基于GIS的黃土高原小流域植被格局與地形關(guān)系研究——以固原上黃試區(qū)為例

方 炫 ，李壁成 ，白小梅 ，陳其春

(1.中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西楊陵712100;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039;3.安徽理工大學(xué)測繪與空間信息工程系，安徽淮南232001)

植被格局是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要因素，其形成和變化與所處的地理環(huán)境及人類干擾密切相關(guān)，目前已成為植被生態(tài)學(xué)研究的熱點問題[1]。在山地植被生態(tài)學(xué)中，地形是決定植被生境要素(如小氣候、水文、土壤等)的主導(dǎo)因子[2]，影響著植被的組成及其空間分布與配置格局。通過地形差異來研究植被空間分布規(guī)律，已成為揭示植被與地形因子之間關(guān)系的重要途徑[3-4]。

黃土高原是我國乃至全球水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，是我國植被恢復(fù)的重點區(qū)域[5]。作為黃土高原長期以來植被恢復(fù)和水土流失治理的基本單元，小流域具有相對獨立和完整的地形地貌特征，因此從小流域尺度著手研究植被空間格局與地形的關(guān)系，對黃土丘陵區(qū)的植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要的理論與實踐意義。

以位于黃土高原寧南山區(qū)寧夏固原市的上黃小流域為例，以植被景觀空間分布數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)，利用地理信息系統(tǒng)空間分析方法，分析植被景觀在地形梯度上的分布特征，揭示植被空間格局與地形因子之間關(guān)系，以期為上黃試區(qū)的植被保護與恢復(fù)、生態(tài)管理與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

上黃試區(qū)位于寧夏南部固原市河川鄉(xiāng)內(nèi)(東經(jīng)106°26′-106°30′，北緯 35°59′-36°02′)，年平均降水419.1 mm，屬暖溫帶半干旱區(qū)。地貌上屬于黃土高原西部寬谷丘陵溝壑區(qū)，海拔1 534～1 822 m，總面積約8.01 km2。地帶性植被為典型草原區(qū)，試區(qū)植被主要由灌叢、草地和農(nóng)用地組成。灌叢主要物種為檸條、山桃、山杏和沙柳，草地物種主要有賓草、長芒草、地椒、茭蒿、鐵桿蒿、豬毛蒿和苜蓿等。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括上黃試區(qū)1∶1萬數(shù)字高程模型(DEM)和1∶1萬植被圖。該植被圖經(jīng)過選點、普查、核查后，以2005年試區(qū)土地利用圖、2008年河川鄉(xiāng)SPOT5影像為參考在ArcView下數(shù)字化而成。從景觀尺度角度將研究區(qū)植被歸并為單純灌叢、混交灌叢、天然草地、人工草地、耕地和果園6類，形成植被景觀分類圖，并將植被景觀分類圖和數(shù)字高程模型都轉(zhuǎn)為Grid格式并統(tǒng)一投影和柵格大小(5 m×5 m)。

2.2 研究方法

2.2.1 地形因子圖提取 選取海拔、坡度、坡向、地形位4個地形因子來分析植被空間分布與地形的關(guān)系。坡度和坡向圖由DEM在ArcView軟件空間分析模塊直接生成。地形位是將海拔和坡度綜合而成的一個地形因子，能夠體現(xiàn)地形對類型空間格局分布特征的綜合影響[6]。該指數(shù)提取在ArcGIS軟件下利用地理信息建模完成，模型公式如下:

式中:T——地形位;E，ˉE——代表空間任一點的海拔值和該點所在區(qū)域內(nèi)的平均海拔值;S，ˉS——代表空間任一點的坡度值和該點所在區(qū)域內(nèi)的平均坡度值。海拔低、坡度小的地域地形位小，海拔高、坡度大的地域地形位大。

2.2.2 地形因子梯度圖生成 根據(jù)上黃試區(qū)實際情況和研究經(jīng)驗，將試區(qū)地形因子分級如下:將海拔由低到高劃分為＜1 582 m、1 582～1 630 m、1 630～1 678 m 、1 678～1 726 m、1 726～1 774 m、＞1774 m共 6 個區(qū)間;坡度劃分為 0 ～ 3°、3°～ 8°、8°～ 15°、15°～25°、25°～ 35°、＞35°共 6 個區(qū)間 ;坡向分為無坡向 、陽坡(南、西南)、半陽坡(東、東南)、半陰坡(東、東南)、陰坡(北、西北);地形位按數(shù)值由低到高等分為10個區(qū)間。利用ArcView空間分析重分類功能生成地形因子梯度圖。

