全 文 ： * ?四川省先导计划重点科研项目“云杉天然林分可持续经营技术研究”( 03-06) 资助
收稿日期 : 2005-03-11 改回日期 : 2005-04-27
云杉天然林分多因素数量化生境质量评价研究 *
马明东 罗承德 张 健 胡庭兴 刘跃建
(四川农业大学 都江堰 611830)
摘 要 运用数量化理论(? )方法研究建立了云杉天然林分多因素数量化生境质量评价模型 , 模型复相关系数
Rym为 0.6888, Rym t值为 11.0804,用 Rym t检验 , t0. 05 = 1. 98, t0 . 05 < t实 值 。并研制出云杉多因素数量化生境质量
评定表和云杉多因素数量化生境质量等级评定表 ,可直接预测无林地生境生产力及更新后林木生长效果。
关键词 云杉天然林 数量化理论(? ) 生境质量评价
Assessment of site condition quality of the natural forest of Picea asperata by multi-factor quantitative analysis . MA
Ming-Dong, LUO Cheng-De, ZHANG Jian, HU Ting-Xing, LI U Y ue-J ian(Sichuan Agricultural University, Dujiangyan
611830,China) , CJEA ,2006,14(2) :154～158
Abstract This article utilizes quantitative theory ? to build the evaluation models of multi-factor quantitative site
condition quality of the natural forest of Picea asperata ( Chinese spruce) . Theduplicaterelativecoefficient of themodels,
Rym , is 0. 6888, Rym t value is 11.0804 . Through Rym t test , t0. 05 = 1. 98 < tactual value . And the site quality evaluation
tableand site quality gradeevaluation table aremade, which arecapable to directly predict the non-woodland productivity
capacity and the growth impression .
Key words Natural forest of Picea asperata, Quantitative theory ? , Sitecondition quality evaluation
(Received March 11, 2005; revised April 27, 2005)
1 研究方法与模型建立
本研究按统一的技术要求 , 在岷江上游、白龙江及洮河流域云杉主要分布区 27个县以林分面积 3%～
5%比例典型抽样 , 共调查样地 328个解析木 400株 ,样地面积一般为 1200m2 , 样地调查包括生境因子、林分
因子、样木解析及林分内地被物。
国内外在评价生境生产力时多采用林分上层木高作为生产力指标 (因变量 ) 与生境因子 ( 自变量 ) 建立
生境潜在生产力预测模型 ,但近年评价生境质量时亦选用其他指标如 5株优势木平均高、优势木高年均生长
量、5年高生长段平均值等评价生境潜在生产力 , 试图提高其预测精度[ 1～7] 。考虑到云杉分布区天然林分特
性及其真实反映出云杉生境生产力水平 ,本研究选用云杉地位指数、林分蓄积量、林分乔木层生物量和林分
表 1 云杉 4 种生产力指标与生境因子典范相关分析 *
Tab .1 Thefour productivity capacity index and the typical pertinent analysis of Picea asperata
典范分析
Canonical
analysis
典范相关系数
Coefficient of canon-
ical correlation
典范方程
Canonical function
第一典范变量 0 ?.8621 * u^1 #= 0 . 1243 X1 - 0 E. 0040 X2 + 0 .060 X3 - 0 r. 0035 X4 + 0 ?.0046 X5 +
0 ?.0950 X6 + 0. 0890 X7 + 0 ". 0369X8 + 0.0900X9 + 0 T.0057 X10 + 0 ?. 0510X11
v^1 ?= 0 . 0490 y1 - 0 ,. 0050y2 + 0 .0010y3 - 0 ^.0050 y4
第二典范变量 0 ?.2879 u^2 ?= 0 .0380 X1 - 0 ).002X2 + 0.052 X3 - 0 ?. 009X4 + 0 .020 X5 + 0. 026 X6 +
0 ?.052 X7 + 0 t. 042 X8 + 0 . 030 X9 - 0 x.006 X10 - 0 ?. 049 X11
v^2 ?= 0 . 027 y1 - 0 ?. 005 y2 - 0 s. 018 y3 - 0. 015y4
* X1 为地貌类型 , X2 海拔高度 , X3 坡度 , X4 坡向 , X5 母质堆积形式 , X6 土层厚度 , X7 腐殖质层厚度 , X8 土壤湿度 , X9 土壤平均容重 ,
X10土壤质地 , X11植被类型 , y1 云杉地位指数 , y2 林分蓄积量 , y3 林分乔木层生物量 , y4 林分生物量。
第 14 ?卷第 2期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .2
2 0 0 6 ?年 4 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture April, 2006
