賀蘭山中段植被類型及其覆蓋變化研究

顧延生 ， 丁俊傑， 葛繼穩2，

(1.中國地質大學(武漢) 生物地質與環境地質國家重點實驗室， 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢) 濕地演化與生態恢復湖北省重點實驗室， 武漢 430074；3.中國地質大學(武漢) 環境學院， 武漢 430074)

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賀蘭山中段植被類型及其覆蓋變化研究

顧延生1，2*， 丁俊傑3， 葛繼穩2，3

(1.中國地質大學(武漢) 生物地質與環境地質國家重點實驗室， 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢) 濕地演化與生態恢復湖北省重點實驗室， 武漢 430074；3.中國地質大學(武漢) 環境學院， 武漢 430074)

賀蘭山位于我國季風與非季風區、干旱與半干旱區、外流區和內流區的過渡帶，特殊的地理條件決定了其生態環境的脆弱性，易引發植被退化和土地荒漠化.為調查賀蘭山中段植被分布的地貌相關性及其覆蓋動態，本文利用路線調查和遙感分析相結合的方法，對區域地貌、植被生態與環境現狀進行了較全面調查，獲得了研究區10個植被型、25個群系、61個群叢，研究發現植物群落分布格局受到各個地貌單元土壤、地形、坡向、坡度及海拔的影響.自山麓洪積臺地至山頂植被的垂直帶譜比較完整且分帶明顯，由低至高依次分布有旱生灌叢、山地疏林草原、針闊葉混交林、溫性針葉林、寒性針葉林、高山草甸.在此基礎上，本文首次對比研究區近20年來遙感影像后發現，由于全球變化和人類活動的影響，研究區人工綠洲(腰壩地區)面積和荒漠面積均有不同程度的增加，而高山針葉林覆蓋面積整體呈減少趨勢.本研究可為區域國土整治及規劃、生態環境保護與治理提供一定參考.

賀蘭山中段； 近20年； 植物多樣性； 群落類型； 植被覆蓋變化； 荒漠化

山地因多樣的地貌特征和復雜的生態環境條件，形成了獨特的陸地生態系統分布格局，其植被類型的組成結構和穩定性對干旱山區地貌過程有一定的影響[1-2].影響植被分布格局的最重要的因子之一便是地形因子[3-4].賀蘭山是我國兩大植被類型北溫帶草原和北溫帶荒漠的地理界線之一[5].其中地處賀蘭山的中段東側的寧夏賀蘭山國家自然保護區是目前我國373個國家級自然保護區之一，是我國中溫帶半干旱與干旱地區山地生態系統的典型代表[6].

從20世紀50年代起至今，關于賀蘭山的植物區系、分類、植物群落分布特征等方面有較多的研究成果[7].早期的綜合考察和林業調查對賀蘭山植被分布、類型、特征森林資源及其分布等進行了詳細的調查研究，為后期植被生態調查奠定了堅實基礎[8-10].有關賀蘭山植被垂直分帶研究取得了一定進展，已有研究表明：灰榆疏林草原作為一個植被垂直帶占據著西坡2 000～3 000 m范圍，而東坡為1 500～2 000 m范圍[11]，賀蘭山地區植被垂直分帶由高至低依次出現高山灌叢草甸、針葉林、針闊混交林及疏林等[12]，且植物多樣性α多樣性在海拔3 100～3 200 m為最高[13-15].迄今為止，較大范圍調查賀蘭山區及其周邊植被分布動態研究尚不多見.

植被類型與覆蓋變化調查是一項基礎性、公益性的調查工作，本研究結合區域1∶5萬生態環境地質調查工作，采用地貌學、土壤學、生態學及其相關學科的方法與理論，較系統全面調查了賀蘭山中段植被類型及其分布特征，結合遙感影像特征分析，獲得了研究區近20年來植被覆蓋變化資料，為區域生態環境保護與重建提供了重要的第一手資料.

