基于DEM數(shù)據(jù)分析川西云杉林與高山柏林空間分布特征
——以石渠縣為例

吳勝義,張方圓,王 飛,林雙福,劉強生

(1.國家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，陜西 西安 710048；2.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)和草原局重點實驗室，陜西 西安 710048)

川西云杉林和高山柏林是川西北高原地區(qū)典型的山地森林類型，在水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性保護和氣候調(diào)控等方面發(fā)揮著十分重要的作用。石渠縣屬于國家重點生態(tài)功能區(qū)之一的川滇森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)，全縣有長沙貢瑪國家級自然保護區(qū)、洛須省級自然保護區(qū)2個自然保護區(qū)和鄧瑪、扎曲、色須、普公壩4個省級濕地公園，自然保護區(qū)和濕地公園面積合計841 431.00 hm2，占全縣面積的37.60%，生態(tài)區(qū)位重要，生態(tài)敏感度高。因此,開展典型森林類型空間分布研究對認識區(qū)域生態(tài)安全格局意義重大。

地形因子是影響山地森林植被群落分布的重要環(huán)境因子[1]。同時，地形也是影響森林群落時空異質(zhì)性的重要因素[2-3]，森林群落齡組結(jié)構(gòu)、空間布局等與地形因子均有較為緊密的聯(lián)系。數(shù)字高程模型又稱DEM，是應(yīng)用地表高程數(shù)據(jù)對地面地形進行數(shù)字模擬的一種方法和手段。高精度DEM可直觀展示區(qū)域地形、地貌特征，并能為各地形因子定量化分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。陳晨等[5]利用DEM數(shù)據(jù)生成坡度因子優(yōu)化算法，自動獲取小班坡度數(shù)據(jù)，一方面減輕了野外調(diào)查工作量，另一方面也減少了因小班高低起伏導(dǎo)致坡度異常的狀況。

目前，植物種群分布相關(guān)研究較為廣泛，如劉玉平等[6]探索了影響植物葉性狀變化的主要地形驅(qū)動因子(海拔、坡度、坡向、坡位)，秦隨濤等[7]采用豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)等生物多樣性指標研究了3種地形部位群落喬木層和灌木層的物種多樣性，趙陽等[8]分析了冶力關(guān)林區(qū)紫果云杉天然林種群結(jié)構(gòu)特征，占玉芳[9]分析了祁連山北坡中部祁連圓柏自然種群空間分布格局的基本屬性，郭其強等[10]探索了西藏色季拉山陽坡林線方枝柏種群結(jié)構(gòu)特征。相對而言，區(qū)域森林類型的空間分布研究較少。本研究以石渠縣川西云杉林和高山柏林分布區(qū)為研究范圍，森林面積19 329.08 hm2。通過應(yīng)用DEM，分別提取并計算海拔、坡度、坡向3個地形因子，探索川西云杉林和高山柏林空間分布特征，以期為高原地區(qū)森林可持續(xù)經(jīng)營和保護管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

石渠縣隸屬于四川省甘孜藏族自治州，地處青藏高原東南緣，位于四川省、青海省、西藏自治區(qū)交界處(97°20′00″-99°15′28″E，32°19′28″-34°20′40″N)。南北長205 km，東西寬184 km，面積約2 237 891.72 hm2。地貌類型差異明顯，北部以丘狀高原和高平原為主，地表和緩起伏，占全縣面積的91.09%；南部為高山峽谷區(qū)，河谷深且狹窄，兩岸直立，嶺谷高低懸殊，多為中山、高山，占全縣面積的8.91%。全縣平均海拔逾4 000 m，境內(nèi)巴顏喀拉山脈主峰高5 266 m。屬典型的季風(fēng)高原型氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季旱澇相間，秋季溫涼濕潤，冬季寒冷干燥。平均無霜期僅21.1 d，近30 a均氣溫-0.9 ℃，年均降水量550 mm。河流密布，境內(nèi)水系主要有雅礱江、金沙江和查曲河等。全縣土壤共分為高山草甸土、沼澤土、高山寒漠土、亞高山草甸土、棕色針葉林土和褐土等6個大類，11個亞類。森林植被以亞高山暗針葉林為主，天然林比重大，分為以川西云杉(Picealikiangensisvar.rubescens)為主的森林植被帶和以高山柏(Juniperussquamata)為主的森林植被帶。據(jù)不完全統(tǒng)計，石渠縣維管植物共計78科290屬926種，脊椎動物34目70科280種。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 川西云杉林和高山柏林數(shù)據(jù)獲取 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引用石渠縣2019年森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查成果數(shù)據(jù)。為簡化統(tǒng)計，以石渠縣優(yōu)勢樹種為川西云杉和高山柏的喬木林小班作為本次研究區(qū)域。研究區(qū)森林類型總面積19 329.08 hm2，其中川西云杉林面積5 109.78 hm2,小班1 095個，平均小班面積4.67 hm2；高山柏林面積14 219.30 hm2,小班3 000個，平均小班面積4.74 hm2(圖1)。

