基于GIS的高原植被空間格局與地形因子相關關系研究

甕耐義, 劉 康, 王紀偉

(西北大學 城市與環境學系， 陜西 西安 710069)

植物群落與環境的相互關系是極其密切的，一方面環境影響著群落，另一方面群落也影響著環境，兩者是不可分割的辯證的統一體[1]。群落的組成、結構、功能、形成、動態和分布等受環境制約，群落存在也影響和決定著環境的許多特征，并對群落的內部環境起創造作用[2]。在各種環境影響因子當中，地形因子如高程、坡度、坡向等不但是描述地貌形態的基本參數,也是決定植被空間分布的主要因素[3]。因此，長期以來通過地形因子差異來研究植被的空間分布規律,了解各種因素對植被的影響成為自然地理、生態學等領域的重點研究方向之一。

三江源地區位于黃河上游青海省境內，是世界上特有的高寒生態系統，生態系統類型多樣[4]，具有涵養水源、保持土壤、調節氣候等多種生態系統服務功能，是中國和東南亞重要的生態屏障。茨哈峽位于三江源東部的黃河上游地區，是三江源自然保護區18個片區中中鐵—軍功自然保護分區的核心區。

景觀指數是反映植被狀況的一個重要參數，是描述植被數量、質量、植被長勢和生物量等指標的指示參數[5]，可以對地表植被活動進行簡單、有效和經驗的度量，在一定程度上反映植被信息[6]。本研究以數字高程模型(digital elevation model,DEM)和植被分布圖為基礎數據,利用地理信息系統(geographical information system,GIS)空間分析方法,著重分析茨哈峽地區的植被空間分布與地形因子的關系,并試圖通過多樣性指數、均勻度、斑塊數量等植被指數揭示植被垂直分布和多樣性的地形背景。

1 研究區概況

茨哈峽地區地處青藏高原東南部，該區地理坐標為東經100°5′50″—101°30′55″，北緯34°44′52″—35°18′50″，總面積約為0.08 km2，處于黃河上游高山峽谷區，高程2 700～4 400 m，岸坡高陡，坡度一般0°～60°，地形復雜。本流域因受高空西風氣流的控制，且遠離海洋，屬典型的大陸性氣候。年平均氣溫0.5 ℃，年平均降水量425.2 mm。植被類型以山地針葉林、針闊混交林及高寒草原為主，植被類型復雜多樣。土壤受環境、地形、地貌等自然因素的影響，土層薄，質地粗，主要土壤類型有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、灰褐土、栗鈣土、沼澤土、泥炭土、風沙土以及山地森林土。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源

本研究采用的資料數據主要有：2011年6月15 m分辨率的ETM影像；1∶5萬DEM數據；現場收集的數據；《青海三江源國家級自然保護區范圍和功能區調整科學考察報告》以及野外調查得到的相關資料。

2.2 研究方法

將ETM影像進行輻射糾正與幾何糾正后，進行圖像整飾、鑲嵌。利用ENVI 4.8，結合實地考察的采樣點，先進行樣本訓練，選取能代表該類植被的感興趣區(ROI)，樣本檢測區分度達到1.9以上，然后采用馬氏距離法執行監督分類。將分類結果疊加至ETM影像比對，對分類結果進行手工校正，并通過混淆矩陣計算總體分類精度為0.89。解譯得到三江源自然保護區和功能區植被類型圖。利用ArcGIS 10.0將解譯結果轉化成矢量格式，然后切割出茨哈峽影響范圍內植被類型。利用DEM提取出海拔、坡度、坡向。

參照《中華人民共和國植被圖》將研究區植被分為6類：亞高山暗針葉林、山地圓柏林、針闊混交林、高山落葉闊葉林、高寒灌叢、高寒草原，其他(水域等)。根據6種植被類型在西藏地區的生長林線并結合2012年6月在茨哈峽影響區58個調查樣地中各植被類型的分布范圍及密度情況，將研究區海拔由低到高劃分為6級：2 700～2 995，2 995～3 290，3 290～3 585，3 585～3 880，3 880～4 175和4 175～4 470 m，共計6個高程帶。參照水土保持工作中普遍采用的臨界坡度分級標準，結合研究區植被分布特點進行分級，將研究區坡度分為5個等級：<15°，15°～25°，25°～45°，45°～60°，>60°。茨哈峽植被類型如附圖1所示。