1 研究區自然概況

調查區位于我國西北地區東部，行政區劃分屬內蒙古自治區和寧夏回族自治區管轄(圖1).地理坐標：105°30′～106°00′ E，38°20′～38°40′ N，面積1 700 km2.屬于干旱—半干旱荒漠戈壁區域，具有獨特的自然、社會和經濟特點.賀蘭山位于我國季風與非季風區、干旱與半干旱區、外流區域和內流區的過渡地帶[16].西部為騰格里沙漠，東部為銀川盆地，這種特殊的地理條件決定了其生態環境本底值的脆弱性，很容易引發植被退化和土地荒漠化.近40年來，由于全球氣候變化和人類經濟活動的雙重影響，致使賀蘭山中段生態環境趨于惡化，這不僅會影響當地的經濟社會發展，而且對區域生態安全造成一定的威脅.

圖1 賀蘭山中段植被分布圖Fig.1 Distribution map of vegetation types in the middle Helan Mountain

2 調查與研究方法

本次研究涉及野外調查與室內分析兩大內容.野外植物種類、植被調查主要利用中國地質調查局開發的數字填圖技術軟件平臺進行生態調查與制圖，涉及MAPGIS7、數據采集器、GPS、數碼照像機、攝像機等軟硬件裝備.本次遙感與植被生態調查利用SPOT 5和ETM兩種數據進行圖像處理、信息提取和植被解譯.共選取SPOT影像1/2景，成像時間為2007年8月13日；ETM影像2景，成像時間分別為1990年8月18日和2002年6月24日.測區選用的SPOT影像成像質量良好，無壞線和無云覆蓋.SPOT影像空間分辨率高，多光譜影像為10 m，全色波段為2.5 m.選用的ETM影像成像質量良好，無壞線和無云覆蓋.ETM多光譜影像空間分辨率為30 m，全色波段為15 m，光譜分辨率高(7波段)，有利于地表生態調查和宏觀地貌特征研究.本文利用1990年～2007年間3個時相相近的遙感影像解譯圖對比研究了測區土壤沙化、人工綠洲和賀蘭山定自然植被的分布和演化.

采用數字填圖技術和遙感對賀蘭山中段的生態地質環境進行綜合分析研究，結合面上路線調查，通過野外標本采集、室內鑒定，獲得了不同地貌單元的植物多樣性、群落類型及其分布特征，對比分析賀蘭山中段東西坡植被分布差異，結合氣候條件、地形地貌、基質、土壤和水文，分析造成兩側植被類型分布差異的原因.

3 結果與分析

3.1種類組成調查

本次調查獲得賀蘭山中段維管束植物22個科、58個屬、67種.其中禾本科植物有13屬14種.木本植物中裸子植物有3科4屬4種，雖然裸子植物數量很少，但是其中青海云杉(Piceacrassifolia)、油松(Pinustabuliformis)、杜松(Juniperusrigida)是構成山地森林生態系統的主要喬木，在植物區系中占有很重要的地位；闊葉類植物較豐富，蕨類植物僅有1科1屬1種(表1).

3.2植被類型及分布特征

根據地貌形態，海拔高度和地層巖性的差異，可將賀蘭山中段劃分為9類地貌單元：I～III級夷平面，I～III級洪積臺地，山前洪積平原分為次一級扇根相、扇中相、扇緣相、風積層和湖積層.

表1 研究區植物種類組成表

續表1

研究區可見10個植被型、25個群系、61個群叢(表2)，賀蘭山中段山頂分布高山草甸植被，往下依次為寒性針葉林、溫性針葉林、針闊葉混交林、山地疏林草原、旱生灌叢，東、西兩麓分布草原化荒漠植被，因此從山麓洪積臺地到山頂植被的垂直帶譜比較完整且分帶明顯，但不同地形和坡向帶譜組成較復雜.如賀蘭山東坡套門溝—紫花溝一帶可劃分出6個垂直植被帶：山前荒漠草原→低山旱生灌叢→山地疏林草原→針闊混交林→針葉林→高山草甸；而西側沙拉庫岱—炭井溝一線可劃分為戈壁荒漠→草原化荒漠→低山旱生灌叢→山地稀樹草原→高山針葉林→高山草甸.賀蘭山西側草原化荒漠與戈壁荒漠最為常見，主要分布于區內山前洪積臺地之上，主要由耐寒、耐旱與耐鹽堿植物組成；荒漠草原主要分布于賀蘭山東側山前洪積臺地；旱生灌叢發育于區域山麓、洪積臺地及荒漠地帶(圖1).

