泰山風景區油松的空間分布地形分異特征研究

韓 芳，李傳榮，申衛星，董曉峰，梁 田，高 蘭

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博255049;2.泰山森林生態系統國家定位觀測研究站/山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室，山東 泰安 271018;3.泰安市泰山風景名勝區管理委員會，山東 泰安 271000)

泰山屬典型溫帶山地，也是山東丘陵中最高大的中山山地。 泰山地處暖溫帶氣候區，山體高大，地形復雜，氣候隨著不同的地形和海拔高度有明顯的差異。 由于歷史原因，到上世紀中葉，泰山僅有不足200 km2林木，解放后發起植樹運動，經過幾十年的自然演替和嚴格保護、人工培育，泰山植被正由人工林向穩定的近天然林類型發展。 鑒于學者們對泰山植被為人工林的印象，國內外學者對泰山植被的研究主要集中于泰山地質價值，泰山旅游，泰山植物資源等。 僅有少數學者對泰山生物多樣性及森林的垂直分布規律做過規模較小的研究。 但是對于植被的垂直分布是否明顯和存在規律，學者意見分歧較大[1-3]。 由于研究手段落后，目前關于泰山植被分布的研究工作，數據獲取主要以人工考察打林業樣地為主，受到人力物力的限制，考察面積過小[3-9]，無法獲得全面、完備、連續的泰山植被垂直分布的數據，進而也無法深入分析地形對泰山植被垂直分異的影響。 隨著遙感、GIS技術的發展，山地植被垂直分異研究逐漸走向數字化，實現了山地垂直帶數據的有效組織和管理，將垂直帶研究推進到數字時代[10-12]。

針葉純林是泰山植被中面積最大的類型(占泰山植被面積的49.96%)，其中油松(Pinustabulaeformis)占針葉純林面積的77.18%，因此油松是泰山景區分布最廣的樹種。 泰山油松古樹名木是構成泰山世界自然遺產的重要組成部分，具有不可替代的重要地位。 本研究以泰山油松的地形分異特征，建立泰山油松地形信息圖譜，精確分析泰山油松與地形要素(海拔、坡度、坡向)之間的定量關系，為泰山景區森林資源管理、景觀格局分析、古樹名木保護，提供可靠科學依據。

1 研究區概況

圖1 研究區區位圖Fig.1 Study area

泰山位于華北大平原東側，北緯36°10′～36°20′，東經117°0′～117°10′。 泰山綿亙于泰安、濟南之間，東西長約200 km，南北寬約50 km，貫穿山東中部，主脈、支脈、余脈涉及周邊十余縣，泰山景區如圖1所示。 極頂玉皇頂-玉皇峰，山頂面積0.6 km2，位于泰安市城區北，海拔1 532.7 m。 泰山屬典型的暖溫帶季風性氣候，氣溫垂直變化明顯：山頂年均氣溫5.3 ℃，山下年均氣溫12.8 ℃；降水量隨海拔高度的增加而增多，山頂年均降水量1 124.6 mm，山下僅715 mm，降雨集中在夏季，占全年降雨量的70%以上；平均無霜期186～196 d。

油松林分布的海拔較高，是泰山高海拔主要造林樹種。 大多分布在山的中、上部海拔700～1 000 m處,多系50年代的人工純林。 天然油松林僅見于對松山、后石塢兩處，海拔1 000～ 1 400 m，林相稀疏，郁閉度僅為0.3～0.4，山頂景區僅有1 400株，林下有許多天然幼苗。 在油松的人工林中，多為單層林，不規則地伴生麻櫟、栓皮櫟、春榆(UlmusdavidianaPlanch.var.japonica(Rehd.)Nakai)等，局部地段還混有日本落葉松(Larixkaempferi(Lamb.)Carr)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、華山松(PinusarmandiiFranch.)、紅松(PinuskoraiensisSieb.etZucc.)等。

2 數據來源

本研究中所用的數據主要包括3種類型：遙感影像數據、DEM數據和二類資源清查小班矢量數據。 其中遙感影像用來提取泰山油松植被分布；DEM數據用來提取地形因子和模擬太陽輻射情況；二類資源清查小班矢量數據主要用來作為遙感影像目視解譯的參考數據，以及作為植被相關屬性(植被類型、優勢種、造林時間、林種、郁閉度等)的信息源。

