土地适应性评价论文（论文推荐利用多树种立地形指数对林地质量进行综合评价）

土地适应性评价论文（论文推荐利用多树种立地形指数对林地质量进行综合评价）第一作者作者简介1.国家林业和草原局西北调查规划设计院；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室。立地质量是指在某一立地上既定森林或者其他植被类型的生产潜力 对林地立地质量的科学评价是林地管理和经营的基础。目前 最为流行的立地质量评价方法是采用一定年龄下的优势高 即立地指数。为了获取立地指数 需要测得立木的年龄和优势高数据进而建立年龄–优势高方程。但是 由于生长环境和过程等因素的影响 只有年龄大、同龄、保存良好且未受破坏的纯林或单一优势树种的林分才能达到建立模型的要求。正是由于这些限制 导致立地指数的应用受到影响。在此情况下 立地形(或立地产量)作为一种替代立地指数的方法被提出。立地形定义为指定胸径下的优势高或亚优势高平均值 立地形的提出基于两个假设:①立地形随着削度(胸径树高比)的降低而升高;②在异龄或混交林分中 林分密度并不影响优势木或亚优势木的胸径-树高关系。立地形被提出

原创 李清顺等 南京林业大学学报

论文推荐

利用多树种立地形指数对林地质量进行综合评价

李清顺1，2，金万洲1，王得军1，2，孙景梅1，2，李宏韬1，2

1.国家林业和草原局西北调查规划设计院；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室。

立地质量是指在某一立地上既定森林或者其他植被类型的生产潜力 对林地立地质量的科学评价是林地管理和经营的基础。目前 最为流行的立地质量评价方法是采用一定年龄下的优势高 即立地指数。为了获取立地指数 需要测得立木的年龄和优势高数据进而建立年龄–优势高方程。但是 由于生长环境和过程等因素的影响 只有年龄大、同龄、保存良好且未受破坏的纯林或单一优势树种的林分才能达到建立模型的要求。正是由于这些限制 导致立地指数的应用受到影响。在此情况下 立地形(或立地产量)作为一种替代立地指数的方法被提出。立地形定义为指定胸径下的优势高或亚优势高平均值 立地形的提出基于两个假设:①立地形随着削度(胸径树高比)的降低而升高;②在异龄或混交林分中 林分密度并不影响优势木或亚优势木的胸径-树高关系。立地形被提出后 很多学者依据立地形对一定地区的立地质量作了评价 并认为该方法对于异龄、混交林有效。现有的立地质量评价方法一般都是基于某种立地条件是否适合某一特定树种。但是在现实环境中 不同树种对于生境的要求往往差异很大 因此导致不能对该地的立地质量作出客观的评价。比如 对于青海云杉(Picea crassifolia)和祁连圆柏(Sabina przewalski)来说 青海云杉的生长范围为海拔1 600~3 800 m 的山地阴坡 而祁连圆柏的生长范围为海拔2 600~4 000 m 的山地阳坡。当采用单树种对该立地质量进行评价时 对于坡向或海拔不同的地段必然得到不同的评价结果，从而导致评价的非客观性。为了避免单树种评价造成的非客观性 本期论文推荐的作者采用研究区域3种常见树种 计算出各树种立地形指数 然后利用其平均值进行立地质量评价。

下面跟学报君一探究竟！

作者简介

第一作者

李清顺，男，1974年9月出生，国家林业和草原局西北调查规划设计院高级工程师，主要从事林业数表建模、林业遥感监测等方面的研究和工作。

关键词：多树种；立地形指数；立地质量；经营措施；综合评价

基金项目：青海省基础科研项目(2020-ZJ-713)。

引文格式：李清顺 金万洲 王得军 等.利用多树种立地形指数对林地质量进行综合评价[J].南京林业大学学报(自然科学版) 2021 45(6):79-87.LI Q S JIN W S WANG D J et al. A comprehensive evaluation of forest land quality using muli tree siteform index[J].Jourmal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition) 2021 45(6):79-87.DOI：10.12302/j. issn.1000-2006.202103007.

