基于GIS技术的福建省豆科主要珍贵树种用地优化布局研究

2016-08-06 07:52郑巧丽范协裕陈瀚阅邱龙霞邢世和
广东农业科学 2016年6期
关键词:降香黄檀豆科

郑巧丽,范协裕,2,陈瀚阅,2,邱龙霞,2,邢世和,2

(1.福建农林大学资源与环境学院,福建 福州 350002;2.土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室,福建 福州 350002)

基于GIS技术的福建省豆科主要珍贵树种用地优化布局研究

郑巧丽1,范协裕1,2,陈瀚阅1,2,邱龙霞1,2,邢世和1,2

(1.福建农林大学资源与环境学院,福建 福州 350002;2.土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室,福建 福州 350002)

以福建省现状林地、园地、草地和部分未利用地为研究对象,根据花榈木、红豆树、降香黄檀3个豆科珍贵树种生长的立地要求,从地形、气候、土壤和社会经济4个方面选取评价因子,借助GIS技术和修正的加权指数及模型对福建省豆科主要珍贵树种进行用地适宜性评价。在此基础上,屏蔽不适宜用地,基于“适地适树”的用地优化布局理念,采用优势适宜性指数和K均值聚类分析相结合的方法,开展福建省豆科主要珍贵树种用地优化布局研究,将花榈木、红豆树和降香黄檀适宜用地分别划分为优先种植区、次优先种植区和一般种植区3个等级,制作福建省豆科主要珍贵树种用地优化布局图,并进行分区评述。

GIS技术;豆科珍贵树种;用地适宜性;优化布局;福建省

郑巧丽,范协裕,陈瀚阅,等.基于GIS技术的福建省豆科主要珍贵树种用地优化布局研究[J].广东农业科学,2016,43(6):90-97.

随着社会经济的迅猛发展,人们对珍贵树种木材的需求量日益增加,而我国珍贵树种现有资源量严重匮乏,后备资源不足[1]。珍贵树种发展也面临着诸如种植面积规模不大、树种杂乱、林地资源利用不充分等一系列问题[2]。因此,推动珍贵树种发展、调整和优化树种结构、促进其用地空间布局合理化,对加速区域社会经济发展和生态安全等均具有重要意义。

树种优化布局涵盖了结构和布局合理优化的内涵,在考虑自然因素基础上,综合考虑社会与经济因素来进行科学合理的布局,使林地资源能够得到充分的利用。早期的树种优化布局多采用单纯的数学模型来确定用地布局方案。庄晨辉[3]采用逐步回归分析法筛选出1月均温、年均温、5~6月均温、9~10平均相对湿度4个气候因子,并据此应用系统聚类分析法对福建柏进行产区区划。Ranst等[4]采用加权指数和法对泰国半岛的橡胶树进行用地适宜性区划。Enamul等[5]采用7种回归分析模型对孟加拉国达卡森林的赤桉、大叶相思、马占相思进行适宜性分区。随着地理信息技术的发展,GIS与数学模型集成技术在树种用地优化布局中得到越来越广泛的应用。吴仁烨等[6]运用GIS技术中的小网格精度推算漳州市的极端低温,并建立回归方程,根据冻害等级对龙眼、荔枝等果树进行用地区划。杨世琦等[7]选取温度、降水、日照3个气象因子结合伏旱频率方程,采用GIS空间分析功能,对重庆市油桐进行气候精细化区划。金志凤等[8]从气候、地形、土壤3个方面建立香榧种植综合区划评价指标体系,运用GIS技术、加权指数和法建立区划评估模型。刘少军等[9]根据橡胶树的生物学特性,从橡胶树种植的存在概率、台风影响和寒害发生概率3个方面确定橡胶树的气候区划指标,在GIS基础上,采用模糊综合评价模型进行橡胶树种植气候适宜性区划。Elaalem[10]对利比亚杰法拉平原的橄榄进行区划时,运用GIS技术与模糊多准则评价相结合的方法将研究区划分为高度、中度、勉强和目前不适宜4个区域。Koo等[11]采用群落分布和时间仿真模型并结合GIS技术对美国阿巴拉契亚山脉分布的红皮云杉进行生境适宜分区。

