防护林空间对位配置研究是防护林学研究的一项重要内容，是防护林体系最大限度地发挥其生态、经济和社会效益的关键技术。防护林空间配置是指防护林体系的土地利用结构、林种结构和林分系统的空间布局(郭立群等，1994)。防护林空间配置要根据防护林林种的结构、功能和经营目标，确定防护林功能经营区和经营类型，实现分区、分类经营，并在经营类型区内因地制宜地安排防护林林种，在林种中配置防护林类型(蒋丽娟，2000)。小流域的防护林空间对位配置，主要是从研究不同树种、不同林种、不同植被类型等的涵养水源、减少水土流失效应入手，分析诊断不同小流域生态系统的特点，根据不同防护林的防护机制，以小流域为单元，提出不同功能的防护林空间对位配置模式。

小流域防护林体系的合理配置是把小流域建成持续、稳定、高效人工生态系统的重要因素。因此，小流域防护林体系对位配置技术的研究显得十分重要。有关小流域尺度的防护林空间配置方法，国内学者提出了许多思路，主要有理论与经验相结合的方法(郭立群等，1994)、层次分析法(高成德等，2000; 王迪海等，1999; 刘启慎等，2000)、数量化理论(高甲荣等，2000)、多目标灰色局势决策法(金博文，1997)、聚类分析法(高甲荣等，2000)、综合评价模型法(包晓斌，1998)、目标规划模型法(包晓斌，1998)以及专家系统技术法(包晓斌，1998)等。而国外则注重不同土地利用类型(包括作物种植类型)的土壤侵蚀量和适宜树、草种和乔灌草的配置方式，将农林业用于水土保持(Liu et al., 2003; Nuberg et al., 1993)。本文利用2005年度的IKONOS 4卫片，通过解译获得官司河小流域土地利用现状数据、1 : 1万森林资源分布图、2007年度森林资源二类调查小班资料，结合样地调查数据以及四川省林业科学研究院森林生态效益定位站(四川绵阳新桥)径流场的有关数据，建立起该流域的297个小班物元模型，对其进行适宜性评价，再用层次分析法对其进行优化，从而获得该流域的297个防护林林业用地小班空间对位配置，对小流域防护林体系的规划和建设提供决策依据。

1 研究区概况

研究区为官司河小流域，位于四川省绵阳市游仙区新桥镇内，处于龙门山前缘向盆地的过渡地带，属浅-深切割的丘陵地貌。地理坐标为104°46'—104° 49' E，31° 23'—31° 37' N。整个流域面积为21.2 km²。气候属北亚热带湿润季风气候，气温与年降水的地域分布变化很小，年均温16.1 ℃，极端最高气温40.19 ℃，极端最低气温-7.3 ℃，年均日照1 298.1 h，年均太阳辐射量374.11 kJ·cm^-2，年均降水量921.0 mm，年均相对湿度79%，无霜期272天(阳小成等，2002)。土壤主要有发育在第四系松散堆积物上的老冲积黄壤和发育在白垩系泥岩和砂岩风化物上的紫色土、灰白砂土。2007年，流域总人口17 856人，其中农业人口13 839人。流域内的防护林主要是20世纪80年代以来通过封山育林形成的天然次生林和营造的人工林，林分处于中壮龄阶段。其中，天然次生林主要有柏木(Cupressus funebris)、马尾松(Pinus massoniana)、麻栎(Querus acutissima)、栓皮栎(Quercus variabilis)纯林或其混生的针阔混交林; 人工林主要有桤木(Alnus cremastogyne)-柏木混交林、湿地松(Pinus elliottii)等树种。林下灌木以黄荆(Vitex negurdo)、铁籽(Myrsine africana)、火棘(Pyracantha fortuneana)、秋胡颓子(Elaeagnus umbellata)等为主; 草本植物以莎草(Cyperus comprssus)、苔草(Carex brunnea)和白茅(Imperata cylindrica)等为主。

