基于GIS的高原植被空間格局與地形因子相關(guān)關(guān)系研究

甕耐義, 劉 康, 王紀(jì)偉

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)系， 陜西 西安 710069)

植物群落與環(huán)境的相互關(guān)系是極其密切的，一方面環(huán)境影響著群落，另一方面群落也影響著環(huán)境，兩者是不可分割的辯證的統(tǒng)一體[1]。群落的組成、結(jié)構(gòu)、功能、形成、動(dòng)態(tài)和分布等受環(huán)境制約，群落存在也影響和決定著環(huán)境的許多特征，并對(duì)群落的內(nèi)部環(huán)境起創(chuàng)造作用[2]。在各種環(huán)境影響因子當(dāng)中，地形因子如高程、坡度、坡向等不但是描述地貌形態(tài)的基本參數(shù),也是決定植被空間分布的主要因素[3]。因此，長(zhǎng)期以來通過地形因子差異來研究植被的空間分布規(guī)律,了解各種因素對(duì)植被的影響成為自然地理、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。

三江源地區(qū)位于黃河上游青海省境內(nèi)，是世界上特有的高寒生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)類型多樣[4]，具有涵養(yǎng)水源、保持土壤、調(diào)節(jié)氣候等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，是中國(guó)和東南亞重要的生態(tài)屏障。茨哈峽位于三江源東部的黃河上游地區(qū)，是三江源自然保護(hù)區(qū)18個(gè)片區(qū)中中鐵—軍功自然保護(hù)分區(qū)的核心區(qū)。

景觀指數(shù)是反映植被狀況的一個(gè)重要參數(shù)，是描述植被數(shù)量、質(zhì)量、植被長(zhǎng)勢(shì)和生物量等指標(biāo)的指示參數(shù)[5]，可以對(duì)地表植被活動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單、有效和經(jīng)驗(yàn)的度量，在一定程度上反映植被信息[6]。本研究以數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)和植被分布圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用地理信息系統(tǒng)(geographical information system,GIS)空間分析方法,著重分析茨哈峽地區(qū)的植被空間分布與地形因子的關(guān)系,并試圖通過多樣性指數(shù)、均勻度、斑塊數(shù)量等植被指數(shù)揭示植被垂直分布和多樣性的地形背景。

1 研究區(qū)概況

茨哈峽地區(qū)地處青藏高原東南部，該區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)100°5′50″—101°30′55″，北緯34°44′52″—35°18′50″，總面積約為0.08 km2，處于黃河上游高山峽谷區(qū)，高程2 700～4 400 m，岸坡高陡，坡度一般0°～60°，地形復(fù)雜。本流域因受高空西風(fēng)氣流的控制，且遠(yuǎn)離海洋，屬典型的大陸性氣候。年平均氣溫0.5 ℃，年平均降水量425.2 mm。植被類型以山地針葉林、針闊混交林及高寒草原為主，植被類型復(fù)雜多樣。土壤受環(huán)境、地形、地貌等自然因素的影響，土層薄，質(zhì)地粗，主要土壤類型有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、灰褐土、栗鈣土、沼澤土、泥炭土、風(fēng)沙土以及山地森林土。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的資料數(shù)據(jù)主要有：2011年6月15 m分辨率的ETM影像；1∶5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)；《青海三江源國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)范圍和功能區(qū)調(diào)整科學(xué)考察報(bào)告》以及野外調(diào)查得到的相關(guān)資料。

2.2 研究方法

將ETM影像進(jìn)行輻射糾正與幾何糾正后，進(jìn)行圖像整飾、鑲嵌。利用ENVI 4.8，結(jié)合實(shí)地考察的采樣點(diǎn)，先進(jìn)行樣本訓(xùn)練，選取能代表該類植被的感興趣區(qū)(ROI)，樣本檢測(cè)區(qū)分度達(dá)到1.9以上，然后采用馬氏距離法執(zhí)行監(jiān)督分類。將分類結(jié)果疊加至ETM影像比對(duì)，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行手工校正，并通過混淆矩陣計(jì)算總體分類精度為0.89。解譯得到三江源自然保護(hù)區(qū)和功能區(qū)植被類型圖。利用ArcGIS 10.0將解譯結(jié)果轉(zhuǎn)化成矢量格式，然后切割出茨哈峽影響范圍內(nèi)植被類型。利用DEM提取出海拔、坡度、坡向。

