基于DEM的地形與植被分布關(guān)聯(lián)分析1)

吳 英

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

張萬(wàn)幸

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心)

張麗瓊

(南寧樹(shù)木園)

伍 靜

(廣西大學(xué))

森林植被的組成以及空間分布與配置格局是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要因素[1－2]。在景觀甚至更小的尺度上，植被類(lèi)型受非地帶性環(huán)境因子的主導(dǎo)[3]。地形通過(guò)控制光、熱、水、土壤養(yǎng)分等資源的再分配而成為影響植被分布的最重要的環(huán)境因子[4]。研究植被格局與地形格局的相關(guān)關(guān)系可以探索森林景觀異質(zhì)性、森林資源的空間格局，為森林資源的經(jīng)營(yíng)和管理提供參考[5]。DEM是數(shù)字高程模型的一種，描述區(qū)域內(nèi)地形地貌的空間分布[6－7]。利用DEM自動(dòng)提取地形因子，進(jìn)行空間分析，具有快速、科學(xué)、客觀等特點(diǎn)，可以部分取代傳統(tǒng)作業(yè)中繁雜的野外實(shí)地觀測(cè)，在數(shù)字林業(yè)建設(shè)中有良好的應(yīng)用前景[8－9]。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心(以下簡(jiǎn)稱熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心)是中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院直屬副司局級(jí)科學(xué)事業(yè)性質(zhì)的林業(yè)試驗(yàn)示范基地、科技創(chuàng)新基地和科普教育基地，承擔(dān)我國(guó)熱帶南亞熱帶林業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。科學(xué)的研究該區(qū)域的森林資源空間分布格局與海拔、坡度、坡向因子之間的關(guān)系和規(guī)律，對(duì)森林資源的合理經(jīng)營(yíng)、科學(xué)管理有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心地處廣西西南邊陲，位于北緯21°57'47″～22°19'27″，東經(jīng) 106°39'50″～106°59'30″。氣候?qū)儆谀蟻啛釒О霛駶?rùn)—濕潤(rùn)氣候，日照充足，雨量充沛，干濕季節(jié)明顯，光、水、熱資源豐富。地貌類(lèi)型有丘陵、臺(tái)地、低山、中山和巖溶地貌，最高海拔1045.9 m(北大青山)，最低海拔 130.0 m(平而河)，地勢(shì)以西北端最高，東南端最低，中部參差起伏，形成山地、丘陵相間而又漸向東傾斜的地貌類(lèi)型。主要成土母巖為泥巖夾砂巖、礫狀灰?guī)r、花崗巖和石灰?guī)r，土壤類(lèi)型則以磚紅性紅壤、紅壤為主，其次為紫色土，再次是黃壤及少量石灰土。

熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心植被屬于南亞熱帶季雨林，原生植被有季雨林和常綠闊葉林。人工植被主要有馬尾松林、杉木林、常綠闊葉林。主要喬木樹(shù)種有馬尾松、杉木、濕地松、米老排、西南樺、紅椎、石梓等;灌木樹(shù)種主要有鹽膚木、余甘子、桃金娘、野牡丹、牛奶果等;草本主要有黃茅草、青茅草、野古草、纖毛鴨嘴草、五節(jié)芒、曼生莠竹等。

2 研究方法

收集熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心所在范圍內(nèi)的1∶10000地形圖及2009年森林資源二類(lèi)調(diào)查小班數(shù)據(jù)等相關(guān)專(zhuān)題圖材料。在地理信息系統(tǒng)軟件Arc-GIS 9.2支持下對(duì)1∶10000地形圖進(jìn)行等高線矢量化和高程賦值，生成等高線矢量圖，通過(guò)Arcmap的3D分析模塊建立熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心數(shù)字高程模型(DEM)，并提取海拔、坡度、坡向等相關(guān)信息。利用數(shù)據(jù)管理軟件Visual FoxPro將二類(lèi)調(diào)查小班數(shù)據(jù)按照實(shí)際經(jīng)營(yíng)管理需求提取桉樹(shù)、灌木林(含灌木經(jīng)濟(jì)林)、馬尾松、杉木、濕地松、闊葉林，共6種植被類(lèi)型。通過(guò)Arcmap強(qiáng)大的空間分析功能，疊加分析海拔、坡度、坡向與不同植被類(lèi)型在空間上相關(guān)關(guān)系和一般規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 各植被類(lèi)型在海拔上的分布特征

