū)油茶林的質量參差不齊，導致總體產(chǎn)量不高，而進行立地質量評價則可以摸清各種植區(qū)油茶林的質量情況，從而提出針對性的種植和管理措施，因此對衡南縣各種植區(qū)油茶林的立地質量進行評價迫在眉睫。立地分類是立地質量評價的前提，主要包括植被因子[5-8]、環(huán)境因子[9-11]及綜合多因子[12-14]3種途徑。植被對其所生存的立地條件變化有著極為敏感的反應[15]，而與植被因子相比地文、土壤等環(huán)境因子具有較高的穩(wěn)定性，能夠準確、穩(wěn)定地反映立地條件，二者均有著自身的優(yōu)勢，但也存在一定的局限性，而近年來將二者結合的綜合多因子分類方法則被作為立地分類的重要依據(jù)[16]。立地質量評價是衡量一個地區(qū)立地生產(chǎn)力的重要依據(jù)[17]，包括主要應用于有林地的直接評價法[18-20]，根據(jù)環(huán)境因子、植被指示和代換等來評價立地質量的間接評價法[21-23]，以及二者結合所形成的具有準確可靠優(yōu)點的綜合評價法[24-25]。本研究以2017年湖南省衡南縣的365個油茶林小班為對象，以環(huán)境因子法劃分立地類型，并建立油茶產(chǎn)量預測模型，用間接評價法進行立地質量評價，以期為不同質量立地合理經(jīng)營管理措施和方案的確定提供參考。

1 研究區(qū)概況

衡南縣位于湖南省中部偏南，地理坐標112°16′～113°08′E，26°32′～26°58′N，湘江自西南向北貫通全境，全縣國土面積達2 620 km2，其中耕地面積5.61萬hm2。海拔59～1 290 m，垂直高差明顯，地貌以海拔1 000 m以上的低山為主。氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，熱量豐富，年平均氣溫17.2 ℃，溫度地域和季節(jié)性差異較大，極端最低溫-12 ℃，極端最高溫40.6 ℃；降雨充沛，雨熱同季，年平均降雨量1 268.8～1 497.7 mm，年均無霜期231～324 d[26]。衡南地理環(huán)境優(yōu)越，自然資源豐富，森林覆蓋率達42.86%，活立木蓄積量達290.8 萬m3。主要的喬木樹種為馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、桉樹(Eucalyptusrobusta)、木荷(Schimasuperba)等，灌木樹種有桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、鹽膚木(Rhuschinensis)、油茶等，草本主要有蕨(Pteridophyta)、野枯草(Arundinellaanomala)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)等。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎數(shù)據(jù)為湖南省2017年國家森林資源二類調查數(shù)據(jù)，以其中的365個油茶林小班為研究對象。記錄各樣地(樣地為邊長25.82 m的正方形，油茶初植密度為2 500株/hm2)的海拔、坡度、坡向、坡位、土壤類型、土層厚度、腐殖質厚度和枯枝落葉厚度等立地因子，同時還調查了樣地中每株油茶的地徑(D)、株高(H)和冠幅(WC)等，此外還調查統(tǒng)計了各油茶林小班的平均單株油茶果產(chǎn)量(Y)。對365個油茶林小班各生長指標進行統(tǒng)計，其中株高為1.4～2.5 m，平均株高為(2.1±0.192) m；地徑為46.4～63.5 mm，平均地徑為(56.4±7.236) mm；冠幅為1.84～5.16 m2，平均冠幅為(2.82±0.542) m2；單株產(chǎn)量為1.82～4.58 kg，平均產(chǎn)量為(3.36±1.152) kg。

