基于GIS的太白山植被與環(huán)境梯度關(guān)系分析

張善紅,張孝存

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000）

基于GIS的太白山植被與環(huán)境梯度關(guān)系分析

張善紅,張孝存

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000）

在GIS支持下，應(yīng)用GIS空間分析功能，選取了年均溫、年降水量、海拔、坡度和坡向5個(gè)環(huán)境影響因子，將各環(huán)境因子分別與太白山植被類型圖疊加，并對(duì)不同植被分布與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，灌叢草甸、太白紅杉、巴山冷杉、樺林、櫟林最適年均溫度范圍分別為-1.14℃-2.60℃、0.01℃-4.34℃、1.49℃-5.23℃、2.62℃-7.23℃、4.74℃-8.85℃最適年降水量范圍為719.1-754.5 mm、717.9-754.6 mm、731.1-768.3 mm、705.6-755.3 mm、680.9-740.1 mm；最適海拔范圍為2 659-3 572 m、2 607-3 454 m、3 334-3 164 m、1 997-2 840 m、1 412-2 196 m；在坡度上，各種植被大多較均勻地分布在斜坡、陡坡、險(xiǎn)坡上；在坡向上，各植被類型主要分布在半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡上。

押太白山；梯度分析；遙感；地理信息系統(tǒng)

植被是環(huán)境的一面鏡子，具有保持水土、改善環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源等作用，同時(shí)也是形成區(qū)域小氣候的重要環(huán)境決定因子，植被類型的空間分布受到多種環(huán)境因子的影響。通過(guò)分析不同植被類型在不同環(huán)境因子梯度上分布規(guī)律，了解各種環(huán)境因子對(duì)不同植被分布的影響已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)、自然地理等領(lǐng)域的重要研究方向之一。對(duì)于植被類型的空間分布和環(huán)境梯度的關(guān)系，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量相關(guān)研究。常禹等[1]在GIS的支持下，確定了長(zhǎng)白山地區(qū)各植被類型分布的最適環(huán)境范圍；張?jiān)鞯萚2]針對(duì)新疆塔里木河中游地區(qū)的不同植被進(jìn)行了多元統(tǒng)計(jì)研究與分析，定量揭示了該區(qū)域的植物群落分布的最適環(huán)境范圍；朱曉勤等[3]采用地理信息系統(tǒng)支持下的環(huán)境梯度分析方法，對(duì)秦嶺山地植被進(jìn)行環(huán)境因子相關(guān)分析，得出海拔梯度是決定秦嶺山地植被分布的主導(dǎo)因素，坡度和坡向的分異作用不是太明顯；并分析了不同植被類型的最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境區(qū)間，定量描述研究區(qū)內(nèi)各植被類型的年降水、年均溫、海拔、坡度和坡向分布，系統(tǒng)反映了秦嶺山地植被與不同環(huán)境梯度的分布規(guī)律。張文[4]運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和植被數(shù)量分析方法，對(duì)西秦嶺植被進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)研究與分析，探討西秦嶺植被類型與年平均氣溫、7月平均氣溫、1月平均氣溫、年平均降水量、7月平均降水量、1月平均降水量、海拔、坡度、坡向以及土壤類型的關(guān)系，分析了植被類型與這些環(huán)境因子的綜合關(guān)系。李亞飛和劉高煥[5]研究了大香格里拉地區(qū)典型植被空間分布與環(huán)境因子的關(guān)系，分析了大香格里拉地區(qū)不同植被類型分布的年均溫、年降水量、日照時(shí)數(shù)等氣候特征以及坡度、坡向、高程等地形特征。

太白山自然保護(hù)區(qū)地處陜西秦嶺腹地中段，保護(hù)區(qū)內(nèi)最低海拔1 060 m，最高海拔3 767.2 m，相對(duì)高差為2 707.2 m。由于海拔高差比較大，隨著海拔高度的遞增，氣候類型按照一定規(guī)律呈連續(xù)垂直帶狀分布，植物帶、動(dòng)物帶也呈現(xiàn)出相應(yīng)的垂直帶狀。在相對(duì)海拔高差1 891 m（1 620-3 511 m）的山地范圍內(nèi)，形成了界限清晰、色調(diào)明顯的完整植被垂直帶譜[6-7]。本文從植被分布與地學(xué)因子以及氣候因子（年均溫和年降水）的時(shí)空關(guān)系中獲取輔助遙感影像監(jiān)督分類的地學(xué)知識(shí)[8]，從不同環(huán)境因子梯度角度出發(fā)，分析太白山各種植被類型與各項(xiàng)環(huán)境因子梯度之間的關(guān)系，定量描述太白山自然保護(hù)區(qū)各植被類型的最適宜環(huán)境區(qū)間范圍，定量分析保護(hù)區(qū)不同植被與環(huán)境梯度關(guān)系，為保護(hù)區(qū)的植被生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和管理提供信息和參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

