常 猛，周 勇， 孫永濤，徐童心，莊家堯

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2. 國(guó)家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 杭州 310019)

低效林最初是指生態(tài)效益低的防護(hù)林，后來(lái)其內(nèi)涵又?jǐn)U展為經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益低的林分[1,2]。國(guó)家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低效林改造技術(shù)規(guī)程》中將低效林定義為“受人為因素的直接作用或誘導(dǎo)自然因素的影響，林分結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性失調(diào)，林木生長(zhǎng)發(fā)育衰竭，系統(tǒng)功能退化或喪失，導(dǎo)致森林生態(tài)功能、林產(chǎn)品產(chǎn)量或生物量顯著低于同類(lèi)立地條件下相同林分平均水平的林分總稱(chēng)”[3]。低效林的概念很多學(xué)者都有不同的理解。從生態(tài)學(xué)和森林培育學(xué)角度來(lái)說(shuō)，李蓮芳等認(rèn)為低效林是由于林木個(gè)體質(zhì)量低劣造成所處林地的立地條件下和所生長(zhǎng)林齡階段可實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益未達(dá)到目標(biāo)的林分[4]。綦山丁等則認(rèn)為低效林是在保持水土和涵養(yǎng)水源方面較差，在生長(zhǎng)量方面比同類(lèi)立地條件下林分平均生長(zhǎng)量低的林分[5]。

國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了低效林分的判定與類(lèi)型劃分方面的研究。李賢偉等對(duì)云南松林分進(jìn)行調(diào)查，研究了林分密度、生長(zhǎng)量、郁閉度、材積等因子，并將云南松低效林劃分為一般低效林、低產(chǎn)低效林、高產(chǎn)低效林[6]。侯淑艷則根據(jù)北京低山區(qū)低效人工林的結(jié)構(gòu)特征，將其劃分為4個(gè)等級(jí)，并分別對(duì)各等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)[7]。李鐵民提出以林木個(gè)體生長(zhǎng)狀況、林分結(jié)構(gòu)、林分郁閉度等指標(biāo)作為低質(zhì)低效林判定的標(biāo)準(zhǔn)[8]。此外也有學(xué)者針對(duì)特定的區(qū)域，采用樣地調(diào)查和資料分析結(jié)合的方法，根據(jù)樹(shù)種組成、土層厚度、坡向、坡度等特征劃分低質(zhì)低效林的類(lèi)型[9]。由此可見(jiàn)對(duì)低效林分進(jìn)行分類(lèi)，應(yīng)綜合考慮林分所處的生物地理環(huán)境以及受干預(yù)程度等其他影響因素。近年來(lái)由于人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，加之石城縣域獨(dú)特的歷史背景，導(dǎo)致其林地等級(jí)和森林質(zhì)量不斷下降，因此迫切需要對(duì)縣域內(nèi)低效林的判別和分布進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)[10]。以往的研究主要著眼于不同立地條件下林分的生產(chǎn)力，對(duì)于林分的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和多功能性則關(guān)注較少，缺乏相應(yīng)的量化指標(biāo)或評(píng)價(jià)機(jī)制。低效林不僅會(huì)降低森林生態(tài)水源涵養(yǎng)功能，也會(huì)引發(fā)土壤侵蝕，造成嚴(yán)重的水土流失。本研究著眼于這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立相關(guān)的土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型，探索低質(zhì)低效林的評(píng)價(jià)體系。目前SL190-2007《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和修正通用水土流失方程(RUSLE模型)是我國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用較廣泛的兩種土壤侵蝕調(diào)查方法，在不同尺度和各地土壤侵蝕調(diào)查中均得到了應(yīng)用[11,12]。不同土壤侵蝕調(diào)查方法難以適用所有地區(qū)，且目前運(yùn)用遙感技術(shù)判定低效林等級(jí)的研究在國(guó)內(nèi)還較少開(kāi)展。在借鑒前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于修正通用水土流失方程和綜合評(píng)判法(三因子法)，運(yùn)用遙感和地理信息技術(shù)，提出一種適合低效林的土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型，對(duì)石城縣域的低效林等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，為該縣域的低效林改造工作和環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石城縣是江西省贛州市下轄縣，位于江西省東南部，贛州市東北部，東鄰福建省寧化縣，南抵瑞金市及福建省長(zhǎng)汀縣，西毗寧都縣，北靠撫州市廣昌縣，地處北緯25°57′47″～26°36′13″、東經(jīng)116°05′47″～116°38′03″之間?？h域總面積為1 581.53 km2，其中山地面積1 167.59 km2。境內(nèi)為武夷山脈內(nèi)部的山間盆地，主要分為中低山、丘陵、單斜盆地3個(gè)類(lèi)型。東、北、西三面環(huán)山，中部至西南較為低平。最高點(diǎn)為贛江源鎮(zhèn)洋地村的雞公崠，海拔1 389.9 m，最低點(diǎn)為龍下渡，海拔僅為173 m，從而形成自北東向南西傾斜的地勢(shì)。山地、丘陵約占全縣總面積的79%。琴江河自北而南貫穿全境，境內(nèi)支流密布，主要有巖嶺河、大琴河、石田河、羅陂河、橫江河等。石城縣屬長(zhǎng)江流域贛江水系，境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，全縣大小河溪140條，平均河網(wǎng)密度為0. 69 km/km2，除部分河流外，其余河溪均在縣境匯入琴江，流域獨(dú)立性強(qiáng)[13]。20世紀(jì)80年代初，全縣水土流失面積506 km2，占縣域總面積的32%，其中：強(qiáng)烈及以上水土流失面積150.47 km2，中度水土流失面積125.66 km2，輕度水土流失面積229.87 km2，嚴(yán)重的水土流失易造成自然災(zāi)害，如山體滑坡、洪澇等[14]。

