陜西省植被類型的空間分布＊

汪麗平，魏志成，梁衛(wèi)衛(wèi)，關(guān)青青，陳 俊

（西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院，陜西楊凌712100）

空間異質(zhì)性是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個主要屬性，也是產(chǎn)生空間格局的主要原因［1］，異質(zhì)性分析已成為生態(tài)學(xué)者研究不同尺度生態(tài)系統(tǒng)功能和過程的重要手段［2］。

陜西省地處我國西北地區(qū)，北部跨黃土高原中部，習(xí)慣上屬西北大區(qū)，總面積20.56萬平方公里［3］，自然環(huán)境復(fù)雜，生態(tài)條件多樣，植物資源種類繁多，由于不同的地形條件和海拔梯度，形成了獨特的植被分布格局［4］，造成了極度復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境，為多類型的自然和人工植被提供了優(yōu)越的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)。陜西省植被類型大致分為針葉林、針闊葉混交林、落葉闊葉林、灌叢、草原、草叢、草甸、沼澤、溫性作物落葉果樹、暖溫性作物落葉果樹、亞熱帶作物落葉及常綠果樹，共11類［5］。

近年來，隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，環(huán)境的壓力日趨加劇，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重，生態(tài)破壞劇烈［6－7］。在植被資源的開發(fā)利用上過于盲目，有破壞性的傾向。陜西省是中國水土流失、沙化等環(huán)境問題最嚴(yán)峻的地區(qū)之一，水土流失面積占全省土地總面積的66.9%［8］，流失的表土大部分流入黃河導(dǎo)致河床上升，水庫泥沙淤積，嚴(yán)重威脅到黃河流域的生態(tài)安全［9］。土地沙化問題主要分布在長城沿線以北，黃土高原地區(qū)尤為明顯［10－11］。長期以來，農(nóng)業(yè)等活動中的過墾過牧，最終使風(fēng)沙趨于嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化［12］。需要在區(qū)域土地利用規(guī)劃新的舉措，以鼓勵適當(dāng)?shù)耐恋乩煤退帘３郑?3］。

新中國成立以來陜西省相繼啟動并實施了一批重點生態(tài)建設(shè)工程，使陜西植被情況有所好轉(zhuǎn)。經(jīng)過50多年的艱苦奮斗，全省累計建設(shè)無水利設(shè)施基本農(nóng)田147.7×104hm2。提高了耕地質(zhì)量，改善了生態(tài)環(huán)境［14］。對土地沙化進行分區(qū)治理，在長城沿線的“三北”防護林區(qū)繼續(xù)植樹造林增強了防風(fēng)固沙的作用［15］。陜北已經(jīng)出現(xiàn)了退耕還林工程（GGP）［16］，植被覆蓋狀況盡管波動起伏，整體在持續(xù)轉(zhuǎn)好［17］，中國西部的植被覆蓋程度顯著增加［18］。

陜西省南北狹長，交錯分布著盆地、山地、高原、沙漠和河流，從南到北空間分布格局差異極大。但是，目前為止還沒有關(guān)于陜西省整體植被類型空間分布格局的研究報道，因此本研究利用陜西省植被圖（1∶1 000 000）［5］，將陜西省劃分為陜北北部、陜北南部、關(guān)中地區(qū)、陜南地區(qū)4大區(qū)域進行調(diào)查分析，對每個區(qū)域植被類型的分布面積、植被多樣性調(diào)查研究，并按照植被類型的蓋度與β－分布模型相結(jié)合的解析方法對陜西省植被的空間分布規(guī)律等進行分析研究，β－分布模型最早于2008年應(yīng)用到植被蓋度的空間異質(zhì)性解析中，并且證明了組成植被群落的植物種的蓋度頻度分布與β－分布模型具有很好的吻合性，同時利用該模型可以定量地計算出組成群落的各植物種的空間異質(zhì)性指數(shù)值［19］，旨在為陜西省的土地合理利用提出建議。

1 調(diào)查區(qū)域概況與調(diào)查方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

陜西省最南端位于安康市東南的鎮(zhèn)坪縣（N31° 41′36″），北至榆林市府谷縣（N39°35′05″），西南隅位于漢中市寧強縣（E105°29′42″），東至府谷縣（E111° 14′29″）。南北縱貫緯度7°53′29″，約870公里；東西跨越經(jīng)度5°44′47″，500公里左右。

陜西地處西北內(nèi)陸，受大陸性氣候影響較大。氣溫年較差陜北為29～34℃，關(guān)中為27～31℃，陜南在24～27℃之間。陜西極端氣溫相差懸殊，極端最低氣溫是－32.7℃，極端最高氣溫42.8℃。年平均降水量340～1240mm［20］。降水南多北少，陜南為濕潤區(qū)，關(guān)中為半濕潤區(qū)，陜北為半干旱區(qū)。

