海拔對吐爾根河流域野杏空間分布的影響

陳 晨，崔 東*，閆俊杰，尼加提·卡斯木，張 靜，巴雅爾塔

（1.伊犁師范大學 生物與地理科學學院，新疆 伊寧 835000；2.伊犁師范大學 資源與生態(tài)研究所，新疆 伊寧 835000）

新疆野杏（Prunus armeniacaL.）是薔薇科李亞科杏屬植物，主要分布于生態(tài)環(huán)境較為脆弱的中亞溫帶大陸性半干旱區(qū)西天山伊犁河谷，是第三紀殘遺古溫帶闊葉林與第四紀更新世北方森林經過對環(huán)境變化適應、遷移、演變的野果林主要組成樹種之一［1-2］。作為栽培杏的直接祖先［3］，新疆野杏（以下簡稱野杏）是研究植物起源和演替規(guī)律、生物多樣性可持續(xù)發(fā)展的重要生物資源［4］。野杏喜暖、喜光、耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐風沙，是涵養(yǎng)水源、固沙保土、改善環(huán)境的優(yōu)良樹種，極具自然生態(tài)價值。在妥善保護的前提下科學合理地開發(fā)利用野杏資源，可選育優(yōu)良品種、可引作栽培砧木，果實種仁可食用藥用，更具生態(tài)旅游等社會經濟價值［5-7］。

然而由于歷史和現(xiàn)實原因，伊犁河谷的野杏種群曾因保護不夠、開發(fā)不當，長期受到毀林開荒、過度放牧、粗放旅游開發(fā)、水土流失、崩塌滑坡、杏細菌性穿孔病害等人類活動與自然環(huán)境的影響［8-10］，出現(xiàn)株數(shù)下降、面積萎縮、分布下限上升、退化為山地草原等衰退情況［11-12］，因此野杏已被列為《國家重點保護野生植物名錄》二級保護植物。迄今已有的伊犁河谷野杏研究成果主要采用植物學路線調查或實地抽樣調查方法，分析野杏的生態(tài)地理特征［1-2］、分布區(qū)域［3-4，6，13］、種質資源［7，14-15］、成土條件過程性質［16-17］，繼而倡議有關部門加強資源管理、開展調查評價、建立保護區(qū)、進行森林撫育和病蟲害控制、收集保存種質資源、加大環(huán)保宣傳和公眾教育力度［11，18-19］。

近年來，野杏純林最具代表性的吐爾根河流域日益成為春季賞花旅游熱點，野杏及其生態(tài)環(huán)境的科學管理與合理開發(fā)需要全面系統(tǒng)的基礎研究數(shù)據(jù)。田中平等［20］研究得出海拔是影響伊犁河谷北坡野果林木本植物物種分布的決定性環(huán)境因子，其次是坡向等。因此，本研究通過實地調查與遙感分析，探明吐爾根河流域野杏的空間分布狀況，探討海拔對野杏的影響機制，為有效保護野杏資源提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吐爾根河位于中國新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州新源縣吐爾根鄉(xiāng)境內，發(fā)源于西天山中段北支阿吾拉勒山山間，屬于匯入伊犁河的鞏乃斯河支流。流域內地形起伏，坡陡溝深，夏季日照充足，熱量豐富，降水充沛，冬季處于逆溫層，有利于野杏生長，分布著伊犁河谷最具規(guī)模的野杏純林［21］（圖1）。

圖1 吐爾根河流域概況圖Fig. 1 Overview of Turgen River Basin

1.2 研究方法

使用空間分辨率90 m 的SRTM DEM 數(shù)據(jù)通過ArcGIS 10.1軟件ArcSWAT 工具提取河流、流域矢量數(shù)據(jù)，按照林業(yè)調查標準［22］在ArcGIS 中基于SRTM DEM 提取地形因子面狀矢量數(shù)據(jù)，海拔以100 m 間距劃分為800～900 m 到3 100～3 200 m 共24級，坡向劃分為N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 共8 個，坡度劃分為平坡（0°～5°）、緩坡（5°～15°）、斜坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、急坡（35°～45°）、險坡（≥45°）共6類。

為避免不同物候期差異對樹冠投影面積提取與統(tǒng)計產生影響，采用2019 年7 月的Worldview 3 衛(wèi)星遙感影像，通過ENVI 軟件融合全色與多光譜波段得到空間分辨率約0.6 m 的影像，運用基于樣本的面向對象提取工具獲取野杏樹冠投影面狀矢量數(shù)據(jù)。因流域內最主要喬木為野杏、雪嶺云杉（Picea schrenkiana）（以下簡稱云杉）2 種，樹冠光譜、形狀、落影差異顯著，在ArcGIS 中將野杏矢量數(shù)據(jù)與遙感影像疊加后極易區(qū)分，便于目視檢查修正分類結果，確保精度。