遙感影像數(shù)據(jù)：2009年5月的SPOT5遙感影像，空間分辨率2.5 m。

氣象數(shù)據(jù)：結(jié)合太白山的具體實(shí)際情況，選取太白山及其周邊共12個(gè)氣象站點(diǎn)1970—2009年近40年的月均氣溫和月均降水?dāng)?shù)據(jù)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)自陜西省氣象局）。

其他數(shù)據(jù)：保護(hù)區(qū)1:5萬(wàn)地形圖；保護(hù)區(qū)1:5萬(wàn)DEM圖；保護(hù)區(qū)行政區(qū)劃圖；GPS野外定點(diǎn)實(shí)地考察資料。

1.2 研究方法

1.2.1 監(jiān)督分類法

在遙感處理軟件ERDASImagine 9.3的支持下，SPOT5遙感影像經(jīng)過(guò)大氣校正、幾何糾正，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和光譜比值，主成分分析、條紋消除等遙感影像預(yù)處理后，根據(jù)地形圖以及野外GPS實(shí)地定點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)，以及不同植被類型的紋理、特殊形狀特征、目標(biāo)物陰影特征、相關(guān)位置關(guān)系、地物大小形狀、影像黑白色調(diào)深淺等特征建立遙感解釋數(shù)據(jù)庫(kù)，最終獲得太白山自然保護(hù)區(qū)的植被類型圖，解釋的正確率達(dá)85%，滿足研究需要。最終獲得保護(hù)區(qū)六種植被類型：巴山冷杉、太白紅杉、櫟林、灌叢草甸、樺林和非林地。

1.2.2 各環(huán)境因子趨勢(shì)面的產(chǎn)生

本研究選取的環(huán)境因子有氣溫（年均溫）、降水（年均降水量）、海拔、坡度和坡向。海拔高度趨勢(shì)面為研究區(qū)DEM圖，坡度和坡向圖由DEM處理得到。其中，年均溫和年降水量趨勢(shì)面，根據(jù)太白山周邊地區(qū)12個(gè)氣象站的氣象資料，在Arcgis空間插值模塊運(yùn)用Q-Kriging法進(jìn)行插值，得到研究區(qū)年平均溫度和年均降水量趨勢(shì)面。

1.2.3 植被類型分布環(huán)境范圍的確定

在GIS的支持下，根據(jù)植被類型的空間分布來(lái)確定其環(huán)境范圍。即通過(guò)Arcgis的空間分析模塊來(lái)提取各植被類型分布的各環(huán)境因子范圍。并采用半峰寬[9-11]的計(jì)算方法來(lái)確定不同植被類型分布的最適環(huán)境區(qū)間范圍。其中半峰寬的計(jì)算公式為：

最適生長(zhǎng)范圍為：

2 結(jié)果與分析

2.1 各植被類型整體分布狀況

通過(guò)監(jiān)督分類，獲得研究區(qū)灌叢草甸、太白紅杉、巴山冷杉、樺林、櫟林和非林地六種植被類型，統(tǒng)計(jì)各植被類型的面積，見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，樺林和巴山冷杉在整個(gè)景觀林中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，面積分別是23 814.0 hm2和13 971.92 hm2，其中樺林占研究區(qū)總面積的比例為42.28%，而巴山冷杉占研究區(qū)面積比例為24.81%，其他類型植被面積比例均小于總面積的15%。太白紅杉面積為6 742.08 hm2，占總面積比例為11.97%，櫟林的面積為5 812.61 hm2，占總面積比例為10.32%，灌叢草甸的面積為3 540.02 hm2，占總面積比例為6.28%，最小的是非林地，面積為2 444.32 hm2，占總面積的4.34%。

