基于DOMAIN模型的干熱河谷稀樹灌木草叢空間分布

王一凱，張蒙蒙，段衛(wèi)虎，楊凱悅，周汝良，葉江霞

(西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

基于DOMAIN模型的干熱河谷稀樹灌木草叢空間分布

王一凱，張蒙蒙，段衛(wèi)虎，楊凱悅，周汝良，葉江霞

(西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

以溫度、DEM(數(shù)字高程模型)、NDVI(歸一化植被指數(shù))3個(gè)因子為參數(shù)，運(yùn)用DOMAIN模型對(duì)元江縣干熱河谷稀樹灌木草叢空間分布進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了其空間分布的可視化表達(dá)。模擬結(jié)果表明：稀樹灌木草叢群落主要分布于除元江縣城外的河谷兩側(cè)，其中北部分布較為集中，南部較為分散。在自然條件及人為因素雙重干擾下，元江縣干熱區(qū)域的面積呈現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢(shì)，尤其是元江北部龍?zhí)多l(xiāng)以北、青龍廠鎮(zhèn)以南的地區(qū)存在更高的演化風(fēng)險(xiǎn)，建議將上述區(qū)域及元江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)章巴片區(qū)列為重點(diǎn)森林保護(hù)區(qū)域。

干熱河谷；稀樹灌木草叢；DOMAIN模型；空間分布；元江縣

干熱河谷在干旱區(qū)系劃分中屬于局部干旱生境，稀樹灌木草叢群落為干熱河谷的主要植被類型[1]。群落主要以草叢為主，灌木和喬木散生。主要分布在云南怒江、金沙江、瀾滄江、元江等大河及其支流：綠汁江、普渡河、南盤江、勐河、龍川江、漁泡江等深度切割、地形比較封閉的地段[2]，組成我國(guó)特殊的干熱河谷生態(tài)環(huán)境類型區(qū)。干熱河谷的出現(xiàn)和分布具有明顯的自然背景，標(biāo)示著自然地帶性環(huán)境的特殊性。

干熱河谷是典型的生態(tài)脆弱帶，生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，植被稀疏，森林大面積萎縮，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，生態(tài)功能低下，土壤侵蝕劇烈，造林極端困難地段和生態(tài)綜合整治的難點(diǎn)區(qū)域。在過往的研究中，大多集中于土壤水分[3-4]、土壤組成[5-7]、植被組成[8-9]等方面及與水熱條件(降水、蒸發(fā)量)的關(guān)系；同時(shí)在其成因分析方面，何永彬等[10-11]把干熱河谷的成因總結(jié)為氣候、植被、土地結(jié)構(gòu)、人為干擾4個(gè)原因；高文學(xué)等[12]、柴宗新等[13]對(duì)該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)等進(jìn)行研究，提出一系列植被恢復(fù)的方法，例如：建立水土保持經(jīng)濟(jì)林、封山育林、加強(qiáng)溝谷植被覆蓋度等措施，但沒有對(duì)該區(qū)域主要的生態(tài)類型進(jìn)行空間分布的模擬研究。

從以前學(xué)者研究中得知，稀樹灌木草叢的形成與環(huán)境條件有著密切的關(guān)系，特別是降水和蒸發(fā)量。本研究從環(huán)境梯度因子方面對(duì)其進(jìn)行空間分布的模擬，以元江縣為研究區(qū)域，使用海拔、溫度、歸一化植被指數(shù)(NDVI)來模擬其空間分布。以期能對(duì)干熱河谷區(qū)域的空間動(dòng)態(tài)變化提供可靠依據(jù)，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)稀樹灌草叢的發(fā)展趨勢(shì)，從而對(duì)生物多樣性的保護(hù)、生態(tài)治理提供重要的實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

1)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。采用MODIS11級(jí)產(chǎn)品MOD11數(shù)據(jù)，主要為地表溫度和輻射率，空間分辨率1 km。應(yīng)用MODIS Reprojection Tools (MRT) 軟件對(duì)下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)拼接與裁剪。同時(shí)使用云南省134個(gè)氣象站點(diǎn)15 a的年均數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正(訂正模型通過置信度為95%的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，其中回歸方程F值為108.587)，得到云南省溫度基線數(shù)據(jù)，綜合考慮后續(xù)數(shù)據(jù)處理與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的條件，整個(gè)研究數(shù)據(jù)空間分辨率選為100 m，同時(shí)為后續(xù)的空間分布模型預(yù)測(cè)，統(tǒng)一采用地理坐標(biāo)系Beijing 1954，投影系統(tǒng)為：Beijing 1954 3 degree Degree_GK_CM_102E。最后通過ArcGIS的掩膜提取功能裁剪，得到研究區(qū)的溫度基線數(shù)據(jù)。