用于提取油松分布區的基礎數據選擇的是空間分辨率0.5 m的WorldView正射校正影像，共 11景，影像的拍攝時間為2014年10月至12月。 另外，巴山景區(濟南長清區部分)缺少一部分WV影像，采用2015年6月的SPOT 2.5 m全色+10 m多光譜融合的正射校正影像作為補充。 DEM和二類資源清查小班多邊形的屬性表中包含“優勢樹種(組)”、“樹種組成”、“林種”、“郁閉度”、“土壤類型”、“坡向”、“坡位”、“亞林種”等26個字段，可作為植被解譯參考資料和植被所在生態條件分析的重要的第一手數據來源。

3 數據處理

本文的數據處理主要包括油松及其混交林的目視解譯、地形單元劃分、數據矩陣計算和地形信息圖譜構建4個步驟，具體如下。

3.1 油松及其混交林的提取

由于研究區范圍較大，地形復雜，影像分辨率雖高但是受地形影響陰影范圍大，油松分布范圍的確定靠軟件自動分類結合人工調查的方法，難度較大，且效果不理想。 因此，本研究采用的是參考林業小班的“林分組成”和“優勢樹種”的目視解譯法，提取油松及其混交林的分布范圍。 在分類結果中隨機選取樣點100個，到景區實地進行驗證，分類精度為0.85。 解譯完畢統計泰山景區植被共計包含21種油松純林/混交林類型。

3.2 地形單元劃分

利用地理信息系統軟件ArcGIS從研究區DEM中提取出海拔、坡度和坡向3個主要地形因子。 為了便于分析每個坡向上植被的分布規律，對坡向圖進行重分類，將北坡進行合并，共分為9個坡向(包含平坡)。

根據研究區地形特點制定分類標準(表1)。 其中海拔包含28個類別(圖2)；坡向包含9個類別(圖3)；坡度為5個類別(圖4)，坡度的分級標準是按照趙松喬[13]對坡度級別的定義來進行劃分的)。 按分類標準對各地形因子分類后得到海拔分類圖、坡度分類圖和坡向分類圖。 將這3幅分類圖，兩兩疊合得到地形單元圖(海拔-坡向單元、海拔-坡度單元)。 其中海拔-坡向地形單元包含28×9個地形單元，海拔-坡度地形單元包含28×5個地形單元。

表1 地形特征分類表

Tab.1 Classification table of topographic features

圖2 研究區海拔分級圖Fig.2 Elevation classification of the study area

圖3 研究區坡向分級圖Fig.3 Aspect Classification of the study area

圖4 研究區坡度分級圖Fig.4 Slope classification of the study area

3.3 數據矩陣計算

在同一海拔分級內統計不同坡度、坡向組合的地形單元在該海拔總體地形所占的百分比，得到描述研究區基本地形的地形特征表。 統計不同地形條件下主要植被類型在該地形總面積所占的百分比得到主要植被類型地形分異特征表。

3.4 垂直帶地形譜圖的構建

將地形特征(坡度、坡向)的分類序列作為行號，海拔分級序列作為列號，不同地形在海拔總體所占百分比作為像元屬性值，即將地形特征作為柵格矩陣，采用一定的色彩系列生成各地形特征譜表示研究區的地形特征。

將地形特征的分類序列作為行號，海拔分級序列作為列號，各植被類型在該海拔地形單元的百分比作為像元屬性值，即將主要植被類型地形分異特征表作為柵格矩陣，采用一定的色彩系列生成單一植被類型的地形譜。

4 結果分析

4.1 泰山景區油松純林/混交林的類型及分布面積

由表2可知，泰山景區油松純林，以及油松占優勢的20種，(投影)面積共計3 367.234 4 hm2。其中油松純林占絕對優勢，投影面積為2 854.456 3 hm2，占所有油松林面積的84.77%；其次是油松+赤松混交林投影面積為250.528 4 hm2，占所有油松林面積的7.44%；油松與其他的針葉林(落葉松、黑松、華山松等)，闊葉林(櫟類、刺槐、胡桃楸、五角楓等)的混交林面積較小共計約262.249 7 hm2，占所有油松林面積的7.79%。

表2 泰山景區各類油松林種類組成和面積占比

Tab.2 The species compositions and area percentage of Pinus tabulaefor mis forests