2.2 研究方法

2.2.1 立地分類方法 立地分類需遵循科學性結合適用性的大原則，主要體現(xiàn)為地域分異、分區(qū)分類、多級序、主導因素、林地統(tǒng)一分類和立地分類與林業(yè)區(qū)劃協(xié)同等原則[27]。本研究采用立地因子途徑進行立地類型劃分，利用海拔、坡度、坡向、坡位、土壤類型、土層厚度等6個立地因子參照《國家森林資源連續(xù)清查湖南省第九次復查操作細則》進行類目劃分?？蓪⒑０畏譃?類：中山、低山和丘陵；坡度分為3類：平緩坡、斜坡和急陡坡；坡向分為5類：陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡和無坡向；坡位分為3類：上坡、中坡和下坡；土壤名稱分為3類：紅壤、黃壤和水稻土；土層厚度分為3類：厚土層、中土層和薄土層。所有6個立地因子共分為20個小類，具體劃分標準見表1。

表1 衡南縣油茶林立地因子類目劃分標準及量化值Table 1 Classification and quantization values of site factors of Camellia oleifera forest in Hengnan

根據(jù)6個立地因子的分類結果，對其進行量化，如對坡位由上至下分為上坡、中坡、下坡，與其相對應的量化值則分別為1、2、3，其余5個立地因子的量化值見表1。在SPSS 23統(tǒng)計軟件中對6個立地因子間的相關性進行分析，并進行KMO和巴特利特檢驗。以主成分分析法(principal component analysis，PCA)對影響衡南縣油茶林生長的主要立地因子進行提取，通過對提取出的各主成分進行解釋說明，確定立地分類的主導因子，將其作為各級分類單元的劃分依據(jù)，建立“立地類型小區(qū)-立地類型組-立地類型”三級立地分類系統(tǒng)。

2.2.2 立地質量評價方法 立地質量評價需遵循切實有效、因子數(shù)量適宜和有林地與無林地統(tǒng)一評價的基本原則。本研究所調查的油茶構建因子很多，如地徑、株高、冠幅和產(chǎn)量等，而油茶為經(jīng)濟林作物，其價值最大的為油茶果，因此與油茶林立地質量密切相關的因子為油茶果產(chǎn)量，而油茶果產(chǎn)量往往無法及時獲取，因此本研究以與油茶果產(chǎn)量緊密相關的冠幅因子作為自變量來預測油茶果的產(chǎn)量，并將預測產(chǎn)量作為評價油茶林立地質量的主要依據(jù)。根據(jù)產(chǎn)量預測值由高到低劃分為4個立地等級：Ⅰ級，最適宜(Y′≥Y+S/2，其中Y′為預測產(chǎn)量，Y為油茶產(chǎn)量，S為標準差，下同);Ⅱ級，適宜(Y≤Y′

選擇6個具有較高生物學意義的理論模型對油茶果產(chǎn)量進行預測，6個模型分別為對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù)、Richards生長模型、Gompertz生長模型和Logistic生長模型，其具體表達式如下：

(1)對數(shù)函數(shù)：Y=a·lnWc+b；

(4)Richards生長模型：Y=a(1-eb·Wc)c；

(5)Gompertz生長模型：Y=a·e-b·e-c·Wc；

式中：Y為油茶果平均單株產(chǎn)量，Wc為油茶單株平均冠幅，a、b、c為模型待定參數(shù)，e為自然對數(shù)的底數(shù)。

以確定系數(shù)(R2)、殘差平方和(SSE)、均方根誤差(RMSE)以及預測精度(P)等指標對模型進行評價分析，從中選擇最優(yōu)模型對油茶果產(chǎn)量進行預測，其計算公式如下：

3 結果與分析

3.1 油茶林立地類型劃分時主要立地因子的提取

分析各立地因子間的相關性(表2)，發(fā)現(xiàn)除海拔與土壤類型(-0.187)、坡向與坡位(0.125)之間的相關性較高外，其余各立地因子之間的相關性均較低，表明各立地因子所包含的信息無較大的重復性。

表2 衡南縣油茶林立地因子間的相關性Table 2 Correlation among site factors of Camellia oleifera forest in Hengnan

