CN114792274A - 一种干旱区山地人工植被建设的布局方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，该方法包括以下步骤：⑴目标物种选择：选择云/冷杉作为植被建设的目标物种；⑵进行气候适宜性评估，并以此作为背景图层；⑶土壤水分适宜性评估；⑷适生区提取：在气候适宜性评估结果的基础上，叠加土壤水分适宜性评价图层，提取两个图层相重叠的区域，以此来确定适宜目标物种进行植被建设的合理范围。本发明以土壤水分承载力理论为指导，以生态位模型为基础，综合评估其潜在适生分布区，通过图层叠置，提取合理的布局范围，能够更为客观合理地圈定适宜植被建设的分布区域，从而科学指导人工植被建设的布局与优化管理，并有效提高栽植个体的成活率和固碳能力。
Description
技术领域
本发明涉及干旱区山地人工植被建设领域，尤其涉及一种干旱区山地人工植被建设的布局方法。
背景技术
我国西北干旱区山地（如祁连山、贺兰山等）作为重要的生态屏障功能区，是实现碳中和、开展大规模国土空间绿化行动的一个“主战场”，具有极大的生态建设潜力。随着“天然林资源保护”、“退耕还林还草”、“三北防护林”等国家重点生态工程及“三江源生态保护”、“内陆河流域生态治理”、“黄河流域高质量发展”等一系列政策措施的实施，我国西北干旱区山地植被建设持续扩大，人工植被恢复的面积比例不断提高，如祁连山甘肃境内近10年完成人工造林57.9万公顷，大大提升了地表植被覆盖。因此，干旱区山地植被系统的固碳效应和生态屏障功能正在不断增强。
然而，在追求高植被覆盖目标的同时，不适宜的植被建设不仅违背了自然规律，而且造成资源的大量浪费（投入远远大于产出），往往带来继发的生态环境问题。对于地处干旱区的山地系统（如祁连山）来说，降水量少、蒸发量高，植被群落长期演替的结果形成了“阳坡草阴坡林”的自组织格局，这种空间分布既避免了林木强烈蒸散而失水，又有效降低了对资源的种间竞争。如果人工植被建设偏离这种植被生存和发展的内在规律，必然引起人工林大面积死亡和不成林现象（俗称“小老头树”）。目前，植被恢复与建设的基本思路还是从传统理念出发进行植树造林或圈地围封保护，一些重要的生态水文学原理，如植物的环境选择作用、生态适宜性原理、土壤水分植被承载力、水资源利用限度等在实践中没有得到充分体现。因此，如何科学合理评估造林地域适宜性，优化植被建设的合理布局，实现水碳双赢仍是干旱区山地植被恢复重建的一大挑战。
作为干旱区山地植被建设的主要目标树种，云/冷杉具有高于全球温带森林平均水平的土壤有机碳和地上生物碳储量，表现出较高的固碳能力。对于目标物种的造林适生区评价，应充分遵循近自然化法则，对物种生存的自然环境（气候、土壤、水文等要素）进行综合考量。目前，国内外对于造林适生区的主流评估方法是建立指标体系、确定因子权重、构建评估模型，该方法的最大缺点受限于专家意见和分析者的经验评判，主观性较强。另外，生态位模型（如最大熵方法）也备受研究者青睐，成为评价潜在分布区的主要手段之一；但受限于数据获取的难度，往往不能全面考虑影响目标物种生存与生长的环境要素，更偏向于气候适宜性评估。随着对土壤水分承载力认识的不断深入，越来越多的研究关注土壤水分承载力在生产实践中的应用，如已有研究量化了黄土丘陵半干旱区人工恢复造林的适宜林分密度。但目前土壤水分承载力研究所遇到的一个瓶颈问题是仅适用于人工植被建设完成时的林分状态评估（即对已造林的适宜承载密度进行量化），如何用于指导人工植被建设的合理布局规划还未有实践。然而，土壤水分对于干旱区山地植被系统来说，是限制植物生长及植被恢复的关键因子；因此，土壤水分承载力理应成为评估目标物种环境适生性的一个重要理论依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种客观、合理且有效提高栽植个体的成活率和固碳能力的干旱区山地人工植被建设的布局方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，包括以下步骤：
⑴目标物种选择：
选择云/冷杉作为植被建设的目标物种；