2 研究方法和數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源和預(yù)處理

本研究所采用的主要數(shù)據(jù)有地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和2016年石城縣域小班調(diào)查數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)以2016年Landsat7 TM衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，其空間分辨率為30 m。利用軟件ENVI 5.3對(duì)其進(jìn)行輻射定標(biāo)及大氣校正等預(yù)處理，土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)解譯獲得。地形數(shù)據(jù)為GDEMDEM數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，分辨率為30 m。利用ArcGIS中的Spatial Analyst工具中的坡度分析功能對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得研究區(qū)坡度。2016年石城縣小班調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省石城縣林業(yè)局，通過(guò)小班調(diào)查數(shù)據(jù)地類(lèi)代碼和土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2017)對(duì)水土保持措施因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2.2 土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型原理

根據(jù)水利部《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)規(guī)定，按植被覆蓋度、土地利用類(lèi)型、坡度三個(gè)因子，判斷土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)。三因子法只能總體反映土壤侵蝕強(qiáng)度分布，無(wú)法定量計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，也無(wú)法定量分析影響因子對(duì)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)程度[15]。在不同的地理自然條件下，修改模型因子的算法以及引入新的模型因子是極其重要的。本研究根據(jù)石城縣域野外調(diào)查數(shù)據(jù)，在修正通用土壤水土流失方程的基礎(chǔ)上，對(duì)石城縣域土壤侵蝕模數(shù)的估算研究采用三因子土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型法，該方程的側(cè)重點(diǎn)為定量表征三個(gè)因子對(duì)土壤侵蝕的作用機(jī)制，并綜合體現(xiàn)在土地利用因子、水土保持措施因子、坡度因子等因子上，在該縣域具有較強(qiáng)的科學(xué)性和實(shí)用性，其表達(dá)式為：

A=PLuS

(1)

式中：A為每年單位面積上的土壤侵蝕量，t/(hm2·a)，本文乘以100將單位換算為t/(km2·a)；P為水土保持措施因子；Lu為土地利用類(lèi)型因子，t/(hm2·a)；S為坡度因子；P、S因子均無(wú)量綱。

2.3 模型因子的確定

(1)坡度因子S。在區(qū)域尺度上的土壤侵蝕研究，經(jīng)常采用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算地形對(duì)土壤侵蝕的影響。考慮到南方丘陵區(qū)地形的復(fù)雜性，坡度因子借鑒前人相同地形區(qū)域的研究[16]，緩坡和陡坡采用不同的公式進(jìn)行計(jì)算[17]。如式：