1目的

采用青海省湟水规模化林场3种常见乔木树种桦木、杨树和青海云杉的立地形指数 通过分析其与生长域的地貌、坡向、坡度、土壤类型、土壤厚度以及年平均气温、年降雨量、年日照辐射等因子的关系 对规模化林场进行了立地质量评价 构建了林地质量评价综合数据库 指导林场科学造林和科学营林 发挥林地生产力和生态服务价值的目标。

2方法

根据建模区域范围内的一类清查数据 获取每个样地的优势高 求出该样地的立地形指数。分析立地形指数与地貌 坡向、坡度、土壤类型、土壤厚度以及年平均气温、年降雨量、年日照辐射等因子的关系 利用因子分析法选择影响立地形指数的主导因子 并建立回归模型;根据计算出的3个常见树种的立地形指数的平均值 进行聚类分析 把林地分为Ⅰ、Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ、V5个等级 并作出林地质量分布图;最后 根据分类结果进行了验证 并提出了相应的经营措施。

2.1 试验材料

青海湟水规模化林场地处湟水干流的中下游，范围包括西宁市区及所辖湟源县、湟中县、大通县，海东市的平安区、互助县、乐都区、民和县(101°6'~103°3'E 36°50’~ 37°01'N)的湟水河及其支流两岸山体 海拔1 650~ 3 900 m。林场东西长度约178.3 km 总面积458508.06 h㎡。湟水河流域位于黄土高原向青藏高原的过渡地带 根据地形和海拔 流域可分为川水、浅山、脑山3种地形。湟水规模化林场共有林地面积245 743.84 h㎡ 其中乔木林36810.75 h㎡、灌木林102637.84 h㎡、疏林地398.83 h㎡、宜林地面积(含无立木林地)68844.35 h㎡、其他林地37 052.07 h㎡ 森林覆盖率27.64% 该地海拔高 气候寒冷。森林类型中，乔木林树种主要有青海云杉、杨树(Populus spp.)、桦木( Betula spp.)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、侧柏树(Platycladus orientalis )、油松(Pinus tabuliformis)等 灌木林树种主要有沙棘(Hippophae rhamnoides)、柠条(Caragana korshinskii)、杜鹃（Rhododendron simsii )、小冀(Berberis hawahamii)、金露梅(Potentilla fruticosa) 、银露梅( Potentilla glabra)等。

▲互助试验林场天然青海云杉林

▲互助实验林场青海云杉外业调查

▲湟中蚂蚁沟林场桦天然木林

▲西宁市湟水林场人工青海云杉林

▲互助试验林场天然桦木林

2.2 数据来源和数据特征

数据来源包括2018年青海省一类清查(森林资源连续清查)数据、林地“一张图”数据、数字高程模型(DEM)、项目区周边气象站观测数据(年平均气温、年最高气温、年最低气温、年日照时数等)、项目区土壤数据( 1∶100万土壤分布数据 数据来源为中科院南京土壤研究所)。为了增加建模样本的数量 提高建模精度 数据范围除了青海东部黄土丘陵沟壑立地亚区所涉及的范围 加入了与本立地亚区相似的海南州的共和县和海北州的海晏县。最终确定的数据范围具体包括:西宁市城内四区、大通县、湟中县、湟源县、平安区、乐都区、民和县、互助县、化隆县、循化县、尖扎县、共和县、贵德县、海晏县17个县(区)以及互助北山林场、孟达自然保护区。

湟水规模化林场范围内主要的乔木树种有桦木、杨树和青海云杉 本研究采用了项目区范围这3个树种的平均木、样木和样地数据。其中桦树平均木、样木和样地数分别为354、5 979、202;杨树分别为306、6 960、96;青海云杉分别为209、1 193、113。对平均木的胸径和树高 样木的胸径和样地的平均胸径和平均树高进行描述性统计(表1)。

▼表 1 各树种平均木、样木、样地特征值

注:Da.平均木胸径;Ha.平均木树高;Dw.样木胸径;Dp.样地平均胸径;Hp.样地平均树高。

2.3 研究方法

评价所需要的因子包括地形因子、土壤因子和气象因子3类。影响立地质量的地形因子包括地貌、坡度、坡向等。坡度数据为利用坡度图 采用面提取的方式提取到小班样地库和小班库中的调查数据。土壤因子包括土壤类型和土壤厚度。土壤厚度为采用样地库和“一张图”小班库中的调查数据。土壤类型根据1 ∶100万土壤分布图进行提取。对于气象因子 选取建模区附近15个气象台站的数据 采用ANUSPLINE软件 温度以经纬度坐标作为变量 高程数据作为协变量 采用2次样条函数进行建模 降雨量和日照时数以经纬度坐标、高程作为变量 采用3次样条函数进行建模 分别得到年平均气温﹑年最高气温、年最低气温﹑年降雨量和年日照时间分布图。

3结果

Ⅰ级林地3409.37 h㎡ 占整个林地面积的1.39% ;ll级林地38 765.07 h㎡ 占15.77% ;Ⅲ级林地78 989.17 h㎡ 占32.14% ;Ⅳ级林地77102.74 h㎡ 占31.38% ;V级林地47477.50 h㎡ 占19.32%。从整个分类结果来看 规模化林场林地质量等级较低 以Ⅲ、Ⅳ级林地为主;现场验证质量等级正确率为88% 正确率较高。

