基于GIS技术与适地适树理念的南方红豆杉用地优化布局

张雨晨，周碧青,b，范协裕,b，张黎明,b，邢世和,b*

(福建农林大学a.资源与环境学院，b.土壤生态系统健康与调控高校重点实验室，福州 350002)

习近平总书记在2020年联合国生物多样性峰会开幕式上的讲话中指出，生物多样性丧失和生态系统退化对人类生存和发展构成重大风险[1]。近年来，珍贵树种在提高森林林分多样性和生态功能的作用方面得到关注，珍贵树种轮伐期较长，可相对减少种植和砍伐对林地土壤扰动的频度[2]。然而，目前中国热带和亚热带地区人工林以松树、桉树等速生树种为主，不利于生物多样性和稳定性。以福建省为例，森林覆盖率高但树种单一，抵御病虫害能力减弱[3]，水土流失风险增加[4]。因此，科学发展珍贵树种生产，优化珍贵树种用地布局，对于提高中国南方地区森林生态系统的生物多样性和生态稳定性具有重要作用。

南方红豆杉(Taxusmairei(Lemée et H. Lév.) S. Y. Hu ex T. S. Liu)为亚热带常绿阔叶林、常绿与落叶混交林的特征种，常与其他阔叶树混生[5]，具有净化空气、改善林地土壤质量等生态价值[6]。福建省南方红豆杉主要分布于龙岩、南平和三明等地，其自然条件下传播方式主要通过鸟类取食传播，个体分布较为零散[7]，保护工作成本较大，因此根据适地适树理念科学安排南方红豆杉用地布局具有必要性和紧迫性。李鸿杰等根据中国红豆杉和曼地亚红豆杉生态学特性，选取年均温、年绝对最低温、空气相对湿度、年降水量和无霜期5个适生环境指标，并进行指标排序，确定其权重，最后采用灰色聚类分析法将甘肃省研究区划分为适宜区、基本适宜区与不适宜区3类[8]。李灿等以全国第二次重点保护野生植物资源调查中201个红豆杉分布点为基础数据源，筛选31个影响红豆杉分布的环境变量，应用最大熵模型并结合ArcGIS地理信息系统，划定四川省红豆杉潜在分布区并进行适宜性评价[9]。目前，福建省尚缺乏珍贵树种适宜用地的数量、质量及空间分布等基础性资料，在南方红豆杉等珍贵树种生产及其用地空间布局上尚存在一定盲目性。为此，本研究利用福建省土地利用现状调查、气象站观测数据以及林地和山地土壤调查分析资料，根据南方红豆杉生长习性以及立地条件要求，在探讨建立福建省南方红豆杉用地适宜性评价因子及其指标体系的基础上，基于GIS技术与适地适树理念，开展福建省南方红豆杉用地适宜性评价及其用地的优化布局，为福建省保护和发展南方红豆杉用地生产,促进生态平衡提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福建省位于中国东南沿海(115°50′E～120°40′E，23°30′N～28°22′N)，地处南亚热带至中亚热带的交迭带，气候温暖湿润，雨量充沛，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，水热资源丰沛、土壤类型复杂、地貌类型繁多[10]。全省森林资源丰富，是中国南方的重点林区之一，适宜发展南方红豆杉等珍贵树种种植。

1.2 数据来源

从福建省相关部门收集以下资料：2018年福建省1∶25万土地利用现状图数据库,土壤类型分布图数据库,土壤侵蚀分布图数据库和数字高程模型(DEM)数据库,福建省第二次林业土壤普查相关调查样点空间分布及其属性数据资料(1991年),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 评价对象及评价单元空间数据库建立

借助ArcGIS软件，从福建省土地利用现状图数据库中提取出林地矢量数据图层作为评价对象，与福建省土属类型矢量数据图层进行空间叠加分析和拓扑运算，建立评价单元空间数据库。

1.4 南方红豆杉用地适宜性评价因子选择及其属性数据库建立

利用南方红豆杉相关研究成果[11]，结合福建省自然环境条件[12-14]，遵循主导性、差异性、稳定性等原则[15]，采用特尔斐法筛选出地形(坡度、坡向)、气候(年均温、年降水量、无霜期、年日照时数)、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15个因子作为福建省南方红豆杉用地适宜性评价因子。