2.2.3 地形分布指數(shù)構(gòu)建 由于不同植被類型在地形梯度上不同區(qū)間的出現(xiàn)分布頻率可比性受到各類植被面積帶來的量綱影響，本文采用標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱的地形分布指數(shù)[6]，進行地形梯度上不同區(qū)間或不同類型間的比較，公式如下:

式中:P——地形分布指數(shù);Sie——e地形區(qū)間上第i種植被景觀的面積;Si——整個研究區(qū)內(nèi)第i種植被景觀的總面積;Se——整個工作區(qū)內(nèi)e地形區(qū)間的總面積;S——整個研究區(qū)域的面積。P值越大，表明某植被景觀出現(xiàn)的頻率越高，P＞1的區(qū)間為植被景觀分布的優(yōu)勢地形區(qū)間。此外，分布指數(shù)曲線越平緩，表明某植被景觀分布與標(biāo)準(zhǔn)分布的偏離越小，其對地形差異的適宜性越大;反之，表明某植被景觀對地形具有較強的選擇性，在其優(yōu)勢地形位上該組分發(fā)育較多[7]。地形分布指數(shù)構(gòu)建方法如下:在ArcView下將植被景觀分類圖分別與海拔、坡度、坡向、地形位4個地形因子梯度圖疊合，統(tǒng)計出不同植被景觀在各地形梯度上不同區(qū)間的分布比例，然后利用分布指數(shù)公式計算出相應(yīng)的分布指數(shù)(P)，繪制分布指數(shù)曲線圖，進而分析植被景觀空間格局的地形梯度分異規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被景觀在地形梯度上的分布特征

圖1給出了在海拔、坡度、坡向、地形位四個地形梯度上各區(qū)間的分布指數(shù)，它可以分析以下三個方面內(nèi)容:(1)通過對同一地形區(qū)間內(nèi)的不同植被類型分布指數(shù)大小進行比較，可以得出該地形區(qū)間下的優(yōu)勢植被景觀;(2)通過各植被景觀在地形梯度上分布指數(shù)變化趨勢，可以提取優(yōu)勢地形區(qū)間(結(jié)果見表1)，分析各植被隨地形變異的分布特征;(3)總觀特定地形梯度上不同植被景觀分布指數(shù)曲線的起伏狀況，可以判斷它們受地形因子影響的大小。

3.1.1 植被景觀在海拔梯度上的分布特征 不同海拔高度水熱條件不同，植被景觀分布受到影響。在海拔梯度上，＜1 582 m區(qū)間耕地優(yōu)勢分布;1 582～1 630 m區(qū)間果園、天然草地、耕地優(yōu)勢分布;1 630～1 678 m區(qū)間優(yōu)勢植被有耕地、人工草地、天然草地;1 678～1 774 m區(qū)間優(yōu)勢植被有混交灌叢、單純灌叢和人工草地;1 774～1 822 m范圍優(yōu)勢植被為單純灌叢和混交灌叢。

不同植被景觀隨海拔變化的分布特征為，單純灌叢分布指數(shù)隨著海拔的升高而增加，在1 678～1 822 m優(yōu)勢分布;耕地分布指數(shù)變化趨勢相反，隨海拔升高而下降，在1 534～1 678 m優(yōu)勢分布;其他植被類型的分布指數(shù)都是先增加后下降，在中間段出現(xiàn)峰值?；旖还鄥埠吞烊徊莸氐姆植贾笖?shù)峰值分別出現(xiàn)在1 726～1 744 m和1 582～1 630 m。人工草地的分布指數(shù)峰值不明顯，優(yōu)勢分布區(qū)間為1 630～1 744 m。果園除了在1678～1726 m范圍略有分布外，都集中分布在1 582～1 630 m?？傮w看來，耕地、果園和天然草地選擇較低海拔分布，灌叢類分布海拔較高，人工草地居中。