海拔每升高100 m，年平均氣溫約下降0.56℃，雨量和相對(duì)濕度在一定的高度上則隨海拔升高而增加。同時(shí)，輻射強(qiáng)度和光譜中波長(zhǎng)成分亦隨高度而有所變化，空氣流動(dòng)也發(fā)生了顯著的渦動(dòng)現(xiàn)象，土壤的性質(zhì)也呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性變異，這些都程度不同地影響著植被的類(lèi)型組成和空間分布。研究區(qū)海拔高程為130～1050 m，將研究區(qū)劃分為130～250、250～500、500～800、800～1050 m 4個(gè)高程區(qū)，并與植被類(lèi)型圖進(jìn)行疊加分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同植被類(lèi)型在不同高程區(qū)的分布情況如表1所示。由表1可知，熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心81.27%的森林資源主要分布在500 m以下的海拔范圍內(nèi)，隨著海拔的升高，森林面積分布逐漸減少，在500～800、800～1050 m海拔范圍森林面積僅為17.40%和1.33%。桉樹(shù)和灌木主要分布在130～250 m海拔范圍，所占比例分別為97.78%和88.18%，隨著海拔的增加，面積明顯減少，在800m以上的海拔范圍僅分布著0.02%的桉樹(shù)和0.93%的灌木。濕地松集中分布在海拔500 m以下，在海拔500 m以上地區(qū)沒(méi)有分布。馬尾松、闊葉林在海拔250～500 m范圍分布較多，其中馬尾松分布在該高程區(qū)的比例為61.19%，闊葉林為45.56%。杉木主要分布在250～800 m海拔范圍，占71.97%。隨著海拔升高，各植被類(lèi)型面積減少，在海拔800 m以上，馬尾松和杉木林的面積與闊葉樹(shù)相當(dāng)。桉樹(shù)主伐年齡為4～5 a，經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度大，灌木林的經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度也大，選擇低海拔林地進(jìn)行營(yíng)造桉樹(shù)和灌木林便于經(jīng)營(yíng)管理。杉木屬于陽(yáng)性樹(shù)，喜溫暖濕潤(rùn)氣候，因此在250～800 m海拔范圍內(nèi)更適合其生長(zhǎng)。馬尾松的適應(yīng)性較強(qiáng)，適合在不同海拔上生長(zhǎng)。闊葉樹(shù)的樹(shù)種種類(lèi)較多，在不同海拔上分布著不同的樹(shù)種。

表1 不同植被類(lèi)型在不同海拔上的面積

3.2 各植被類(lèi)型在坡度上的分布特征

坡度不同將直接影響物質(zhì)交流與能量轉(zhuǎn)換的方式與程度，以及坡面接受太陽(yáng)輻射的量值，從而間接地影響該坡面的指標(biāo)類(lèi)型與分布態(tài)勢(shì)。從DEM數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)坡度柵格圖，并按照坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為平坡(0 ～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、險(xiǎn)坡( ＞46°)共6級(jí)。將坡度圖與植被類(lèi)型圖進(jìn)行疊加分析。不同植被類(lèi)型在不同坡度上的分布情況如表2所示。由表2可知，熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心森林資源集中分布在小于35°坡度范圍內(nèi)，比例達(dá)86.77%，其中以斜坡和陡坡面積最多，分別為31.71%、39.70%。桉樹(shù)與濕地松在坡度級(jí)上的分布極相似，均在斜坡上分布最廣，分別為46.57%、40.89%。杉木、馬尾松、闊葉樹(shù)主要分布在陡坡上，分別為46.09%、40.51%和42.42%。從面積上看，馬尾松在各坡向上的面積均超過(guò)杉木和闊葉樹(shù)。

