GIS支持下的浠水縣林地適宜性評(píng)價(jià)及林種結(jié)構(gòu)調(diào)整研究

馬 浩，周志翔，吳昌廣，魏合義，劉學(xué)全，唐萬(wàn)鵬

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430079)

土地適宜性評(píng)價(jià)是根據(jù)土地的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性，研究土地對(duì)預(yù)定用途的適宜與否、適宜程度及其限制狀況，從而為區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和布局的調(diào)整、土地利用規(guī)劃分區(qū)等提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)前的研究主要是開展土地的農(nóng)業(yè)適宜性評(píng)價(jià)［1－5］和土地的城市適宜性評(píng)價(jià)［6－7］，而林地的適宜性評(píng)價(jià)研究較少［8－9］，且通過(guò)林地適宜性評(píng)價(jià)進(jìn)行林種結(jié)構(gòu)調(diào)整的研究未見(jiàn)報(bào)道［10－11］。宜林地的數(shù)量及其質(zhì)量狀況對(duì)于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡起著決定性作用。由于構(gòu)成因素不同，導(dǎo)致自然界中不同區(qū)域林地的立地條件、質(zhì)量、生產(chǎn)力、用途等千差萬(wàn)別，不同的林地資源利用方式各異。為了使林地資源高效持續(xù)利用，必須對(duì)林地適宜性進(jìn)行精確的評(píng)價(jià)。本研究應(yīng)用GIS技術(shù)，在對(duì)湖北省浠水縣林地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，開展浠水縣林種結(jié)構(gòu)調(diào)整研究，以便為浠水縣林地資源的高效利用及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

浠水縣地處大別山南麓，位于 E115°—115°38'、N30°12'—30°49'之間，南北長(zhǎng)約 68.5km，東西寬約 61.3km，總面積1949.3km2。地形自東北向西南傾斜，東北山巒起伏，中部丘壑連綿，西南長(zhǎng)江沿岸為沖積平原。該縣屬典型的亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量約1400mm，年平均氣溫16.9℃，無(wú)霜期230～258d，四季分明，光照充足，雨量充沛。

根據(jù)1999年湖北省森林資源二類調(diào)查成果，浠水縣林業(yè)用地面積64492hm2，占全縣土地面積的36.5%，其中有林地52652hm2，占林業(yè)用地的81.6%。有林地中:用材林面積32114hm2，占61.0%;防護(hù)林面積 4144hm2，占7.9%;經(jīng)濟(jì)林面積16180hm2，占30.7%;特用林面積174hm2，占0.3%;薪炭林面積40hm2，占0.1%。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)對(duì)象與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《全國(guó)1∶100萬(wàn)土地資源圖編圖制圖規(guī)范》和全國(guó)《縣級(jí)土地利用總體規(guī)劃編制要點(diǎn)》中有關(guān)土地適宜性評(píng)價(jià)的要求，結(jié)合浠水縣土地利用現(xiàn)狀和土地類型特點(diǎn)，將有林地、大于25°的坡耕地、荒草地以及未利用土地作為林地適宜性評(píng)價(jià)對(duì)象，共計(jì)63054hm2。

根據(jù)不同林種的限制因子和對(duì)立地條件的要求以及林地生產(chǎn)力的差異，將浠水縣林地適宜度劃分為四個(gè)等級(jí)［9］:

Ⅰ等:最適宜林地。立地條件最好，對(duì)任何林分的生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)限制或極少限制。此種林地最適宜發(fā)展經(jīng)濟(jì)林或速生豐產(chǎn)林，以提高林地經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

Ⅱ等:適宜林地。立地條件中等，對(duì)林業(yè)利用有一定限制，但土壤較深厚、坡度較小，可根據(jù)需要發(fā)展用材林和特用林。

Ⅲ等:勉強(qiáng)適宜林地。林地質(zhì)量較差，對(duì)林業(yè)利用有較大限制。立地條件不能滿足經(jīng)濟(jì)林和用材林的需要，或者種植后達(dá)不到預(yù)期的收益，可以發(fā)展生態(tài)防護(hù)林。

