基于土壤侵蝕預(yù)測模型對石城縣域低效林的判別及研究

常 猛，周 勇， 孫永濤，徐童心，莊家堯

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2. 國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院， 杭州 310019)

低效林最初是指生態(tài)效益低的防護林，后來其內(nèi)涵又?jǐn)U展為經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益低的林分[1,2]。國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低效林改造技術(shù)規(guī)程》中將低效林定義為“受人為因素的直接作用或誘導(dǎo)自然因素的影響，林分結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性失調(diào)，林木生長發(fā)育衰竭，系統(tǒng)功能退化或喪失，導(dǎo)致森林生態(tài)功能、林產(chǎn)品產(chǎn)量或生物量顯著低于同類立地條件下相同林分平均水平的林分總稱”[3]。低效林的概念很多學(xué)者都有不同的理解。從生態(tài)學(xué)和森林培育學(xué)角度來說，李蓮芳等認為低效林是由于林木個體質(zhì)量低劣造成所處林地的立地條件下和所生長林齡階段可實現(xiàn)的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益未達到目標(biāo)的林分[4]。綦山丁等則認為低效林是在保持水土和涵養(yǎng)水源方面較差，在生長量方面比同類立地條件下林分平均生長量低的林分[5]。

國內(nèi)已開展了低效林分的判定與類型劃分方面的研究。李賢偉等對云南松林分進行調(diào)查，研究了林分密度、生長量、郁閉度、材積等因子，并將云南松低效林劃分為一般低效林、低產(chǎn)低效林、高產(chǎn)低效林[6]。侯淑艷則根據(jù)北京低山區(qū)低效人工林的結(jié)構(gòu)特征，將其劃分為4個等級，并分別對各等級進行分類[7]。李鐵民提出以林木個體生長狀況、林分結(jié)構(gòu)、林分郁閉度等指標(biāo)作為低質(zhì)低效林判定的標(biāo)準(zhǔn)[8]。此外也有學(xué)者針對特定的區(qū)域，采用樣地調(diào)查和資料分析結(jié)合的方法，根據(jù)樹種組成、土層厚度、坡向、坡度等特征劃分低質(zhì)低效林的類型[9]。由此可見對低效林分進行分類，應(yīng)綜合考慮林分所處的生物地理環(huán)境以及受干預(yù)程度等其他影響因素。近年來由于人類活動的強烈干擾，加之石城縣域獨特的歷史背景，導(dǎo)致其林地等級和森林質(zhì)量不斷下降，因此迫切需要對縣域內(nèi)低效林的判別和分布進行科學(xué)的評價[10]。以往的研究主要著眼于不同立地條件下林分的生產(chǎn)力，對于林分的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和多功能性則關(guān)注較少，缺乏相應(yīng)的量化指標(biāo)或評價機制。低效林不僅會降低森林生態(tài)水源涵養(yǎng)功能，也會引發(fā)土壤侵蝕，造成嚴(yán)重的水土流失。本研究著眼于這一評價指標(biāo)，并建立相關(guān)的土壤侵蝕預(yù)測模型，探索低質(zhì)低效林的評價體系。目前SL190-2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》和修正通用水土流失方程(RUSLE模型)是我國范圍內(nèi)應(yīng)用較廣泛的兩種土壤侵蝕調(diào)查方法，在不同尺度和各地土壤侵蝕調(diào)查中均得到了應(yīng)用[11,12]。不同土壤侵蝕調(diào)查方法難以適用所有地區(qū)，且目前運用遙感技術(shù)判定低效林等級的研究在國內(nèi)還較少開展。在借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于修正通用水土流失方程和綜合評判法(三因子法)，運用遙感和地理信息技術(shù)，提出一種適合低效林的土壤侵蝕預(yù)測模型，對石城縣域的低效林等級標(biāo)準(zhǔn)進行定量評價，為該縣域的低效林改造工作和環(huán)境保護工作提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石城縣是江西省贛州市下轄縣，位于江西省東南部，贛州市東北部，東鄰福建省寧化縣，南抵瑞金市及福建省長汀縣，西毗寧都縣，北靠撫州市廣昌縣，地處北緯25°57′47″～26°36′13″、東經(jīng)116°05′47″～116°38′03″之間。縣域總面積為1 581.53 km2，其中山地面積1 167.59 km2。境內(nèi)為武夷山脈內(nèi)部的山間盆地，主要分為中低山、丘陵、單斜盆地3個類型。東、北、西三面環(huán)山，中部至西南較為低平。最高點為贛江源鎮(zhèn)洋地村的雞公崠，海拔1 389.9 m，最低點為龍下渡，海拔僅為173 m，從而形成自北東向南西傾斜的地勢。山地、丘陵約占全縣總面積的79%。琴江河自北而南貫穿全境，境內(nèi)支流密布，主要有巖嶺河、大琴河、石田河、羅陂河、橫江河等。石城縣屬長江流域贛江水系，境內(nèi)水系發(fā)達，全縣大小河溪140條，平均河網(wǎng)密度為0. 69 km/km2，除部分河流外，其余河溪均在縣境匯入琴江，流域獨立性強[13]。20世紀(jì)80年代初，全縣水土流失面積506 km2，占縣域總面積的32%，其中：強烈及以上水土流失面積150.47 km2，中度水土流失面積125.66 km2，輕度水土流失面積229.87 km2，嚴(yán)重的水土流失易造成自然災(zāi)害，如山體滑坡、洪澇等[14]。

