基于GIS的黄杉生长适宜性评价研究——以滇东北为例.pdf

第 卷 第 期 年 月林 业 调 查 规 划 :/基于 的黄杉生长适宜性评价研究 以滇东北为例李继品岳彩荣孟翠萍鲜明睿程文龙刘燕婕刘晓波(.国家林业和草原局西南调查规划院云南 昆明 .西南林业大学云南 昆明.云南湖柏环保科技有限公司云南 昆明)摘要:利用 技术结合常规统计法、主成分分析法、层次分析法()、模糊综合评判法构建模糊综合评价模型对黄杉在云南的集中分布区滇东北的宣威市和会泽县开展生长适宜性研究预测黄杉在研究区域的潜在分布找出研究区域适合培育人工黄杉林的宜林地 研究结果表明研究区域适宜黄杉生长的面积为 占研究区域面积的 在研究区域内筛选出适宜营造黄杉林的宜林地 通过 技术分析所得结果与天然黄杉林的实际分布情况较符合说明基于 技术预测黄杉潜在分布区域和筛选适宜营造黄杉的造林地是可行的关键词:黄杉生长适宜性潜在分布宜林地隶属度函数模糊综合评价模型滇东北中图分类号:文献标识码:文章编号:()引文格式:李继品岳彩荣孟翠萍等 基于 的黄杉生长适宜性评价研究 以滇东北为例 林业调查规划():/():/(.):().收稿日期:第一作者:李继品()男云南腾冲人硕士工程师 主要从事森林资源调查、规划和监测工作 林 业 调 查 规 划 .:黄杉()为松科黄杉属的一种常绿乔木为我国特有树种间断式分布于滇、川、贵、湘、鄂等省份属于国家二级保护植物无大面积纯林多呈零星或小块状分布由于材质优良累遭砍伐分布区正日益缩减 目前黄杉分布几乎不在自然保护区难于进行保护与管理人工黄杉林面积又极小造成黄杉几近濒危故对其开展保护研究和潜在分布预测以及适生区域研究显得至关重要选择滇东北的宣威市和会泽县为研究区域以研究区域森林资源规划设计调查成果数据、数据为基础数据提取海拔、坡度、坡向、土壤类型、土层厚度、太阳辐射量、地表曲率和地形湿度指数等影响黄杉生长发育的关键生态因子数据利用 技术结合常规统计法、主成分分析法、层次分析法()、模糊综合评判法构建模糊综合评价模型对黄杉在研究区域的生长适宜性进行分析并借助研究区域自然分布的黄杉进行精度检验对黄杉在云南省的集中分布区滇东北的宣威市和会泽县开展黄杉生长适宜性研究预测黄杉在研究区域的潜在分布为黄杉在云南甚至在全国的保护提供参考同时找出研究区域适合培育人工黄杉林的宜林地为培育黄杉优良用材树种提供选地指导 研究区域概况研究区域为滇东北的乌蒙山区黄杉分布较为集中的曲靖市会泽县和宣威市 其中会泽县处于滇东北、曲靖西北边地理坐标为东经 北纬 全县山高谷深沟壑纵横 高原空气稀薄辐射波短日照时间长年均晴日 年日照 年均温 春季升温快秋季降温快 宣威市地处云南省东北部为云南省曲靖市所辖县级市 地处东经 北纬 宣威市境内多年均温 最高年均温 最低年均温 年均降雨量 山谷沟壑纵横交错海拔差异大受海洋和大陆气团作用南温带、北亚热带和中温带多种气候并存冬季干燥夏季多雨年温差不大日温差大光照充足黄杉是研究区域当地主要用材树种之一 研究区域内黄杉主要分布于宣威市与会泽县接合部主要涉及倘塘、龙场、格宜、鲁纳、大井、雨碌、上村等乡镇地理位置大致为东经 北纬 该分布区为山地地貌海拔 暖温带季风气候年降雨量 多集中于 月年均温 月最高温 月最低温 