河北崇礼东沟流域立地类型划分及其植被配置
1. 北京林业大学 水土保持国家林业和草原局重点实验室, 100083, 北京;
2. 北京林业大学 教育部林业生态工程中心, 100083, 北京;
3. 上海勘察设计研究院(集团)有限公司, 200093, 上海;
4. 中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司, 110066, 沈阳
收稿日期：2021-01-23; 修回日期：2022-04-09
项目名称：国家重点研发计划课题"冬奥会廊道山地森林景观优化配置关键技术研究"（2019YFF030320301）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点资助项目"露天煤矿全生命周期生态环境保护与修复治理关键技术研究"（2018-2-ZD005）
摘要：河北崇礼区东沟流域植被的合理配置对绿色冬奥意义重大。明确流域土壤水分主要影响因子并据此进行立地类型划分，有助于该区域植被的合理配置。本文通过野外实地调查分析东沟流域不同坡度、坡向及土壤类型的土壤水分特征差异，研究了影响土壤水分的主导立地因子，并利用遥感技术进行流域立地类型划分，探讨了该流域内不同立地类型的植被配置。结果如下：1）按照"坡向-坡度-土壤类型"的命名方式，东沟流域被划分为32种立地类型。2）流域内的粗骨土和栗钙土、褐土与棕壤的初始含水量不存在显著差异，粗骨土与栗钙土、褐土、棕壤土的有效含水量有显著差异（P < 0.05）；平坡（0~5°）、缓坡（>5°~15°）、斜坡（>15°~25°）、陡坡（>25°）4个坡度的初始含水量和有效含水量均无显著差异（P < 0.05）；阴坡的初始含水量（15.26±3.09）%，优于阳坡（10.99±3.02）%，阴坡的有效含水量（30.59±4.62）%优于阳坡（22.83±5.11）%。3）划分立地类型中，陡坡立地类型组以耐旱的水土保持林种为主，灌草为辅，减少水土流失；斜坡立地类型组根据水热条件种植经济林、用材林；缓坡和平地立地类型组应合理规划农业用地。坡向、土壤类型等为影响土壤水分特征变化的主要立地因子，通过流域立地类型划分可以为该流域内的植被的合理营建提供理论支持。
关键词：立地类型划分 土壤含水量 植被配置 东沟流域
Site type division and vegetation allocation in Donggou watershed of Chongli, Heibei province
1. Key Laboratory of Soil and Water Conservation, National Forestry and Grassland Administration, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
2. Forestry Ecological Engineering Center of Ministry of Education, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
3. SGIDI Engineering Consulting (Group) Co., Ltd., 200093, Shanghai, China;
4. CCTEG Shenyang Engineering Company, 110066, Shenyang, China
科学植被配置是植被恢复工作开展的根本[1]。研究证明，合理的植被配置能够加快植被恢复进程，从而影响森林群落的演替[2-3]。其中，土壤水分是影响植被配置的重要因素。特别是矿山[4]、干旱半干旱区[5]、土层浅薄的土石山区等生态脆弱地区的植被恢复进程中，土壤初始含水量和土壤有效含水量有着尤为重要的作用。国内外学者[6-7]证实不同区域的地形因子对土壤水分的影响作用差异明显。立地类型划分是将林木立地条件及效果相近似的归一划分，对适地适树的实现和植被配置高效发展有重要的作用[8]。因此，明确不同地区的土壤水分影响因子，基于主导因子进行立地类型划分是完成植被配置工作的基础。
崇礼区东沟流域是2022年冬奥会核心赛区之一。该地区植被高效营建以及景观提升工作的开展，对绿色冬奥目标的实现有重要意义。但前人[9]对其研究集中于景观格局分析等大尺度的覆被变化，只掌握该地区宏观层面的变化动态，缺少对流域内土壤水分及其影响因子确定以及立地类型特性的研究。本研究以实地调查与遥感技术为基础，探究影响土壤水分含量的立地因子，基于主导因子进行立地类型划分，从而实现植被配置工作的高效开展，为绿色冬奥目标的实现提供理论基础和数据支撑。
