劉佳琪, 閆燁琛, 楊建英, 王美琪

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院,100083,北京; 2.北京市涼水河管理處,100069,北京;3.天津市地質(zhì)工程勘測設計院有限公司,300191,天津;4.中國林業(yè)出版社有限公司,100009,北京)

大清河流域為雄安新區(qū)水資源保障體系的重要組成部分[1]?！度珖匾鷳B(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》中提出“推進白洋淀綜合治理,加強水源涵養(yǎng)林和水土保持工程建設”?！笆奈濉焙颖笔〗ㄔO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)過渡帶,但該流域氣候干旱,水土流失嚴重,導致上游斷流、河流干涸、白洋淀干淀現(xiàn)象頻發(fā)[2]。為此學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)量評價是實現(xiàn)林木空間優(yōu)化配置的前提[5],對相似的水源涵養(yǎng)林立地條件進行歸一劃分,明確林木生長影響因子,針對不同立地下的林木生產(chǎn)潛力進行評價,可為因地制宜科學造林提供理論指導。目前學者多采用主導環(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]對有林地進行立地類型劃分,但針對北方少林地研究較少,且尚未建立ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫。大清河流域作為水資源保障區(qū),通過合理的立地劃分與評價,針對不同立地類型和質(zhì)量等級因地制宜配置適宜的植物,保證林木健康生長同時極大發(fā)揮林木的生態(tài)效益,對水源涵養(yǎng)林的營造具有重要指導意義。筆者選取大清河流域上游山丘區(qū)的大蘭小流域為研究區(qū),將野外調(diào)查與ArcGIS相結合,篩選北方少林地立地劃分與評價的指標,為我國北方京津冀植樹造林提供理論指導。

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,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,長勢一般;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30個典型樣地,對每個樣地布設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)的樹種相對生長方程計算山楊[9]、刺槐[10]、側(cè)柏[11]和五角槭[12]的地上生物量,油松生物量計算參考LY/T 2260—2014《立木生物量模型及碳計量參數(shù)——油松》(表1);每個樣地設置5個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,并測其鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,從而獲得灌草生物量,計算喬灌草總生物量;挖取樣地土壤剖面,獲取土層厚度;取0～20 cm層原狀土,設置3次重復,實驗測定土壤密度、土壤pH值和土壤有機質(zhì)[13]。

表1 喬木生物量計算模型

通過地理空間數(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),并結合外業(yè)調(diào)查樣點資料對以上數(shù)據(jù)進行逐一驗證,精度達到100%。

2.2 主導立地因子篩選

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,需對坡向和土壤類型定量化處理:坡向根據(jù)經(jīng)驗公式[14]轉(zhuǎn)換為編碼,陰坡、陽坡和平地分別為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軟件對水源涵養(yǎng)林生物量X9與8個立地因子(X1～X8)進行皮爾遜相關性分析,篩選與喬灌草總生物量呈顯著相關的立地因子進行主成分分析,根據(jù)分析結果確定主導立地因子。

2.3 立地類型劃分

確定立地因子的分級標準,對主導立地因子分級并繪制單因子等級圖,利用ArcGIS疊置分析功能對單因子分級圖進行疊加,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)主導立地因子方差貢獻率大小排序進行字段賦值,針對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)量評價

土壤化學性質(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的因子為評價因子,利用ArcGIS中普通克里金法對31個野外調(diào)查樣點數(shù)據(jù)進行空間插值,獲取大蘭小流域的評價單因子圖,因坡向與土壤類型為定性指標,經(jīng)重分類進行量化處理后,利用模糊隸屬度對評價因子的柵格數(shù)據(jù)進行標準化處理。采用均方差決策分析與層次分析法相結合計算指標的綜合權重,通過柵格計算器對標準化后的指標圖層進行權重疊加,并根據(jù)分級標準進行重分類,得到立地質(zhì)量評價等級圖。

2.4.1 均方差決策分析法 對立地指標Gj進行標準化得到量綱為1的指標值,計算經(jīng)標準化處理后的立地指標隨機變量均方差,再對均方差進行歸一化處理,得到各立地指標的權重值。

(1)

(2)

(3)

式中:E(G1)為隨機變量的均值;σ(Gj)為Gj指標的均方差。

(4)

式中wj為Gj指標的權重系數(shù)。

2.4.2 層次分析法 構建層次分析結構,確定立地質(zhì)量評價指標體系:準則層為地形(B1)和土壤(B2);指標層為海拔(C1)、坡度(C2)、坡向(C3)、土壤類型(C4)、土層厚度(C5)、土壤pH(C6)、土壤有機質(zhì)(C7),采用專家打分法對每層中的指標重要性進行打分,構建A-B、B1-C、B2-C3個層次的判斷矩陣,將準則層與指標層權重相結合,確定各指標層次分析法權重。

3 結果與分析

3.1 主導立地因子分析

經(jīng)皮爾遜相關性分析(圖2),篩選出與生物量指標X9顯著相關的立地因子為海拔X1、坡向X2、土壤類型X3、坡度X4、土層厚度X5、土壤pHX7和土壤有機質(zhì)X8(P<0.05),后進行主成分分析,得到前4個主成分特征根>1且累積貢獻率達89.671%(>80%),則可代表8個指標的特征信息,因此確定大蘭小流域的主導立地因子,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;*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關。**: 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《中國土壤分類與代碼表》中對于海拔、坡度、坡向和土壤類型的劃分標準,并結合立地因子對植物生物量的影響程度及分布情況,對主導立地因子進行分級,劃分標準見表2。

