北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布及與環(huán)境因子的關(guān)系

高陽+趙文吉+高明亮+胡冬+隗有龍

摘要：以北京山區(qū)為研究區(qū)域，采用遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)結(jié)合實地數(shù)據(jù)采集驗證，利用GIS技術(shù)作出量化統(tǒng)計分析，研究北京周邊山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布狀況，并在此的基礎(chǔ)上，進一步探究北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布規(guī)律，分析植物優(yōu)勢種群分布與海拔、坡度坡向、降水量、土壤巖性和溫度的關(guān)系。結(jié)果表明，北京市山區(qū)主要優(yōu)勢種群為喬灌草植物組成的46個種群;隨著地形地貌的改變，海拔升高，氣溫逐步下降，太陽輻射不斷增強，平榛、毛榛等因生物特性耐寒成為該區(qū)域的優(yōu)勢物種，占據(jù)主導地位;陽坡與陰坡，光照時長和光照強度不同，陽坡優(yōu)勢種群為喜光耐旱的植物，陰坡優(yōu)勢種群為耐陰喜水植物;在一定程度上，降雨量的高低決定了一些對水分依賴性大的植物的生長，而且，在水分充足時，同種類的植物生長狀況愈加良好，植被的覆蓋度增加，葉面積指數(shù)更大，枝葉較為茂密;在土壤厚度大、有機質(zhì)含量高、pH偏小的地區(qū)，植物優(yōu)勢物種為較高大的喬木，隨著土壤厚度和有機質(zhì)含量的降低，pH增大，植物優(yōu)勢物種逐步演變?yōu)楣嗄绢愔参锖筒荼绢愔参铩?/p>

關(guān)鍵詞：植物優(yōu)勢種群;遙感影像;GIS;地形環(huán)境因子

中圖分類號：Q948.1 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）21-5099-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.012

Relationship between the Distribution of Dominant Plants Population in

Mountain Area of Beijing and Environmental Factors

GAO Yang1，ZHAO Wen-ji1，GAO Ming-liang1，HU Dong2，KUI You-long3

（1. Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application of Ministry of Education/Key Laboratory of Resources Environment and GIS of Beijing Municipal/College of Resource Environment and Tourism， Capital Normal University， Beijing 100048， China;

2. School of Life Sciences， Capital Normal University， Beijing 100048，China;

3. Mentougou District of Beijing Gardens Green Bureau of Forestry Workstations， Beijing 102308，China）

Abstract： The distribution of plant dominant population in the mountains outside Beijing was studied by collecting and validating remote sensing image and DEM data combined with field data. A quantitative statistical analysis was made by GIS technology. Based on this， the distribution law of plant dominant population in the mountains outside Beijing was studied and the relationships between distribution of plant dominant population and the altitude， gradient and aspect of slope， rainfall capacity， soil lithology， temperature was analyzed. The results showed that the dominant population were 49 groups of arbor，shrub and herbage. With the change of the terrain environment， and the increases of altitude， the temperature decreased gradually. The radiant became stronger. Corylus heterophylla Fisch and Corylus mandshurica became the dominant species. The sunshine duration and intensity was different between the sunny slope and cludy slope. The dominant plant in sunny slope enjoyed sunshine was drought-tolerant while the dominant plant in cloudy slope enjoyed water was shade-tolerant. To some extent， the rainfall amount decided the growth of the water-dependent plant. When water was enough， the same plant grew better， the plant coverage increased and leaf area index was bigger and the leaves were more flourishing. In a area with thick soil， high content of organics， and low pH， the dominant specie was tall trees. With the decrease of the soil thickness and organic content， the pH increased and the dominant species gradually turned into shrub and grass.

Key words： plant dominant population; remote sensing image; GIS; terrain environmental factors

地球表面不同的環(huán)境因子導致了地表植物和植被分布的多樣性;同時，植物的形成和發(fā)育又作用于環(huán)境要素，植被及其組成與環(huán)境在長期自然歷史發(fā)展中相互綜合作用，協(xié)同進化，形成了植被及其組成成分的生物、生態(tài)學特性，這是植被與環(huán)境綜合關(guān)系的反映[1]。自1952年Greig-Smith首次使用方差分析方法研究植物種的格局規(guī)模以來，格局分析受到許多生態(tài)學家的重視，現(xiàn)已成為研究植物種類空間關(guān)系、種類與環(huán)境關(guān)系的重要手段[2]。從植被分布與地學因子的時空關(guān)系中獲取用來輔助遙感影像分類的地學知識[3]，利用現(xiàn)有遙感圖像處理和GIS系統(tǒng)軟件，從環(huán)境因子研究角度出發(fā)，分析植被分布與各項環(huán)境因子之間的關(guān)系，并應用于植被群落空間分析，用以揭示植物群落與環(huán)境因子間的生態(tài)關(guān)系。本研究采用此方法分析北京山區(qū)植被優(yōu)勢種群的分布規(guī)律以及該地區(qū)的環(huán)境主控因子，進而全面了解北京地區(qū)植物群落與生態(tài)環(huán)境的相互關(guān)系和作用規(guī)律，將對北京地區(qū)植被資源利用和保護更加有效地開展有著重要的指導意義[4]。

