發布時間：2021-07-06所屬分類：園林工程師瀏覽：1次
摘 要： 摘要：【目的】油松Pinustabulaeformis作為白洋淀大清河流域上游山區主要造林樹種，研究其精準適宜性空間分布對流域內水源涵養林的建設與提升具有生產指導作用。【方法】依據植物生態學、植物地理學原理，采用空間限制性因子疊加及最大熵模型(MaxEnt)，以白
摘要：【目的】油松Pinustabulaeformis作為白洋淀大清河流域上游山區主要造林樹種，研究其精準適宜性空間分布對流域內水源涵養林的建設與提升具有生產指導作用。【方法】依據植物生態學、植物地理學原理，采用空間限制性因子疊加及最大熵模型(MaxEnt)，以白洋淀大清河流域油松為研究對象，基于野外190個樣方數據，結合24個地理環境變量(高程、坡度、坡向、氣象、巖石類型、土壤類型等)，其中氣象因子通過多元線性回歸克里金插值方法(multiplelinearregressionKriging,MLRK)得到，對白洋淀大清河流域油松的適宜性空間分布進行了研究�！窘Y果】油松適宜性預測模型效果達到準確水平(受試者工作曲線ROC=0.869)，積溫、年均最大日降水量、高程、年均氣溫標準差為流域油松適宜性主導地理環境變量，油松高適宜區主要分布在靈丘縣、淶源縣、淶水縣、易縣、房山區等縣市�！窘Y論】白洋淀大清河流域油松的適宜性條件為：積溫2800~3800℃、海拔500~1200m、年均日最大降水量70~110mm、年均氣溫標準差0.31~0.42℃，按照該適宜性條件進行油松林營造，可充分發揮其有益機能。圖8表2參30
關鍵詞：適宜性;多元線性回歸克里金(MLRK);空間疊加;最大熵模型;油松
白洋淀及大清河水系是雄安新區水資源安全保障體系的重要部分，但氣候干旱、上游土壤流失嚴重、森林水源涵養功能低下，導致白洋淀干淀、上游斷流，難以為新區發展提供保障[1]。土地或巖石的裸露、造林樹種的不適宜以及森林空間結構不良等是森林水源涵養功能低下的主要原因[2−3]。早期植樹造林時，主要根據區劃及經驗進行判斷，導致油松等部分防護林違背適宜性原則，致使其逐漸衰退為低效林，未達預期效果[4−5]。張春霞等[6]以海拔、坡度、坡向為主要立地因子對陜西黃陵油松Pinustabulaeformis進行立地質量評價，賴文豪等[7]通過地形、土壤、氣象等立地因子分析了油松的適宜性情況�？梢�，已有研究主要集中在小流域等小尺度范圍內，難以為當地區域防護林的營造提供支撐，且各立地因子精度較低，如僅用個別站點數據直接代表整個區域，或克里金插值(Kriging)的氣象因子站點數據較少，不夠精準化，進而導致適宜性分析結果無法貼合生產實際。本研究基于植物生態學特性，考慮了地形、土壤地質、氣象等因子，且將各因子落實到30m分辨率，采用了空間限制性因子疊加和最大熵模型(MaxEnt)，對較大尺度下油松的精準適宜性空間分布進行了研究，以期為白洋淀大清河流域造林規劃提供科學依據。
1研究區概況與研究方法
1.1研究區概況
大清河系地處海河流域中部(38°10′~40°10′N，113°39′~117°34′E)，西起太行山，東臨渤海灣，北臨永定河，南至子牙河。河系跨山西、河北、北京、天津4省市，總面積43060km2，其中山區18659km2，丘陵平原24401km2，分別占河系總面積的43.33%和56.67%。大清河流域地處溫帶半干旱大陸性季風氣候區，多年平均氣溫為6.58~13.26℃，多年平均降水量為365~626mm，年內降水量極為不均，多年平均積溫為858~4664℃，多年平均無霜期為73~217d。研究區內優勢植物有華北落葉松Larixprincipisrupprechtii、油松Pinustabulaeformis、側柏Platycladusorientalis、楊樹Populusspp.、刺槐Robiniapseudoacacia、臭椿Ailanthusaltissima、繡線菊Spiraeasalicifolia、荊條Vitexnegundovar.heterophylla、胡枝子Lespedezabicolor等。
