三北防护林体系建设工程区宜林潜力*

张丹妮 陈西雅 臧传富

(华南师范大学地理科学学院 广州 510631)

三北防护林体系建设工程区位于我国西北、华北及东北西部，是陆上丝绸之路必经之地。工程区内有多个边境口岸连接丝绸之路经济带，新疆口岸更是经济带中连接欧亚大陆东西部的重要枢纽，占据中哈经济走廊的核心地位(于晓华等， 2016)。随着“一带一路”生态先行政策推进，人们对三北防护林体系建设工程愈发重视。黄麟等(2018)评估了三北防护林体系建设工程的防风固沙效应，邵全琴等(2017)对三北防护林体系建设等生态工程进行了生态成效监测与评估，Zhang等(2016)分析了三北防护林工程体系建设以来三北地区的绿化率变化，Xie等(2015)试验研究了造林活动对三北地区水循环的影响。从以上研究可看出，近年来三北防护林的造林体系趋于成熟，造林生态成效日益显著。但在实际造林活动中，由于缺少区域宜林性理论指导，不科学造林现象依然存在，造林成活率低、林分质量不高、功能较差等问题未能得到根本解决(Caoetal., 2011； 刘冰等， 2009)。在国家建设绿色“一带一路”和推进大规模国土绿化的重大战略决策背景下，未来三北林业工程区造林潜力还有多大？潜在可造林区域在空间上是如何分布的？这些问题需进一步探讨。

在森林潜在分布研究评估体系中，选择评估指标的科学性和适宜性至关重要。在区域尺度上，气候、土地利用类型、土壤和地形等是决定森林分布的主要因素，对这些因子的极限条件与森林分布之间的关系进行分析，可以确定森林潜在分布区(雷相东等， 2018； 刘丹等， 2018)。人类活动强度和自然条件是限制林木生长的重要因素，对造林成活率和造林效益具有较大影响(雷相东等， 2018； 刘丹等， 2018； 高若楠等， 2017)。不同类型土壤在土壤质地和生产力等方面存在较大差异(Fanetal., 2020； Chungetal., 2017； Bohacz, 2012； Nicholson, 1994)，取地造林过程中应加以考虑。土地利用情况一定程度上代表了人类对自然环境的影响程度，侧面反映了地区自然环境和社会经济状况(Steinhausenetal., 2018; Zenebeetal., 2018; Salghunaetal., 2018)。利用土地利用类型评估区域宜林性，可避免强烈的人类活动对防护林生长的影响和破坏，利于提高防护林质量和成活率； 合适的土壤、干燥度、海拔和坡度是林木生长所必需的自然条件，在造林过程中应加以衡量。土壤类型、土地利用类型、干燥度、海拔和坡度5个因子综合反映了区域内人类活动强度和自然条件，能指示区域林木生长条件，以此建立评估体系，可综合人类活动和自然环境2个方面评估工程区未来宜林性潜力，具备科学性和全面性。本研究使用适宜性评估模型和最大熵模型(Maxent)2种方法，对未来三北地区的宜林潜力及其空间分布情况进行分析，可为契合国家绿色“一带一路”建设，加强三北地区生态保护和科学建设防护林工程体系提供理论参考。

1 研究区概况

三北防护林体系建设工程于1979年被列为国家经济建设重要项目，规划期限为70年，以改善区内生态环境和农牧生产条件为目标。工程区(73°26′—127°50′E，33°30′—50°12′N)东起黑龙江宾县，西至新疆乌孜别里山口，北抵北部边境，南沿海河、永定河、汾河、渭河、洮河下游及喀喇昆仑山脉。包括551个县(旗、区、市)，面积总计333.67万km2，占全国陆地面积的34.6%。工程区内总体地势西高东低，以高原、平原和盆地为主，海拔最高7 311 m，最低-160 m。工程区内风沙土面积占比最大，为工程区总面积的17.36%，主要分布在塔里木盆地和准噶尔盆地。区域内多数地区年降水量不足400 mm，气候干旱，水资源匮乏。工程区内地形地貌和气候条件复杂，生态环境脆弱，干旱、寒潮、沙尘暴等自然灾害严重，使得土地资源开发利用受限，环境建设难度大(Xieetal., 2015; Zhangetal., 2016)。

2 研究方法

2.1 数据来源 林业工程空间分布数据、土地利用数据、DEM、植被类型空间分布数据、降水量和气温数据来源于自然资源部数据服务(http:∥www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/)、国家林业和草原数据中心(http:∥www.cfsdc.org/)和中国科学院资源环境科学数据中心数据库(http:∥www.resdc.cn/)。其中，土地利用数据时间为2015年，降水量和气温数据区间为1990—2015年，本研究采用1990—2015年平均值。土地利用数据库以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。本研究使用的1∶100万土壤数据从和谐世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database)下载(http:∥www.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/)。该数据由世界粮农组织(FAO)、奥地利国际应用系统分析研究所(IIASA)和中国科学院土壤科学研究所提供(ISSCAS)。