⑵进行气候适宜性评估，并以此作为背景图层；
⑶土壤水分适宜性评估；
⑷适生区提取：
在气候适宜性评估结果的基础上，叠加土壤水分适宜性评价图层，提取两个图层相重叠的区域，以此来确定适宜目标物种进行植被建设的合理范围。
所述步骤⑵中气候适宜性评估按下述方法进行：
①提取目标物种现有分布数据，收集相应的标本样点；
②借助世界气候数据库WorldClim获取相应标本样点对应的生物气候变量数据，同时根据ASTER GDEM数据提取相应的地形因子；
③构建气候生态位模型。
所述步骤⑶中土壤水分适宜性评估按下述方法进行：
a在天然林群落中，选定不同林分密度的中龄林，测定生长季内林分密度、叶面积指数、胸径、树高、林外降雨量、林冠截留量、林内地表径流量、林木蒸腾量、林内土壤蒸发量、下渗基流量、土壤水分含量；
b计算不同林分密度下土壤水分补给量与土壤水分消耗量；
c分别建立土壤水分补给量、土壤水分消耗量、土壤水分含量与林分密度的关系；
d确定土壤水分补给量等于土壤水分消耗量时的林分密度，即为土壤水分所能承载的最大林分密度，随之确定最大林分密度所对应的土壤水分含量，以此设定为限制个体生长的最低水分含量。
e获取精细化土壤水分遥感数据，计算生长季内多年平均土壤水分含量，并以该土壤水分含量为阈值，提取大于该阈值的分布区域。
所述土壤水分补给量=林外降雨量-（林冠截留量+林内地表径流量+下渗基流量）。
所述土壤水分消耗量=林木蒸腾量+林内土壤蒸发量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过对目标栽植物种的环境生存因子进行全面考量，以土壤水分承载力理论为指导，以生态位模型为基础，综合评估其潜在适生分布区，通过图层叠置，提取合理的布局范围，能够更为客观合理地圈定适宜植被建设的分布区域，从而科学指导人工植被建设的布局与优化管理，进而有效提高栽植个体的成活率和固碳能力。
2、本发明针对干旱区山地植被生长的习性，综合气候、水文、土壤、地形等环境要素，以气候适宜性评价为基础，结合土壤水分承载力的理论内涵，以最大林分密度时对应的土壤水分含量为关键阈值，来判定潜在适生区，为人工植被建设提供科学参考。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明实施例祁连山国家公园青海云杉造林的气候适宜区。
图3为本发明实施例祁连山国家公园青海云杉造林的土壤水分适宜区。
图4 为本发明实施例祁连山国家公园青海云杉造林的综合适生区。
具体实施方式
如图1所示，一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，包括以下步骤：
⑴目标物种选择：
根据干旱区山地既往的植被建设实践，植被建设内容主要以人工造林为主，造林的目的主要有两种，其一，景观带造林，集中在主河道、公路、铁路等重要廊道的两侧；其二，水源涵养营林，多分布于山区低海拔带。两种情景的造林大都以常绿针叶云/冷杉纯林为主，云/冷杉的耐寒耐旱适生性已在干旱区山地植被恢复实践中得到了普通共识。通过对干旱区山地植被群落特征的解析，发现云杉是干旱区山地自然选择的顶级物种，比落叶松、山杨等物种对环境的适应性更强。因此，本发明选择云/冷杉作为植被建设的目标物种。
⑵进行气候适宜性评估，并以此作为背景图层。
目标建设物种的潜在分布是由气候、水文、土壤等多种环境要素共同作用的结果，其中，气候是决定物种区域分布的基础要素，因此，对目标物种进行干旱区山地气候适宜性评估。
①提取目标物种现有分布数据，根据中国数字植物标本馆中对该物种的记载，收集相应的标本样点；
②借助世界气候数据库WorldClim获取相应标本样点对应的生物气候变量数据，同时根据ASTER GDEM数据提取相应的地形因子；
③构建气候生态位模型，将评价结果作为背景图层。
利用常见的生态位模型（如MaxENT、GARP、ENFA等），通过物种现有分布数据及对应的气候变量数据，模拟物种当前潜在分布范围。
对于目标物种进行气候适宜性评估是该技术方案中一个基础步骤，其中所用方法是比较成熟常见的方法，其目的是为接下来的实施内容提供背景图层。
⑶土壤水分适宜性评估：