从目前研究来看,国内外关于树种用地优化布局的研究多集中在经济林木上,对珍贵树种的研究较少,且多从气候因素考虑,对地形、土壤和社会经济因素考虑较少,导致区划结果精度不高,与实际种植之间可能存在较大差距。基于此,本研究选取福建省豆科主要珍贵树种花榈木、红豆树、降香黄檀3个树种,利用福建省土地利用现状调查、气象站观测数据、水土流失以及林地和山地土壤样点等资料,借助GIS和数学模型集成技术,基于“适地适树”用地优化布局理念,从气候、地形、土壤和社会经济4个方面综合考虑,建立豆科主要珍贵树种适宜性评价模型,进而对其进行用地空间的优化布局,为福建省发展豆科珍贵树种生产及用地优化布局提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福建省位于我国东南沿海,地理坐标为115° 50′~120°40′E、北纬23°30′~28°22′N,土地总面积124 013.49 km2,辖福州、宁德、南平、三明、龙岩、漳州、泉州、莆田和厦门9个地级市,处于南亚热带至中亚热带的交迭带,受东南季风影响大,多年平均气温14.6~21.3℃,年降水量1 000~2 100 mm,无霜期235~365 d,年日照时数1 700~2 300 h[12-13]。全省地貌以山地、丘陵为主,地势总体上呈西北高东南低的趋势。全省森林覆盖率达65.95%,居全国首位[14]。全省分布有44种属于国家重点保护的珍贵树种,其中豆科珍贵树种主要有花榈木、红豆树、降香黄檀等[15]。

1.2 数据采集

从福建省相关部门收集以下资料:福建省1∶250 000土地利用现状、土壤类型、土壤侵蚀分布和DEM数据库;福建省第2次林业土壤普查调查样点空间分布及其相关属性分析数据;福建省68个气象站地理位置及近30年气象观测资料等。

1.3 评价对象及其分布图空间数据库建立

运用ArcGIS软件,从福建省土地利用现状数据库中提取出林地、园地、草地和部分未利用地、行政界线及交通用地、居民点工矿用地和水域用地等空间矢量数据图层,为豆科主要珍贵树种用地优化布局图编制提供基础。

1.4 豆科主要珍贵树种评价因子筛选及其属性数据库建立

借鉴花榈木、红豆树、降香黄檀的生理习性及其立地条件相关研究成果[16-25],结合福建省自然环境条件,遵循主导性、差异性、稳定性等原则[26],采用专家经验法,筛选出地形(坡度、坡向)、气候(年均温、年降水量、无霜期)、土壤性状(有机质、全磷、全钾、pH、侵蚀模数、土层厚度、质地)和社会经济条件(区位、交通通达度)共14个因子作为福建省豆科主要珍贵树种用地适宜性评价因子。

借助ArcGIS软件,采用三维二次趋势面分析结合反距离权重插值残差订正模型[27]推算并建立福建省年均温、年降水量、无霜期因子栅格(250m×250 m)空间数据库;利用福建省DEM数据库,采用ArcGIS软件中的坡度、坡向运算模块生成坡度、坡向因子栅格数据库;采用克里格或反距离权重插值模型[27]生成福建省土壤有机质、全磷、全钾、pH、土层厚度、质地(250 m×250 m)栅格数据库;利用福建省评价对象空间分布矢量数据图层掩膜土壤侵蚀分布及上述各评价因子数据图层,采用面积加权平均法计算并建立福建省评价对象上述评价因子属性数据库。从福建省土地利用现状图数据库提取出交通用地及城镇居民点用地分布数据图层,以评价对象各栅格中心点到道路或居民点中心点的最短距离为准则,推算建立福建省评价对象区位因子数据库。根据网络最短路径公式[28]计算建立福建省评价对象交通通达度因子数据库。