表2 研究區植物群落類型表

續表2

3.2.1針葉林 賀蘭山中段的針葉林可分為寒溫性針葉林與暖性針葉林，主要有青海云杉林、油松林和杜松林.針葉林主要分布于夷平面上分布，分布海拔2 400～2 800 m，油松林主要分布在針葉林的最下部，分布海拔2 000～2 300 m，林下為灰褐土，土層較薄，潛在侵蝕勢高.

3.2.2針闊混交林 針闊葉混交林作為過渡類型僅分布于賀蘭山東側海拔1 900～2 300 m的溝谷或陰坡地形，主要為灰榆+油松的針闊葉混交林，林下的主要物種有虎榛子、小葉忍冬、蒙古扁桃、披針苔草、灌木亞菊、阿拉善鵝觀草等.由于土層厚，水分條件充裕，生態條件較好.

3.2.3山地疏林草原 主要分布于賀蘭山西側夷平面(海拔1 600～2 000 m)與東側部分夷平面(海拔1 600～1 900 m)地區，是在干旱與半干旱的氣候條件下，稀疏生長著耐干旱的夏綠闊葉小喬木和灌木而形成的一種草原植被群落類型.該植被類型作為特殊的群落，以灰榆為建群種，喬木層除灰榆外，還有細裂槭等闊葉樹種.3.2.4旱生灌叢 賀蘭山中段夷平面以下(小于海拔1 600 m)洪積臺地之上廣泛分布旱生灌叢，包括虎榛子灌叢、酸棗灌叢、荒漠錦雞兒灌叢、蒙古扁桃灌叢等，旱生灌叢分布面積廣，類型多樣，視環境條件而異，大多分布于溝谷及相對濕潤的陰坡地段.其中賀蘭山丁香灌叢在東坡甘溝和榆樹溝內零星分布，酸棗灌叢分布于大多數溝谷地帶.

3.2.5溫帶荒漠化草原 該植被類型主要分布在賀蘭山中段東側山麓及洪積臺地上，海拔1 200～1 600 m.由于氣候條件干旱加之人為放牧影響，荒漠草原植被地區干旱化明顯，植物種類少且覆蓋度低下，皆為耐旱矮小植物.群落中常出現矮小旱生小灌木，荒漠錦雞兒、蒙古扁桃分別成為不同群叢的優勢成分，高度一般不超過30 cm.3.2.6溫帶草原化荒漠 該植被類型主要分布在賀蘭山中段西側洪積臺地及洪積平原上，海拔1 300～1 600 m，主要以珍珠、紅砂、鹽爪爪、貓頭刺、白沙蒿、中亞紫菀木等為優勢種，耐旱、耐鹽堿性強.另外在賀蘭山西側騰格里沙漠邊緣，主要以沙冬青、狹葉錦雞兒、苦豆子及白刺為建群種的耐旱沙生植被，另外還分布有牛膝菇、小葉繁縷及駱駝蒿等.由于沙漠地區極度干旱，其植被多樣性低，地下水位較深，故該植被類型零星分布.

3.2.7高山草甸 研究區高山草甸多以地下芽嵩草屬植物為建群種，分布海拔3 000 m以上的夷平面區域，構成山地植被垂直帶譜的重要組成部分.植被生長所需水分主要來自冰雪融水，土壤為高山草甸土.該植被型中群落具有草層低矮，結構簡單的特點.植被組成以中旱生植物為主，如高山嵩草、苔草等 .

