吐爾根杏花溝新疆野杏對不同坡向的適應(yīng)性1)

陳晨 閆俊杰 崔東 吾木提·艾山江 ?？瞬?/p>

(伊犁師范大學,伊寧,835000)

新疆野杏(Prunusarmeniaca或ArmeniacavulgarisLam.)是薔薇科(Rosaceae)李亞科(Prunoideae)杏屬(ArmeniacaMill.)闊葉落葉喬木,由第三紀孑遺古溫帶闊葉林與第四紀更新世北方森林對環(huán)境演變的適應(yīng)而來[1-2],在新疆西天山伊犁河谷山間多有分布,極具自然生態(tài)和社會經(jīng)濟價值[3]。過去伊犁河谷新疆野杏(下文簡稱為野杏)曾因人類活動與環(huán)境變化的負面影響嚴重衰退,已列為國家II級重點保護野生植物[4-7]。

研究野杏的空間分布特征規(guī)律,對其科學保護和合理利用有實際意義。迄今為止,研究野杏生態(tài)地理特征[1-2]、種質(zhì)資源[8-9]、成土條件過程性質(zhì)[10-11]等主要采用地植物學路線調(diào)查或抽樣調(diào)查方法,進而與有關(guān)部門協(xié)同加強資源管理、進行森林撫育、開展病蟲害防控、收集保存種質(zhì)資源、建立保護區(qū)、推進環(huán)保宣傳教育[12-13]。

近年來,伊犁河谷野果林花期日益成為旅游熱點,以吐爾根杏花溝最為著名。經(jīng)過多年實地調(diào)研發(fā)現(xiàn),封山育林有效遏制了野杏及其生境的過度開荒、樵采、放牧,適度發(fā)展生態(tài)旅游促進了野杏資源綠色開發(fā),但目前野杏種群年齡結(jié)構(gòu)基本上呈紡錘形,總體不穩(wěn)定,主要組成為83.60%的成熟中齡與大齡階個體、10.16%的小齡階個體,種群健康等級綜合評價為中等偏下[14],種子實生率、幼苗存活率低,幼苗建成和天然更新能力嚴重不足,葉細菌性穿孔病[15]、杏樹鬃球蚧[16]等病蟲害亦常年發(fā)生,為害范圍廣、程度深,應(yīng)持續(xù)關(guān)注。

目前,該區(qū)域野杏詳細的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)與相關(guān)的系統(tǒng)性研究成果仍相對缺乏,亟待開展全面的資源調(diào)查。通過長期實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),流域中部除野杏外的其他闊葉樹種分布很少,形成大規(guī)模野杏純林,而流域上游主要為雪嶺云杉(Piceaschrekiana,以下簡稱為云杉)構(gòu)成的針葉林,森林樹種構(gòu)成單一,為使用實地路線調(diào)查與遙感全域觀測相結(jié)合探明野杏森林資源,提高了可行性與準確率。

同時,野杏對生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)機制仍需深入探究,坡向等地形是影響伊犁河谷野果林分布重要環(huán)境因子之一[17],因此本研究可以在全面探明野杏資源空間分布的基礎(chǔ)上,通過地理信息系統(tǒng)數(shù)字地形分析方法,進一步研究野杏在不同坡向立地的分布特征與規(guī)律,為因地制宜地封育更新、恢復(fù)重建、移植栽培野杏提供基礎(chǔ)資料和參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

吐爾根,蒙古語意為水流湍急的河,發(fā)源于中國新疆境內(nèi)西天山北支中段的阿吾拉勒山,自東北向西南匯入伊犁河重要支流鞏乃斯河,流域內(nèi)因分布著大面積原始野杏純林而被稱為吐爾根杏花溝。自然地理區(qū)劃較行政區(qū)劃更適合發(fā)現(xiàn)自然資源要素的特征規(guī)律,本研究中的吐爾根杏花溝是以吐爾根河流域明確界定的區(qū)域范圍(圖1)。雖然吐爾根河相鄰的河流流域也有部分野杏生長分布,且有部分區(qū)域在行政區(qū)劃上屬于吐爾根鄉(xiāng),但都不計入本研究范圍。

圖1 吐爾根杏花溝區(qū)域范圍

2 研究方法

采用兩步路戶外助手手機應(yīng)用軟件,以日期命名并記錄kml格式的實地調(diào)查路線軌跡數(shù)據(jù)7條,同時可沿路線拍攝包含地理坐標信息的地物景觀照片,路線數(shù)據(jù)可導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)與遙感數(shù)字圖像處理軟件,用于遙感信息提取前訓練樣本的選擇、提取后結(jié)果的對比驗證與編輯修正(圖2)。

