GIS支持下的浠水縣林地適宜性評價及林種結構調整研究

馬 浩，周志翔，吳昌廣，魏合義，劉學全，唐萬鵬

(1.華中農業大學園藝林學學院，湖北 武漢 430070;2.湖北省林業科學研究院，湖北 武漢 430079)

土地適宜性評價是根據土地的自然和社會經濟屬性，研究土地對預定用途的適宜與否、適宜程度及其限制狀況，從而為區域土地利用結構和布局的調整、土地利用規劃分區等提供科學依據。當前的研究主要是開展土地的農業適宜性評價［1－5］和土地的城市適宜性評價［6－7］，而林地的適宜性評價研究較少［8－9］，且通過林地適宜性評價進行林種結構調整的研究未見報道［10－11］。宜林地的數量及其質量狀況對于改善區域生態環境、維護生態系統平衡起著決定性作用。由于構成因素不同，導致自然界中不同區域林地的立地條件、質量、生產力、用途等千差萬別，不同的林地資源利用方式各異。為了使林地資源高效持續利用，必須對林地適宜性進行精確的評價。本研究應用GIS技術，在對湖北省浠水縣林地進行適宜性評價的基礎上，開展浠水縣林種結構調整研究，以便為浠水縣林地資源的高效利用及可持續發展提供依據。

1 研究區概況

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，西南長江沿岸為沖積平原。該縣屬典型的亞熱帶大陸性季風氣候，年平均降水量約1400mm，年平均氣溫16.9℃，無霜期230～258d，四季分明，光照充足，雨量充沛。

根據1999年湖北省森林資源二類調查成果，浠水縣林業用地面積64492hm2，占全縣土地面積的36.5%，其中有林地52652hm2，占林業用地的81.6%。有林地中:用材林面積32114hm2，占61.0%;防護林面積 4144hm2，占7.9%;經濟林面積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 評價對象與評價標準

根據《全國1∶100萬土地資源圖編圖制圖規范》和全國《縣級土地利用總體規劃編制要點》中有關土地適宜性評價的要求，結合浠水縣土地利用現狀和土地類型特點，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價對象，共計63054hm2。

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

Ⅰ等:最適宜林地。立地條件最好，對任何林分的生長發育無限制或極少限制。此種林地最適宜發展經濟林或速生豐產林，以提高林地經濟價值。

Ⅱ等:適宜林地。立地條件中等，對林業利用有一定限制，但土壤較深厚、坡度較小，可根據需要發展用材林和特用林。

Ⅲ等:勉強適宜林地。林地質量較差，對林業利用有較大限制。立地條件不能滿足經濟林和用材林的需要，或者種植后達不到預期的收益，可以發展生態防護林。

Ⅳ等:不適宜林地。由于對林業利用有很大限制，以致不能確保對其進行有效而持久的利用。應結合現實條件宜草則草、宜荒則荒。

2.2 評價單元確定

評價單元是進行適宜性評價的最小空間單位。由于柵格數據具有較強的空間疊加能力，且每個柵格只有一個數值，可以方便地進行點對點的數學運算，既節約時間又提高了評價精度，因此本研究以100m×100m的柵格作為基本評價單元，以使評價結果更加科學、合理。

2.3 評價因子選取與處理

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，因此根據研究區的實際情況，本著可比性、科學性、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項指標作為適宜度評價因子［1，4］。

各評價因子數據是在ArcGIS9.2軟件中實現的，統一到WGS－1984坐標系，采用的是WGS－84橢球(GPS全球定位系統橢球)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，對林木的生長和分布會產生很大影響。坡度對林木生長有直接的影響，因為地面坡度的大小決定著地表侵蝕作用的強度、水土流失的強度、土層厚度、灌溉的難易等。坡向對日照時數、太陽輻射強度、溫度及濕度等都有明顯影響，從而引起林木和環境的生態關系發生變化。本研究以浠水縣1∶10萬等高線矢量圖為基礎，通過ArcGIS9.2中的3DAnalyst模塊生成不規則三角網表面模型TIN文件，并將其轉化為100m×100m的柵格文件生成DEM(數字高程模型)，獲得浠水縣海拔分布圖。再運用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力的重要因素，同時還直接影響林木根系分布的空間范圍和土壤水分、養分貯量及利用率。本研究根據浠水縣土壤信息數據，在ArcGIS9.2中利用反距離加權法(Inverse Distance Weighting，IDW)進行插值，獲得浠水縣土層厚度空間分布柵格數據。反距離加權法以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點被賦予的權重越大。其計算公式為