3.1 立地形方程的建立

3.1.1 树高胸径回归模型的建立

分别采用5种经验方程对桦树进行建模(表2)，结果显示无论从决定系数、均方根误差、赤池信息准则(AIC)还是参数变动系数来看逻辑斯蒂(Logistic)都优于其他模型。因此 桦木的胸径-树高回归方程为:

利用剩余的68株桦树对建模结果进行验证。经成对t检验 95%显著水平下的t值为0.744 平均总相对误差0.05% 相对总误差0.082% 预估精度95.79%。查t检验表t0.0567=1.996 实际树高的t值小于该值 说明模型在95%水平下显著。平均总相对误差和相对总误差都小于5% 而预估精度达到了97.76%。由此可以看出所选方程(5)能够满足建模精度要求。

▼表 2 树高胸径曲线拟合结果

注:a 、b、c.方程参数;a% b% 、c%分别为a、b、c的变动系数。

3.1.2 样地优势高的获取和导向曲线的建立

把方程(5)带入样木库 计算出样木树高 然后选择样地中树高最大的5株桦树 求其平均值作为样地的优势高。利用样地平均胸径(D)和获取的优势高(H)数据 采用Logistic方程进行拟合 得到桦木导向曲线如下:

3.1.3 基准胸径的确定和立地形方程的建立

根据方程(6)求出桦树的连续生长量[Z(D)]和平均生长量(θ(D))方程如下:

作出其连续生长量曲线和平均生长量曲线如图1。从图1中可以看出 连续生长量在胸径7 cm时达到最大 在胸径为11 cm时平均生长量达到最大 并且与连续生长量出现第⒉次相交 以后连续生长量迅速下降 树高生长趋于稳定 因此选择12 cm作为基准胸径(D)。

▲图 1 桦木树高生长量曲线

根据以上结果，得到如下立地形方程：

3.2 主导因子选择和回归模型的建立

桦树生长的范围一般位于脑山地区，因此选取的因子不包括地貌。其他因子如土壤类型、土层厚度、坡向、坡度、年平均气温、年最高气温、年最低气温﹑年降雨量、年日照时数等与立地形都存在或多或少的正、负相关性。

在对原始数据进行标准化处理的基础上 利用SPSS 软件实施因子分析。采用主成分分析法选取特征值大于1的两个因子作公因子 公因子的KMO检验值为0.665 累积方差贡献率为78.34% 。由于公因子含义不清 运用最大方差法对因子载荷矩阵进行正交旋转 得到公共因子的载荷矩阵 并采用回归法得到因子得分系数矩阵(表3)。

▼表 3 旋转后的因子载荷、特征值、贡献率、累积贡献率和因子得分系数

注:*表示每个公因子载荷较大的因子。

从表3可以看出 第1公因子对方差的贡献率为42.16% 它在年平均气温、年最高气温﹑年最低气温、年降雨量上有较大载荷 可以称之为气象因子;第2公因子在土壤类型、土壤厚度、坡向和坡度上有较大载荷 称之为地形因子 其方差贡献率为36.18% 。

进一步考察年平均气温﹑年最高气温﹑年最低气温之间的相关性。其相关系数达到了0.997和0.995 第一公因子中 由于年最低气温的载荷最大 因此三者中选择年最低温作为因子变量。

综上 经过因子分析法 选择年最低气温﹑年降雨量、土壤类型、土壤厚度、坡向、坡度作为桦木的主导因子。

根据以上选择的年最低气温(Tzdw)、年降雨量(Lnj)、土壤类型(Xtr)、土壤厚度(htr)、坡向(Px)和坡度(Pd)6个主导因子 以立地形指数为因变量，采用逐步回归法建立多元线性回归模型 得到回归方程如下:

回归模型的主要评价指标中 复相关系数R=0.93 标准误(SME)为31.76，F=112.83 大于F0.01(6 105)= 2.98 说明模型已达到显著水平。

3.3 立地形指数的计算

杨树和青海云杉的立地形指数的计算过程与桦树相同 其计算过程和结果见表4 杨树和青海云杉的生长量曲线见图2。

▼表 4 杨树和青海云杉的立地形指数的计算过程和结果

▲图 2 杨树和青海云杉树高生长量曲线

根据桦树﹑杨树和青海云杉的立地形回归方程分别计算该小班的立地形指数SF 然后按照公式(4)计算小班的平均立地形指数 作为小班立地质量评价的基础。

3.4 立地质量分级

湟水规模化林场范围内共有林地面积245 743.84 h㎡。根据分类结果 Ⅰ级林地3 409.37h㎡，占整个林地面积的 1.39%;Ⅱ级林地38 765.07 h㎡ 占 15.77%;Ⅲ级林地78 989.17 h㎡ 占32.14%;Ⅳ级林地77 102.74 h㎡ 占 31.38% ; V级林地47 477.50 h㎡ 占 19.32%。从整个分类结果来看 规模化林场林地质量等级较低 以Ⅲ、Ⅳ级林地为主 占整个规模化林场林地总面积的63.52%;Ⅰ级林地分布面积较小 仅占林地总面积的1.39%。

