河北崇禮東溝流域立地類型劃分及其植被配置

王 冰，劉喜云，牛健植，楊 卓

(1.北京林業(yè)大學 水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 100083, 北京；2.北京林業(yè)大學 教育部林業(yè)生態(tài)工程中心， 100083, 北京；3.上?？辈煸O計研究院(集團)有限公司，200093，上海；4.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，110066，沈陽)

科學植被配置是植被恢復工作開展的根本[1]。研究證明，合理的植被配置能夠加快植被恢復進程，從而影響森林群落的演替[2-3]。其中，土壤水分是影響植被配置的重要因素。特別是礦山[4]、干旱半干旱區(qū)[5]、土層淺薄的土石山區(qū)等生態(tài)脆弱地區(qū)的植被恢復進程中，土壤初始含水量和土壤有效含水量有著尤為重要的作用。國內(nèi)外學者[6-7]證實不同區(qū)域的地形因子對土壤水分的影響作用差異明顯。立地類型劃分是將林木立地條件及效果相近似的歸一劃分，對適地適樹的實現(xiàn)和植被配置高效發(fā)展有重要的作用[8]。因此，明確不同地區(qū)的土壤水分影響因子，基于主導因子進行立地類型劃分是完成植被配置工作的基礎。

崇禮區(qū)東溝流域是2022年冬奧會核心賽區(qū)之一。該地區(qū)植被高效營建以及景觀提升工作的開展，對綠色冬奧目標的實現(xiàn)有重要意義。但前人[9]對其研究集中于景觀格局分析等大尺度的覆被變化，只掌握該地區(qū)宏觀層面的變化動態(tài)，缺少對流域內(nèi)土壤水分及其影響因子確定以及立地類型特性的研究。本研究以實地調(diào)查與遙感技術(shù)為基礎，探究影響土壤水分含量的立地因子，基于主導因子進行立地類型劃分，從而實現(xiàn)植被配置工作的高效開展，為綠色冬奧目標的實現(xiàn)提供理論基礎和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

東溝流域位于河北省張家口市崇禮區(qū)(圖1)，為清水河上游支流。流域面積約為709.83 km2，流域平均坡度270‰。該地屬于溫寒帶干旱、半干旱大陸性氣候，多年平均降水量為476.1 mm，年蒸發(fā)量753.5～1 103.0 mm[10]。土壤類型主要為棕壤土、褐土、栗鈣土、粗骨土。研究區(qū)主要樹種有白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、五角楓(Acermono)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)等；主要灌木有山杏(Armeniacasibirica)、虎榛(Ostryopsisdavidiana)、野玫瑰(Rosarugosa)等。

圖1 研究區(qū)樣點分布圖Fig.1 Distribution of sample points in the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與樣地調(diào)查

地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)下載得到數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，空間分辨率為30 m；2011年研究區(qū)森林資源二類清查數(shù)據(jù)，由崇禮林業(yè)局提供；地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺(http://www.geodata.cn/)獲取的1∶400萬土壤類型分布圖。

基于2018年野外調(diào)查的數(shù)據(jù)和崇禮林業(yè)局收集的資料，選取東溝流域內(nèi)的48個樣點進行典型樣地布設，樣地面積為20 m×20 m，每個樣地沿對角線設置2個5 m×5 m的灌木樣方，并選取5個1 m×1 m的草本樣方，調(diào)查記錄坡度、坡向、經(jīng)緯度信息、植被分布、植被蓋度等信息。每個典型樣地內(nèi)挖土壤剖面2個，每個剖面挖到30 cm深度為止，用環(huán)刀每隔10 cm取1層土樣，每層土樣取3次，利用室內(nèi)環(huán)刀法、烘干法測定土壤水分含量。