1 研究区概况
东沟流域位于河北省张家口市崇礼区(图 1)，为清水河上游支流。流域面积约为709.83 km2，流域平均坡度270‰。该地属于温寒带干旱、半干旱大陆性气候，多年平均降水量为476.1 mm，年蒸发量753.5~1 103.0 mm[10]。土壤类型主要为棕壤土、褐土、栗钙土、粗骨土。研究区主要树种有白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、五角枫(Acer mono)、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)等；主要灌木有山杏(Armeniaca sibirica)、虎榛(Ostryopsis davidiana)、野玫瑰(Rosa rugosa)等。
2 研究方法
2.1 数据收集与样地调查
地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)下载得到数字高程模型(digital elevation model，DEM)，空间分辨率为30 m；2011年研究区森林资源二类清查数据，由崇礼林业局提供；地球系统科学数据共享平台(http://www.geodata.cn/)获取的1∶400万土壤类型分布图。
基于2018年野外调查的数据和崇礼林业局收集的资料，选取东沟流域内的48个样点进行典型样地布设，样地面积为20 m×20 m，每个样地沿对角线设置2个5 m×5 m的灌木样方，并选取5个1 m×1 m的草本样方，调查记录坡度、坡向、经纬度信息、植被分布、植被盖度等信息。每个典型样地内挖土壤剖面2个，每个剖面挖到30 cm深度为止，用环刀每隔10 cm取1层土样，每层土样取3次，利用室内环刀法、烘干法测定土壤水分含量。
2.2 立地因子的提取与测定
选取的样地中有22个位于阳坡和26个位于阴坡。其中，阳坡样地的灌草和乔木的比值约为6:1，阴坡样地灌草和乔木的比值约为3∶7。且研究区乔木长势较好，而阳坡灌草低矮稀疏，呈现出明显的分异特征。研究区内分布的4种土壤类型，理化性质较好的棕壤土，植被长势较好；较为贫瘠的粗骨土，水土流失严重，植被状况较差。且在野外调查中发现，陡坡的土壤侵蚀程度较大，土壤贫瘠，植被生长状态差。故选取对土壤水肥影响较大的坡向、坡度和土壤类型作为立地分类的主导因子。
采用ArcGIS10.2空间分析模块功能获得坡度、坡向因子；土壤初始含水量采用烘干法测定，土壤有效含水量采用田间持水量和萎蔫系数的差值获得，其中田间持水量采用室内环刀法测定，土壤吸湿水含量采用烘干法测定，从而获得萎蔫系数，即土壤吸湿水含量的1.5倍。
2.3 地形因子分级标准
坡向因子划分采用赵鹏祥等[11]和王飞等[12]在立地类型划分中采用的坡向划分方法，将坡向划分为阴坡和阳坡，其中阴坡包括北坡(337.5°~22.5°)、西北坡(292.5°~337.5°)、东北坡(22.5°~67.5°)、东坡(67.5°~112.5°)4个方位，阳坡包括南坡(157.5°~202.5°)、东南坡(157.5°~202.5°)、西南坡(202.5°~247.5°)和西坡(247.5°~292.5°)。参考《土地利用现状调查技术规程》中的坡度分级标准，结合东沟流域山区地形特点，将坡度划分为平地(0~5°)、缓坡(＞5°~15°)、斜坡(＞15°~25°)、陡坡(>25°)4个等级。
2.4 数据处理
利用SPSS 25的单因素方差分析方法确定坡向、坡度、土壤类型等主导立地因子对土壤水分含量的影响，对比阴阳坡土壤水分含量之间的差异性；利用ArcGIS10.2空间分析、空间叠加以及栅格计算等功能模块完成坡向、坡度因子的提取以及东沟流域立地类型划分(图 2)；运用Origin 2017和Excel 2010完成图表绘制。
3 结果与分析
3.1 不同立地类型划分
3.1.1 坡向和坡度的提取
利用ArcGIS10.2的水文分析功能提取流域边界，并应用空间分析功能提取坡向、坡度。东沟流域内平地、缓坡、斜坡、陡坡的面积比例分别为8.18%、39.42%、42.00%和10.40%(图 2)。平地和缓坡主要分布于沟道及其周围区域，主要为城乡居民建设用地。斜坡均匀分布于流域除沟道之外的区域。陡坡多接近平地、缓坡等地势平坦区域，宜采取适宜的水土保持措施，防治水土流失。