生物量 4种生产力指标 ,运用典范
相关分析判别反映云杉生产力与
生境条件的关系 ,其结果见表 1。
地位指数表评定生境质量
时较直观 ,能给使用者明确的数
量概念 , 但其局限性较大 , 只能
适用于有林地而不适用于无林
地 ,且不能反映各生境因子对林
木的单独作用 , 因此无法判断各
生境因子对林木生长作用的大
小。云杉多因素数量化生境质
量评定表可直接定量测定出生
境因子对云杉生长的综合作用 ,
且定量给出各生境因子对云杉
生长的单独作用 , 不仅适用于现
有林分生长效果的评定 , 又可对
宜林荒地、采伐迹地等无林地潜
在生产力进行预测。生境因子
(项目 ) 和生境因子内等级 ( 类
目 )划分见表 2。
根据数量化理论 (?) 自变量
与因变量的关系可建立下列预
测方程 :
Yi = ∑
m
i = 1
∑
rc
k = 1
Cjkδi ( j k) ( 1)
式中 , Y i 为因变量云杉地
位指数的估计值 , Cj k为因变量
各类目得分值 ,δi ( j k) 为样地在类
目中的反映 ,
δi( jk) = 1 (当第 i 个样本中自变
量 Xi 取第 k类目时 )
0 ( 否则 )
表 2 云杉生境因子项目、类目划分标准 *
Tab .2 The differentiating standards of the site condition factor
items and categories of Picea asperata
序 号
Sequence
项 目
I tems
类 目
K ind
代 号
Parameter
划分标准
Partition standard
1 ?地 貌 类 型 高 山 峡 谷 X11
丘 状 高 原 X12 ?
2 ?海 拔 高 度 / m X21 2800～3000
X22 ? 3001～3250
X23 ? > 3250
3 ?坡 度 / (°) 缓 坡 X31 6～15
斜 坡 X32 ? 16～25
陡 坡 X33 ? 25～35
急 坡 X34 ? 36～45
4 ?坡 向 阳 坡 X41 东南～南～西南(135～180～225)
半 阳 坡 X42 ?东～东南,西南～西(90～135,225～270)
半 阴 坡 X43 ?东北～东,西～西北(45～90,270～135)
阴 坡 X44 ?东北～北～西北(0～45,315～360)
5 ?母 质 堆 积 形 式 坡 积 X51
崩 积 X52 ?
残 积 X53 ?
6 ?土 层 厚 度 / cm 薄 层 X61 < 40 ?
中 层 X62 ?40 w～80
厚 层 X63 ? > 80 ?
7 ?腐殖质层厚度/ cm 中 层 X71 10 w～20
厚 层 X72 ? > 20 ?
薄 层 X73 ? < 10 ?
8 ?土 壤 湿 度 ** 极 湿 X81
湿 润 X82 ?
润 X83 ?
9 ?土壤平均容重/ g·cm- 3 大 X91 > 1. 3
中 X92 ?1 %.1～1. 3
小 X93 ?0 %.8～1. 1
10 ?土 壤 质 地 重 壤 X101
中 壤 X102 ?
轻 壤 X103 ?
11 ?植 被 类 型 中 生 箭 竹 类 X111
偏 干 灌 木 类 X112 ?
高寒干性苔草类 X113 ?
阴 湿 藓 类 X114 ?
* 数量化理论 (? )分析时则采用无序多态性状编码值 ; ** 为土壤剖面调查时用定性标准记
载的土壤湿度。
根据样地调查资料列出云杉生长与生境因子元素反应表 ,运用标准程序电算得出云杉多因素数量化生
境潜在生产力综合预测模型 :
Yi = h13.9983δi ( 11) + 11.9317δi ( 12) + 0δi( 21) + 0. 9933δi( 22) - 0. 2547δi( 23) + 0δi ( 31) + 1.5711δi ( 32) +
1. 0555δi ( 33) + 0.8189δi ( 34) + 0δi( 41) + 0. 8376δi( 42) + 1. 6103δi( 43) + 1. 59649δi ( 44) + 0δi ( 51) +
0. 0983δi ( 52) - 0.6167δi ( 53) + 0δi( 61) + 1. 5270δi( 62) + 1. 9043δi( 63) + 0δi ( 71) + 0.4308δi ( 72) -
0. 0430δi ( 73) + 0δi( 81) + 2. 3476δi( 82) + 2. 0421δi( 83) + 0δi ( 91) + 0.1922δi ( 92) + 1.9573δi ( 93) +
0δi ( 101) + 0. 1656δi( 102) + 0. 0348δi( 103) + 0δi ( 111) - 0.8990δi ( 112) - 2.0123δi ( 113) - 2.9273δi ( 114)
为清楚表达预测模型各项目中所有类目不同得分值 ,将预测模型编制成数量化生境质量评定表(见表 3)。
2 模型精度检验及等级评定表研制与应用
模型显著性检验包括复相关系数 t检验和偏相关系数 t检验。云杉生境质量评定模型复相关系数 t值
据下式计算 :
t实值 =
Rym n - m - 1
1 - R2ym
(2)
第 2 ?期 马明东等 : 云杉天然林分多因素数量化生境质量评价研究 155
表 3 云杉多因素数量化生境质量评定表 *
Tab .3 Theevaluation table of themulti factor quantitative site quality of Picea asperata
项 目
I tems
类 目
Subitems
得 分
Score
得分范围
Score
range
偏相关系数
Partial correla-
tion coefficient
t 值
t value
方差比
Variance
ratio
地 貌 ( X1 m) 高 山 峡 谷 ( X11 R) 13 ?. 9983
丘 状 高 原 ( X12 R) 11 ?. 9317
海 拔 高 度 ( X2 m) 2800 b～3000m( X21) 0 ?