2.1.2 DEM數(shù)據(jù)獲取 通過91衛(wèi)圖助手從網(wǎng)絡(luò)下載研究區(qū)Google Earth高程數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)空間分辨率8.0 m。

2.2 研究方法

2.2.1 地形因子選取 地形因子是最基礎(chǔ)的地理環(huán)境要素,是為表征與研究地貌形態(tài)而設(shè)定的參數(shù)[11]。海拔是影響森林植被生長發(fā)育的重要環(huán)境因素[12]，溫度、日照和降水等生態(tài)因子，均會隨著山地海拔高度的抬升而呈現(xiàn)出梯度性變化[13]。另外，坡度、坡向等也是影響山地森林植被分布的重要因子[14]。本研究將海拔、坡度和坡向等3個地形因子作為分析對象。

2.2.1.1 海拔與地貌因子 我國地形地貌復(fù)雜多樣、海拔高程跨度大。按照中國陸地1∶100萬數(shù)字地貌分類體系，可將我國地形按高程大小劃分為4級：低海拔地區(qū)(<1 000 m)、中海拔地區(qū)(1 000～3 500 m)、高海拔地區(qū)(3 500～5 000 m)和極高海拔地區(qū)(>5 000 m)[15-16]。

根據(jù)《四川省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查技術(shù)細則》地貌劃分標準，可將四川省地貌劃分為8類：極高山(≥5 000 m山地)、高山(3 500～4 999 m山地)、中山(1 000～3 499 m山地)、低山(<1 000 m山地)、丘陵(坡度較緩，由低矮山丘組成，無明顯脈絡(luò)，相對高差小于100 m)、平原(地面平坦、起伏小)、臺地(外貌特征與平原基本相同，范圍比平原小)、山原(指具有山脈的高原，如甘孜州、阿壩州境內(nèi)的高原)。石渠縣主要的地貌類型有中山、高山以及山原。

2.2.1.2 坡度因子 坡度指地面傾斜度，能直觀表達地表陡緩程度[17-18]。在地理信息系統(tǒng)(geographic information system,簡稱GIS)工具中，目標像元坡度值一般通過計算與其相鄰的8個像元值的水平增量(變化率)和垂直增量得出。坡度通常以度為單位進行測量，計算公式如下

slope_degrees=ATAN{√[(dz/dx)2+(dz/dy)2]}×180/π

(1)

式中:slope_degrees表示坡度，dz/dx指水平方向變化率，dz/dy指垂直方向變化率。

根據(jù)森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查技術(shù)規(guī)程，坡度可劃分為6個等級：Ⅰ級為平坡：0°～5°；Ⅱ級為緩坡：6°～15°；Ⅲ級為斜坡：16°～25°；Ⅳ級為陡坡：26°～35°；Ⅴ級為急坡：36°～45°；Ⅵ級為險坡：46°以上。

2.2.1.3 坡向因子 坡向指一定范圍(如小班或目標像元)的地面朝向。在GIS描述坡向特征時，正北角度值為0°，按順時針計算，坡向角度值介于0°～360°(仍為正北)之間。無坡度的平坦地區(qū)賦值-1°。計算公式如下

aspect=180/π*atan2([dz/dy],-[dz/dx])

(2)

if aspect≤90 cell=90-aspect else cell=360-aspect+90

(3)

式中:aspect表示地形坡向，dz/dy表示目標像元垂直方向的變化率，dz/dx表示目標像元水平方向的變化率。根據(jù)(2)式計算的坡向aspect值需根據(jù)(3)式規(guī)則轉(zhuǎn)換為羅盤方向值(0°～360°)，得出最終坡向值cell。