土壤以红壤、黄壤为主 研究方法 数据来源研究的基础资料为研究区域森林资源规划设计调查成果数据、数据和文献资料数据其中:森林资源规划设计调查成果数据是通过与研究区域林业主管部门收集得到 数据直接通过软件 卫图助手下载得到数据分辨率为 研究方法利用 数据管理功能从森林资源规划设计调查成果矢量数据中提取研究区域每个黄杉小班的海拔、坡度、坡向、坡位、土壤类型、土壤厚度、土壤结构、腐殖质厚度和岩裸率等 个自然条件数据和自然分布黄杉生物学特性数据 通过 空间分析功能以 数据计算出研究区域内每个黄杉小班的太阳辐射量、地表曲率和地形湿度指数 个值制作黄杉自然分布图构建上述各项因子数据库 应用主成分分析法结合现有小班黄杉生长状况筛选出决定黄杉分布和影响黄杉生长指标的限制性因子并对生境因子进行适当约简应用层次分析法确定各项生境因子及其权重运用模糊数学的隶属度函数建立各因子的量化等级以此为基础构建第 卷李继品等:基于 的黄杉生长适宜性评价研究黄杉生长适宜性综合评价模型 将研究区域小班定为评价单元利用上述所得的综合评价模型在 软件中对研究区域内的黄杉生长适宜性进行评价将其分成最适宜区、较适宜区、一般适宜区和不适宜区 个等级将模型计算出的黄杉适宜性等级分布图与黄杉实际分布图进行叠加对模型计算结果进行精度检验 利用精度检验合格后的成果预测黄杉的潜在分布区域同时为营造人工黄杉林选择适宜的造林地块 技术路线如图 所示图 技术路线 评价因子权重的确定及量化分级 筛选评价因子样本数据选取的是研究区域的 个黄杉小班数据对每个小班的海拔、坡向、坡度、坡位、地表曲率、地形湿度指数、太阳辐射量、土壤类型、土壤结构、腐殖质厚度、岩裸率和土壤厚度等 个因子采用主成分分析法运用 软件进行主成分分析计算出方差贡献率(表)从表 中可以得出前 个主成分方差贡献率超达 故本研究选取第一至第五主成分来探究黄杉生长的关键限制因子以海拔、坡度、坡向、地表曲率、地形湿度指数、太阳辐射量、土壤类型、土壤厚度、坡位、土壤结构、腐殖质厚度、岩裸率为主要成分的成分矩阵见表 从表 可以看出在第一主成分中土壤厚度()和土壤类型()负荷较大主要表征了表 方差贡献率 组件(因子)初始平方负荷和总计方差/累计方差/提取平方负荷和总计方差/累计方差/黄杉生境不同的土壤成分和土层厚度情况说明第一主成分与土壤有较大相关性可以将其定义为“土壤因子”在第二主成分中太阳辐射量()和海拔()负荷较大表征不同海拔和太阳辐射量影响黄杉的自然分布不同的海拔和太阳辐射量直接影响区域内的热量分布可将其定义为“热量因子”在第三主成分中地形湿度指数()、地表曲率()和坡度()的负荷较大地形湿度指数反映该流域内土壤水分的干湿状况地表曲率和坡度体现涵养水源能力因此第三主成分主要表征生境中的水分情况可将其定义为“水文因子”在第四主成分中坡向()负荷较大不同坡向接受阳光照射情况不同第四主成分主要表征光照情况因此第四主成分可以定义为“光照因子”在第五主成分中坡度()和土壤厚度()负荷较大不同坡度和土壤厚度影响黄杉自然分布而坡度大的地方一般土壤厚度也比较小因此第五主成分主要表征黄杉生境中不同坡度情况可将其定义为“坡度因子”从中可以得出限制黄杉自然分布的因素主要是土壤条件、热量分布状况、水文条件、光照条件和坡度情况 