3001 b～3200m( X22) 0 ?. 9933
> 3200 jm( X23) - 0 ?. 2547
坡 度 ( X3 m) 缓 坡 ( X31 R) 0 ?
斜 坡 ( X32 R) 1 ?. 5711
陡 坡 ( X33 R) 1 ?. 0555
急 坡 ( X34 R) 0 ?. 8189
坡 向 ( X4 m) 阳 坡 ( X41 R) 0 ?
半 阳 坡 ( X42 R) 0 ?. 8376
半 阴 坡 ( X43 R) 1 ?. 6103
阴 坡 ( X44 R) 1 ?. 5964
母质堆积形式 ( X5 m) 坡 积 母 质 ( X51 R) 0 ?
崩 积 母 质 ( X52 R) 0 ?. 0983
残 积 母 质 ( X53 R) - 0 ?. 6167
土 层 厚 度 ( X6 m) 薄 层 ( X61 R) 0 ?
中 层 ( X62 R) 1 ?. 5270
厚 层 ( X63 R) 1 ?. 9043
腐殖质层厚度 ( X7 m) 中 层 ( X71 R) 0 ?
厚 层 ( X72 R) 0 ?. 4308
薄 层 ( X73 R) - 0 ?. 0430
土 壤 湿 度 ( X8 m) 极 湿 ( X81 R) 0 ?
湿 润 ( X82 R) 2 ?. 3476
润 ( X83 R) 2 ?. 0421
土壤平均容重 ( X9 m) 大 ( X91 R) 0 ?
中 ( X92 R) 0 ?. 1922
小 ( X93 R) 1 ?. 9573
土 壤 质 地 ( X10 z) 重 壤 ( X101 `) 0 ?
中 壤 ( X102 `) 0 ?. 1656
轻 壤 ( X103 `) 0 ?. 0348
植 被 类 型 ( X11 z) 中 生 箭 竹 类 ( X111 `) 0 ?
偏 干 灌 木 类 ( X112 `) - 0 ?. 8990
高寒干性苔草类 ( X113 `) - 2 ?. 0123
阴 湿 藓 类 ( X114 `) - 2 ?. 9273
2 N. 0666 0 ?.3452 4 ?. 2890 0 p.1071
1 N. 2480 0 .2090 2 . 4924 0 p.0291
1 N. 5711 0 ?.0719 0 ?. 8407 0 p.0014
1 N. 6103 0 ?.2611 3 ?. 1543 0 p.0415
0 N. 7150 0 .1356 1 . 5961 0 p.0107
1 N. 9043 0 .1668 1 . 9728 0 p.0191
0 N. 4738 0 .1951 2 . 3198 0 p.0281
2 N. 3476 0 .3779 4 . 7600 0 p.1440
1 N. 9573 0 .2603 3 . 1440 0 p.0641
0 N. 1656 0 .0354 0 . 4131 0 p.0007
2 N. 9273 0 ?.2593 3 ?. 1310 0 p.0471
* 复相关系数 Rym = 0 . 6888, Rym t 值 = 11. 0804 ,剩余回归标准差 S′δ= 2. 1688。
其结果见表 3, 查 t分布表得 t0 . 05 = 1. 98, t0 . 05 < t实值 , 说明建立的云杉生境质量评定模型预测效果较
好。据公式 (2)计算各生境因子 ( 项目 )偏相关系数 t值 , 其结果见表 3。偏相关系数 ru 为扣掉了除 Xu 外的
其他自变量影响后 Xu 与 Y i 的相关性 , 用偏相关系数计算的 tu 值愈大说明该生境因子愈重要 , 当 tu 值 > 2
时可视作该因子为主要因子 ;当 tu 值 > 1时可视作该因子有一定影响 ; 当 tu 值 < 1时可视作该因子对云杉