湟水规模化林场范围内共有宜林地(含无立木林地)68844.35 h㎡。根据分类结果 Ⅰ级林地150.78 h㎡ 占整个宜林地面积的0.22% ;Ⅱ级林地3 661.70h㎡ 占5.32%;Ⅲ级林地17 972.50 h㎡ 占26.11 %;Ⅳ级林地25115.62 h㎡ 占36.48%;V级林地21 943.74 h㎡ 占31.87%。从规模化林场宜林地(无立木林地)分级结果来看 Ⅰ、Ⅱ林地仅占宜林地面积的5.54% Ⅲ、Ⅳ、V级林地占了整个宜林地面积的94.46%。由此可见 规模化林场未来可造林地块的立地质量比较差 造林难度较大。

1)Ⅰ级林地。Ⅰ级林地主要分布在坡度为平缓或斜陡坡、坡向为阴坡、土壤肥力高、土壤厚度为中厚层土、水热条件较好的川水、浅山和脑山地区。该等级林地为湟水规模化林场未来造林和景观林培育的重点区域。在河漫滩和台阶地重点以培育风景林为主;对于脑山和浅山的天然次生林采用低效林改造方法进行林地修复。

2)Ⅱ级林地。Ⅱ级林地主要分布在坡向为阴坡、坡度为平缓斜陡坡、土壤厚度为中厚层土、土壤肥力中等、水热条件较好的浅山和脑山地区。该等级林地是湟水规模化林场未来造林和森林培育的重要区域。在河漫滩和台阶地仍然以打造景观林为主、浅山地带为新造林地的主要地点 同时辅以封育和低效林改造对原有林分进行提升和改造、对脑山地区的天然次生林 采用低效林改造提高林地质量。

3）Ⅲ级林地。Ⅲ级林地是规模化林场面积最大的等级。该等级主要分布在坡向为阴坡、土层厚度为薄土层或者坡向为半阴半阳坡、坡度为中厚层土的浅山和脑山地区。该等级林地为湟水规模化林场未来造林和森林培育的一般区域。浅山阴坡为未来造林的主要地段 由于土层薄 要辅以一定的作业措施来提高造林的成活率(如浇水、施肥、除草等) 其他地点以封山育林和低效林改造来提高林地质量。

4)Ⅳ级林地。Ⅳ级林地主要分布在坡向为阳坡、坡度为平缓斜陡坡、土壤厚度为厚土层或者坡向为半阴半阳坡、坡度为平缓或斜陡、土层厚度为薄土层、水热条件一般的浅山和脑山地区。该等级林地为湟水规模化林场未来森林抚育和封育的重要区域。

5)V级林地。V级林地主要分布在坡向为阳坡、坡度为斜陡坡、土层为薄层土、水热条件一般的高浅山和脑山地区。该等级林地为湟水规模化林场未来森林抚育和封育的重点区域。

3.5 立地质量等级分类结果验证

由于规模化林场覆盖范围大 涉及县(区)多，因此根据典型性和代表性原则 选取湟水规模化林场内的西宁市湟水林场、大通县试验林场﹑湟中县蚂蚁沟林场、湟源县南山林场、平安区边家滩林场、互.助县实验林场进行验证 每个林场布设验证小班4~5个 共布设验证小班25个。评价结果见表5。

▼表 5 评价结果现地验证

注:*为错误结果。

对提取因子和现地验证因子分别量化后求出其立地形指数 然后按照原聚类的分类中心和距离进行分类 并与现场评价的立地质量进行比较。从表5中可以看出验证级别与原划级别有6个出现了跳级 但是全部属于跳一级 为正常范围 其立地形指数相差并不太大。出现跳级的原因主要是坡度、坡向、土壤厚度等因子误差造成的影响。而从立地质量现场评价结果来看 与验证级别有3个错误结果 正确率为88%。考虑到现场调查人员的主观性 立地质量评价结果正确率较高。因此 在保证地形、土壤等因子准确的前提下 本研究提出的立地质量评价方法是可行的。

4结论

通过一类清查数据中的标准木、样木库、样地库获取优势高的方法可行;评价因子选择了地形因子、土壤因子、气象因子 多因子的引入使评价的结果更为客观 提高了评价的准确性;采用多树种立地指数进行综合评价 特别是对非林地的立地质量进行评价是一种更为有效的方法。

关注我们，更多精彩