官司河流域防护林2005年度土地利用格局分布面积现状(表 1)按由大到小排列为耕地＞松柏混交林＞马尾松纯林＞柏木纯林＞水体＞经济林＞建筑用地＞松栎混交林＞松柏栎混交林＞交通用地＞桤柏混交林＞竹林＞栎柏混交林。针阔混交林(桤柏/栎柏)面积为124.39 hm²，仅占整个有林地面积的14.97%，而针针混交林(松柏)的面积却占27.37%，针叶纯林(马尾松/柏木)的面积更是占42.48%。龚固堂等(2011)、雷孝章等(1996)研究表明:针阔混交林的水土保持效果明显优于针叶纯林和针针混交林。例如，桤柏混交林年径流量比柏林纯林减少40.26%，比松柏混交林减少26.94%;土壤侵蚀量比柏木纯林减少89.58%，比松柏混交林减少61.70%，而栎柏混交林的水土保持效果更佳。由此可见，本区的防护林类型分布不均匀、结构不合理，难以发挥森林的生态、经济和社会效益，尤其是生态效益难以保障。因此，进行本区防护林的结构调整是非常必要的。

2 研究方法 2.1 数据来源及影像处理

遥感数据源选用2005年5月的IKONOS 4波段1 m全色+4 m多光谱卫星影像，投影方式为UTM。基础数据采用1 : 1万地形图、林相图以及2007年度森林资源二类调查小班资料。利用野外调查与室内解译相结合的方法。具体过程为:首先对遥感数据进行预处理，确定野外调查的路线及重点地区; 然后结合1: 1万地形图和GPS定位技术，对各种景观斑块类型进行采样记录，确定其类型的特征; 最后在室内应用ERDAS 8.5与ArcGIS9.0图像处理软件对IKONOS 4遥感数据进行几何纠正、解译和拼接等，得到研究区土地利用类型现状图，在Excel 2003中进行统计分析。

2.2 物元分析法 2.2.1 物元分析的基本概念

给定事物的名称N，它关于特征C的量值为V，以有序三元R=(N，C，V)组作为描述事物的基本元，简称物元。事物名称N、特征C和量值V称为物元的三要素。如果事物N有多个特征，它以n个特征c₁，c₂，…，c_n和相应的量值v₁，v₂，…，v_n描述，则表示为(蔡文，1994):

这时，称R为n维物元，简记为R=(N，C，V)。

2.2.2 经典域与节域物元矩阵

当N₀为标准事物、关于特征c_i量值范围v₀i=〈a₀i，b₀i〉时，经典域的物元矩阵可表示为:

(1)

由标准事物N₀加上可转化为标准的事物所组成的物元R_p称为节域物元，而v_pi=〈a_pi，b_pi〉为节域物元关于特征c_i的比相应标准扩大的量值范围。节域物元矩阵表示为:

(2)

显然，这里有〈a_0i，b_0i〉⊂〈a_pi，b_pi〉(i=1，2，…，n)。

2.2.3 关联函数及关联度的计算

关联函数表示物元的量值取值为实轴上一点时，物元符合要求的范围程度。由于可拓集合的关联函数可用代数式来表达，就使得解决不相容问题能够定量化。令有界区间X₀=[a, b]的模定义为:

(3)

某一点X到区间X₀=[a, b]的距离为:

(4)

则关联函数k(x)的定义为:

(5)

式中: ρ(x，x₀)表示点X与有限区间X₀=[a, b]的距离; ρ(x，x_p)表示点X与有限区间X_p=[a_p，b_p]的距离; X，X₀，X_p分别表示待评物元的量值、经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围。

2.2.4 评价标准

关联函数K(x)的数值表示评价单元符合某标准范围的隶属程度。当K(x)≥1.0时，表示被评价对象超过标准对象上限，数值越大，开发潜力越大; 当0≤K(x)≤1.0时，表示被评价对象符合标准对象要求的程度，数值越大，越接近标准上限; 当-1.0≤K(x)≤0时，表示被评价对象不符合标准对象要求，但具备转化为标准对象的条件，且值越大，越易转化; 当K(x)≤-1.0时，表示被评价对象不符合标准对象要求，且又不具备转化为标准对象的条件。

2.2.5 事物的综合关联度和质量等级评定

待评事物N_x关于等级j的综合关联度K_j(N_x)为:

(6)

式中: K_j(N_x)为待评事物关于各等级j的综合关联度; K_j(X_i)为待评事物关于各等级的关系度(j=1，2，…，n); a_i为各评价指标的权系数。若

(7)