森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中，通常把坡向按方位角劃分成9個類別：北坡(337.5°～360.0°和0°～22.5°)，東北坡(22.5°～67.5°)，東坡(67.5°～112.5°)，東南坡 (112.5°～157.5°) ，南坡(157.5°～202.5°)，西南坡(202.5°～247.5°)，西坡(247.5°～292.5°)，西北坡(292.5°～337.5°)，無坡向(坡度<5°地段)。按主坡向可分為4個坡向組：陽坡(南坡、西南坡)、半陽坡(西坡、東南坡)、陰坡(北坡、東北坡)、半陰坡(東坡、西北坡)。

2.2.2 GIS空間數(shù)據(jù)分析 GIS空間數(shù)據(jù)分析指應(yīng)用GIS軟件工具，挖掘DEM數(shù)據(jù)特征，獲取地理實體位置、形態(tài)、分布等信息，并進行數(shù)據(jù)分析。本研究以ArcGIS軟件為平臺，疊加小班矢量數(shù)據(jù)與DEM柵格數(shù)據(jù)，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，并進行統(tǒng)計和可視化展示。空間分析方法主要采用ArcGIS平臺的擴展模塊3D Analyst工具。

2.2.2.1 制作森林分布圖和海拔圖 以石渠縣2019年森林資源規(guī)劃調(diào)查小班數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取喬木林中的川西云杉林和高山柏林矢量數(shù)據(jù)，作為本次研究區(qū)域，并制作森林分布圖。按照研究區(qū)范圍獲取DEM柵格數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)像元大小為8.0 m×8.0 m，每個像元均代表1個海拔高程數(shù)值。研究區(qū)森林分布圖、海拔圖見圖2、圖3。

2.2.2.2 生成坡度、坡向圖 打開ArcToolbox工具箱，點擊3D Analyst工具→柵格表面(Raster Surface)→坡度(Slope)，輸入研究區(qū)DEM柵格數(shù)據(jù)，“輸出測量單位”選擇DEGREE，“Z因子”為1，輸出坡度圖；同理，選擇柵格表面(Raster Surface)→坡向(Aspect)，輸入研究區(qū)DEM柵格數(shù)據(jù)，輸出坡向圖。

2.2.2.3 生成坡度分級、坡向分級圖和海拔區(qū)間圖 打開ArcToolbox工具箱，點擊3D Analyst 工具→柵格重分類(Raster Reclass)→重分類(Reclassify),輸入坡度圖，選擇重分類字段“value”，設(shè)置“分類…”，采用自然間斷點分級法(Jenks)，類別設(shè)為6，輸入中斷值(K)為5、15、25、35、45以及最大值77，劃分坡度等級，輸出坡度分級圖；同理，輸入坡向圖，選擇重分類字段“value”，設(shè)置“分類…”，采用自然間斷點分級法，類別設(shè)為10，輸入中斷值為-1、22.5、67.5、112.5、157.5、202.5、247.5、292.5、337.5、360，劃分坡向等級，輸出坡向分級圖。研究區(qū)坡度分級、坡向分級見圖4、圖5。

研究區(qū)海拔區(qū)間3 250～4 600 m，按我國高程4級劃分標準，位于中海拔、高海拔范圍，此分類僅適用于粗略的估算統(tǒng)計。為了更詳細地分析森林分布的海拔高低狀況，將研究區(qū)高程從低到高劃分成6個梯度區(qū)間：3 250～3 500、3 501～3 700、3 701～4 000、4 001～4 300、4 301～4 500、4 501～4 600 m。并按照上述重分類(reclassify)方法生成海拔梯度圖(圖6)。

2.2.2.4 統(tǒng)計各森林類型地形因子數(shù)據(jù) 打開Arc Toolbox工具箱，點擊Data Management工具→柵格(raster)→柵格處理(raster processing)→裁剪(clip)，選取坡度分級圖，輸出范圍選取川西云杉林矢量數(shù)據(jù)，復(fù)選“使用輸入要素裁剪幾何”和“保持裁剪范圍”，輸出川西云杉林坡度分級圖層。打開圖層屬性表，查看字段“VALUE”“COUNT”,可統(tǒng)計川西云杉林各坡度級的像元數(shù)量之和。同理，可計算出高山柏林各坡度級的像元數(shù)量之和。

坡向、海拔數(shù)據(jù)統(tǒng)計與坡度操作方法一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 海拔對森林分布的影響

川西云杉林主要分布在海拔3 700～4 300 m，面積占比為92.19%，4 300 m以上很少，面積僅占2.38%。高山柏林也主要分布在3 700～4 300 m，面積占比為80.78%，同時海拔4 300 m以上也有一定規(guī)模，面積占8.11%。結(jié)果表明，海拔4 500 m以上幾乎是川西云杉林和高山柏林的生長極限，數(shù)量極少；4 300～4 500 m區(qū)間高山柏林具有更強的適應(yīng)性，分布范圍比川西云杉林更廣(表1)。