式中:z(x0)為x0處的預測值;z(xi)為xi處的測量值;n為預測過程中要使用的預測點周圍樣點的數量;di0為預測點x0與各已知樣點xi之間的距離;p是距離的冪。本次插值p設為2(反距離加權法通常所用的指數值)，樣點搜索范圍設為臨近的n=12個樣點。

土壤類型是重要的土壤特征之一，也是影響林業發展的最重要的因素之一，不同的土壤類型，其養分和水分的含量也不同，對林木的生長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)進行掃描，在ArcGIS9.2中輸出為img格式的影像圖，運用ERDAS9.1對其進行地理坐標配準，再導入到ArcGIS9.2中編輯屬性并生成矢量數據，最后轉換為100m×100m的柵格數據。

2.4 評價因子分級與評價權重

根據評價標準及各評價因子對區域林地質量的影響，將各評價因子劃分為4個等級，擬定出浠水縣林地適宜性評價因子分級標準(表1)，并通過分析調查資料和借鑒專家經驗分別賦值［3，7－8］。通過問卷調查，采用特爾斐法確定各評價因子的權重［2］。

表1 評價因子分級標準

2.5 林地適宜性評價模型

將各評價因子的權重與其相應的等級分值相乘，獲得每個柵格單元中各評價因子的評價值，再通過加權疊加，得出各柵格單元的綜合評價值S。其評價模型為［2，5］

式中:S為柵格單元的綜合評價值;Ui為評價因子i的分值;Wi為評價因子i的權重;n為評價因子總數。

根據各柵格單元的綜合評價值，利用ArcGIS中的nature break工具確定各適宜度等級臨界點的分值，并結合浠水縣的林地特性及其對林業生產的適宜程度，同時參考相關專家意見，按適宜度值 S≥85、85 ＞S≥77、77 ＞S≥60、S＜60劃分林地適宜度等級，并生成浠水縣林地適宜度等級布局圖。

2.6 林種結構調整方法

根據浠水縣森林資源現狀以及森林分類經營對立地條件及林地適宜度等級的要求，并結合林地適宜性評價結果，對浠水縣林種結構進行調整。對比分析林種結構調整前后的面積變化與比例，生成調整后的各林種布局圖，使林種調整落實到具體地塊，以便實施。

3 結果與分析

3.1 浠水縣林地適宜性評價

根據浠水縣林地適宜性評價的指標體系，將評價因子按等級賦值，并通過問卷調查采用特爾斐法確定各評價因子的權重，結果見表2。由表2可知，坡度因子的權重最大，其次為土層厚度，而土壤類型和海拔高度的權重較小。說明在浠水縣林業用地范圍內坡度和土層厚度的變化大，是影響林地立地條件的主導因子;而土壤類型和海拔的差異較小，對林地立地條件的影響也較小。

表2 林地適宜性評價因子等級賦值及權重

根據評價模型及適宜度等級劃分標準，得出浠水縣林地適宜性評價結果，見表3。由表3可知，浠水縣宜林地資源(最適宜、適宜和勉強適宜)總面積為62553hm2，占參評土地總面積的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，說明浠水縣還有相當數量的宜林地資源尚未開發利用，林業發展還有較大潛力。

表3 浠水縣林地適宜性評價結果

利用ArcGIS空間分析功能，生成林地適宜度等級分布圖。其結果顯示，最適宜林地主要分布在蔡河鎮、洗馬鎮、關口鎮等區域。該區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，土地生產力高，是浠水縣最適宜造林的地區。