3.1.2 土壤类型的提取
参考崇礼区林业局提供的土壤类型分布资料，利用ArcGIS10.2的地理配准功能获得土壤类型分布图(图 3)。4种土壤类型的面积从小到大为褐土(8.21%)、栗钙土(8.86%)、粗骨土(20.91%)和棕壤土(62.02%)。棕壤土和褐土土壤肥力较高，可采用乔灌草配置模式造林。粗骨土和栗钙土土壤肥力较差，可采用灌草与耐贫瘠、耐干旱的树种相结合搭配模式，改良水土流失现状。
3.1.3 立地类型划分
利用ArcGIS10.2的空间叠加、栅格计算功能，将东沟流域坡向、坡度、土壤类型分布图进行空间叠加计算，进行立地类型划分。立地类型命名为“坡向-坡度-土壤类型”的形式，如阴坡缓坡褐土(图 4)，因中文能够区分开来，连字符“-”省略。
在32种立地类型中，阳坡斜坡棕壤土、阴坡斜坡棕壤土、阴坡缓坡棕壤土、阳坡缓坡棕壤土4种立地类型比例较大，其面积之和占东沟流域总面积的49.93%。阳坡斜坡粗骨土、阳坡陡坡棕壤土、阴坡斜坡粗骨土、阳坡缓坡粗骨土等18个立地类型所占面积比例范围为1.00%~5.00%。剩余阴坡陡坡粗骨土、阳坡平坡褐土等10种立地类型所占面积比例≤1.00%(表 1)。
表 1(Tab. 1)
表 1 立地类型比例信息
Tab. 1 Site type proportion information
立地类型
Site type |
比例范围
Proportion/% |
| 阳坡斜坡棕壤土、阴坡斜坡棕壤土、阴坡缓坡棕壤土、阳坡缓坡棕壤土Sunny-Incline-Brunisolic，Shady-Incline-Brunisolic，Shady-Gentle-Brunisoli，and Sunny-Gentle-Brunisolic |
≥ 10.00 |
| 阳坡斜坡粗骨土、阳坡陡坡棕壤土、阴坡斜坡粗骨土、阳坡缓坡粗骨土、阴坡缓坡粗骨土、阳坡缓坡栗钙土、阴坡陡坡棕壤土、阴坡缓坡栗钙土、阳坡平坡棕壤土、阳坡缓坡褐土、阴坡缓坡褐土、阴坡平坡棕壤土、阳坡陡坡粗骨土、阳坡斜坡栗钙土、阳坡斜坡褐土、阳坡平坡粗骨土、阴坡斜坡栗钙土、阴坡斜坡褐土Sunny-Incline-Skeleton，Sunny-Steep-Brunisolic，Shady-Incline-Skeleton，Sunny-Gentle-Skeleton，Shady-Gentle-Skeleton，Sunny-Gentle-Chestnut，Shady-Steep-Brunisolic，Shady-Gentle-Chestnut，Sunny-Flat-Brunisolic，Sunny-Gentle-Cinnamon，Shady-Gentle-Cinnamon，Shady-Flat-Brunisolic，Sunny-Steep-Skeleton，Sunny-Incline-Chestnut，Sunny-Incline-Cinnamon，Sunny-Flat-Skeleton，Shady-Incline-Chestnut，and Shady-Incline-Cinnamon |
1.00~5.00 |
| 阴坡陡坡粗骨土、阳坡平坡褐土、阴坡平坡粗骨土、阳坡平坡栗钙土、阴坡平坡褐土、阳坡陡坡褐土、阴坡平坡栗钙土、阳坡陡坡栗钙土、阴坡陡坡褐土、阴坡陡坡栗钙土Shady-Steep-Skeleton，Sunny-Flat-Cinnamon，Shady-Flat-Skeleton，Sunny-Flat-Chestnut，Shady-Flat-Cinnamon，Sunny-Steep-Cinnamon，Shady-Flat-Chestnut，Sunny-Steep-Chestnut，Shady-Steep-Cinnamon，and Shady-Steep-Chestnut |
≤ 1.00 |
| 注：立地类型划分比例范围值表示各个立地类型所占比例的合集，为非连续数值。Notes: The value of the scale of site type division indicates the collection of the proportions of each site type, which is a non-continuous value. |
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表 1 立地类型比例信息
