川黃柏一年生實生苗質(zhì)量的分級標(biāo)準(zhǔn)*

劉年元，鐘青山，向祖恒，彭先鳳,曾慧杰，向 華，向 明，向才海，黃正明

(1.湖南省湘西土家族苗族自治州林業(yè)局，湖南 吉首 416000；2.湖南省龍山縣林業(yè)局，湖南 龍山 416800：3.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004)

川黃柏(Phellodendronchinense)，也叫川黃檗、黃柏、黃皮樹，是蕓香科黃檗屬落葉小喬木[1-2].黃柏是武陵山區(qū)傳統(tǒng)的“三木藥材”之一，其干燥樹皮入藥，具清熱解毒、瀉火燥濕等功能[2].龍山縣是川黃柏主產(chǎn)區(qū)，中低山普遍栽培.“龍山黃柏”于2019年獲國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志”(AG102618).川黃柏用1年生實生苗造林.苗木質(zhì)量分級是檢驗苗木培育成效、選擇合格造林苗木的主要依據(jù).苗木質(zhì)量由地徑、苗高、高徑比、冠幅、全苗生物量、主根長、側(cè)根數(shù)等因子決定.現(xiàn)有研究表明，全苗生物量是評價苗木質(zhì)量的最佳指標(biāo)[3]，地徑、苗高與全苗生物量相關(guān)性最強(qiáng),可作為苗木分級的代表指標(biāo)[4-5]，地徑是影響全苗生物量的主導(dǎo)因子[6].苗木質(zhì)量分三級，Ⅰ、Ⅱ級為合格苗，用于造林；Ⅲ級不合格，不能用于造林.國內(nèi)苗木質(zhì)量分級方法主要有聚類法[7-12]、主分量法[5,11]和標(biāo)準(zhǔn)差法[12-14].目前，川黃柏苗木質(zhì)量分級尚無研究報道.為利于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，推動川黃柏實生苗培育規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，筆者以湖南省龍山縣大安鄉(xiāng)2020年培育的川黃柏實生苗為研究對象，以地徑和苗高為代表指標(biāo)，通過樣方調(diào)查獲取分析樣本，用K-均值聚類法及標(biāo)準(zhǔn)差法對川黃柏1年生實生苗質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)開展相應(yīng)研究，經(jīng)綜合分析，確定川黃柏苗木質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn).

1 材料與方法

1.1 苗圃地自然概況

川黃柏育苗地位于湖南省龍山縣大安鄉(xiāng)大紅村、西堰村，海拔1 050 m(大紅村)及900 m(西堰村).該區(qū)域?qū)賮啛釒降丶撅L(fēng)濕潤氣候，年均氣溫11.2 ℃，極端低溫-11.9 ℃，極端高溫35.0 ℃，≥15 ℃活動積溫2 669.8 ℃，無霜期240 d，年均降水量2 064.6 mm，年日照時數(shù)935.2 h，年日照百分率21%.苗圃地為頁巖發(fā)育的山地黃棕壤，屬常耕旱土.

1.2 苗木培育概況

2019年秋季采集成熟(變黑)果實，揉搓、淘洗出種子，晾干，干藏.2020年春季選擇土壤深厚肥沃的旱土，深耕、細(xì)致整地，作寬1.2 m苗床，施1 500 kg/hm2復(fù)合肥作基肥，條狀撒播，播種量750～900 kg/hm2；發(fā)芽出苗后及時防病除草；真葉3～4片時，間除、移植過密幼苗；5～7月追施尿素3次，每次30～45 kg/hm2；立秋后停止追肥.大紅村及西堰村2個點共育川黃柏苗4 hm2.

1.3 苗木調(diào)查方法

在龍山縣大安鄉(xiāng)大紅村、西堰村1年生川黃柏實生苗圃地，選擇培育質(zhì)量較好的丘塊2塊，作為樣方調(diào)查對象.

N=(tC/E)2.

(1)

(2)樣方調(diào)查.在圃地中央，按相同間距均勻設(shè)置1 m×1 m的苗木樣方N個，用游標(biāo)卡尺及鋼卷尺實測樣方內(nèi)每株苗木的地徑(D)及苗高(H).

(4)抽樣精度控制.利用N個樣方調(diào)查數(shù)據(jù)按公式(2)計算抽樣精度，精度大于95%時抽取的樣本符合要求，精度小于95%時需增加調(diào)查樣方數(shù)，直至精度符合要求.

抽樣精度

(2)

1.4 苗木質(zhì)量分級方法

1.4.1K-均值聚類法 將樣方調(diào)查獲取的統(tǒng)計分析樣本的D值和H值按以下標(biāo)準(zhǔn)化公式計算：

(3)

其中：X為D和H測量值，i為D或H，j為樣苗號；Xmax為樣本最大值;Xmin為樣本最小值.