在海拔梯度上各類植被分布指數(shù)的變化程度大小表現(xiàn)為，果園＞耕地＞天然草地＞混交灌叢＞單純灌叢＞人工草地。這說明人工草地受海拔影響最小，對海拔變化的適宜性最強;相反，耕地和果園，尤其是果園在其優(yōu)勢海拔區(qū)間內(nèi)集中分布，受海拔影響很大。其他植被分布受海拔影響的程度居中。

圖1 不同植被類型在海拔(a)、坡度(b)、坡向(c)、地形位上(d)的分布指數(shù)圖

3.1.2 植被景觀在坡度梯度上的分布特征 不同坡度上土壤與水分流失量不同，往往表現(xiàn)為坡度越大、土層越薄、水分和土壤養(yǎng)分流失越嚴(yán)重，從而影響植被景觀的分布格局。在坡度梯度上，0～8°都是以耕地和果園為優(yōu)勢，8°～15°帶內(nèi)以單純灌叢和混交灌叢為優(yōu)勢，15°～25°帶內(nèi)優(yōu)勢植被有天然草地、混交灌叢和單純灌叢，25°～35°以人工草地和天然草地為優(yōu)勢，＞35°以人工草地為優(yōu)勢。

耕地和果園分布指數(shù)都隨著坡度的增加而減小，且都在0～8°，尤其是0～3°的平坡區(qū)間內(nèi)優(yōu)勢分布;人工草地分布指數(shù)隨坡度增加而增大，在＞25°范圍尤其是35°以上的陡坡優(yōu)勢分布;灌叢類分布指數(shù)都呈先增加后減小的趨勢，峰值都不明顯，優(yōu)勢分布區(qū)間都在中等坡度為8°～25°;天然草地隨坡度變化呈先減小后增大再減小趨勢，優(yōu)勢分布于較陡區(qū)間15°～35°。

隨著坡度的變化，果園分布指數(shù)變化最大，在優(yōu)勢區(qū)間內(nèi)集中分布，表明對坡度的選擇性最強、適宜性最差;其余表現(xiàn)為人工草地＞耕地＞天然草地＞混交灌叢＞單純灌叢。

3.1.3 植被景觀在坡向梯度上的分布特征 不同坡向由于接收太陽輻射的時間和強度不同，地表溫度、氣溫變幅、水分蒸發(fā)狀況不同，因而植被分布狀況有所不同。各坡向內(nèi)不同植被分布指數(shù)的大小顯示，無坡向區(qū)間優(yōu)勢植被為耕地和人工草地;陽坡優(yōu)勢植被為天然草地;半陽坡優(yōu)勢植被為耕地、果園、混交灌叢、人工草地;半陰坡是以單純灌叢、耕地、果園為優(yōu)勢;陰坡是以人工草地、天然草地、混交灌叢、單純灌叢為優(yōu)勢。

植被隨坡向的變化趨勢表現(xiàn)為分布指數(shù)都在1上下波動。其中，耕地和果園的變化趨勢相似，都呈先下降后增加再下降分布，耕地在無坡向和半陽坡上優(yōu)勢分布，果園在半陽坡和半陰坡上呈優(yōu)勢分布。天然草地和單純灌叢隨坡向變化趨勢為先增加后減少再增加，在陽坡優(yōu)勢分布，陰坡次之。人工草地和混交灌叢隨坡向變化的分布指數(shù)曲線都表現(xiàn)為凹-凸-凹分布，前者優(yōu)勢區(qū)間在無坡向、半陽坡和陰坡，后者優(yōu)勢區(qū)間在半陽坡和半陰坡。

不同植被景觀在坡向上分布指數(shù)圖的陡緩程度顯示，單純灌叢的分布指數(shù)變化最不明顯，這說明在各坡向上分布均勻，對坡向的適宜性很強，其余植被分布對坡向具有一定的選擇性，但分布指數(shù)的變化程度差別不大。

3.1.4 植被景觀在地形位梯度上的分布特征 植被景觀在地形位上的分布格局表現(xiàn)為高、中和低3段式空間分布結(jié)構(gòu)。低段區(qū)域優(yōu)勢植被景觀為果園和耕地;中段區(qū)域優(yōu)勢植被景觀為混交灌叢、單純灌叢和人工草地;高段區(qū)域優(yōu)勢植被景觀為天然草地。