生长影响较小。由表 3可知云杉分布区地貌类型、海拔高度、坡向、腐殖质层厚度、土壤湿度、植被类型和土
壤平均容重对云杉生长有显著影响 ,土壤母质堆积形式、土层厚度有一定影响 ,而土壤质地和坡度对云杉生
表 4 云杉样地残差相对值分布
Tab .4 Thedistribution of therelativevalueof thesampleplot remainsof Piceaasperata
项 目
I tems
误差中值 Midpoint of error
0 ?5 10 l 15 / 20 25 30 c
范 围/ % < 2 u. 5 2 8.5～7 ?. 4 7.5～12.4 12.5～17 b.4 17 C. 5～22 %.4 22 ?.5～27 .4 27.5～32.4
频 率 25 I 54 ? 46 ? 18 10 4 c 2 &
占样地总数/ % 15 L. 72 33 ?. 96 28 ?. 93 11 .32 6. 29 2 c. 53 1 &.25
累积百分比/ % 15 L. 72 49 ?. 68 78 ?. 61 89 .93 96. 22 98 c. 75 100 &.00
长影响不显著。用云杉生境
质量评定模型预估各样地地
位指数和实际地位指数之差
称为残差 , 用下式计算残差相
对值 ( Ei ) :
Ei % =
Yi - Y^i
Y i
×100 (3)
按 Ei 的绝对值大小 , 以5%
156 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
的级距统计误差分布频率 , 列出云杉样地残差相对值
分布 ( 见表 4) 。由表 4 可知误差 < 7. 5%、12. 5%、
17.5% 的样地分别占 49. 68%、78.61% 和 89.93%。
一般认为有 80%以上样地 Ei 值为 20%以下时则该模
型可用于生产实践 , 说明建立的云杉生境质量评定模
型精度较高。将各样地残差绝对值按±1～±5m的误
差限 ,统计残差绝对值分布次数见表 5。由表 5可知云
杉生境质量评定模型有 67. 30% 的样地地位指数预测
误差不超过2m, 有86 . 17% 的样地地位指数预测误差
表 5 云杉样地残差绝对值分布次数
Tab .5 Thedistribution timeof theremnant absolutevalue
of thesampleplot of Piceaasperata
项 目
I tems
误差限/ m Limit of error
±1 +±2 s±3 ?±4 ?±5 K
范 围 ≤1 +1 ?.1～2 2 ,. 1～3 3 t.1～4 4. 1～5
频 率 11 ? 96 ? 30 f 14 8
占 样 地 数/ % 6 ?.92 60 !. 38 18 i.87 8. 81 5 . 02
累积百分比/ % 6 ?.92 67 !. 30 86 i.17 94. 98 100 . 00
不超过 3m,残差相对值和残差绝对值检验效果表明建立的云杉生境质量评定模型生产力预测值与实际值
误差较小 ,可用于云杉分布区生境质量评价和潜在生产力的估测。
为便于评价云杉分布区宜林地生境质量 , 本研究在云杉生境质量评定表基础上编制了云杉数量化生境
表6 四川省西北高山区云杉数量化生境质量评价等级表(地位指数)
Tab .6 Thequality evaluationgradetable (siteindex) of thesprucequantita-
tivesitecondition in alpineareasnorthwest of Sichuan, China
项 目
I tems
立地等级 Site quality grade
? ? ? ? ?
