基于GIS的四川省植被類型分布與地質背景的關系研究

管 磊， 王華軍， 王玉寬， 彭培好

(1. 成都理工大學 a.地球物理學院， b.地球探測與信息技術教育部重點實驗室,c.生態資源與景觀研究所, 成都 610059；2. 中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041)

?

基于GIS的四川省植被類型分布與地質背景的關系研究

管 磊1a,b,c,2， 王華軍1a,b*， 王玉寬2， 彭培好1c

(1. 成都理工大學 a.地球物理學院， b.地球探測與信息技術教育部重點實驗室,c.生態資源與景觀研究所, 成都 610059；2. 中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041)

在四川省植被類型分布數據和地質圖的基礎上，以200 m海拔間隔將四川省劃分為36個高度帶，在ArGIS10.1軟件平臺下，利用地理統計功能，分別統計各個高度帶內植被類型、土壤類型和巖性的數量，得到植被類型多樣性、巖性多樣性和土壤類型多樣性。三者在四川省的空間分布存在中域效應，即隨著海拔梯度的增加，呈現先增大后減小的單駝峰形格局，且三者分布最高的海拔區間分別是1 400 m～1 800 m、1 400 m～1 800 m和1 800 m～4 000 m。運用回歸分析法對三者之間的關系進行分析研究，可知隨著土壤類型多樣性或巖性多樣性的增加，植被類型多樣性隨之增加。結果表明：四川省植被多樣性與巖性多樣性、土壤類型多樣性之間存在顯著的正相關關系。該研究揭示了四川省植被類型分布與地質背景的關系，為全球氣候變化背景下四川省的區域環境建設和生物多樣性保護規劃提供了科學的理論與數據支持。

地理信息系統； 植被； 地質； 尺度； 中域效應

0 引言

因為植被是聯接土壤、大氣和水分等要素的自然紐帶[1]，所以對植被分布格局的研究有助于了解全球變化背景下的區域環境狀況。植被的分布格局是不同尺度上地球物理環境綜合作用的結果。在大尺度上，氣候、地質構造等決定特定的植被類型；在小尺度上，微地形、局地氣候、土壤等決定特定的植被類型。過去的研究，對大范圍的植被分布、地質相關數據的獲取較為困難，因此對植被類型分布格局形成的解釋主要都集中在氣候、土壤、地形等三個要素，而對地質要素的研究較少。隨著遙感技術和全球定位系統的發展，使得大范圍的植被和地質數據的獲取更加便捷。四川省地處我國陸地地勢三級階梯中的一、二級階梯之間，地形復雜多樣，植被類型豐富。這里以大比例的土壤類型分布圖、地質圖和植物類型分布圖為基礎數據，運用GIS強大的多源數據處理能力和空間分析能力，分析四川省植被類型分布與地質背景的關系，試圖揭示在省域這一大尺度上植被類型分布的地質背景，為全球氣候變化背景下四川省的區域環境建設和生物多樣性保護規劃提供科學的理論與數據支持。

1 研究區概況

四川省位于中國內陸西南腹地(圖1)，長江上游，介于東經97°21′～108°12′和北緯26°03′～34°19′之間，面積約為48×104km2。全省地質構造復雜，境內出露的地層，自元古界至新生界各系均有，層序齊全。元古界(前震旦系)構成揚子地臺基底，分布于“康滇地軸”軸部、米倉山、大巴山以及川中塊體的基底等地。震旦系主要分布于西昌、涼山、雅安、樂山等地區。古生界為揚子地臺蓋層，主要分布于東部地臺區。中生界東西兩部地層差異明顯，其中三疊系普遍發育，分布全省。侏羅系主要分布于四川盆地。白堊系主要分布于四川盆地的北、西、南緣和西昌、會理地區。第三系主要分布于四川盆地西南的名山、雅安、蘆山、天全、洪雅、大邑、邛崍等地，涼山州的安寧河流域和渡口金沙江一帶，鹽源、鹽邊地區，西部高原的理塘、白玉、稻城等地。第四系在成都平原、若爾蓋和紅原地區有大面積分布，其余多在江河兩岸，山間盆地零星分布。顯著的緯度差異和巨大的海拔差異造就了四川獨特的地形、地貌、氣候、水文和土壤，從而孕育了豐富的生態系統多樣性。省內從南到北隨緯度增加以及從東到西隨海拔增加，顯示出從溫暖潮濕的亞熱帶氣候到暖溫帶、溫帶、寒溫帶、亞寒帶和寒帶氣候的氣候梯度，于是喬木樹種也從常綠闊葉變為落葉闊葉樹種到常綠針葉樹種。在四川的森林生態系統中，可以觀察到各種類型的森林群落，從低緯度的四川南部到高緯度的北部，從低海拔的東部到高海拔的西部，常常隨緯度梯度和海拔梯度形成常綠闊葉林群落、落葉闊葉林群落、針闊混交林群落和常綠針葉林群落。