个因子 综合分析主成分分析结果结合植物分类、森林培育、地理信息系统等方面专家建议本研究选取海拔、坡度、坡向、地表曲率、地形湿度指数、太阳辐射量、土壤类型和土壤厚度 个生境因子作为本研究的评价因子第 期林 业 调 查 规 划表 成分矩阵 评价因子海拔 坡度 坡向 地表曲率 地形湿度指数 太阳辐射量 土壤类型 土壤厚度 坡位 土壤结构 腐殖质厚度 岩裸率 确定评价因子权重选取的目标层为黄杉适宜性根据专家指导以及本研究评价因子筛选结果选取海拔、坡向、坡度、地表曲率、太阳辐射量、地形湿度指数、土壤类型和土壤厚度 个生境因子作为评价因子构建层次结构分为目标层、准则层和方案层 请森林培育、植物分类、地理信息系统等相关领域的 位专家对各评价因子打分根据专家评分结果将 个评价因子进行两两比较建立判断矩阵(表)表 评价因子判断矩阵 评价因子海拔 坡度 坡向地表曲率地形湿度指数太阳辐射量土壤类型土壤厚度海拔坡度/坡向/地表曲率/地形湿度指数/太阳辐射量/土壤类型土壤厚度 利用 对构建的判断矩阵进行运算得到 值为 该矩阵通过一致性检验通过软件 运算得到各评价因子权重权重矩阵记为 各评价因子权重详见表 表 评价因子权重 海拔坡度坡向地表曲率 地形湿度指数太阳辐射量土壤类型土壤厚度 评价因子量化分级评价指标体系建立后结合专家经验借助 软件分级量化以上 个评价因子 选择隶属度函数法对评价因子进行标准化数值值域为此值是单因子适宜度以 加因子类型代表 海拔因子海拔的隶属度函数为抛物线型其表达式为:海拔.()/.()/.坡度因子坡度的隶属度函数为 型其表达式为:坡度.()/.第 卷李继品等:基于 的黄杉生长适宜性评价研究图 研究区按海拔分级布局 图 研究区按坡度分级布局 坡向因子坡向的隶属度函数为离散型其表达式为:坡向 阴坡 半阴坡 半阳坡 阳坡 无坡向图 研究区按坡向分级布局 地表曲率地表曲率的隶属度函数为抛物线型其表达式为:曲率.(.)/.(.)/.图 研究区按地表曲率分级布局 第 期林 业 调 查 规 划 地形湿度指数地形湿度指数的隶属度函数为抛物线型其表达式为:湿度.()/.图 研究区按地形湿度指数布局 太阳辐射量太阳辐射量的隶属度函数为抛物线型其表达式为:辐射量.(.)/.土壤类型土壤类型的隶属度函数为离散型其表达式为:土壤类型 红壤 黄壤 紫色土 石灰土图 研究区按太阳辐射量布局 图 研究区按土壤类型布局 土壤厚度土壤厚度的隶属度函数为离散型其表达式为:土壤厚度 厚层 中层 薄层第 卷李继品等:基于 的黄杉生长适宜性评价研究图 研究区按土壤厚度布局 适宜性模型构建 模糊综合评判 基本原理模糊综合评判是在模糊的环境下综合考虑事物诸多因素用模糊集理论来评定其优劣的方法各种事情评价难于找到共性进行分类因此先评价单个因素再综合模糊评价全部因素避免信息遗漏和损失能很好地处理确定性评价“是”或“否”引起的对客观的偏离问题从而确定优劣对象 这种方法结果准确度高、综合性强对于模糊无法量化的问题行之有效能用于非确定性问题 其具体步骤为:)评价对象集、因素集和评判集的确定对象集:因素集 海拔、坡度、坡向、地表曲率、地形湿度指数、太阳辐射量、土壤类型、土壤厚度评判集 最适宜较适宜一般适宜不适宜)建立隶属度函数建立隶属度函数可以模糊矩阵 