三峡库区森林立地空间优化配置研究

三峡库区森林立地空间优化配置研究

库夏森林植被是长江上游恶意软件系统的重要组成部分。这对保护水库水源、调节河流和防止水土流失以及充分发挥三个峡谷水旁观点工程的生态屏障作用具有重要意义。自20世纪80年代以来，中国政府先后实施了“长江保护性工程”、“天然林保护工程”和“退耕还林工程”。库夏森林资源得到有效保护，森林覆盖率显著增加。然而，库夏森林的整体质量仍然很差，因为库夏森林的结构不合理，种群结构简单，森林资源分布不均，生态保护的效果也很低。因此，在空间上合理调整造林类型，提高造林质量是该地区造林建设必须尽快解决的问题之一。目前已有相关学者对三峡库区的防护林布局进行研究,如潘磊等对库区低山丘陵区的防护林带布局技术和建设模式进行了研究;薛家翠等通过立地条件等因子划分鄂西三峡库区防护林类型,并总结防护林模式种类,找出各模式的规律性;邓中美等总结了鄂西三峡库区防护林33个模式种类的关键技术,并建立模式分类体系.以上研究对防护林布局模式和关键技术进行了理论探讨和实践总结,有效地促进了三峡库区防护林建设.但现有研究仍缺乏必要的定量分析,且无法将配置结果落实到具体立地.如何实现防护林类型配置的空间定位是今后研究的一个重点.由于多目标灰色局势决策方法可以根据主要指标的量化确定具体立地的植被类型,GIS因具有强大的空间叠加分析功能,也被广泛地应用于解决空间分布问题.因此,本文将两种方法相结合,在划分三峡库区森林立地类型的基础上,以充分发挥库区防护林的综合效益为目标,对三峡库区防护林类型的高效空间配置进行研究,旨在寻求一种解决大尺度区域防护林空间配置的有效方法,以期促进库区防护林综合效能的发挥、维护生物多样性、有效控制水土流失、实现区域生态安全.1研究领域和方法1.1阴山山地地貌区三峡库区指三峡大坝建成后受回水影响的水库淹没区和移民搬迁所涉及的区域(28°31′—31°44′N,105°50′—111°40′E),东起湖北宜昌市、西至重庆江津,包括湖北省4个县和重庆市22个县(区),面积5.8×104km2.该区北攀大巴山南麓、南抵云贵高原北缘,处于大巴山褶皱带、川东褶皱带和川鄂湘黔隆起带三大构造单元交汇处,地貌类型复杂多样,山地、丘陵分别占总面积的74.0%和21.7%.三峡库区属中亚热带湿润季风气候,年均气温17℃～19℃,降水丰沛,年均降水量1000～1200mm,降水季节分配不均,4—10月为雨季,其中夏季(6—8月)降水量约占全年的45%.库区土壤包括7个土类16个亚类,主要土壤类型有黄壤、黄棕壤、紫色土、石灰土和水稻土.库区具有我国东西与南北两大生物界过渡的特点,亚热带至寒温带植被极为丰富,主要包括寒温性针叶林、温性针叶林、暖温性针叶林、阔叶林、竹林、灌丛和灌草丛7种植被类型.1.2学习方法1.2.1资料来源及处理根据三峡库区森林类型的主要组成与分布面积,结合不同类型防护林综合效益差异的研究成果,将三峡库区森林植被划分为针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林4种类型.选取三峡库区2007年8、9月LandsatTM遥感影像(空间分辨率为30m)作为本研究的信息源.在ErdasImagine9.1软件中,以三峡库区森林资源二类清查数据库为参考,采用非监督分类与决策树分类相结合的方法对影像进行解译,提取三峡库区防护林类型分布数据.1.2.2森林立地类型空间属性数据库的建立林木及其所处的环境是一个有机整体,立地是林木生长的基础.掌握三峡库区森林立地类型特征,是科学合理地进行防护林类型空间配置的基本前提.本文通过分析三峡库区的地貌特点,结合文献的研究成果,将海拔、坡度和土层厚度作为库区森林立地类型划分的主导因子,并根据库区森林植被分布及其物种多样性的地形分异特征确定分级标准(表1).最后采用主导环境因子组合法,划分三峡库区森林立地类型.其中,海拔等级代码用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示,坡度等级代码用A、B、C、D表示,土层厚度等级代码用1、2、3表示.以ArcGIS为平台,将海拔、坡度和土层厚度数据进行叠加分析,建立三峡库区森林立地类型空间属性数据库.1.2.3涵养量和生物量本文以充分发挥三峡库区防护林体系生态、经济和社会效益为前提,结合文献选取水源涵养量、生物量和林分生产力作为防护林体系综合效益指标.其中,水源涵养量反映了森林对降水的再分配以及森林调节径流、改善水质和改善土壤物理结构的综合作用,体现了区域防护林涵养水源、保持水土的重要功能;生物量反映了林木在一定时间内积累的有机物质总量,是森林生态系统结构优劣和效益高低的直接表现;林分生产力反映了林木生产有机物质的速率,体现了森林生态系统的经济价值.水源涵养量数据源于文献,生物量和林分生产力数据源于文献,通过ArcGIS分别统计它们在各立地不同防护林类型中单位面积的平均值.1.2.4基于多目标灰色态势决策模型的目标最优配置多目标灰色局势决策模型可用矩阵来描述.