(2)

式中：S為坡度因子；θ為像元坡度，(°)。

坡度由分辨率30 m×30 m數(shù)字高程數(shù)據(jù)提取獲得，運(yùn)用ArcGIS中柵格計(jì)算器功能代入公式得到坡度因子分布圖，如圖1所示。

圖1 石城縣域坡度因子分布圖

圖2 石城縣域土地利用類(lèi)型因子分布圖

(2)土地利用類(lèi)型因子Lu。土地利用類(lèi)型對(duì)水土流失的敏感性影響較大。本文利用軟件ENVI5.3對(duì)2016年的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理(包括輻射校正、影像剪裁與大氣校正等)，基于中分辨率衛(wèi)星影像的“國(guó)家級(jí)土地利用與覆被分類(lèi)系統(tǒng)”，并結(jié)合石城縣域土地利用和植被特征，構(gòu)建適用于該區(qū)域的分類(lèi)系統(tǒng)[18]。參考土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2017)，分為建設(shè)用地、耕地、密林地、稀疏林地、水域、裸地以及草地等七大類(lèi)型。其中建設(shè)用地主要是城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)以及廠(chǎng)房等，稀疏林地主要是郁閉度小于0.3的林地以及園地。本文關(guān)于土地利用類(lèi)型因子的賦值，參考中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算方法[19]，對(duì)研究區(qū)各類(lèi)土地賦予相應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，即水土保持價(jià)值。表1中將耕地賦予農(nóng)田生態(tài)價(jià)值，密林地賦予森林生態(tài)價(jià)值，稀疏林地賦予園地和林地的平均值，草地賦予林地和灌木林地的平均值，水域賦予零，裸地采用荒漠化土地生態(tài)價(jià)值賦值。

表1 石城縣域主要土地利用類(lèi)型的Lu值

(3)水土保持措施因子P。水土保持措施因子是采取水土保持措施后土壤侵蝕流失量與對(duì)應(yīng)的順坡條件下的土壤侵蝕流失量的比值(0～1之間)，其中0代表根本不會(huì)發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)，1代表未采取任何水土保持措施的地區(qū)[20]。水土保持措施一般通過(guò)土地利用信息間接反映出來(lái)，在縣域的土壤侵蝕研究中，采用結(jié)合實(shí)地考察資料給不同的土地利用類(lèi)型賦值的方法確定[21-22]。不同水土保持措施效果的差異，可以通過(guò)對(duì)不同土地覆蓋類(lèi)型進(jìn)行賦值表達(dá)，但國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有統(tǒng)一的賦值標(biāo)準(zhǔn)。在A(yíng)rcGIS軟件的支持下，參考國(guó)家土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)石城縣域土地利用類(lèi)型重新分類(lèi)為建設(shè)用地、耕地、密林地、稀疏林地、水域、裸地以及草地，得出重新分類(lèi)后的石城縣域土地利用類(lèi)型分布圖。參照國(guó)內(nèi)外研究成果，確定水土保持措施因子值[23]，如表2。在此基礎(chǔ)上獲得P因子分布圖，如圖3所示。

圖3 石城縣域水土保持措施因子分布圖

表2 石城縣域主要土地利用類(lèi)型的P值

2.4 土壤侵蝕量的分級(jí)

結(jié)合前文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以坡度、水土保持措施因子、土地利用類(lèi)型3個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)因子，對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。在A(yíng)rcGIS軟件中，將研究區(qū)3個(gè)因子的柵格文件進(jìn)行疊加，得到研究區(qū)2016年土壤侵蝕狀況(圖4)，并利用ArcGIS軟件分別對(duì)土壤侵蝕面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本研究主要參考國(guó)家水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強(qiáng)度分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行土壤侵蝕量的等級(jí)劃分。土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈6種等級(jí)(表3)。

