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摘 要： 摘要：【目的】油松Pinustabulaeformis作為白洋淀大清河流域上游山區(qū)主要造林樹種，研究其精準(zhǔn)適宜性空間分布對(duì)流域內(nèi)水源涵養(yǎng)林的建設(shè)與提升具有生產(chǎn)指導(dǎo)作用�！痉椒ā恳罁�(jù)植物生態(tài)學(xué)、植物地理學(xué)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(qū)主要造林樹種，研究其精準(zhǔn)適宜性空間分布對(duì)流域內(nèi)水源涵養(yǎng)林的建設(shè)與提升具有生產(chǎn)指導(dǎo)作用�！痉椒ā恳罁�(jù)植物生態(tài)學(xué)、植物地理學(xué)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(duì)象，基于野外190個(gè)樣方數(shù)據(jù)，結(jié)合24個(gè)地理環(huán)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(guò)多元線性回歸克里金插值方法(multiplelinearregressionKriging,MLRK)得到，對(duì)白洋淀大清河流域油松的適宜性空間分布進(jìn)行了研究�！窘Y(jié)果】油松適宜性預(yù)測(cè)模型效果達(dá)到準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差為流域油松適宜性主導(dǎo)地理環(huán)境變量，油松高適宜區(qū)主要分布在靈丘縣、淶源縣、淶水縣、易縣、房山區(qū)等縣市�！窘Y(jié)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(biāo)準(zhǔn)差0.31~0.42℃，按照該適宜性條件進(jìn)行油松林營(yíng)造，可充分發(fā)揮其有益機(jī)能。圖8表2參30
關(guān)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(qū)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(yán)重、森林水源涵養(yǎng)功能低下，導(dǎo)致白洋淀干淀、上游斷流，難以為新區(qū)發(fā)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(jié)構(gòu)不良等是森林水源涵養(yǎng)功能低下的主要原因[2−3]。早期植樹造林時(shí)，主要根據(jù)區(qū)劃及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，導(dǎo)致油松等部分防護(hù)林違背適宜性原則，致使其逐漸衰退為低效林，未達(dá)預(yù)期效果[4−5]。張春霞等[6]以海拔、坡度、坡向?yàn)橹饕⒌匾蜃訉?duì)陜西黃陵油松Pinustabulaeformis進(jìn)行立地質(zhì)量評(píng)價(jià)，賴文豪等[7]通過(guò)地形、土壤、氣象等立地因子分析了油松的適宜性情況。可見，已有研究主要集中在小流域等小尺度范圍內(nèi)，難以為當(dāng)?shù)貐^(qū)域防護(hù)林的營(yíng)造提供支撐，且各立地因子精度較低，如僅用個(gè)別站點(diǎn)數(shù)據(jù)直接代表整個(gè)區(qū)域，或克里金插值(Kriging)的氣象因子站點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，不夠精準(zhǔn)化，進(jìn)而導(dǎo)致適宜性分析結(jié)果無(wú)法貼合生產(chǎn)實(shí)際。本研究基于植物生態(tài)學(xué)特性，考慮了地形、土壤地質(zhì)、氣象等因子，且將各因子落實(shí)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(duì)較大尺度下油松的精準(zhǔn)適宜性空間分布進(jìn)行了研究，以期為白洋淀大清河流域造林規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
1研究區(qū)概況與研究方法
1.1研究區(qū)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(qū)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(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為6.58~13.26℃，多年平均降水量為365~626mm，年內(nèi)降水量極為不均，多年平均積溫為858~4664℃，多年平均無(wú)霜期為73~217d。研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)植物有華北落葉松Larixprincipisrupprechtii、油松Pinustabulaeformis、側(cè)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(shù)據(jù)來(lái)源