首先将划分的立地类型作为事件集(ai),将针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林4种防护林类型配置模式作为对策集(bj),组成局势Sij=(ai,bj).每个局势Sij的效果好坏是按目标来衡量的,将选取的水源涵养量、生物量和林分生产力3个决策指标作为目标集,分别构建各目标的效果样本矩阵Uk:Uk=(ukij)=(uk11uk12∧uk1juk21uk22∧uk2j∧∧∧∧uki1uki2∧ukij)(1)Uk=(ukij)=⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜uk11uk21∧uki1uk12uk22∧uki2∧∧∧∧uk1juk2j∧ukij⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟(1)由于所选目标均为“越大越好”类指标,所以选择上限效果测度:rkij=ukijukmaxukmax=maximaxj{ukij}(2)rkij=ukijukmaxukmax=maximaxj{ukij}(2)分别计算各目标的效果测度矩阵Rk:Rk=(rkij)=(rk11rk12∧rk1jrk21rk22∧rk2j∧∧∧∧rki1rki2∧rkij)(3)Rk=(rkij)=⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜rk11rk21∧rki1rk12rk22∧rki2∧∧∧∧rk1jrk2j∧rkij⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟(3)由于各目标起到的作用有差异,应用Delphi-AHP法确定各目标的权重ρk,根据公式rΣij=1n∑nk=1ρkrkij(n=3)rΣij=1n∑nk=1ρkrkij(n=3)计算综合效果测度矩阵RΣ:RΣ=(rΣ11rΣ12∧rΣ1jrΣ21rΣ22∧rΣ2j∧∧∧∧rΣi1rΣi2∧rΣij)(4)最后根据最大效果测度原则,若有rΣij=max{rΣi1,rΣi2,∧,rΣij},则称对策bj为对于事件ai的满意(最优)对策.通过多目标灰色局势决策模型计算各立地不同防护林类型的综合效果测度值,确定综合效益最优的防护林类型作为该立地的最适配置模式.并在ArcGIS软件中,根据各立地防护林类型优化配置结果,对三峡库区森林立地类型属性数据库进行统计分析,获得三峡库区各防护林类型优化配置后的面积和比例,同时生成三峡库区防护林类型空间优化配置图.2结果与分析2.1森林立地类型划分采用主导环境因子组合法,依次按照海拔-坡度-土层厚度的顺序,将立地划分为48种组合类型.为了考虑各立地林木的生长状况,将48种立地组合与三峡库区防护林类型分布数据叠加分析,发现中山和高中山厚土层地区没有森林植被分布,因此,最终将三峡库区森林立地划分为40种类型(表2).2.2单位面积水源涵养量及林分生产力通过ArcGIS软件统计分析三峡库区森林植被水源涵养功能的小班数据、三峡库区植被生物量和生产力估算及分布格局的小班数据,获得各立地不同防护林类型的单位面积水源涵养量、生物量和林分生产力,其中灌木层生物量和生产力取各样地的平均值(表3).2.3林分防护林配置的最优配置结果采用Delphi-AHP法对各目标的相对重要性进行比较,构造两两判断矩阵(表4).并通过计算判断矩阵的特征根与特征向量,得到水源涵养量、生物量和林分生产力的权重分别为0.539、0.163和0.298.其随机一致性比率=一致性指标/平均随机一致性指标=0.0045/0.58=0.0078<0.10,说明判断矩阵具有满意的一致性.利用各目标权重,结合各目标样本值,通过多目标灰色局势决策模型进行计算,获得综合效果测度矩阵(表5).根据最大效果测度原则,防护林类型的综合效果测度值越大,表明该类型在相应立地中的综合表现越好,则此类型为该立地防护林配置的最优对策.由表5可知,在ⅠA1(低山平缓坡薄土层)立地类型中,针阔混交林的综合效果测度值最大,说明针阔混交林在该立地中所能发挥的综合效益最优,因此,针阔混交林为该立地的最适配置模式.依此类推,确定各立地防护林类型优化配置结果(表5).通过分析优化配置结果可以发现,阔叶林在立地条件较好区域发挥的综合效益最优,为最适配置模式;在立地条件中等的区域,针阔混交林和针叶林为最适配置模式;在立地条件较差的区域,灌木林比其他防护林类型能发挥更大的综合效益.这与不同防护林类型的生态位特性相吻合,符合自然规律,说明多目标灰色局势决策方法在三峡库区防护林类型空间优化配置中的应用是可行的.2.4防护林类型分布和面积比例2007年,三峡库区针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林的面积分别为1171139、543728、222156和895748hm2(表6).