2 研究方法和數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理

本研究所采用的主要數(shù)據(jù)有地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和2016年石城縣域小班調(diào)查數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)以2016年Landsat7 TM衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺，其空間分辨率為30 m。利用軟件ENVI 5.3對其進行輻射定標(biāo)及大氣校正等預(yù)處理，土地利用類型數(shù)據(jù)通過監(jiān)督分類解譯獲得。地形數(shù)據(jù)為GDEMDEM數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺，分辨率為30 m。利用ArcGIS中的Spatial Analyst工具中的坡度分析功能對地形數(shù)據(jù)進行分析，獲得研究區(qū)坡度。2016年石城縣小班調(diào)查數(shù)據(jù)來源于江西省石城縣林業(yè)局，通過小班調(diào)查數(shù)據(jù)地類代碼和土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2017)對水土保持措施因子進行統(tǒng)計和分析。

2.2 土壤侵蝕預(yù)測模型原理

根據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)規(guī)定，按植被覆蓋度、土地利用類型、坡度三個因子，判斷土壤侵蝕強度等級。三因子法只能總體反映土壤侵蝕強度分布，無法定量計算土壤侵蝕模數(shù)，也無法定量分析影響因子對土壤侵蝕的貢獻程度[15]。在不同的地理自然條件下，修改模型因子的算法以及引入新的模型因子是極其重要的。本研究根據(jù)石城縣域野外調(diào)查數(shù)據(jù)，在修正通用土壤水土流失方程的基礎(chǔ)上，對石城縣域土壤侵蝕模數(shù)的估算研究采用三因子土壤侵蝕預(yù)測模型法，該方程的側(cè)重點為定量表征三個因子對土壤侵蝕的作用機制，并綜合體現(xiàn)在土地利用因子、水土保持措施因子、坡度因子等因子上，在該縣域具有較強的科學(xué)性和實用性，其表達式為：

A=PLuS

(1)

式中：A為每年單位面積上的土壤侵蝕量，t/(hm2·a)，本文乘以100將單位換算為t/(km2·a)；P為水土保持措施因子；Lu為土地利用類型因子，t/(hm2·a)；S為坡度因子；P、S因子均無量綱。