序號類型投影面積/hm2面積百分比/%1油松純林2 854.456 384.772油松+赤松(Pinus densiflora Sieb. et Zucc.)混交林250.528 47.443油松+櫟類混交林62.671 21.864油松+其它軟闊混交林59.531 01.775油松+落葉松+其它硬闊類混交林33.836 71.006油松+榆樹混交林18.315 50.547油松+落葉松(Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.)+華山松混交林12.696 90.388油松+華山松+赤松混交林12.162 30.369油松+胡桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)混交林10.758 60.3210油松+五角楓(Acer elegantulum Fang et P. L. Chiu)+赤松混交林9.946 00.2911油松+刺槐混交林8.225 50.2412油松+華山松+刺槐+赤松混交林8.108 40.2413油松+黑松混交林7.878 60.2314油松+黑松(Pinus thunbergii Parl.)+櫟類(Quercus L.)混交林7.744 90.2315油松+其它軟闊類+赤松混交林7.531 60.2216油松+華山松+榆樹(Ulmus pumila L.)混交林5.831 70.1717油松+榆樹+刺槐混交林3.498 20.1018油松+刺槐(Pinus densiflora Sieb. et Zucc.)+椿樹(Ailanthus altissima)混交林2.85070.0819油松+榆樹+赤松混交林2.678 50.0820油松+華山松混交林0.680 30.02合計 3 367.234 4100

4.2 泰山景區地形圖譜

如圖5所示，泰山景區內低海拔區域(200 m以下)以平坡和緩坡(坡度小于5°)為主；200～400 m海拔范圍內，坡度在15°～23°；500～1 400 m，山坡的坡度則在25°～38°占的比重較大，有隨著海拔的升高，坡度也逐漸升高的趨勢。 整個景區范圍內，以15°～38°以及>38°的陡坡和險坡為主。 圖6為研究區海拔-坡向地形圖譜。 分析圖6可知，泰山景區各海拔段的山坡的坡向分布都比較均勻。 可以由此推斷各個海拔段接受的太陽輻射也是相對均勻的。

4.3 泰山景區油松純林/混交林地形圖譜

4.3.1 油松純林地形信息圖譜

由圖7、8可知，泰山景區的油松純林主要分布于海拔900～1 400 m的山地，海拔1 300 m以上的東坡和東南坡山地幾乎全部分布的是油松純林(油松純林的分布面積占到海拔1 300 m以上東坡和東南坡山地面積的80%以上)。 東南坡山地，從山麓到山地(183～1 545 m)隨著海拔的升高，油松純林的面積比重逐漸增大。 除平坡和東南坡外，其它坡向的山地，海拔1 300 m左右也有隨著海拔的升高，油松純林面積比重逐漸增大的趨勢。 由圖8可知，泰山油松純林主要分布于海拔900～1 400 m的平坡、緩坡和陡坡。 海拔1 000～1 200 m各個坡度分布的比重都很大，特別是陡坡和險坡的分布面積百分比都大于40%。 陡坡和險坡的山地上，海拔越高油松純林的分布面積越大。

油松是山東省的代表針葉林類型，是魯中南海拔700 m以上山地習見森林類型。 油松較赤松的適應性更強，喜陽，耐干旱瘠薄，病蟲害少。 在土壤瘠薄和比較干旱的山地上，生長情況也良好。 因此，泰山景區很多非常陡的險坡上都分布著油松。 但是在海拔高處，由于山高風大，生長不良，油松樹型會比較彎曲矮小。

4.3.2 油松+赤松混交林地形信息圖譜

油松+赤松混交林是除油松純林外分布面積最大的油松占優勢的混交林，其中油松和赤松的比例約7∶3。 由圖9、10可知，油松+赤松混交林在海拔300～1 050 m有分布， 但面積都很小。 海拔800～1050m的北坡的陡坡和險坡山地上，油松赤松混交林的分布比例相對較大4%～11.26%。

圖5 泰山景區海拔-坡度地形圖譜Fig.5 Elevation-slope graphic of Mountain Tai scenic area圖6 泰山景區海拔-坡向地形圖譜Fig.6 Elevation-aspect graphic of Mountain Tai scenic area圖7 油松純林海拔-坡向圖譜Fig.7 Elevation-aspect graphic of Pinus tabulaefor mis pure forest

圖8 油松純林海拔-坡度圖譜Fig.8 Elevation-slope graphic of Pinus tabulaefor mis pure forest圖9 油松+赤松海拔-坡向圖譜Fig.9 Elevation-aspect graphic of mixed forest of Pinus tabulaefor mis and Pinus densiflora Sieb. et Zucc圖10 油松+赤松海拔-坡度圖譜Fig.10 Elevation-slope graphic of mixed forest of Pinus tabulaefor mis and Pinus densiflora Sieb. et Zucc