测定项目得分值 22 y.89～25 n.99 19 e.79～22 Z.88 16 Q.69～19 F.78 13 =.59～16 2.68 10 ).49～13 ?.58
立 地 质 量 评 价 优 良 中 差 极差
质量等级评定表 ( 见表 6) , 其目的是
能适用于基层单位经营水平和满足生
产要求 , 其编制方法是将“评定表”中
Xi1列中各类目得分值代数和的极差
除等级数减 1, 将其值由最大到最小
组合为 5个数值范围 , 即 5个生境质
量评价等级 , 分别为优级 (?)、良级
(?)、中等 (?)、差级 (?)和极差 (?)。
所建立的云杉生境生产力综合预测模型及云杉数量化生境质量评定等级表主要用途一是对现有云杉
林分生长情况进行评定 , 首先在云杉林分中设面积为 1200m2 的标准地 , 调查优势木平均高和林分平均年
龄 ,在云杉地位指数表中查出地位指数即为现实林分生产力 ; 再根据云杉生长所在生境条件在云杉生境生
产力综合预测模型或云杉数量化生境质量评定等级表中 , 将各立地因子得分值累加即可得出该林分预估地
位指数 (又称潜在生产力或可能生产力 ) , 若现实生产力与潜在生产力接近说明该林分生长正常 , 若现实生
产力低于潜在生产力 ,则说明林分生长不正常 , 须经判断分析后找出原因并提出管理和抚育措施。如某一
云杉林分处于高山峡谷生境区 ,其主要生境条件为海拔高度 3000m、半阴坡中部、坡积母质形式、坡度 30°、
土壤厚度 60cm、腐殖质厚度 15cm、质地为重壤质、土壤湿度为湿润型、土壤平均容重为 1. 0g/ cm3、植被属中
生箭竹类型 ,根据这些生境条件运用云杉生产力数量化综合预测模型或查表 3, 即可得出该生境云杉潜在生
产力地位指数为 y^= 13. 9983+ 0+ 1.0555+ 1.6103+ 1.5270+ 2. 0421 + 1.9573+ 0+ 0= 22.1905m, 此外还
可用建立的云杉生境生产力多元线性预测模型评定该林分潜在生产力 , 其式为 y^= 10.0215 + 0. 5500 地貌
类型 + 0. 0015海拔高度 - 0. 0638坡度 + 0. 1070 坡向 + 0.0640母质堆积形式 + 1.0952土壤厚度 + 0.6432
腐殖质层厚度 + 0. 0980土壤湿度 + 0. 2185土壤平均容重 + 0.0738土壤质地 + 0.6510植被类型。据表 2云
杉生境因子项目和类目划分标准和表 3部分云杉生境因子分级编码 , 最后可得出云杉潜在生产力地位指数
为 y^= 10. 0215+ 0. 55×4+ 3000×0. 0015 - 0.0638×30+ 0.1070×4 + 0.0642+ 1.0952×2 + 0.6432×2 +
0. 0989×2+ 0.2185×1+ 0.0738×2 + 0.6510×5 = 22. 6574m。而以上运用云杉生产力数量化综合预测模
型得出的云杉生境潜在生产力和运用多元线性预测模型得出的云杉生境潜在生产力地位指数误差绝对值
仅有 0.4669m,说明 2种模型均可对云杉生产力进行评定。二是预测云杉分布区宜林地生产力 ,无林地和有
林地生境条件虽有一定差别 , 但云杉分布区范围内气候、地貌等大环境因素一致 , 有同样地形和土壤条件 ,
一致的水热状况 , 故可设想同一树种林木在相同经营条件下就可能达到相同生产力水平 , 即用有林地生境
质量估测无林地潜在生产力的方法切实可行 ,而用云杉数量化综合预测模型及云杉数量化生境质量评定等
级表预估云杉分布区内采伐迹地、火烧迹地及宜林荒山潜在生产力是地位级表和地位指数表所不可代替
的。如 1块宜林地是否适合生长云杉 ,更新造林后能否成林成材 , 其生产力水平如何 , 首先在造林设计前对
该造林地生境条件进行调查后 , 根据生境因子项目、类目划分标准 ( 见表 2) , 用云杉数量化综合预测模型或
云杉数量化生境质量评定等级表就可预估出该造林地云杉生长潜在生产力地位指数 (预估方法同前 ) , 根据
研究和实地考察 ,若预估出的潜在生产力地位指数 < 13. 59m, 则该地段不适宜营造云杉。三是可为云杉生
第 2 ?期 马明东等 : 云杉天然林分多因素数量化生境质量评价研究 157
境条件分类提供依据 ,根据云杉数量化生境质量评定等级表中项目偏相关系数 t 检验结果 ,可选择出影响云
杉生长最大的几个主导生境因子作为云杉生境条件类型划分主导因子。四是为编制造林类型表和经营类
型表直接提供依据 ,利用该表在生境区质量评价基础上 , 根据各生境类型特点及造林树种林学特性 , 对确定
培育的林种进行更新造林典型设计 ,在造林规划设计时利用生境类型表和造林类型表即可在野外将生境类
型、造林树种及造林、营林技术措施等落实到小班。五是利用数量化生境质量等级评定表 , 在生境质量评价
基础上根据各等级内生境类型质量特点及造林树种生长规律 ,分别生境质量等级确定各树种的材种培育目
标并落实到小班 ,同时又能对其进行产量预测预报 , 为云杉分布区分类经营提供依据。
参 考 文 献 h
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158 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