大清河流域山丘区大兰小流域立地分类与评价.pdf

摇第 21 卷摇 第 5 期2023 年 10 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.21摇 No.5Oct.2023大清河流域山丘区大兰小流域立地分类与评价刘佳琪1,2,闫烨琛1,3,杨建英1覮,王美琪1,4(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京市凉水河管理处,100069,北京;3.天津市地质工程勘测设计院有限公司,300191,天津;4.中国林业出版社有限公司,100009,北京)摘要:为推进“十四五冶规划对于白洋淀大清河流域综合治理的实施,以大清河流域上游的大兰小流域为研究对象,通过野外调查和室内试验,选取地形、土壤等8 个立地因子,采用相关性分析、主成分分析和 ArcGIS 叠置分析等方法,筛选出影响立地类型划分的主导因子,划分并制作立地类型图;利用均方差与层次分析法相结合确定指标权重,利用克里金插值将单指标样点数据由点及面,经模糊隶属度对栅格数据标准化后,指标权重叠加形成立地质量等级图。结果表明:1)海拔、坡度、坡向和土壤类型为主导立地因子;2)大兰小流域共划分 26 种立地类型,以丘陵缓阳坡褐土立地类型为主,占 16郾 37%;3)小流域内无“优冶 等级立地类型,“良冶 等级占 50郾 47%,“中冶 等级占48郾 48%;“差冶等级占 1郾 05%。在“适地适树冶原则下营造水源涵养林时,应重视立地类型划分和质量评价,针对不同类型和质量的立地选取适宜的造林树种及空间配置方案,提高林地生产力。关键词:立地类型划分;立地质量评价;层次分析法;大清河流域中图分类号:S727郾 21文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2023)05鄄0062鄄09DOI:10.16843/j.sswc.2023.05.007收稿日期:2022 05 31摇 修回日期:2023 05 29项目名称:国家水体污染控制与治理科技重大专项“白洋淀 大清河流域水源涵养林结构优化与输水通道连通技术研究冶(2018ZX07110001)第一作者简介:刘佳琪(1997),女,硕士研究生。主要研究方向:生态修复。E鄄mail:1748620425 覮 通信作者简介:杨建英(1965),女,博士,教授。主要研究方向:生态修复。E鄄mail:jyyang Site classification and evaluation of Dalan small watershed in the hillyarea of Daqing river basinLIU Jiaqi1,2,YAN Yechen1,3,YANG Jianying1,WANG Meiqi1,4(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.The Management Division ofLiangshui River,100069,Beijing,China;2.Tianjin Geological Engineering Investigation Institute,300191,Tianjin,China;3.China Forestry Publishing House,100009,Beijing,China)Abstract:Background The Daqing river basin is an important component of the water resourcesecurity system in Xiong忆an New Area and a key area for governance in the 14th Five鄄Year Plan.However,due to arid climate and severe soil erosion,the upstream of the basin has experienced flowinterruption and frequent river dry鄄ups,resulting in low vegetation coverage and poor water conservationfunction.Therefore,comprehensive basin governance is urgently needed,with a focus on providingtechnical support for“appropriate tree species in appropriate areas冶 and“scientific forest management冶to the upstream water conservation forests.Methods The present study was carried out in the Dalansmall watershed located in the upper reaches of the Daqing river basin.Through field surveys and indoorexperiments,eight site factors,including topography and soil,were obtained for research.By employingcorrelation analysis,principal