對各立地因子進行KMO和巴特利特檢驗，KMO取樣結果(0.551)尚可，巴特利特球形度檢驗效果顯著(P<0.01)，表明可進行主成分分析。

對影響油茶產(chǎn)量的6個主要立地因子進行主成分分析，由各成分總方差的解釋情況(表3)可知，特征值大于1的主成分有3個，且這3個主成分的累積方差百分比高達80.67%，表明前3個主成分包含了絕大部分的信息量，因此選擇特征值最大的前3個主成分進行因子分析。

表3 衡南縣油茶林立地因子各成分總方差解釋Table 3 Explanation of total variance of each component among site factors of Camellia oleifera forest in Hengnan

因子分析結果(表4)顯示，第1主成分與海拔的相關性最高(0.789)，且呈正相關關系；其次是土壤類型(-0.607)，呈負相關關系；而土壤類型的分布通常會隨著海拔的變化而發(fā)生改變，因此可將第1主成分確定為海拔。第2主成分與坡向的相關性最高(0.871)，其次是坡位(-0.577)和坡度(0.421)，因此將第2主成分確定為坡向，即反映光照條件的因子。第3主成分與土層厚度的相關性最高(0.942)，且為正相關關系，而與其他5個立地因子的相關性均較低，故將第3主成分確定為土層厚度，即反映土壤信息的因子。通過以上分析可以確定，影響衡南縣油茶林立地分類的各主導因子的重要性由大到小依次為海拔>土壤類型>坡向>坡位>坡度>土層厚度，3個主成分分別反映了立地的海拔、坡向和土壤信息，可依照這3個主成分進行立地類型劃分。

表4 衡南縣油茶林立地因子各成分矩陣Table 4 Matrix of components among site factors of Camellia oleifera forest in Hengnan

3.2 油茶林立地類型的劃分

影響油茶生長的因素有很多，充足的光、熱、水以及養(yǎng)分都是促使其健壯生長的重要條件，但這些因素的影響效果往往無法直接獲取，而是通過各立地因子和環(huán)境條件，如地貌、地形和土壤等因子來反映。研究區(qū)均隸屬于湖南省衡南縣，大氣候條件無太大差異，均為亞熱帶季風氣候區(qū)，中小尺度的立地差異可通過地形地貌和土壤條件等因子來反映。受研究區(qū)范圍限制，建立立地類型小區(qū)、立地類型組和立地類型三級分類單元，以第1主成分海拔劃分立地類型小區(qū)，該因子是造成不同地區(qū)地域差異性的主要因素，同時海拔也制約著水分的再分配；以第2主成分坡向劃分立地類型組，坡向是直接影響林木光合作用的因子，同時也制約著熱量的再分配；以第3主成分土層厚度劃分立地類型，其作為影響土壤養(yǎng)分狀況的主要因素，影響著林分養(yǎng)分的直接分配。綜合以上結果，同時遵循主導因子與綜合多因子相結合的立地分類原則，可將衡南縣油茶林劃分為3個立地類型小區(qū)、15個立地類型組、45個立地類型，具體分類單元及劃分結果見表5。

表5 衡南縣油茶林立地分類單元劃分結果Table 5 Site classification units of Camellia oleifera forest in Hengnan

表5(續(xù)) Continued table 5

根據(jù)表5劃分結果，研究區(qū)油茶林包含3個立地類型小區(qū)、15個立地類型組、36個立地類型，主要集中在低山半陰坡中土層(面積占比21.98%，下同)、低山半陽坡中土層(14.20%)、低山陽坡中土層(10.44%)、低山陰坡中土層(10.09%)、中山半陰坡中土層(9.93%)、中山半陽坡中土層(8.99%)、中山陽坡中土層(5.70%)和中山陰坡中土層(5.30%)8個立地類型，占全縣油茶林總面積的86.63%；其余各立地類型分布較少，面積占比均低于2.50%。