圖4 石城縣域土壤侵蝕模數(shù)分布圖和土壤侵蝕強(qiáng)度圖

表3 土壤侵蝕強(qiáng)度分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 低效林的判別標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于低質(zhì)低效林的評(píng)價(jià)體系目前研究較少。周建勤從生態(tài)和立地條件對(duì)低山區(qū)的殘次林分進(jìn)行了評(píng)價(jià)體系研究，將殘次林分為無(wú)建群樹(shù)種林、過(guò)熟退化林、疏林、密林等，但是殘次林只是低質(zhì)低效林的一種，因此其建立的評(píng)價(jià)體系過(guò)于狹窄[24]。國(guó)內(nèi)對(duì)于低質(zhì)低效林的評(píng)價(jià)體系選取的大多是定性指標(biāo)，過(guò)于片面且缺乏定量指標(biāo)為主的評(píng)價(jià)體系。林分生產(chǎn)力、林分結(jié)構(gòu)和水土保持功能是劃分低質(zhì)低效林低的主要指標(biāo)和依據(jù)。在水土保持方面，由于林分生態(tài)功能喪失自我調(diào)節(jié)能力，相比正常林分水土流失嚴(yán)重。本研究著手于森林生態(tài)水源涵養(yǎng)功能，選擇土壤侵蝕模數(shù)作為定量評(píng)判指標(biāo)。通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)查[25-28]把石城縣域林地劃分為3個(gè)等級(jí)，分別是高質(zhì)高效林、退化過(guò)渡林、低質(zhì)低效林，對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)分別為0～200、200～500和大于500 t/(km2·a)。由于石城縣域?qū)儆谀戏郊t壤丘陵區(qū)，土壤容許流失量為500 t/(km2·a)，相當(dāng)于微度侵蝕模數(shù)，因而微度侵蝕地塊可認(rèn)為是無(wú)水土流失[29]。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)石城縣域林地土壤侵蝕等級(jí)及面積(表4)，從中可以看出低質(zhì)低效林占整個(gè)縣域內(nèi)林地面積的31.48%，面積為360.71 km2。高質(zhì)高效林所占比例只有34.39%。從圖5中可以看出各個(gè)等級(jí)林地的大致分布范圍，對(duì)林地空間分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)低效林大致分布于石城縣域的東北和東南兩個(gè)區(qū)域，且此區(qū)域坡度皆較陡, 屬于劣質(zhì)立地條件下形成的低質(zhì)低效林。由于林分所處的立地環(huán)境十分惡劣，土壤瘠薄、干旱陽(yáng)坡、地形陡峭，水分條件極差，水源涵養(yǎng)功能退化嚴(yán)重，這類(lèi)林分在山區(qū)普遍存在。為避免對(duì)劣質(zhì)立地的進(jìn)一步破壞，造成更嚴(yán)重的水土流失，應(yīng)封山育林，減少人為活動(dòng)對(duì)林地的影響，保護(hù)好現(xiàn)有植被，促進(jìn)植被的更新演替。另外在立地條件好的地域進(jìn)行人工栽植造林，提高林分等級(jí)質(zhì)量，逐步改善林分狀況，提高生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，為后續(xù)低質(zhì)低效林因地制宜分區(qū)規(guī)劃改造，提供一定的科學(xué)依據(jù)。

表4 石城縣域林地土壤侵蝕等級(jí)及面積

圖5 石城縣域林地土壤侵蝕模數(shù)分布圖

3.2 土壤侵蝕的空間分布特征

表5統(tǒng)計(jì)了各侵蝕等級(jí)的面積及其占比，從中可以看出微度侵蝕所占比例最大，為總侵蝕面積的93.52%。輕度和中度侵蝕占總侵蝕面積的6.13%。強(qiáng)烈侵蝕以上等級(jí)的侵蝕面積為5.56 km2，占整個(gè)研究區(qū)總面積的0.351%?？傮w來(lái)看侵蝕等級(jí)越高，所占侵蝕總面積的比例也就越低，整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。從圖2和圖5可看出，強(qiáng)烈侵蝕以上等級(jí)發(fā)生地多為裸地區(qū)域，由于人為活動(dòng)影響致使植被稀少，水土流失較為嚴(yán)重，急需采取植被栽植和水土保持措施進(jìn)行恢復(fù)。土壤侵蝕強(qiáng)度因不同坡度帶而產(chǎn)生較大的差異。研究區(qū)坡度大部分在10°以下，因坡度較緩?fù)寥狼治g以微度侵蝕為主。輕度侵蝕以下等級(jí)主要發(fā)生在林地、建筑用地等區(qū)域，說(shuō)明這些區(qū)域的植被覆蓋和水土保持措施發(fā)揮了良好的保水保土效益。而研究區(qū)東北部和東南部邊緣地帶坡度大多集中在10°～20°，坡度較陡且植被覆蓋和水土保持措施較差，出現(xiàn)以中度侵蝕為主的現(xiàn)象。依據(jù)前文分析，低質(zhì)低效林分布區(qū)域與中度侵蝕區(qū)域極大部分重疊，說(shuō)明低質(zhì)低效林的存在是引起中度侵蝕的主要原因之一。