Ⅳ等:不適宜林地。由于對(duì)林業(yè)利用有很大限制，以致不能確保對(duì)其進(jìn)行有效而持久的利用。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件宜草則草、宜荒則荒。

2.2 評(píng)價(jià)單元確定

評(píng)價(jià)單元是進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)的最小空間單位。由于柵格數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的空間疊加能力，且每個(gè)柵格只有一個(gè)數(shù)值，可以方便地進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，既節(jié)約時(shí)間又提高了評(píng)價(jià)精度，因此本研究以100m×100m的柵格作為基本評(píng)價(jià)單元，以使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)、合理。

2.3 評(píng)價(jià)因子選取與處理

地貌類型、氣候條件和土壤條件等是林木生長(zhǎng)及分布的主要影響因子。由于浠水縣氣候條件比較一致，因此根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，本著可比性、科學(xué)性、可操作性、可接受性原則［12］，選取了海拔、坡度、坡向、土層厚度、土壤類型5項(xiàng)指標(biāo)作為適宜度評(píng)價(jià)因子［1，4］。

各評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)是在ArcGIS9.2軟件中實(shí)現(xiàn)的，統(tǒng)一到WGS－1984坐標(biāo)系，采用的是WGS－84橢球(GPS全球定位系統(tǒng)橢球)和橫軸墨卡托投影(Transverse－Mercator)。

海拔主要反映的是熱量和水分狀況，不同海拔具有不同的水熱組合特征，對(duì)林木的生長(zhǎng)和分布會(huì)產(chǎn)生很大影響。坡度對(duì)林木生長(zhǎng)有直接的影響，因?yàn)榈孛嫫露鹊拇笮Q定著地表侵蝕作用的強(qiáng)度、水土流失的強(qiáng)度、土層厚度、灌溉的難易等。坡向?qū)θ照諘r(shí)數(shù)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度及濕度等都有明顯影響，從而引起林木和環(huán)境的生態(tài)關(guān)系發(fā)生變化。本研究以浠水縣1∶10萬(wàn)等高線矢量圖為基礎(chǔ)，通過(guò)ArcGIS9.2中的3DAnalyst模塊生成不規(guī)則三角網(wǎng)表面模型TIN文件，并將其轉(zhuǎn)化為100m×100m的柵格文件生成DEM(數(shù)字高程模型)，獲得浠水縣海拔分布圖。再運(yùn)用Surface Analysis(表面分析)模塊中的Slope和Aspect功能提取出坡度和坡向信息，獲得浠水縣坡度和坡向分布圖。

土層厚度是影響土地生產(chǎn)力的重要因素，同時(shí)還直接影響林木根系分布的空間范圍和土壤水分、養(yǎng)分貯量及利用率。本研究根據(jù)浠水縣土壤信息數(shù)據(jù)，在ArcGIS9.2中利用反距離加權(quán)法(Inverse Distance Weighting，IDW)進(jìn)行插值，獲得浠水縣土層厚度空間分布柵格數(shù)據(jù)。反距離加權(quán)法以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)被賦予的權(quán)重越大。其計(jì)算公式為

式中:z(x0)為x0處的預(yù)測(cè)值;z(xi)為xi處的測(cè)量值;n為預(yù)測(cè)過(guò)程中要使用的預(yù)測(cè)點(diǎn)周圍樣點(diǎn)的數(shù)量;di0為預(yù)測(cè)點(diǎn)x0與各已知樣點(diǎn)xi之間的距離;p是距離的冪。本次插值p設(shè)為2(反距離加權(quán)法通常所用的指數(shù)值)，樣點(diǎn)搜索范圍設(shè)為臨近的n=12個(gè)樣點(diǎn)。