2)NDVI數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)來自寒旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)，通過ArcGIS軟件的柵格計(jì)算功能，得到云南省15 a的年均NDVI數(shù)據(jù)(1985—2010年)，并通過重采樣和裁剪之后得到研究區(qū)的15 a平均NDVI數(shù)據(jù)。

3)空間分辨率為100 m的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型為GRID格式，利用地形圖數(shù)字化得到等高線，借助ArcGIS中的模塊生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，裁剪后最終得到研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。

4)云南1∶25萬的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包含縣級(jí)以上行政區(qū)劃及村莊、公路以及河流數(shù)據(jù)。由項(xiàng)目組多年數(shù)據(jù)積累，行政區(qū)劃以及影響人工解譯得到。

1.2 軟件平臺(tái)

本研究使用的DOMAIN模型在ModEco v3.02軟件中實(shí)現(xiàn)[14]。該軟件由美國(guó)加州大學(xué)的Guo Qinghua教授與北京大學(xué)的劉瑜教授共同開發(fā)完成，集成了本研究所使用的多種模型，是研究物種分布與模擬的組合軟件。該模型通過計(jì)算環(huán)境空間中待確定類別點(diǎn)到已知類別點(diǎn)的最大相似度來判定其所屬的類別[15]。此外，還使用了ArcGIS 10.1作為環(huán)境梯度因子的計(jì)算和制圖軟件。

1.3 稀樹灌木草叢適生條件以及關(guān)鍵因子分析

1.3.1 環(huán)境梯度因子 本研究采用的環(huán)境梯度因子主要是數(shù)字高程模型(DEM)和溫度數(shù)據(jù)。元江縣平均海拔在1800～2000 m，四周山地與元江河谷相對(duì)形成低洼環(huán)境，稀樹灌木草叢一般生長(zhǎng)在海拔800～1400 m的河谷兩側(cè)，同時(shí)處于東南暖濕氣流與西南暖濕氣流的背風(fēng)雨影區(qū)，對(duì)形成干熱河谷氣候創(chuàng)造了條件，形成該區(qū)域復(fù)雜的植被類型。因?yàn)閮蓚?cè)高大山體的阻擋，氣流越過高山后，從山頂下降過程中釋放大量的熱量，造成山體從山頂?shù)缴降诇囟仍絹碓礁撸瑵穸仍絹碓叫?。氣溫隨著海拔的變化每下降1000 m，溫度上升約6.5 ℃，也就是說，當(dāng)從2500 m的哀牢山山系頂部下降到河谷底部時(shí)，溫度變化約13～15 ℃左右，這使得河谷溫度高于周圍其他區(qū)域的溫度，氣候干燥，元江河谷地帶年均溫在20 ℃以上，最冷月均溫16.8 ℃，最熱月均溫28.6 ℃，≥10 ℃的年積溫達(dá)8700 ℃，所以本研究在進(jìn)行空間模擬時(shí)使用的DEM和對(duì)其生境影響程度很大的溫度作為參數(shù)變量。

1.3.2 NDVI 歸一化植被指數(shù)(NDVI)是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)，而且具有便于大尺度研究，可視化效果好等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理過程中有較強(qiáng)的抗干擾能力，是植被變化監(jiān)測(cè)的重要方法[16]。因?yàn)楦蔁岷庸葏^(qū)域受氣候影響，植被覆蓋度較低，尤其是在干季，主要以扭黃茅、黃花稔、疏序黃荊、霸王鞭等旱生植被為主。散生有厚皮樹、蝦子花等低矮的喬木和灌木。大部分區(qū)域0.3