利用福建省气象站经纬度、海拔以及相关气象观测数据，采用三维趋势面分析模型拟合建立相关气候因子最佳趋势面模型，借助ArcGIS软件，采用二次反距离权重插值模型[15]对推算的气候因子数据进行残差订正，推算并建立福建省年均温、年降水量、无霜期、年日照时数、≥10℃积温、极端高温、极端低温等气候因子250 m×250 m栅格空间数据库；利用福建省DEM数据库，借助ArcGIS软件的坡度、坡向等运算模块自动生成相关地形因子栅格数据库；利用福建省第二次林业土壤普查调查样点及其属性分析数据，采用普通克里格插值方法[15]生成林地土壤有机质、pH值、质地、土层厚度、全磷、全钾等土壤属性评价因子栅格数据库。

利用福建省评价对象矢量数据图层掩膜土壤侵蚀模数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[16]。

从福建省土地利用现状图数据库提取获得的交通、城镇居民点用地分布矢量数据库，以评价单元中心点到道路或居民点中心点的最短距离为准则，推算并建立区位因子空间数据库。借助ArcGIS软件，利用网络最短路径公式[17]计算交通通达度因子空间数据库。依据南方红豆杉正常生长对立地及社会经济条件要求的相关研究成果[18]，采用专家经验法确定各评价因子的上限值(Ut1)、下限值(Ut2)和标准值(Ci)(表1)。

表 1 南方红豆杉主要评价因子标准值、上限值和下限值 Table 1 Standard values, upper limit and lower limit of the main evaluation factors of Taxus mairei

表 2 南方红豆杉评价因子隶属函数类型及经验公式 Table 2 The types and formulas of membership functions of evaluation factors for Taxus mairei

表 3 南方红豆杉质地、坡度隶属度经验值 Table 3 Experience membership degree of texture and slope for Taxus mairei

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，建立南方红豆杉的戒上、戒下和峰型评价因子的隶属函数经验模型(表2)，采用特尔斐法建立散点型/概念型评价因子的隶属度经验值(表3)，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[18]。

表 4 福建省南方红豆杉评价因子权重 Table 4 Evaluation factor weights of Taxus mairei in Fujian

1.6 评价因子权重的确定

采用层次分析法(AHP)确定南方红豆杉评价因子的权重(表4)，一致性检验结果表明，南方红豆杉各层次要素计算结果的CR值介于0～0.005之间，均小于0.1，故权重计算结果可信。

表 5 福建省南方红豆杉用地适宜性极限因子及其极限值 Table 5 The limit factor and value of land suitability for Taxus mairei in Fujian

1.7 用地适宜性评价

根据南方红豆杉正常生长对立地条件的要求[18]，采用特尔菲法确定其用地适宜性评价的极限因子及其极限值(表5)。采用修正的加权指数和模型[15]计算福建省南方红豆杉用地适宜性指数，计算公式如下：

(1)

式(1)中:Yi表示评价单元某一珍贵树种的适宜性指数，ai表示各评价因子的隶属度，bi表示评价因子的权重值，i表示任意一个参评因子，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。

表 6 福建省各县(市、区)南方红豆杉用地适宜性面积 Table 6 Land suitability areas of Taxus mairei plantation in all counties (cities, districts) of Fujian

采用SPSS软件的K均值聚类分析模型对各栅格单元的适宜性指数进行分级，将南方红豆杉用地适宜等级划分为高度适宜、中度适宜和一般适宜3个等级，适宜性指数≥0.732为高度适宜，≤0.542为一般适宜，0.542～0.732为中度适宜。

1.8 用地优化布局方法

首先，根据适地适树和规模集约经营的目标要求，用地优化布局需遵循“与用地适宜性相对一致性、集中连片且兼顾行政界线完整性”原则[15]，故借助ArcGIS软件从福建省南方红豆杉用地适宜性评价数据库提取出高度和中度适宜的栅格数据图层，剔除面积<6.67 hm2的适宜用地单元图斑，作为福建省南方红豆杉用地优化布局的基础数据库。

其次，根据用地综合效益最大化的目标要求，用地优化布局还需考虑珍贵树种的材性、价值和适育性对树种产值和效益的影响，故参考倪必勇等的研究方法，选择珍贵树种的密度及强度、耐久性、尺寸稳定性、结构、纹理、色泽、利用价值、文化价值、经济价值、速生性、丰产性等12个指标，将每个指标以10分为满分，建立评分标准，对不同珍贵树种分别进行赋值，获得福建省61个珍贵树种的综合评分值(称为优选性指数)作为反映珍贵树种的材性、价值和适育性的衡量指标[19]，其中南方红豆杉的综合分值为8.591，其用地优化布局应优先选择用地适宜性指数和优选性指数综合指数最高的用地单元，才能实现用地布局综合效益的最大化，且实现“适地适树”的目标。

