大清河流域山丘區(qū)大蘭小流域立地分類與評(píng)價(jià)

劉佳琪, 閆燁琛, 楊建英, 王美琪

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京; 2.北京市涼水河管理處,100069,北京;3.天津市地質(zhì)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,300191,天津;4.中國(guó)林業(yè)出版社有限公司,100009,北京)

大清河流域?yàn)樾郯残聟^(qū)水資源保障體系的重要組成部分[1]?！度珖?guó)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》中提出“推進(jìn)白洋淀綜合治理,加強(qiáng)水源涵養(yǎng)林和水土保持工程建設(shè)”?！笆奈濉焙颖笔〗ㄔO(shè)京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)規(guī)劃中將大清河流域列為環(huán)京津生態(tài)過(guò)渡帶,但該流域氣候干旱,水土流失嚴(yán)重,導(dǎo)致上游斷流、河流干涸、白洋淀干淀現(xiàn)象頻發(fā)[2]。為此學(xué)者開展上游水源涵養(yǎng)林配置研究,提出封山育林、側(cè)柏+荊條混交、側(cè)柏+山杏混交、側(cè)柏+刺槐混交及油松+刺槐混交5種適宜配置模式,一定程度保障了流域生態(tài)流量[3-4]。立地劃分與質(zhì)量評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)林木空間優(yōu)化配置的前提[5],對(duì)相似的水源涵養(yǎng)林立地條件進(jìn)行歸一劃分,明確林木生長(zhǎng)影響因子,針對(duì)不同立地下的林木生產(chǎn)潛力進(jìn)行評(píng)價(jià),可為因地制宜科學(xué)造林提供理論指導(dǎo)。目前學(xué)者多采用主導(dǎo)環(huán)境因子分類組合法[6]、多因子綜合分類法[7]和植被因子分類法[8]對(duì)有林地進(jìn)行立地類型劃分,但針對(duì)北方少林地研究較少,且尚未建立ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)。大清河流域作為水資源保障區(qū),通過(guò)合理的立地劃分與評(píng)價(jià),針對(duì)不同立地類型和質(zhì)量等級(jí)因地制宜配置適宜的植物,保證林木健康生長(zhǎng)同時(shí)極大發(fā)揮林木的生態(tài)效益,對(duì)水源涵養(yǎng)林的營(yíng)造具有重要指導(dǎo)意義。筆者選取大清河流域上游山丘區(qū)的大蘭小流域?yàn)檠芯繀^(qū),將野外調(diào)查與ArcGIS相結(jié)合,篩選北方少林地立地劃分與評(píng)價(jià)的指標(biāo),為我國(guó)北方京津冀植樹造林提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

大蘭小流域位于河北省保定市易縣(E 114°56′～115°4′、N 39°12′～39°17′),總面積4 664.21 hm2,位于大清河上游山丘區(qū),其北部支流中易水橫穿大蘭小流域(圖1)。屬于溫帶季風(fēng)氣候帶,年最高氣溫41 ℃,年最低氣溫-23 ℃,年平均降水量 552～571 mm。 海拔226～1 343 m,總體呈北高南低趨勢(shì),北部為中、低山區(qū)域,南部為丘陵區(qū),坡度多>25°;土壤以山地褐土為主,500 m以上陰坡有淋溶褐土分布,土壤厚度較薄,多為20 cm以下。陽(yáng)坡土層厚度低于10 cm,植被覆蓋度較低,植物以荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)為主,長(zhǎng)勢(shì)一般;陰坡植被覆蓋度較高,主要喬木為油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、山楊(Populusdavidiana)、五角槭(Acerpictumsubsp.mono)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等;灌木包括荊條、胡枝子(Lespedezabicolor)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)等;草本以菊科(Compositae)和禾本科(Gramineae)植物為主。