2.2 立地因子的提取與測定

選取的樣地中有22個位于陽坡和26個位于陰坡。其中，陽坡樣地的灌草和喬木的比值約為6:1，陰坡樣地灌草和喬木的比值約為3∶7。且研究區(qū)喬木長勢較好，而陽坡灌草低矮稀疏，呈現(xiàn)出明顯的分異特征。研究區(qū)內(nèi)分布的4種土壤類型，理化性質(zhì)較好的棕壤土，植被長勢較好；較為貧瘠的粗骨土，水土流失嚴重，植被狀況較差。且在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，陡坡的土壤侵蝕程度較大，土壤貧瘠，植被生長狀態(tài)差。故選取對土壤水肥影響較大的坡向、坡度和土壤類型作為立地分類的主導因子。

采用ArcGIS10.2空間分析模塊功能獲得坡度、坡向因子；土壤初始含水量采用烘干法測定，土壤有效含水量采用田間持水量和萎蔫系數(shù)的差值獲得，其中田間持水量采用室內(nèi)環(huán)刀法測定，土壤吸濕水含量采用烘干法測定，從而獲得萎蔫系數(shù)，即土壤吸濕水含量的1.5倍。

2.3 地形因子分級標準

坡向因子劃分采用趙鵬祥等[11]和王飛等[12]在立地類型劃分中采用的坡向劃分方法，將坡向劃分為陰坡和陽坡，其中陰坡包括北坡(337.5°～22.5°)、西北坡(292.5°～337.5°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)4個方位，陽坡包括南坡(157.5°～202.5°)、東南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)和西坡(247.5°～292.5°)。參考《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中的坡度分級標準，結(jié)合東溝流域山區(qū)地形特點，將坡度劃分為平地(0～5°)、緩坡(>5°～15°)、斜坡(>15°～25°)、陡坡(>25°)4個等級。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 25的單因素方差分析方法確定坡向、坡度、土壤類型等主導立地因子對土壤水分含量的影響，對比陰陽坡土壤水分含量之間的差異性；利用ArcGIS10.2空間分析、空間疊加以及柵格計算等功能模塊完成坡向、坡度因子的提取以及東溝流域立地類型劃分(圖2)；運用Origin 2017和Excel 2010完成圖表繪制。

圖2 東溝流域坡度與坡向分布圖Fig.2 Aspect and slope distribution map of Donggou watershed

3 結(jié)果與分析

3.1 不同立地類型劃分

3.1.1 坡向和坡度的提取 利用ArcGIS10.2的水文分析功能提取流域邊界，并應用空間分析功能提取坡向、坡度。東溝流域內(nèi)平地、緩坡、斜坡、陡坡的面積比例分別為8.18%、39.42%、42.00%和10.40%(圖2)。平地和緩坡主要分布于溝道及其周圍區(qū)域，主要為城鄉(xiāng)居民建設用地。斜坡均勻分布于流域除溝道之外的區(qū)域。陡坡多接近平地、緩坡等地勢平坦區(qū)域，宜采取適宜的水土保持措施，防治水土流失。

3.1.2 土壤類型的提取 參考崇禮區(qū)林業(yè)局提供的土壤類型分布資料，利用ArcGIS10.2的地理配準功能獲得土壤類型分布圖(圖3)。4種土壤類型的面積從小到大為褐土(8.21%)、栗鈣土(8.86%)、粗骨土(20.91%)和棕壤土(62.02%)。棕壤土和褐土土壤肥力較高，可采用喬灌草配置模式造林。粗骨土和栗鈣土土壤肥力較差，可采用灌草與耐貧瘠、耐干旱的樹種相結(jié)合搭配模式，改良水土流失現(xiàn)狀。

圖3 東溝流域土壤分布圖Fig.3 Soil distribution map of Donggou watershed

3.1.3 立地類型劃分 利用ArcGIS10.2的空間疊加、柵格計算功能，將東溝流域坡向、坡度、土壤類型分布圖進行空間疊加計算，進行立地類型劃分。立地類型命名為“坡向-坡度-土壤類型”的形式，如陰坡緩坡褐土(圖4)，因中文能夠區(qū)分開來，連字符“-”省略。