1.2數據來源
本研究數據分為地形、土壤地質、氣象等3類，其中：地形數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/);土壤地質數據來源于中國寒區旱區科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)和全國地質資料館(http://ngac.org.cn/Map/List);氣象數據為站點數據，來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)各數據集。站點數量為79個，包含流域內36個，流域外43個，各地理環境變量如表1。
在白洋淀大清河流域上游山區，以油松為優勢種，隨機選取不同高程、坡度、坡向、坡位、土壤類型、齡組的樣方進行調查，高程按照中山、低山區間結合太行山植物垂直地帶性進行考慮[8]，記錄樹高、胸徑、郁閉度、植被覆蓋度、林下灌草種類及蓋度和地理位置等信息。在樣方調查時，山脈、高大植物會遮擋全球定位系統(GPS)衛星信息接收[9]，故地理位置信息通過手持GPS儀結合衛星地圖上比對位置并標注后自動獲取，其精確度要高于手持GPS儀直接獲取的位置數據，樣方分布如圖1所示。根據植物學和植物地理學等原理，在對油松可能適宜性空間單元篩選時，考慮人為干預較少的樣方和海拔100m以上地區，因此，本研究調查樣方主要分布于流域西部山區，共計190個30m×30m油松樣方數據(圖1)。
相關期刊推薦：《浙江農林大學學報》主要報道林學基礎學科、森林培育學、森林經理學、經濟林學、林業工程、森林保護學、林木遺傳育種學、森林生物學、生態學、生物技術、園林學和園藝學等學科的學術論文、問題討論和研究簡報，適當刊登與農林相關的其他學科的稿件。
在進行氣象數據插值時，將高程、坡度、坡向數據標準化后作為輔助變量，利用逐步回歸法篩選后進行回歸擬合，計算多元線性回歸在氣象站點位置的殘差，再利用普通克里金法對回歸殘差進行插值，將每個預測點的確定部分和殘差插值結果部分相加得到各點的預測值[12]。本研究在插值時考慮到研究區面積較大且跨越不同氣候區，故將研究區按照氣候區劃分為2個區，即半濕潤大區與半干旱大區，分別擴寬30km進行插值。為提升流域邊緣結果的準確性，站點除選取流域內的36個站點外，另選取流域周圍43個站點納入插值過程，插值完成后再進行拼接得到連續的氣象要素空間分布數據，分辨率為30m，根據精度檢驗，各氣象數據MLRK插值結果交叉驗證值R2均大于0.9，插值結果達到準確水平。
1.4精準適宜性研究方法
1.4.1油松可能適宜空間單元篩選根據油松的生態習性，利用限制性因子疊加[13]，得到油松生長的可能適宜單元。油松是中國特有樹種，主產華北、西北;生于海拔100~2600m，為研究區中、低山區重要的造林樹種。喜光，適干冷氣候，產區極端低溫−25℃，年降水量400~750mm，耐干旱，也能生長在年降水量250mm的部分山區;在酸性、中性、鈣質土壤中均能生長，極耐干瘠，石質荒山亦能生長，不耐水澇和鹽堿[14−15]。
2結果與分析
2.1最大熵模型精度分析
經MaxEnt軟件計算，得到受試者工作曲線(ROC)圖，該圖反映模型靈敏度，可評價預測模型的準確程度，ROC曲線下面積AUC值越高，評價模型越準確[20]。由圖5可見：基于MaxEnt模型和地理環境變量構建的油松適宜性預測模型的訓練數據集AUC為0.869，大于0.8，達到很準確水平;檢驗數據集AUC為0.817，大于0.8，達到很準確水平。綜合模型準確性，說明油松適宜性預測模型有效性較高，可用于白洋淀大清河流域油松精準適宜性空間分布研究。
