張 勇，李土生，潘江靈，胡海波，周子貴，張曉勉

（1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210037；2.浙江省林業(yè)生態(tài)工程管理中心，浙江 杭州310020；3.浙江省林業(yè)基金管理服務(wù)中心，浙江 杭州310020；4.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州310023）

隨著人口增長，土地退化和生態(tài)環(huán)境問題的日益加劇，土地可持續(xù)與合理利用問題已成為研究的焦點。1976年聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）頒布的“土地評價綱要”被廣泛地應(yīng)用于世界各國的土地評價，大大促進了國際上土地評價的研究［1］。立地分類是依據(jù)立地特征的相似性和差異性將立地綜合體劃分為不同等級和類別，其是研究森林生長環(huán)境以及環(huán)境對于森林類型和生產(chǎn)力影響的一個重要手段［2－3］。通過立地分類進而準確地對區(qū)域立地質(zhì)量作出恰當?shù)脑u價，才能做到適地適樹，充分發(fā)揮地力，達到形成穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)和實現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的［4］。近年來，有關(guān)立地分類和立地質(zhì)量評價的研究很多，所采用的分類評價因子和模型方法也不一致［5－9］，而把立地因子根據(jù)不同性質(zhì)分類進行評價的研究比較少見。在連云港云臺山地區(qū)，由于長期過渡砍伐和植被破壞，水土流失十分嚴重，區(qū)域已基本都是宜林荒山荒地，因此，應(yīng)在實施造林前進行科學(xué)的立地質(zhì)量分類及評價，以期為林業(yè)生態(tài)工程的科學(xué)設(shè)計提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云臺山位于江蘇省連云港市郊東北部，為泰山山脈沂蒙分脈的一支余脈，地理坐標為東經(jīng)119°18′—l19°30′，北緯34°39′—34°47′。地處暖溫帶和北亞熱帶過渡區(qū)域，平均氣溫11.3～14.9℃ ，全年山區(qū)總降水量1 411.7～1 735.0mm，全年蒸發(fā)量1 130.0～1 580.0mm。云臺山山體土壤主要為棕壤，偏酸性。由于人為干擾，原生植被破壞嚴重，隨之代以黑松、濕地松等針葉純林。20世紀80年代松材線蟲病大暴發(fā)，大量松樹枯死，林下灌木層和草本層一些物種因無法適應(yīng)強光照和干旱，種類數(shù)量急劇減少，導(dǎo)致土層大面積裸露［10］。

選取云臺山的朱麻后山、朱麻西山、漁灣小磨垛子、漁灣西山跟、東磊黃崖、東磊石海下、東磊大小塘灣、山東東山、山東楊家戶、山東馬腰、山東西山、凌州東山、谷頂塘、凌州西山、凌州黃崖、后關(guān)村老龍澗、前關(guān)村西山、丹霞西山、丹霞后山、東窯山、葫蘆山和頭二道澗22個地段（小地名），開展立地質(zhì)量分類及評價研究。

從22個地段調(diào)查的情況來看，主要植物有：喬灌木樹 種 為 黑 松（Pinus thunbergii）、毛 殼 竹 （Phyllostachys varioauriculata）、化香（Platycarya strobilacea）、茅莓（Rubus parvifolius）、棠梨（Pyrus betulaefolia）、野薔薇（Rosa multiflora）、白檀（Symplocos paniculata）、衛(wèi)矛（Euonymus alatus）等，草本為灰綠苔草（Carex pallens）、小薊（Cephalanoplos segetum）、徐長卿（Cynanchum paniculatum）、麥冬（Ophiopogon japonicus）、大巢菜（Vicia sativa）、野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、日本金星蕨（Parathelypteris nipponica）、一年蓬（Erigeron annuus）等。

2 研究方法

2.1 立地因子的選取

研究區(qū)土壤是影響和制約林木生長的最主要因素，在與土壤相關(guān)的立地因子中，土層厚度是決定林木成活的主要限制性因子之一，而土壤肥力則主要決定著林木的生長狀況［11］。制約林木成活的另一重要因素是水分條件，在地形地貌諸因子中，坡向?qū)λ謼l件的影響最大，其次為坡位、坡度。同時海拔因子對林木的分布和生長影響也較大［12］。因此，共選取了坡向、坡位、坡度、海拔、土層厚度、石礫（1～10mm）含量、容重、pH值、有機質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀以及土壤可蝕性因子K值16個評價因子。