以135°～225°為陽坡，以0°～45°,315°～360°為陰坡，以45°～135°，225°～315°為半陰、半陽坡，將其劃分為陰坡、陽坡和半陰半陽坡3個坡向帶。利用ArcTools中的的Intersect工具將植被圖分別與海拔、坡度、坡向圖進行疊加，然后, 在景觀軟件Fragstats 3.3中計算各種植被指數，包括各區每類植被的斑塊總面積、多樣性指數、均勻度、斑塊數量、斑塊密度、類斑塊平均面積、平均伸長指數、形狀指數、平均分維數等。研究各指數隨各因子變化的規律，對各類指數進行橫向比較。

研究所應用景觀指數的計算方法如下：

(1)斑塊數量(NP)。景觀中所有斑塊總和。NP反映景觀的空間格局，用來描述整個景觀的異質性，其值的大小與景觀的破碎度也有很好的正相關性，一般規律是NP大，破碎度高；NP小，破碎度低。

(2)斑塊形狀指數(MSI)。用來測定斑塊的規則程度。斑塊形狀指數越接近于1，形狀越接近于圓，斑塊的復雜程度越低；反之，越高。計算公式為：

MSI=P/〔12×(3.141 592 7×A)1/2)〕

(1)

式中：P——斑塊周長(km)；A——斑塊面積(km2)。下同。

(3)斑塊伸長指數(MFG)。測定斑塊的伸長狀況，反映斑塊形狀復雜程度。計算公式為：

MFG=P/A1/2

(2)

(4)景觀分維數(D)。景觀分維數分析是建立在分形理論的基礎上，用來測定斑塊的復雜程度[7]。公式為：

D=2×lnP/lnA

(3)

(5)多樣性指數(H)。景觀多樣性主要指景觀單元或生態系統在結構、功能以及隨時間變化方面的多樣性，反映了景觀的復雜性[7]。多樣性指數大小反映景觀要素的多少和各景觀要素所占比例的變化[8-9]。計算公式為：

(4)

式中：Pi——景觀類型i面積所占該區域面積的比例。

(6)均勻度指數(E)。均勻度是描述景觀里不同景觀類型的均勻程度[8-9]。反映景觀類型豐富度、復雜度。均勻度指數越高，景觀類型豐富度、復雜度越低；反之，越高。公式如下：

E=H/lnM

(5)

式中：M——景觀類型數目(個)；H——多樣性指數。

3 結果與分析

在區域至全球尺度上，地帶性氣候條件是決定植物種、生活型或植被類型分布的主導因素，而在景觀及更小的尺度上，非地帶性的環境因子主導著植被的格局[10]。

地形是各種生態現象和過程發生變化的根本性因素[1]。植被類型分布在很大程度上受地形條件的制約。植被的空間分布格局受光、熱、水等自然因素的影響，海拔、坡度、坡向不同，導致光、熱、水、土等自然因素的差異，植被類型也因此不同。

3.1 植被空間格局與海拔相關分析

溫度隨海拔的升高而降低，一般是上升100 m，平均溫度降低0.5～0.6 °C。通常海拔的變化會引起氣溫和降水的變化，形成局地小氣候，從而共同對生物群落產生影響。

通過對茨哈峽地區各植被類型在不同海拔分布面積統計可以得出，高寒草原在該區各海拔分帶分布面積都很廣，針闊混交林分布面積最小，高寒灌叢分布面積在不同海拔分帶變化很大。

在海拔2 700～2 995 m，高寒草原和亞高山暗針葉林分布面積較大，約為66%和18%，面積最小的為針闊混交林，為4%；2 995～3 290 m高寒草原分布面積達到最大值，達到72%，芨芨草〔Achnatherum(Trin.)Nevski.〕、紫花針茅(S.purpureaGriseb.)、青藏草(CarexmoorcroftiiFalc.)、印度早熟禾(PoaindattenuataKeng ex L.Liu.)等分布廣泛，是高寒草原的典型代表。高山落葉闊葉林在2 995～3 290 m分布相比其他分帶面積最大，約為研究區高山落葉闊葉林總面積的41%，代表植物為糙皮樺(BetulautilisD. Don)，長江流域的東中林區向北到黃河源區多少都有分布，是垂直分布最高的天然闊葉林；海拔3 290～3 880 m，亞高山暗針葉林分布面積與其他海拔分帶所占面積相比最廣，約為54%。針闊混交林在3 585～3 880 m分布面積較小，約占0.5%，僅為研究區針闊混交林總面積的9%，其典型植物為云杉(PiceaaspoerataMast.)；海拔3 880～4 175 m，高寒灌叢分布面積為40%，達到整個研究區內高寒灌叢最大面積。山地圓柏林分布面積達到最大，為地區總面積的34%；海拔4 175～4 470 m，各植被類型面積呈減少趨勢，亞高山暗針葉林、山地圓柏林分布面積僅為3%和4%。