圖2 吐爾根杏花溝野杏實地路線調(diào)查與遙感信息提取

采用WorldView-3衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù),將全色與多光譜波段融合,空間分辨率為0.5 m,用于提取野杏林林冠面數(shù)據(jù)。因研究區(qū)范圍較大,同一時期的高分辨率遙感數(shù)據(jù)相對較難獲取,優(yōu)先選擇2019年夏季數(shù)據(jù),缺乏的以相鄰年份、月份數(shù)據(jù)補充。

采用SRTM DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),空間分辨率為90 m,用于提取流域、海拔、坡向、坡度、等高線、山體陰影。高分辨率非開放數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)較難獲取,在開展本研究時,可獲取的2種開放共享DEM數(shù)據(jù)中,通過微波雷達成像的SRTM DEM較基于光學立體像對成像的30 m空間分辨率ASTER DEM精度相對更高,是選用此DEM的主要原因。

首先,使用ArcGIS軟件ArcSWAT擴展工具,從SRTM DEM中提取流域矢量,確定研究區(qū)范圍,并作為掩膜提取研究區(qū)內(nèi)DEM。按照現(xiàn)行的林業(yè)調(diào)查標準[18],使用地形分析、重分類、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換工具,得到研究區(qū)內(nèi)100 m間距海拔、9個坡向、6個坡度共3類地形面狀矢量。

其次,使用ENVI軟件(遙感圖像處理軟件)以真彩色合成波段組合顯示W(wǎng)orldView-3遙感影像,將實地路線調(diào)查中對地物信息的觀察記錄與遙感影像中的地物特征建立聯(lián)系,可知野杏與云杉空間分布存在差異,樹冠形狀、顏色、陰影區(qū)分明顯,周邊參照地物也不相同。遙感影像中,野杏主要分布于流域中游海拔較低處,樹冠低矮呈圓球狀,秋冬春季多為暗灰色、夏季為淺綠色,樹影低矮且面積極小;云杉則多位于流域上游海拔較高處,因傳感器拍攝有一定傾角,故樹冠高聳多呈橢球狀,其為常綠針葉林,一年四季均呈深綠色,樹影狹長且面積較大,林緣林隙中?？梢婇L直倒木,地面有積雪時樹冠仍有綠葉(圖2)。

再次,使用ENVI軟件基于樣本的面向?qū)ο筇崛」ぞ?實驗確定影像最優(yōu)分割、合并尺度,生成地物對象斑塊,根據(jù)上述判別特征,選擇分類訓練樣本,提取出野杏樹冠面狀矢量數(shù)據(jù),并在ArcGIS軟件中對照實地調(diào)查路線、遙感影像,目視檢查并編輯修正分類結(jié)果。以野杏林冠投影面積、野杏林冠投影面積占土地面積的百分比作為2個定量研究指標,下文簡稱野杏面積、野杏覆蓋率。

最后,使用ArcGIS軟件的疊置分析工具,先將海拔、坡向、坡度矢量相交形成含地形信息的土地面狀矢量數(shù)據(jù),再將其與野杏面狀矢量數(shù)據(jù)疊置相交分析,分別通過計算幾何得出含3類地形信息的土地面積、野杏面積。分類統(tǒng)計各地形因子組合的土地、野杏面積,計算出對應(yīng)的野杏覆蓋率。

3 結(jié)果與分析

3.1 野杏面積與覆蓋率

經(jīng)計算,吐爾根杏花溝內(nèi)土地面積約266.99 km2,野杏面積共有17.45 km2,野杏覆蓋率6.54%,主要分布于西南部溝谷與山體坡面上(圖1)。

本研究通過遙感影像數(shù)據(jù)提取出的吐爾根杏花溝野杏總面積17.45 km2(26 175畝),與新源縣林業(yè)和草原局通訊報道中的30 000多畝數(shù)值接近[19]。即本研究與林草部門已開展調(diào)查工作在具體范圍界定、數(shù)據(jù)時期、測算方法等方面可能均存在一定差異,但統(tǒng)計結(jié)果仍非常接近。因此可以推斷,本研究基于實地路線調(diào)查與遙感全域觀測相結(jié)合的方法,較為準確而高效,具有科學性和適用性,可以用于吐爾根杏花溝野杏空間分布情況調(diào)查研究。