2.3 模型因子的確定

(1)坡度因子S。在區(qū)域尺度上的土壤侵蝕研究，經(jīng)常采用DEM數(shù)據(jù)計算地形對土壤侵蝕的影響?？紤]到南方丘陵區(qū)地形的復(fù)雜性，坡度因子借鑒前人相同地形區(qū)域的研究[16]，緩坡和陡坡采用不同的公式進行計算[17]。如式：

(2)

式中：S為坡度因子；θ為像元坡度，(°)。

坡度由分辨率30 m×30 m數(shù)字高程數(shù)據(jù)提取獲得，運用ArcGIS中柵格計算器功能代入公式得到坡度因子分布圖，如圖1所示。

圖1 石城縣域坡度因子分布圖

圖2 石城縣域土地利用類型因子分布圖

(2)土地利用類型因子Lu。土地利用類型對水土流失的敏感性影響較大。本文利用軟件ENVI5.3對2016年的遙感影像進行預(yù)處理(包括輻射校正、影像剪裁與大氣校正等)，基于中分辨率衛(wèi)星影像的“國家級土地利用與覆被分類系統(tǒng)”，并結(jié)合石城縣域土地利用和植被特征，構(gòu)建適用于該區(qū)域的分類系統(tǒng)[18]。參考土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2017)，分為建設(shè)用地、耕地、密林地、稀疏林地、水域、裸地以及草地等七大類型。其中建設(shè)用地主要是城鎮(zhèn)、居民點以及廠房等，稀疏林地主要是郁閉度小于0.3的林地以及園地。本文關(guān)于土地利用類型因子的賦值，參考中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值的計算方法[19]，對研究區(qū)各類土地賦予相應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價值，即水土保持價值。表1中將耕地賦予農(nóng)田生態(tài)價值，密林地賦予森林生態(tài)價值，稀疏林地賦予園地和林地的平均值，草地賦予林地和灌木林地的平均值，水域賦予零，裸地采用荒漠化土地生態(tài)價值賦值。

表1 石城縣域主要土地利用類型的Lu值

(3)水土保持措施因子P。水土保持措施因子是采取水土保持措施后土壤侵蝕流失量與對應(yīng)的順坡條件下的土壤侵蝕流失量的比值(0～1之間)，其中0代表根本不會發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)，1代表未采取任何水土保持措施的地區(qū)[20]。水土保持措施一般通過土地利用信息間接反映出來，在縣域的土壤侵蝕研究中，采用結(jié)合實地考察資料給不同的土地利用類型賦值的方法確定[21-22]。不同水土保持措施效果的差異，可以通過對不同土地覆蓋類型進行賦值表達，但國內(nèi)尚沒有統(tǒng)一的賦值標(biāo)準(zhǔn)。在ArcGIS軟件的支持下，參考國家土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，對石城縣域土地利用類型重新分類為建設(shè)用地、耕地、密林地、稀疏林地、水域、裸地以及草地，得出重新分類后的石城縣域土地利用類型分布圖。參照國內(nèi)外研究成果，確定水土保持措施因子值[23]，如表2。在此基礎(chǔ)上獲得P因子分布圖，如圖3所示。

圖3 石城縣域水土保持措施因子分布圖

表2 石城縣域主要土地利用類型的P值

2.4 土壤侵蝕量的分級

結(jié)合前文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以坡度、水土保持措施因子、土地利用類型3個指標(biāo)為評價因子，對研究區(qū)土壤侵蝕狀況進行評價。在ArcGIS軟件中，將研究區(qū)3個因子的柵格文件進行疊加，得到研究區(qū)2016年土壤侵蝕狀況(圖4)，并利用ArcGIS軟件分別對土壤侵蝕面積進行統(tǒng)計。本研究主要參考國家水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強度分類分級標(biāo)準(zhǔn)對研究區(qū)域進行土壤侵蝕量的等級劃分。土壤侵蝕強度等級劃分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈6種等級(表3)。