以上气候适宜性评估的结果仅是从气候方面评估适生性的概率统计，不能完全保证目标物种的存活，而综合考虑土壤和水文要素的土壤水分承载力的评估则是对步骤⑵的进一步细化和完善。该内容的测算以中龄（70~80岁）的云/冷杉为标准，假设栽植的树木个体能够自然成长为中龄个体。
a在天然林群落中，选定不同林分密度的中龄林，测定生长季（一般5~9月）内林分密度、叶面积指数、胸径、树高、林外降雨量、林冠截留量、林内地表径流量、林木蒸腾量、林内土壤蒸发量、下渗基流量、土壤水分含量；
b计算不同林分密度下土壤水分补给量与土壤水分消耗量：
土壤水分补给量=林外降雨量-（林冠截留量+林内地表径流量+下渗基流量）。
土壤水分消耗量=林木蒸腾量+林内土壤蒸发量。
c分别建立土壤水分补给量、土壤水分消耗量、土壤水分含量与林分密度的关系；解析在林分密度的梯度上，土壤水分补给量、土壤水分消耗量及土壤水分含水量的变化规律。
通常情况下，随着林分密度的增加，土壤水分补给量降低，而土壤水分消耗量增加。
d确定土壤水分补给量等于土壤水分消耗量时的林分密度，即为土壤水分所能承载的最大林分密度，随之确定最大林分密度所对应的土壤水分含量，以此设定为限制个体生长的最低水分含量。
一般来说，当土壤水分补给量大于土壤水分消耗量时，多余的水分会补给土壤层，土壤水分含量较高；而当土壤水分补给量小于土壤水分消耗量时，会消耗掉土壤中储存的水分，降低土壤含水量。因此，将最大林分密度对应的土壤含水量确定为满足目标物种生长的理论阈值。
e获取精细化土壤水分遥感数据，计算生长季内多年平均土壤水分含量，并以该土壤水分含量为阈值，提取大于该阈值的分布区域；
⑷适生区提取：
在气候适宜性评估结果的基础上，叠加土壤水分适宜性评价图层，提取两个图层相重叠的区域，以此来确定适宜目标物种进行植被建设的合理范围。
实施例
本发明主要针对潜山区以乔/灌木为主的人工造林，开展目标物种的适生区评估，应用该方法对祁连山国家公园内人工造林进行具体示例分析。祁连山国家公园位于甘青两省交界处，面积为5.02万平方千米，气候类型属于温带大陆性气候，境内分布有草原、灌丛、森林、草甸等植被类型，其中森林生态系统的优势物种为青海云杉。近年来，祁连山国家公园范围开展了大面积的人工造林活动，多成连片分布的格局。本案例的具体实施步骤如下：
⑴目标物种选择：
在既往的人工植被建设实践中，青海云杉成为首选的造林物种，栽植比例达到了造林面积的90%以上，且多以一定林分密度的纯林为主。在少数云杉与落叶松的混交营林中，栽植5年后落叶松开始出现死亡现象；实践证明，青海云杉纯林是祁连山人工造林的可行目标。因此，本案例选择青海云杉为祁连山国家公园人工植被建设的目标物种。
⑵气候适宜性评估：
基于青海云杉自然分布范围内的129个地理样点（主要分布于祁连山），获取了相应点位的生物气候数据（22个环境因子，如年均温、年降水、温度季节性变化、最干月均温等，下载自WorldClim网站）以及地形因子数据（海拔、坡向、坡度），借助最大熵模型（Maxent）通过对现有分布样点数据分析模拟青海云杉当前潜在分布。最终提取出影响青海云杉分布的关键生物气候与地形因子为海拔、坡度、坡向、年均降水、最湿月与最暖季降水等，模型模拟精度达到了0.97，表明对青海云杉潜在分布预测的精度很高。
通过将潜在分布概率进行划级分析，提取出概率超过0.7（对应高适生情况）的范围作为青海云杉气候高适宜分布区，并去除青海云杉天然林分布的区域，以此作为背景图层（图2）。
⑶土壤水分适宜性评估：
在对青海云杉天然林地调查（共计4570株个体）的基础上，统计得出平均林龄为80a，属中龄阶段。在所调查的样地中，选择了处于中龄阶段但林分密度不同的样地7个（30m*30m），开展了长期连续的生态水文过程监测，调查与监测内容包括林分密度、叶面积指数、胸径、树高、林外降雨量、林冠截留量、下渗基流量、林内地表径流量、林木蒸腾量、林内土壤蒸发量、土壤水分含量等要素。
首先，对多年生长季内（5-9月）土壤水分补给量（S）与林分密度（D）进行统计分析，得出S=-0.0397*D+407.55，而土壤水分消耗量（C）与林分密度的经验关系为C=-6×10-6*D2+0.0445*D+202.69。当两等式联立时（即土壤水分补给量等于消耗量），得出此时的林分密度为3132棵/ha。