1.5 评价因子属性数据标准化

借助SPSS软件非线性回归模型对各评价因子相应的隶属函数模型进行拟合,建立花榈木、红豆树、降香黄檀的戒上、戒下和峰型评价因子的隶属函数经验模型(表1),采用特尔斐法[27]建立概念型评价因子的隶属度经验值(表2),利用隶属函数模型或隶属度经验值对各评价因子属性数据进行标准化[27]。

表1 豆科主要珍贵树种评价因子隶属函数类型及其经验模型

表2 豆科主要珍贵树种质地、坡向隶属度经验值

1.6 评价因子权重的确定

采用层次分析法[27]确定福建省豆科主要珍贵树种各评价因子的权重(表3),借助农业部耕地资源管理信息系统的层次分析模块进行运算,并进行一致性检验,花榈木、红豆树、降香黄檀的CR值分别为0.00040、0.00576、0.00272,均小于0.1,表明计算结果可信。

1.7 豆科主要珍贵树种用地适宜性评价

根据豆科主要珍贵树种正常生长对立地的要求[16-25],采用特尔菲法确定其用地适宜性极限因子及其极限值(表4)。

表3 豆科主要珍贵树种评价因子权重

采用修正的加权指数和模型[27]计算豆科主要珍贵树种用地适宜性指数,计算公式如下:

式中,Yi为评价单元某一珍贵树种的适宜性指数,ai为各评价因子的隶属度,bi为评价因子的权重值,i为任意一个参评因子,n表示参评因子总数。当评价单元任一评价因子指标超过其极限值时,Yi=0,该评价单元为不适宜用地,当评价单元因子均未超过其极限值时,即Yi>0时,该评价单元为适宜用地。

1.8 豆科主要珍贵树种用地优化布局

珍贵树种用地优化布局主要以“适地适树”为主要立论依据,“适地适树”就是使造林地的立地条件(地形、气候、土壤等)与造林树种的生物学、生态学特性相适应,以充分发挥土地的生产潜力,使该立地在当前经济技术水平下达到利益最大化[29]。因此,在开展福建省3个豆科珍贵树种用地优化布局时,应基于“适地适树”的用地布局理念,在适宜性评价的基础上,优先选择适宜性指数最高(即优势适宜性指数)的珍贵树种作为该评价单元的最适树种用地。评价单元优势适宜性指数公式为:

式中,Y为评价单元的优势适宜性指数(即评价单元对3个珍贵树种适宜性指数的最高得分值),Yi为评价单元对花榈木、降香黄檀和红豆树的适宜性评价得分。借助SPSS软件的K均值聚类分析模型,屏蔽不适宜用地,在适宜用地上对福建省豆科主要珍贵树种进行用地优化布局分区,具体划分指标见表5。

表4 豆科主要珍贵树种极限因子

2 结果与分析

2.1 豆科珍贵树种用地适宜性分析

豆科珍贵树种用地适宜性结果(表6、图1)表明,福建省适宜种植花榈木、红豆树和降香黄檀用地总面积分别为637.51万、573.63万、138.69万hm2,分别占评价对象总面积的68.86%、61.96%和14.98%。可见,福建省大部分地区适宜种植花榈木和红豆树。

花榈木适宜用地主要分布在闽南和闽西北地区,以龙岩、三明、南平、漳州市分布面积最多,合计占全省花榈木适宜用地总面积的73.66%。这些区域水、热资源较充沛,年均温、无霜期、年降水量均值分别为18.22℃、282.35 d和1 711.57 mm,均高于花榈木正常生长的理想值,且极限指标均未超过极限值;立地条件优越,质地多为砂质壤土和轻壤土,土层深厚,有机质含量为33.21 g/kg,土壤肥沃,pH值5.13,酸碱度适宜;区位条件优越,区位均值为1.20 km,交通便利,便于林木种植管理和木材的运输。