圖4 東溝流域立地類型劃分圖Fig.4 Site type division map of Donggou watershed

在32種立地類型中，陽坡斜坡棕壤土、陰坡斜坡棕壤土、陰坡緩坡棕壤土、陽坡緩坡棕壤土4種立地類型比例較大，其面積之和占東溝流域總面積的49.93%。陽坡斜坡粗骨土、陽坡陡坡棕壤土、陰坡斜坡粗骨土、陽坡緩坡粗骨土等18個立地類型所占面積比例范圍為1.00%～5.00%。剩余陰坡陡坡粗骨土、陽坡平坡褐土等10種立地類型所占面積比例≤1.00%(表1)。

表1 立地類型比例信息

3.2 立地因子對土壤水分的影響

3.2.1 土壤初始含水量 48塊樣地土壤樣品初始含水量的方差分析表明，粗骨土和栗鈣土以及褐土與棕壤之間的初始含水量差異不顯著(P<0.05)(圖5)。土壤初始含水量從小到大依次為：粗骨土(6.53±3.48)%、栗鈣土(9.25±2.36)%、褐土(14.60±3.68)%、棕壤土(17.34±5.43)%。

圖5 4種土壤類型的土壤初始含水量Fig.5 Soil initial moisture contents of 4 soil types

4種坡度條件下的土壤初始含水量范圍為12.90%～16.24%。單因素方差分析表明，平地、緩坡、斜坡和陡坡4種坡度之間的土壤初始含水量差異不顯著(圖6)，也就是說其對土壤初始含水量的影響均不顯著(P<0.05)。

圖6 4種坡度的土壤初始含水量Fig.6 Soil initial moisture contents of 4 slope levels

陰坡的土壤初始含水量普遍大于陽坡的初始含水量。陰坡的土壤初始含水量為(15.26±3.09)%，陽坡的土壤初始含水量為(10.99±3.02)%，其中，陽坡的26個樣本中存在部分點的水分含量值小于陽坡的初始含水量(圖7)。顯著性檢驗結(jié)果顯示，陰陽坡土壤初始含水量存在顯著差異(P<0.05)。

圖7 陰坡、陽坡條件下的土壤初始含水量Fig.7 Initial moisture contents of shady slope and sunny slope

3.2.2 土壤有效含水量 48塊樣地土壤樣品有效含水量的方差分析表明，粗骨土與栗鈣土、褐土、棕壤土的有效含水量有顯著差異(P<0.05)，而褐土、栗鈣土和棕壤土的土壤有效含水量之間不存在明顯的差異性(P<0.05)(圖8)。土壤有效含水量從小到大依次為：粗骨土(13.24±1.25)%、栗鈣土(19.84±2.34)%、褐土(25.63±3.48)%和棕壤土(27.70±8.12)%。

圖8 4種土壤類型下的土壤有效含水量Fig.8 Soil effective moisture contents of 4 soil types

平地、緩坡、斜坡、陡坡有效含水量范圍為20.86%～26.72%，平均有效含水量為(23.93±2.26)%。單因素方差分析表明(圖9)，平地、緩坡、斜坡、陡坡4種坡度地形之間的土壤初始含水量差異不顯著，也就是說其對土壤初始含水量的影響均不顯著(P<0.05)。

圖9 4種坡度地形條件下的土壤有效含水量Fig.9 Soil effective moisture contents of 4 slope levels

陰坡的土壤有效含水量普遍大于陽坡的有效含水量(圖10)。陰坡的土壤有效含水量為(30.59±4.62)%，陽坡的土壤有效含水量為(22.83±5.11)%。陰陽坡有效含水量的顯著性檢驗結(jié)論顯示，二者存在顯著的差異(P<0.05)。

圖10 陰坡、陽坡條件下的土壤有效含水量Fig.10 Soil effective moisture contents of shady slope and sunny slope

3.3 不同立地條件下的植被組成

東溝流域的海拔為1 000 m左右，且在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)沒有出現(xiàn)隨氣候改變的植被垂直性分布，故不考慮海拔因素的影響。對照不同立地類型條件下的土壤水分得出：陰坡褐土、陰坡棕壤土的水分含量較高，陰坡栗鈣土、陰坡粗骨土、陽坡褐土、陽坡棕壤土水分含量次之，陽坡栗鈣土、陽坡粗骨土水分含量最小。針對以上不同立地類型組水分特征，進行相應的植被配置。