component analysis,and ArcGIS overlay analysis,the primary factors thatimpacted the site type division were identified and site type maps were generated.The index weight was摇摇 第 5 期刘佳琪等:大清河流域山丘区大兰小流域立地分类与评价determined using the mean square deviation and analytic hierarchy process.Kriging interpolation wasused to convert the sample point data into surface data,which was then standardized using the fuzzymembership method.The site quality grade map was generated by overlaying the index weight using rastercalculator,and subsequently,reclassified and graded.Results 1)Elevation,slope,aspect and soiltype are the dominant site factors.2)Dalan small watershed is divided into 26 site types,and the sitetype of hilly gentle sunny slope cinnamon soil is the main one,accounting for 16郾 37%.3)There is no“excellent冶 site in the small watershed,with“good冶 site types accounting for 50郾 47%and“medium冶site types accounting for 48郾 48%.The“poor冶 site type accounts for 1郾 05%.Conclusions Whenconstructing water source conservation forests based on the principle of“suitable land and suitabletrees,冶 attention should be paid to the classification and quality evaluation of the site types.Fordifferent types and qualities of sites,appropriate afforestation tree species and spatial allocation schemesshould be selected to improve the productivity of forest land.This can provide theoretical guidance for thescientific afforestation of the relatively tree鄄poor regions in the Beijing鄄Tianjin鄄Hebei area in northernChina.Keywords:site type division;site quality evaluation;analytic hierarchy process;Daqing river basin摇 摇 大清河流域为雄安新区水资源保障体系的重要组成部分1。全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(20212035 年)中提出“推进白洋淀综合治理,加强水源涵养林和水土保持工程建设冶。“十四五冶河北省建设京津冀生态环境支撑区规划中将大清河流域列为环京津生态过渡带,但该流域气候干旱,水土流失严重,导致上游断流、河流干涸、白洋淀干淀现象频发2。为此学者开展上游水源涵养林配置研究,提出封山育林、侧柏+荆条混交、侧柏+山杏混交、侧柏+刺槐混交及油松+刺槐混交 5 种适宜配置模式,一定程度保障了流域生态流量3 4。立地划分与质量评价是实现林木空间优化配置的前提5,对相似的水源涵养林立地条件进行归一划分,明确林木生长影响因子,针对不同立地下的林木生产潜力进行评价,可为因地制宜科学造林提供理论指导。目前 学 者 多 采 用 主 导 环 境 因 子 分 类 组 合法6、多因子综合分类法7和植被因子分类法8对有林地进行立地类型划分,但针对北方少林地研究较少,且尚未建立 ArcGIS 空间数据库。大清河流域作为水资源保障区,通过合理的立地划分与评价,针对不同立地类型和质量等级因地制宜配置适宜的植物,保证林木健康生长同时极大发挥林木的生态效益,对水源涵养林的营造具有重要指导意义。笔者选取大清河流域上游山丘区的大兰小流域为研究区,将野外调查与 ArcGIS 相结合,筛选北方少林地立地划分与评价的指标,为我国北方京津冀植树造林提供理论指导。1摇 研究区概况大兰小流域位于河北省保定市易县(E 114毅56忆 115毅4忆、N 39毅12忆 39毅17忆),总面积 4 664郾 21 hm2,位于大清河上游山丘区,其北部支流中易水横穿大兰小流域(图 1)。