表1 川西云杉和高山柏林海拔范圍

3.2 坡度對森林分布的影響

川西云杉林、高山柏林各坡度等級分布趨勢幾乎相同。川西云杉林陡坡、急坡面積占比分別為32.99%、45.28%；平坡、緩坡分別占0.15%、2.08%。高山柏林陡坡、急坡面積占比分別為33.09%、45.59%；平坡、緩坡分別占0.20%、2.33%。由此可見，川西云杉林、高山柏林在石渠縣主要分布在地勢陡峭的高山峽谷地帶，平緩地區(qū)數(shù)量很少(表2)。

表2 坡度分級統(tǒng)計

3.3 坡向?qū)ι址植嫉挠绊?/h3>

川西云杉林主要分布在北坡、東北坡、東坡、西坡、西北坡，占比均超過10%，其中陰坡、半陰坡合計占比72.91%。高山柏林主要分布在東坡、東南坡、南坡、西南坡、西坡，占比超過10%，其中陽坡、半陽坡合計占比80.04%。川西云杉林、高山柏林坡向分布差異明顯，川西云杉較喜蔭，高山柏喜陽光充足(表3)。

表3 坡向分級統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

4.1.1 石渠縣森林分布范圍集中、總量較少 川西云杉林和高山柏林僅分布于石渠縣西南部，金沙江及其一、二級支流兩岸的高山峽谷地帶，總面積19 329.08 hm2，總量較少，僅占石渠縣面積的0.86%，其中川西云杉林面積5 109.78 hm2，高山柏林面積14 219.30 hm2。

4.1.2 森林分布受地形影響明顯 川西云杉林和高山柏林在海拔高度上相差不大，基本位于3 250～4 600 m，也大都集中在3 700～4 300 m?？傮w而言，高山柏林分布范圍更廣，面積也更大，比川西云杉林具有更強的高原氣候和土壤的適應(yīng)性。

川西云杉林、高山柏林各坡度等級分布趨勢幾乎相同，主要分布在高山峽谷地帶，坡度范圍集中在26°～45°，面積占比分別達到78.27%、78.68%，平緩地區(qū)很少，坡度對這2種森林類型的影響幾乎一致。

川西云杉林和高山柏林坡向分異明顯。川西云杉林適宜陰坡、半陰坡立地條件，陰坡、半陰坡面積占比72.91%；高山柏林則更適宜陽坡、半陽坡立地條件，陽坡、半陽坡占比80.04%，川西云杉林與高山柏林呈交錯分布。

4.2 討論

在自然狀態(tài)下，森林空間分布格局往往是由植物種群生物學(xué)特性、種內(nèi)種間關(guān)系、周圍環(huán)境以及人為干擾等多種因素相互作用形成的結(jié)果。川西云杉和高山柏較為適應(yīng)高原氣候特點，是川西北地區(qū)天然林資源的重要組成部分。川西云杉具有耐寒、耐蔭、喜濕潤等生物學(xué)特性，高山柏則耐寒、喜光和耐瘠薄，本研究也印證了這2種森林類型的不同分布特征。研究中也發(fā)現(xiàn)，川西云杉林多處于高山峽谷地帶背陰面，水分較充足、土壤肥力較好，樹木生長較好，林相整齊，林木生產(chǎn)力較高；高山柏林則多位于陽坡，光照充足、土壤較瘠薄，樹基部較粗壯，但樹木不高，林木生產(chǎn)力低，在海拔4 500 m以上呈現(xiàn)灌木狀。

人為干擾對植物種群更新演替有潛在的影響，從而影響到森林的空間分布格局。1998年我國將天然林資源納入了長效保護，天然林采伐全面停止，當?shù)貍鹘y(tǒng)的放牧活動也得到了有效控制，森林得以休養(yǎng)生息。氣候也是影響森林群落結(jié)構(gòu)的重要因素，氣候變暖有利于樹木更新和生長，促使幼苗和幼樹顯著增加，從而出現(xiàn)增長型森林種群[19]。川西云杉和高山柏生長緩慢，影響其分布差異的因素很多，本研究僅從宏觀角度對其空間分布特征做了數(shù)量化分析，其原因和機理還需進一步深入探索。