圖1 研究區(qū)分布圖

2 材料與方法

2.1 野外調(diào)查與數(shù)據(jù)收集

在大蘭小流域范圍內(nèi)布設(shè)30個(gè)典型樣地,對(duì)每個(gè)樣地布設(shè)20 m×20 m喬木樣方,經(jīng)每木檢尺獲取樹種、數(shù)量、樹高及胸徑數(shù)據(jù),利用周邊地區(qū)的樹種相對(duì)生長(zhǎng)方程計(jì)算山楊[9]、刺槐[10]、側(cè)柏[11]和五角槭[12]的地上生物量,油松生物量計(jì)算參考LY/T 2260—2014《立木生物量模型及碳計(jì)量參數(shù)——油松》(表1);每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)2 m×2 m灌木樣方和1 m×1 m草本樣方,記錄樣方內(nèi)灌草的種類和數(shù)量,并測(cè)其鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,從而獲得灌草生物量,計(jì)算喬灌草總生物量;挖取樣地土壤剖面,獲取土層厚度;取0～20 cm層原狀土,設(shè)置3次重復(fù),實(shí)驗(yàn)測(cè)定土壤密度、土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)[13]。

表1 喬木生物量計(jì)算模型

通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云獲取30 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM),利用ArcGIS空間分析提取海拔、坡度和坡向數(shù)據(jù),由資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心獲取土壤類型數(shù)據(jù),掩膜提取得到研究區(qū)內(nèi)土壤類型數(shù)據(jù),并結(jié)合外業(yè)調(diào)查樣點(diǎn)資料對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一驗(yàn)證,精度達(dá)到100%。

2.2 主導(dǎo)立地因子篩選

初步選取海拔X1、坡度X2、坡向X3、土壤類型X4、土層厚度X5、土壤密度X6、土壤pH值X7、土壤有機(jī)質(zhì)X8作為立地因子,除海拔、坡度、土層厚度、土壤密度和土壤pH值數(shù)量化因子外,需對(duì)坡向和土壤類型定量化處理:坡向根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[14]轉(zhuǎn)換為編碼,陰坡、陽(yáng)坡和平地分別為1、0.3和1.5;土壤類型根據(jù)其生產(chǎn)力排序,棕壤土、褐土和石質(zhì)土依次為3、2和1。利用SPSS軟件對(duì)水源涵養(yǎng)林生物量X9與8個(gè)立地因子(X1～X8)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析,篩選與喬灌草總生物量呈顯著相關(guān)的立地因子進(jìn)行主成分分析,根據(jù)分析結(jié)果確定主導(dǎo)立地因子。

2.3 立地類型劃分

確定立地因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)主導(dǎo)立地因子分級(jí)并繪制單因子等級(jí)圖,利用ArcGIS疊置分析功能對(duì)單因子分級(jí)圖進(jìn)行疊加,經(jīng)眾數(shù)濾波去除小斑塊后,在屬性表中添加“立地類型”字段,依據(jù)主導(dǎo)立地因子方差貢獻(xiàn)率大小排序進(jìn)行字段賦值,針對(duì)相鄰立地類型相同的斑塊,經(jīng)要素融合處理后,得到大蘭小流域立地類型矢量分布圖。

2.4 立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤化學(xué)性質(zhì)是影響立地質(zhì)量的重要因子[15]。筆者選取與研究區(qū)喬灌草總生物量呈顯著相關(guān)的因子為評(píng)價(jià)因子,利用ArcGIS中普通克里金法對(duì)31個(gè)野外調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,獲取大蘭小流域的評(píng)價(jià)單因子圖,因坡向與土壤類型為定性指標(biāo),經(jīng)重分類進(jìn)行量化處理后,利用模糊隸屬度對(duì)評(píng)價(jià)因子的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用均方差決策分析與層次分析法相結(jié)合計(jì)算指標(biāo)的綜合權(quán)重,通過(guò)柵格計(jì)算器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)圖層進(jìn)行權(quán)重疊加,并根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類,得到立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)圖。

2.4.1 均方差決策分析法 對(duì)立地指標(biāo)Gj進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化得到量綱為1的指標(biāo)值,計(jì)算經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的立地指標(biāo)隨機(jī)變量均方差,再對(duì)均方差進(jìn)行歸一化處理,得到各立地指標(biāo)的權(quán)重值。

(1)

(2)

(3)

式中:E(G1)為隨機(jī)變量的均值;σ(Gj)為Gj指標(biāo)的均方差。

(4)