圖1 太白山植被類型的面積

2.2 不同植被類型分布的最適溫度

溫度控制著植被分布的緯度性，是影響植被分布的最重要的環(huán)境因子之一[1]。植被類型圖與年均溫趨勢(shì)圖進(jìn)行疊加分析，得到不同植被類型分布的最適年均溫范圍，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，各種植被類型的分布的最適年平均溫度的變化是非常明顯的。灌叢草甸分布的溫度下限為-1.82℃，溫度上限為6.9℃，平均溫度為1.08℃，最適溫度范圍為-1.14℃-2.6℃；太白紅杉分布的溫度下限為-1.04℃，溫度上限為9.18℃，平均溫度為2.17℃，最適溫度范圍為0.01℃-4.34℃；巴山冷杉分布的溫度下限為-0.18℃，溫度上限為8.73℃，平均溫度為3.36℃，最適溫度范圍為1.49℃-5.23℃；樺林的溫度下限為-1.04℃，溫度上限為10.46℃，平均溫度為4.93℃，最適溫度范圍為2.62℃-7.23℃；櫟林的分布的溫度下限為0.29℃，溫度上限為10.46℃，平均溫度為6.79℃，最適溫度范圍為4.74℃-8.85℃。從溫度的分布狀況，明顯反映出各種植被類型的垂直地帶性。本研究通過(guò)高斯克里格（Q-Kriging）插值，產(chǎn)生年均溫?cái)?shù)字面，具有空間分布均勻、數(shù)值分布連續(xù)等特點(diǎn)，方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。

表1 不同植被類型分布的最適年均溫范圍(單位：℃)

2.3 不同植被類型分布的最適降水量

通過(guò)降水量趨勢(shì)面圖與植被分布圖疊加分析，得到不同植被類型分布的最適降水量范圍，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。降水的分布狀況可以反映出植被的垂直帶性，但從表2可以看出，垂直帶不是很明顯。值得注意的是，巴山冷杉降水量的最適范圍上限最高，這是由于太白山山體垂直高差較大，降水量從山底到山頂?shù)姆植汲尸F(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。由表2還可以看出，灌叢草甸分布的降水量下限為701.4 mm，降水量上限為762.1 mm，平均降水量為736.8 mm，最適降水量范圍為719.1-754.5 mm；太白紅杉分布的降水量下限為673.2 mm，降水量上限為765.6 mm，平均降水量為736.3 mm，最適降水量范圍為717.9-754.6 mm；巴山冷杉分布的降水量下限為681.7 mm，降水量上限為778.1 mm，平均降水量為749.7 mm，最適降水量范圍為731.1-768.3 mm；樺林的降水量下限為671.6 mm，海拔降水量為773.5 mm，平均降水量為730.2 mm，最適降水量范圍為705.0-755.3 mm；櫟林的分布的降水量下限為671.6 mm，降水量上限為773.5 mm，平均降水量為730.2 mm，最適降水量范圍680.9-740.0 mm。非林地分布的降水量下限為673.2 mm，降水量上限為764.9 mm，平均降水量為737.6 mm，最適降水量范圍716.9-758.3 mm。

2.4 不同植被類型分布的最適海拔高度

地形因子中，海拔梯度是山地植被分布格局的首要控制因子[12-13]。氣溫隨海拔的升高表現(xiàn)出規(guī)律性的相應(yīng)下降，且降水和太陽(yáng)輻射也會(huì)隨之發(fā)生改變，從而對(duì)植被類型的分布產(chǎn)生影響。本文利用Arcgis軟件提取每種植被類型生長(zhǎng)的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并根據(jù)半峰寬的計(jì)算方法，提取每種植被類型生長(zhǎng)的最適海拔范圍。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 不同植被類型分布的最適降水量范圍(單位：mm)

表3 太白山植被分布的海拔范圍(單位：m)

由表3可知，不同植被分布隨海拔高度的增加表現(xiàn)出非常明顯的垂直層次，體現(xiàn)了太白山地區(qū)各植被類型的垂直地帶性分布。按照海拔從高到低各植被的分布順序是灌叢草甸、太白紅杉、巴山冷杉、樺林和櫟林，并且它們生長(zhǎng)的最適范圍有一些重疊。灌叢草甸分布的海拔下限為1 931 m，海拔上限為3 755 m，平均海拔為3 266 m，最適海拔范圍為2 959-3 752 m；太白紅杉分布的海拔下限為2 152 m，海拔上限為3 700 m，平均海拔為3 031 m，最適海拔范圍為2 607-3 454 m；巴山冷杉分布的海拔下限為1 569 m，海拔上限為3 452 m，平均海拔為2 749 m，最適海拔范圍為2 334-3 164 m；樺林的海拔下限為1 177 m，海拔上限為3 548 m，平均海拔為2 419 m，最適海拔范圍為1 997-2 840 m；櫟林分布的海拔下限為1 060 m，海拔上限為3 239 m，平均海拔為2 179 m，最適海拔范圍1 412-2 196 m。