2.2 建立评估指标体系 本研究利用林木生长的土壤类型、土地利用类型、干燥度、海拔和坡度条件建立评估指标体系。本研究依据林木生长条件，采用极限条件法对指标值进行划分，将可造林区域赋值为1，不可造林区域赋值为0。1) 土壤类型评估指标 不同类型土壤在土壤质地、生产力、含水量等方面存在较大差异，可反映植被的生长因素(Fanetal.,2020； Chungetal., 2017； Bohacz, 2012； Nicholson, 1994)。本研究基于土壤类型选取土壤指标，划分宜林性和不宜林性(表1)。

表1 土壤类型评估指标Tab.1 Evaluation indicators of soil type

2) 土地利用类型评估指标 灌木林、疏林地和其他林地属于低质林，在造林过程中可对其进行改造，故划分为可造林土地利用类型。有林地已有林木分布，故划分为不可造林土地利用类型。河渠、水库坑塘、湖泊一类水体内部的造林活动对树种具有较大限制性，因此将其视作不可造林土地利用类型。裸岩石质地等难利用土地的土壤深度浅、覆盖度低，对造林活动具有限制性，因此本研究将此类土地划分为不可造林土地利用类型。土地利用类型评估指标见表2。

表2 土地利用类型评估指标Tab.2 Evaluation indicators of land use type

3) 干燥指数评估指标 在地理学与生态学研究中，干燥度是常用气候指标之一(刘军会等， 2008； Huoetal., 2013)。de Martonne(1926)提出了由温度和降水2个气候因子计算的de Martonne干燥度。该方法指标明确，与水分和植被对应性强，在气候区划方面应用广泛(孟猛等， 2004)。其公式为：

式中：I为干燥指数；P为平均降水量(mm)；T为平均温度(℃)。

de Martonne干燥度数值小于10代表严重干旱，作物需强制人工灌溉； 10～30代表中等干旱，植被类型为草原； 数值大于30为气候湿润，植被类型为森林(孟猛等， 2004)。

4) 海拔评估指标 林线与区域的土壤、生物理化过程等因素息息相关，能敏感地指示植被生长环境的海拔上限(位姗姗等， 2019； 沈维等， 2017)。有研究表明，工程区内宁夏贺兰山林线海拔最高，南北坡上线皆为海拔3 000 m(王襄平等， 2004； 孙然好等， 2016)。所以本研究将3 000 m设为三北防护林体系建设工程区内造林活动海拔上限，将海拔3 000 m以下地区赋值为1，海拔3 000 m以上地区赋值为0。

5) 坡度评估指标 研究发现，植被覆盖率随坡度的增加先呈增加趋势，达到某一阈值后开始下降(林玉英等， 2018； 张学玲等， 2018)。结合三北地区生态环境较脆弱的情况(Xieetal., 2015； Zhangetal., 2016)，本研究在通过坡度评估因子评估三北防护林体系建设工程区宜林性时，选取坡度40°作为造林活动坡度上限。坡度小于40°的地区赋值为1，大于40°的地区赋值为0。

2.3 评估指标叠加分析 运用Arc-Gis将各评估因子分别按照其划分标准进行重采样，宜林区域赋值为1，不宜林区域赋值为0。利用栅格计算器叠加单因子评估结果图层，建立宜林性综合评估模型，运用重采样工具对综合评估图层重采样，划分出满足林木生长条件(土壤类型、土地利用类型、干燥度、海拔和坡度)的区域，即宜林性综合评估结果。

2.4 最大熵模型 最大熵模型(MaxEnt)是目前应用最广泛的物种分布模型之一，具有准确率高、约束条件设置灵活、易收敛和数学定义简单明了等优势(Elithetal., 2011； Phillipsetal., 2017； 刘丹等， 2018)。利用Arc-Gis在植被类型图层上提取乔木和灌木分布区，并在分布区内随机生成1 200个样本点。在MaxEnt中输入土壤类型、土地利用类型、干旱指数、海拔和坡度作为环境层，设定25%为随机测试百分比。以10%训练存在逻辑阈值作为适宜分布阈值界点，低于此阈值划分为不适宜区，高于此阈值划分为适宜区。模型预测精度由受试者工作特征曲线(ROC)的曲线下面积(AUC)指示(刘丹等， 2018； 高若楠等， 2017)。