3.2 野杏的坡向分布特征

野杏在吐爾根杏花溝各坡向土地上均有部分生長分布(表1),但各坡向野杏面積、覆蓋率存在差異,也反映出野杏對各坡向生境適應(yīng)程度不同。土地面積、野杏面積同為陽坡(東南、南、西南、西)多于陰坡(西北、北、東北、東),而野杏覆蓋率陰坡高于陽坡。

3.3 野杏在不同坡向各海拔的分布特征

不同坡向野杏分布的海拔范圍不同(表2)。陰坡北坡向野杏分布在1 100～1 900 m,陰坡東北、西北坡向野杏分布在1 000～1 900 m,此外其他大多數(shù)坡向野杏分布在900～1 900 m,陽坡野杏分布的海拔范圍比陰坡略廣,與部分實地調(diào)查結(jié)論接近[1,20]。

表2 吐爾根杏花溝不同坡向各海拔新疆野杏覆蓋率及其變異系數(shù)

不同坡向各海拔野杏覆蓋率均隨海拔上升而先遞增、后遞減。不同坡向各海拔野杏覆蓋率峰值海拔區(qū)間的高低不同(表2)。野杏覆蓋率峰值海拔梯度最高的是陰坡北與西北,達1 400～1 500 m;其次是陽坡南與西南,為1 300～1 400 m;再次是陽坡西與東南,為1 200～1 300 m;最低的是陰坡東北與東,為1 100～1 200 m。

通過計算不同坡向各海拔野杏覆蓋率變異系數(shù)可知,不同坡向各海拔區(qū)間野杏覆蓋率差異較小,陽坡各海拔野杏覆蓋率差異總體略微小于陰坡。

3.4 野杏在不同坡向各坡度的分布特征

結(jié)果發(fā)現(xiàn),使用空間分辨率90 m的SRTM DEM在研究區(qū)中提取出的土地坡度均在0°～45°,沒有>45°的坡面。這主要是因為坡面越陡峭,其水平投影面積比實地面積越小,而當水平投影面積小于SRTM DEM數(shù)據(jù)90 m×90 m的矩形采樣單元時,都會被并入最近鄰、面積更占優(yōu)的較緩坡度柵格單元中,因此提取坡度時精度會受到一定影響,誤差會隨著坡度值升高而越大,導(dǎo)致接近45°及以上坡度陡、高差大、強烈切割的地形起伏細節(jié)不能被完整精細地表現(xiàn)出來,但從全流域都沒有提取出>45°坡面來看,該區(qū)地表實際>45°的坡面較少,在開展實驗的條件下,能夠使用90 m的SRTM DEM支撐野杏分布與坡度陡緩對應(yīng)關(guān)系的研究。

不同坡向野杏分布的坡度范圍相同,均分布在(0～45)°坡度范圍中。大多數(shù)坡向上野杏覆蓋率都呈現(xiàn)出隨坡度增陡而升高的分布特征(表3)。不同坡向各坡度野杏覆蓋率峰值、谷值坡度區(qū)間基本相同。

表3 吐爾根杏花溝不同坡向各坡度新疆野杏覆蓋率及其變異系數(shù)

通過計算不同坡向各坡度野杏覆蓋率變異系數(shù)可知,不同坡向各坡度區(qū)間野杏覆蓋率存在明顯差異,陽坡各坡度野杏覆蓋率差異大于陰坡。

4 討論

4.1 野杏對不同坡向的適應(yīng)性

野杏的最大凈光合速率和光飽和點顯示其屬于能夠適應(yīng)高光強環(huán)境條件的陽生樹種,但適應(yīng)高光照強度的閾值在陽生植物的下限范圍,氣孔開張對外界環(huán)境變化高度敏感的生理適應(yīng)方式也是為了盡量減少水分流失[8,21],半干旱氣候區(qū)的新疆野杏更適應(yīng)生長于相對溫暖濕潤的環(huán)境。西天山南北兩支東西走向的高大山體形成向西開放的楔形伊犁河谷,既阻擋了南來的干熱氣流和北來的干冷氣流侵襲,又能使暖濕的西風氣流長驅(qū)直入形成豐富的西風迎風坡降水,與新疆其他區(qū)域典型的溫帶大陸性干旱氣候不同,具備良好的水熱保存條件[1,13],因此野杏對吐爾根杏花溝各坡向生境均有一定適應(yīng)性。