2.5 不同植被類型與坡度相關(guān)分析

由于植被類型生長(zhǎng)的坡度范圍不能成正態(tài)分布，因此不能用半峰寬的公式確定植被類型生長(zhǎng)的最適坡度范圍。為了更好地分析研究區(qū)植被類型與不同坡度之間的關(guān)系，把研究區(qū)坡度劃分為6個(gè)等級(jí)，分別為險(xiǎn)坡（＞45°）、急坡（35°-45°）、陡坡（25°-35°）、斜坡（15°-25°）、緩坡（5°-15°）和平坡（0°-5°）。運(yùn)用Arcgis軟件的空間分析模塊，將保護(hù)區(qū)坡度分級(jí)圖與各植被類型分布圖進(jìn)行疊加處理，得到不同坡度分級(jí)上的不同植被類型分布比例，結(jié)果如表4。

表4 不同植被類型在不同坡度分級(jí)上的比例(單位：%)

由表4可以看出，保護(hù)區(qū)內(nèi)各植被的分布與各坡度分級(jí)的關(guān)系不是很明顯，研究區(qū)內(nèi)植被大多均勻地分布在急坡、斜坡、陡坡上，平坡上的分布比例相對(duì)較小。這可能是由于太白山地區(qū)，平坡所占比例較小（平坡占整個(gè)研究區(qū)的比例是2%）的原因。分布在較高海拔地區(qū)的灌叢草甸和太白紅杉主要在急坡、斜坡、緩坡、陡坡上分布，在險(xiǎn)、陡、斜、緩坡上的面積分別超過(guò)91%和82%。巴山冷杉主要分布在急坡、陡坡和斜坡上，超過(guò)總面積的73%。櫟林和樺林主要分布在斜坡、急坡、陡坡和險(xiǎn)坡上，二者在這四個(gè)分級(jí)坡度上的面積均在90%以上。非林地因?yàn)榇蠖嗍呛恿?、湖泊、道路、懸崖、耕地、裸地、亂石等，所以大多位于坡度比較大的坡上。

由于坡度不同，單位面積接受的太陽(yáng)輻射也會(huì)有所不同，因此，水分與土壤的流失量也會(huì)不同。坡度陡，水分少、土層薄、無(wú)機(jī)鹽容易淋失，土壤呈酸性，坡度的平緩地方，土層較厚、且水分多、土壤酸性較差。因此坡度對(duì)植被的分布會(huì)產(chǎn)生一定影響，但相對(duì)溫度、降水量、海拔，坡度只是影響植被分布的次要因子[14]。

2.6 不同植被類型與坡向相關(guān)分析

陰坡與陽(yáng)坡的光照時(shí)數(shù)、光照強(qiáng)度不同，且陽(yáng)坡的地表溫度變化、氣溫的時(shí)間尺度變化、水分蒸發(fā)程度、土壤的理化過(guò)程及強(qiáng)度、土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化分解、轉(zhuǎn)化和遷移過(guò)程都超過(guò)陰坡，影響著陰坡和陽(yáng)坡的土壤成分，陽(yáng)坡的空氣中濕度變化和土壤含水量的變化相對(duì)陰坡要低[3]。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)期的適應(yīng)與進(jìn)化發(fā)展，引起植被和環(huán)境的生態(tài)關(guān)系發(fā)生改變，導(dǎo)致不同的植被大致適應(yīng)于某一特定的坡向分布范圍[15]。利用ArcGIS軟件的空間分析功能，將坡向分級(jí)圖與植被類型圖進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)并分析得到不同坡向分級(jí)上的不同植被類型分布情況，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同坡向分級(jí)上各植被分布比例(單位：%)

由表5可以看出，各植被類型在陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡上的面積比例均在75%以上。各植被在陰坡上的比例均在25%以下。值得引起注意的是，巴山冷杉在陰坡上的分布比例超過(guò)24%，高于其他植被類型在陰坡上分布的比例，這主要因?yàn)榘蜕嚼渖际窍碴幹参??？傮w看來(lái)，各植被在平緩坡分布最少，陰坡上分布較少，在陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡上分布最多。而且各坡向分級(jí)上植被類型面積比例相當(dāng)，這可能因?yàn)樘咨降貐^(qū)平坦地區(qū)較少、但陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡較多有關(guān)，同時(shí)也反映出受光照時(shí)數(shù)和光照強(qiáng)度大的坡度的土地利用效率較高。這說(shuō)明坡向可以一定程度上影響植被分布，對(duì)植被的分布會(huì)起到一定作用。但不同坡向分級(jí)對(duì)本研究區(qū)的植被分布影響作用不是很大。