3.3 油茶林茶果產(chǎn)量預測模型的篩選

建立衡南縣油茶林茶果產(chǎn)量預測模型，在統(tǒng)計分析軟件SPSS 23的非線性擬合模塊中求解模型參數(shù)并得到相應的評價指標，模型擬合結果見表6。

表6 衡南縣油茶林平均單株產(chǎn)量預測模型的擬合結果Table 6 Fitting results of prediction models of average yield per plant of Camellia oleifera forest in Hengnan

表6顯示，6個模型的確定系數(shù)(R2)均大于0.8，為0.821～0.868，殘差平方和(SSE)為1.974～2.367，均方根誤差(RMSE)為0.219～0.263，預測精度(P)為94.18%～98.57%，其中模型(6)的確定系數(shù)最大(R2=0.868)，同時擁有最小的殘差平方和(SSE =1.974)、均方根誤差(RMSE=0.219)以及最高的預測精度(P=98.57%)。因此，可將油茶產(chǎn)量預測模型確定為模型(6)，即Logistic模型，該模型表達式為：

3.4 油茶林立地質量評價

將每株油茶的實測冠幅值(Wc)代入模型(6)，即可得到該株油茶茶果產(chǎn)量的預測值(Y)，進一步可計算得到每塊油茶林小班的平均茶果預計產(chǎn)量，以此作為油茶林立地質量評價的依據(jù)，然后按立地類型統(tǒng)計各立地條件下茶果的產(chǎn)量值，并劃分立地質量等級,最終得到衡南油茶林立地質量評價結果見表7。

表7 衡南縣各立地類型油茶林立地質量等級劃分結果Table 7 Site grade classification of different site types of Camellia oleifera forest in Hengnan

表7顯示，最適宜衡南縣油茶生長的立地類型(Ⅰ級)為低山陰坡薄土層、丘陵半陰坡中土層、丘陵陰坡厚土層和丘陵陰坡中土層等4個立地類型，生長在該立地等級下的油茶果平均單株產(chǎn)量可達3.50 kg/株，但這4個立地類型在衡南縣的分布較少，面積占比僅為0.83%(表8)；適宜油茶生長的立地類型(Ⅱ級)為低山半陰坡中土層、低山半陽坡中土層、低山陽坡中土層和中山陽坡中土層等11個立地類型，占油茶林總面積的57.46%，該等級立地茶果平均單株產(chǎn)量可達3.07 kg/株；較適宜油茶生長的立地類型(Ⅲ級)為低山陰坡中土層、中山半陰坡中土層、中山半陽坡中土層和中山陰坡中土層等11個立地類型，占衡南縣油茶林種植總面積的39.75%，該等級立地茶果平均單株產(chǎn)量為2.95 kg/株；不適宜油茶生長的立地類型(Ⅳ級)為低山半陽坡薄土層、低山無坡向厚土層、低山陰坡厚土層和丘陵半陽坡厚土層等10個立地類型，該等級立地茶果平均單株產(chǎn)量僅為2.64 kg/株，面積僅占全縣油茶林總面積的1.96%。

表8 衡南縣油茶林各質量等級立地的茶果平均單株產(chǎn)量及面積分布Table 8 Average yield per plant and area distribution of site quality grades of Camellia oleifera forest in Hengnan