圖1 樣本點(diǎn)分布

1.4 樣本點(diǎn)分布

圖2 模擬結(jié)果分布

本研究共使用295個(gè)樣本點(diǎn)，樣本采集時(shí)間為2013年6月10—17日，采集地點(diǎn)主要集中于元江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、農(nóng)場(chǎng)七大隊(duì)、深溝、扒垤龍、施底、二臺(tái)坡、坡垤、昆土、熱水塘、觀音灘、西拉河和干壩五隊(duì)(圖1)。所采用的儀器工具主要有手持GPS，通過樣線與樣地相結(jié)合的方法記錄樣點(diǎn)的經(jīng)緯度與海拔高度。由于干熱河谷區(qū)域沿元江及其支流的兩岸分布，樣點(diǎn)的采集主要沿河公路以及縣級(jí)、鄉(xiāng)級(jí)公路采集，因?yàn)槭殖諫PS定位儀的經(jīng)緯度信息與實(shí)際的經(jīng)緯度信息有差異，以及樣點(diǎn)可達(dá)性和分布區(qū)域的限制，本研究通過元江縣的二調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了經(jīng)緯度的訂正，得到樣本點(diǎn)集合，樣點(diǎn)數(shù)據(jù)有代表性。同時(shí)模型還采用了環(huán)境梯度與植被指數(shù)作為關(guān)鍵因子，因此樣點(diǎn)分布對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響較小。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)測(cè)結(jié)果

通過DOMAIN模型利用295個(gè)樣本點(diǎn)與DEM、NDVI以及溫度基線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，模擬得到元江縣稀樹灌木草叢的分布狀況(圖2)。干熱區(qū)域稀樹灌木草叢面積柵格數(shù)量為80062個(gè)，面積約為800.62 km2，占總面積的29.448%。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)軟件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出295個(gè)樣本點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)、海拔、溫度和NDVI值，便于直觀的從數(shù)值上體現(xiàn)它們之間的相關(guān)性，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

模型檢驗(yàn)真陽性率(TPR)，也稱為靈敏度檢驗(yàn)，值越高模型精度越好[17]，DOMAIN模型的TPR=0.9833，同時(shí)該模型還通過受試者工作特征曲線(ROC)的檢驗(yàn)，該方法計(jì)算不同閾值正確模擬存在的百分率和正確模擬不存在的百分率，然后將其分別在Y軸和X軸上表示，通過比較曲線和45°線(表示物種處于隨機(jī)分布狀態(tài))之間的面積(Area Under the ROC Curve，AUC)確定模型的精度，該方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：0.50

由圖2可知，稀樹灌木草叢主要分布于元江河谷的兩側(cè)，元江縣中部有一個(gè)類似于“][”的凹形區(qū)域，這一部分凹形區(qū)域是元江縣城。主要呈現(xiàn)北多南少的分布狀態(tài)，北部分布相對(duì)集中，但在南部地區(qū)分布相對(duì)分散。在南部相對(duì)分散的原因是因?yàn)槭芪髂吓瘽駳饬鞯挠绊?，在迎風(fēng)坡水熱條件充足，大部分分布著中山濕性闊葉林、半濕潤(rùn)常綠闊葉林、季風(fēng)常綠闊葉林以及少部分的山地季雨林，是元江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的章巴望鄉(xiāng)臺(tái)片區(qū)。而在背風(fēng)坡則有少面積的干熱區(qū)域存在，面積不大，但是該區(qū)域人類活動(dòng)頻繁，植被破壞嚴(yán)重，植被覆蓋度低，區(qū)域破碎化程度較高，雖然在進(jìn)行采樣的時(shí)候并未有樣點(diǎn)分布，但是根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果以及結(jié)合遙感影像來看，該區(qū)域確實(shí)有變?yōu)楦蔁釁^(qū)域的潛在變化，尤其是在與墨江縣交界的區(qū)域。同時(shí)模擬結(jié)果顯示在元江縣城南部的山區(qū)有一條帶狀分布的區(qū)域，這一區(qū)域土地破碎，植被破壞后難以恢復(fù)，逐漸形成次生的稀樹灌木草叢群落。

在元江縣北部，干熱區(qū)域相對(duì)集中，在元江流經(jīng)該縣的下游部分面積較大，通過對(duì)比遙感影像，與模擬的結(jié)果基本相同。從遙感影像上看，北部地區(qū)還有一片覆蓋度較高的闊葉林，不過該區(qū)域南部山地也出現(xiàn)小面積的干熱區(qū)域，對(duì)比模擬結(jié)果該區(qū)域南部也有一點(diǎn)零星的分布，但不集中，也從另一面說明模擬結(jié)果的可靠性。