本研究數(shù)據(jù)分為地形、土壤地質(zhì)、氣象等3類，其中：地形數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/);土壤地質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)和全國(guó)地質(zhì)資料館(http://ngac.org.cn/Map/List);氣象數(shù)據(jù)為站點(diǎn)數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)各數(shù)據(jù)集。站點(diǎn)數(shù)量為79個(gè)，包含流域內(nèi)36個(gè)，流域外43個(gè)，各地理環(huán)境變量如表1。
在白洋淀大清河流域上游山區(qū)，以油松為優(yōu)勢(shì)種，隨機(jī)選取不同高程、坡度、坡向、坡位、土壤類型、齡組的樣方進(jìn)行調(diào)查，高程按照中山、低山區(qū)間結(jié)合太行山植物垂直地帶性進(jìn)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(diào)查時(shí)，山脈、高大植物會(huì)遮擋全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星信息接收[9]，故地理位置信息通過(guò)手持GPS儀結(jié)合衛(wèi)星地圖上比對(duì)位置并標(biāo)注后自動(dòng)獲取，其精確度要高于手持GPS儀直接獲取的位置數(shù)據(jù)，樣方分布如圖1所示。根據(jù)植物學(xué)和植物地理學(xué)等原理，在對(duì)油松可能適宜性空間單元篩選時(shí)，考慮人為干預(yù)較少的樣方和海拔100m以上地區(qū)，因此，本研究調(diào)查樣方主要分布于流域西部山區(qū)，共計(jì)190個(gè)30m×30m油松樣方數(shù)據(jù)(圖1)。
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在進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)插值時(shí)，將高程、坡度、坡向數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后作為輔助變量，利用逐步回歸法篩選后進(jìn)行回歸擬合，計(jì)算多元線性回歸在氣象站點(diǎn)位置的殘差，再利用普通克里金法對(duì)回歸殘差進(jìn)行插值，將每個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的確定部分和殘差插值結(jié)果部分相加得到各點(diǎn)的預(yù)測(cè)值[12]。本研究在插值時(shí)考慮到研究區(qū)面積較大且跨越不同氣候區(qū)，故將研究區(qū)按照氣候區(qū)劃分為2個(gè)區(qū)，即半濕潤(rùn)大區(qū)與半干旱大區(qū)，分別擴(kuò)寬30km進(jìn)行插值。為提升流域邊緣結(jié)果的準(zhǔn)確性，站點(diǎn)除選取流域內(nèi)的36個(gè)站點(diǎn)外，另選取流域周圍43個(gè)站點(diǎn)納入插值過(guò)程，插值完成后再進(jìn)行拼接得到連續(xù)的氣象要素空間分布數(shù)據(jù)，分辨率為30m，根據(jù)精度檢驗(yàn)，各氣象數(shù)據(jù)MLRK插值結(jié)果交叉驗(yàn)證值R2均大于0.9，插值結(jié)果達(dá)到準(zhǔn)確水平。
1.4精準(zhǔn)適宜性研究方法
1.4.1油松可能適宜空間單元篩選根據(jù)油松的生態(tài)習(xí)性，利用限制性因子疊加[13]，得到油松生長(zhǎng)的可能適宜單元。油松是中國(guó)特有樹種，主產(chǎn)華北、西北;生于海拔100~2600m，為研究區(qū)中、低山區(qū)重要的造林樹種。喜光，適干冷氣候，產(chǎn)區(qū)極端低溫−25℃，年降水量400~750mm，耐干旱，也能生長(zhǎng)在年降水量250mm的部分山區(qū);在酸性、中性、鈣質(zhì)土壤中均能生長(zhǎng)，極耐干瘠，石質(zhì)荒山亦能生長(zhǎng)，不耐水澇和鹽堿[14−15]。
2結(jié)果與分析
2.1最大熵模型精度分析
經(jīng)MaxEnt軟件計(jì)算，得到受試者工作曲線(ROC)圖，該圖反映模型靈敏度，可評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確程度，ROC曲線下面積AUC值越高，評(píng)價(jià)模型越準(zhǔn)確[20]。由圖5可見：基于MaxEnt模型和地理環(huán)境變量構(gòu)建的油松適宜性預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集AUC為0.869，大于0.8，達(dá)到很準(zhǔn)確水平;檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集AUC為0.817，大于0.8，達(dá)到很準(zhǔn)確水平。綜合模型準(zhǔn)確性，說(shuō)明油松適宜性預(yù)測(cè)模型有效性較高，可用于白洋淀大清河流域油松精準(zhǔn)適宜性空間分布研究。