1 ?研究區(qū)域與研究方法

1.1 ?研究區(qū)域概況

北京地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，在世界范圍內(nèi)具有典型性，且其植被復雜多樣，在全球變暖背景下，植被與環(huán)境、氣候的相互關(guān)系頗具代表性[5]。北京市位于北緯39°26′-41°03′，東經(jīng)115°25′-117°30′。北京山區(qū)是華北平原與太行山山脈、燕山山脈的交接部位。東南部為平原，西部為山地，是太行山脈的東北余脈;北部和東北部山地為燕山山脈的西段支脈，總面積16 410.54 km2（圖1）。北京的氣候為典型的半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。季節(jié)分配很不均勻，全年降水的80%集中在6、7、8三個月，為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一。

1.2 ?研究方法

北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布較為復雜，涉及地形環(huán)境因素較多，很難從單一方法得到準確結(jié)論，因此，采用遙感方法、GIS技術(shù)結(jié)合野外實地驗證研究，構(gòu)造群落分布的北京山區(qū)優(yōu)勢種群分布圖，并在此基礎(chǔ)上分析其分布規(guī)律與環(huán)境因子的關(guān)系，分別驗證植被優(yōu)勢種群與海拔、坡度坡向、降雨量、土壤的關(guān)系。

1.2.1 ?遙感方法 ?采用QuickBird遙感影像進行實驗研究，QuickBird衛(wèi)星是目前世界上最先提供亞米級分辨率的商業(yè)衛(wèi)星，衛(wèi)星影像分辨率為0.61 m，單景影像比同時期其他的商業(yè)高分辨率衛(wèi)星高出2～10倍。

對高清遙感影像的研究，能夠?qū)Ρ本┥絽^(qū)的植被類型及其分布有了初步的認識，為下一步實地考察提供了依據(jù)，接下來進行圖像解譯和數(shù)據(jù)分析，遇到問題時，更加有針對性的實施野外驗證、數(shù)據(jù)采集，最終得出更加準確的北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布圖。

1.2.2 ?GIS技術(shù)應用 ?為了研究北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布狀況，采用北京DEM高程數(shù)據(jù)，分別根據(jù)海拔提取北京山區(qū)地形圖，地形起伏提取北京山區(qū)坡度圖，地形走勢提取北京山區(qū)坡向圖，實地采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進行歸納統(tǒng)計分析，解析北京山區(qū)地形環(huán)境因子對植被分布的影響，為探究北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布規(guī)律與地形環(huán)境因子的關(guān)系打下基礎(chǔ)。

1.2.3 ?野外實地調(diào)研 ?所選樣地、樣點基本覆蓋了北京山區(qū)全部地域，為了能夠保證研究成果的準確性。樣地均選取面積為30 m×30 m的區(qū)域，在樣區(qū)內(nèi)進行多個1 m×1 m的樣方采樣，主要采集植被類型、優(yōu)勢種群、生物量、郁閉度、葉面積指數(shù)等生態(tài)植被數(shù)據(jù)，采集時間為2012年和2013年6～8月間，基本反映了北京山區(qū)的生態(tài)植被優(yōu)勢種群分布狀況。

1.3 ?數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

北京山區(qū)集中在北京市的西部和北部，海拔60 m以上，因此，采用北京市DEM數(shù)據(jù)和QuickBird遙感影像作為數(shù)據(jù)源，按照植物光譜特征分類，初步歸納的植物分布圖，結(jié)合其他數(shù)據(jù)最終得到較為精準的北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群分布圖，以海拔60 m為標準提取北京山區(qū)的邊界，并在此基礎(chǔ)上設定坡度坡向的提取條件，得到北京山區(qū)坡度圖和坡向圖如圖2和圖3所示。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?北京山區(qū)植物優(yōu)勢種群