3 结果与分析

3.1 基于Arc-Gis适宜性评估模型的宜林性评估 1) 单因子评估结果 土壤类型指标评估结果中(图1)，三北防护林工程区内不可造林和可造林区域面积分别为73.90万km2和259.77万km2。昆仑山脉、天山山脉、阿尔泰山脉和祁连山脉有大量高山土分布，适宜牧草生长，有重要的天然牧场分布，不宜进行造林活动。罗布泊和柴达木盆地以及冰川雪被覆盖的天山西部和中部等地区有大量盐壳分布，土壤条件恶劣。

在土地利用类型指标评估结果中(图1)，区内不可造林和可造林区域面积分别为96.43万km2和237.23万km2。昆仑山脉、阿尔泰山脉和塔里木盆地东北部至河西走廊北部地区山体海拔较高，且气候较干旱，有大量裸岩石质地分布，植物生长的土壤条件差，不满足造林条件。天山山脉的阴坡、半阴坡和大兴安岭南缘以西的内蒙古高原地区有较多降水，也是高覆盖度草地的集中分布区，在土地利用类型指标评估中被划为不可造林区域。

干燥指数评估结果中(图1)，区内不可造林和可造林区域面积分别为225.75万km2和107.92万km2。干燥程度使超过半数的地区成为不宜林地区，给造林活动带来极大限制。主要限制区域为准噶尔盆地、吐鲁番盆地、柴达木盆地及塔里木盆地，绵延至内蒙古高原东部地区，与当地气候条件分布情况相符。

海拔指标评估结果中(图1)，区内不可造林和可造林区域面积分别为60.41万km2和273.26万km2。工程区内不可造林区域集中分布于昆仑山脉、天山山脉中部和祁连山脉。区域东部地区因地势较低，宜林性不受海拔限制。

坡度指标评估结果中，区内不可造林和可造林区域面积分别为0.002 4万km2和333.67万km2，坡度限制区仅在昆仑山脉有零星分布，限制性较小。

2) 综合指标评估结果 综合指标评估结果显示，区内不可造林和可造林区域面积分别为275.21万km2和58.46万km2(图2)。可造林区域集中分布在工程区西北部、东部及南部区域。天山山脉北坡、内蒙古高原南部、太行山以东、大兴安岭以东等地区降水充足，可造林区域面积较大。吐鲁番盆地边缘、准噶尔盆地边缘及祁连山脉的冰雪融水向低处流动，为流经区域的植被提供生长所需的水分，使盆地边缘和山脚成为宜林区域。不可造林区域分布在昆仑山脉、天山山脉、阿尔泰山脉、准噶尔盆地、柴达木盆地、塔里木盆地，绵延至大兴安岭以西地区。其空间分布格局与工程区内自然条件基本吻合。总体上，东部地区主要受农牧业用地影响，中部地区主要受干燥度和降水因素制约，西部地区则主要受干燥度、降水和海拔影响。

图2 基于综合指标的宜林性评估结果Fig. 2 Afforestation suitability result based on integrated assessment椭圆范围内为可造林集中区 Area suitable for afforestation is concentrated in elliptical region

3.2 MaxEnt宜林性评估 利用MaxEnt预测工程区内乔木和灌木适生性，两者AUC皆大于0.88，模型模拟精度达到良好水平(图3)。使用刀切法(jackknife)检测变量权重，各环境因子对乔木适生区分布概率贡献率表现为土地利用类型(43.3%)>土壤类型(25.9%)>干燥度(18.2%)>坡度(7.0%)>海拔(5.7%)，对灌木适生区分布概率贡献率表现为干燥度(32.1%)>土壤类型(30.2%)>土地利用类型(24.5%)>坡度(9.3%)>海拔(3.9%)。

根据植被类型空间分布数据，工程区内已有乔木和灌木面积为16.47万km2。在MaxEnt输出图层中去除已有乔木和灌木面积，得出乔木和灌木的适生区面积分别为110.94万km2和144.11万km2(图4)。乔木和灌木适生区的空间分布具有相似性，集中分布于内蒙古高原以东及以南地区、祁连山脉、阿尔泰山脉、天山山脉、塔里木盆地、吐鲁番盆地和准噶尔盆地边缘，与Arc-Gis综合指标评价结果的空间分布情况相符合(图2和4)。

图4 MaxEnt模型的乔木和灌木适生区预测结果Fig. 4 Predicted distribution of suitable habitat of arbor and shrub by MaxEnt model