3.3植被覆蓋調查

在中國地調局開發的數字填圖系統RGMAPPING平臺支持下，結合路線調查和遙感資料，對研究區1990年以來植被覆蓋變化進行了詳細調查.本次研究采用ETM和SPOT 5兩種遙感影像進行地貌遙感解譯和信息提取.ETM影像成像時間為2002年6月24日，空間分辨率為30 m，全色波段為15 m；SPOT 5影像成像時間為2007年8月13日，多光譜影像為10 m，全色波段為2.5 m.本文對研究區1990年以來20年的遙感影像進行了研究(遙感影像采集來自ETM 1990年8月18日、2002年6月24日與2007年8月13日)，分別統計了人工綠洲、沙漠、高山針葉林、高山草甸面積(表3).

表3 賀蘭山中段近20年荒漠、人工綠洲及高山植被覆蓋面積變化統計

對比發現近20多年來，研究區人工綠洲(腰壩地區)面積和荒漠面積均有不同程度的增加，引起以上兩塊面積增加主要原因與區域人口增加、全球變暖與氣候變干有關，退牧還草、封山育林以來高山針葉林、高山草甸面積有一定的恢復，賀蘭山自然保護區的建立取得了一定效果，但高山針葉林的面積受全球變暖和降水減少的影響明顯，覆蓋面積整體呈減少趨勢(圖2、3).

a)來自寧夏回族自治區地質環境監測總站，2008[17]；b)來自韓海濤等，2008[18]；c)來自李錦秀等，2010[19]； d)來自陳曉光等，2008[20]； e)本次研究圖2 研究區近50多年來溫度、降水、人口與植被覆蓋變化Fig.2 Variations of annual temperature， precipitation， population and vegetation coverage in the study area over the past 50 years.

4 討論

4.1植被分布及地貌相關分析

不同植被分布的海拔高程及其所處的地貌單元詳細調查表明，研究區發育的植被類型及其分布與地形地貌有很好的相關性.高山草甸分布于海拔3 000 m以上高夷平面區，針葉林分布于海拔2 000～2 300 m的高夷平面上，針闊混交林分布于海拔賀蘭山東側海拔1 900～2 300 m的中級夷平面的溝谷或陰坡中，山地疏林草原分布于賀蘭山東、西側低級夷平面上(海拔1 600～2 000 m).旱生灌叢分布于海拔1 400～1 600 m以下的洪積臺地地貌之上.而溫帶荒漠化草原分布于賀蘭山中段東側山麓及現代洪積扇上，海拔1 200～1 400 m；溫帶草原荒漠分布在賀蘭山中段西側現代洪積扇上，海拔1 300～1 400 m.

不同地貌單元的植物群落分布具有一定的差異，地貌通過對小氣候環境條件的影響而間接影響植物的生長和植被分布，其實質是水、熱條件的差異.賀蘭山中段東、西坡不同地形和坡向垂向帶譜組成較復雜，植物群落隨海拔梯度變化呈現明顯的垂直分帶現象.東坡由低到高可見山前荒漠草原→低山旱生灌叢→山地疏林草原→針闊葉混交林→高山針葉林→高山草甸；西坡由低到高可見戈壁荒漠→草原化荒漠→低山旱生灌叢→山地稀樹草原→高山針葉林→高山草甸.海拔2 000 m以下賀蘭山東、西兩坡植被分布的不對稱性與局地大氣環流和水分的獲得有直接關系.