其中,针叶林、灌木林所占面积比例较大,分别为41.34%和31.62%,而阔叶林和针阔混交林的面积比例偏小,分别为19.20%和7.84%,防护林类型结构不合理,难以发挥森林的生态、经济和社会效益,特别是生态效益很难得以保障.根据三峡库区防护林类型优化配置决策表,在GIS中对由各属性矢量数据叠加生成的三峡库区森林立地类型属性数据库进行统计分析,得出优化后各防护林类型的空间分布和面积比例.优化后研究区针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林的面积比例分别为32.55%、29.43%、34.95%和3.07%(表6).由表6、图1可以看出,优化前后研究区各防护林类型变化差异明显.与优化前相比,优化后的针叶林面积比例减少了8.79%,因为三峡库区分布着大面积的马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)等人工针叶纯林,林分结构简单、稳定性低,森林的各种效益和生产力得不到充分发挥;优化后的灌木林分布范围明显缩小,尤其在武隆、石柱、开县、巫山等地区的分布大幅减少,其面积比例减少了28.55%;优化后的阔叶林在夷陵、江津等地区的分布范围有所扩大,其面积比例增加了10.23%;优化后的针阔混交林分布范围明显扩大,面积比例大幅增加,由优化前的7.84%增至优化后的34.95%,这是由于针阔混交林在改善水质、涵养水源以及对减少和防止侵蚀泥沙直接入库和进入河道的效果显著优于纯林,能够发挥更大的防护作用.因此,应大力改造针叶纯林和灌木林,补植补造针阔混交林,从而为提高三峡库区防护林体系的水源保护和土壤侵蚀防治功能提供坚实的保证.此外,大力营造针阔混交林,还可以增加森林生态系统中生物类群的多样性和多层次性,从根本上改善林分的生态环境,提高生产力.与优化前相比,优化后研究区水源涵养能力增加了14.09×108m3,生物量增加了0.35×108t,林分生产力增加了1.08×106t.优化后的防护林类型结构趋于合理,可发挥更大的综合效益,更符合目前当地的实际情况.3制定优化配置方案在确定区域防护林类型结构方面,与其他方法相比,多目标灰色局势决策方法由通常根据经验确定提高为从多个目标、多个事件、多个关系的定量角度进行确定,而且在计算过程中考虑了各种因子的相互影响,方法更科学,结果更具可信性.同时借助GIS强大的处理、管理和空间分析能力,将结果配置到对应的立地中,可操作性更强,可真正做到“适地适树”,为大尺度区域防护林类型空间优化配置提供了有效的方法和途径.防护林类型空间优化配置是一项综合性的系统工程,所需考虑的内容很多,研究方法也不统一.本研究所用1∶25万地形数据虽然比例尺较小,并可能会对三峡库区防护林类型空间优化配置的精度产生一定影响,但由于研究方法的选择切实可行,其结果可以满足本研究目标的要求.由于综合效益指标目前尚无统一标准,因此在指标的选择与量化上,还需进一步研究,以保证防护林空间优化配置结果的准确性.为了使防护林空间优化配置结果得到具体落实,本文针对三峡库区主要针叶林植被(马尾松林、杉木林)的阔叶化改造及混交造林技术提出以下建议:马尾松林:1)在江津、涪陵中部等土层深厚(>60cm)、林下阔叶树种幼苗较丰富的地区,适当疏伐上层马尾松立木,形成人工林窗,促进林下栓皮栎(Quercusvariabilis)、短柄枹栎(Quercusglsnduliferavar.brevi-petiolata)、槲栎(Quercusaliena)等阔叶树种的生长,形成松阔混交林.2)在重庆的巴南、丰都、石柱、万州、巫溪以及湖北的巴东中部、秭归南部等土层厚度中等(30～60cm)、林下植被多为水马桑(Weigelajaponicavar.sinica)、檵木(Lorpetalumchinense)、毛黄栌(Cotinusciggyariavar.pubescens)等灌木树种且缺乏乔木树种的地区,在保留阔叶建群树种基础上,补植栓皮栎、麻栎(Quercusacutissima)、枫香(Liquidumbarformosana)等阔叶树种.3)在云阳中部和秭归北部等土层较薄(<30cm)、林下植被以铁芒萁(Dicranopterislinearis)、苔草(Carextristachya)等草本为主的地区,采用容器苗造林,营造栎类、刺槐(Robiniapseydoacacia)等优质速生阔叶树种.杉木林:1)在江津西南部等土层较深厚(>60cm)的杉木人工林地,适当择伐小径级立木,形成人工林窗,补植栲(Castanopsisfargesii)、木荷(Schimasuperba)、檫木(Sassafrastzumu)等速生优质经济阔叶树种.2)在武隆、石柱等土层厚度中等(30～60cm)、林下植被不丰富但有乔木树种的