參照《中華人民共和國(guó)植被圖》將研究區(qū)植被分為6類：亞高山暗針葉林、山地圓柏林、針闊混交林、高山落葉闊葉林、高寒灌叢、高寒草原，其他(水域等)。根據(jù)6種植被類型在西藏地區(qū)的生長(zhǎng)林線并結(jié)合2012年6月在茨哈峽影響區(qū)58個(gè)調(diào)查樣地中各植被類型的分布范圍及密度情況，將研究區(qū)海拔由低到高劃分為6級(jí)：2 700～2 995，2 995～3 290，3 290～3 585，3 585～3 880，3 880～4 175和4 175～4 470 m，共計(jì)6個(gè)高程帶。參照水土保持工作中普遍采用的臨界坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)植被分布特點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)，將研究區(qū)坡度分為5個(gè)等級(jí)：<15°，15°～25°，25°～45°，45°～60°，>60°。茨哈峽植被類型如附圖1所示。

以135°～225°為陽(yáng)坡，以0°～45°,315°～360°為陰坡，以45°～135°，225°～315°為半陰、半陽(yáng)坡，將其劃分為陰坡、陽(yáng)坡和半陰半陽(yáng)坡3個(gè)坡向帶。利用ArcTools中的的Intersect工具將植被圖分別與海拔、坡度、坡向圖進(jìn)行疊加，然后, 在景觀軟件Fragstats 3.3中計(jì)算各種植被指數(shù)，包括各區(qū)每類植被的斑塊總面積、多樣性指數(shù)、均勻度、斑塊數(shù)量、斑塊密度、類斑塊平均面積、平均伸長(zhǎng)指數(shù)、形狀指數(shù)、平均分維數(shù)等。研究各指數(shù)隨各因子變化的規(guī)律，對(duì)各類指數(shù)進(jìn)行橫向比較。

研究所應(yīng)用景觀指數(shù)的計(jì)算方法如下：

(1)斑塊數(shù)量(NP)。景觀中所有斑塊總和。NP反映景觀的空間格局，用來描述整個(gè)景觀的異質(zhì)性，其值的大小與景觀的破碎度也有很好的正相關(guān)性，一般規(guī)律是NP大，破碎度高；NP小，破碎度低。

(2)斑塊形狀指數(shù)(MSI)。用來測(cè)定斑塊的規(guī)則程度。斑塊形狀指數(shù)越接近于1，形狀越接近于圓，斑塊的復(fù)雜程度越低；反之，越高。計(jì)算公式為：

MSI=P/〔12×(3.141 592 7×A)1/2)〕

(1)

式中：P——斑塊周長(zhǎng)(km)；A——斑塊面積(km2)。下同。

(3)斑塊伸長(zhǎng)指數(shù)(MFG)。測(cè)定斑塊的伸長(zhǎng)狀況，反映斑塊形狀復(fù)雜程度。計(jì)算公式為：

MFG=P/A1/2

(2)

(4)景觀分維數(shù)(D)。景觀分維數(shù)分析是建立在分形理論的基礎(chǔ)上，用來測(cè)定斑塊的復(fù)雜程度[7]。公式為：

D=2×lnP/lnA

(3)

(5)多樣性指數(shù)(H)。景觀多樣性主要指景觀單元或生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能以及隨時(shí)間變化方面的多樣性，反映了景觀的復(fù)雜性[7]。多樣性指數(shù)大小反映景觀要素的多少和各景觀要素所占比例的變化[8-9]。計(jì)算公式為：

(4)

式中：Pi——景觀類型i面積所占該區(qū)域面積的比例。

(6)均勻度指數(shù)(E)。均勻度是描述景觀里不同景觀類型的均勻程度[8-9]。反映景觀類型豐富度、復(fù)雜度。均勻度指數(shù)越高，景觀類型豐富度、復(fù)雜度越低；反之，越高。公式如下：

E=H/lnM

(5)

式中：M——景觀類型數(shù)目(個(gè))；H——多樣性指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

在區(qū)域至全球尺度上，地帶性氣候條件是決定植物種、生活型或植被類型分布的主導(dǎo)因素，而在景觀及更小的尺度上，非地帶性的環(huán)境因子主導(dǎo)著植被的格局[10]。