1)陡坡立地類型組。陡坡立地類型組的面積比例最小，僅為東溝流域的1/10。其中，陽坡陡坡系列比例約44.80%。陰坡陡坡占陡坡立地類型組比例為55.20%。對于陽坡陡坡栗鈣土和陽坡陡坡粗骨土類型，由于土壤水分缺乏，土質(zhì)疏松，肥力貧瘠等原因，植被覆蓋多為灌草，分布稀疏。應選擇灌草為主，喬木為輔的方式優(yōu)化植被，其中，喬木主要考慮油松(Pinustabuliformis)、白榆(Ulmuspumila)、楸樹(Catalpabungei)等護坡、耐干旱的水土保持林樹種，灌木考慮山杏、沙棘(Hippohgaerhamnoides)等喜陽耐旱的經(jīng)濟林種。而陽坡陡坡褐土和陽坡陡坡棕壤土，土壤肥力條件較好，植被條件優(yōu)越，應配合魚鱗坑、水平溝等水土保持措施，以核桃楸(Juglansmandshurica)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、樟樹(Cinnamomumcamphora)、杜仲(Eucommiaulmoides)等鄉(xiāng)土樹種栽植、補種為主，合理配置。而陰坡陡坡褐土和陰坡陡坡棕壤土，水肥條件良好。除考慮上述經(jīng)濟型樹種外，可考慮枸杞(Lyciumchinense)、蘋果(Maluspumila)、板栗(Castaneamollissima)等果品類經(jīng)濟林。陰坡陡坡栗鈣土和陰坡陡坡粗骨土，肥力條件差，但土壤蒸發(fā)量少，水分條件良好，考慮栽植山茶(Camelliajaponica)等耐陰灌木樹種，改善土壤水肥特性的同時提高居民的生活水平。

2)斜坡立地類型組。斜坡立地類型組面積比例為38.12%。其中，陰坡斜坡棕壤土、陰坡斜坡褐土等水肥條件優(yōu)渥的立地類型，考慮采用喬灌草的復合栽植模式，其中喬木主要選擇云杉(Piceaasperata)、華北落葉松、山楊、樺樹(Betulaplatyphylla)等經(jīng)濟林林種、用材林林種。而陽坡斜坡栗鈣土和陽坡斜坡粗骨土，土壤有機物含量低，土壤顆粒大，保水能力差，蒸散量比較大，應選擇栽植耐干旱的灌木品種，例如沙棘、山杏等灌木。陽坡斜坡棕壤土、陽坡斜坡褐土、陰坡斜坡栗鈣土、陰坡斜坡粗骨土，由于水肥條件有限，需根據(jù)海拔、地形等設置水平階等水土保持措施，改善土壤水肥性質(zhì)。同時，栽植山杏、山茶等經(jīng)濟作物。

3)緩坡/平地立地類型組。對于緩坡以及平地區(qū)域的營建，應合理的發(fā)展農(nóng)業(yè)用地，結(jié)合灌溉和輪作、間作的方式，保證土壤肥力，特別是粗骨土和栗鈣土等土壤水肥條件差的土壤分布地區(qū)；合理配置山楊、白榆、柳樹(Salixmatsudana)等常見鄉(xiāng)土樹種，優(yōu)化廊道景觀，發(fā)展經(jīng)濟林、用材林，提高居民收入；同時，營建農(nóng)田防護林，改善農(nóng)田小氣候，防治周圍水土流失帶來的不利影響。

4 討論

4.1 立地類型劃分精度驗證

結(jié)合實地調(diào)查與ArcGIS10.2空間疊加功能，將東溝流域劃分為32種不同的立地類型。將疊加分析得到的立地類型結(jié)果與野外實際調(diào)查樣本中的坡向、坡度、土壤類型因子進行對比，每個樣本點的3個立地因子完全相同則認為準確，否則記作有誤差。經(jīng)統(tǒng)計，48個樣本點中有8個與實地調(diào)查結(jié)果不符合，分類精度達到83.33%。