属于温带季风气候带,年最高气温41 益,年最低气温-23 益,年平均降水量 552 571 mm。海拔 226 1 343 m,总体呈北高南低趋势,北部为中、低山区域,南部为丘陵区,坡度多 25毅;土壤以山地褐土为主,500 m 以上阴坡有淋溶褐土分布,土壤厚度较薄,多为 20 cm 以下。阳坡土层厚度低于 10 cm,植被覆盖度较低,植物以荆条(Vitexnegundo var.heterophylla)为主,长势一般;阴坡植被覆盖度较高,主要乔木为油松(Pinus tabuliformis)、侧柏(Platycladus orientalis)、山杨(Populus davidi鄄ana)、五角槭(Acer pictum subsp.mono)、刺槐(Rob鄄inia pseudoacacia)等;灌木包括荆条、胡枝子(Lespe鄄deza bicolor)、酸枣(Ziziphus jujuba var.spinosa)等;草本以菊科(Compositae)和禾本科(Gramineae)植物为主。2摇 材料与方法2郾 1摇 野外调查与数据收集摇 摇 在大兰小流域范围内布设 30 个典型样地,对每个样地布设 20 m 伊20 m 乔木样方,经每木检尺获取树种、数量、树高及胸径数据,利用周边地区的树种相对生长方程计算山杨9、刺槐10、侧柏11和五角槭12的地上生物量,油松生物量计算参考 LY/T36摇中国水土保持科学2023 年图 1摇 研究区分布图Fig.1摇 Distribution map of the study area22602014立木生物量模型及碳计量参数 油松(表 1);每个样地设置 5 个 2 m 伊 2 m 灌木样方和 1 m 伊1 m 草本样方,记录样方内灌草的种类和数量,并测其鲜质量和干质量,从而获得灌草生物量,计算乔灌草总生物量;挖取样地土壤剖面,获取土层厚度;取 0 20 cm 层原状土,设置 3 次重复,实验测定土壤密度、土壤 pH 值和土壤有机质13。表 1摇 乔木生物量计算模型Tab.1摇 Calculation model of arbor biomass树种Tree species生物量计算模型Biomass calculation model山杨W干=23郾 11(D2H)0郾 93Populus davidianaW枝=1郾 21(D2H)1郾 13W叶=0郾 63(D2H)1郾 17刺槐 RobinialnW干=-2郾 8955 31+0郾 867 64ln(D2H)pseudoacacialnW枝=-3郾 719 16+0郾 790 79ln(D2H)lnW叶=-2郾 167 46+0郾 632 76ln(D2H)侧柏 PlatycladusorientalisW侧柏=12郾 419(D2H)0郾 795五角槭 Acer pictumsubsp.monoW五角槭=0郾 029 5(D2H)0郾 965 5油松Pinus tabuliformisW油松=0郾 067 765D2郾 180 50H0郾 436 10(D逸5 cm)W油松=0郾 398 351D1郾 079 94H0郾 436 10(D 5 cm)摇 摇 注:D 为胸径,H 为树高。Notes:D is diameter breast height,andH is tree height.摇 摇 通过地理空间数据云获取 30 m 分辨率的数字高程模型(DEM),利用 ArcGIS 空间分析提取海拔、坡度和坡向数据,由资源环境科学与数据中心获取土壤类型数据,掩膜提取得到研究区内土壤类型数据,并结合外业调查样点资料对以上数据进行逐一验证,精度达到 100%。2郾 2摇 主导立地因子筛选初步选取海拔 X1、坡度 X2、坡向 X3、土壤类型X4、土层厚度 X5、土壤密度 X6、土壤 pH 值 X7、土壤有机质 X8作为立地因子,除海拔、坡度、土层厚度、土壤密度和土壤 pH 值数量化因子外,需对坡向和土壤类型定量化处理:坡向根据经验公式14转换为编码,阴坡、阳坡和平地分别为 1、0郾 3 和 1郾 5;土壤类型根据其生产力排序,棕壤土、褐土和石质土依次为 3、2 和 1。利用 SPSS 软件对水源涵养林生物量 X9与 8 个立地因子(X1 X8)进行皮尔逊相关性分析,筛选与乔灌草总生物量呈显著相关的立地因子进行主成分分析,根据分析结果确定主导立地因子。2郾 3摇 立地类型划分确定立地因子的分级标准,对主导立地因子分级并绘制单因子等级图,利用 ArcGIS 叠置分析功能对单因子分级图进行叠加,经众数滤波去除小斑块后,在属性表中添加“立地类型冶字段,依据主导立46摇摇 第 5 期刘佳琪等:大清河流域山丘区大兰小流域立地分类与评价地因子方差贡献率大小排序进行字段赋值,针对相邻立地类型相同的斑块,经要素融合处理后,得到大兰小流域立地类型矢量分布图。2郾 4摇 立地质量评价土壤化学性质是影响立地质量的重要因子15。笔者选取与研究区乔灌草总生物量呈显著相关的因子为评价因子,利用 ArcGIS 中普通克里金法对 31个野外调查样点数据进行空间插值,获取大兰小流域的评价单因子图,因坡向与土壤类型为定性指标,经重分类进行量化处理后,利用模糊隶属度对评价因子的栅格数据进行标准化处理。采用均方差决策分析与层次分析法相结合计算指标的综合权重,通过栅格计算器对标准化后的指标图层进行权重叠加,并根据分级标准进行重分类,得到立地质量评价等级图。2郾 4郾 1摇 均方差决策分析法摇 对立地指标 Gj进行标准化得到量纲为 1 的指标值,计算经标准化处理后的立地指标随机变量均方差,再对均方差进行归一化处理,得到各立地指标的权重值。