地形是各種生態(tài)現(xiàn)象和過程發(fā)生變化的根本性因素[1]。植被類型分布在很大程度上受地形條件的制約。植被的空間分布格局受光、熱、水等自然因素的影響，海拔、坡度、坡向不同，導(dǎo)致光、熱、水、土等自然因素的差異，植被類型也因此不同。

3.1 植被空間格局與海拔相關(guān)分析

溫度隨海拔的升高而降低，一般是上升100 m，平均溫度降低0.5～0.6 °C。通常海拔的變化會(huì)引起氣溫和降水的變化，形成局地小氣候，從而共同對(duì)生物群落產(chǎn)生影響。

通過對(duì)茨哈峽地區(qū)各植被類型在不同海拔分布面積統(tǒng)計(jì)可以得出，高寒草原在該區(qū)各海拔分帶分布面積都很廣，針闊混交林分布面積最小，高寒灌叢分布面積在不同海拔分帶變化很大。

在海拔2 700～2 995 m，高寒草原和亞高山暗針葉林分布面積較大，約為66%和18%，面積最小的為針闊混交林，為4%；2 995～3 290 m高寒草原分布面積達(dá)到最大值，達(dá)到72%，芨芨草〔Achnatherum(Trin.)Nevski.〕、紫花針茅(S.purpureaGriseb.)、青藏草(CarexmoorcroftiiFalc.)、印度早熟禾(PoaindattenuataKeng ex L.Liu.)等分布廣泛，是高寒草原的典型代表。高山落葉闊葉林在2 995～3 290 m分布相比其他分帶面積最大，約為研究區(qū)高山落葉闊葉林總面積的41%，代表植物為糙皮樺(BetulautilisD. Don)，長(zhǎng)江流域的東中林區(qū)向北到黃河源區(qū)多少都有分布，是垂直分布最高的天然闊葉林；海拔3 290～3 880 m，亞高山暗針葉林分布面積與其他海拔分帶所占面積相比最廣，約為54%。針闊混交林在3 585～3 880 m分布面積較小，約占0.5%，僅為研究區(qū)針闊混交林總面積的9%，其典型植物為云杉(PiceaaspoerataMast.)；海拔3 880～4 175 m，高寒灌叢分布面積為40%，達(dá)到整個(gè)研究區(qū)內(nèi)高寒灌叢最大面積。山地圓柏林分布面積達(dá)到最大，為地區(qū)總面積的34%；海拔4 175～4 470 m，各植被類型面積呈減少趨勢(shì)，亞高山暗針葉林、山地圓柏林分布面積僅為3%和4%。

通過對(duì)不同高程帶的斑塊形狀指數(shù)、斑塊伸長(zhǎng)指數(shù)、斑塊分維數(shù)、斑塊面積、斑塊密度、景觀多樣性指數(shù)和均勻度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 茨哈峽地區(qū)不同高程帶植被指數(shù)

由表1可以看出，斑塊形狀指數(shù)、斑塊伸長(zhǎng)指數(shù)、斑塊分維數(shù)基本上都是呈遞減趨勢(shì)變化的，說明隨著海拔高度的增加，斑塊形狀指數(shù)越接近于1，形狀越接近于圓，斑塊的復(fù)雜程度隨著海拔的升高而降低；斑塊密度整體變化趨勢(shì)不大，但從2 995 m以后稍微有些降低，表明隨著海拔的升高，斑塊數(shù)目減少，破碎度減小。多樣性指數(shù)與均勻度是反映景觀異質(zhì)性的指標(biāo)，通過多樣性指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在3 585 m之上，海拔越高植被類型越少，海拔的不斷升高會(huì)降低植被類型的豐富度和復(fù)雜度。均勻度在2 995～3 880 m呈增大的趨勢(shì)，說明在這個(gè)海拔范圍植被類型豐富度和復(fù)雜度越來越低，均勻程度越來越高。由表1中各植被指數(shù)的變化趨勢(shì)可以看出，海拔高度變化影響植被類型復(fù)雜度和豐富度變化，通常情況下，海拔越高，植被類型越少，均勻度越高。