2.2 分類評價的方法

研究中將16個立地因子分成兩類，坡向、坡位、坡度、海拔和土層厚度作為宏觀立地質(zhì)量因子，而其余因子作為反映土壤性質(zhì)的微觀因子，分別進行基于宏觀因子和基于微觀因子的立地質(zhì)量分類及評價，最后再綜合起來，使研究結(jié)果一目了然。通過在各自兩類因子內(nèi)分別采用相應(yīng)的方法確定各因子的權(quán)重（宏觀因子采用層次分析法確定權(quán)重，而微觀因子采用主成分分析法確定權(quán)重），避免了將所有因子放在一起來確定權(quán)重而造成顧此失彼。另外，在宏觀分類及評價過程中還運用標準化模型、加權(quán)求和模型和聚類分析，微觀分類及評價則運用隸屬度函數(shù)法等數(shù)學(xué)方法。

2.3 樣品的采集及處理

2008年4月下旬，采用標準地采樣法，在每個地段的典型區(qū)域設(shè)置3個20m×20m的標準地，共設(shè)標準地66個。每塊標準地中，選取有代表性的位置，垂直于坡面挖4個土壤剖面。由于研究區(qū)土層相對較薄，且各個地段差別較大，即按0—10和10—30cm分兩層采集土樣，土層相對薄的采一層，采兩層的數(shù)據(jù)取平均值。

2.4 立地因子的測定

石礫（1～10mm）含量過1mm篩后稱重即得；土樣容重采用環(huán)刀法；土壤pH值采用pH計測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法；全氮含量采用半微量凱氏定氮法；水解氮采用堿解——擴散法；全磷采用鉬銻比色法測定；速效磷采用碳酸氫鈉浸提法；全鉀采用酸溶——火焰光度計法；速效鉀采用乙酸銨浸提法測定；可蝕性K 值運用 Williams等［13］在EPIC模型中的估算方法；坡向、坡度、海拔和土層厚度通過室外觀測。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于宏觀因子的立地質(zhì)量分類及評價

3.1.1 立地因子的數(shù)量化和標準化 確定了坡向、坡位、坡度、海拔和土層厚度5個參評立地因子并獲取實測數(shù)據(jù)之后，將定性因子坡向和坡位數(shù)量化，其中陰坡賦值為4，半陰坡為3，半陽坡和陽坡分為2和1；坡位則是山頂為1，上坡為2，中坡和下坡分別為3和4［12］。數(shù)量化后發(fā)現(xiàn)因子間量綱不同，且數(shù)量級上也有很大差異，原則上不同的量綱和數(shù)量級直接用來進行評價是比較困難的，為消除其影響，必須對數(shù)據(jù)進行標準化處理［14］，轉(zhuǎn)化公式為：

式中：uij——第i項評價因子，第j地段的標準化處理后的值；xij——第i項評價因子，第j地段的實測值（坡向和坡位為數(shù)量化的值）；ximin——第i項評價因子，22個地段實測值中的最小值；ximax——第i項評價因子，22個地段實測值中的最大值。

其中，公式（1）適合坡向、坡位和土層厚度3個正向因子，其值越大越好；公式（2）則適合坡度和海拔兩個反向因子，值越小越好。這樣經(jīng)標準化處理后的值都分布在0～1之間（表1），其值越大表明該因子值越好，0不意味著被測地的某項值不能測出，只是表示該值相對其他地段最小。

表1 宏觀因子數(shù)量化和標準化處理值

3.1.2 立地因子權(quán)重的確定 科學(xué)的評價方法應(yīng)能考慮各評價因子的權(quán)重對評價結(jié)果的影響，權(quán)重是表示某一因子對立地質(zhì)量敏感性的相對重要程度所賦予的一個值。本文采用層次分析法（AHP）確定宏觀因子的權(quán)重。AHP是將決策問題按順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，在每一層次，可以按上一層的某一準則或因素，對該層進行兩兩相對比較進而建立判斷矩陣，計算判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)特征向量，最后依據(jù)特征向量得到權(quán)重。主要步驟如下：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)問題范圍所包含的因素及各因素之間的關(guān)系等，將各因素分組分層，按照目標層、準則層和評價指標層的形式排列，建立層次結(jié)構(gòu)模型（圖1）。

圖1 基于宏觀因子的立地質(zhì)量分類及評價層次結(jié)構(gòu)模型

（2）構(gòu)造判斷矩陣。對同一層次各因素或因子對上層的相對重要性進行兩兩比較，構(gòu)造比較判斷矩陣，判斷矩陣中的標度值是依據(jù)美國運籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty提出的比較標度法。

（3）求解特征向量并確定權(quán)重。根據(jù)判斷矩陣，采用“和法”近似求解得到上述判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)特征向量。該特征向量即為各評價因素或因子的重要性排序，即權(quán)重。最后得出土層厚度、坡向、坡位、坡度和海拔的權(quán)重分別為0.643，0.179，0.074，0.030和0.074。