圖4 石城縣域土壤侵蝕模數(shù)分布圖和土壤侵蝕強度圖

表3 土壤侵蝕強度分類分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 低效林的判別標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于低質(zhì)低效林的評價體系目前研究較少。周建勤從生態(tài)和立地條件對低山區(qū)的殘次林分進行了評價體系研究，將殘次林分為無建群樹種林、過熟退化林、疏林、密林等，但是殘次林只是低質(zhì)低效林的一種，因此其建立的評價體系過于狹窄[24]。國內(nèi)對于低質(zhì)低效林的評價體系選取的大多是定性指標(biāo)，過于片面且缺乏定量指標(biāo)為主的評價體系。林分生產(chǎn)力、林分結(jié)構(gòu)和水土保持功能是劃分低質(zhì)低效林低的主要指標(biāo)和依據(jù)。在水土保持方面，由于林分生態(tài)功能喪失自我調(diào)節(jié)能力，相比正常林分水土流失嚴(yán)重。本研究著手于森林生態(tài)水源涵養(yǎng)功能，選擇土壤侵蝕模數(shù)作為定量評判指標(biāo)。通過大量文獻調(diào)查[25-28]把石城縣域林地劃分為3個等級，分別是高質(zhì)高效林、退化過渡林、低質(zhì)低效林，對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)分別為0～200、200～500和大于500 t/(km2·a)。由于石城縣域?qū)儆谀戏郊t壤丘陵區(qū)，土壤容許流失量為500 t/(km2·a)，相當(dāng)于微度侵蝕模數(shù)，因而微度侵蝕地塊可認為是無水土流失[29]。

通過統(tǒng)計石城縣域林地土壤侵蝕等級及面積(表4)，從中可以看出低質(zhì)低效林占整個縣域內(nèi)林地面積的31.48%，面積為360.71 km2。高質(zhì)高效林所占比例只有34.39%。從圖5中可以看出各個等級林地的大致分布范圍，對林地空間分布進行分析，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)低效林大致分布于石城縣域的東北和東南兩個區(qū)域，且此區(qū)域坡度皆較陡, 屬于劣質(zhì)立地條件下形成的低質(zhì)低效林。由于林分所處的立地環(huán)境十分惡劣，土壤瘠薄、干旱陽坡、地形陡峭，水分條件極差，水源涵養(yǎng)功能退化嚴(yán)重，這類林分在山區(qū)普遍存在。為避免對劣質(zhì)立地的進一步破壞，造成更嚴(yán)重的水土流失，應(yīng)封山育林，減少人為活動對林地的影響，保護好現(xiàn)有植被，促進植被的更新演替。另外在立地條件好的地域進行人工栽植造林，提高林分等級質(zhì)量，逐步改善林分狀況，提高生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益，為后續(xù)低質(zhì)低效林因地制宜分區(qū)規(guī)劃改造，提供一定的科學(xué)依據(jù)。

表4 石城縣域林地土壤侵蝕等級及面積

圖5 石城縣域林地土壤侵蝕模數(shù)分布圖

3.2 土壤侵蝕的空間分布特征

表5統(tǒng)計了各侵蝕等級的面積及其占比，從中可以看出微度侵蝕所占比例最大，為總侵蝕面積的93.52%。輕度和中度侵蝕占總侵蝕面積的6.13%。強烈侵蝕以上等級的侵蝕面積為5.56 km2，占整個研究區(qū)總面積的0.351%?？傮w來看侵蝕等級越高，所占侵蝕總面積的比例也就越低，整體呈現(xiàn)出下降趨勢。從圖2和圖5可看出，強烈侵蝕以上等級發(fā)生地多為裸地區(qū)域，由于人為活動影響致使植被稀少，水土流失較為嚴(yán)重，急需采取植被栽植和水土保持措施進行恢復(fù)。土壤侵蝕強度因不同坡度帶而產(chǎn)生較大的差異。研究區(qū)坡度大部分在10°以下，因坡度較緩?fù)寥狼治g以微度侵蝕為主。輕度侵蝕以下等級主要發(fā)生在林地、建筑用地等區(qū)域，說明這些區(qū)域的植被覆蓋和水土保持措施發(fā)揮了良好的保水保土效益。而研究區(qū)東北部和東南部邊緣地帶坡度大多集中在10°～20°，坡度較陡且植被覆蓋和水土保持措施較差，出現(xiàn)以中度侵蝕為主的現(xiàn)象。依據(jù)前文分析，低質(zhì)低效林分布區(qū)域與中度侵蝕區(qū)域極大部分重疊，說明低質(zhì)低效林的存在是引起中度侵蝕的主要原因之一。