3.2 植被空間格局與坡度的相關(guān)分析

通過對(duì)不同坡度分帶上各植被類型面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出，高寒草原在各坡度分區(qū)中面積變化幅度最大，25°以下面積呈上升趨勢(shì)，15°～25°達(dá)到最大，約為總面積的43%，25°以后逐漸下降，60°下降到最低；高寒灌叢的分布趨勢(shì)與高寒草原大體一致，15°～25°達(dá)到最大約為總面積的49%；山地圓柏林在0°～45°分布面積逐漸增大，15°～45°面積達(dá)到最大占總面積的88%，45°以后逐漸減少，>60°少有分布；亞高山暗針葉林在45°以下分布面積隨坡度增大而增加，45°面積達(dá)到最大約為63%，此后開始下降，>60°地區(qū)沒有分布；高山落葉闊葉林在0°～25°地區(qū)呈上升趨勢(shì)，15°～25°地區(qū)面積達(dá)到最大(約為80%)；針闊混交林面積最小，0°～45°地區(qū)面積沒有明顯的變化趨勢(shì)，45°地區(qū)以上沒有分布。

通過對(duì)各植被類型在不同坡度范圍的分布對(duì)比，可以看出，坡度<15°地區(qū)，高寒草原的分布面積最廣，針闊混交林面積最小，只占這個(gè)范圍的7‰；坡度15°～25°地區(qū)，高寒草原分布面積最廣，其次為高寒灌叢，分布面積最小的仍然是針闊混交林，為10‰；坡度25°～45°地區(qū)，高寒草原分布面積最廣，其次是亞高山暗針葉林，分布面積最小的為針闊混交林，占這一坡度帶總面積的8.5‰；坡度45°～60°地區(qū)，亞高山暗針葉林分布面積最廣，約為37%，其次為山地圓柏林，沒有針闊混交林分布；坡度>60°地區(qū)，只有少量的高寒草原植被分布。對(duì)不同坡度帶內(nèi)植被指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同坡度帶內(nèi)植被指數(shù)值

由表2可以看出，均勻度和多樣性指數(shù)在坡度15°～60°數(shù)值較大，在<15°和>60°數(shù)值較小，表明在15°～60°景觀豐富度和復(fù)雜度比較低,斑塊比較均勻；斑塊面積及平均邊界長(zhǎng)度在0°～45°地區(qū)隨坡度增加呈上升趨勢(shì)，說明0°～45°地區(qū)斑塊的復(fù)雜程度隨著坡度增加而降低。斑塊數(shù)量通常用來反映整個(gè)景觀的異質(zhì)性，其值的大小與景觀破碎度有很好的正相關(guān)性，一般情況下斑塊數(shù)量多，景觀破碎度高，反之，破碎度低。表中斑塊數(shù)量基本隨坡度增加呈下降趨勢(shì)，表明隨著坡度增大，景觀破碎度降低。

綜上所述，在25°～60°地區(qū)，隨著坡度上升，斑塊數(shù)量越少，均勻程度越高，復(fù)雜度越低；在0°～25°地區(qū)，隨著坡度升高，斑塊數(shù)量增加，即在這個(gè)坡度范圍內(nèi)，景觀破碎度、復(fù)雜度較高，植被類型較復(fù)雜；在>60°地區(qū)，各指數(shù)值下降，表明在這個(gè)坡度范圍內(nèi)植被稀疏、類型較少，不是適宜植被生長(zhǎng)的最優(yōu)區(qū)間。

3.3 植被空間格局與坡向的相關(guān)分析

坡向?qū)θ照諘r(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有很大影響。就輻射收入而言，南坡最多，其次為東南坡和西南坡，最少的是北坡。因此，陽(yáng)坡和陰坡之間溫度差異往往很大，同一高度的極端溫差可達(dá)3～4 ℃。此外，坡向?qū)邓矔?huì)產(chǎn)生明顯影響，尤其是在高海拔地區(qū)。坡向不同，能夠引起植物和環(huán)境生態(tài)關(guān)系發(fā)生變化，因植被類型也不同。