式中wj為Gj指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

2.4.2 層次分析法 構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu),確定立地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系:準(zhǔn)則層為地形(B1)和土壤(B2);指標(biāo)層為海拔(C1)、坡度(C2)、坡向(C3)、土壤類型(C4)、土層厚度(C5)、土壤pH(C6)、土壤有機(jī)質(zhì)(C7),采用專家打分法對(duì)每層中的指標(biāo)重要性進(jìn)行打分,構(gòu)建A-B、B1-C、B2-C3個(gè)層次的判斷矩陣,將準(zhǔn)則層與指標(biāo)層權(quán)重相結(jié)合,確定各指標(biāo)層次分析法權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 主導(dǎo)立地因子分析

經(jīng)皮爾遜相關(guān)性分析(圖2),篩選出與生物量指標(biāo)X9顯著相關(guān)的立地因子為海拔X1、坡向X2、土壤類型X3、坡度X4、土層厚度X5、土壤pHX7和土壤有機(jī)質(zhì)X8(P<0.05),后進(jìn)行主成分分析,得到前4個(gè)主成分特征根>1且累積貢獻(xiàn)率達(dá)89.671%(>80%),則可代表8個(gè)指標(biāo)的特征信息,因此確定大蘭小流域的主導(dǎo)立地因子,依次為海拔、坡度、坡向和土壤類型。

**.在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。**: Significant correlation at 0.01 level (bilateral); *: significantly correlated at 0.05 level (bilateral).

圖3 立地類型圖

分析主導(dǎo)立地因子可知,大蘭小流域中海拔以200～500 m為主,丘陵為分布最廣的地貌類型,占55.61%;坡度以15°～35°為主,斜陡坡所占據(jù)的面積最廣,為54.46%,急陡坡面積最少,為4.60%;坡向以陽(yáng)坡為主,占63.44%;土壤類型以褐土為主,占80.04%。

3.2 立地類型劃分

參考《中國(guó)森林立地分類》、GB-T 15772—2008《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》和GB/T 17296—2009《中國(guó)土壤分類與代碼表》中對(duì)于海拔、坡度、坡向和土壤類型的劃分標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合立地因子對(duì)植物生物量的影響程度及分布情況,對(duì)主導(dǎo)立地因子進(jìn)行分級(jí),劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 主導(dǎo)立地因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)主導(dǎo)因子的主成分分析的方差貢獻(xiàn)率,依次對(duì)立地類型以“海拔+坡度+坡向+土壤類型”命名,大蘭小流域共劃分出26種立地類型(圖2),將劃分結(jié)果與野外實(shí)測(cè)點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)相疊加,在屬性表中逐一驗(yàn)證每個(gè)樣點(diǎn)2類數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)度,其精度達(dá)100%。立地類型面積比例見(jiàn)表3,大蘭小流域中丘陵平緩陽(yáng)坡褐土立地類型占面積最大,為 762.93 hm2,占16.37%,其次是低山斜陽(yáng)坡褐土,為670.23 hm2,占14.38%;中山平地棕壤和丘陵急陡陰坡石質(zhì)土為分布較少,均<0.10%。

表3 立地類型劃分

3.3 立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過(guò)均方差決策分析和層次分析法相結(jié)合得到大蘭小流域評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重(表4),利用重分類工具將大蘭小流域劃分為優(yōu)(≥0.70)、良(≥0.50～0.70)、中(≥0.30～0.50)、差(<0.30)4種立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí),并繪制小流域立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)圖(圖4)。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

Ⅱ?yàn)榱嫉燃?jí),Ⅲ為中等級(jí),Ⅳ為差等級(jí)。Ⅱ is good grade, Ⅲ is medium grade and Ⅳ is poor grade.