表5 石城縣域土壤侵蝕強度等級及面積

3.3 土壤侵蝕土地利用分布特征

土地利用的差異造成土壤侵蝕強度具有一定的差異性，在研究區(qū)主要表現(xiàn)在各類土地的土壤理化性質(zhì)和所處高坡度。不同土地利用類型上的土壤侵蝕強度分類統(tǒng)計結(jié)果見表6。由表6可知，在各土地利用類型中，密林地的侵蝕面積占比最大為70.74%，其余分別是建設(shè)用地為21.30%，稀疏林地為2.92%，草地為4.20%；裸地和耕地二者占比皆小于1%，分別為0.18%和0.66%。裸地的平均土壤侵蝕模數(shù)最高，其次為草地、稀疏林地、耕地、建設(shè)用地和密林地。耕地侵蝕模數(shù)較大主要由于長期不合理的種植方式，地表土層變得疏松，土壤蓄水和透水能力差，從而導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)較大。在土壤侵蝕總量方面，以密林地占比最高為44.63%，草地次之為28.10%，兩者占到總侵蝕量的72.73%。稀疏林地以2.92%的侵蝕面積對研究區(qū)總侵蝕量的貢獻率達到了4.80% ，總侵蝕量占比幾乎是侵蝕面積占比的2倍，這也從側(cè)面說明了在今后的水土流失治理工作中，稀疏林地成為不可忽視的一部分。

表6 不同土地利用類型的土壤侵蝕

總體而言，密林地、草地和稀疏林地是研究區(qū)內(nèi)除了建設(shè)用地外主要的土地利用類型。三者的總侵蝕量占比達到了77.53%，產(chǎn)生了大量的泥沙。從兩方面分析其形成較大輸沙量的原因，一方面是因為密林地和草地侵蝕面積較大，泥沙量隨侵蝕面積的增加而增加；另一方面是因為草地和稀疏林地兩種土地利用類型中存在比較多的低覆蓋草地和低質(zhì)低效林，其對水土的保持能力低于正常水平。

4 結(jié) 論

以往開展的低質(zhì)低效林科學(xué)研究中，更多關(guān)注的是其林產(chǎn)品產(chǎn)量、木材蓄積量等生長量與生物量指標(biāo)，即林產(chǎn)品供給功能，而對于林分自然度狀況以及水源涵養(yǎng)能力、保水保土、物種多樣性保護等其他生態(tài)服務(wù)功能則考慮較少。本文通過遙感技術(shù)、修正通用土壤流失方程和土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)等幾種方法相結(jié)合的方式對低質(zhì)低效林的評價指標(biāo)進行篩選，選取生態(tài)效益指標(biāo)即土壤侵蝕模數(shù)作為判定低質(zhì)低效林的指標(biāo)，通過量化的方法對林地區(qū)域進行具體等級劃分。該評價指標(biāo)可應(yīng)用于南方紅壤丘陵區(qū)域，并可根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H的土地利用類型、坡度、水土保持措施、地理環(huán)境和氣候條件，進行判別標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值的變動，具有一定的靈活性和適應(yīng)性。篩選出的低質(zhì)低效林分布區(qū)域可為后續(xù)的林地改造提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。