按D和H標(biāo)準(zhǔn)化值之和由大到小排序，將排序后的標(biāo)準(zhǔn)化值按等距原則劃分12層，用分層抽樣法按5%的比例隨機(jī)抽取相應(yīng)數(shù)量的樣苗作聚類分析樣本，各層抽取數(shù)量按四舍五入原則整化.將樣苗D+H、D、H標(biāo)準(zhǔn)化值用SPSS22.0軟件，按K-均值聚類法聚成3類，獲取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級苗凝聚中心坐標(biāo).各級苗木聚集在以凝聚中心為圓心、以d為凝聚半徑的圓內(nèi).凝聚半徑d的計算公式為[10]

(4)

其中K=1，SD，SH為各級苗D和H標(biāo)準(zhǔn)化值的標(biāo)準(zhǔn)差.

根據(jù)Ⅰ、Ⅱ級苗凝聚中心坐標(biāo)及凝聚半徑d值確定Ⅰ、Ⅱ級苗下限[7-8].以D為橫坐標(biāo)，H為縱坐標(biāo)，將Ⅰ、Ⅱ級苗凝聚中心繪于平面坐標(biāo)上，根據(jù)凝聚中心D值、H值及d值，利用相似三角形原理計算Ⅰ、Ⅱ級苗下臨界點標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)值.利用公式(3)將Ⅰ、Ⅱ級苗下臨界點標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)值還原，得出Ⅰ、Ⅱ級苗下臨界點D值和H值.

1.4.3 綜合評定法 用K-均值聚類法及標(biāo)準(zhǔn)差法劃分的各級苗木分級值，對統(tǒng)計分析樣本進(jìn)行驗證，獲得不同分級方法各級苗木株數(shù)百分率，根據(jù)較合理的Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)百分率確定各級苗木分級標(biāo)準(zhǔn).

2 結(jié)果分析

2.1 調(diào)查結(jié)果

前期踏查獲得川黃柏苗木樣方最大株數(shù)53、最小株數(shù)13，用公式(1)計算得到應(yīng)調(diào)查苗木樣方數(shù)68個，為確保調(diào)查可靠性及精度，實際調(diào)查72個樣方，獲得2 573株苗木D值和H值，統(tǒng)計獲得平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，剔除D值和H值超過“平均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差”范圍的異常植株9株，實際分析樣本2 564株.

72個樣方2 564株樣苗D值和H值統(tǒng)計結(jié)果見表1，抽樣精度P大于95%(表2)，符合抽樣要求.

表1 川黃柏苗木樣方調(diào)查統(tǒng)計Table 1 Survey of Phellodendron Chinense Seedling Sample Plots

表2 川黃柏苗木抽樣調(diào)查精度Table 2 Statistics of Sampled Phellodendron chinense Seedlings

2.2 K-均值聚類法分級

將2 564株樣苗D值和H值標(biāo)準(zhǔn)化后分層，抽樣獲得128株聚類分析樣苗的標(biāo)準(zhǔn)化值，用SPSS22.0軟件按K-均值聚類法，經(jīng)9次迭代聚為3類(表3和表4).

表3 聚類成員Table 3 Cluster Members

表4 最終聚類中心Table 4 Result of Cluster Center

由表4可見，第1類(Ⅰ級苗)凝聚中心坐標(biāo)(0.649 3，0.706 6)，第2類(Ⅱ級苗)凝聚中心坐標(biāo)(0.347 2，0.520 7)，第3類(Ⅲ級苗)凝聚中心坐標(biāo)(0.128 7，0.244 3).

128株分析樣苗經(jīng)K-均值聚類后歸為3類(表3)，1類(Ⅰ級苗)37株，2類(Ⅱ級苗)48株，3類(Ⅲ級苗)43株.利用SPSS22.0軟件對1類樣苗37株、2類樣苗48株的D和H標(biāo)準(zhǔn)化值作描述統(tǒng)計，獲得Ⅰ級苗D和H標(biāo)準(zhǔn)化值標(biāo)準(zhǔn)差SD1=0.116 4，SH1=0.080 4，Ⅱ級苗D和H標(biāo)準(zhǔn)化值標(biāo)準(zhǔn)差SD2=0.083 4，SH2=0.084 5，根據(jù)公式(4)計算出Ⅰ級苗凝聚半徑0.141 5，Ⅱ級苗凝聚半徑0.118 7.

以D為橫坐標(biāo)，H為縱坐標(biāo)，根據(jù)Ⅰ、Ⅱ級苗凝聚中心坐標(biāo)值及凝聚半徑d值，利用相似三角形原理計算出Ⅰ、Ⅱ級苗下臨界點標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)值：Ⅰ級(0.553 6，0.602 4)，Ⅱ級(0.281 3，0.491 2).利用公式(3)將下臨界點標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)值還原，得Ⅰ級苗下臨界點坐標(biāo)(1.091，110.79)，Ⅱ級苗下臨界點坐標(biāo)(0.653，81.20)，即：Ⅰ級苗D≥1.091 cm，H≥110.79 cm；Ⅱ級苗0.653≤D<1.091 cm，81.2≤H<110.79 cm；Ⅲ級苗D<0.653 cm，H<81.2 cm.