根據(jù)坡向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出研究區(qū)亞高山暗針葉林主要分布在陰坡，約為總面積的48%，主要原因是這種植被類型比較耐寒、喜陰濕，因此多分布于山地陰坡和半陰坡及潮濕谷地；山地圓柏林在各坡向分布面積相當(dāng)，陽(yáng)坡上分布面積略高，說明坡向?qū)ι降貓A柏林的影響不大；針闊混交林、高山落葉闊葉林在陽(yáng)坡上分布面積較小，其他坡向面積相當(dāng)；高寒灌叢和高寒草原在陽(yáng)坡上分布面積相對(duì)較少，如金露梅(rotentillaLinn.)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等灌叢對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，耐寒、耐旱，在水分條件好的地區(qū)生長(zhǎng)會(huì)更繁茂；高寒草原有很強(qiáng)的耐陰性和耐旱性，但不耐水濕，因此多生長(zhǎng)在陽(yáng)坡，但是在茨哈峽陽(yáng)坡分布面積較少，其他坡向分布面積相差不大。

對(duì)3類坡向的斑塊面積、多樣性指數(shù)、均勻度和斑塊密度進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 陰、陽(yáng)坡不同指數(shù)值

通過對(duì)比可以看出，陰坡的斑塊面積較陽(yáng)坡大，多樣性指數(shù)相差不大，說明兩種坡向植被類型基本相同；陽(yáng)坡、陰坡均勻度相似，對(duì)比斑塊密度，陽(yáng)坡值與陰坡值有較大差別，說明陰坡斑塊較破碎, 陽(yáng)坡較完整, 與斑塊面積成反比。由于陽(yáng)坡、陰坡的氣溫、光照、降水等條件不同，導(dǎo)致了植被在陰坡和陽(yáng)坡的分布情況表現(xiàn)出較大的差異, 不但是在植被種類上存在著差異, 更表現(xiàn)在植被本身的性質(zhì)上[3]。

3.4 各植被類型最優(yōu)生長(zhǎng)地形區(qū)間統(tǒng)計(jì)

通過以上分析可以得出，亞高山暗針葉林和山地圓柏林最優(yōu)生長(zhǎng)坡度在25°～45°地區(qū)，針闊混交林和高山落葉闊葉林最優(yōu)生長(zhǎng)坡度在15°～25°地區(qū)，高寒灌叢和高寒草原主要分布在<45°地區(qū)。亞高山暗針葉林的最優(yōu)生長(zhǎng)地形區(qū)間為海拔3 290～3 880 m的陰坡，面積約為54%；山地圓柏林在海拔3 880～4 470 m地區(qū)各坡向分布較均勻；針闊混交林最優(yōu)生長(zhǎng)地形區(qū)間為海拔2 700～3 290 m的陰坡，面積約為90%；高山落葉闊葉林的最優(yōu)生長(zhǎng)在海拔2 995～3 290 m的(半)陰坡，面積約為40%；高寒灌叢最優(yōu)生長(zhǎng)在海拔3 585～4 470 m，各坡向分布較均勻，陰坡分布面積略高，約為39%，高寒草原的最優(yōu)生長(zhǎng)地形在海拔2 955～4 175 m，分布比較廣泛。各植被類型的最優(yōu)生長(zhǎng)地形區(qū)間分布如表4所示。

表4 各植被類型最優(yōu)生長(zhǎng)區(qū)間

4 結(jié) 論

植被類型與海拔的關(guān)系。海拔高度變化影響植被類型復(fù)雜度和豐富度變化，通常情況下，海拔越高，植被類型越少，均勻度越高。

植被類型與坡度的關(guān)系。在0°～25°地區(qū)，隨著坡度升高，斑塊數(shù)量增加，景觀破碎度、復(fù)雜度較高，植被類型較復(fù)雜多樣；在25°～60°地區(qū)，隨著坡度上升，斑塊數(shù)量越少，均勻程度越高，復(fù)雜度越低，植被類型相對(duì)減少；在>60°地區(qū)，各指數(shù)值下降，在這個(gè)坡度范圍內(nèi)植被稀疏，類型較少。

植被類型與坡向的關(guān)系。陰坡、陽(yáng)坡的植被類型基本相同，陰坡斑塊較破碎，陽(yáng)坡較完整，由于陽(yáng)坡、陰坡的氣溫、光照、降水等條件不同，導(dǎo)致植被在陰坡和陽(yáng)坡的分布情況表現(xiàn)出較大的差異。

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