4 結論與討論

本研究對湖南省衡南縣油茶林進行立地類型劃分并以6個具有生物學意義的模型預估油茶產(chǎn)量，將其作為立地質量評價的依據(jù)，結果顯示，Logistic模型的確定系數(shù)(R2=0.868)和預估精度(P=98.57%)最高，均方根誤差(RMSE=0.219)和殘差平方和(SSE=1.974)最小，故將其作為油茶果產(chǎn)量預估的最佳模型。立地因子分析結果顯示，海拔對油茶林生長的影響最大，隨著海拔的升高，油茶果的產(chǎn)量逐漸降低，在平均海拔最低的丘陵區(qū)，油茶果單株平均產(chǎn)量可達3.08 kg/株；而在海拔較高的中山區(qū)，單株平均產(chǎn)量僅為2.89 kg/株。衡南縣油茶種植區(qū)多為中、低山地區(qū)，丘陵區(qū)種植面積僅占0.57%，這可能是衡南縣油茶產(chǎn)量整體不高的原因之一。坡向對油茶產(chǎn)量也有較大影響，其中陰坡(3.12 kg/株)油茶果產(chǎn)量明顯高于陽坡(2.85 kg/株)。土壤對油茶產(chǎn)量的影響則表現(xiàn)為中厚土層(2.94 kg/株)低于薄土層(3.00 kg/株)。立地質量評價結果顯示，茶果產(chǎn)量最高的立地類型為丘陵陰坡厚土層立地類型，其平均單株產(chǎn)量可達3.89 kg/株；其次為丘陵半陰坡中土層、丘陵陰坡中土層和低山陰坡薄土層立地類型，這4個立地類型為最適宜衡南縣油茶林生長的地類，平均單株茶果產(chǎn)量高達3.50 kg/株，但其總面積占比較小，僅為0.83%，主要分布在中、西部地區(qū)。衡南縣具有優(yōu)越的地理條件和環(huán)境因素，使得該縣域的大部分地區(qū)均適宜油茶生長，其中最適宜及適宜油茶種植的地區(qū)占油茶林總面積的58.29%，較適宜及不適宜的地區(qū)僅占41.71%。

油茶生長的影響因素很多，充足的光、熱、水以及養(yǎng)分都是其生長的重要條件，但這些因素的影響效果往往無法直接獲取，而是通過各立地因子和環(huán)境條件如地貌、地形和土壤等因子來反映。海拔是造成不同地區(qū)地域差異性的主要因素，同時也制約著水分的再分配；坡向是直接影響林木光合作用的因子，同時也制約著熱量的再分配；土層厚度作為影響土壤養(yǎng)分狀況的主要因素，影響著林分養(yǎng)分的直接分配。劉潔[28]對湖廣交界低山紅壤地帶的油茶林進行了立地分類與土壤質量評價，發(fā)現(xiàn)海拔、母巖和坡向對油茶生長的影響最大，與本研究立地分類的結果相符。油茶為我國南方地區(qū)重要的經(jīng)濟林作物，具有極高的價值，前人對油茶的研究主要集中在育種[29]、種植[30]和茶油及其附屬品的綜合利用[31-32]等方面，而對油茶林立地質量評價的研究較少，陳世新[33]以樹高來評價油茶林的立地質量，而油茶為經(jīng)濟樹種，油茶果的產(chǎn)量與樹高的生長并不直接相關，因此其評價指標與結果尚有待考證。油茶的生長特性決定了茶果產(chǎn)量與冠幅的生長緊密相關，因此本研究以冠幅為自變量，建立油茶果單株產(chǎn)量預測模型，并將預測結果作為衡南縣油茶林立地質量評價的依據(jù)，以期為衡南縣油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論基礎和技術指導。

本研究受現(xiàn)有數(shù)據(jù)和資料所限，尚存不足之處，如評價油茶林立地質量的指標為預測產(chǎn)量，而非實際產(chǎn)量，后續(xù)應以實際產(chǎn)量對預測產(chǎn)量進行驗證，提升本研究結論的科學性，使之能廣泛應用于油茶林立地質量的評價研究。同時，還應對本地區(qū)優(yōu)質油茶品種，如“大三湘”、“山潤”、“金浩”[34]等進行分類評價，在發(fā)揮品牌優(yōu)勢的同時，找出不同品種油茶的最適生長環(huán)境，并與油茶育種、育苗及高產(chǎn)栽培技術相結合，以達到“適地適樹”的效果，這對提升衡南縣油茶林的整體質量有著極為重要的意義。