北京山區植物優勢種群分布及與環境因子的關系

高陽+趙文吉+高明亮+胡冬+隗有龍

摘要：以北京山區為研究區域，采用遙感影像數據和DEM數據結合實地數據采集驗證，利用GIS技術作出量化統計分析，研究北京周邊山區植物優勢種群分布狀況，并在此的基礎上，進一步探究北京山區植物優勢種群分布規律，分析植物優勢種群分布與海拔、坡度坡向、降水量、土壤巖性和溫度的關系。結果表明，北京市山區主要優勢種群為喬灌草植物組成的46個種群;隨著地形地貌的改變，海拔升高，氣溫逐步下降，太陽輻射不斷增強，平榛、毛榛等因生物特性耐寒成為該區域的優勢物種，占據主導地位;陽坡與陰坡，光照時長和光照強度不同，陽坡優勢種群為喜光耐旱的植物，陰坡優勢種群為耐陰喜水植物;在一定程度上，降雨量的高低決定了一些對水分依賴性大的植物的生長，而且，在水分充足時，同種類的植物生長狀況愈加良好，植被的覆蓋度增加，葉面積指數更大，枝葉較為茂密;在土壤厚度大、有機質含量高、pH偏小的地區，植物優勢物種為較高大的喬木，隨著土壤厚度和有機質含量的降低，pH增大，植物優勢物種逐步演變為灌木類植物和草本類植物。

關鍵詞：植物優勢種群;遙感影像;GIS;地形環境因子

中圖分類號：Q948.1 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）21-5099-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.012

Relationship between the Distribution of Dominant Plants Population in

Mountain Area of Beijing and Environmental Factors

GAO Yang1，ZHAO Wen-ji1，GAO Ming-liang1，HU Dong2，KUI You-long3

（1. Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application of Ministry of Education/Key Laboratory of Resources Environment and GIS of Beijing Municipal/College of Resource Environment and Tourism， Capital Normal University， Beijing 100048， China;

2. School of Life Sciences， Capital Normal University， Beijing 100048，China;

3. Mentougou District of Beijing Gardens Green Bureau of Forestry Workstations， Beijing 102308，China）

Abstract： The distribution of plant dominant population in the mountains outside Beijing was studied by collecting and validating remote sensing image and DEM data combined with field data. A quantitative statistical analysis was made by GIS technology. Based on this， the distribution law of plant dominant population in the mountains outside Beijing was studied and the relationships between distribution of plant dominant population and the altitude， gradient and aspect of slope， rainfall capacity， soil lithology， temperature was analyzed. The results showed that the dominant population were 49 groups of arbor，shrub and herbage. With the change of the terrain environment， and the increases of altitude， the temperature decreased gradually. The radiant became stronger. Corylus heterophylla Fisch and Corylus mandshurica became the dominant species. The sunshine duration and intensity was different between the sunny slope and cludy slope. The dominant plant in sunny slope enjoyed sunshine was drought-tolerant while the dominant plant in cloudy slope enjoyed water was shade-tolerant. To some extent， the rainfall amount decided the growth of the water-dependent plant. When water was enough， the same plant grew better， the plant coverage increased and leaf area index was bigger and the leaves were more flourishing. In a area with thick soil， high content of organics， and low pH， the dominant specie was tall trees. With the decrease of the soil thickness and organic content， the pH increased and the dominant species gradually turned into shrub and grass.

Key words： plant dominant population; remote sensing image; GIS; terrain environmental factors

地球表面不同的環境因子導致了地表植物和植被分布的多樣性;同時，植物的形成和發育又作用于環境要素，植被及其組成與環境在長期自然歷史發展中相互綜合作用，協同進化，形成了植被及其組成成分的生物、生態學特性，這是植被與環境綜合關系的反映[1]。自1952年Greig-Smith首次使用方差分析方法研究植物種的格局規模以來，格局分析受到許多生態學家的重視，現已成為研究植物種類空間關系、種類與環境關系的重要手段[2]。從植被分布與地學因子的時空關系中獲取用來輔助遙感影像分類的地學知識[3]，利用現有遙感圖像處理和GIS系統軟件，從環境因子研究角度出發，分析植被分布與各項環境因子之間的關系，并應用于植被群落空間分析，用以揭示植物群落與環境因子間的生態關系。本研究采用此方法分析北京山區植被優勢種群的分布規律以及該地區的環境主控因子，進而全面了解北京地區植物群落與生態環境的相互關系和作用規律，將對北京地區植被資源利用和保護更加有效地開展有著重要的指導意義[4]。