在ArcGIS 中對野杏樹冠、海拔、坡向、坡度4 個矢量數(shù)據(jù)進行疊置相交分析，得到具備地形因子屬性的野杏面狀矢量數(shù)據(jù)，通過地理計算工具解算出面積屬性并導出。在SAS 8.01 軟件中分別按單一、組合的地形因子類型分類進行面積求和統(tǒng)計，得出詳細劃分地形因子類型的野杏面積。按照同樣方法，對海拔、坡向、坡度3 個矢量數(shù)據(jù)進行疊置相交分析，得出分詳細劃分地形因子類型的土地面積，繼而計算出相應的野杏覆蓋率。

2 結果與分析

2.1 野杏流域內總體分布特征

吐爾根河流域土地面積約266.99 km2，野杏主要呈斷續(xù)帶狀或點片狀分布于流域西南部的丘陵和溝谷坡面上（圖1），面積共有17.45 km2，流域內覆蓋率6.54%。

2.2 野杏的海拔分布特征

各海拔野杏面積和覆蓋率與土地面積無線性相關關系（圖2），表明各海拔野杏分布數(shù)量并不僅取決于土地面積，而是受到更為復雜的生態(tài)環(huán)境因子影響。

野杏集中分布在900～1 900 m，即中山帶下部。各海拔野杏分布量差異顯著，表明海拔對野杏分布有重要影響。野杏面積、覆蓋率都沿海拔上升先遞增后遞減，在1 300～1 400 m出現(xiàn)最大值。

2.3 各海拔野杏的坡向分布特征

在有野杏分布的各海拔區(qū)間內，不同坡向土地面積有顯著差異，且都呈現(xiàn)出陽坡（SE、S、SW、W）多于陰坡（NW、N、NE、E）、西風迎風坡（S、SW、W、NW）多于背風坡（N、NE、E、SE）的特征。隨海拔上升，陰坡與陽坡、西風迎風坡與背風坡土地面積差異逐漸減小。

各海拔區(qū)間中，不同坡向分布的野杏面積、覆蓋率存在明顯差異，并不與對應坡向區(qū)間的土地面積成正比。野杏面積總體也呈現(xiàn)出陽坡多于陰坡、西風迎風坡多于背風坡的特征，尤其以西風迎風陽坡最多。

野杏覆蓋率總體呈現(xiàn)出陰坡高于陽坡的特征（圖3）。海拔上升到1 200 m 西風迎風坡野杏覆蓋率開始超過背風坡，且隨海拔上升西風迎風坡和背風坡野杏覆蓋率差距進一步增大。

圖3 吐爾根河流域野杏分布各海拔不同坡向野杏覆蓋率Fig.3 P. armeniaca L. coverage at different altitudes and aspects in Turgen River Basin

經過計算，各海拔區(qū)間內不同坡向野杏覆蓋率變異系數(shù)有隨海拔升高先減小、后增大的特征，即隨海拔升高，同一海拔梯度內不同坡向間野杏生境適宜性差異有先減小、后增大的規(guī)律。1 200～1 300 m各坡向野杏生境適宜性差異最小。

2.4 各海拔野杏的坡度分布特征

除900～1 000 m 土地面積隨坡度上升而下降，其他有野杏分布的各海拔區(qū)間土地面積都有隨坡度增大先增加后減少的總體特征。有野杏分布的10 個海拔區(qū)間中，土地面積以15°～25°為峰值的有5個，以25°～35°為峰值的有3 個。隨海拔上升，各海拔區(qū)間中土地面積最大的坡度，出現(xiàn)由0°～5°逐坡度區(qū)間先上升至25°～35°后下降至15°～25°的趨勢。

各海拔區(qū)間野杏面積都有隨坡度增大而先增加后減少的總體特征。各海拔區(qū)間≥45°的坡度區(qū)間幾乎無野杏分布，0°～5°野杏面積極少，野杏面積除900～1 100 m 以5°～15°最多、1 700～1 900 m 以15°～25°最多外，1 100～1 700 m 的野杏面積都以25°～35°為峰值，并向更陡、更緩處遞減。

各海拔區(qū)間不同坡度覆蓋率不同，總體在35°～45°上最高，其次為25°～35°，均屬于較陡的坡度區(qū)間（圖4）。尤其是35°～45°，土地面積相對較少，但野杏覆蓋率卻最高。隨著海拔上升，野杏覆蓋率最高的坡度區(qū)間呈現(xiàn)出先增陡再減緩的特征。