zij=yij-yminjymaxj-yminj;i=1,2,n;j=1,2,m。(1)式中:zij为标准化后的立地指标值;yij为单个立地指标值;yminj为 Gj指标的最小值;ymaxj为 Gj指标的最大值。E(G1)=1n移ni=1zij;(2)滓(Gj)=移ni=1(zij-E(G1)2;(3)式中:E(G1)为随机变量的均值;滓(Gj)为 Gj指标的均方差。wj=滓(Gj)移mj=1滓(Gj)。(4)式中 wj为 Gj指标的权重系数。2郾 4郾 2摇 层次分析法摇 构建层次分析结构,确定立地质量评价指标体系:准则层为地形(B1)和土壤(B2);指标层为海拔(C1)、坡度(C2)、坡向(C3)、土壤类型(C4)、土层厚度(C5)、土壤 pH(C6)、土壤有机质(C7),采用专家打分法对每层中的指标重要性进行打分,构建 AB、B1C、B2C3 个层次的判断矩阵,将准则层与指标层权重相结合,确定各指标层次分析法权重。3摇 结果与分析3郾 1摇 主导立地因子分析经皮尔逊相关性分析(图 2),筛选出与生物量指标 X9显著相关的立地因子为海拔 X1、坡向 X2、土壤类型 X3、坡度 X4、土层厚度 X5、土壤 pH X7和土壤有机质 X8(P 1 且累积贡献率达 89郾 671%(80%),则可代表 8 个指标的特征信息,因此确定大兰小流域的主导立地因子,依次为海拔、坡度、坡向和土壤类型。分析主导立地因子可知,大兰小流域中海拔以200 500 m 为主,丘陵为分布最广的地貌类型,占55郾 61%;坡度以 15毅 35毅为主,斜陡坡所占据的面积最广,为 54郾 46%,急陡坡面积最少,为 4郾 60%;坡向以阳坡为主,占 63郾 44%;土壤类型以褐土为主,占 80郾 04%。摇*.在 0郾 01 水平(双侧)上显著相关;*.在 0郾 05 水平(双侧)上显著相关。*:Significant correlation at 0郾 01 level(bilateral);*:significantly correlated at 0郾 05 level(bilateral).图 2摇 立地因子相关性分析Fig.2摇 Correlation analysis of site factors摇3郾 2摇 立地类型划分参考中国森林立地分类、GB-T 157722008 水 土 保 持 综 合 治 理 规 划 通 则 和 GB/T172962009中国土壤分类与代码表 中对于海拔、坡度、坡向和土壤类型的划分标准,并结合立地因子对植物生物量的影响程度及分布情况,对主导立地因子进行分级,划分标准见表 2。摇 摇 根据主导因子的主成分分析的方差贡献率,依次对立地类型以“海拔+坡度+坡向+土壤类型冶命名,大兰小流域共划分出 26 种立地类型(图 2),将划分结果与野外实测点矢量数据相叠加,在属性56摇中国水土保持科学2023 年摇 摇表 2摇 主导立地因子的分级标准Tab.2摇 Grading standards of leading site factors分级标准Grade standard主导立地因子 Leading site factor海拔 Altitude坡度 Slope坡向 Aspect土壤类型 Soil type1丘陵区 Hilly area(200 500 m平缓坡 Gentle slope(0 15毅阳坡 Sunny slope(45毅,225毅粗骨土Coarse bone soil2低山区 Low mountain area(500 800 m斜陡坡 Inclined steep slope(15毅 35毅阴坡 Cloudy slope(225毅,360毅),(0,45毅棕壤土Brown soil3中山区 Middle mountain area(800 2 000 m)急陡坡 Sudden slope35毅平地 Flat ground0褐土Cinnamon soil4石质土Rocky soil图 3摇 立地类型图Fig.3摇 Site type map表中逐一验证每个样点 2 类数据对应度,其精度达100%。立地类型面积比例见表 3,大兰小流域中丘陵 平 缓 阳 坡 褐 土 立 地 类 型 占 面 积 最 大,为762郾 93 hm2,占 16郾 37%,其次是低山斜阳坡褐土,为670郾 23 hm2,占 14郾 38%;中山平地棕壤和丘陵急陡阴坡石质土为分布较少,均 0郾 10%。3郾 3摇 立地质量评价通过均方差决策分析和层次分析法相结合得到大兰小流域评价指标的综合权重(表 4),利用重分类工 具 将 大 兰 小 流 域 划 分 为 优(逸 0郾 70)、良(逸0郾 50 0郾 70)、中(逸0郾 30 0郾 50)、差(坡度 坡向。不同的土壤类型下,土壤结构、质地和养分均有差异,从而影响土壤生产力,生产力越高,林木生物量越大21。因此,笔者筛选出海拔、坡度、坡向和土壤类型作为主导立地因子。与传统的立地类型划分方法相比,利用实地调查与 ArcGIS 空间叠加相结合方法,可快速划分立地类型并获取各立地类型分布情况,提升对位,但划分精度受 DEM 底图精度限制,笔者利用 GIS 划分的立地类型面矢量数据与野外实测点矢量数据相结合,逐一验证后分类精度达 100%,若开展小尺度研究,76摇中国水土保持科学2023 年域为良等级,芋为中等级,郁为差等级。域 is good grade,芋 is medium grade and 郁 is poor grade.图 4摇 立地质量分布情况Fig.4摇 Distribution of site quality可采用无人机航拍获取高分辨率航测影像,提升立地类型划分精度。