1 ?研究區域與研究方法

1.1 ?研究區域概況

北京地區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，在世界范圍內具有典型性，且其植被復雜多樣，在全球變暖背景下，植被與環境、氣候的相互關系頗具代表性[5]。北京市位于北緯39°26′-41°03′，東經115°25′-117°30′。北京山區是華北平原與太行山山脈、燕山山脈的交接部位。東南部為平原，西部為山地，是太行山脈的東北余脈;北部和東北部山地為燕山山脈的西段支脈，總面積16 410.54 km2（圖1）。北京的氣候為典型的半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。季節分配很不均勻，全年降水的80%集中在6、7、8三個月，為華北地區降雨最多的地區之一。

1.2 ?研究方法

北京山區植物優勢種群分布較為復雜，涉及地形環境因素較多，很難從單一方法得到準確結論，因此，采用遙感方法、GIS技術結合野外實地驗證研究，構造群落分布的北京山區優勢種群分布圖，并在此基礎上分析其分布規律與環境因子的關系，分別驗證植被優勢種群與海拔、坡度坡向、降雨量、土壤的關系。

1.2.1 ?遙感方法 ?采用QuickBird遙感影像進行實驗研究，QuickBird衛星是目前世界上最先提供亞米級分辨率的商業衛星，衛星影像分辨率為0.61 m，單景影像比同時期其他的商業高分辨率衛星高出2～10倍。

對高清遙感影像的研究，能夠對北京山區的植被類型及其分布有了初步的認識，為下一步實地考察提供了依據，接下來進行圖像解譯和數據分析，遇到問題時，更加有針對性的實施野外驗證、數據采集，最終得出更加準確的北京山區植物優勢種群分布圖。

1.2.2 ?GIS技術應用 ?為了研究北京山區植物優勢種群分布狀況，采用北京DEM高程數據，分別根據海拔提取北京山區地形圖，地形起伏提取北京山區坡度圖，地形走勢提取北京山區坡向圖，實地采集相關數據并進行歸納統計分析，解析北京山區地形環境因子對植被分布的影響，為探究北京山區植物優勢種群分布規律與地形環境因子的關系打下基礎。

1.2.3 ?野外實地調研 ?所選樣地、樣點基本覆蓋了北京山區全部地域，為了能夠保證研究成果的準確性。樣地均選取面積為30 m×30 m的區域，在樣區內進行多個1 m×1 m的樣方采樣，主要采集植被類型、優勢種群、生物量、郁閉度、葉面積指數等生態植被數據，采集時間為2012年和2013年6～8月間，基本反映了北京山區的生態植被優勢種群分布狀況。

1.3 ?數據源與數據處理

北京山區集中在北京市的西部和北部，海拔60 m以上，因此，采用北京市DEM數據和QuickBird遙感影像作為數據源，按照植物光譜特征分類，初步歸納的植物分布圖，結合其他數據最終得到較為精準的北京山區植物優勢種群分布圖，以海拔60 m為標準提取北京山區的邊界，并在此基礎上設定坡度坡向的提取條件，得到北京山區坡度圖和坡向圖如圖2和圖3所示。

2 ?結果與分析

2.1 ?北京山區植物優勢種群

經圖像分析和實地數據采集、調查研究，確定北京山區優勢種群為蒙古櫟、山杏、酸棗、油松、側柏、加拿大楊、遼東櫟、山楊、槲樹、椴樹、樺樹、桑樹、鵝耳櫪、栓皮櫟、欒樹、雜木、荊條、核桃、洋槐、三裂繡線菊、白蠟、黃櫨、暴馬丁香、榆樹、螞蚱腿子、小葉鼠李、胡枝子、野皂莢、平榛、毛榛、白羊草、中華隱子草（表1）。其分布狀況體現出了植物的生長特性，如耐寒、耐旱、喜光和水分依賴性等，具體分布圖如圖4。