采用特尔菲法确定用地适宜性指数和优选性指数的权重值，其中用地适宜性指数权重确定为0.6，优选性指数权重确定为0.4,则综合指数计算公式如式(2)：

F=Y×A1+C×A2÷10

(2)

式(2)中:F为综合指数，Y为用地适宜性指数，A1为用地适宜性权重，C为优选性指数，A2为优选性权重。采用K均值聚类分析模型将南方红豆杉用地布局划分为优先种植区、次优先种植区和一般种植区3个等级，综合指数≥0.807为优先种植区，≤0.748为一般种植区，0.748～0.807之间为次优先种植区。

1.9 面积统计与制图

以福建省土地利用现状数据库中的现状林地(有林地、疏林地、灌木林地、苗圃、迹地和未成林造林地)面积为基数，按地类对各评价单元面积进行平差，然后以县(市、区)为单位，对南方红豆杉用地优化布局进行面积统计。利用ArcGIS软件编制福建省南方红豆杉用地优化布局分布图。

2 结果与讨论

2.1 南方红豆杉用地适宜性分析

福建省南方红豆杉用地适宜性评价结果(表6、图1～2)显示，全省适宜种植南方红豆杉的用地总面积为373.15万hm2，占评价对象总面积的44.83%，主要分布在闽中、闽北、闽西和闽西南地区。从南方红豆杉适宜用地设区市分布来看，全省南方红豆杉适宜用地主要分布在三明(27.87%)、龙岩(24.40%)和南平(24.35%)等市，合计面积为285.94万hm2，占全省适宜种植南方红豆杉用地总面积的76.63%。从县域分布来看，全省南方红豆杉适宜用地资源主要分布在漳平、延平、尤溪、新罗、建瓯、永安、武平、德化、连城、大田、顺昌、清流、明溪、建阳、上杭、政和、将乐、长汀、邵武、永泰、闽清、古田、三元、仙游、闽侯、宁化、永春、安溪、泰宁、浦城、屏南等31个县(市、区)，合计面积为331.78万hm2，占全省南方红豆杉适宜用地资源总面积的88.91%。全省高度、中度适宜种植南方红豆杉用地资源比较丰富，用地面积分别为116.84万hm2和223.44万hm2，分别占全省适种用地总面积的31.31%和59.88%，而一般适种用地资源相对较少，仅占全省适种用地总面积的8.81%，可见，福建省南方红豆杉适宜用地质量总体较高。

图 1 设区市南方红豆杉适宜性面积Figure 1 Suitability areas of Taxus mairei in prefecture cities

图 2 南方红豆杉适宜性评价示意Figure 2 Suitability evaluation of Taxus mairei

从各设区市适宜种植南方红豆杉用地资源的质量分布来看(表6、图1～2)，南方红豆杉高度适宜用地集中分布在三明(34.68%)、龙岩(27.92%)和南平市(25.04%)，合计面积为102.41万hm2，占全省高度适宜用地总面积的87.65%，其他设区市南方红豆杉适宜用地资源相对较少，大小顺序依次为泉州(4.98%)、福州(4.49%)、宁德(1.25%)、莆田(1.12%)和漳州市(0.52%)。从县域分布来看，主要分布在漳平、延平、尤溪、新罗、建瓯、永安、清流、连城、德化、将乐、明溪、三元、大田、顺昌、闽清、泰宁、建阳、政和、梅列、邵武、罗源、上杭、沙县、仙游等24个县(市、区)，合计面积为109.85万hm2，占全省南方红豆杉高度适宜用地总面积的94.02%。该区域种植南方红豆杉适宜程度较高的主要原因是：(1)光、热、水资源比较充足。该区域年日照时数、无霜期和年降水量均值分别达1 769.71 h、272.84 d和1 715.32 mm，完全满足南方红豆杉生长的需要，年均温较高，达18.11 ℃，比全省均值高3.25%。(2)土壤环境条件较好，土层深厚、质地适中、酸碱度适宜，有机质、全磷、全钾含量丰富。该区域土层厚度均值达114.53 cm，质地以中壤土和重壤土为主，pH均值为5.08，酸碱度适宜；有机质、全磷、全钾均值分别为39.99 g·kg-1、0.84 g·kg-1和23.35 g·kg-1，分别比全省相应均值高10.46%、40.26%和21.34%。(3)地理位置优越，交通便利。该区域区位和交通通达度均值分别为1.21 km和168.80 km，分别为全省相应均值的83.89%和86.03%。

图 3 设区市南方红豆杉用地优化布局面积Figure 3 Optimizing the layout area of Taxus chinensis in prefecture cities