刀切法(Jackknife)[21−22]可預(yù)測(cè)各地理環(huán)境變量對(duì)油松適宜性空間分布影響的得分情況，可確定各個(gè)環(huán)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(biāo)準(zhǔn)差依次是對(duì)油松預(yù)測(cè)貢獻(xiàn)率最高的地理環(huán)境變量，為流域內(nèi)油松精準(zhǔn)適宜性預(yù)測(cè)提供了豐富信息。此外，當(dāng)忽略巖石類型變量時(shí)，會(huì)最大程度上降低地理環(huán)境變量總得分，因此，它具有最多其他變量中沒(méi)有的信息，也需要綜合考慮。
通過(guò)MaxEnt模型得到各地理環(huán)境變量與發(fā)生概率之間的反饋曲線，該曲線可反映單個(gè)地理環(huán)境變量值與發(fā)生概率之間的響應(yīng)關(guān)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(shì)，以分布概率0.5為界，積溫適宜區(qū)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(qū)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(qū)間為70~110mm。由圖7D看出：隨著多年年平均氣溫標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差適宜區(qū)間為0.31~0.42℃。
2.2適宜性結(jié)果分析
參考李培琳[23]、麻亞鴻[24]的適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定概率在0~0.05為不適宜區(qū)，0.05~0.30為低適宜區(qū)，0.30~0.50為中適宜區(qū)，0.50~1.00為高適宜區(qū)。白洋淀大清河流域油松高適宜區(qū)面積為1924km2，中適宜區(qū)為3477km2，低適宜區(qū)為7621km2，不適宜區(qū)為30038km2，中、高適宜區(qū)面積達(dá)到流域總面積的12.54%，中、高適宜區(qū)主要分布在大清河流域上游山區(qū)的西北部，在靈丘縣、淶源縣、淶水縣、易縣、房山區(qū)、阜平縣等區(qū)縣。油松精準(zhǔn)適宜性空間分布及其細(xì)節(jié)放大圖如圖8，分辨率為30m。表2為油松高適宜區(qū)面積大于20km2的縣，可見，高適宜區(qū)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(qū)域較多，在利用油松林進(jìn)行綠化時(shí)可著重考慮。
3討論
油松是華北地區(qū)主要造林樹種，由于早期造林時(shí)，沒(méi)有考慮油松適宜性或僅根據(jù)氣候區(qū)劃種植了大面積的人工油松林，使得油松生長(zhǎng)緩慢，或衰退現(xiàn)象明顯[25−26]。近年來(lái)，針對(duì)油松適宜性的研究?jī)H停留在小尺度，且數(shù)據(jù)和研究成果精度不高，難以為油松防護(hù)林營(yíng)造提供科學(xué)支撐。
本研究從油松生態(tài)習(xí)性的角度，得出影響油松適宜分布的主導(dǎo)地理環(huán)境變量有積溫、最大日降水量、高程、年平均氣溫標(biāo)準(zhǔn)差，貢獻(xiàn)率均大于20%，高適宜區(qū)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(biāo)準(zhǔn)差0.31~0.42℃的區(qū)域內(nèi)。張春霞等[6]認(rèn)為：油松中低海拔(900~1100m)立地質(zhì)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(diào)查樣方集中于900m以上。魏安琪[27]認(rèn)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(dǎo)因子，這是由于該研究?jī)H考慮了地形因子未考慮氣象因子，且本研究分析后認(rèn)為坡向通過(guò)影響區(qū)域局部水熱條件而對(duì)氣象因子產(chǎn)生影響，這在氣候因子中有所體現(xiàn)。
在油松林管護(hù)過(guò)程中，針對(duì)不適宜導(dǎo)致的油松低效林，可間伐及間種其他適宜植物，通過(guò)逐漸演替由新植物種代替油松成為優(yōu)勢(shì)種;其次，在油松防護(hù)林營(yíng)造時(shí)，需根據(jù)上述條件判斷該地塊是否適宜油松生長(zhǎng)。本研究由于研究區(qū)范圍較大，僅考慮了土壤類型對(duì)油松生長(zhǎng)的影響，沒(méi)有考慮土壤理化性質(zhì)[28]、土壤厚度[21]等，在防護(hù)林建設(shè)中需綜合考慮。此外，在以地理環(huán)境為角度進(jìn)行油松適宜性研究時(shí)，未考慮林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理、經(jīng)濟(jì)因素、其他人為因素等。在防護(hù)林建設(shè)中，整地方式、苗木品質(zhì)、森林采伐等經(jīng)營(yíng)管理技術(shù)均對(duì)油松有較大影響;從經(jīng)濟(jì)角度看，造林成本、管護(hù)投入等因素也會(huì)造成一定影響[29−30]，也需綜合考慮。——論文作者：郭虹揚(yáng)1,2，史明昌1,2，楊建英1,2，陳春陽(yáng)1,2