Tab. 1 Site type proportion information
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3.2 立地因子对土壤水分的影响
3.2.1 土壤初始含水量
48块样地土壤样品初始含水量的方差分析表明，粗骨土和栗钙土以及褐土与棕壤之间的初始含水量差异不显著(P＜0.05)(图 5)。土壤初始含水量从小到大依次为：粗骨土(6.53±3.48)%、栗钙土(9.25±2.36)%、褐土(14.60±3.68)%、棕壤土(17.34±5.43)%。
4种坡度条件下的土壤初始含水量范围为12.90%~16.24%。单因素方差分析表明，平地、缓坡、斜坡和陡坡4种坡度之间的土壤初始含水量差异不显著(图 6)，也就是说其对土壤初始含水量的影响均不显著(P＜0.05)。
阴坡的土壤初始含水量普遍大于阳坡的初始含水量。阴坡的土壤初始含水量为(15.26±3.09)%，阳坡的土壤初始含水量为(10.99±3.02)%，其中，阳坡的26个样本中存在部分点的水分含量值小于阳坡的初始含水量(图 7)。显著性检验结果显示，阴阳坡土壤初始含水量存在显著差异(P＜0.05)。
3.2.2 土壤有效含水量
48块样地土壤样品有效含水量的方差分析表明，粗骨土与栗钙土、褐土、棕壤土的有效含水量有显著差异(P＜0.05)，而褐土、栗钙土和棕壤土的土壤有效含水量之间不存在明显的差异性(P＜0.05)(图 8)。土壤有效含水量从小到大依次为：粗骨土(13.24±1.25)%、栗钙土(19.84±2.34)%、褐土(25.63±3.48)%和棕壤土(27.70±8.12)%。
平地、缓坡、斜坡、陡坡有效含水量范围为20.86%~26.72%，平均有效含水量为(23.93±2.26)%。单因素方差分析表明(图 9)，平地、缓坡、斜坡、陡坡4种坡度地形之间的土壤初始含水量差异不显著，也就是说其对土壤初始含水量的影响均不显著(P＜0.05)。
阴坡的土壤有效含水量普遍大于阳坡的有效含水量(图 10)。阴坡的土壤有效含水量为(30.59±4.62)%，阳坡的土壤有效含水量为(22.83±5.11)%。阴阳坡有效含水量的显著性检验结论显示，二者存在显著的差异(P＜0.05)。
3.3 不同立地条件下的植被组成
东沟流域的海拔为1 000 m左右，且在调查中发现，流域内没有出现随气候改变的植被垂直性分布，故不考虑海拔因素的影响。对照不同立地类型条件下的土壤水分得出：阴坡褐土、阴坡棕壤土的水分含量较高，阴坡栗钙土、阴坡粗骨土、阳坡褐土、阳坡棕壤土水分含量次之，阳坡栗钙土、阳坡粗骨土水分含量最小。针对以上不同立地类型组水分特征，进行相应的植被配置。
1) 陡坡立地类型组。陡坡立地类型组的面积比例最小，仅为东沟流域的1/10。其中，阳坡陡坡系列比例约44.80%。阴坡陡坡占陡坡立地类型组比例为55.20%。对于阳坡陡坡栗钙土和阳坡陡坡粗骨土类型，由于土壤水分缺乏，土质疏松，肥力贫瘠等原因，植被覆盖多为灌草，分布稀疏。应选择灌草为主，乔木为辅的方式优化植被，其中，乔木主要考虑油松(Pinus tabuliformis)、白榆(Ulmus pumila)、楸树(Catalpa bungei)等护坡、耐干旱的水土保持林树种，灌木考虑山杏、沙棘(Hippohgae rhamnoides)等喜阳耐旱的经济林种。而阳坡陡坡褐土和阳坡陡坡棕壤土，土壤肥力条件较好，植被条件优越，应配合鱼鳞坑、水平沟等水土保持措施，以核桃楸(Juglans mandshurica)、酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa)、樟树(Cinnamomum camphora)、杜仲(Eucommia ulmoides)等乡土树种栽植、补种为主，合理配置。而阴坡陡坡褐土和阴坡陡坡棕壤土，水肥条件良好。除考虑上述经济型树种外，可考虑枸杞(Lycium chinense)、苹果(Malus pumila)、板栗(Castanea mollissima)等果品类经济林。阴坡陡坡栗钙土和阴坡陡坡粗骨土，肥力条件差，但土壤蒸发量少，水分条件良好，考虑栽植山茶(Camellia japonica)等耐阴灌木树种，改善土壤水肥特性的同时提高居民的生活水平。