3.1.3 評價與分類 由于立地質(zhì)量是各因子綜合作用的結(jié)果，采用加權(quán)求和的數(shù)學(xué)模型，其表達合理科學(xué)，能正確地反映的綜合優(yōu)劣狀況［15］。計算公式為：

式中：Yj——第j地段的宏觀立地質(zhì)量綜合得分值；ai——第i項評價因子的權(quán)重；uij——第i項評價因子，第j地段的標準化處理后的值。

聚類分析法是目前國內(nèi)外使用最多的一種生態(tài)區(qū)劃方法。以各地段的綜合得分值為聚類因子，采用SAS系統(tǒng)聚類法，將研究區(qū)22個地段按立地質(zhì)量得分值（表2）分為3類。第1類包括：朱麻后山、東窯山、頭二道澗、東磊大小塘灣、山東西山、山東東山6個地段，主要特征為土層中上偏厚，宏觀立地質(zhì)量相對較好；第2類包括：朱麻西山、山東馬腰、凌州黃崖、漁灣小磨垛子、東磊石海下、谷頂塘、丹霞西山、丹霞后山、凌州東山、凌州西山、東磊黃崖、前關(guān)村西山、山東楊家戶、葫蘆山14個地段，主要特征為土層中下偏薄，宏觀立地質(zhì)量相對一般；第3類包括：漁灣西山跟、后關(guān)村老龍澗2個地段，主要特征為土層非常薄，宏觀立地質(zhì)量相對很差。

表2 基于宏觀因子的立地質(zhì)量得分值

3.2 基于微觀因子的立地質(zhì)量分類及評價

利用微觀因子建立隸屬度函數(shù)，計算不同地段各因子的隸屬度值，然后采用主成分分析法確定因子的權(quán)重，最終計算得分值并進行分類，得分值的取值范圍為0～1，其值越大，表明表征土壤性質(zhì)的微觀立地質(zhì)量評價越好。

3.2.1 立地因子隸屬度函數(shù)的確定 由于各立地因子對土壤質(zhì)量的影響作用不完全相同，并且實測值之間量綱也各異，所以需要運用隸屬度函數(shù)模型對各項數(shù)據(jù)進行歸一化、標準化處理，將立地因子實測值轉(zhuǎn)變?yōu)闊o量綱值的隸屬度值［16］。隸屬度函數(shù)的形式較多，根據(jù)在一定范圍內(nèi)立地因子與植物生長效應(yīng)的關(guān)系，本次采用3種類型的隸屬函數(shù)（S型、反S型和拋物線型）。隸屬度值是介于0～1間的數(shù)值，當?shù)扔?時，表明土樣此指標達到最適宜植物生長的要求；而隨著值的逐漸減小，對植物生長發(fā)育限制性逐漸增強；直至等于0，表明地段此指標極不利于植物的生長。

（1）pH值和容重采用拋物線型隸屬度函數(shù)，它們的性質(zhì)對土壤質(zhì)量即植物生長的影響有一個最佳范圍。如pH值的隸屬度函數(shù)表示為：其值在6.5～7.5，對植物生長最有利；超過此范圍，隨著因子值偏離程度的增大，會導(dǎo)致土壤退化，越不利于植物生長發(fā)育；當大于等于10或小于4時，則土壤表現(xiàn)為極不利于植物生長。

②容重：

（2）有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效磷和速效采用于S型隸屬度函數(shù)，這些因子在一定范圍內(nèi)與土壤質(zhì)量的優(yōu)劣呈正相關(guān)關(guān)系，在而低于下限或高于上限對土壤質(zhì)量影響均較小。如有機質(zhì)的隸屬度函數(shù)表示為：其值在大于40g／kg時，對植物生長最有利；小于6g／kg時，表現(xiàn)為極不利于植物生長；而在6～40g／kg，隨著因子值的增大，土壤肥力增強，土壤質(zhì)量變好。

石礫含量和土壤可蝕性K值采用反S型隸屬度函數(shù)，因子在一定范圍內(nèi)與土壤質(zhì)量的優(yōu)劣呈負相關(guān)關(guān)系。如石礫含量的隸屬度函數(shù)表示為：其值在小于10%時，對植物生長最有利；大于40%時，表現(xiàn)為極不利于植物生長；而在10%～40%間，土壤隨著因子值的增大，越不利于植物生長發(fā)育。

上述11種隸屬度函數(shù)中，u表示各個因子所屬的隸屬度值（表3），x為微觀立地因子的實測值。

表3 微觀因子的隸屬度值

3.2.2 利用主成分分析法確定因子權(quán)重 主成分分析法（PCA）是土壤質(zhì)量定量評價中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)理統(tǒng)計方法［17］。其是利用降維的思想從較多的指標中找出較少的幾個綜合的指標（主成分），而這些指標能較好地反映原來資料的信息。