經(jīng)圖像分析和實地數(shù)據(jù)采集、調(diào)查研究，確定北京山區(qū)優(yōu)勢種群為蒙古櫟、山杏、酸棗、油松、側(cè)柏、加拿大楊、遼東櫟、山楊、槲樹、椴樹、樺樹、桑樹、鵝耳櫪、栓皮櫟、欒樹、雜木、荊條、核桃、洋槐、三裂繡線菊、白蠟、黃櫨、暴馬丁香、榆樹、螞蚱腿子、小葉鼠李、胡枝子、野皂莢、平榛、毛榛、白羊草、中華隱子草（表1）。其分布狀況體現(xiàn)出了植物的生長特性，如耐寒、耐旱、喜光和水分依賴性等，具體分布圖如圖4。

2.2 ?植被優(yōu)勢種群分布與海拔的關(guān)系

北京地區(qū)的地形地貌，山區(qū)占了很大的面積，地形在一定程度上控制了太陽輻射和降水的空間再分配，指示了局部生態(tài)環(huán)境的小氣候條件，因此，地形是形成山地結(jié)構(gòu)和功能、導致山地各種生態(tài)現(xiàn)象和過程發(fā)生變化的根本性因素[6]。

由圖5可知，在海拔1 500 m以上地區(qū)，毛榛、平榛、蒙古櫟、樺樹、椴樹為優(yōu)勢物種，他們抗寒、適應性強。在無雪覆蓋的冬季可耐-30 ℃的低溫。對土壤適應性較強，在微堿性到微酸性（pH 5.4～8.0）的土壤上均可正常生長結(jié)實;在海拔1 200～1500 m區(qū)間，蒙古櫟、遼東櫟、槲樹、鵝耳櫪、欒樹、黃櫨為優(yōu)勢物種，它們對氣候、土壤適應性強，較為耐寒、耐旱，也可在溫暖濕潤的環(huán)境生長;在海拔800～1 200 m區(qū)域，氣候較為適中，植物生長種類豐富，優(yōu)勢種群多為灌木和草本類植物，有山杏、酸棗、油松、側(cè)柏、栓皮櫟、荊條、三裂繡線菊、暴馬丁香、螞蚱腿子、小葉鼠李、胡枝子、野皂莢、白羊草、中華隱子草等;海拔800 m以下，人為因素干擾過強，植物優(yōu)勢物種為荊條、酸棗、山杏、加拿大楊、白蠟等。

2.3 ?植被優(yōu)勢種群分布與坡度坡向的關(guān)系

2.3.1 ?坡度因素 ?坡面接受的輻射（S）包括太陽的直接輻射（Direct beam， Sb′）、散射輻射（Diffuse radiation， Sd′）以及從周圍表面反射過來的輻射（Radiation， Sr）等3種來源。這3種輻射可以分別由下式計算得出：

S=Sb′+Sd′+Sr ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Sb′=Sb[cos s·cos Z+ sin s·sin Z·cos（A-As）]（2）

Sd′=0.5Sd（1+cos s） ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

Sr=0.5α（Sb+Sd）（1-cos s） ? ? ?（4）

式中，Sb為到達地面的太陽輻射;s為坡度;Z為太陽高度角;A為太陽方位角;As為坡度的方位角;Sd為天空各向同性輻射（Isotropic sky radiation）;α為下墊面的反射率[7]。利用上述關(guān)系，可以計算出某一坡面某一時刻所接受的太陽輻射。從這些公式也可以看出，坡面的受熱狀況也與坡度關(guān)系密切[6]，因此，植被優(yōu)勢種群分布在某些程度上亦取決于坡度的因素。

2.3.2 ?坡向因素 ?北京地區(qū)處于北半球，一般來說，坡向向南的是陽坡，坡向向北的是陰坡，陽坡光照時數(shù)長、強度大，陰坡光照時數(shù)短、強度小，由于長期適應與進化的結(jié)果，不同的植被類型適應于一定的坡向分布[8]。圖6為北京山區(qū)局部地貌圖像，分析采集得來的數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，黃色點（位于陽坡）植物優(yōu)勢種群為蒙古櫟、荊條、酸棗、側(cè)柏、遼東櫟等，藍色點（位于陰坡）植物優(yōu)勢種群為椴樹、暴馬丁香、螞蚱腿子、毛榛等。

2.3.3 ?植被優(yōu)勢種群分布與降水量的關(guān)系 ?充足的水分是植物生長的一個重要條件，水分缺乏其生長就會受到影響。水分是植物細胞擴張生長的動力，如果水分不足，就會導致擴張生長受阻、植株生長矮小。葉面積指數(shù)（LAI）表示葉面積與所在土地面積的比例，一定程度上反映了植物光合和蒸騰作用的強弱。通常LAI較大的同種作物蒸騰的水量多，即為植物葉面較大，生長較為茂密。