本研究的立地類型劃分精度比王飛等[13]對渭北黃土高原立地類型劃分研究的精度要低，分析原因可能是本研究使用分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)，清晰度與5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)差距較大，導致精度下降。但此結(jié)果實現(xiàn)了對東溝流域內(nèi)各立地類型的信息化掌握，對當?shù)亓謽I(yè)信息化有重要的作用。

4.2 土壤水分因子變化特征

棕壤土、褐土、栗鈣土和粗骨土4種土壤類型與土壤初始含水量、土壤有效含水量均存在影響關(guān)系。4種土壤類型的土壤初始含水量大小關(guān)系均為褐土>棕壤 >栗鈣土>粗骨土。在相同土壤類型的對比中，高玉寒等[14]以赤峰市敖漢旗為研究區(qū)域，得到研究區(qū)內(nèi)4種類型土壤的分形維數(shù)由高到低依次為栗鈣土>褐土>棕壤土>風沙土。分形維數(shù)越大，表明土壤中細粒體積越高，外在表現(xiàn)為土壤顆粒小，保水保肥能力大[15]。實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，栗鈣土的樣地中主要覆蓋物為灌草，褐土和棕壤土為主的區(qū)域以喬木為主，而灌草區(qū)域的分形維數(shù)要大于林地[13]。Chen等[16]在對土壤水分的研究中得到土壤含水量越低、分形維數(shù)越高的結(jié)論證實了以上推測的合理性。

陰坡的土壤保水能力優(yōu)于陽坡，與余峰等[17]在對寧南黃土丘陵區(qū)坡向與土壤含水量的關(guān)系的研究中得到的西坡水分含量大于東坡的結(jié)論一致。在陰坡、陽坡的土壤水分含量的對比中，陰坡的初始含水量和有效含水量均出現(xiàn)一部分樣地的測量值小于陽坡的水分含量。以往經(jīng)驗認為，坡位高低影響土壤水分，隨著坡位的升高，土壤含水量降低，且坡位的影響作用大于坡向[18]。而該研究中，陰陽坡各個坡位的土壤初始含水量以及有效含水量之間不存在明顯差異。分析原因可能是土壤層0～30 cm厚度易受到其他因素例如降雨等氣象因素的影響，而坡向并非是主要原因[19]。此外，土壤利用類型也被證明是引起土壤水分含量差異的原因[20]。土壤水分含量的影響因子復雜，有待進一步的考證。

筆者在研究坡向、坡度、土壤類型等立地因子對東溝流域的土壤水分特征的影響中發(fā)現(xiàn)，坡度對土壤水分含量不存在顯著的影響。而國外學者得出結(jié)論，在小尺度研究中，地質(zhì)、地貌以及地質(zhì)構(gòu)造等因素影響土壤水分[21]。張思琪等[22]在對喀斯特峰叢土壤水分與地形因子關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，坡度對于土壤水分存在顯著的影響。相較喀斯特地貌土層淺薄地區(qū)，東溝流域的土層厚度較厚可能影響土壤水分空間差異從而削弱坡度的作用?？紤]到坡度對植被物種豐富度以及植被群落恢復效果的顯著影響[23]，故將坡度作為東溝流域立地類型劃分的影響因子之一。

5 結(jié)論

筆者基于實地調(diào)查與遙感技術(shù)，探究影響土壤水分含量的立地因子，基于主導因子進行立地類型劃分，明確不同立地條件下的植被配置。根據(jù)確定的主導因子坡向、坡度、土壤類型將東溝流域劃分為32種立地類型。各立地類型應遵照適地適樹的原則明確植被配置方式。以坡度分組的立地類型組中，平地、緩坡立地類型組應注重農(nóng)田用地的合理規(guī)劃，結(jié)合灌溉等方式保證水肥條件；陡坡立地類型組由于坡度較大應注重防止水土流失，保證灌草覆蓋的基礎上栽植耐干旱的水土保持樹種；而分布面積最大的斜坡立地類型組，可采取喬灌草復合模式，配合水平溝等措施提供植被需求水分。這一立地類型組也是東溝流域內(nèi)需要重點關(guān)注的區(qū)域。