經(jīng)ArcGIS面積統(tǒng)計(jì),大蘭小流域的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)中無(wú)優(yōu)等級(jí)立地,良、中和差等級(jí)立地分別占流域總面積的50.47%、48.48%和1.05%;面積分別為23.00、22.09和0.48 km2。各立地類型的立地質(zhì)量分布如圖5所示,評(píng)價(jià)等級(jí)為良的區(qū)域主要分布于小流域南部,該等級(jí)下的立地類型分布情況為:丘陵斜陰坡褐土占大蘭小流域總面積的18.85%、丘陵緩陽(yáng)坡褐土占12.42%、丘陵斜陽(yáng)坡褐土占11.85%;評(píng)價(jià)等級(jí)為中的區(qū)域主要分布于小流域中北部,低山斜陽(yáng)坡褐土占11.66%、低山斜陰坡褐土占6.53%、中山斜陽(yáng)坡棕壤占5.80%;等級(jí)為差Ⅳ的區(qū)域零星分布于小流域中東部,低山急陡陽(yáng)坡褐土占0.44%、低山斜陽(yáng)坡褐土占0.25%。

(a)區(qū)立地質(zhì)量等級(jí)為“良”;(b)區(qū)立地質(zhì)量等級(jí)為“中”;(c)區(qū)立地質(zhì)量等級(jí)為“差”。The site quality grade of area (a) is “good”; the site quality grade of area (b) is “medium”; the site quality grade of area (c) is “poor”.

4 討論

4.1 主導(dǎo)因子篩選與立地劃分

本研究以北方少林地為研究區(qū),篩選出海拔、坡度、坡向和土壤類型為立地劃分的重要指標(biāo),海拔作為影響流域內(nèi)水源涵養(yǎng)植物生長(zhǎng)與分布的首要因子,海拔的不同改變多種環(huán)境因子垂直分異情況[16],進(jìn)而影響物種地上生物量與多樣性[17],在保持地形、土壤類型和土層厚度等環(huán)境因子條件基本相同下,經(jīng)皮爾遜相關(guān)性分析得到,海拔與生物量呈顯著負(fù)相關(guān),其原因在于高海拔下溫度低,水熱供應(yīng)弱,生物量下降。根據(jù)立地質(zhì)量分布結(jié)果,良等級(jí)主要分布于小流域南部及東部的中、低海拔的丘陵和低山區(qū);差等級(jí)的立地類型主要分布于北部高海拔的中山區(qū),此立地質(zhì)量等級(jí)分布與海拔分布基本一致。坡度影響土壤養(yǎng)分和水分的再分配[18],陡坡經(jīng)降雨擊濺和水流沖刷后易發(fā)生土壤養(yǎng)分流失,平、緩坡更有利于保持水土。本研究得出,立地質(zhì)量等級(jí)為良主要位于平地或緩坡,等級(jí)為差皆位于斜陡坡和急陡坡[19],坡度越小越適宜物種分布,且物種多樣性越高。不同坡向下的光照、水分和溫度等因素有明顯差異,改變土壤間水熱條件再分配,形成局部小氣候,影響植物物種組成、分布和生物量[20]。筆者發(fā)現(xiàn),立地質(zhì)量等級(jí)為差的均為高陡山區(qū)的陽(yáng)坡立地類型,所占面積僅為研究區(qū)0.99%,立地質(zhì)量為良的丘陵緩陽(yáng)坡褐土立地類型占12.42%,其原因在于海拔和坡度更大程度影響水熱條件與土壤養(yǎng)分分配,弱化坡向?qū)α⒌刭|(zhì)量的影響,驗(yàn)證文章中主成分分析得到的因子貢獻(xiàn)率海拔>坡度>坡向。不同的土壤類型下,土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和養(yǎng)分均有差異,從而影響土壤生產(chǎn)力,生產(chǎn)力越高,林木生物量越大[21]。因此,筆者篩選出海拔、坡度、坡向和土壤類型作為主導(dǎo)立地因子。

與傳統(tǒng)的立地類型劃分方法相比,利用實(shí)地調(diào)查與ArcGIS空間疊加相結(jié)合方法,可快速劃分立地類型并獲取各立地類型分布情況,提升對(duì)位,但劃分精度受DEM底圖精度限制,筆者利用GIS劃分的立地類型面矢量數(shù)據(jù)與野外實(shí)測(cè)點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合,逐一驗(yàn)證后分類精度達(dá)100%,若開展小尺度研究,可采用無(wú)人機(jī)航拍獲取高分辨率航測(cè)影像,提升立地類型劃分精度。