表1 樣本點(diǎn)所對(duì)應(yīng)各因子的值

2.2 空間變化分析

從模擬結(jié)果分析，造成這種后果的原因除了與當(dāng)?shù)乇旧淼淖匀画h(huán)境有關(guān)外，還與人類活動(dòng)的影響有密切關(guān)系，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，土地利用方式對(duì)干熱區(qū)域的影響。在元江河谷附近的低矮山坡上分布著大面積的香蕉林、芒果林以及火龍果園等經(jīng)濟(jì)作物，使得本來就極易受侵蝕的地表抗蝕能力更加弱化。同時(shí)農(nóng)地?cái)?shù)量的增大使得在農(nóng)業(yè)作業(yè)過程中，本來土質(zhì)不高的土壤性質(zhì)再發(fā)生變化，這會(huì)加劇土壤侵蝕，而土壤侵蝕反過來又進(jìn)一步改變著土壤的性質(zhì)。其次，是人們的生態(tài)保護(hù)意識(shí)淡薄，對(duì)干熱河谷氣候的成因了解不夠，不計(jì)后果的從事農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，對(duì)自己所生活的環(huán)境造成的影響程度。最后，是生態(tài)恢復(fù)工程的滯后性，往往都是在發(fā)現(xiàn)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)失衡時(shí)才會(huì)采取措施，如封山育林、加強(qiáng)溝谷地區(qū)的植被覆蓋度等，但是這樣做往往沒有辦法彌補(bǔ)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，次生植被的保水固土能力大不如前，使得生態(tài)恢復(fù)難上加難。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

環(huán)境是社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提，根據(jù)模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)元江縣的干熱區(qū)域進(jìn)行分析，元江縣干熱區(qū)域稀樹灌木草叢群落的面積呈現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢(shì)，尤其是元江北部龍?zhí)多l(xiāng)以北、青龍廠鎮(zhèn)以南的地區(qū)存在更高的演化風(fēng)險(xiǎn)，建議將上述區(qū)域及元江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)章巴片區(qū)列為重點(diǎn)森林保護(hù)區(qū)域。

同時(shí)模擬結(jié)果也從另一個(gè)方面說明該區(qū)域土壤侵蝕、生態(tài)破壞嚴(yán)重，森林稀疏，植被覆蓋度進(jìn)一步下降，對(duì)于該區(qū)域植被恢復(fù)的難度加大。以往的生態(tài)恢復(fù)工程的進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境的破壞速度，造成的后果極其嚴(yán)重，應(yīng)花費(fèi)更多的財(cái)力、人力、物力來進(jìn)行再修復(fù)，避免造成“破壞—修復(fù)—再破壞—再修復(fù)”的惡性循環(huán)。

3.2 討論

在全球變暖的今天，世界范圍內(nèi)的溫度升高，可能會(huì)對(duì)本來就形式嚴(yán)峻的干熱河谷區(qū)域造成更大影響。受整體的氣候影響，河谷區(qū)域的溫度會(huì)升高，意味著降雨減少，蒸發(fā)量增大，那么河谷干熱面積會(huì)增大，對(duì)于稀樹灌木草叢群落中那些散生的喬木和灌木，它們的生境將更加困難，對(duì)于其他植物群落影響也是必然的。

目前，對(duì)干熱河谷稀樹灌木草叢的研究，主要從群落生態(tài)學(xué)的角度進(jìn)行，對(duì)其空間分布與其生境的研究比較少。本研究中預(yù)測(cè)得到元江縣干熱河谷稀樹灌木草叢分布區(qū)，通過加強(qiáng)對(duì)稀樹灌木草叢的保育管理可以達(dá)到對(duì)干熱河谷區(qū)域生態(tài)保護(hù)的效果，模擬得到的稀樹灌木草叢可作為一項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合地形、氣候及人類干擾等因素來綜合分析其生境變化，從而為該區(qū)域生物多樣性保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。但是也存在一些不足，比如模型的選取上，不同的模型會(huì)有不同的結(jié)果，為了使研究結(jié)果更加精確，對(duì)于模型的優(yōu)選和其空間的變化趨勢(shì)進(jìn)一步的研究也是今后的方向。