聚類分析法是適用苗木質(zhì)量分級的一種系統(tǒng)、科學(xué)方法[10]，K-均值聚類也叫快速聚類，是苗木質(zhì)量分級的重要方法之一.根據(jù)表3可計算出128株樣苗中1，2，3類苗株數(shù)百分率分別為28.9%，37.5%，33.6%，即Ⅰ級苗28.9%，Ⅱ級苗37.5%，Ⅲ級苗33.6%.Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)百分率計66.4%，百分率偏低，應(yīng)與該批苗木部分樣方密度較大、弱小苗木較多(表1)有關(guān)，該批苗木整體培育水平有待提高.

2 564株樣苗驗證結(jié)果表明(表5)，樣苗中Ⅰ級苗22.0%，Ⅱ級苗32.7%，Ⅰ、Ⅱ級苗計54.7%，明顯低于128株樣苗聚類結(jié)果.用聚類分級指標(biāo)對原128株聚類分析樣苗進(jìn)行驗證(表6)，也表明用聚類分級標(biāo)準(zhǔn)劃分的Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)百分率明顯低于聚類分析結(jié)果.K-均值聚類是基于D和H標(biāo)準(zhǔn)化值之和進(jìn)行的，而根據(jù)聚類分析得出的標(biāo)準(zhǔn)化值的還原值劃線確定的D值和H值，會漏掉D值筆H值迭加上線植株，導(dǎo)致以D值和H值分別劃線的標(biāo)準(zhǔn)高于K-均值聚類所代表的實際水平，因此K-均值聚類劃分的苗木質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)需適當(dāng)降低.

表5 K-均值聚類分級2 564株樣苗驗證Table 5 Test of 2 564 Seedlings by K Averaged Value Cluster Classification

表6 K-均值聚類分級128株樣苗驗證Table 6 Test of 128 Seedlings by K-Averaged Value Cluster Classification

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差法分級

表7 川黃柏苗木標(biāo)準(zhǔn)差法分級結(jié)果Table 7 ClassificationResult of Standard Deviation Method on Phellodendron Chinense Seedling

2.4 川黃柏苗木分級標(biāo)準(zhǔn)綜合評定

表8 川黃柏苗木分級綜合比較Table 8 Comprehensive Comparison of Phellodendron Chinense Seedling Classification

由表8可見，綜合評定的B套質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)最接近K-均值聚類Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)百分率，因此，川黃柏1年生實生苗質(zhì)量分級宜選擇綜合評定B套質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級苗D≥1.0 cm，H≥100 cm；Ⅱ級苗0.6 cm≤D<1.0 cm，60 cm≤H<100 cm；Ⅲ級苗D<0.6 cm，H<60 cm. 在該標(biāo)準(zhǔn)下，本次研究樣本Ⅰ、Ⅱ級苗占比64.8%.

3 討論

(1)川黃柏1年生實生苗質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級苗地徑D≥1 cm，苗高H≥100 cm；Ⅱ級苗地徑D0.6～<1 cm，苗高H60～<100 cm；Ⅲ級苗地徑D<0.6 cm，苗高H<60 cm.

(2)以地徑、苗高為代表，用K-均值聚類法劃分苗木質(zhì)量等級，存在分級標(biāo)準(zhǔn)值偏高問題，需適當(dāng)降低.K-均值聚類是基于地徑、苗高2個關(guān)鍵性代表因子標(biāo)準(zhǔn)化值之和進(jìn)行的，其聚類結(jié)果各類株數(shù)百分率是科學(xué)可信的，但根據(jù)聚類標(biāo)準(zhǔn)化值還原的地徑、苗高值分別劃線，會漏掉地徑、苗高迭加上線的個體，導(dǎo)致實際劃分標(biāo)準(zhǔn)值偏高，這種偏差可能會因樹種不同或苗木整體質(zhì)量差異而變化.根據(jù)K-均值聚類獲得的各類苗木株數(shù)百分率，對聚類分析獲得的分級標(biāo)準(zhǔn)值適度調(diào)整是科學(xué)合理的.

(4)川黃柏是速生樹種，苗期生長量與漆樹、臭椿、檫木、華榛接近，根據(jù)《主要造林樹種苗木質(zhì)量分級》(GB6000—1999)，漆樹、臭椿、檫木Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)應(yīng)達(dá)75%，而作為本研究對象的川黃柏，Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)僅66.4%，百分率偏低.影響苗木Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)百分率的主要因子是密度，密度越大，Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)百分率越小.川黃柏高密度樣方的存在，是導(dǎo)致本研究Ⅰ、Ⅱ級苗株數(shù)百分率偏低的主要原因.生產(chǎn)上應(yīng)注意控制苗木密度，及時間除過密植株，提高苗木整體質(zhì)量，增加Ⅰ、Ⅱ級苗占比.

(5)川黃柏既適宜旱土育苗，也適宜水稻土育苗，通常水稻土水肥供應(yīng)能力較旱土強(qiáng)，其苗木生長量應(yīng)更大.本研究僅針對川黃柏的旱土育苗，存在一定的局限，未來應(yīng)增加水稻土培育研究，使川黃柏苗木質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)更合理、更全面、更科學(xué).