已有部分研究提出,日照充足、熱量豐富、空氣干燥、降水充沛、黃土堆積物較厚的南向、西向、東向的陡斜陽坡半陽坡有利于野杏生長,形成帶狀或點片狀天然林,東南方位樹冠上散落的種子密度明顯高于西北方位[22],陽坡野杏種子萌發(fā)率[23]、幼苗存活率[24]均高于陰坡。而吐爾根杏花溝陽坡野杏面積雖多于陰坡,陽坡野杏覆蓋率卻低于陰坡,直接成因之一是該區(qū)域位于西天山北支阿吾拉勒山南坡,陽坡土地面積遠多于陰坡(見圖2(a))且多為豐茂的山地草原所占據(jù)[1]。因此,若以野杏覆蓋率作為野杏對立地適應(yīng)性評價指標時,吐爾根杏花溝陰坡總體較陽坡更適宜野杏生長分布。

4.2 野杏對不同坡向各海拔的適應(yīng)性

田中平等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,其次是坡向和其他因子[17,25]。不同坡向野杏基本都分布在900～1 900 m的中山帶下部,取決于冬季半封閉山間谷地內(nèi),自谷底沿坡800～2 000 m隨海拔高度增加氣溫不降反增或相對穩(wěn)定的逆溫現(xiàn)象,保障了野杏安全越冬至關(guān)重要的熱量資源[26],而伊犁河谷降水量隨著海拔上升顯著遞增[27],也為野杏生存提供了必要的水分條件。

不同坡向野杏為適應(yīng)海拔主導(dǎo)的生態(tài)因子,覆蓋率都呈現(xiàn)出隨海拔上升先遞增、后遞減的垂直地帶性分布規(guī)律。這與新疆野杏種子總數(shù)及各狀態(tài)種子數(shù)都隨海拔上升先增加后減少[22]、1 100～1 300 m野果林木因冰雪災(zāi)害受損比例隨海拔升高而逐漸減小[28]、900～1 500 m野杏在海拔1 300 m左右花期凍害率最低[29]等植物生態(tài)特征對應(yīng)。此外,野杏在陽坡比陰坡分布的海拔范圍略廣,符合落葉闊葉林垂直地帶性分布的一般特征。不同坡向野杏覆蓋率出現(xiàn)峰值的海拔梯度主要分布在1 100～1 500 m,是最適宜野杏生長的海拔區(qū)間。

4.3 野杏對不同坡向各坡度的適應(yīng)性

不同坡向野杏在各坡度范圍中均有分布,大多數(shù)坡向上野杏覆蓋率都呈現(xiàn)出隨坡度增陡而升高的分布特征。有研究發(fā)現(xiàn),坡度對野杏萌發(fā)層土壤特征和養(yǎng)分分布有顯著影響,坡度導(dǎo)致的水土流失量與土壤養(yǎng)分流失成正比,緩坡較陡坡的土層更厚、土壤養(yǎng)分含量更豐富更適宜野杏萌發(fā)[23],但由于野杏耐瘠薄干旱土壤能力強,且更適應(yīng)具備減緩寒潮侵襲和干旱風影響的有利氣候環(huán)境中,因此其很少分布在缺乏起伏地形的淺薄前山帶和平板少切割的山體,而多趨向生長在坡度陡、高差大、強烈切割的前山丘陵、山間谷地中的山脊、凸坡和坡地上部、稍凹的臺地和河谷階地[1,21]。

不同空間分辨率和精度的DEM提取坡度存在差異,尤其在山地河谷環(huán)境下,若要更精準地研究野杏分布與坡度陡緩間的關(guān)系,應(yīng)獲取或制作更高空間分辨率和精度的DEM進一步開展深入研究。

5 結(jié)論

通過實地線路調(diào)查、遙感影像提取、地理信息系統(tǒng)空間分析能夠探明吐爾根杏花溝野杏的總體分布情況,可以為研究野杏對各類型立地的適應(yīng)特征提供可行方法和有效信息。后續(xù)可在此基礎(chǔ)上開展基于長時間序列、多物候相、多源遙感數(shù)據(jù)等方面的拓展研究,進一步豐富野杏的基礎(chǔ)資料,深入分析野杏的生態(tài)適應(yīng)機制。

伊犁河谷規(guī)模最大的原始野杏純林在其最適應(yīng)生存的吐爾根杏花溝內(nèi)面積共有約17.45 km2,覆蓋率僅占約6.54%,因此今后仍應(yīng)持續(xù)高度重視野杏及其生境的科學保護與合理利用。溝谷西南部山體坡面野杏主要分布區(qū)、野杏面積占優(yōu)的陽坡和覆蓋率占優(yōu)的陰坡、中山帶下部中段1 100～1 500 m的海拔梯度、部分較陡坡面等適應(yīng)野杏生存的區(qū)域,可因地制宜地進行封育更新、恢復(fù)重建、引種栽培等實驗與措施。