三峽庫區(qū)森林立地空間優(yōu)化配置研究

三峽庫區(qū)森林立地空間優(yōu)化配置研究

庫夏森林植被是長江上游惡意軟件系統(tǒng)的重要組成部分。這對保護水庫水源、調(diào)節(jié)河流和防止水土流失以及充分發(fā)揮三個峽谷水旁觀點工程的生態(tài)屏障作用具有重要意義。自20世紀80年代以來，中國政府先后實施了“長江保護性工程”、“天然林保護工程”和“退耕還林工程”。庫夏森林資源得到有效保護，森林覆蓋率顯著增加。然而，庫夏森林的整體質(zhì)量仍然很差，因為庫夏森林的結(jié)構(gòu)不合理，種群結(jié)構(gòu)簡單，森林資源分布不均，生態(tài)保護的效果也很低。因此，在空間上合理調(diào)整造林類型，提高造林質(zhì)量是該地區(qū)造林建設(shè)必須盡快解決的問題之一。目前已有相關(guān)學(xué)者對三峽庫區(qū)的防護林布局進行研究,如潘磊等對庫區(qū)低山丘陵區(qū)的防護林帶布局技術(shù)和建設(shè)模式進行了研究;薛家翠等通過立地條件等因子劃分鄂西三峽庫區(qū)防護林類型,并總結(jié)防護林模式種類,找出各模式的規(guī)律性;鄧中美等總結(jié)了鄂西三峽庫區(qū)防護林33個模式種類的關(guān)鍵技術(shù),并建立模式分類體系.以上研究對防護林布局模式和關(guān)鍵技術(shù)進行了理論探討和實踐總結(jié),有效地促進了三峽庫區(qū)防護林建設(shè).但現(xiàn)有研究仍缺乏必要的定量分析,且無法將配置結(jié)果落實到具體立地.如何實現(xiàn)防護林類型配置的空間定位是今后研究的一個重點.由于多目標(biāo)灰色局勢決策方法可以根據(jù)主要指標(biāo)的量化確定具體立地的植被類型,GIS因具有強大的空間疊加分析功能,也被廣泛地應(yīng)用于解決空間分布問題.因此,本文將兩種方法相結(jié)合,在劃分三峽庫區(qū)森林立地類型的基礎(chǔ)上,以充分發(fā)揮庫區(qū)防護林的綜合效益為目標(biāo),對三峽庫區(qū)防護林類型的高效空間配置進行研究,旨在尋求一種解決大尺度區(qū)域防護林空間配置的有效方法,以期促進庫區(qū)防護林綜合效能的發(fā)揮、維護生物多樣性、有效控制水土流失、實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全.1研究領(lǐng)域和方法1.1陰山山地地貌區(qū)三峽庫區(qū)指三峽大壩建成后受回水影響的水庫淹沒區(qū)和移民搬遷所涉及的區(qū)域(28°31′—31°44′N,105°50′—111°40′E),東起湖北宜昌市、西至重慶江津,包括湖北省4個縣和重慶市22個縣(區(qū)),面積5.8×104km2.該區(qū)北攀大巴山南麓、南抵云貴高原北緣,處于大巴山褶皺帶、川東褶皺帶和川鄂湘黔隆起帶三大構(gòu)造單元交匯處,地貌類型復(fù)雜多樣,山地、丘陵分別占總面積的74.0%和21.7%.三峽庫區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年均氣溫17℃～19℃,降水豐沛,年均降水量1000～1200mm,降水季節(jié)分配不均,4—10月為雨季,其中夏季(6—8月)降水量約占全年的45%.庫區(qū)土壤包括7個土類16個亞類,主要土壤類型有黃壤、黃棕壤、紫色土、石灰土和水稻土.庫區(qū)具有我國東西與南北兩大生物界過渡的特點,亞熱帶至寒溫帶植被極為豐富,主要包括寒溫性針葉林、溫性針葉林、暖溫性針葉林、闊葉林、竹林、灌叢和灌草叢7種植被類型.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1資料來源及處理根據(jù)三峽庫區(qū)森林類型的主要組成與分布面積,結(jié)合不同類型防護林綜合效益差異的研究成果,將三峽庫區(qū)森林植被劃分為針葉林、闊葉林、針闊混交林和灌木林4種類型.選取三峽庫區(qū)2007年8、9月LandsatTM遙感影像(空間分辨率為30m)作為本研究的信息源.在ErdasImagine9.1軟件中,以三峽庫區(qū)森林資源二類清查數(shù)據(jù)庫為參考,采用非監(jiān)督分類與決策樹分類相結(jié)合的方法對影像進行解譯,提取三峽庫區(qū)防護林類型分布數(shù)據(jù).1.2.2森林立地類型空間屬性數(shù)據(jù)庫的建立林木及其所處的環(huán)境是一個有機整體,立地是林木生長的基礎(chǔ).掌握三峽庫區(qū)森林立地類型特征,是科學(xué)合理地進行防護林類型空間配置的基本前提.