圖4 吐爾根河流域野杏分布各海拔不同坡度野杏覆蓋率Fig. 4 P. armeniaca L. coverage at different altitudes and slopes in Turgen River Basin

經過計算，各海拔梯度內不同坡度野杏覆蓋率變異系數(shù)也隨著海拔上升先減小后上升。1 500～1 600 m 各坡向野杏生境適宜性差異最小。結果表明，各海拔會對野杏在不同坡度上的生長分布產生影響，中山帶下部中段的海拔區(qū)間各坡度野杏生境適宜性差異相對更小。

3 討論

3.1 流域野杏整體分布

吐爾根河流域內野杏流域西南部，總面積共有17.45 km2（約合26 175 畝），此結果與當前相關可見報道中“吐爾根鄉(xiāng)杏花谷約30 000 畝”的描述接近，但是后者未見其具體來源、范圍、時期、方法等信息，“吐爾根鄉(xiāng)”這一行政區(qū)劃范圍除包含“吐爾根河流域”這一自然區(qū)劃范圍以外，還包含相鄰范圍較小的吐爾根農場溝等流域，后者也有部分野杏分布，但不計入本研究范圍內。

因此，可以推斷本研究與其他相關報道中統(tǒng)計數(shù)值的差異主要源于研究區(qū)域范圍不同，有待開展相關研究進一步驗證討論，但實地調研與遙感和地理信息結合能夠作為一種野杏空間分布調查研究的適用方法。

野杏在吐爾根河流域內分布覆蓋率6.54%，表明實施封山育林等保護政策促進了野杏的保存并得以恢復，短時期內野杏無瀕危風險，但仍需足夠重視、加強保護，避免其縮減衰退、瀕危消失［8，11-12，15，18，23］。

3.2 海拔對野杏分布的影響

本研究發(fā)現(xiàn)吐爾根河流域野杏主要分布在900～1 900 m的中山帶下部，與在伊犁河流域開展野果林或野杏實地調查的部分研究結果較為接近（表1），也驗證了本研究方法和結果的真實性。

表1 伊犁河流域野果林與野杏分布海拔范圍調查研究結果比較Tab. 1 Comparison of investigation results of altitude range of wild fruit forest and P. armeniaca L. distribution in Yili River Basin

本研究探明的野杏分布海拔范圍，與伊犁河谷封閉與半封閉山谷內自谷底沿坡面800～2 000 m［25］、每上升100 m增溫約0.4℃上限可達1 705～2 300 m［28］的冬季逆溫層高度范圍一致，野果林木凍害受損比例隨海拔升高逐漸減?。?9］，都反映出冬季逆溫層的熱量資源對野杏安全越冬的重要意義，直接影響著野杏的分布范圍。

西天山南北兩支東西綿延山脈阻擋北來干冷和南來干熱氣流侵襲，伊犁河谷西向的開口、西低東高的地勢抬升西風暖濕氣流形成豐富的地形降水，1 000 m 山麓地段的年降水量580～660 mm，到1 776 m 處多年平均為869.6 mm［28，30］，野杏分布的海拔范圍也是降水量隨海拔上升而遞增的地帶。

伊犁河谷山地深厚的第四紀黃土堆積為野果林土壤發(fā)育提供母質基礎條件，分布上限可達1 800 m 左右［1］，與本研究發(fā)現(xiàn)的野杏分布上限大致相當。

伊犁河谷北坡野果林群落分布格局與海拔有極顯著相關性［31］，隨海拔增加，野杏種子總數(shù)及各狀態(tài)種子數(shù)先增加后減少［32］，1 300 m以下區(qū)域開花較早、而1 300 m 以上區(qū)域在霜凍期溫度下降到萌動花芽能夠抵抗的臨界點以下，導致1 300 m 不同類型野杏花期凍害率最低［33］，都與本研究發(fā)現(xiàn)的野杏面積和覆蓋率都隨海拔增加先上升后下降、在1 300～1 400 m 最高的海拔分布特征相符，與陳淑英［34］通過實驗建議宜林荒山荒地野杏播種造林宜選在1 600 m以下部分有利地形也相互印證。