其次，建立生长季土壤水分含量（M）与林分密度（D）的关系，为M=-4×10-5*D+0.3008，将能够承载的最大林分密度（3132棵/ha）带入关系式，得出此时的平均土壤水分含量为0.17m3/m3，并以此作为满足造林需求的土壤水分含量阈值。
最后，通过购买遥感产品或自行遥感反演祁连山国家公园同时段生长季内平均土壤含水量，本案例利用被动微波遥感算法，通过建立空间权重分解模型提高了土壤水分估算的精度（1km*1km），提取出了超过0.17m3/m3阈值的适宜范围（图3）。
⑷适生区提取：
在图2的基础上，叠加图3的结果，通过Arcgis空间分析工具，提取两者的叠置区，得到图4的空间分布情况，即为既满足气候适宜性又满足土壤水分适宜性且同时考虑地形影响的青海云杉造林适生区，在此区域进行人工植被建设可以显著提高人工林的成活和成林概率。
Claims (5)
1.一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，包括以下步骤：
⑴目标物种选择：
选择云/冷杉作为植被建设的目标物种；
⑵进行气候适宜性评估，并以此作为背景图层；
⑶土壤水分适宜性评估；
⑷适生区提取：
在气候适宜性评估结果的基础上，叠加土壤水分适宜性评价图层，提取两个图层相重叠的区域，以此来确定适宜目标物种进行植被建设的合理范围。
2.如权利要求1所述的一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，其特征在于：所述步骤⑵中气候适宜性评估按下述方法进行：
①提取目标物种现有分布数据，收集相应的标本样点；
②借助世界气候数据库WorldClim获取相应标本样点对应的生物气候变量数据，同时根据ASTER GDEM数据提取相应的地形因子；
③构建气候生态位模型。
3.如权利要求1所述的一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，其特征在于：所述步骤⑶中土壤水分适宜性评估按下述方法进行：
a在天然林群落中，选定不同林分密度的中龄林，测定生长季内林分密度、叶面积指数、胸径、树高、林外降雨量、林冠截留量、林内地表径流量、林木蒸腾量、林内土壤蒸发量、下渗基流量、土壤水分含量；
b计算不同林分密度下土壤水分补给量与土壤水分消耗量；
c分别建立土壤水分补给量、土壤水分消耗量、土壤水分含量与林分密度的关系；
d确定土壤水分补给量等于土壤水分消耗量时的林分密度，即为土壤水分所能承载的最大林分密度，随之确定最大林分密度所对应的土壤水分含量，以此设定为限制个体生长的最低水分含量。
e获取精细化土壤水分遥感数据，计算生长季内多年平均土壤水分含量，并以该土壤水分含量为阈值，提取大于该阈值的分布区域。
4.如权利要求3所述的一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，其特征在于：所述土壤水分补给量=林外降雨量-（林冠截留量+林内地表径流量+下渗基流量）。
5.如权利要求3所述的一种干旱区山地人工植被建设的布局方法，其特征在于：所述土壤水分消耗量=林木蒸腾量+林内土壤蒸发量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115777481A (zh) * | 2022-10-26 | 2023-03-14 | 中国科学院生态环境研究中心 | 干旱山地退化人工林改造和功能提升优化方法 |
| CN116306265A (zh) * | 2023-02-24 | 2023-06-23 | 武汉大学 | 一种基于水碳耦合方法的全球地表蒸散发估算方法 |
| CN116306265B (zh) * | 2023-02-24 | 2024-03-08 | 武汉大学 | 一种基于水碳耦合方法的全球地表蒸散发估算方法 |
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