2 資料來源和分析方法

2.1 資料來源

這里所用DEM數據為空間分辨率為100 m的柵格數據，來源于NASA 和 NIMA 在 2004 年免費公布的SRTM DEM數據集。四川省巖性數據裁剪于1∶2 500 000中國地質圖，植被類型數據裁剪于 1∶1 000 000中國植被數據集，土壤類型數據裁剪于1∶1 000 000中國土壤數據集，這三個數據集的文件格式均為矢量面文件。這些數據均來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環境與生態科學數據中心”網站 (http://westdc.westgis.ac.cn)。

2.2 采樣方法

采樣空間尺度的選取對物種的空間分布格局及其規律的解釋有著十分密切的關系[2-4]。不同海拔帶上物種和環境因子存在差異性和多變性，而不同的取樣尺度的選取對植物性分布格局與環境因子的解釋影響較大。所以在對多種地質背景因子進行信息采樣時，必須建立統一的采樣尺度。在山地植被的研究中，目前國內大多數的研究主要集中于海拔梯度上垂直帶的劃分及多樣性的分布格局上[5-6]。常見的采樣方法有兩類，①將山地劃分為等海拔間距的山體高度帶；②將山地劃分為等面積的山體高度帶。后者由于海拔跨度的不確定性，因而面臨單元面積的大小劃分主觀隨意性大，差異的消除較困難，相關結果的可比性差等問題[7-8]。前者雖然也存在各高度帶之間面積不相等和海拔間距的大小劃分主觀隨意性大的問題，但是可以通過計算物種密度的方法來消除差異[9]。為了使研究成果更具有可比性，這里選取等海拔間距的采樣方法，將四川省劃分為若干個高度帶。綜合前人的研究結果，無論是從經驗上主觀劃定海拔間隔[10]，還是選取不同的海拔間距序列進行逐一的統計對比分析[11]，200 m的海拔間距均被認為是一個比較合適的取值。因此這里選取200 m作為海拔間隔，將四川省分為若干個高度帶，然后在各個高度帶上，進行植被類型因子和地質背景因子的信息采樣。

圖1 四川省區位圖

在ArcGIS10.1軟件平臺中，調用reclassify重分類模塊，將DEM數據按200 m的海拔間隔進行重分類；然后調用Raster to Polygon模塊，將重分類后得到的文件轉換為矢量面文件，命名為DEM_RePolygon；最后調用Union模塊將DEM_RePolygon文件分別與土壤類型、巖性和植被類型的矢量面文件進行相交聯合操作，即可得到土壤類型、巖性和植被類型因子在各個高度帶上的采樣信息文件，并分別命名為Soil.shp、Rock.shp和Plant.shp。

2.3 多樣性指數的計算

這里研究的地質背景主要考慮兩個因子，即土壤類型和巖性。土壤類型采用的是1∶1 000 000 中國土壤數據集中的亞類一級，則四川省分布60種土壤類型。巖性采用的是1∶2 500 000 中國地質數據集種的分類，則四川省分布363種巖性。研究的植被類型采用的是1∶1 000 000 中國植被數據集[12]中的群系和亞群系一級，則四川省分有216種植被類型。