通過對不同高程帶的斑塊形狀指數、斑塊伸長指數、斑塊分維數、斑塊面積、斑塊密度、景觀多樣性指數和均勻度進行計算，結果如表1所示。

表1 茨哈峽地區不同高程帶植被指數

由表1可以看出，斑塊形狀指數、斑塊伸長指數、斑塊分維數基本上都是呈遞減趨勢變化的，說明隨著海拔高度的增加，斑塊形狀指數越接近于1，形狀越接近于圓，斑塊的復雜程度隨著海拔的升高而降低；斑塊密度整體變化趨勢不大，但從2 995 m以后稍微有些降低，表明隨著海拔的升高，斑塊數目減少，破碎度減小。多樣性指數與均勻度是反映景觀異質性的指標，通過多樣性指數可以發現，在3 585 m之上，海拔越高植被類型越少，海拔的不斷升高會降低植被類型的豐富度和復雜度。均勻度在2 995～3 880 m呈增大的趨勢，說明在這個海拔范圍植被類型豐富度和復雜度越來越低，均勻程度越來越高。由表1中各植被指數的變化趨勢可以看出，海拔高度變化影響植被類型復雜度和豐富度變化，通常情況下，海拔越高，植被類型越少，均勻度越高。

3.2 植被空間格局與坡度的相關分析

通過對不同坡度分帶上各植被類型面積進行統計分析，可以得出，高寒草原在各坡度分區中面積變化幅度最大，25°以下面積呈上升趨勢，15°～25°達到最大，約為總面積的43%，25°以后逐漸下降，60°下降到最低；高寒灌叢的分布趨勢與高寒草原大體一致，15°～25°達到最大約為總面積的49%；山地圓柏林在0°～45°分布面積逐漸增大，15°～45°面積達到最大占總面積的88%，45°以后逐漸減少，>60°少有分布；亞高山暗針葉林在45°以下分布面積隨坡度增大而增加，45°面積達到最大約為63%，此后開始下降，>60°地區沒有分布；高山落葉闊葉林在0°～25°地區呈上升趨勢，15°～25°地區面積達到最大(約為80%)；針闊混交林面積最小，0°～45°地區面積沒有明顯的變化趨勢，45°地區以上沒有分布。

通過對各植被類型在不同坡度范圍的分布對比，可以看出，坡度<15°地區，高寒草原的分布面積最廣，針闊混交林面積最小，只占這個范圍的7‰；坡度15°～25°地區，高寒草原分布面積最廣，其次為高寒灌叢，分布面積最小的仍然是針闊混交林，為10‰；坡度25°～45°地區，高寒草原分布面積最廣，其次是亞高山暗針葉林，分布面積最小的為針闊混交林，占這一坡度帶總面積的8.5‰；坡度45°～60°地區，亞高山暗針葉林分布面積最廣，約為37%，其次為山地圓柏林，沒有針闊混交林分布；坡度>60°地區，只有少量的高寒草原植被分布。對不同坡度帶內植被指數進行計算，結果如表2所示。

表2 不同坡度帶內植被指數值

由表2可以看出，均勻度和多樣性指數在坡度15°～60°數值較大，在<15°和>60°數值較小，表明在15°～60°景觀豐富度和復雜度比較低,斑塊比較均勻；斑塊面積及平均邊界長度在0°～45°地區隨坡度增加呈上升趨勢，說明0°～45°地區斑塊的復雜程度隨著坡度增加而降低。斑塊數量通常用來反映整個景觀的異質性，其值的大小與景觀破碎度有很好的正相關性，一般情況下斑塊數量多，景觀破碎度高，反之，破碎度低。表中斑塊數量基本隨坡度增加呈下降趨勢，表明隨著坡度增大，景觀破碎度降低。