表2 主導立地因子的分級標準

根據(jù)主導因子的主成分分析的方差貢獻率,依次對立地類型以“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),將劃分結果與野外實測點矢量數(shù)據(jù)相疊加,在屬性表中逐一驗證每個樣點2類數(shù)據(jù)對應度,其精度達100%。立地類型面積比例見表3,大蘭小流域中丘陵平緩陽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)量評價

通過均方差決策分析和層次分析法相結合得到大蘭小流域評價指標的綜合權重(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)量評價等級,并繪制小流域立地質(zhì)量評價等級圖(圖4)。

表4 評價指標權重

Ⅱ為良等級,Ⅲ為中等級,Ⅳ為差等級。Ⅱ is good grade, Ⅲ is medium grade and Ⅳ is poor grade.

經(jīng)ArcGIS面積統(tǒng)計,大蘭小流域的立地質(zhì)量評價中無優(yōu)等級立地,良、中和差等級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,評價等級為良的區(qū)域主要分布于小流域南部,該等級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%、丘陵緩陽坡褐土占12.42%、丘陵斜陽坡褐土占11.85%;評價等級為中的區(qū)域主要分布于小流域中北部,低山斜陽坡褐土占11.66%、低山斜陰坡褐土占6.53%、中山斜陽坡棕壤占5.80%;等級為差Ⅳ的區(qū)域零星分布于小流域中東部,低山急陡陽坡褐土占0.44%、低山斜陽坡褐土占0.25%。

(a)區(qū)立地質(zhì)量等級為“良”;(b)區(qū)立地質(zhì)量等級為“中”;(c)區(qū)立地質(zhì)量等級為“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,海拔作為影響流域內(nèi)水源涵養(yǎng)植物生長與分布的首要因子,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)皮爾遜相關性分析得到,海拔與生物量呈顯著負相關,其原因在于高海拔下溫度低,水熱供應弱,生物量下降。根據(jù)立地質(zhì)量分布結果,良等級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)量等級為良主要位于平地或緩坡,等級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)量等級為差的均為高陡山區(qū)的陽坡立地類型,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,驗證文章中主成分分析得到的因子貢獻率海拔>坡度>坡向。不同的土壤類型下,土壤結構、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立地因子。

與傳統(tǒng)的立地類型劃分方法相比,利用實地調(diào)查與ArcGIS空間疊加相結合方法,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)與野外實測點矢量數(shù)據(jù)相結合,逐一驗證后分類精度達100%,若開展小尺度研究,可采用無人機航拍獲取高分辨率航測影像,提升立地類型劃分精度。

4.2 立地質(zhì)量評價

針對有林地的立地質(zhì)量研究,多利用地位指數(shù)構建樹木生長模型,評價林地生產(chǎn)力[22];對無林地或者少林地研究,多采用層次分析法確定各立地指標權重[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法中因過度依靠公式而偏離實際的情況,本文將層次分析法與均方差法相結合,得到指標綜合權重。利用克里金插值法實現(xiàn)野外實測樣點數(shù)據(jù)由點及面,采用模糊隸屬度法對量化后的指標選取相應隸屬函數(shù)進行標準化,經(jīng)權重疊加形成評價等級圖,可直觀、精準掌握立地質(zhì)量分布情況。

根據(jù)大蘭小流域優(yōu)勢樹種分布的調(diào)查結果(圖5)可知,立地質(zhì)量為良等級區(qū)內(nèi)優(yōu)勢種依次為刺槐、荊條、油松、楊樹和側(cè)柏;中等級區(qū)優(yōu)勢種為荊條、刺槐、油松、蒙古櫟(Quercusmongolica)和側(cè)柏;差等級區(qū)以荊條為主。由于大蘭小流域良和中等級區(qū)達98.95%,適宜采用喬灌草相結合的恢復模式,根據(jù)王美琪[3]利用SWAT模型對本流域水源涵養(yǎng)林空間優(yōu)化配置結果,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;針對差等級區(qū)可采用馬唐、艾蒿(Artemisiaargyi)和牛筋草(Eleusineindica)草本混交方式進行恢復。

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)林營造過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,可針對不同造林樹種、各樹種生態(tài)限制因素進行樹種適宜區(qū)分布研究[25-26],在立地質(zhì)量與各樹種適宜區(qū)分布基礎上,考慮局地小氣候、種間關系、樹種適應環(huán)境的進化能力、社會經(jīng)濟和人為影響[27],提升造林成活率和林木質(zhì)量。

5 結論

筆者以白洋淀大清河流域上游山丘區(qū)大蘭小流域為研究對象,經(jīng)相關性分析和主成分分析,按貢獻率篩選出海拔>坡度>坡向>土壤類型為主導立地因子,劃分26種立地類型。根據(jù)立地質(zhì)量評價得分劃分優(yōu)～差4種立地質(zhì)量評價等級,立地質(zhì)量得分為0.25～0.68;無優(yōu)等級立地;良等級立地比例達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),適宜采用喬灌草結合的恢復模式;中等級的立地類型占48.48%,主要分布在坡度較陡的地區(qū),植被恢復難度大,可采用灌草結合進行植被恢復;差等級立地占1.05%,僅分布于大蘭小流域土質(zhì)較差的石質(zhì)土地區(qū)。建議采用草本恢復或自然恢復,同時在造林時應加大整地措施投入,改善立地條件。