红豆树适宜用地主要分布于闽南、闽西和闽北部分地区,以龙岩、三明、南平和漳州分布占优势,合计面积达432.49万 hm2,占全省红豆树适宜用地总面积的75.40%。这些区域水、热资源较为丰富,年均温、年降水量、无霜期均值分别为17.62℃、1 795.18 mm、272.58 d,与红豆树正常生长的理想值相比相差不大,且极限指标均未超过极限值;土壤环境条件良好,水肥气热协调,土壤质地多为中壤和轻壤土,土层厚度均值达99.86 cm,土层深厚,pH值为5.11,酸碱度适宜,有机质含量均值为36.65 g/kg,土壤肥沃;区位均值达1.48 km,区位条件优越,交通通达性强。

表5 豆科主要珍贵树种用地优化布局分区标准

地市 豆科主要珍贵树种适宜用地花榈木 红豆树 降香黄檀福州 55.90 42.19 6.37龙岩 145.96 136.79 22.73南平 114.51 94.31 0.00宁德 29.84 27.79 0.00莆田 18.04 14.88 6.46泉州 57.43 49.84 20.43三明 123.26 136.76 0.00厦门 6.72 6.44 6.95漳州 85.84 64.64 75.73

图1 福建省豆科主要珍贵树种用地适宜性分布

降香黄檀适宜用地主要分布在闽东南地区,以漳州、龙岩、泉州分布最广,合计面积达118.88万 hm2,占全省降香黄檀适宜用地总面积的86%。这些区域年均气温、无霜期分别为20.04℃和319.72 d,与降香黄檀正常生长的理想值相比相差不大,年日照时数1 998.27 h,光照和热量资源充沛,年降水量1 473.46 mm,这与降香黄檀喜温热、耐干旱、忌水涝的特点相符;土壤立地条件较好,土壤多为砂质壤土,土层深厚,有机质含量均值为23.01 g/kg,土壤较肥沃,pH均值5.29,酸碱度适宜;区位均值为1.0 km,区位条件优越。

2.2 豆科珍贵树种用地优化布局分析

图2 福建省各市豆科主要珍贵树种用地优化布局面积

图3 福建省豆科主要珍贵树种用地优化布局图

豆科珍贵树种用地优化布局结果(图2、图3)表明,全省花榈木优化布局用地总面积为578.76万 hm2,占全省评价对象总面积的62.51%,主要分布在闽西南、闽西北、和闽东部地区,其中优先种植区、次优先种植区和一般种植区面积分别为268.59万、288.63万、21.54万 hm2,分别占全省花榈木优化布局用地总面积的46.41%、49.87%和3.72%。表明全省花榈木优化布局用地以次优先种植区和优先种植区为主。全省红豆树优化布局用地总面积175.81万 hm2,占全省评价对象总面积的18.99%,主要分布在闽北和闽西地区,其中优先种植区、次优先种植区和一般种植区面积分别为31.35万、131.89万、12.57万 hm2,分别占全省红豆树优化布局用地总面积的17.83%、75.02%、7.15%,表明全省红豆树优化布局用地以次优先种植占优势。全省降香黄檀优化布局用地总面积55.74万hm2,占全省评价对象总面积的6.02%,主要分布在闽东南地区,其中优先种植区、次优先种植区和一般种植区面积分别为35.17万、19.57万、1.01万 hm2,分别占全省降香黄檀优化布局用地总面积的63.09%、35.10%和1.81%,表明全省降香黄檀以优先种植区用地资源占优势。