北京山區(qū)植物所需水分大多數(shù)來自于降雨，因此，降雨量的高低就決定了植物生長所需水分獲取的多少。關(guān)于植被分布與年降水量的關(guān)系，我國許多學者已做了大量的研究工作[6，9-11]，得到了不同植被類型與年降水量的關(guān)系指標（圖7）。根據(jù)這些指標，可以大致得到北京地區(qū)山地植被的分布規(guī)律[12]。

由于北京山地面積約占全市面積的62%，在一定程度上影響了降雨量的分布，其降雨等值線大體與山脈走向一致，多雨中心沿燕山、西山由弧形山脈向西北、東南不斷減少，隨著長期適應與進化的結(jié)果，不同地區(qū)植被顯露出一定的不同[13]，一些喜潮濕環(huán)境、對水分依賴性強的植物（例如椴樹、暴馬丁香、螞蚱腿子）多生長在雨水較為豐富的地區(qū)，生長狀況較為良好，反之，缺少降雨的地區(qū)，椴樹等植物就不再占據(jù)優(yōu)勢地位，生長狀況也不好。

圖8為根據(jù)北京市2013年降水量分布圖選取的不同地區(qū)樣點指標對比，植被均為灌木類植物（荊條為主），可以看出在降水量高的地區(qū)植被覆蓋度較高，葉面積指數(shù)（LAI）較高，植被較為茂密。

2.3.4 ?植被優(yōu)勢種群分布與土壤的關(guān)系 ?北京山區(qū)的土壤狀況與海拔高度有很大關(guān)聯(lián)[14]，在海拔1 900 m以上的山頂和緩坡處，土壤為山地草甸土。土層深厚，有機質(zhì)分解較慢，積累過程占優(yōu)勢，含量80 g/kg以上，呈酸性，pH 5.5～6.2，土壤情況適合林木生長，根據(jù)山區(qū)優(yōu)勢種群分布圖可以看出此地域優(yōu)勢種群為蒙古櫟、遼東櫟、槲樹、栓皮櫟、椴樹、樺樹等較為高大的喬木植物;在海拔800～1 900 m之間，如百花山、白草畔、妙峰山、霧靈山和云蒙山等山地，是山地棕壤土，有機質(zhì)含量較高，一般在50～80 g/kg之間，呈中性到微酸性，pH 6～7，孔隙度較大，此地域的優(yōu)勢種群為油松、側(cè)柏、山杏、洋槐和荊條等喬灌類植物;在海拔50～80 m之間的低山丘陵， 是山地褐土，土層一般較薄，而且多含石礫，土瘦、干旱，有機質(zhì)含量較低，pH 7.0～8.2，優(yōu)勢種群為荊條、酸棗、山杏、三裂繡線菊和胡枝子、平榛等草灌類植物。

3 ?結(jié)論與討論

3.1 ?結(jié)論

以高清遙感影像和DEM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過植物光譜特征提取、GIS技術(shù)和野外實地采集數(shù)據(jù)，分析得出以下結(jié)論：

1）北京市山區(qū)主要優(yōu)勢種群為蒙古櫟、山杏、酸棗、油松、側(cè)柏、加拿大楊、遼東櫟、山楊、槲樹、椴樹、樺樹、桑樹、鵝耳櫪、栓皮櫟、欒樹、雜木、荊條、核桃、洋槐、三裂繡線菊、白蠟、黃櫨、暴馬丁香、榆樹、螞蚱腿子、小葉鼠李、胡枝子、野皂莢、平榛、毛榛、白羊草、中華隱子草等植物組成的46個種群。

2）植被優(yōu)勢種群分布與海拔的關(guān)系：隨著地形地貌的改變，海拔升高，氣溫逐步下降，太陽輻射不斷增強，平榛、毛榛等因生物特性耐寒成為該區(qū)域的優(yōu)勢物種，占據(jù)主導地位。

3）植被優(yōu)勢種群分布與坡向坡度的關(guān)系：陽坡與陰坡光照時長和光照強度不同，陽坡優(yōu)勢種群為喜光耐旱的植物，如荊條、酸棗、蒙古櫟、側(cè)柏、遼東櫟、桑樹、洋槐、榆樹、胡枝子和栓皮櫟等，陰坡優(yōu)勢種群為椴樹、暴馬丁香、螞蚱腿子、胡枝子和毛榛等。

4）植被優(yōu)勢種群與降雨量的關(guān)系：北京山區(qū)植物所需水分與降雨量有很大關(guān)聯(lián)，在一定程度上，降雨量的高低決定了一些對水分依賴性大的植物的生長，如椴樹、暴馬丁香，它們成為此類地域的優(yōu)勢種群，而且，如果在水分充足的環(huán)境中，同種類的植物生長狀況愈加良好，植被的覆蓋度增加，葉面積指數(shù)更大，枝葉較為茂密。