4.2 立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

針對(duì)有林地的立地質(zhì)量研究,多利用地位指數(shù)構(gòu)建樹木生長(zhǎng)模型,評(píng)價(jià)林地生產(chǎn)力[22];對(duì)無(wú)林地或者少林地研究,多采用層次分析法確定各立地指標(biāo)權(quán)重[23]。鑒于本研究區(qū)多為灌草地和荒地,不宜采用地位指數(shù)法,為消除專家打分法的主觀影響與客觀賦權(quán)法中因過(guò)度依靠公式而偏離實(shí)際的情況,本文將層次分析法與均方差法相結(jié)合,得到指標(biāo)綜合權(quán)重。利用克里金插值法實(shí)現(xiàn)野外實(shí)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)由點(diǎn)及面,采用模糊隸屬度法對(duì)量化后的指標(biāo)選取相應(yīng)隸屬函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,經(jīng)權(quán)重疊加形成評(píng)價(jià)等級(jí)圖,可直觀、精準(zhǔn)掌握立地質(zhì)量分布情況。

根據(jù)大蘭小流域優(yōu)勢(shì)樹種分布的調(diào)查結(jié)果(圖5)可知,立地質(zhì)量為良等級(jí)區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)種依次為刺槐、荊條、油松、楊樹和側(cè)柏;中等級(jí)區(qū)優(yōu)勢(shì)種為荊條、刺槐、油松、蒙古櫟(Quercusmongolica)和側(cè)柏;差等級(jí)區(qū)以荊條為主。由于大蘭小流域良和中等級(jí)區(qū)達(dá)98.95%,適宜采用喬灌草相結(jié)合的恢復(fù)模式,根據(jù)王美琪[3]利用SWAT模型對(duì)本流域水源涵養(yǎng)林空間優(yōu)化配置結(jié)果,可優(yōu)先選取水源涵養(yǎng)能力最佳的油松+側(cè)柏,搭配荊條、馬唐(Digitariasanguinalis)和狗尾草(Setariaviridis)混交模式;針對(duì)差等級(jí)區(qū)可采用馬唐、艾蒿(Artemisiaargyi)和牛筋草(Eleusineindica)草本混交方式進(jìn)行恢復(fù)。

考慮到油松人工林易受到林分密度影響[24],因此在水源涵養(yǎng)林營(yíng)造過(guò)程中需保證合理林木栽植密度。由于本研究受立地因子種類和樣本數(shù)量所限,為確保后期造林成效,可針對(duì)不同造林樹種、各樹種生態(tài)限制因素進(jìn)行樹種適宜區(qū)分布研究[25-26],在立地質(zhì)量與各樹種適宜區(qū)分布基礎(chǔ)上,考慮局地小氣候、種間關(guān)系、樹種適應(yīng)環(huán)境的進(jìn)化能力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人為影響[27],提升造林成活率和林木質(zhì)量。

5 結(jié)論

筆者以白洋淀大清河流域上游山丘區(qū)大蘭小流域?yàn)檠芯繉?duì)象,經(jīng)相關(guān)性分析和主成分分析,按貢獻(xiàn)率篩選出海拔>坡度>坡向>土壤類型為主導(dǎo)立地因子,劃分26種立地類型。根據(jù)立地質(zhì)量評(píng)價(jià)得分劃分優(yōu)～差4種立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí),立地質(zhì)量得分為0.25～0.68;無(wú)優(yōu)等級(jí)立地;良等級(jí)立地比例達(dá)50.47%,在研究區(qū)中分布最廣,主要分布在海拔較低的平地或緩坡地區(qū),適宜采用喬灌草結(jié)合的恢復(fù)模式;中等級(jí)的立地類型占48.48%,主要分布在坡度較陡的地區(qū),植被恢復(fù)難度大,可采用灌草結(jié)合進(jìn)行植被恢復(fù);差等級(jí)立地占1.05%,僅分布于大蘭小流域土質(zhì)較差的石質(zhì)土地區(qū)。建議采用草本恢復(fù)或自然恢復(fù),同時(shí)在造林時(shí)應(yīng)加大整地措施投入,改善立地條件。