3.3 各植被類(lèi)型在坡向上的分布特征

坡面的朝向，決定了該坡面接受太陽(yáng)輻射以及地面水分的量值與變化程度，因而在很大程度上影響植被的類(lèi)型與分布，特別在陰陽(yáng)坡之間出現(xiàn)最為明顯的差異。從DEM數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)坡向柵格圖，按照坡向分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為陽(yáng)坡(S、SW)、陰坡(N、NW)、半陽(yáng)坡(SE、E)、半陰坡(W、NE)，無(wú)坡向 5 個(gè)坡向級(jí)共5類(lèi)，并與研究區(qū)植被類(lèi)型圖進(jìn)行疊加分析。不同植被類(lèi)型隨坡向變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。由表3可知，熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心的森林資源在各坡向上的分布除平坦地區(qū)外相差不明顯，灌木是唯一在平坦地帶分布超過(guò)20%的植被類(lèi)型，在平坦地區(qū)種植灌木經(jīng)濟(jì)林便于經(jīng)營(yíng)管理。桉樹(shù)、馬尾松在半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布要多，分別為 48.77%、50.21% 和 35.31%、39.89%。杉木在半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布略少，分別為44.39%和50.33%。杉木在平坦地區(qū)分布最少，杉木雖然適宜生長(zhǎng)在山洼、谷地的陰坡地區(qū)，但在較低的海拔和坡度上，杉木對(duì)坡向的敏感度較弱。闊葉樹(shù)在各坡向上的分布除平坦地區(qū)外相差不明顯。

表2 不同植被類(lèi)型在坡度級(jí)上的面積

表3 不同植被類(lèi)型在各坡向上的面積

4 結(jié)束語(yǔ)

在ArcGIS9.2軟件的支持下，建立熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心數(shù)字高程模型，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，并與2009年熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到以下結(jié)論:①熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心81.27%的森林資源主要分布在500 m海拔范圍以下，隨著海拔升高，森林資源分布逐漸減少。桉樹(shù)、灌木集中分布在130～250 m海拔梯度內(nèi)，濕地松則主要分布在海拔500 m以下，馬尾松、杉木、闊葉樹(shù)在海拔上的分布規(guī)律相似，在250～500 m海拔范圍內(nèi)分布最多。②熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心森林資源集中分布在小于35°坡度范圍內(nèi)，占86.77%。桉樹(shù)、濕地松在斜坡上分布最多，分別為46.57%、40.89%，杉木、馬尾松、闊葉樹(shù)在陡坡上的比例均超過(guò)40%。③桉樹(shù)、馬尾松在半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布要多;杉木在半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布略少;闊葉樹(shù)在各坡向上的分布除平坦地區(qū)外相差不明顯。④桉樹(shù)、灌木經(jīng)濟(jì)林由于經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度大，應(yīng)選擇海拔低，坡度緩的林地造林;杉木喜溫暖濕潤(rùn)氣候，半陰坡陰坡更適合其生長(zhǎng);馬尾松適應(yīng)性強(qiáng)，研究區(qū)大部份林地均適合造林;闊葉樹(shù)的樹(shù)種種類(lèi)較多，可根據(jù)不同樹(shù)種選擇不同的地形條件造林。

本研究?jī)H選取熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心的3個(gè)地形因子(包括海拔、坡度、坡向)與主要植被類(lèi)型之間做單一的相關(guān)性分析，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，林木的生長(zhǎng)受光照、土地肥力、水分條件、土層厚度和經(jīng)營(yíng)措施等諸多因子的共同影響，因此，在下一步研究中，應(yīng)選取更多的環(huán)境因子結(jié)合地形因子綜合的分析植被類(lèi)型的空間分布規(guī)律，從而為森林資源的合理經(jīng)營(yíng)和科學(xué)管理提供服務(wù)。

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