4.2植被覆蓋變化分析

賀蘭山東西兩側植被覆蓋率有明顯的不同，造成這一差別的原因有以下幾個方面：一方面由于東西兩側氣候及降水差異；另一方面賀蘭山西麓以牧業為主，東麓得益于黃河灌溉之利，農業發達，山前洪積臺地及洪積扇上植被覆蓋率相對較好.1990、2002及2007年3期遙感影像很好地記錄了調查區土壤沙漠化、人工綠洲、高山針葉林、高山草甸動態變化.近20年來，調查區人工綠洲(腰壩)面積和荒漠面積均有不同程度的增加，賀蘭山以西土地沙漠化發生與過度放牧、草場退化、土地沙化有關，由于這一地區氣候干燥，植被稀疏，分化嚴重，且又處于高氣壓的大氣環境，擁有強大的吹蝕、搬運能力風化嚴重，從而導致了沙漠化，造成騰格里沙漠緩慢向東侵襲，是自然因素和人類活動綜合作用的結果.近20年來，氣候變化和人類活動是賀蘭山中段植被與生態環境演化的驅動力，隨著全球變暖的發生，調查區植被也發生了一定的變化，主要體現在植物群落類型在海拔尺度上的遷移、植被退化與土地荒漠化加劇，高山針葉林面積整體呈縮減趨勢，加之近40年來人類活動的加強，使得賀蘭山中段生態環境更加趨于脆弱化.賀蘭山國家自然保護區的建設對該地區植被恢復、生態環境的改善有較大貢獻，必須進一步加以規劃保護才能真正實現人與生態環境的協調可持續發展.

致謝 野外生態環境地質調查工作得到了寧夏回族自治區地質環境監測總站的支持，寧夏環境監測總站李天斌、陸彥俊、楊國安、金學強高工和中國地質大學(武漢)曾佐勛教授、蔡雄飛教授、樊光明教授、楊寶忠副教授、余淳梅副教授、余英講師和王杰博士、碩士研究生靳海濤、羅濤、梁泉、楊海樂、王翰林、楊捷及金巍參加了野外調查工作，在此一并致謝.

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Survey on the vegetation types and their coverage changes in the middle Helan Mountain

GU Yansheng1，2， DING Junjie3， GE Jiwen2

(1.State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology， China University of Geosciences， Wuhan 430074；2.Hubei Key Laboratory of Wetland Evolution & Eco-Restoration， China University of Geosciences， Wuhan 430074；3.School of Environmental Studies， China University of Geosciences， Wuhan 430074)

Helan Mountain is located at the transitions of monsoon to non-monsoon region， arid to semi-arid area and outflow to inner flow area in China. The special geographical pattern of the frangibility of the ecological environment was liable to cause the degradation of vegetation and land desertification. In the present work， the vegetation distribution pattern in the middle Helan Mountain were investigated on the basis of regional geomorphology and plant species survey. A total of 72 vascular plant species from 22 families and 60 genus were identified in the study area. The vegetation contained 10 types， 25 formations， and 61 associations. Plant community found in each geomorphic unit was affected by soil， topography， aspect， slope and elevation aspects. In general， there were 6 vertical vegetation zones on the east slope of Helan Mountain ranging from the mountain front to the peak as the following: mountain front desert steppe， low mountain xeric shrub， mountain woodland steppe， mixed forest， coniferous forest and alpine meadow. But on the west slope of Helan Mountain， the observed vertical vegetation zones ranged from the low to the peak as the following: gobi desert， steppe desert， low mountain xeric shrub， mountain woodland steppe， alpine coniferous forest and alpine meadow. Two kinds of Remote-Sensing image including ETM and SPOT5 were applied to interpret geomorphology and vegetation coverage change since 1990 in the study area. Comparative research on the three periods of Remote Sensing images in the last 20 years first demonstrated that the artificial oasis area (Yaoba District) and the desert area are increasing in varying degrees due to global change and human activities， while the alpine coniferous forest coverage area showed a trend of overall declining. These results might provide basic information for the regional land improvement and planning as well as environmental protection and governance．

the middle Helan Mountain; recent 20 years; plant species; community types; vegetation coverage change; desertification

2016-03-18.

中華人民共和國區域地質調查項目(J48E009015，J48E009016， J48E010015，J48E010016)．

1000-1190(2016)04-0579-09

Q347

A

*作者介紹: 顧延生(1970— )，博士，教授，博士生導師，主要研究領域為地質生態、濕地生態、全球變化和生態響應. E-mail: ysgu@cug.edu.cn.