根據王仁卿、周光裕等[14]的調查，油松和赤松在山東成東西交替狀態，赤松分布于溫暖濕潤的山東東部，油松則出現在稍干旱的西部。 泰山以及其他魯中南地區(沂山、蒙山、徂徠山等)的赤松林為人工種植。 赤松是陽性針葉樹種，適于溫暖濕潤的氣候條件，所以它的自然分布區是沿海地區，在沿海地區發育良好。 從垂直分布看，在山地半島可以分布到海拔900m左右；在魯中南山地，在海拔700m上下也能正常發育。 根據本研究，泰山上赤松的分布上限為1000m，海拔1000m以上沒有赤松的分布。 而赤松純林(面積約335.4793hm2)則主要分布于海拔700m以下(另文做討論)。 由油松和赤松在泰山景區分布的地形圖譜可見，泰山植被雖多系人工種植，純林面積較大，但樹種的選擇和種植的海拔段、地形基本符合適地適樹的生態原則。 我們應該在肯定老一輩造林人工作的基礎上，適當增加泰山景區混交林的比例，以提高泰山的森林生態系統的穩定性。

5 討論

本研究以泰山林場二類資源調查數據為依據，對泰山景區的分布面積最廣的油松林進行了全面的分類，在此基礎上應用地學信息圖譜方法對泰山景區油松被的地形分異規律進行可視化表達分析。 首次全面地定量地分析了泰山景區油松林空間分布的地形分異特征。

泰山景區的森林覆蓋率高達81.5%以上，類型以純林為主，少量針闊混交林，影像中幾乎全是樹冠連著樹冠的狀態。 有了小班數據的輔助，我們可以根據小班的優勢樹種和樹冠紋理判定影像中的樹種斑塊，但是純林和針闊混交林的界定就遇到問題。 斑塊太小，容易將部分針闊混交林化整為零，劃分成若干小的純林圖斑；斑塊太大，容易將若干純林“合并”到一個大的針闊混交林。 我們在進行森林斑塊是否是針闊混交林的判定時，考慮結合分析的地形單元(海拔-坡向/海拔-坡度)，制定了判定依據：目視范圍內最小的解譯斑塊，連續的10棵樹冠中單一樹種為9棵及以上時為純林(包括針葉純林和闊葉純林)；單一樹種為7棵及以上時為相對純林(包括針葉相對純林和闊葉相對純林)；單一樹種小于7顆的為混交林(包括針葉混交林了、闊葉混交林和針闊混交林)。

由于歷史原因，到上世紀中葉泰山僅有不足200hm2林木，20世紀50至60年代發起植樹運動，經過幾十年的自然演替和嚴格保護，人工培育，泰山景區森林植被正逐步由人工林向穩定的近天然林類型發展。 由于暫時未能獲取泰山景區的早期數據，本文僅討論了泰山景區油松林2014年的森林分布現狀，難以結合動態監測，分析泰山景區油松林垂直和地形分布的機理以及影響其分布的關鍵因素。

6 結論

1)泰山景區油松純林、以及油松占優勢的混交林共計20種，(投影)面積共計3367.2344hm2。 其中油松純林占絕對優勢，投影面積為2854.4563hm2，占所有油松林面積的84.77%；其次是油松+赤松混交林投影面積為250.5284hm2，占所有油松林面積的7.44%；油松與其他的針葉林(落葉松、黑松、華山松等)，闊葉林(櫟類、刺槐、胡桃楸、五角楓等)的混交林面積較小共計約262.2497hm2，占所有油松林面積的7.79%。

2)泰山景區油松純林主要分布于海拔900～1400m，各個坡向的平坡、緩坡和陡坡。 海拔1000～1200m各個坡度分布更加集中，特別是陡坡和險坡的分布面積百分比都大于40%。 海拔200～900m的陡坡和險坡油松純林的分布面積百分比為10%～30%。 坡度大于23°的陡坡和險坡的山地上，隨著海拔的升高，油松純林分布比重有逐漸增大的趨勢。

3)油松+赤松混交林是除油松純林外分布面積最大的油松占優勢的混交林，其中油松和赤松的比例約7∶3。 油松+赤松混交林在海拔300～1050m有分布，但面積都很小。 海拔800～1050m的北坡的陡坡和險坡山地上，油松赤松混交林的分布比例相對較大4%～11.26%。