2) 斜坡立地类型组。斜坡立地类型组面积比例为38.12%。其中，阴坡斜坡棕壤土、阴坡斜坡褐土等水肥条件优渥的立地类型，考虑采用乔灌草的复合栽植模式，其中乔木主要选择云杉(Picea asperata)、华北落叶松、山杨、桦树(Betula platyphylla)等经济林林种、用材林林种。而阳坡斜坡栗钙土和阳坡斜坡粗骨土，土壤有机物含量低，土壤颗粒大，保水能力差，蒸散量比较大，应选择栽植耐干旱的灌木品种，例如沙棘、山杏等灌木。阳坡斜坡棕壤土、阳坡斜坡褐土、阴坡斜坡栗钙土、阴坡斜坡粗骨土，由于水肥条件有限，需根据海拔、地形等设置水平阶等水土保持措施，改善土壤水肥性质。同时，栽植山杏、山茶等经济作物。
3) 缓坡/平地立地类型组。对于缓坡以及平地区域的营建，应合理的发展农业用地，结合灌溉和轮作、间作的方式，保证土壤肥力，特别是粗骨土和栗钙土等土壤水肥条件差的土壤分布地区；合理配置山杨、白榆、柳树(Salix matsudana)等常见乡土树种，优化廊道景观，发展经济林、用材林，提高居民收入；同时，营建农田防护林，改善农田小气候，防治周围水土流失带来的不利影响。
4 讨论
4.1 立地类型划分精度验证
结合实地调查与ArcGIS10.2空间叠加功能，将东沟流域划分为32种不同的立地类型。将叠加分析得到的立地类型结果与野外实际调查样本中的坡向、坡度、土壤类型因子进行对比，每个样本点的3个立地因子完全相同则认为准确，否则记作有误差。经统计，48个样本点中有8个与实地调查结果不符合，分类精度达到83.33%。
本研究的立地类型划分精度比王飞等[13]对渭北黄土高原立地类型划分研究的精度要低，分析原因可能是本研究使用分辨率为30 m的DEM数据，清晰度与5 m分辨率的DEM数据差距较大，导致精度下降。但此结果实现了对东沟流域内各立地类型的信息化掌握，对当地林业信息化有重要的作用。
4.2 土壤水分因子变化特征
棕壤土、褐土、栗钙土和粗骨土4种土壤类型与土壤初始含水量、土壤有效含水量均存在影响关系。4种土壤类型的土壤初始含水量大小关系均为褐土>棕壤>栗钙土>粗骨土。在相同土壤类型的对比中，高玉寒等[14]以赤峰市敖汉旗为研究区域，得到研究区内4种类型土壤的分形维数由高到低依次为栗钙土>褐土>棕壤土>风沙土。分形维数越大，表明土壤中细粒体积越高，外在表现为土壤颗粒小，保水保肥能力大[15]。实地调查中发现，栗钙土的样地中主要覆盖物为灌草，褐土和棕壤土为主的区域以乔木为主，而灌草区域的分形维数要大于林地[13]。Chen等[16]在对土壤水分的研究中得到土壤含水量越低、分形维数越高的结论证实了以上推测的合理性。
阴坡的土壤保水能力优于阳坡，与余峰等[17]在对宁南黄土丘陵区坡向与土壤含水量的关系的研究中得到的西坡水分含量大于东坡的结论一致。在阴坡、阳坡的土壤水分含量的对比中，阴坡的初始含水量和有效含水量均出现一部分样地的测量值小于阳坡的水分含量。以往经验认为，坡位高低影响土壤水分，随着坡位的升高，土壤含水量降低，且坡位的影响作用大于坡向[18]。而该研究中，阴阳坡各个坡位的土壤初始含水量以及有效含水量之间不存在明显差异。分析原因可能是土壤层0~30 cm厚度易受到其他因素例如降雨等气象因素的影响，而坡向并非是主要原因[19]。此外，土壤利用类型也被证明是引起土壤水分含量差异的原因[20]。土壤水分含量的影响因子复杂，有待进一步的考证。
笔者在研究坡向、坡度、土壤类型等立地因子对东沟流域的土壤水分特征的影响中发现，坡度对土壤水分含量不存在显著的影响。而国外学者得出结论，在小尺度研究中，地质、地貌以及地质构造等因素影响土壤水分[21]。张思琪等[22]在对喀斯特峰丛土壤水分与地形因子关系的研究中发现，坡度对于土壤水分存在显著的影响。相较喀斯特地貌土层浅薄地区，东沟流域的土层厚度较厚可能影响土壤水分空间差异从而削弱坡度的作用。考虑到坡度对植被物种丰富度以及植被群落恢复效果的显著影响[23]，故将坡度作为东沟流域立地类型划分的影响因子之一。
5 结论
笔者基于实地调查与遥感技术，探究影响土壤水分含量的立地因子，基于主导因子进行立地类型划分，明确不同立地条件下的植被配置。根据确定的主导因子坡向、坡度、土壤类型将东沟流域划分为32种立地类型。各立地类型应遵照适地适树的原则明确植被配置方式。以坡度分组的立地类型组中，平地、缓坡立地类型组应注重农田用地的合理规划，结合灌溉等方式保证水肥条件；陡坡立地类型组由于坡度较大应注重防止水土流失，保证灌草覆盖的基础上栽植耐干旱的水土保持树种；而分布面积最大的斜坡立地类型组，可采取乔灌草复合模式，配合水平沟等措施提供植被需求水分。这一立地类型组也是东沟流域内需要重点关注的区域。
2022, Vol. 20 
表1(Table 1)