2.7 各植被類型的最優(yōu)環(huán)境生長(zhǎng)區(qū)間

通過(guò)統(tǒng)計(jì)各植被類型與不同的環(huán)境因子的梯度關(guān)系，綜合分析各植被類型與年均溫、年降水量、海拔、坡度、坡向等環(huán)境因子之間的關(guān)系，最終得到保護(hù)區(qū)各植被類型的最優(yōu)環(huán)境生長(zhǎng)區(qū)間，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同植被類型最優(yōu)環(huán)境因子生長(zhǎng)區(qū)間

本文利用各環(huán)境因子趨勢(shì)面與植被類型圖疊加進(jìn)行相關(guān)分析（見(jiàn)表6），對(duì)不同植被的分布與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行了研究，定量地描述了各植被類型在各環(huán)境因子（年均溫、年降水量、海拔、坡度、坡向）趨勢(shì)面上的分布狀況，得出不同植被類型的最佳環(huán)境生長(zhǎng)區(qū)間。證明太白山地區(qū)植被分布與這些環(huán)境因子之間是相互制約、相互影響的，得出海拔和氣溫是決定太白山植被分布的主要因子。

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，降水量分布狀況反映的植被垂直帶性不是很強(qiáng)。這可能是由于保護(hù)區(qū)年降水量在650-800 mm[16]，降水量比較豐沛，滿足本區(qū)植被生長(zhǎng)需要，因此反映的植被垂直帶性不明顯。另外，根據(jù)張善紅[17]的研究，太白山植被對(duì)溫度變化的敏感性高于降水變化，也說(shuō)明降水對(duì)該區(qū)植被的空間分布影響不明顯。本研究還發(fā)現(xiàn)，巴山冷杉在陰坡上的分布比例較大，這主要因?yàn)榘蜕嚼渖际窍碴幹参?。另外，這與史小華等[18]的研究，巴山冷杉在陽(yáng)坡的分布上，幼齡株數(shù)量較少，中齡級(jí)株數(shù)量不多，但在半陽(yáng)坡上，幼齡株數(shù)量相對(duì)較大，在陰坡上，成年個(gè)體生長(zhǎng)良好，幼苗更新不良，結(jié)果是一致的。

植被分布不僅與氣溫、降雨、海拔、坡度和坡向這些環(huán)境因子相關(guān)，此外，年均日照時(shí)數(shù)、年均太陽(yáng)輻射、生物學(xué)溫度、活動(dòng)積溫、年均蒸發(fā)量以及土壤有機(jī)質(zhì)含量等環(huán)境因子也有很大關(guān)系，如果加入這些數(shù)據(jù)的分析，將對(duì)本文的研究結(jié)果和揭示本區(qū)植被分布與環(huán)境梯度關(guān)系規(guī)律有著更大的幫助。

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（責(zé)任編輯：李堆淑）

GIS-based Analysis on Vegetation-Environment Gradient Correlation in Taibai Mountain

ZHANG Shan-hong,ZHANG Xiao-cun
（CollegeofUrban，RuralPlanningandArchitecturalEngineering，ShangluoUniversity，Shangluo 726000，Shaanxi）

With the support of GISand application of the function of GISspace analysis,five environment factors:the annual average temperature,annual rainfall,altitude,slope and aspect are chosen,the vegetation map of Taibai Mountain and each environmental factors map was superposed and analyszed.The results showed that as to the shrub meadow,Taibai redwood,Bashan fir and birch forest and oak forest,the optimum annual average temperature ranges were-1.14℃-2.60℃,0.01℃-4.34℃,1.49℃-5.23℃,2.62℃-7.23℃,4.74℃-8.85℃,-1.36℃-4.31℃;and the optimum annual average precipitation ranges were

719.1 -754.5 mm,717.9-754.6 mm,731.1-768.3 mm,705.6-755.3 mm,680.9-70.1 mm;the optimum altitude range of 2659-2659 m,2607-3454 m,3454-3164 m,1997-2840 m,2840-2196 m,respectively. The vegetation types in Taibai Mountain were mainly distributed in Slope,steep slope and dangerous slope,and they were mainly distributed on half sunny slope and sunny slope.

Taibai Mountain；gradient analysis；RS；GIS

Q948

：A

：1674-0033(2014)04-0019-06

10.13440/j.slxy.1674-0033.2014.04.05

2014-05-19

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201304309）

張善紅，女，山東日照人，碩士，助教