则评定事物N_x属于等级j₀。

2.3 层次分析法

建立步骤(杨澍等，2005):

1) 确定目标和评价因素，即P个评价指标。

2) 构造判断矩阵。判断矩阵元素的值反映人对各元素相对重要性的认识，一般采用1~9及其数的标度方法。但当相互比较因素的重要性能够具有实际意义的比值说明时，判断矩阵相应元素值则取这个比值，即得到判断矩阵S=(u_ij)_p×p。

3) 用方根法或和积法计算判断矩阵S的最大征根λ_max及其对应的特征向量A，此特征向量就各评价因素的重要性排序，也即是权系数的分配。

4) 一致性检验。为进行判断矩阵的一致性检验，需计算一致性指标和平均随机性指标RI。当随机一致性比率时，认为层次分析排序的结果有满意的一致性。

3 结果与分析 3.1 防护林体系空间格局优化 3.1.1 小班特征值的选取和度量

根据官司河流域防护林结构特征及现有资料，并征求有关专家意见，在防护林结构调整中，共考虑6项特征。其中，定量特征有坡度(0~5°，5~15°，15~25°，26~35°，＞35°)、土层厚(0~30，31~80，＞80 cm)、土A层厚度(0~5，5~10，＞10 cm)、土壤含水率(＜10%，10%~20%，20%~30%); 定性特征有坡位(山脊、上坡、中坡、下坡、山麓)、土壤类型(紫色土、老冲积黄壤、灰白砂土)。

3.1.2 防护林土地利用适宜性评价的物元模型

由IKONOS 4卫片提取现有土地空间信息，通过ArcGIS 9.3软件平台建立官司河流域防护林土地利用矢量化专题地图。为方便分析，将林地类型划分为针阔混交林、针针混交林、针叶纯林、阔叶纯林、经济林、灌木林以及草地7种类型。根据2007年森林资源二类调查小班资料并结合实地调查资料，给出官司河流域防护林土地利用297个小班的物元表达式(陈俊华等，2010)。

3.1.3 各特征值的节域与经典域

当土地N关于特征C的量值在某个范围V₀内变换时，土地的根本性质无改变; 而C的量值超过V₀后，土地的性质已发生质的改变。这个范围就是土地的节域J。从防护林结构调整角度看，适宜性可分为3级，即最适宜、较适宜、不适宜。为了计算方便和统一，采用标准化评分法(规定各特征的节域均为1~100，各属性值为整数)，以消除不同特征量纲与尺度的不一致，使各特征之间具有一定的可比性。经咨询专家和查询资料后，陈俊华等(2006)确定每一特征在节域(1~100)内的经典域(表 2)。

3.1.4 各特征值的权重设计

关于评价因子的权重计算方法很多，如主成分法、层次分析法等。本研究采用特尔菲(Delphi)法结合层次分析法(雷孝章等，1999)，由7位专家参与打分。为克服专家打分的主观性，经过5轮专家咨询，直到80%以上的专家认同，才列入指标体系(雷孝章等，1999)，最后综合得出6项特征值的权重(表 3)。

3.1.5 防护林土地利用适宜性物元评判结果

运用包含上述6项特征值、经典域和权重等属性参数在内的土地利用属性数据库，以小班号为关键字段，将特征值表和官司河防护林土地利用空间数据库相关联。以土地利用类型为关键字段，将经典域表和权重表相关联，分别计算各特征值关联度、地块适宜性，从而得到综合关联度K(N_x)值(蔡文，1994; 陈俊华等，2006)确定地块的最终适宜度，结果见表 4。

3.1.6 官司河流域防护林结构优化

上述物元评判对每个地块(小班)的适宜性，为编制官司河流域防护林结构优化提供“地尽其利”的依据，同时也为专家打分确定判断矩阵提供了参考。依据可持续发展思想和人们对防护林所发挥的效益需求，参照国内已有研究成果并结合官司河流域防护林植被类型的特点，建立起官司河流域防护林体系结构优化模型，该模型包括目标层、准则层和措施层1和措施层2等4个层次。考虑到官司河流域防护林体系普遍存在生态、经济以及社会效益发挥不充分、林分稳定性差等问题，以可持续发展要求为前提，提高防护林体系的各种效益，形成稳定性强、服务功能体的防护林体系为最终目标，将生态、社会、经济效益以及林分稳定性作为准则层，同时考虑到官司河流域防护林体系组成的实际情况，选用官司河流域常见的植被类型、树种作为实现总目标的措施层(图 1)。