表示因素与方案之间的关系 确定隶属度函数是模糊分析的重要组成部分为了用模糊集表示和分析模糊现象隶属度函数的确定是第一步 在实际运用中隶属度函数能够根据实践逐渐调整健全依据实践实际效果调节隶属度函数 隶属度函数的确定方式有:对比排序法、综合加权法、模糊统计法、指派法、专家确定法和借用已有的客观尺度等评价结果依赖于隶属度函数的确定隶属度函数的选择是模糊的因子量化分级结果在很大程度上受各因子隶属度函数类型的影响)确定评价因子权重根据在上述步骤中筛选出的重要因子集合 得出评估因子权重确保过程的精确性与评价结论的准确性各因子所给予的权重值必须是有效的 本研究采用层次分析法来获取评价因子权重)获取模糊综合评判矩阵 对各评价对象构造综合矩阵 是第 个因素 的单因素评价为第()个因素 在第()个评语上的 评语上的频率分布一般将其归一化处理使其满足 )模糊综合评判为了获得更加合理的评价结果各因素必须考虑全面即需要模糊综合评价权重 和每个因素的判断矩阵 由本节第、步骤计算以便综合评价公式为:式中:为评语集 上的模糊综合评判集)求各评价对象的综合分值把评价结果 转变成综合分值 进而根据 值来选择得到最优者 操作中经常用到的综合评价模型如下:模型:()主因素决定型()()与()里某个来确定综合评判结果 的值重点是主要因素此种方法会出现决策结果难于分辨的情况模型:()主因素突出型()()与模型相接近区别在于 替代了 在本模型中对 乘以小于 的权重 说明 为选择多因素时 的修正值和主要因素密切联系未考虑次要因素模型:()主因素突出型()()()是有界和符号即 ()因第 期林 业 调 查 规 划为权重分配符合 所以 ()因此()()模型:()加权平均模型 ()()本模型对所有因素依照权重的大小来均衡和兼顾非常适用于兼顾各因素所起作用的情况本研究选取模型也就是模型()来进行计算计算结果能够全面考虑多种因素的影响和判断结果因此能反映多策略模式匹配模型的整体特征 模糊综合评判运用加权指数和法作为研究区域黄杉生长适宜性评价模型公式为:式中:为评价单元针对黄杉生长适宜性评价的综合指标为第 个参评因子的权重为第 个评价单元第 个参评因子的隶属度值 为参评因子总个数按照上述方法综合运用 和 软件计算各评价单元和各评价因子的适宜性综合评价指标 值的大小反映了第 个评价单元对黄杉生长适宜性的隶属度 其大小范围为 参考前人研究成果结合当地实际情况得到 值后经反复比较和对评价结果的详细分析结合现有黄杉小班的龄组、公顷蓄积等因素决定把适宜性等级划分为 个等级即最适宜区 较适宜区 一般适宜区 )以及不适宜区 )综合土地利用现状图利用 软件的空间分析和数据管理功能将建设用地和水域也归并进不适宜区域 适宜性评价结果根据上述分级标准通过计算分析得出黄杉生长适宜性综合评价结果运用 软件对分级结果进行染色处理得到如图 结果在图 中红色区域为种植黄杉的最佳区域为最适宜区紫色次之为较适宜区绿色为一般适宜区黄色为不适宜区 本研究中小班总数(评价单元总数)为 个小班面积合计 其中最适宜区有小班 个面积为 占总面积的 较适宜区小班 个图 黄杉生长适宜性分级 面积 占比 一般适宜区小班 个面积 占比 不适宜区域小班 个 面积 占比 