1.2 調(diào)查方法

在植被圖上將陜西省劃分為陜北北部（榆林市）、陜北南部（延安市）、關(guān)中地區(qū)（寶雞市、咸陽市、銅川市、西安市、渭南市）、陜南地區(qū)（漢中市、安康市、商洛市）4個區(qū)域。然后將每個區(qū)域細(xì)劃為1cm ×1cm（實際面積為10km×10km）的等面積樣方，再在每個樣方內(nèi)以2mm間隔均勻的設(shè)置25（5× 5）個點，記錄樣方內(nèi)每種植被類型所占的點數(shù)，得到樣方內(nèi)每種植被的蓋度（每種植被在樣方內(nèi)的點數(shù)／25×100%）。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

植被蓋度空間分布解析利用β－分布模型［19，21］。假設(shè)xi為各個區(qū)域內(nèi)某植被的蓋度，蓋度的密度函數(shù)由下式表示：

式中：α和β表示β－分布模型形狀的參數(shù)，用下式表示：

式中：μ為蓋度平均值，σ2為方差。各個區(qū)域內(nèi)某種植被的空間異質(zhì)性指數(shù)值（Ii）用下式定義［21－22］：

各區(qū)域整體的空間異質(zhì)性指數(shù)（Ic）是每種植被的蓋度（xi）與它們的空間異質(zhì)性指數(shù)（Ii）進行加權(quán)平均得到：

式中：s表示每個區(qū)域內(nèi)存在的植被類型數(shù)目。Shannon－Wiener物種的多樣性指數(shù)（H′）［22］

式中：pi表示每種植被的蓋度。

2 結(jié)果與分析

2.1 陜西植被總體狀況

表1是對陜西省4個區(qū)域植被特征的概述，陜西省共分成1934個1cm×1cm的樣方（每個樣方實際面積10km×10km＝100km2），其中陜北北部570個（57 000km2）、陜北南部401個（40 100 km2）、關(guān)中地區(qū)279個（27 900km2）、陜南地區(qū)684個（68 400km2）樣方。

蓋度的密度函數(shù)符合β－分布模型［20－21］，按照β－分布模型對陜西省4個區(qū)域植被蓋度進行解析得到陜西省植被總體情況如表1。4個地區(qū)的總植被數(shù)和多樣性指數(shù)差異不大，樣方內(nèi)的平均植被數(shù)與平均多樣性指數(shù)在陜北南部和陜南地區(qū)之間沒有顯著性差異（P＞0.05），但均極顯著多于陜北北部（P＜0.01），陜北北部又極顯著多于關(guān)中地區(qū)（P＜0.01），關(guān)中地區(qū)的平均植被數(shù)最少。空間異質(zhì)性指數(shù)關(guān)中地區(qū)＞陜南地區(qū)＞陜北北部＞陜北南部。陜北南部樣方內(nèi)平均植被數(shù)最多，空間異質(zhì)性指數(shù)最低，而關(guān)中地區(qū)樣方內(nèi)平均植被數(shù)最少，空間異質(zhì)性指數(shù)最高。

2.2 優(yōu)勢植被

表2為每個區(qū)域蓋度＞5%的植被類型及其對應(yīng)的空間異質(zhì)性指數(shù)。

陜北北部以沙地先鋒植物（Pioneer Sand Plant Communities）群落（48）和長芒草（Stipa bungeana）草原（44）為主要優(yōu)勢植被，其蓋度分別為12.55%和9.64%（面積分別為7153.5km2和5494.8km2），都屬于溫帶叢生禾草典型草原。由于沙地先鋒植物群落和長芒草草原的空間異質(zhì)性指

數(shù)都比較低，說明陜北北部溫帶叢生禾草典型草原普遍存在，且分布較均勻。此外，一些溫性風(fēng)沙地作物（Grains in sandy land）落葉果樹（63、64、66）和溫性黃土地作物（Grains in loess land）落葉果樹（68、69、71）占有很大比例，但是它們的空間異質(zhì)性指數(shù)較高，在陜北北部分布不均勻。

表1 陜西省植被整體狀況Table 1 The overall condition of vegetation in Shaanxi province

表2 陜西省優(yōu)勢植被Table 2 Competitive vegetation of Shaanxi province

陜北南部的主要優(yōu)勢植被是遼東櫟（Quercus liaotungensis）林（11），其蓋度為11.35%（面積為3166.65km2），空間異質(zhì)性指數(shù)最低（Ii＝2.110），所以遼東櫟林在陜北南部是分布面積最大且最均一的植被類型。其次是渭北黃土地旱塬麥秋一年二熟（The crops in dry highland of Weibei loess land which harvest twice a year）作物（72），蘋果、梨等（屬暖溫性作物落葉果樹）和一些暖溫性渭河盆地作物（Grains in the highland of Weihe Basin）落葉果樹（76、77、79），所占比例分別為9.69%和9.39%，面積分別為2703.51km2和2619.81km2。

關(guān)中地區(qū)以暖溫性渭河盆地作物落葉果樹（76、 77、78、79）為主，其總蓋度占植被群落的22.36%（面積為8966.36km2），它們的空間異質(zhì)性指數(shù)均比較高。另外，暖溫性作物落葉果樹類的渭北黃土地旱塬麥秋一年二熟作物（72）也占很大比例（11.47%，面積為4599.47km2），但其空間異質(zhì)性指數(shù)比較低。