根据四川省林业科学研究院森林生态效益定位站(绵阳新桥)多年的监测数据及科研结果，采用1~9及倒数的标度方法，由专家对官司河小流域不同树种、植被类型对防护林体系的生态、经济、社会以及林分稳定性4个目标的贡献进行逐个打分，分别建立判断矩阵。

1) 准则层A-B判断矩阵及结果  判断矩阵A-B计算结果可知(表 5)，其权重按大小排列为生态效益(57.92%)＞经济效益(18.50%)＞社会效益(17.22%)＞林分稳定性(6.35%)。CR=0.030 6＜1，表明层次分析排序的结果具有满意的一致性。

2) 措施层B-C判断矩阵及结果  由于篇幅关系，将其省去。

3) 措施层总权重判断矩阵及结果  在准则层A-B和措施层B1-C; B2-C; B3-C; B4-C的计算结果基础上，构造措施层总权重值A-C判断矩阵，其计算结果见表 6。

由表 6可知，通过层次分析法对官司河小流域防护林体系进行优化，各植被类型按权重(即占总面积的比例)为针阔混交林(31.12%)、灌木林(15.5%)、经济林(12.28%)、针针混交林(11.46%)、阔叶纯林(11.41%)、针叶纯林(9.51%)、草地(8.70%)。CR=0.0383＜1，表明层次分析排序的结果具有满意的一致性。

4) 措施层D-C判断矩阵计算结果  措施层D-C判断矩阵计算结果表明(表 7)，配置前5位的乔木树种为柏木(19.0%)、马尾松(12.56%)、栎类(11.73%)、四川桤木(8.46%)、湿地松(6.46%)。经济林树种以柑橘所占比例最大(5.18%)，这与川中丘陵区是柑橘的主产地相吻合; 而灌木树种以马桑和黄荆所占比例最大，分别占6.41%和4.43%。

3.2 防护林体系空间对位配置 3.2.1 配置原则

1) 适地适树的原则  根据造林地块的立地条件、造林树种的生物学和生态学特性，按立地类型设计造林模式，配置造林树种，避免因树种选择不当造成不成林、难成林的局面。

2) 科学性与实用性的原则  在适地适树原则的基础上，尽量选择速生、丰产、优质和抗逆性强的乡土树种; 整地时间、规格、造林方法等技术设计科学，实用性强，符合当地的实际情况。

3) 自然分类与经营分类相结合的原则  森林立地是自然地理综合体长期发展过程中的产物，立地类型划分则属于森林立地自然分类。森林分类区划界定中的林种划分，则是人们根据森林所处的地理位置，对森林主导利用功能的重新定位，属于森林经营分类。防护林的对位配置，既要考虑森林的培育目的，即林种定位，又要考虑造林地段的立地，即造林地的适宜性。

4) 混交造林配置原则  除用材林外，尽量不配置或少配置纯林，以保证成林后形成多树种、多层次、结构稳定、抗病虫害能力和抗火灾能力强的森林生态系统。

5) 功能最优、效益最大的原则  以景观生态学、防护林学、社会经济学、生态工程学等理论为基础，依据自然-社会-经济系统的特点，综合考虑系统的生态、社会及经济等3方面的特点，从而达到整体功能最优、效益最佳的目的。

3.2.2 官司河小流域防护林体系的防护目标

根据本流域的土壤、地形、土地利用的空间格局，确定其主要生态防护功能为水土保持、涵养水源，进一步改善流域的生态环境，生态效益良好，同时兼具有一定经济效益为主要目的。

3.2.3 配置结果

根据配置原则，结合前面物元分析得出的小班适宜性及层次分析法得出的各植被类型及树种的比例，官司河小流域防护林体系空间对位配置结果如表 8。

3.2.4 配置前后生态效益分析

根据各防护林类型配置后的面积和表 2中各类型的土壤侵蚀量计算，官司河小流域防护林体系空间对位配置后，年径流总量将减少43 171 mm，减少62.15%;年土壤侵蚀总量减少465.97 t，减少79.66%。