表5 石城縣域土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)及面積

3.3 土壤侵蝕土地利用分布特征

土地利用的差異造成土壤侵蝕強(qiáng)度具有一定的差異性，在研究區(qū)主要表現(xiàn)在各類(lèi)土地的土壤理化性質(zhì)和所處高坡度。不同土地利用類(lèi)型上的土壤侵蝕強(qiáng)度分類(lèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，在各土地利用類(lèi)型中，密林地的侵蝕面積占比最大為70.74%，其余分別是建設(shè)用地為21.30%，稀疏林地為2.92%，草地為4.20%；裸地和耕地二者占比皆小于1%，分別為0.18%和0.66%。裸地的平均土壤侵蝕模數(shù)最高，其次為草地、稀疏林地、耕地、建設(shè)用地和密林地。耕地侵蝕模數(shù)較大主要由于長(zhǎng)期不合理的種植方式，地表土層變得疏松，土壤蓄水和透水能力差，從而導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)較大。在土壤侵蝕總量方面，以密林地占比最高為44.63%，草地次之為28.10%，兩者占到總侵蝕量的72.73%。稀疏林地以2.92%的侵蝕面積對(duì)研究區(qū)總侵蝕量的貢獻(xiàn)率達(dá)到了4.80% ，總侵蝕量占比幾乎是侵蝕面積占比的2倍，這也從側(cè)面說(shuō)明了在今后的水土流失治理工作中，稀疏林地成為不可忽視的一部分。

表6 不同土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕

總體而言，密林地、草地和稀疏林地是研究區(qū)內(nèi)除了建設(shè)用地外主要的土地利用類(lèi)型。三者的總侵蝕量占比達(dá)到了77.53%，產(chǎn)生了大量的泥沙。從兩方面分析其形成較大輸沙量的原因，一方面是因?yàn)槊芰值睾筒莸厍治g面積較大，泥沙量隨侵蝕面積的增加而增加；另一方面是因?yàn)椴莸睾拖∈枇值貎煞N土地利用類(lèi)型中存在比較多的低覆蓋草地和低質(zhì)低效林，其對(duì)水土的保持能力低于正常水平。

4 結(jié) 論

以往開(kāi)展的低質(zhì)低效林科學(xué)研究中，更多關(guān)注的是其林產(chǎn)品產(chǎn)量、木材蓄積量等生長(zhǎng)量與生物量指標(biāo)，即林產(chǎn)品供給功能，而對(duì)于林分自然度狀況以及水源涵養(yǎng)能力、保水保土、物種多樣性保護(hù)等其他生態(tài)服務(wù)功能則考慮較少。本文通過(guò)遙感技術(shù)、修正通用土壤流失方程和土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等幾種方法相結(jié)合的方式對(duì)低質(zhì)低效林的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選，選取生態(tài)效益指標(biāo)即土壤侵蝕模數(shù)作為判定低質(zhì)低效林的指標(biāo)，通過(guò)量化的方法對(duì)林地區(qū)域進(jìn)行具體等級(jí)劃分。該評(píng)價(jià)指標(biāo)可應(yīng)用于南方紅壤丘陵區(qū)域，并可根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H的土地利用類(lèi)型、坡度、水土保持措施、地理環(huán)境和氣候條件，進(jìn)行判別標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值的變動(dòng)，具有一定的靈活性和適應(yīng)性。篩選出的低質(zhì)低效林分布區(qū)域可為后續(xù)的林地改造提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。