土壤類型是重要的土壤特征之一，也是影響林業(yè)發(fā)展的最重要的因素之一，不同的土壤類型，其養(yǎng)分和水分的含量也不同，對(duì)林木的生長(zhǎng)和分布等都有直接影響。本研究將浠水縣土壤類型圖(1∶18萬(wàn))進(jìn)行掃描，在ArcGIS9.2中輸出為img格式的影像圖，運(yùn)用ERDAS9.1對(duì)其進(jìn)行地理坐標(biāo)配準(zhǔn)，再導(dǎo)入到ArcGIS9.2中編輯屬性并生成矢量數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)換為100m×100m的柵格數(shù)據(jù)。

2.4 評(píng)價(jià)因子分級(jí)與評(píng)價(jià)權(quán)重

根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及各評(píng)價(jià)因子對(duì)區(qū)域林地質(zhì)量的影響，將各評(píng)價(jià)因子劃分為4個(gè)等級(jí)，擬定出浠水縣林地適宜性評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，并通過(guò)分析調(diào)查資料和借鑒專家經(jīng)驗(yàn)分別賦值［3，7－8］。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，采用特爾斐法確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重［2］。

表1 評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.5 林地適宜性評(píng)價(jià)模型

將各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重與其相應(yīng)的等級(jí)分值相乘，獲得每個(gè)柵格單元中各評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)值，再通過(guò)加權(quán)疊加，得出各柵格單元的綜合評(píng)價(jià)值S。其評(píng)價(jià)模型為［2，5］

式中:S為柵格單元的綜合評(píng)價(jià)值;Ui為評(píng)價(jià)因子i的分值;Wi為評(píng)價(jià)因子i的權(quán)重;n為評(píng)價(jià)因子總數(shù)。

根據(jù)各柵格單元的綜合評(píng)價(jià)值，利用ArcGIS中的nature break工具確定各適宜度等級(jí)臨界點(diǎn)的分值，并結(jié)合浠水縣的林地特性及其對(duì)林業(yè)生產(chǎn)的適宜程度，同時(shí)參考相關(guān)專家意見(jiàn)，按適宜度值 S≥85、85 ＞S≥77、77 ＞S≥60、S＜60劃分林地適宜度等級(jí)，并生成浠水縣林地適宜度等級(jí)布局圖。

2.6 林種結(jié)構(gòu)調(diào)整方法

根據(jù)浠水縣森林資源現(xiàn)狀以及森林分類經(jīng)營(yíng)對(duì)立地條件及林地適宜度等級(jí)的要求，并結(jié)合林地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)浠水縣林種結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)比分析林種結(jié)構(gòu)調(diào)整前后的面積變化與比例，生成調(diào)整后的各林種布局圖，使林種調(diào)整落實(shí)到具體地塊，以便實(shí)施。

3 結(jié)果與分析

3.1 浠水縣林地適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)浠水縣林地適宜性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，將評(píng)價(jià)因子按等級(jí)賦值，并通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查采用特爾斐法確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，坡度因子的權(quán)重最大，其次為土層厚度，而土壤類型和海拔高度的權(quán)重較小。說(shuō)明在浠水縣林業(yè)用地范圍內(nèi)坡度和土層厚度的變化大，是影響林地立地條件的主導(dǎo)因子;而土壤類型和海拔的差異較小，對(duì)林地立地條件的影響也較小。

表2 林地適宜性評(píng)價(jià)因子等級(jí)賦值及權(quán)重

根據(jù)評(píng)價(jià)模型及適宜度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，得出浠水縣林地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表3。由表3可知，浠水縣宜林地資源(最適宜、適宜和勉強(qiáng)適宜)總面積為62553hm2，占參評(píng)土地總面積的99.2%。其中，最適宜和適宜林地分別占48.7%和33.0%，而不適宜林地僅占0.8%，且不適宜林地主要為山脊的灌木林地。大于25°的坡耕地總面積為4144hm2，除239hm2勉強(qiáng)適宜外，其他均為適宜和最適宜林地。荒草地和未利用土地共6258hm2，多為適宜和最適宜林地，說(shuō)明浠水縣還有相當(dāng)數(shù)量的宜林地資源尚未開發(fā)利用，林業(yè)發(fā)展還有較大潛力。