綜上所述，在25°～60°地區，隨著坡度上升，斑塊數量越少，均勻程度越高，復雜度越低；在0°～25°地區，隨著坡度升高，斑塊數量增加，即在這個坡度范圍內，景觀破碎度、復雜度較高，植被類型較復雜；在>60°地區，各指數值下降，表明在這個坡度范圍內植被稀疏、類型較少，不是適宜植被生長的最優區間。

3.3 植被空間格局與坡向的相關分析

坡向對日照時數和太陽輻射強度有很大影響。就輻射收入而言，南坡最多，其次為東南坡和西南坡，最少的是北坡。因此，陽坡和陰坡之間溫度差異往往很大，同一高度的極端溫差可達3～4 ℃。此外，坡向對降水也會產生明顯影響，尤其是在高海拔地區。坡向不同，能夠引起植物和環境生態關系發生變化，因植被類型也不同。

根據坡向數據統計，得出研究區亞高山暗針葉林主要分布在陰坡，約為總面積的48%，主要原因是這種植被類型比較耐寒、喜陰濕，因此多分布于山地陰坡和半陰坡及潮濕谷地；山地圓柏林在各坡向分布面積相當，陽坡上分布面積略高，說明坡向對山地圓柏林的影響不大；針闊混交林、高山落葉闊葉林在陽坡上分布面積較小，其他坡向面積相當；高寒灌叢和高寒草原在陽坡上分布面積相對較少，如金露梅(rotentillaLinn.)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等灌叢對生長環境適應性較強，耐寒、耐旱，在水分條件好的地區生長會更繁茂；高寒草原有很強的耐陰性和耐旱性，但不耐水濕，因此多生長在陽坡，但是在茨哈峽陽坡分布面積較少，其他坡向分布面積相差不大。

對3類坡向的斑塊面積、多樣性指數、均勻度和斑塊密度進行分析計算，結果如表3所示。

表3 陰、陽坡不同指數值

通過對比可以看出，陰坡的斑塊面積較陽坡大，多樣性指數相差不大，說明兩種坡向植被類型基本相同；陽坡、陰坡均勻度相似，對比斑塊密度，陽坡值與陰坡值有較大差別，說明陰坡斑塊較破碎, 陽坡較完整, 與斑塊面積成反比。由于陽坡、陰坡的氣溫、光照、降水等條件不同，導致了植被在陰坡和陽坡的分布情況表現出較大的差異, 不但是在植被種類上存在著差異, 更表現在植被本身的性質上[3]。

3.4 各植被類型最優生長地形區間統計

通過以上分析可以得出，亞高山暗針葉林和山地圓柏林最優生長坡度在25°～45°地區，針闊混交林和高山落葉闊葉林最優生長坡度在15°～25°地區，高寒灌叢和高寒草原主要分布在<45°地區。亞高山暗針葉林的最優生長地形區間為海拔3 290～3 880 m的陰坡，面積約為54%；山地圓柏林在海拔3 880～4 470 m地區各坡向分布較均勻；針闊混交林最優生長地形區間為海拔2 700～3 290 m的陰坡，面積約為90%；高山落葉闊葉林的最優生長在海拔2 995～3 290 m的(半)陰坡，面積約為40%；高寒灌叢最優生長在海拔3 585～4 470 m，各坡向分布較均勻，陰坡分布面積略高，約為39%，高寒草原的最優生長地形在海拔2 955～4 175 m，分布比較廣泛。各植被類型的最優生長地形區間分布如表4所示。

表4 各植被類型最優生長區間

4 結 論

植被類型與海拔的關系。海拔高度變化影響植被類型復雜度和豐富度變化，通常情況下，海拔越高，植被類型越少，均勻度越高。

植被類型與坡度的關系。在0°～25°地區，隨著坡度升高，斑塊數量增加，景觀破碎度、復雜度較高，植被類型較復雜多樣；在25°～60°地區，隨著坡度上升，斑塊數量越少，均勻程度越高，復雜度越低，植被類型相對減少；在>60°地區，各指數值下降，在這個坡度范圍內植被稀疏，類型較少。

植被類型與坡向的關系。陰坡、陽坡的植被類型基本相同，陰坡斑塊較破碎，陽坡較完整，由于陽坡、陰坡的氣溫、光照、降水等條件不同，導致植被在陰坡和陽坡的分布情況表現出較大的差異。

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