从用地优化布局类型区分析(图2、图3)可知,花榈木优先种植区主要分布在龙岩、三明和南平南部等地区,合计占全省花榈木优先种植区用地总面积的88.13%。该区域水热资源丰富,年均温、无霜期、年降水量分别为18.34℃、286.46 d 和1 720.26 mm,可充分满足花榈木生长对水热的需求。土层厚度为110.98 cm、有机质含量达36.16 g/kg,土层深厚、土壤肥沃,土壤pH5.09,酸碱度适宜。土壤全磷、全钾含量丰富,均值分别为0.74、21.65 g/kg。质地多为砂壤和轻壤,水气热协调。地理区位优越,交通便利,区位和交通通达度均值分别为1.10、174.82 km。花榈木次优先种植区主要分布在龙岩西南部、南平、三明和福州东部等地,合计占福建省花榈木次优先种植区用地总面积的93.47%。该区域水热资源与优先种植区相差不大,土层深厚、有机质含量较高,但全磷、全钾含量较低,交通和区位也不如优先种植区。花榈木一般种植区主要分布在漳州市,合计占福建省花榈木一般种植区用地总面积的69.75%。这些区域年均温18.68℃、无霜期296.29 d,热量资源充足,但水分资源明显不如优先种植区。土层瘠薄,为57.13 cm,土壤肥力条件较差,全磷、全钾资源匮乏,其中,有机质含量18.98 g/kg、全磷含量0.32 g/kg、全钾含量13.51 g/kg,均明显低于花榈木适宜用地相应指标均值。交通条件较差,均值为209.54 km,不利于花榈木林木的管理和木材的运输。

红豆树优先种植区主要分布在三明、福州西部、龙岩东北部地区,合计占红豆树优先种植区用地总面积的80.56%。该区域气候温暖湿润、光照充足,年均温、年降水量、年日照时数均值分别为18.22℃、1 805.47 mm和1 796.67 h,土层深厚,土壤肥沃、全磷、全钾资源丰富,土壤环境条件优越,其中,土层厚度达114.83 cm,土壤有机质、全磷、全钾含量分别为42.26、0.81和20.03 g/kg,丰富的光、热、水资源和良好的土壤立地环境能充分满足红豆树生长对水肥要求高的需求。地理区位条件优越、交通通达性高,区位和交通通达性的均值分别为1.45、167.78 km。红豆树次优先种植区主要分布在南平、三明、宁德和福州等地区,合计占福建省红豆树次优先种植用地面积的92.42%。该区域光照和水分资源较为丰富,热量资源不如优先种植区,土壤有机质含量高,土层深厚,但磷、钾资源匮乏,交通和区位条件略逊于优先种植区。红豆树一般种植区用地面积较小,主要分布在南平北部和宁德等地区,合计占福建省红豆树一般种植用地面积的88.03%。该区域年降水量1 902.91 mm、无霜期245.88 d、年均温均值为15.37℃,表明水分资源充沛,但热量资源不足。有机质含量高,其均值为42.61 g/kg,但土层浅薄,全磷全钾资源匮乏,其中,土层厚度、全磷、全钾含量分别为74.84 cm、0.48 g/kg、16.43 g/kg,明显低于优先种植区,表明这些地区红豆树的种植会受到土壤立地条件的制约。交通条件较差,均值为225.90 km,不利于红豆树林木的种植管理和木材的运输。

降香黄檀优先种植区主要分布在漳州、泉州东部和厦门,合计占降香黄檀优先种植区用地总面积的98.94%。该区域无霜期、年均温、年日照时数均值分别为334.31 d、20.63℃和2 029.51 h,能充分满足降香黄檀对光热资源要求高的需求,年降水量1 443.68 mm,与降香黄檀耐干旱、忌水涝的生长特点相符。土壤环境质量较好,有机质、土层厚度、全磷、全钾均值分别为21.24 g/kg、83.40 cm、0.54 g/kg和22.39 g/kg,与降香黄檀耐瘠薄的生长特点相吻合,能保证降香黄檀正常生长。地理位置优越,交通便利,区位和交通通达性均值分别为0.83、187.05 km。降香黄檀次优先种植区主要分布在漳州东南部,合计占全省降香黄檀次优先种植区用地总面积的83.35%。该区域热量资源与优先种植区相似,降水量、土壤立地条件不及优先种植区,地理位置优越,但交通条件稍差。降香黄檀一般种植区面积较小,主要分布在福州沿海岛屿和漳州沿海地区。该区域无霜期349.44 d、年均气温20.17℃、年日照时数2 058.46 h,光照和热量资源丰富,年降水量仅为1 281.13 mm,水分资源明显不如优先种植区。土层瘠薄、土壤肥力质量较差,土层厚度均值为47.29 cm、有机质、全磷、全钾含量分别为12.01、0.25、15.76 g/kg,均远远低于优先种植区。区位和交通条件较差,其均值分别为1.15 km、214.64 km,不利于降香黄檀林木的管理和木材的运输。