以22個地段為樣本，利用SAS軟件對對11個微觀因子的實測值進行主成分分析。前4個主成分的特征值分別為：λ1＝4.108，λ2＝2.716，λ3＝1.586，λ4＝0.802，累積貢獻率達83.7%。一般情況下主成分的選擇是以累積貢獻率超過80%～85%為依據(jù)［18］。因此選了前4個主成分。主成分載荷是各特征值的方根與其對應(yīng)特征向量乘積，反映了所選擇主成分與原始因子的相關(guān)關(guān)系，公因子方差反映了各原始因子對所選擇主成所起的作用，即反映了各原始因子的重要程度。將公因子方差值歸一化后，就得出因子的權(quán)重［18］。由此可得石礫含量、容重、可蝕性K值、pH值、有機質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀的權(quán)重分別為0.081，0.080，0.100，0.105，0.102，0.100，0.087，0.099，0.101，0.077和0.069。3.2.3 評價與分類 根據(jù)求得的各微觀因子的隸屬度值和對應(yīng)的權(quán)重，按照公式進而計算出各地段基于微觀因子的立地質(zhì)量得分值（表4），計算公式為：

式中：Yj——第j地段的微觀立地質(zhì)量綜合得分值；ai——第i項評價因子的權(quán)重；uij——第i項評價因子，第j地段的隸屬度值。

將計算出的綜合值，按一定的方法劃分不同等級。本研究采用等間距法將其劃分為4個等級。Ⅰ級：Y≥0.75，土壤質(zhì)量較好；Ⅱ級：0.5≤Y＜0.75，土壤質(zhì)量中等；Ⅲ級：0.25≤Y＜0.5，土壤質(zhì)量差；Ⅳ級：Y＜0.25，土壤質(zhì)量較差。

對照表4可以看出，云臺山22個地段的得分值都分布在中等和差之間，最好的山東楊家戶為0.623，最差的凌州黃崖為0.301。

表4 基于微觀因子的立地質(zhì)量得分值

3.3 綜合立地質(zhì)量分類及評價

通過宏觀立地質(zhì)量研評價將22個地段分成了3類，再根據(jù)微觀立地質(zhì)量評價將每類又作了進一步細分，這種先宏觀后微觀的方法很好的解決了因為相關(guān)立地因子過多而權(quán)重難以確定的問題，最終將22個研究地段分成了5類（表5）。

表5 云臺山綜合立地質(zhì)量分類及評價

4 結(jié)論

（1）立地質(zhì)量是對區(qū)域的光照、水分、溫度及土壤性質(zhì)等因素的綜合表述，依靠室外監(jiān)測儀器測定的海拔、坡度、坡向及坡位、土壤厚度等宏觀因子主要影響溫度、光照和水分，它們與采取室內(nèi)試驗分析獲得的土壤性質(zhì)等因子沒有明確的直接相關(guān)性。目前很多研究往往將宏觀因子和微觀因子合并一起進行立地質(zhì)量分類評價，這往往造成兩類因子之間權(quán)重難以確定，或影響到權(quán)重準確性。本研究將兩類因子分開，分別采用不同的方法進行分類評價，最后再把兩者結(jié)合起來，可在很大程度上提高結(jié)果的質(zhì)量。

（2）本研究在具體評價過程中還結(jié)合與吸納現(xiàn)代數(shù)學(xué)分析工具和計算機技術(shù)，提高了分類及評價的精度。宏觀立地質(zhì)量評價利用層次分析法確定權(quán)重，它可以將主觀判斷用定量形式表達和處理，是定量與定性相結(jié)合的分析方法［19］；同時對因子進行數(shù)量化和標準化，消除因子間量綱的不同。在微觀立地質(zhì)量評價中，則采用主成分分析法確定權(quán)重，其優(yōu)點可消除評價指標之間相關(guān)影響［20］，并利用隸屬度函數(shù)對因子進行歸一化處理。

（3）從研究結(jié)果來看，宏觀立地質(zhì)量評價較好的地段微觀立地質(zhì)量并不一定就好，如第2類頭二道澗、東磊大小塘灣等地；反過來，宏觀立地質(zhì)量評價很差的地段微觀立地質(zhì)量并不一定很差，如第5類漁灣西山跟、后關(guān)村老龍澗。本文采用的分類評價法，對今后綠化造林過程中，針對不同情況采取不同的造林、育林措施及選擇相應(yīng)的適宜樹種，提高造林的成活率和植被生長狀況具有重要意義。

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