多樣性指的是在某一高度帶內，土壤類型、植被類型或巖性的數量。將Soil.shp、Rock.shp和Plant.shp的屬性分別導出成后綴為.dbf的數據庫文件，然后在Excel2007軟件中打開，進行分類匯總，得到土壤類型多樣性、植被類型多樣性和巖性多樣性。

3 結果與分析

3.1 采樣與多樣性指數計算結果

四川省SRTM DEM數據顯示，四川省最低海拔196 m，最高海拔6 906 m。而實際情況是四川省的最高海拔在貢嘎山的主峰，海拔7 556 m。這是由于DEM數據的空間分辨率為90 m，衛星在進行遙感探測時，能識別的地物最小面積為8 100 m2。而貢嘎主峰峰頂近似于平臺，面積約70 m2，遠遠小于衛星所能識別的最小空間分辨率，因而造成DEM數據顯示的四川省最高海拔為6 906 m。由于高于海拔6 906 m的區域均位于常年積雪的高山之巔，幾乎沒有植物的分布，因此認為DEM數據可以用于分析四川省的地形特征。

在ArcGIS10.1軟件平臺中，調用重分類模塊，將DEM數據按200 m的海拔間隔進行重分類，則四川省共可分為36個高度帶。將重分類后的文件轉換為矢量面文件，再分別與土壤類型、巖性和植被類型的矢量面文件進行Union操作，得到采樣信息文件。將此文件的屬性導出為.dbf文件，在Excel2007軟件中進行分類匯總，得到土壤類型多樣性、植被類型多樣性和巖性多樣性，統計結果見表1。同時根據四川省海拔的分布特征，參考《四川省地貌區劃》，制定如下的地形分類標準，高程小于等于 1 800 m的地區(1～9高度帶)劃分為低海拔地區，大于 1 800 m且小于等于 4 000 m的地區(10～20高度帶)為中海拔地區，大于 4 000 m的地區(21～36高度帶)為高海拔地區。

從表1可知，①巖性多樣性最高的海拔區間是1 600 m～1 800 m，最低的海拔區間是6 600 m～7 000 m，在200 m的海拔梯度內，分別分布有142和1種巖性；②植被類型多樣性最高的海拔區間是1 400 m～1 800 m，最低的海拔區間是6 600 m～7 000 m，在200 m的海拔梯度內，分別分布有110和1種植被類型；③土壤類型多樣性最高的海拔區間是 2 400 m～2 600 m和 2 600 m～2 800 m，最低的海拔區間是6 200 m～7 000 m，在200 m的海拔梯度內，分別分布有33和1種土壤類型。

3.2 植被類型多樣性沿海拔梯度的變化

根據表1的結果，繪制出四川省植被類型多樣性沿海拔梯度分布的變化曲線(圖2)。

在低海拔地區，隨著海拔的上升，植被類型多樣性呈現逐漸上升的趨勢。在中海拔地區，隨著海拔的上升，植被類型多樣性呈起伏狀態，先降低，再升高，然后再降低，升高，再降低，再升高的一個波動曲線。其擬合曲線表明，四川省植被類型多樣性分布呈單駝峰格局，駝峰所在的中海拔地區正是四川盆地向青藏高原、云貴高原過渡的地帶，同時受到青藏高原隆升和外力侵蝕的強烈作用。據劉勇[13]對川西高原層狀地貌的研究顯示，本研究所述中海拔地區為高山峽谷區，區內發育有一系列的河流階地。中海拔地區植被類型多樣性沿海拔梯度的變化趨勢呈現波動曲線，可能跟區內河流階地的發育有關。在高海拔地區，隨著海拔的上升，植被類型多樣性呈下降趨勢。

表1 各個高度帶內各多樣性指數統計表

圖2 四川省植被類型多樣性沿海拔梯度的變化

3.3 地質背景因子多樣性沿海拔梯度的變化

根據表1的結果，繪制四川省地質背景因子多樣性沿海拔梯度分布的變化曲線(圖3)。

圖3 四川省地質背景因子沿海拔梯度的變化曲線

四川省的巖性多樣性在低海拔地區，隨著海拔的上升，呈現逐漸上升的趨勢；隨后則在中海拔地區，緩慢下降；在高海拔地區，隨著海拔的上升，又呈急速下降趨勢。

四川省的土壤類型多樣性在低海拔地區，隨著海拔的上升，呈現逐漸上升的趨勢；隨后則在中海拔地區，趨于平穩；在高海拔地區，隨著海拔的上升，又呈急速下降趨勢。對地質背景因子多樣性沿海拔梯度的變化曲線做擬合曲線，則是一條單駝峰曲線。