表 7 福建省各县(市、区)南方红豆杉用地优化布局面积 Table 7 Optimized land layout areas of Taxus mairei in counties (cities, districts) of Fujian

南方红豆杉中度适宜用地主要分布在三明(26.50%)、南平(25.81%)、龙岩(24.31%)、福州(7.88%)和泉州市(7.71%)，合计面积为206.03万hm2，占全省南方红豆杉中度适宜用地总面积的92.21%，而宁德、莆田、漳州和厦门市的南方红豆杉中度适宜用地资源比较稀缺，合计面积为17.41万hm2，仅占全省南方红豆杉中度适宜用地总面积的7.79%。从县域分布来看，主要分布在武平、新罗、永安、建瓯、德化、尤溪、连城、建阳、顺昌、大田、政和、上杭、明溪、永泰、邵武、长汀、延平、将乐、闽清、古田、清流、漳平、宁化、浦城、屏南、永春、光泽、闽侯、安溪、建宁、仙游、泰宁和武夷山等33个县(市、区)，合计面积为208.44万hm2，占全省中度适宜用地总面积的93.29%。该区域拥有丰富的光、热、水资源，土层深厚，有机质含量较高，但土壤全磷、全钾含量较低，交通和区位条件也不及高度适宜用地区。

南方红豆杉一般适宜用地主要分布在宁德(23.18%)、福州(18.09%)、三明(13.01%)、龙岩(12.50%)、莆田(12.07%)和南平市(12.01%)，合计面积为20.28 hm2，占全省南方红豆杉一般适宜用地总面积的90.86%。从县域分布来看，主要分布在福安、仙游、闽侯、蕉城、长汀、福清、清流、城厢、建瓯、上杭、安溪、古田、南安、寿宁、武夷山、连江、永泰和建阳等县(市、区)，合计面积为22.79万hm2，占全省一般适宜用地总面积的69.37%。该区域种植南方红豆杉适宜程度较低的主要原因包括：(1)土壤肥力低下，土层浅薄。该区域土壤有机质、土层厚度均值分别为29.34 g·kg-1、88.84 cm，分别为全省相应指标均值的74.42%和82.46%。土壤磷、钾含量缺乏，全磷、全钾均值分别为0.48 g·kg-1、16.99 g·kg-1，分别为全省相应指标均值的68.39%和82.02%。(2)降水资源较少。该区域年降水量均值仅为1 673.84 mm，比全省均值低2.82%。(3)区位条件较差。该区域区位均值为1.44 km，比全省均值高7.52%。

全省南方红豆杉不适宜用地面积为459.25万hm2，占评价对象总面积的55.17%，主要分布在闽东南沿海地区和闽北、闽西高海拔地区。从设区市分布来看，南方红豆杉不适宜用地主要分布在南平、三明、宁德、龙岩和漳州等市，合计面积为372.53万hm2，占全省南方红豆杉不适宜用地总面积的81.12%。从县域分布来看，全省不适种南方红豆杉的用地资源主要分布在浦城、武夷山、建阳、长汀、光泽、永定、邵武、南靖、宁化、平和、上杭、安溪、沙县、将乐、建宁、建瓯、古田、永泰、寿宁、连城、福鼎、闽侯、南安、泰宁、霞浦、尤溪、蕉城、屏南、松溪、福安、华安、漳浦、仙游、周宁、永安、连江、武平、大田、诏安、长泰等40个县(市、区)，合计面积为387.43万hm2，占全省不适种用地总面积的84.36%。上述区域不适宜种植南方红豆杉的主要原因是：(1)水分条件限制。闽东南沿海上述区域的年降水量在1 300 mm以下，年均温和≥10℃积温较高，蒸发量较大，难以满足南方红豆杉对水分条件的要求，容易导致其因干旱而枯死。(2)低温限制。闽西上述区域极端低温在-11℃以下，超出了南方红豆杉可以忍耐的极端低温的下限值，容易产生冻害。(3)立地条件较差。南方红豆杉不宜在地势低洼、积水、土壤黏重地段种植，在干旱瘠薄土壤上，植株矮化，长势较差，在碱性土壤下生长不佳。

综上所述，福建省南方红豆杉适宜用地面积较大，其中三明、龙岩和南平等地特别适合发展南方红豆杉人工林种植。从分析结果来看，影响南方红豆杉正常生长的因素主要是热量、水分、光照和海拔，同时也受坡度、土层厚度、土壤质地、土壤酸碱度及土壤侵蚀等因素的制约。