在营造黄杉人工林时一般选择最适宜区和较适宜区作为造林地一般适宜区和不适宜区一般不作为营造黄杉人工林的选择地 综合最适宜区和较适宜区 在整个研究区域中 有占总面 积 的区域适宜营造黄杉人工林面积为 各区域统计数据见表 表 各级数据统计 评价分级小班数/个预测面积/占比/最适宜区 较适宜区 一般适宜区 不适宜区 研究区域 适宜造林小班筛选通过分析得出占研究区域 的面积区域适宜营造黄杉人工林 运用 软件筛选得到在研究区域内有 宜林地位于本研究得到的最适宜区和较适宜区此部分宜林地可作为营造人工黄杉林的备选地(图)第 卷李继品等:基于 的黄杉生长适宜性评价研究图 研究区域适宜营造黄杉林小班分布 精度检验将研究区域森林资源规划设计调查结果中天然黄杉林小班分布情况和本研究模拟出来的黄杉适生范围进行对比 由于研究区域小班数量巨大如果叠加研究区域所有图斑则无法清晰看到图斑具体情况故选取天然生长黄杉小班数较多的宣威市龙潭镇来显示(图 图)图 龙潭镇黄杉实际分布 图 龙潭镇黄杉预测分布 图 龙潭镇黄杉分布叠加 图中粉红色和紫色是本研究中通过模型预测出的黄杉适宜生长区域红色的为黄杉实际分布区通过运用 软件叠加分析结合研究区域森林资源规划设计调查结果本研究中共有黄杉天然林 其中 黄杉分布于本研究中的最适宜区占总面积的 有 黄杉分布于本研究中的较适宜区占比 有 黄杉分布于本研究中的一般适宜区占比第 期林 业 调 查 规 划 有 黄杉分布于本研究中的不适宜区占比 (表)表 黄杉在各预测区域实际分布 评价分级实际分布面积/占比/最适宜区 较适宜区 一般适宜区 不适宜区 研究区域 综上所述研究区域中有 黄杉(占总量的 )分布于最适宜区和较适宜区有 位于一般适宜区 研究预测结果对黄杉的研究和保护具有重要参考价值从表 可以看出黄杉的自然分布区域几乎都处于模型预测适宜分布区域 预测其他各种树种还生长于适宜生长区域内森林类型多种多样在研究区域内同时还有一部分宜林地、覆盖度较低的灌木林地以及部分未开发利用土地 可以结合林业实际需要综合生态效益和经济效益在预测黄杉适生区域营造黄杉人工林同时也可以在预测区域内特别是预测最适宜区域内针对黄杉开展补充调查以便对国家重点保护植物黄杉进行更全面地保护 结果分析 最适宜区通过 软件分析和数据整理研究模型预测研究区域内最适宜区面积为 其中分布有天然黄杉林 占研究区域内天然黄杉林面积的 主要分布于会泽县大井镇宣威市得禄乡、西泽乡、务德镇、倘塘镇、杨柳乡、龙场镇和格宜镇(图)根据历史观测数据在最适宜区域夏秋与冬春分别受到海陆气团作用形成高原季风气候 冬暖夏凉年温差小冬春干燥夏秋湿润降水量大光照充足积温偏低区域差异大 多年均温 最高年均温 最低年均温 年际相差 多年平均日照 日照百分率为日照最多年为 日照最少年为 极差 气候非常适合黄杉生长 黄杉最适宜区图 黄杉最适宜生长区域布局 域分布在海拔 范围在坡度为 的中山阴坡和半阴坡区域 大部分生长于红壤和黄壤土壤质地主要是壤土其富含铁、锰等微量元素土壤理化性质为酸性土壤厚度主要为厚层土壤透水透气性良好 上述乡镇非常适合黄杉生长可结合实际生产生活需要结合当地林业部门造林实际营造黄杉人工林在促进当地人工用材林发展的同时也给林农带来良好的经济效益从而实现生态效益和经济效益同步增长 