3.3 海拔對野杏坡向分布的影響

野杏在伊犁河谷相對溫和濕潤的條件下，較喜暖、喜光、耐旱，傾向于選擇陡斜的日照充足、熱量豐富、空氣干燥、降水充沛、黃土堆積物較厚的陽坡及半陰坡［1，6，14］，而在空氣濕度較大的陰坡混交野果林中常因穿孔病、杏仁蜂等為害而生長發(fā)育不良［5］。野杏樹冠東南方位散落的種子密度高于西北，幼苗出苗率、幼苗存活率陽坡均高于陰坡［32］。陰坡較低的光照和溫度、較晚的融雪時間、萌發(fā)層土壤較高的養(yǎng)分和濕度、較小的酸堿值，有利于野杏種子繁殖、生長［35］，但是坡向導致的異質性氣候因子對土壤及其植被的作用也至關重要，東南坡較南坡、東北坡?lián)碛休^高的氣溫、較強的光照、相對干燥的空氣濕度和較高土壤溫度，更適宜野杏幼苗生存［36］。野杏的最大凈光合速率和光飽和點在陽生植物的下限范圍，氣孔開張對外界環(huán)境變化高度敏感也有利于盡量減少水分散失，是野杏能夠分布在較為干旱陽坡上的生理適應方式［37］。本研究發(fā)現(xiàn)各海拔區(qū)間內不同坡向野杏面積總體都呈現(xiàn)出陽坡多于陰坡的特征，也是野杏適應陽坡生境習性的反映。

之所以各海拔區(qū)間內不同坡向野杏覆蓋率總體呈現(xiàn)出陰坡高于陽坡，主要是由于吐爾根河流域位于西天山北支阿吾拉勒山南麓，形成土地面積陰坡少于陽坡的環(huán)境基底而致。

各海拔區(qū)間內不同坡向野杏面積有西風迎風坡多于背風坡，野杏覆蓋率在海拔上升到1 200 m后西風迎風坡開始超過背風坡且差距不斷增大，是因為峽谷迎風背陽坡降水豐富且水份保存條件好，在適當高程和地形的熱量條件下適宜野果林樹種生長［19，28］，西南坡為野果林群落多樣性指數(shù)最大、集中分布的區(qū)域［38］。

各海拔內不同坡向野杏覆蓋率的差異隨海拔升高先減小、后增大，各坡向野杏生境適宜性差異最小的為1 200～1 300 m，中山帶下部中段各海拔區(qū)間內不同坡向物質能量組合都較為適宜野杏生長分布，也使得這些海拔區(qū)間內野杏總覆蓋率相對更高。

3.4 海拔對野杏坡度分布的影響

吐爾根河流域大部分海拔區(qū)間內野杏面積都以25°～35°為峰值，并向更陡、更緩處遞減。而野杏覆蓋率總體在35°～45°上最高，其次為25°～35°，均屬于較陡的坡度區(qū)間。符合野杏林主要分布在黃土較薄的山脊、凸坡和坡地上部、稍凹的臺地和河谷階地上，而在缺乏起伏地形的淺薄前山帶和平板而少切割的山體鮮有分布的實地調查結論［1］。

隨著海拔上升，野杏覆蓋率最高的坡度區(qū)間陡緩程度呈現(xiàn)出先上升再下降的特征。野杏林主要分布在伊犁谷地1 100～1 700 m的谷地兩側緩傾斜的山坡和谷底，坡度陡、高差大、土層較薄、生境差異較大［39］。本研究發(fā)現(xiàn)大西溝1 400 m 以下，氣溫、光照強度、土壤溫度與坡度呈極顯著正相關，空氣濕度、土壤含水量與坡度呈顯著負相關，東南坡、上坡位、緩中坡（10～15°）以及凸坡形和相應的氣候與土壤溫濕度，是適宜野杏幼苗生存的生境條件［36］，與對應海拔區(qū)間中各坡度野杏面積、覆蓋率特征一致。

此外，坡度變化對野杏萌發(fā)層土壤特征和土壤養(yǎng)分分布有顯著影響，緩坡與緩中坡的土層較厚，土壤養(yǎng)分含量豐富，是適宜野杏萌發(fā)的地形，而陡坡較為貧瘠，坡度導致的水土流失量與土壤養(yǎng)分流失成正比［35］，野杏能在其他野生果樹不能生存的石質化瘠薄土壤中生長［14］，也正因為如此，本研究發(fā)現(xiàn)的野杏隨海拔上升在中山帶陡峭的坡度上具有相對更高的覆蓋率，體現(xiàn)出野杏對較高海拔瘠薄陡坡環(huán)境的強適應性。

4 結論

（1）實地調研與遙感分析相結合的技術方法適用于流域尺度野杏純林空間分布的全面調查研究。

（2）在海拔影響下，吐爾根河流域野杏具有明顯的垂直地帶性，中山帶下部中段最適宜野杏生長，不同微地形上野杏分布差異最小。

（3）根據(jù)野杏分布特征，因地制宜地有效保護與合理開發(fā)野杏資源具有極其重要的自然生態(tài)、社會經濟意義。