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

勉強適宜林地主要分布在綠楊鎮、曹家塆、三溪塆、洛家塆、六神港、方家塘、三店等鄉鎮。該區域多分布在海拔較高的半陰坡，土層較薄、土質較差，立地因子對林業的發展有一定的影響。

不適宜林地主要分布在曹家塆、三角山自然風景區的邊緣等極少數地區。該區域海拔一般在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域不適合林木生長。應減少人為干擾，保護原有的生態環境。

3.2 浠水縣林種結構調整

根據浠水縣森林二類清查資料，浠水縣用材林比例過高，而防護林和特用林等比例相對過低，林木資源大量消耗，嚴重地降低了森林的生態調節和防護效能，影響了區域生態安全。

本研究根據不同林種對立地條件及林地適宜度等級的要求，結合當地社會經濟環境以及林業發展的需要，按照最適宜林地優先發展經濟林或速生豐產林，適宜林地發展用材林和特用林，勉強適宜林地發展生態防護林，不適宜林地宜草則草、宜荒則荒的原則，將浠水縣林種結構調整為經濟林18879hm2、用材林 20317hm2、特用林 6552hm2、防護林17266hm2、薪炭林40hm2(表4)。其中:在現有經濟林面積16180hm2的基礎上，可在最適宜的坡耕地通過退耕還林營造經濟林2520hm2，在最適宜的荒草地營造經濟林179hm2，使經濟林總面積增加2699 hm2。將現有用材林32114hm2調整為20317hm2，包括最適宜林地區的現有速生豐產林8097hm2，適宜林地區的現有用材林10712hm2，同時在適宜的坡耕地通過退耕還林營造用材林1385hm2以及將適宜的荒草地改造為用材林123hm2;而將現有用材林中的13305hm2調整為特用林和防護林。在現有特用林面積174hm2的基礎上，需在三角山自然風景區、斗方寺等適宜林地區增加特用林(風景林)面積6378hm2。勉強適宜林地區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，應將其劃為防護林區域實行分類經營;此外，在河流和水庫附近(如巴河、浠水、白洋河水庫等)5956hm2的宜林未利用灘地上，應營造生態防護林，以涵養水源和保持水土，從而使防護林總面積達到17266 hm2。薪炭林面積保持40hm2不變。

表4 浠水縣各林種類型調整前后的面積變化

通過林種結構調整，浠水縣林地總面積增加10402hm2。其中，經濟林面積增加2699hm2，用材林面積減少11797hm2，特用林面積增加6378hm2，防護林面積增加13122hm2，薪炭林面積沒變。這樣，生態公益林和商品林的面積分別達到23858hm2和39196hm2，生態公益林所占比例由調整前的8.3%提高到37.8%。

4 結論與討論

在浠水縣63054hm2的參評土地中，最適宜林地占48.7%，主要分布在海拔較低的平緩坡、土層深厚的區域，是浠水縣最適宜造林的地區;適宜林地占33.0%，主要分布在海拔低于500m、坡度變化較大、土層較厚的區域;勉強適宜林地占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因子。

大于25°的坡耕地總面積為4144hm2，除239hm2勉強適宜外，其他3905hm2均為適宜和最適宜林地，退耕還林任務還十分艱巨。未利用土地主要是灘地，面積達5956hm2，除164 hm2勉強適宜外，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，應充分利用發展經濟林或楊樹工業用材林。

根據不同林種對立地條件及林地適宜度等級的要求，浠水縣林業用地可增加經濟林面積2699hm2，減少用材林面積11797hm2，增加特用林面積6378hm2，增加防護林面積13122 hm2。通過林種結構調整，可使生態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生態體系和比較發達的林業產業體系奠定基礎。

基于林地適宜性評價的林種結構調整，一方面有利于充分合理地利用林地資源，改善林種結構，提高林地生產力，并為森林的分類經營規劃提供理論基礎［10－11］;另一方面，可以獲得調整的各林種布局圖，使得林種結構調整落實到具體地塊，既有科學依據，又具有一定的可操作性。

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