本文通過分析三峽庫區(qū)的地貌特點,結(jié)合文獻的研究成果,將海拔、坡度和土層厚度作為庫區(qū)森林立地類型劃分的主導(dǎo)因子,并根據(jù)庫區(qū)森林植被分布及其物種多樣性的地形分異特征確定分級標(biāo)準(表1).最后采用主導(dǎo)環(huán)境因子組合法,劃分三峽庫區(qū)森林立地類型.其中,海拔等級代碼用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示,坡度等級代碼用A、B、C、D表示,土層厚度等級代碼用1、2、3表示.以ArcGIS為平臺,將海拔、坡度和土層厚度數(shù)據(jù)進行疊加分析,建立三峽庫區(qū)森林立地類型空間屬性數(shù)據(jù)庫.1.2.3涵養(yǎng)量和生物量本文以充分發(fā)揮三峽庫區(qū)防護林體系生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益為前提,結(jié)合文獻選取水源涵養(yǎng)量、生物量和林分生產(chǎn)力作為防護林體系綜合效益指標(biāo).其中,水源涵養(yǎng)量反映了森林對降水的再分配以及森林調(diào)節(jié)徑流、改善水質(zhì)和改善土壤物理結(jié)構(gòu)的綜合作用,體現(xiàn)了區(qū)域防護林涵養(yǎng)水源、保持水土的重要功能;生物量反映了林木在一定時間內(nèi)積累的有機物質(zhì)總量,是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣和效益高低的直接表現(xiàn);林分生產(chǎn)力反映了林木生產(chǎn)有機物質(zhì)的速率,體現(xiàn)了森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟價值.水源涵養(yǎng)量數(shù)據(jù)源于文獻,生物量和林分生產(chǎn)力數(shù)據(jù)源于文獻,通過ArcGIS分別統(tǒng)計它們在各立地不同防護林類型中單位面積的平均值.1.2.4基于多目標(biāo)灰色態(tài)勢決策模型的目標(biāo)最優(yōu)配置多目標(biāo)灰色局勢決策模型可用矩陣來描述.首先將劃分的立地類型作為事件集(ai),將針葉林、闊葉林、針闊混交林和灌木林4種防護林類型配置模式作為對策集(bj),組成局勢Sij=(ai,bj).每個局勢Sij的效果好壞是按目標(biāo)來衡量的,將選取的水源涵養(yǎng)量、生物量和林分生產(chǎn)力3個決策指標(biāo)作為目標(biāo)集,分別構(gòu)建各目標(biāo)的效果樣本矩陣Uk:Uk=(ukij)=(uk11uk12∧uk1juk21uk22∧uk2j∧∧∧∧uki1uki2∧ukij)(1)Uk=(ukij)=???????uk11uk21∧uki1uk12uk22∧uki2∧∧∧∧uk1juk2j∧ukij???????(1)由于所選目標(biāo)均為“越大越好”類指標(biāo),所以選擇上限效果測度:rkij=ukijukmaxukmax=maximaxj{ukij}(2)rkij=ukijukmaxukmax=maximaxj{ukij}(2)分別計算各目標(biāo)的效果測度矩陣Rk:Rk=(rkij)=(rk11rk12∧rk1jrk21rk22∧rk2j∧∧∧∧rki1rki2∧rkij)(3)Rk=(rkij)=???????rk11rk21∧rki1rk12rk22∧rki2∧∧∧∧rk1jrk2j∧rkij???????(3)由于各目標(biāo)起到的作用有差異,應(yīng)用Delphi-AHP法確定各目標(biāo)的權(quán)重ρk,根據(jù)公式rΣij=1n∑nk=1ρkrkij(n=3)rΣij=1n∑nk=1ρkrkij(n=3)計算綜合效果測度矩陣RΣ:RΣ=(rΣ11rΣ12∧rΣ1jrΣ21rΣ22∧rΣ2j∧∧∧∧rΣi1rΣi2∧rΣij)(4)最后根據(jù)最大效果測度原則,若有rΣij=max{rΣi1,rΣi2,∧,rΣij},則稱對策bj為對于事件ai的滿意(最優(yōu))對策.通過多目標(biāo)灰色局勢決策模型計算各立地不同防護林類型的綜合效果測度值,確定綜合效益最優(yōu)的防護林類型作為該立地的最適配置模式.并在ArcGIS軟件中,根據(jù)各立地防護林類型優(yōu)化配置結(jié)果,對三峽庫區(qū)森林立地類型屬性數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計分析,獲得三峽庫區(qū)各防護林類型優(yōu)化配置后的面積和比例,同時生成三峽庫區(qū)防護林類型空間優(yōu)化配置圖.2結(jié)果與分析2.1森林立地類型劃分采用主導(dǎo)環(huán)境因子組合法,依次按照海拔-坡度-土層厚度的順序,將立地劃分為48種組合類型.