表3 浠水縣林地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

利用ArcGIS空間分析功能，生成林地適宜度等級(jí)分布圖。其結(jié)果顯示，最適宜林地主要分布在蔡河鎮(zhèn)、洗馬鎮(zhèn)、關(guān)口鎮(zhèn)等區(qū)域。該區(qū)域大多為海拔較低的平緩坡，坡度一般≤15°，土層厚度≥60cm，土壤為黃棕壤或水稻土，立地條件好，土地生產(chǎn)力高，是浠水縣最適宜造林的地區(qū)。

適宜林地主要分布在三角山林場(chǎng)、華桂山林場(chǎng)、天然寺林場(chǎng)、太子山林場(chǎng)和曹家塆、三溪塆、白蓮河鎮(zhèn)、北家塆、陶家大塆、東家塘、魚塘角、東樹坳等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域海拔一般低于500m，坡度變化較大，土層較厚，對(duì)林業(yè)利用限制因子較少。

勉強(qiáng)適宜林地主要分布在綠楊鎮(zhèn)、曹家塆、三溪塆、洛家塆、六神港、方家塘、三店等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域多分布在海拔較高的半陰坡，土層較薄、土質(zhì)較差，立地因子對(duì)林業(yè)的發(fā)展有一定的影響。

不適宜林地主要分布在曹家塆、三角山自然風(fēng)景區(qū)的邊緣等極少數(shù)地區(qū)。該區(qū)域海拔一般在800m以上，土層厚度不足40cm，坡度大，往往是光照不足的陰坡，這些因子的限制使得該區(qū)域不適合林木生長(zhǎng)。應(yīng)減少人為干擾，保護(hù)原有的生態(tài)環(huán)境。

3.2 浠水縣林種結(jié)構(gòu)調(diào)整

根據(jù)浠水縣森林二類清查資料，浠水縣用材林比例過(guò)高，而防護(hù)林和特用林等比例相對(duì)過(guò)低，林木資源大量消耗，嚴(yán)重地降低了森林的生態(tài)調(diào)節(jié)和防護(hù)效能，影響了區(qū)域生態(tài)安全。

本研究根據(jù)不同林種對(duì)立地條件及林地適宜度等級(jí)的要求，結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境以及林業(yè)發(fā)展的需要，按照最適宜林地優(yōu)先發(fā)展經(jīng)濟(jì)林或速生豐產(chǎn)林，適宜林地發(fā)展用材林和特用林，勉強(qiáng)適宜林地發(fā)展生態(tài)防護(hù)林，不適宜林地宜草則草、宜荒則荒的原則，將浠水縣林種結(jié)構(gòu)調(diào)整為經(jīng)濟(jì)林18879hm2、用材林 20317hm2、特用林 6552hm2、防護(hù)林17266hm2、薪炭林40hm2(表4)。其中:在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)林面積16180hm2的基礎(chǔ)上，可在最適宜的坡耕地通過(guò)退耕還林營(yíng)造經(jīng)濟(jì)林2520hm2，在最適宜的荒草地營(yíng)造經(jīng)濟(jì)林179hm2，使經(jīng)濟(jì)林總面積增加2699 hm2。將現(xiàn)有用材林32114hm2調(diào)整為20317hm2，包括最適宜林地區(qū)的現(xiàn)有速生豐產(chǎn)林8097hm2，適宜林地區(qū)的現(xiàn)有用材林10712hm2，同時(shí)在適宜的坡耕地通過(guò)退耕還林營(yíng)造用材林1385hm2以及將適宜的荒草地改造為用材林123hm2;而將現(xiàn)有用材林中的13305hm2調(diào)整為特用林和防護(hù)林。在現(xiàn)有特用林面積174hm2的基礎(chǔ)上，需在三角山自然風(fēng)景區(qū)、斗方寺等適宜林地區(qū)增加特用林(風(fēng)景林)面積6378hm2。勉強(qiáng)適宜林地區(qū)主要是位于海拔較高的半陰坡、土層較薄的6927hm2有林地及土層薄、坡度大的239hm2坡耕地，應(yīng)將其劃為防護(hù)林區(qū)域?qū)嵭蟹诸惤?jīng)營(yíng);此外，在河流和水庫(kù)附近(如巴河、浠水、白洋河水庫(kù)等)5956hm2的宜林未利用灘地上，應(yīng)營(yíng)造生態(tài)防護(hù)林，以涵養(yǎng)水源和保持水土，從而使防護(hù)林總面積達(dá)到17266 hm2。薪炭林面積保持40hm2不變。