刀切法(Jackknife)[21−22]可預測各地理環境變量對油松適宜性空間分布影響的得分情況，可確定各個環境變量的重要程度。從圖6可見：多年年平均積溫、多年年平均最大日降水量、高程、多年年平均氣溫標準差依次是對油松預測貢獻率最高的地理環境變量，為流域內油松精準適宜性預測提供了豐富信息。此外，當忽略巖石類型變量時，會最大程度上降低地理環境變量總得分，因此，它具有最多其他變量中沒有的信息，也需要綜合考慮。
通過MaxEnt模型得到各地理環境變量與發生概率之間的反饋曲線，該曲線可反映單個地理環境變量值與發生概率之間的響應關系。從圖7A可以看出：隨著多年年平均積溫的升高，分布概率呈先增大后減小的趨勢，以分布概率0.5為界，積溫適宜區間為2800~3800℃。由圖7B看出：隨著高程升高，分布概率先增大后減小，以分布概率0.5為界，高程適宜區間為500~1200m。由圖7C看出：隨著多年年平均最大日降水量升高，分布概率先增大后減小，以分布概率0.5為界，年平均最大日降水量適宜區間為70~110mm。由圖7D看出：隨著多年年平均氣溫標準差升高，分布概率先增大后減小，以分布概率0.5為界，年平均氣溫標準差適宜區間為0.31~0.42℃。
2.2適宜性結果分析
參考李培琳[23]、麻亞鴻[24]的適宜性分級標準，確定概率在0~0.05為不適宜區，0.05~0.30為低適宜區，0.30~0.50為中適宜區，0.50~1.00為高適宜區。白洋淀大清河流域油松高適宜區面積為1924km2，中適宜區為3477km2，低適宜區為7621km2，不適宜區為30038km2，中、高適宜區面積達到流域總面積的12.54%，中、高適宜區主要分布在大清河流域上游山區的西北部，在靈丘縣、淶源縣、淶水縣、易縣、房山區、阜平縣等區縣。油松精準適宜性空間分布及其細節放大圖如圖8，分辨率為30m。表2為油松高適宜區面積大于20km2的縣，可見，高適宜區主要集中在淶源縣、靈丘縣、易縣、淶水縣、清苑縣、涿鹿縣，其中淶源縣面積最大，為462.60km2，占流域總面積的1%，這是由于這些縣符合油松適宜條件的區域較多，在利用油松林進行綠化時可著重考慮。
3討論
油松是華北地區主要造林樹種，由于早期造林時，沒有考慮油松適宜性或僅根據氣候區劃種植了大面積的人工油松林，使得油松生長緩慢，或衰退現象明顯[25−26]。近年來，針對油松適宜性的研究僅停留在小尺度，且數據和研究成果精度不高，難以為油松防護林營造提供科學支撐。
本研究從油松生態習性的角度，得出影響油松適宜分布的主導地理環境變量有積溫、最大日降水量、高程、年平均氣溫標準差，貢獻率均大于20%，高適宜區分布在積溫2800~3800℃、高程500~1200m、年平均最大日降水量70~110mm、年平均氣溫標準差0.31~0.42℃的區域內。張春霞等[6]認為：油松中低海拔(900~1100m)立地質量為中等以上水平，與本研究高程最大值接近，最小值有差異，是由于其調查樣方集中于900m以上。魏安琪[27]認為：坡向是影響油松適宜性最大的因子，但在本研究中坡向不是主導因子，這是由于該研究僅考慮了地形因子未考慮氣象因子，且本研究分析后認為坡向通過影響區域局部水熱條件而對氣象因子產生影響，這在氣候因子中有所體現。
在油松林管護過程中，針對不適宜導致的油松低效林，可間伐及間種其他適宜植物，通過逐漸演替由新植物種代替油松成為優勢種;其次，在油松防護林營造時，需根據上述條件判斷該地塊是否適宜油松生長。本研究由于研究區范圍較大，僅考慮了土壤類型對油松生長的影響，沒有考慮土壤理化性質[28]、土壤厚度[21]等，在防護林建設中需綜合考慮。此外，在以地理環境為角度進行油松適宜性研究時，未考慮林業經營管理、經濟因素、其他人為因素等。在防護林建設中，整地方式、苗木品質、森林采伐等經營管理技術均對油松有較大影響;從經濟角度看，造林成本、管護投入等因素也會造成一定影響[29−30]，也需綜合考慮。——論文作者：郭虹揚1,2，史明昌1,2，楊建英1,2，陳春陽1,2
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