2.2 南方红豆杉用地优化布局分析

福建省南方红豆杉用地优化布局结果表明(表7、图3～4)，全省南方红豆杉优化布局用地主要分布在三明、龙岩和南平市，合计面积为285.94万hm2，占全省南方红豆杉优化布局用地总面积的76.63%，而后从大到小依次为福州(7.72%)、泉州(6.94%)、宁德(5.97%)、莆田(2.06%)和漳州市(0.68%)。全省南方红豆杉以次优先种植区和优先种植区占优势，一般种植区面积相对较小，优先、次优先和一般种植区面积分别为66.71万hm2、264.16万hm2和42.27万hm2，分别占全省南方红豆杉用地优化布局用地总面积的17.88%、70.79%和11.33%。

从设区市统计分析来看，全省南方红豆杉优先种植区主要分布在三明、龙岩和南平市，合计面积为60.76万hm2，占全省南方红豆杉优先种植区总面积的91.07%，其中以三明市和龙岩市面积较大，分别占全省南方红豆杉优先种植区总面积的32.73%和32.04%。次优先种植区主要分布在三明、龙岩和南平市，合计面积为206.63万hm2，占全省南方红豆杉次优先种植区总面积的78.22%，其中以三明市面积最大，占全省南方红豆杉次优先种植区总面积的28.79%。一般种植区主要分布在宁德、龙岩、福州和三明市，合计面积为28.52万hm2，占全省南方红豆杉一般种植区总面积的67.46%，其中宁德市面积较大，占全省南方红豆杉一般种植区总面积的20.61%。可见，福建省应将三明和龙岩市作为南方红豆杉用地的优先布局区。

从县(市、区)统计分析来看，南方红豆杉优先种植区主要分布在漳平、延平、尤溪、建瓯、新罗、永安、连城、大田、将乐、三元、清流、顺昌、德化、梅列、罗源、明溪、沙县、闽清、建阳、上杭和邵武等21个县(市、区)，合计面积为63.59万hm2，占全省南方红豆杉优先种植区总面积的95.33%，其中以漳平市和延平区的面积较大，分别占全省南方红豆杉优先种植区总面积的21.57%和14.56%。该区域光、水、热资源充足，土壤立地条件较好，交通便利，区位条件优越，能保证南方红豆杉的正常生长，目前这些区域已有不同面积的南方红豆种植。因此，上述县(市、区)应作为福建省南方红豆杉的优先发展区域。次优先种植区主要分布在新罗、武平、永安、尤溪、建瓯、德化、连城、延平、建阳、明溪、漳平、政和、顺昌、大田、邵武、清流、上杭、永泰、将乐、闽清、长汀、古田、宁化、永春、泰宁、屏南、浦城、三元、光泽、闽侯、安溪和仙游等32个县(市、区)，合计面积为245.29万hm2，占全省南方红豆杉次优先种植区总面积的92.86%，其中以新罗区、武平县和永安市面积较大，分别占全省南方红豆杉次优先种植区用地总面积的5.89%、5.36%和5.36%。该区域光、热、水资源与优先种植区相差不大，土壤条件较差，交通和区位条件略逊于优先种植区。一般种植区主要分布在长汀、仙游、福安、闽侯、建瓯、蕉城、安溪、上杭、永安、古田、福清、清流、城厢、大田、永泰、南安、武平、寿宁、浦城和武夷山等20个县(市、区)，合计面积为30.78万hm2，占全省南方红豆杉一般种植区总面积的72.83%，其中以长汀县、仙游县和福安市面积较大，分别占全省南方红豆杉一般种植区总面积的7.75%、5.67%和5.40%。

3 结论

福建省南方红豆杉适宜用地主要分布在南平、三明和龙岩等市，合计占全省南方红豆杉适宜用地总面积的76.63%，具体主要分布于三明市的尤溪、永安、将乐、明溪、大田和清流，南平市的延平、建瓯、顺昌、建阳、邵武和政和以及龙岩市的漳平、新罗、武平、连城、上杭、长汀等县(市、区)，合计占全省南方红豆杉高度适宜用地区总面积的66.84%，这些县(市、区)特别适宜于南方红豆杉种植。全省南方红豆杉优先布局用地主要分布在三明市(27.87%)、龙岩市(24.40%)和南平市(24.35%)，具体主要分布于三明市的尤溪、永安、大田、清流、明溪和将乐，南平市的延平、建瓯、顺昌、建阳、政和和邵武，龙岩市的漳平、新罗、武平、连城、上杭和长汀，泉州的德化，福州市的永泰和闽清等县(市、区)，上述县(市、区)可作为福建省南方红豆杉用地的优先布局区。