挪威林业土壤扰动风险评估：基于地理信息系统的集运路径优化新模型 中文标题

本综述系统构建了挪威地区林业集运作业土壤扰动风险指数模型（1-100分制），整合坡度、土壤含水量（SWC）、潜育土概率、水深（DTW）及泥炭层分布等多源地理数据，通过路径规划算法验证其在低风险区域的应用潜力，为可持续林业（Precision forestry）决策支持系统（GIS）提供关键工具，显著提升生态敏感区作业精度。

　　

摘要

林业作业引起的土壤扰动受多重因素影响。为降低扰动风险，需在集运道路选址中优先选择低风险区域。本研究基于奥斯陆地区地理信息数据，开发了1-100分的集运风险指数，初步验证显示其能有效识别高扰动风险区域。结合地形图使用该风险栅格，可优化集运路径规划，但在高风险像素密集区域需辅以生态影响评估（如侵蚀、汞迁移、土壤碳变化等）。

引言

近年来，林业作业（尤其是采伐与木材运输）导致的土壤扰动引发多方关注，因其可能引发土壤侵蚀、重金属淋溶、森林生长受损及温室气体排放等问题。连续覆盖林业（CCF）的推广增加了对永久集运道路规划的需求，而这类道路需布设于低扰动风险区。由于涉及因素复杂（如坡度、土壤类型、水文条件），新手难以直接判定最优路径。现有风险指数多采用粗略分类或单一变量，缺乏多因子整合的精细化评估工具。本研究旨在建立适用于挪威非冻土条件的集运风险指数，并探索其与自动路径规划的整合潜力。

材料与方法

输入数据

研究采用多源地理数据（表1），包括数字地形模型（DTM）、水深（DTW）栅格、泥炭层深度（DMK）、土壤含水量（SWC）、黏土含量、石砾比例及潜育土概率等。数据经聚合或降尺度处理至4×4米分辨率（对应集运机宽度），并利用八方向通行成本栅格（1×1米）生成可通行区域掩膜，排除不可通行地形。

开发流程

通过实地勘察（?s市多处站点）与指数计算结合开发风险指数。当实地评估与指数预测偏差较大时，调整算法参数。

风险指数计算

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  坡度指数：基于Hittenbeck研究，结合坡度与土壤含水量（SWC）计算滑动风险。假设机械配备链条且石砾含量＞7%，通过插值和外推（SWC达70%）确定生态坡度限值，再通过二次多项式函数量化风险。

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  潜育土指数：潜育土与有机湿土易扰动。基于潜育土概率栅格，采用二次多项式函数（15%概率=1%风险，25%=60%风险，＞40%=100%风险）赋值。

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  DTW指数：水深＜100厘米时扰动风险显著升高。通过二次函数（25厘米=100%风险，70厘米=85%风险，130厘米=1%风险）建模，＜38厘米水深区域赋100%风险。

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  DMK-泥炭指数：深泥炭层赋100%风险，未知深度赋90%，浅层泥炭赋80%。

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  SWC指数：SWC＞40%时，风险值=SWC×1.2。

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  黏土指数：黏土含量＞4%时，风险值=黏土百分比。

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  石砾指数：石砾比例＞55%时风险降低，风险值=石砾比例?55%；但坡度＞15%时风险强制归零（避免地形不稳定）。

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  综合指数：取坡度、潜育土、DTW、SWC、泥炭指数的最大值，加上黏土指数值，减去石砾指数值，最终结果限制在1-100%范围内。

路径规划测试

将八方向通行栅格值替换为风险值（对角线风险加倍），构建方向图并运行Dijkstra最短路径算法。结果显示，在低-中风险区域路径规划有效，但高风险密集区易出现“穿越高风险捷径”问题。通过给风险值加指数（如3次方）可缓解此现象。

结果

个体指数中：

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  坡度指数实地验证良好；

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  DMK-泥炭指数准确识别泥炭区但可能过度泛化；

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  DTW与潜育土指数需迭代调整以避免过严/过松；

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  黏土指数因地下黏土难以评估而精度存疑；

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  石砾指数易验证（地表石砾多则风险低）；

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  SWC指数显示扰动区SWC常高出4-10%，但风险差异仅5-12%，在整体指数中易被掩盖。

综合风险指数在4×4米分辨率下能有效区分高低风险区，适用于集运路径规划。路径规划算法在低风险主导区域表现良好，但高风险区需结合生态后果评估优化。

讨论

本研究初步验证多因子风险指数在奥斯陆地区的适用性。坡度、DTW、DMK、潜育土指数可靠性高；SWC、黏土、石砾指数需进一步校准。当前地理数据质量在开发区较高，但挪威其他区域可能存在数据局限性。相较于传统DTW地图（Hoffmann等2022）或Mohtashami（2022）的5级指数，本模型的100级分级提供更精细的风险梯度，利于路径优化。

路径规划中“高风险捷径”问题可通过风险值指数化调整，但根本解决方案需引入生态影响权重（如泥炭区扰动后果更严重）。未来可通过多标准决策分析（MCDA）整合风险与生态成本，推动林业作业从“成本最小化”向“生态影响最小化”范式转变。

结论

本研究初步构建了适用于挪威奥斯陆地区的集运作业土壤扰动风险指数，表明多源地理数据整合可提升风险评估精度。未来需开展全国范围验证，并在数据稀缺区域开发简化指数版本。该指数支持自动路径规划，但高风险密集区需结合生态影响评估与算法优化以实现可靠应用。