耕地和果園的分布指數(shù)隨著地形位的升高而減小，優(yōu)勢地形位區(qū)間分別是1～2和1～3;天然草地的分布指數(shù)隨著地形位的升高而不斷增加，優(yōu)勢地形位區(qū)間為6～10。單純灌叢和混交灌叢都呈先增加后減少趨勢，優(yōu)勢地形位區(qū)間分別是3～6和3～5。人工草地的分布指數(shù)變化趨勢是先減小后增加再減小，優(yōu)勢地形位區(qū)間為5～6。

6類植被景觀中，果園、天然草地、耕地在地形位梯度上的分布指數(shù)值變化較大，這說明對地形位具有很強的選擇性;而人工草地和灌叢類地形位分布指數(shù)曲線較為平緩，受到地形位影響較小。植被在地形位上的分布特征與隨坡度和海拔的分布特征基本吻合，這說明在該區(qū)域地形位是能夠綜合反映高度和坡度對植被格局影響的指數(shù)。

表1 不同植被類型的優(yōu)勢地形分布區(qū)間

3.2 植被格局與各地形因子的相關(guān)分析

通過將植被空間分布與各地形因子進行相關(guān)分析，比較各地形因子對植被格局影響的大小，確定影響植被格局關(guān)鍵的地形因子。結(jié)果表明，植被空間分布與海拔、坡度、坡向和地形位4個因子的相關(guān)系數(shù)分別是-0.51，-0.13，-0.02，-0.18，說明海拔對植被景觀分布的影響最顯著，地形位和坡度對植被格局的影響次之，而坡向?qū)χ脖桓窬值挠绊懽钚　?/p>

4 結(jié)論

運用GIS空間分析技術(shù)，從景觀尺度上分析了黃土高原上黃試區(qū)小流域植被空間分布格局與海拔、坡度、坡向和地形位4個地形因子的關(guān)系，主要結(jié)論如下:

(1)上黃試區(qū)植被景觀分布格局與地形是密切相關(guān)的，最主要的地形因子是海拔，其次是地形位和坡度，而受坡向的影響較小。

(2)研究結(jié)果采用無量綱的分布指數(shù)，清楚地反映了區(qū)內(nèi)各植被景觀植被與地形梯度的分布規(guī)律，定量描述了上黃試區(qū)小流域準(zhǔn)確提取了各植被景觀的優(yōu)勢分布區(qū)間?？傮w來講，灌叢類選擇高海拔、中等坡度分布;天然草地選擇中等偏低海拔、中等偏陡坡度分布;人工草地選擇中等偏高海拔、陡坡分布;耕地和果園都選擇在低海拔、平緩坡分布，前者優(yōu)勢海拔更低。

(3)本研究在分析傳統(tǒng)地形因子(海拔、坡度、坡向)基礎(chǔ)上，補充地形位這一綜合地形因子，研究結(jié)果證明了在該區(qū)域地形位是能夠綜合反映高度和坡度對植被格局影響的指數(shù)。

致謝:本文采用的植被圖在調(diào)查的過程中得到了中科院水土保持和生態(tài)環(huán)境研究中心侯慶春研究員的指導(dǎo)，在此表示感謝！

[1] 李崇巍，劉麗娟，孫鵬森，等.岷江上游植被格局與環(huán)境關(guān)系的研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報，2005，41(4):404-409.

[2] 沈澤吳，張新時，金義興.地形對亞熱帶山地類型尺度植被格局的梯度分析[J].植物生態(tài)學(xué)報，2000，24(4):430-435.

[3] 焦超衛(wèi)，趙牡丹，湯國安，等.基于 GIS的植被空間格局特征與地形因子的相關(guān)關(guān)系:以陜西省耀縣為例[J].水土保持通報，2005，25(6):19-23.

[4] 孟廣濤，方向京，李寧云，等.云南金沙江流域典型區(qū)域森林類型空間格局特征的初步研究[J].水土保持研究，2008，15(6):78-84.

[5] 吳欽孝，楊文治.黃土高原植被建設(shè)與持續(xù)發(fā)展[M].北京:科學(xué)出版社，1998:1-15.

[6] 喻紅，曾輝，江子瀛.快速城市化地區(qū)類型組分在地形梯度上的分布特征研究[J].地理科學(xué)，2001，21(1):64-69.

[7] 斯鈞浪，齊偉，曲衍波，等.膠東山區(qū)縣域土地利用在地形梯度上的分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(3):679-685.