2.2 ?植被優勢種群分布與海拔的關系

北京地區的地形地貌，山區占了很大的面積，地形在一定程度上控制了太陽輻射和降水的空間再分配，指示了局部生態環境的小氣候條件，因此，地形是形成山地結構和功能、導致山地各種生態現象和過程發生變化的根本性因素[6]。

由圖5可知，在海拔1 500 m以上地區，毛榛、平榛、蒙古櫟、樺樹、椴樹為優勢物種，他們抗寒、適應性強。在無雪覆蓋的冬季可耐-30 ℃的低溫。對土壤適應性較強，在微堿性到微酸性（pH 5.4～8.0）的土壤上均可正常生長結實;在海拔1 200～1500 m區間，蒙古櫟、遼東櫟、槲樹、鵝耳櫪、欒樹、黃櫨為優勢物種，它們對氣候、土壤適應性強，較為耐寒、耐旱，也可在溫暖濕潤的環境生長;在海拔800～1 200 m區域，氣候較為適中，植物生長種類豐富，優勢種群多為灌木和草本類植物，有山杏、酸棗、油松、側柏、栓皮櫟、荊條、三裂繡線菊、暴馬丁香、螞蚱腿子、小葉鼠李、胡枝子、野皂莢、白羊草、中華隱子草等;海拔800 m以下，人為因素干擾過強，植物優勢物種為荊條、酸棗、山杏、加拿大楊、白蠟等。

2.3 ?植被優勢種群分布與坡度坡向的關系

2.3.1 ?坡度因素 ?坡面接受的輻射（S）包括太陽的直接輻射（Direct beam， Sb′）、散射輻射（Diffuse radiation， Sd′）以及從周圍表面反射過來的輻射（Radiation， Sr）等3種來源。這3種輻射可以分別由下式計算得出：

S=Sb′+Sd′+Sr ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Sb′=Sb[cos s·cos Z+ sin s·sin Z·cos（A-As）]（2）

Sd′=0.5Sd（1+cos s） ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

Sr=0.5α（Sb+Sd）（1-cos s） ? ? ?（4）

式中，Sb為到達地面的太陽輻射;s為坡度;Z為太陽高度角;A為太陽方位角;As為坡度的方位角;Sd為天空各向同性輻射（Isotropic sky radiation）;α為下墊面的反射率[7]。利用上述關系，可以計算出某一坡面某一時刻所接受的太陽輻射。從這些公式也可以看出，坡面的受熱狀況也與坡度關系密切[6]，因此，植被優勢種群分布在某些程度上亦取決于坡度的因素。

2.3.2 ?坡向因素 ?北京地區處于北半球，一般來說，坡向向南的是陽坡，坡向向北的是陰坡，陽坡光照時數長、強度大，陰坡光照時數短、強度小，由于長期適應與進化的結果，不同的植被類型適應于一定的坡向分布[8]。圖6為北京山區局部地貌圖像，分析采集得來的數據，研究發現，黃色點（位于陽坡）植物優勢種群為蒙古櫟、荊條、酸棗、側柏、遼東櫟等，藍色點（位于陰坡）植物優勢種群為椴樹、暴馬丁香、螞蚱腿子、毛榛等。

2.3.3 ?植被優勢種群分布與降水量的關系 ?充足的水分是植物生長的一個重要條件，水分缺乏其生長就會受到影響。水分是植物細胞擴張生長的動力，如果水分不足，就會導致擴張生長受阻、植株生長矮小。葉面積指數（LAI）表示葉面積與所在土地面積的比例，一定程度上反映了植物光合和蒸騰作用的強弱。通常LAI較大的同種作物蒸騰的水量多，即為植物葉面較大，生長較為茂密。