為了考慮各立地林木的生長狀況,將48種立地組合與三峽庫區(qū)防護林類型分布數(shù)據(jù)疊加分析,發(fā)現(xiàn)中山和高中山厚土層地區(qū)沒有森林植被分布,因此,最終將三峽庫區(qū)森林立地劃分為40種類型(表2).2.2單位面積水源涵養(yǎng)量及林分生產(chǎn)力通過ArcGIS軟件統(tǒng)計分析三峽庫區(qū)森林植被水源涵養(yǎng)功能的小班數(shù)據(jù)、三峽庫區(qū)植被生物量和生產(chǎn)力估算及分布格局的小班數(shù)據(jù),獲得各立地不同防護林類型的單位面積水源涵養(yǎng)量、生物量和林分生產(chǎn)力,其中灌木層生物量和生產(chǎn)力取各樣地的平均值(表3).2.3林分防護林配置的最優(yōu)配置結(jié)果采用Delphi-AHP法對各目標(biāo)的相對重要性進行比較,構(gòu)造兩兩判斷矩陣(表4).并通過計算判斷矩陣的特征根與特征向量,得到水源涵養(yǎng)量、生物量和林分生產(chǎn)力的權(quán)重分別為0.539、0.163和0.298.其隨機一致性比率=一致性指標(biāo)/平均隨機一致性指標(biāo)=0.0045/0.58=0.0078<0.10,說明判斷矩陣具有滿意的一致性.利用各目標(biāo)權(quán)重,結(jié)合各目標(biāo)樣本值,通過多目標(biāo)灰色局勢決策模型進行計算,獲得綜合效果測度矩陣(表5).根據(jù)最大效果測度原則,防護林類型的綜合效果測度值越大,表明該類型在相應(yīng)立地中的綜合表現(xiàn)越好,則此類型為該立地防護林配置的最優(yōu)對策.由表5可知,在ⅠA1(低山平緩坡薄土層)立地類型中,針闊混交林的綜合效果測度值最大,說明針闊混交林在該立地中所能發(fā)揮的綜合效益最優(yōu),因此,針闊混交林為該立地的最適配置模式.依此類推,確定各立地防護林類型優(yōu)化配置結(jié)果(表5).通過分析優(yōu)化配置結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),闊葉林在立地條件較好區(qū)域發(fā)揮的綜合效益最優(yōu),為最適配置模式;在立地條件中等的區(qū)域,針闊混交林和針葉林為最適配置模式;在立地條件較差的區(qū)域,灌木林比其他防護林類型能發(fā)揮更大的綜合效益.這與不同防護林類型的生態(tài)位特性相吻合,符合自然規(guī)律,說明多目標(biāo)灰色局勢決策方法在三峽庫區(qū)防護林類型空間優(yōu)化配置中的應(yīng)用是可行的.2.4防護林類型分布和面積比例2007年,三峽庫區(qū)針葉林、闊葉林、針闊混交林和灌木林的面積分別為1171139、543728、222156和895748hm2(表6).其中,針葉林、灌木林所占面積比例較大,分別為41.34%和31.62%,而闊葉林和針闊混交林的面積比例偏小,分別為19.20%和7.84%,防護林類型結(jié)構(gòu)不合理,難以發(fā)揮森林的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益,特別是生態(tài)效益很難得以保障.根據(jù)三峽庫區(qū)防護林類型優(yōu)化配置決策表,在GIS中對由各屬性矢量數(shù)據(jù)疊加生成的三峽庫區(qū)森林立地類型屬性數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計分析,得出優(yōu)化后各防護林類型的空間分布和面積比例.優(yōu)化后研究區(qū)針葉林、闊葉林、針闊混交林和灌木林的面積比例分別為32.55%、29.43%、34.95%和3.07%(表6).由表6、圖1可以看出,優(yōu)化前后研究區(qū)各防護林類型變化差異明顯.與優(yōu)化前相比,優(yōu)化后的針葉林面積比例減少了8.79%,因為三峽庫區(qū)分布著大面積的馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)等人工針葉純林,林分結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性低,森林的各種效益和生產(chǎn)力得不到充分發(fā)揮;優(yōu)化后的灌木林分布范圍明顯縮小,尤其在武隆、石柱、開縣、巫山等地區(qū)的分布大幅減少,其面積比例減少了28.55%;優(yōu)化后的闊葉林在夷陵、江津等地區(qū)的分布范圍有所擴大,其面積比例增加了10.23%;優(yōu)化后的針闊混交林分布范圍明顯擴大,面積比例大幅增加,由優(yōu)化前的7.84%增至優(yōu)化后的34.95%,這是由于針闊混交林在改善水質(zhì)、涵養(yǎng)水源以及對減少和防止侵蝕泥沙直接入庫和進入河道的效果顯著優(yōu)于純林,能夠發(fā)揮更大的防護作用.