陜南地區(qū)優(yōu)勢植被是栓皮櫟（Quercus variabilis）林（13：蓋度為10.20%，面積6976.8km2）與銳齒櫟（Quercus aliena var.acuteserrata）林（14：蓋度為9.21%，面積6299.6km2），其它幾種植被的蓋度差距不大，呈緩慢降低趨勢。而空間異質(zhì)性指數(shù)栓皮櫟林較小，其它幾種優(yōu)勢植被異質(zhì)性指數(shù)差異不大。

2.3 植被蓋度與異質(zhì)性指數(shù)

圖1顯示了4個區(qū)域所有植被的蓋度與它們的空間異質(zhì)性指數(shù)之間的關(guān)系。由圖1可以看出，它們之間均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，R2值在0.86以上。說明隨著植被蓋度的增大空間異質(zhì)性指數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢。

圖1 植被蓋度與其空間異質(zhì)性指數(shù)的關(guān)系注：圖中的每一個點代表一種植被類型Fig.1 Relation between vegetation cover and spatial heterogeneityNotes：Tach point in the figure represents a vegetation type

3 討 論

3.1 蓋度與空間異質(zhì)性

本文以陜西省植被為研究對象，利用β分布模型解析方法，探討了陜西省景觀植被的空間分布格局，得出陜西省4個區(qū)域的所有組成植被類型的蓋度與它們的空間異質(zhì)性指數(shù)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。即植被的空間異質(zhì)性增大，植被蓋度會隨之減少。在宏觀上得出的結(jié)論同樣也適用于實際生產(chǎn)中，放牧強度過大或人類干預(yù)導(dǎo)致植被的空間異質(zhì)性增大，植被的蓋度就會減少，所以在植被利用過程中，盡量避免過度利用，降低異質(zhì)性以維持較大的覆蓋度。這在生產(chǎn)實踐中有重要意義。

3.2 4個區(qū)域的優(yōu)勢植被及其空間異質(zhì)性

陜北北部優(yōu)勢植被為沙地先鋒植物群落和長芒草草原，還有一些人工植被如溫性風(fēng)沙地作物、黃土地作物也占有較大的比例，說明陜北北部植被群落比較脆弱，農(nóng)牧交錯，人為干擾嚴(yán)重，牧業(yè)不斷消弱，整體的環(huán)境有惡化趨勢［23］，因此在發(fā)展畜牧業(yè)時要注意草地合理利用，積極發(fā)展退耕還灌還草工程，禁止放牧或輕度放牧。重視植被在造林固沙、防風(fēng)固沙、在水土保持中起到的重要作用［24］。

陜北南部以遼東櫟林還有一些人工植被（渭北黃土地作物）為主要優(yōu)勢植被，其中，遼東櫟不僅在土壤的保水中，扮演重要角色，對保持當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展也有重要作用［25］，陜北南部樣方內(nèi)的平均植被數(shù)最多，空間異質(zhì)性指數(shù)最低（表1）。因此，植被豐富且分布均勻，適宜發(fā)展種植業(yè)與林業(yè)。同時也要重視植被保護，開展退耕還林、還灌工程，增加植被覆蓋度。

關(guān)中地區(qū)自然條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)、種植業(yè)發(fā)展良好。人工植被所占比例很大，基本代替了自然植被，主要的優(yōu)勢植被是暖溫性渭河盆地作物落葉果樹，關(guān)中地區(qū)樣方內(nèi)的平均植被數(shù)最少，空間異質(zhì)性指數(shù)最大，說明該區(qū)農(nóng)業(yè)、種植業(yè)發(fā)展總體方向單一，其植被在空間上呈斑塊狀分布，因此，根據(jù)植被特征因地制宜地發(fā)展適合當(dāng)?shù)貤l件的特色產(chǎn)業(yè)，同時整個區(qū)域要堅持農(nóng)業(yè)和種植業(yè)，糧、果、蔬及多種經(jīng)濟作物全面發(fā)展。

陜南地區(qū)天然林豐富，還伴有人工林。陜西省是中國北方最重要的森林省份之一［26］。本研究表明，栓皮櫟林和銳齒櫟林為該區(qū)的優(yōu)勢植被，陜南地區(qū)在4個區(qū)域中面積最大，總植被數(shù)、多樣性指數(shù)最高，空間異質(zhì)性指數(shù)也比較高，說明該區(qū)由于盲目開發(fā)，利用過度，林業(yè)保護任務(wù)艱巨。

本研究以陜西省植被圖為對象進行植被空間分布的研究［5］，20多年來陜西省植被由于氣候變化和人為干擾利用，特別是陜北地區(qū)近年來由于煤炭產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，植被破壞嚴(yán)重，本研究結(jié)果將為下一步利用遙感技術(shù)對陜西省20多年來植被分布狀況的變化進行對比研究提供參考。

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