3.4 植被類型分布與地質背景的關系

根據表1的結果，繪制四川省植被類型分布與地質背景的相關關系擬合圖(圖4)。

圖4 四川省植被類型多樣性與地質背景的相關關系擬合圖

以往的研究顯示，母巖的巖性不同，其對土壤理化特性的影響也不同，又進一步制約植被的發育和分布格局[14]。這里得出了一致的研究結果。如圖4所示，四川省植被多樣性與巖性多樣性和土壤類型多樣性均呈顯著的線性相關，即隨著土壤類型多樣性或巖性多樣性的增加，植被類型多樣性亦隨之增加。采用回歸分析對其進行相關性分析，則得出植被類型多樣性與土壤類型多樣性之間、植被類型多樣性與巖性多樣性之間、土壤類型多樣性與巖性多樣性之間的相關系數分別為0.973 7、0.989 1和0.972 4，F檢驗均為P<0.05，均呈現顯著相關性。

4 結論與討論

在ArcGIS10.1軟件平臺下，以200m海拔間隔將四川省分為36個采樣單元，調用地理統計模塊，對各取樣單元內的植被類型多樣性、土壤類型多樣性、巖性多樣性進行計算，分析其相關關系，初步揭示四川省植被類型分布與地質背景的關系，并得到以下結論：

1)四川省植被類型多樣性最豐富的海拔區間是1 400m～1 800m，且總體上隨著海拔梯度的變化總體上呈現先上升后下降的單峰曲線形式。在低海拔地區，隨著海拔的上升，植被類型多樣性呈現逐漸上升的趨勢。在中海拔地區，隨著海拔的上升，植被類型多樣性呈現波動曲線，在高海拔地區，隨著海拔的上升，植被類型多樣性呈下降趨勢。

2)四川省土壤類型多樣性最豐富的海拔區間是1 800m～4 000m，且總體上隨著海拔梯度的變化總體上呈現先上升后下降的單峰曲線形式。在低海拔地區，隨著海拔的上升，呈現逐漸上升的趨勢；隨后在中海拔地區，趨于平穩；在高海拔地區，隨著海拔的上升，又呈急速下降趨勢。

3)四川省巖性多樣性最豐富的海拔區間是1 400m～1 800m，且總體上隨著海拔梯度的變化總體上呈現先上升后下降的單峰曲線形式。在低海拔地區，隨著海拔的上升，呈現逐漸上升的趨勢；隨后則在中海拔地區，緩慢下降；在高海拔地區，隨著海拔的上升，又呈急速下降趨勢。

4)四川省植被多樣性與巖性多樣性和土壤類型多樣性之間存在顯著的相關關系。隨著土壤類型多樣性的增加，植被類型多樣性隨之增加；隨著巖性多樣性的增加，植被類型多樣性亦隨之增加。

5)植被類型多樣性的空間分布存在中域效應。近年來，在大尺度的物種豐富度分布格局的形成機制的假說中，中域效應假說的提出，揭示了邊界限制對物種豐富度分布格局的影響，中域效應是指由于邊界對物種分布構成限制，使不同物種分布區在區域中間重疊程度較大，而在邊界附近重疊較少，從而形成物種豐富度從邊界向中心逐漸增加的格局[15-18]。國內、外學者的研究表明，這一現象在物種豐富度的研究中很常見[9,11,19-20]，群落水平上的研究也有案例[11]。本研究成果顯示在群落水平上，植被類型豐富度也存在著中域效應。又由于植被多樣性沿海拔梯度的分布在中海拔地區呈現波動曲線，植被類型多樣性與土壤類型多樣性、巖性多樣性又存在顯著的相關性，巖性多樣性和土壤類型多樣性隨著海拔梯度的分布也有近似中域效應的單駝峰形格局，因此作者認為，植被類型豐富度空間分布格局的中域效應，是在長期的地殼運動和地貌演化中形成的，中域效應是一個現象，而不是一個生物多樣性分布格局形成的原因。地球內部的物理環境影響地質構造，進而影響成土母巖的巖性，巖性決定了土壤形成初期的物理化學性質，在土壤-植被-氣候三者之間的互相作用之下，形成了現在的植被和土壤。巖性多樣性和土壤類型多樣性隨著海拔梯度分布的單駝峰形格局是如何形成的，需要進行更為深入細致和跨學科的研究，這是今后植被類型分布與地質背景關系研究中的很重要的一個方向，也是今后需要深入研究的地方。