4 讨论 4.1 立地因子的选取

小流域的防护林空间对位配置是要解决“对位”的问题，即从研究不同树种、不同植被类型的生态效益、经济效益入手，分析诊断不同小流域的生态系统特点，因地制宜地安排防护林林种及树种，因此需要了解本小流域的各种立地条件。官司河属典型的川中丘陵区小流域，海拔相差不大，降水丰富，土壤多为紫色土、黄壤和砂壤(杨玉坡，1993)。本文选取土层厚、土A层厚度、土壤含水率、坡位、土壤类型等6项立地指标，比较全面地概括了川中丘陵区重要的立地因子。

4.2 树种的选择及混交方式

川中地区现存的森林多以柏木和马尾松为建群种形成的人工林或天然次生林。柏木是该区域主要的乡土用材树种，适应性强，对土壤条件要求不苛刻，中性、微酸性和钙质土上均能正常生长，耐干旱、瘠薄; 马尾松则多分布在黄壤和一些酸性土壤上。这2种树种均为川中地区优质用材树种。栎类具良好的萌芽更新能力，既能做用材树种，又是优质的薪材，并且还是木耳、银耳、香菇等食用菌生产的段木，对提高农村的经济效益具有重要作用。桤木能固氮，对林下土壤具有改善作用。因此，这4个树种是川中丘陵区的主要造林乔木树种。香樟、天竺桂的引入，对改善防护林的景观以及发挥经济效益具有十分重要的作用。灌木树种马桑能改善土壤条件，固定空气中的游离氮，增加土壤肥力，每年有部分树叶归还土壤，具有强大的根系，能固结土壤，对改良土壤结构、增加土层厚度、减少水土流失上具有十分重要的作用。据国内专家对川中丘陵中几种防护林的立地分布或要求、林分生产力、林分结构、生态防护效益、经营方式等的研究成果(杨玉坡，1993)，对官司河流域的防护林体系空间对位配置中，充分考虑了如下几点。

1) 少发展柏木、马尾松纯林，多发展桤柏、栎柏、松栎等针阔混交林。对现有的柏木、马尾松纯林，引进桤木、栎类等树种形成针阔混交林。

2) 柏木纯林和桤柏混交林的郁闭度控制在0.60~0.75，栎柏混交林、松柏混交林、松栎柏混交林则应控制在0.6~0.8。

3) 对现有针叶纯林(柏木、马尾松)、针针混交林的改造上，采用开窗补阔和密度调节2种方式进行。开窗补阔对密度过大的林分进行带状砍伐，砍伐后补植栎类、桤木、香樟、天竺桂等阔叶树种。

4) 在树种的搭配上，根据不同立地条件及树种的适宜性，选择不同的混交比。在中性或微酸性紫色土上，多发展以柏木为主的混交林; 在黄壤和酸性紫色土上，则可发展柏木和马尾松与其他阔叶树种的混交林; 在灰白砂土上配置马尾松为主的针阔混交林。阔叶林的比例不少于20%~30%，立地条件好的则可以达到40%左右，以充分发挥防护林的生态效益和增加经济效益。

4.3 研究方法和配置依据

对于区域防护林空间对位配置，国内专家提出不同的方法及配置依据。本文利用2005年度的IKONOS4卫片，通过解译获得的官司河小流域土地利用现状数据、1: 1万森林资源分布图、2007年度森林资源二类小班调查资料，结合样地调查数据以及四川省林业科学研究院森林生态效益定位站(四川绵阳新桥)径流场的有关数据与专家系统得到模型的经典域、节域、权重、关联度，建立起官司河流域的297个林业用地小班物元模型，对其进行适宜性评价。不仅克服了评价过程中人为因素的影响，而且对参评因子进行量化处理，提高了土地利用适宜性评价的精度，还将小流域土地利用结构调整落实到山头、地块(小班)，做到“地尽其利”，有较强的可操作性。再根据每个地块的适宜性，确定官司河流域的防护林的主要功能为水土保持、涵养水源，进一步改善流域的生态环境，达到良好的生态效益、一定的经济效益后，用层次分析法对其进行优化，最后根据有关专家对川中丘陵区的不同防护林模式的效应研究，综合获得官司河流域的297个林业用地小班空间对位配置，具有一定的借鉴意义。