4 讨论

从Arc-Gis适宜性评估模型的单个指标评估结果看，不宜林的区域主要位于农牧业发达地区和干燥区域。农牧业发达地区受基本农田和基本草原政策保护(马林， 2014)，人类活动强烈的城镇地区人地矛盾关系，因此这些地区缺乏大规模造林的土地资源(Steinhausenetal., 2018； Zenebeetal., 2018； Salghunaetal., 2018)。工程区内气候干旱少雨，有大面积的干燥地区不满足林木生长的条件，为不宜林地区(图1)。在造林过程中应考量当地用水安全问题，合理选择植被类型和森林结构，将水资源管理纳入防护林体系建设和管理。从综合指标评估结果看，宜林区在西部盆地边缘的分布形态受地形和冰雪融水影响呈零散的条带状。冰雪融水由山间汇入盆地，这一水分再分配过程带来地表水和地下水的交换，影响植被覆盖的空间分布状况(卢娜， 2014； 王洋等， 2018)，因此盆地边缘的宜林区域沿山脉走向呈条带状。工程区西北部山脉宜林区域主要分布在阴坡和半阴坡； 东部和南部地区受耕地和牧场影响，宜林区域破碎零散。工程区西北部局部地区、东部及东南部的干燥度、海拔等条件适宜，适宜植被生长。松嫩平原和阴山以东地区为农牧业活动区域(吴泠等， 2004； 韩忆楠等， 2013)，宜林区域在耕地、牧场等农牧业用地外呈零散分布，主要为农田防护林。整体看来，由于工程区内经济发展较落后，对造林影响较大的人类活动主要是农业生产，城市发展的影响较小。

MaxEnt宜林性评估结果去除三北地区已有乔木和灌木后，三北林业工程区未来乔木适生区面积为110.94万km2，灌木适生区面积为144.11万km2，明显高于Arc-Gis适宜性评估模型的58.46 万km2(图4)。这一方面是由于2种模型方法原理不同，另一方面MaxEnt输出结果的适生性有高低之分。从MaxEnt模型输出结果看，中、低适生区的面积占比较大，这些区域的实际可操作性仍需进一步探讨。从多年三北防护林建设布局的科学性出发，三北防护林工程未来发展应坚持以建设完备区域性防护林体系为目标，在可造林区要综合资源和环境的相互作用关系，因地制宜地发展以乡土树种为基础的造林项目(Caoetal., 2011； 刘冰等， 2009)。同时，在综合指标预测的不可造林集中区，仍然存在着大面积河岸林，并且在规划区内已经实施了建设项目，且有些地段长势不错(刘冰等， 2009； 魏天兴等， 2009)。所以未来应考虑局地(河岸两地等)和造林的相互关系(陈亚宁等， 2018)，正确评估未来可造林区和不可造林区的划分依据。

三北地区乡土树种分布情况和积温情况表明(Xieetal., 2015; Zhangetal., 2016)，三北地区极端高温和极度干旱地区与干燥度限制区基本重合，部分极端低温地区为高海拔地区，温度和降水的限制性间接表现在干燥度和海拔指标中(刘军会等， 2008； Huoetal., 2013)，这使得温度和降水因素未能在评估结果中直接呈现。温度、降水等因素都会造成林线动态变化，难以用单一因素解释林线状况，本研究仅利用海拔因素衡量林木生长上限，未能全面反映林线限制(位姗姗等， 2019； 沈维等， 2017)。三北地区气候干旱(Xieetal., 2015; Zhangetal., 2016)，地下水位、其他行业用水安全和区域气候变化等都会影响工程区内水资源承载力，非地带性的水资源也会对适生区的空间分布产生影响，实际造林活动中还需结合上述因素衡量地方水资源承载力，探索林水协调的防护林管理方式。为控制造林的耗水成本，地方应“以水定林”，选择生产力高、节水性强的乡土树种，形成合理的植被结构(Wangetal., 2018; 2015)。同时，还应注重防护林形成的森林系统对区域降水量、水文等方面的影响，在防护林体系管理中纳入林水协调管理理念，兼顾水资源对造林的限制和防护林对区域用水安全的影响(Caoetal., 2011; Wangetal., 2018)。

5 结论

Arc-Gis综合指标评估结果中，三北防护林体系建设工程区内可造林区域面积为58.46万km2，占区域总面积的17.52%，全区宜林性极大受限于干燥程度。MaxEnt宜林性评估结果去除现有森林后，三北防护林工程区未来乔木适生区面积为110.94万km2，灌木适生区面积为144.11万km2，分别占全区面积的33.24%和43.19%。两者集中分布在工程区西北部的天山山脉、阿尔泰山脉和准噶尔盆地边缘、以及内蒙古高原以东地区和鄂尔多斯高原以南地区。总体看来，工程区内造林活动受干燥程度限制的特点十分突出，实际造林活动还应考虑高山的冰雪融水量，以及避免占用工程区东部的基本草原和基本农田。为改善三北地区生态环境、提高造林成活率、更好地发挥三北防护林的生态屏障作用，管理部门可在防护林建设过程中参考上述可造林区域，注重“林水协调”管理。