4郾 2摇 立地质量评价针对有林地的立地质量研究,多利用地位指数构建树木生长模型,评价林地生产力22;对无林地或者少林地研究,多采用层次分析法确定各立地指标权重23。鉴于本研究区多为灌草地和荒地,不宜采用地位指数法,为消除专家打分法的主观影响与客观赋权法中因过度依靠公式而偏离实际的情况,本文将层次分析法与均方差法相结合,得到指标综合权重。利用克里金插值法实现野外实测样点数据由点及面,采用模糊隶属度法对量化后的指标选取相应隶属函数进行标准化,经权重叠加形成评价等级图,可直观、精准掌握立地质量分布情况。摇(a)区立地质量等级为“良冶;(b)区立地质量等级为“中冶;(c)区立地质量等级为“差冶。The site quality grade of area(a)is“good冶;the site quality grade of area(b)is“medium冶;the site quality grade of area(c)is“poor冶.图 5摇 不同立地质量下的优势树种分布Fig.5摇 Distribution of dominant tree species under different site quality根据大兰小流域优势树种分布的调查结果(图 5)可知,立地质量为良等级区内优势种依次为刺槐、荆条、油松、杨树和侧柏;中等级区优势种为荆条、刺槐、油松、蒙古栎(Quercus mongolica)和侧柏;差等级区以荆条为主。由于大兰小流域良和中等级区达 98郾 95%,适宜采用乔灌草相结合的恢复模式,根据王美琪3利用 SWAT 模型对本流域水源涵养林空间优化配置结果,可优先选取水源涵养能力最佳的油松+侧柏,搭配荆条、马唐(Digitaria sangui鄄nalis)和狗尾草(Setaria viridis)混交模式;针对差等级区可采用马唐、艾蒿(Artemisia argyi)和牛筋草(Eleusine indica)草本混交方式进行恢复。考虑到油松人工林易受到林分密度影响24,因此在水源涵养林营造过程中需保证合理林木栽植密度。由于本研究受立地因子种类和样本数量所限,为确保后期造林成效,可针对不同造林树种、各树种生态限制因素进行树种适宜区分布研究25 26,在立地质量与各树种适宜区分布基础上,考虑局地小气候、种间关系、树种适应环境的进化能力、社会经济和人为影响27,提升造林成活率和林木质量。86摇摇 第 5 期刘佳琪等:大清河流域山丘区大兰小流域立地分类与评价5摇 结论笔者以白洋淀大清河流域上游山丘区大兰小流域为研究对象,经相关性分析和主成分分析,按贡献率筛选出海拔 坡度 坡向 土壤类型为主导立地因子,划分 26 种立地类型。根据立地质量评价得分划分优 差 4 种立地质量评价等级,立地质量得分为 0郾 25 0郾 68;无优等级立地;良等级立地比例达50郾 47%,在研究区中分布最广,主要分布在海拔较低的平地或缓坡地区,适宜采用乔灌草结合的恢复模式;中等级的立地类型占 48郾 48%,主要分布在坡度较陡的地区,植被恢复难度大,可采用灌草结合进行植被恢复;差等级立地占 1郾 05%,仅分布于大兰小流域土质较差的石质土地区。建议采用草本恢复或自然恢复,同时在造林时应加大整地措施投入,改善立地条件。6摇 参考文献1摇 王凯霖.雄安新区地下水资源和湿地的共同可持续研究D.北京:中国地质大学(北京),2020:12.WANG Kailin.Research on commonjunctive sustainabili鄄ty of groundwater resources and wetlands in Xiongan NewArea D.Beijing:China University of Geosciences(Bei鄄jing),2020:12.2摇 夏军,张永勇.雄安新区建设水安全保障面临的问题与挑战J.中国科学院院刊,2017,32(11):1199.XIA Jun,ZHANG Yongyong.Water resource and pollu鄄tion safeguard for Xiong忆an New Area construction and itssustainable development J.Bulletin of Chinese Acade鄄my of Sciences,2017,32(11):1199.3摇 王美琪.大清河流域上游山丘区典型小流域水源涵养林优化配置研究D.北京:北京林业大学,2020:4.WANG Meiqi.Research on optimal allocation of waterconservation forests in typical small watersheds in hilly re鄄gions of Daqing river basin D.Beijing:Beijing ForestryUniversity,2020:4.4摇 杨凝.大清河上游山区典型小流域水源涵养功能评价及造林设计D.北京:北京林业大学,2020:48.YANG Ning.Evaluation of water conservation functionand afforestation design of typical small watershed in theupper reaches of Daqing river D.Beijing:Beijing For鄄estry 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