[1] 陳述彭，童慶禧，郭華東．遙感信息機理研究[M]．北京：科學出版社，1998.CHENSHP,TONGQX,GUOHD.Studyonmechanismofremotesensinginformation[M].Beijing:SciencePress,1998. (InChinese)

[2]RAHBEKC,GRAVESGR.Multiscaleassessmentofpatternsofavianspeciesrichness[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences, 2001,98:4534-4539．

[3]JETZW,RAHBEKC.Geographicrangesizeanddeterminantsofavianspeciesrichness[J].Science, 2002,297:1548-1551.

[4]LOHMUSA,LOHMUSP,VELLAKK.Substratumdiversityexplainslandscape-scaleco-variationinthespecies-richnessofbryophytesandlichens[J].BiologicalConservation, 2007, 135:405-414．

[5] 沈澤昊，張新時，金義興．地形對亞熱帶山地景觀尺度植被格局影響的梯度分析[J]．植物生態學報，2000，24(4)：430-435.SHENZH,ZHANGXSH,JINYX.Grandanalysisoftheinfluenceofmountaintopographyonvegetationpattern[J].ActaPhytoecologicaSinica,2000,24(4):430-435.(InChinese)

[6] 方精云．探索中國山地植物多樣性的分布規律[J]．生物多樣性，2004，12(1)：1-4.FANGJY.ExploringaltitudinalpatternsofplantdiversityofChina'smountains[J].BiodiversityScience,2004,12(1):1-4.(InChinese)

[7] 張大才，孫航．大尺度空間上植物物種豐富度沿海拔梯度分布格局的研究進展[J] ．西南林學院學報，2009，29(4)：74-80.ZHANGDC,SUNH.Researchadvancesinaltitudinalgradientdistributionpatternofplantspeciesrichnessatabroadspatialscale[J].JournalofSouthwestForestryUniversity, 2009,29(4):74-80.(Inchinese)

[8] 馮建孟，董曉東，徐成東，等．取樣尺度效應對滇西北地區種子植物物種多樣性緯度分布格局的影響[J]. 生物多樣性，2009，17(3)：266-271.FENGJM,DONGXD,XUCHD,etal.EffectsofsamplingscaleonlatitudinalpatternsofspeciesdiversityinseedplantsinnorthwesternYunnan,China[J].BiodiversityScience,2009,17(3):266-271.(InChinese)

[9] 王志恒，陳安平，方精云．湖南省種子植物物種豐富度與地形的關系[J]．地理學報，2004,59(6)：889-894.WANGZHH,CHENANP,FANGJY.Richnessofseedplantsinrelationwithtopographyinhunnanprovince[J].ACTAGEOGRAPHICASINICA, 2004，59(6):889-894.(InChinese)

[10]劉增力，鄭成洋，方精云．河北小五臺山主要植被類型的分布與地形的關系：基于遙感信息的分析[J]．生物多樣性，2004，12(1)：146-154.LIUZL,ZHENGCHY,FANGJY.RelationshipbetweenthevegetationtypeandtopographyinMt.Xiaowutai,Hebeiprovince:aremotesensinganalysis[J].BiodiversityScience,2004,12(1):146-154. (InChinese)

[11]王娟．西藏工布自然保護區地質背景與植物多樣性關系研究[D]．成都：成都理工大學，2013.WANGJ.StudyontherelationbetweengeologicalbackgroundandplantdiversityofGongbunaturereserveinTibet[D].Chengdu:ChengduUniversityofTechnology,2013.(InChinese)