表4 浠水縣各林種類型調(diào)整前后的面積變化

通過(guò)林種結(jié)構(gòu)調(diào)整，浠水縣林地總面積增加10402hm2。其中，經(jīng)濟(jì)林面積增加2699hm2，用材林面積減少11797hm2，特用林面積增加6378hm2，防護(hù)林面積增加13122hm2，薪炭林面積沒(méi)變。這樣，生態(tài)公益林和商品林的面積分別達(dá)到23858hm2和39196hm2，生態(tài)公益林所占比例由調(diào)整前的8.3%提高到37.8%。

4 結(jié)論與討論

在浠水縣63054hm2的參評(píng)土地中，最適宜林地占48.7%，主要分布在海拔較低的平緩坡、土層深厚的區(qū)域，是浠水縣最適宜造林的地區(qū);適宜林地占33.0%，主要分布在海拔低于500m、坡度變化較大、土層較厚的區(qū)域;勉強(qiáng)適宜林地占17.5%，主要分布在海拔較高的半陰坡、土層較薄的區(qū)域;不適宜林地僅占0.8%，主要是海拔800m以上、土層薄、坡度大的山脊地。其中，坡度和土層厚度是影響浠水縣林地立地條件的主導(dǎo)因子。

大于25°的坡耕地總面積為4144hm2，除239hm2勉強(qiáng)適宜外，其他3905hm2均為適宜和最適宜林地，退耕還林任務(wù)還十分艱巨。未利用土地主要是灘地，面積達(dá)5956hm2，除164 hm2勉強(qiáng)適宜外，其他5792hm2均為最適宜和適宜林地?？偯娣e302hm2的荒草地也均為最適宜和適宜林地，應(yīng)充分利用發(fā)展經(jīng)濟(jì)林或楊樹工業(yè)用材林。

根據(jù)不同林種對(duì)立地條件及林地適宜度等級(jí)的要求，浠水縣林業(yè)用地可增加經(jīng)濟(jì)林面積2699hm2，減少用材林面積11797hm2，增加特用林面積6378hm2，增加防護(hù)林面積13122 hm2。通過(guò)林種結(jié)構(gòu)調(diào)整，可使生態(tài)公益林所占比例由目前的8.3%提高到37.8%，從而為浠水縣建立比較完備的林業(yè)生態(tài)體系和比較發(fā)達(dá)的林業(yè)產(chǎn)業(yè)體系奠定基礎(chǔ)。

基于林地適宜性評(píng)價(jià)的林種結(jié)構(gòu)調(diào)整，一方面有利于充分合理地利用林地資源，改善林種結(jié)構(gòu)，提高林地生產(chǎn)力，并為森林的分類經(jīng)營(yíng)規(guī)劃提供理論基礎(chǔ)［10－11］;另一方面，可以獲得調(diào)整的各林種布局圖，使得林種結(jié)構(gòu)調(diào)整落實(shí)到具體地塊，既有科學(xué)依據(jù)，又具有一定的可操作性。

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