4 建議

針對(duì)該區(qū)域特殊的氣候條件與植被類型，不僅要考慮當(dāng)下的經(jīng)濟(jì)利益，更要考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的利益。應(yīng)多角度、全方位、深層次認(rèn)識(shí)到保護(hù)干熱河谷生態(tài)環(huán)境的重要性和緊迫性，良好的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干熱河谷生態(tài)退化及植被類型災(zāi)變有明顯的減緩作用。因此，本文建議從生態(tài)恢復(fù)的角度防治干熱河谷災(zāi)變。

4.1 遵循可持續(xù)發(fā)展原則，選擇適生物種

在地力低下的河谷山坡上，要將植被恢復(fù)與森林資源的培育、開發(fā)利用相結(jié)合，走生態(tài)林業(yè)道路，選擇適生的喬木物種，借鑒在過去生態(tài)恢復(fù)工程的成功經(jīng)驗(yàn)，營(yíng)建高價(jià)值的印度黃檀和紫膠寄主林，培育優(yōu)良的寄主久樹(Schleicheraoleosa)，用以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的紫膠；同時(shí)栽植新銀合歡與桉樹混交林，以期對(duì)坡地起到水土保持的作用，以及農(nóng)用小徑材、薪炭材水土保持林等，以達(dá)到水土保持林與防護(hù)林相結(jié)合的多目標(biāo)人工生態(tài)系統(tǒng)。

4.2 建立生態(tài)恢復(fù)評(píng)價(jià)體系，進(jìn)行河谷坡地改良技術(shù)的研究

對(duì)于河谷坡地，水土保持是生態(tài)恢復(fù)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，而選擇耐旱力強(qiáng)、速生、多功能的多年生植物是關(guān)鍵。因此，干熱河谷兩側(cè)的坡地資源的改良技術(shù)尤為重要，應(yīng)按照其所受自然限制因素及其強(qiáng)度加以區(qū)別劃分。主要有溫度、土壤成分、土層厚度、裸巖所占面積、地表保水程度等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從綜合自然因素原則為指標(biāo)定量化分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)評(píng)價(jià)體系。但是本研究沒有進(jìn)行專門的指標(biāo)體系研究，將作為后續(xù)的研究工作。

4.3 改變土地利用方式，提高土地利用率

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)要兼顧生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展，多開展普法宣傳工作，從人們的思想意識(shí)上改變其固有的思維方式，使其意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性，同時(shí)政府要做好土地利用規(guī)劃工作，提高土地利用率，發(fā)展三面溝+護(hù)埂林草+逐年往下翻土的農(nóng)林牧逐年梯帶化技術(shù)。對(duì)于地力低下的區(qū)域，要加強(qiáng)植被恢復(fù)，政府要確?；謴?fù)工作先行者的地位，帶動(dòng)群眾一起來保護(hù)河谷流域的植被。

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Spatial Distribution of Savanna Shrub & Grass in Dry-hot Valley on the Base of the DOMAIN Model

WANG Yi-kai，ZHANG Meng-meng，DUAN Wei-hu，YANG Kai-yue，ZHOU Ru-liang，YE Jiang-xia

(SouthwestForestryUniversity，Kunming650224，Yunnan，China)

Taking temperature，DEM and NDVI as the parameters，using the DOMAIN model，we simulate the Spatial Distribution of Savanna shrub& grass in Dry-hot Valley of YuanJiang and realize visualization of the spatial data.The simulation results show：Savanna shrub& grass is mainly distributed in the both sides of the valley，which is concentrated in the northern and dispersed in the northern.Dry-hot areas present the tendency of expansion under the general influence of natural and artificial factors，espesially for those areas with higher evolution risks，such as the north of LongTan township，the south of QingLongchangtownship.We suggest that deserve high priority in these regions and ZhangBa District of YuanJiang National Nature Reserve.

dry-hot valleys (DHV)；savanna shrub& grass；DOMAIN model；spatial distribution；Yuanjiang county

2015-01-05；

2015-02-11

云南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目(2014HC01)；國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(天地觀測(cè)數(shù)據(jù)同化的森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)新技術(shù)， 201404402-2)

王一凱(1986—)，女，山西忻州人，西南林業(yè)大學(xué)碩士研究生，從事3S技術(shù)應(yīng)用與研究。E-mail：wangyikail@126.com。

葉江霞，四川成都人，西南林業(yè)大學(xué)副教授，從事3S技術(shù)在生態(tài)學(xué)、森林保護(hù)學(xué)中的應(yīng)用。E-mail：yjx125@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.025

S717.1

A

1002-7351(2015)04-0116-05