[12]中國科學院中國植被圖編輯委員會.中國植被數據集.中國科學院，2001.ChinaVegetationMapEditorialCommittee.Chinavegetationdatacollection[DB].ChineseAcademyofSciences, 2001.(InChinese)

[13]劉勇．川西高原層狀地貌研究[D]．南京：南京師范大學，2006.LIUY.Studyofthestep-likelandformsinwesternSichuanplateau,China[D].Nanjing:NanjingNormalUniversity, 2006.(InChinese)

[14]李正積．巖土植物大系統研究Ⅰ巖土果樹大系統[M]．北京：科學出版社，1996．LIZHJ.Studyonthelargesystemoftherock,soilandplant:thelargesystemoftherock,soilandfruittress[D].Beijing:SciencePress,1996.(InChinese)

[15]COLWELLRK,HURTTGC.Nonbiologicalgradientsinspeciesrichnessandaspuriousrapoporteffect[J].TheAmericanNaturalist, 1994, 144:570-595．

[16]COLWELLRK,LEESDC.Themid-domaineffect:geometricconstraintsonthegeographyofspeciesrichness[J].TrendsinEcologyandEvolution, 2005,15:70-76．

[17]JETZW,RAHBEKC.GeometricconstraintsexplainmuchofthespeciesrichnesspatterninAfricanbirds[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,USA, 2001,98:5661-5666．

[18]王襄平，方精云，唐志堯．中域效應假說：模型、證據和局限性[J]．生物多樣性，2009， 17 (6)：568-578.WANGXP,FANGJY,TANGZHY.Themid-domaineffecthypothesis:models,evidenceandlimitations[J].BiodiversityScience,2009,17(6):568-578. (InChinese)

[19]RAHBEKC.Theroleofspatialscaleandtheperceptionoflarge-scalespecies-richnesspatterns[J].EcologyLetters, 2005(8):224-239．

[20] 李景吉．喜馬拉雅地區種子植物分化及其對隆升過程的響應[D]．成都：成都理工大學，2014.LIJJ.SeedplantdifferentiationanditsresponsetoaugmentationprocessinHimalaya[D].Chengdu:ChengduUniversityofTechnology,2014.(InChinese)

GIS-based study on relationship between the vegetation distributionand geological background in Sichuan province

GUAN Lei1a,b,c,2， WANG Hua-jun1a,b*， WANG Yu-kuan2， PENG Pei-hao1c

(1. Chengdu University of Technology, a.College of Geophysical,b.Key Lab of Earth Exploration & Information Techniques of Ministry of Education,c.Institute of Ecological Resources and Landscape Architecture, Chengdu 610059, China;2. Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 610041, China)

Geological factors have great effect on vegetation distribution. Under ArcGIS 10.1 platform, Sichuan province will be divided into 36 belts by 200 m intervals. And the geographic statistical function is used to calculate the vegetation type diversity index, lithology diversity index and soil type diversity index of every belt based on the vegetation distribution dada and geological map. The spatial distribution of all the three exist domain effect. With the increase of elevation gradient, its number present increase and then decreases. And the highest elevation of the three is 1 400 m～1 800 m, 1 400 m～1 800 m and 1 800 m～4 000 m. The result of using regression analysis method to analyze the relationship among research shows that there was a positive relationship between vegetation distribution and geological background. With the increase of soil type diversity or lithology diversity, vegetation type diversity increased. Paper reveals the relationship between vegetation distribution and geological background and provides scientific theory and data support for regional environment and biodiversity conservation planning under the global climate change background in Sichuan province.

GIS; vegetation; geology; scale; middle domain effect

2015-05-19改回日期：2015-07-22

環保部國際合作項目(Y2B2010010)；國家自然科學基金(41461029)

管磊(1986-)，男，博士，從事“3S”技術在生態環境中的應用研究，E-mail：1306767272@qq.com。

*通信作者：王華軍(1964-)，男，教授，博士生導師，從事空間信息技術與數學地質研究，E-mail：hjwang@cdut.edu.cn。

1001-1749(2015)05-0656-06

P 967

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.05.19