同时预测的最适宜区极有可能有黄杉潜在分布故在最适宜区内开展必要的补充调查更好地对天然起源的黄杉林进行保护 较适宜区研 究模型预测研究区域内较适宜区面积为 其中分布有天然黄杉林 占研究区域内黄杉林面积的 主要分布于宣威市得禄乡、西泽乡、务德镇、倘塘镇、龙场镇(图)该区域内海拔较最适宜区域略有升高土壤理化性质为酸性至中性土壤厚度以厚层和中层为主坡向为半阴坡、半阳坡和阳坡 海拔和坡向直接影响着黄杉的自然分布 该区域内由于海拔升高气温下降营造黄杉林要注意做好防寒防冻措施由于黄杉在此区域内适宜性等级稍微下降在该区域内营造黄杉林时建议以生态林建设为主不建议在此区第 卷李继品等:基于 的黄杉生长适宜性评价研究图 黄杉较适宜生长区域布局 域内营造黄杉用材林如已完成黄杉用材林营造建议做好抚育管理如条件允许可将此部分用材林划入生态公益林 结论和讨论通过对自然分布于滇东北地区两个县市的国家二级保护植物黄杉自然分布区域的地形、海拔、土壤、气候等因子进行系统调查和综合分析结合黄杉生长状况综合分析评价黄杉适生环境以及影响因子 通过利用 软件等多种信息技术探究影响黄杉自然分布的关键性因子研究结果显示其关键性因子为土壤条件、热量分布状况、水文条件、光照条件和坡度情况等因子结合专家经验和主成分分析法结果选取海拔等 项生境因子作为黄杉生长适宜性评价因子 挖掘出黄杉自然分布与其适生环境之间存在高度重合的内在规律研究黄杉适宜生长环境评价的因子体系和技术方法 通过森林资源规划设计调查数据、数据和其他查阅的资料数据综合利用各种数学建模构建黄杉适生环境评价模型科学地为黄杉生长适宜性做出评价从而预测重点保护植物黄杉在研究区域的潜在分布找出适合营造人工黄杉林的区域 研究结果表明在整个研究区中适宜黄杉生长的面积为 占研究区域面积的 在研究区域内筛选出适宜黄杉生长的宜林地 其中最适宜黄杉生长的区域面积为 分布有天然黄杉林 占研究区域内黄杉林面积的 主要分布于会泽县大井镇宣威市得禄乡、西泽乡、倘塘镇、杨柳镇、龙场镇和格宜镇较适宜黄杉生长区域面积为 分布有黄杉林 占研究区域内黄杉面积的 主要分布于宣威市得禄乡、西泽乡、务德镇、倘塘镇、龙场镇开展植物生长适宜性评价是现代林业必不可少的一项内容通过开展林木生长适宜性评价为适地适树和优良品种的引进做指导 研究结果为黄杉在研究区域甚至全国的保护和营造人工黄杉林提供参考同时也将信息技术探究预测重点保护植物潜在分布区域的研究方法引入重点保护植物研究和保护领域 通过研究获得研究区域黄杉自然分布区域生境因子数据库、黄杉生长适宜性评价模型、黄杉生长适宜性分级图、潜在分布区预测和造林地选择等成果参考文献:孟广涛柴勇方向京等 滇东北黄杉种群数量动态的初步研究 西北林学院学报():柳鹤林 会泽县林业志 曲靖:云南轻工科技印刷厂:孔源 在耕地地力评价中的应用研究 昆明:云南大学 高菊芬 云南曲靖市黄杉种群的群落生态学特征分析 消费导刊():问青青 基于 的山核桃生长适宜性评价研究杭州:浙江农林大学 李希灿 模糊数学方法及应用 北京:化学工业出版社:彭祖赠孙韫玉 模糊()数学及其应用 武汉:武汉大学出版社 杨纶标高英仪 模糊数学 广州:华南理工大学出版社 肖位枢 模糊数学基础及应用 北京:航空工业出版社责任编辑:许易琦第 期