3 结论与讨论

根据花榈木、红豆树和降香黄檀生长的立地要求和前人研究结果,构建了福建省豆科主要珍贵树种评价指标体系,筛选出2个地形因子(坡度、坡向)、3个气候因子(年均温、年降水量、无霜期)、7个土壤因子(有机质、全磷、全钾、pH、侵蚀模数、土层厚度、质地)和2个社会经济因子(区位、交通通达度),借助GIS技术,完成了各评价指标的细网格推算,应用修正的加权指数和法建立综合评估模型。

从研究结果来看,影响花榈木、红豆树、降香黄檀3个树种正常生长的因子主要是水分、热量及海拔,同时也受坡度、土层厚度、酸碱度及土壤侵蚀等因素的制约,这与邢世和等[30]对桉树树种的研究结果相似。本研究采用优势适宜性指数与K均值聚类分析相结合的方法进行用地优化布局,将花榈木、红豆树、降香黄檀适宜用地区划为优先种植区、次优先种植区和一般种植区3个等级,并进行分区评述。基于GIS和数学模型集成技术的用地优化布局,与早期单纯的数学模型相比,更具精细化,将优化布局分区呈现在地图上,也更直观。从地形、气候、土壤和社会经济4个方面进行综合优化布局研究,克服了以往仅考虑气候因素或仅从气候、土壤、地形三方面考虑的相关研究,使研究更具有实际指导意义。

从优化布局结果来看,豆科3个树种用地优化布局符合3个树种的生长习性要求,与目前相应树种在福建省的分布情况基本一致,但由于采用专家经验法确定各个评价因子的标准值、上下限值和极限因子的极限值,受一定人为因素的制约,多少会影响到优化布局结果。在实际林业发展中,应根据当地的实际情况进行适当的调整。

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(责任编辑 白雪娜)

Optimal arrangement of plantation for precious legume forest species in Fujian by GIS technology

ZHENG Qiao-li1,FAN Xie-yu1,2,CHEN Han-yue1,2,QIU Long-xia1,2,XING Shi-he1,2
(1.College of Resource and Environment,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China;2.University Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation in Fujian,Fuzhou 350002,China)

Based on the demands of precious legume forest species,such as Ormosia henryi,O.hosiea and Dalbergia odorifera habit and taking the woodland,orchard,meadow,and some unused land in Fujian as the research object,a suitability evaluation index system of precious legume forest species was established.The index system included 14 relevant factors form four aspects∶ topography,climate,soil and social economic.Suitable land resources for precious legume forest species were assessed by GIS technology,integrated with correctional weighting-multiplication model.On this basis,non-planting areas were extracted from the land-use map,the layout of precious legume forest species in Fujian was optimized based on the principle of"suitable trees plantation on land"with integrated technology of the advantages of index method and K means clustering analysis method.The results of regionalization included three grades of preferential planting area,secondary preferential planting area and general planting area.The results of above partitions were analyzed and optimizing arrangement map of precious Legume species plantation in Fujian was drew by GIS technology.

GIS technology;precious Legume forest species;suitable land resource;optimal arrangement;Fujian Province

S792

A

1004-874X(2016)06-0090-08

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.06.016

2015-12-27

福建省科技重大专项(2012NZ0002)

郑巧丽(1990-),女,在读硕士生,E-mail:zqlsnow@foxmail.com

邢世和(1962-),男,博士,教授,E-mail:fafuxsh@126.com

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