因此,應(yīng)大力改造針葉純林和灌木林,補植補造針闊混交林,從而為提高三峽庫區(qū)防護林體系的水源保護和土壤侵蝕防治功能提供堅實的保證.此外,大力營造針闊混交林,還可以增加森林生態(tài)系統(tǒng)中生物類群的多樣性和多層次性,從根本上改善林分的生態(tài)環(huán)境,提高生產(chǎn)力.與優(yōu)化前相比,優(yōu)化后研究區(qū)水源涵養(yǎng)能力增加了14.09×108m3,生物量增加了0.35×108t,林分生產(chǎn)力增加了1.08×106t.優(yōu)化后的防護林類型結(jié)構(gòu)趨于合理,可發(fā)揮更大的綜合效益,更符合目前當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況.3制定優(yōu)化配置方案在確定區(qū)域防護林類型結(jié)構(gòu)方面,與其他方法相比,多目標(biāo)灰色局勢決策方法由通常根據(jù)經(jīng)驗確定提高為從多個目標(biāo)、多個事件、多個關(guān)系的定量角度進行確定,而且在計算過程中考慮了各種因子的相互影響,方法更科學(xué),結(jié)果更具可信性.同時借助GIS強大的處理、管理和空間分析能力,將結(jié)果配置到對應(yīng)的立地中,可操作性更強,可真正做到“適地適樹”,為大尺度區(qū)域防護林類型空間優(yōu)化配置提供了有效的方法和途徑.防護林類型空間優(yōu)化配置是一項綜合性的系統(tǒng)工程,所需考慮的內(nèi)容很多,研究方法也不統(tǒng)一.本研究所用1∶25萬地形數(shù)據(jù)雖然比例尺較小,并可能會對三峽庫區(qū)防護林類型空間優(yōu)化配置的精度產(chǎn)生一定影響,但由于研究方法的選擇切實可行,其結(jié)果可以滿足本研究目標(biāo)的要求.由于綜合效益指標(biāo)目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準,因此在指標(biāo)的選擇與量化上,還需進一步研究,以保證防護林空間優(yōu)化配置結(jié)果的準確性.為了使防護林空間優(yōu)化配置結(jié)果得到具體落實,本文針對三峽庫區(qū)主要針葉林植被(馬尾松林、杉木林)的闊葉化改造及混交造林技術(shù)提出以下建議:馬尾松林:1)在江津、涪陵中部等土層深厚(>60cm)、林下闊葉樹種幼苗較豐富的地區(qū),適當(dāng)疏伐上層馬尾松立木,形成人工林窗,促進林下栓皮櫟(Quercusvariabilis)、短柄枹櫟(Quercusglsnduliferavar.brevi-petiolata)、槲櫟(Quercusaliena)等闊葉樹種的生長,形成松闊混交林.2)在重慶的巴南、豐都、石柱、萬州、巫溪以及湖北的巴東中部、秭歸南部等土層厚度中等(30～60cm)、林下植被多為水馬桑(Weigelajaponicavar.sinica)、檵木(Lorpetalumchinense)、毛黃櫨(Cotinusciggyariavar.pubescens)等灌木樹種且缺乏喬木樹種的地區(qū),在保留闊葉建群樹種基礎(chǔ)上,補植栓皮櫟、麻櫟(Quercusacutissima)、楓香(Liquidumbarformosana)等闊葉樹種.3)在云陽中部和秭歸北部等土層較薄(<30cm)、林下植被以鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、苔草(Carextristachya)等草本為主的地區(qū),采用容器苗造林,營造櫟類、刺槐(Robiniapseydoacacia)等優(yōu)質(zhì)速生闊葉樹種.杉木林:1)在江津西南部等土層較深厚(>60cm)的杉木人工林地,適當(dāng)擇伐小徑級立木,形成人工林窗,補植栲(Castanopsisfargesii)、木荷(Schimasuperba)、檫木(Sassafrastzumu)等速生優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟闊葉樹種.2)在武隆、石柱等土層厚度中等(30～60cm)、林下植被不豐富但有喬木樹種的