北京山區植物所需水分大多數來自于降雨，因此，降雨量的高低就決定了植物生長所需水分獲取的多少。關于植被分布與年降水量的關系，我國許多學者已做了大量的研究工作[6，9-11]，得到了不同植被類型與年降水量的關系指標（圖7）。根據這些指標，可以大致得到北京地區山地植被的分布規律[12]。

由于北京山地面積約占全市面積的62%，在一定程度上影響了降雨量的分布，其降雨等值線大體與山脈走向一致，多雨中心沿燕山、西山由弧形山脈向西北、東南不斷減少，隨著長期適應與進化的結果，不同地區植被顯露出一定的不同[13]，一些喜潮濕環境、對水分依賴性強的植物（例如椴樹、暴馬丁香、螞蚱腿子）多生長在雨水較為豐富的地區，生長狀況較為良好，反之，缺少降雨的地區，椴樹等植物就不再占據優勢地位，生長狀況也不好。

圖8為根據北京市2013年降水量分布圖選取的不同地區樣點指標對比，植被均為灌木類植物（荊條為主），可以看出在降水量高的地區植被覆蓋度較高，葉面積指數（LAI）較高，植被較為茂密。

2.3.4 ?植被優勢種群分布與土壤的關系 ?北京山區的土壤狀況與海拔高度有很大關聯[14]，在海拔1 900 m以上的山頂和緩坡處，土壤為山地草甸土。土層深厚，有機質分解較慢，積累過程占優勢，含量80 g/kg以上，呈酸性，pH 5.5～6.2，土壤情況適合林木生長，根據山區優勢種群分布圖可以看出此地域優勢種群為蒙古櫟、遼東櫟、槲樹、栓皮櫟、椴樹、樺樹等較為高大的喬木植物;在海拔800～1 900 m之間，如百花山、白草畔、妙峰山、霧靈山和云蒙山等山地，是山地棕壤土，有機質含量較高，一般在50～80 g/kg之間，呈中性到微酸性，pH 6～7，孔隙度較大，此地域的優勢種群為油松、側柏、山杏、洋槐和荊條等喬灌類植物;在海拔50～80 m之間的低山丘陵， 是山地褐土，土層一般較薄，而且多含石礫，土瘦、干旱，有機質含量較低，pH 7.0～8.2，優勢種群為荊條、酸棗、山杏、三裂繡線菊和胡枝子、平榛等草灌類植物。

3 ?結論與討論

3.1 ?結論

以高清遙感影像和DEM數據為數據源，通過植物光譜特征提取、GIS技術和野外實地采集數據，分析得出以下結論：

1）北京市山區主要優勢種群為蒙古櫟、山杏、酸棗、油松、側柏、加拿大楊、遼東櫟、山楊、槲樹、椴樹、樺樹、桑樹、鵝耳櫪、栓皮櫟、欒樹、雜木、荊條、核桃、洋槐、三裂繡線菊、白蠟、黃櫨、暴馬丁香、榆樹、螞蚱腿子、小葉鼠李、胡枝子、野皂莢、平榛、毛榛、白羊草、中華隱子草等植物組成的46個種群。

2）植被優勢種群分布與海拔的關系：隨著地形地貌的改變，海拔升高，氣溫逐步下降，太陽輻射不斷增強，平榛、毛榛等因生物特性耐寒成為該區域的優勢物種，占據主導地位。

3）植被優勢種群分布與坡向坡度的關系：陽坡與陰坡光照時長和光照強度不同，陽坡優勢種群為喜光耐旱的植物，如荊條、酸棗、蒙古櫟、側柏、遼東櫟、桑樹、洋槐、榆樹、胡枝子和栓皮櫟等，陰坡優勢種群為椴樹、暴馬丁香、螞蚱腿子、胡枝子和毛榛等。

4）植被優勢種群與降雨量的關系：北京山區植物所需水分與降雨量有很大關聯，在一定程度上，降雨量的高低決定了一些對水分依賴性大的植物的生長，如椴樹、暴馬丁香，它們成為此類地域的優勢種群，而且，如果在水分充足的環境中，同種類的植物生長狀況愈加良好，植被的覆蓋度增加，葉面積指數更大，枝葉較為茂密。