基于GIS的高原植被空间格局与地形因子相关关系研究

瓮耐义, 刘 康, 王纪伟

(西北大学 城市与环境学系， 陕西 西安 710069)

植物群落与环境的相互关系是极其密切的，一方面环境影响着群落，另一方面群落也影响着环境，两者是不可分割的辩证的统一体[1]。群落的组成、结构、功能、形成、动态和分布等受环境制约，群落存在也影响和决定着环境的许多特征，并对群落的内部环境起创造作用[2]。在各种环境影响因子当中，地形因子如高程、坡度、坡向等不但是描述地貌形态的基本参数,也是决定植被空间分布的主要因素[3]。因此，长期以来通过地形因子差异来研究植被的空间分布规律,了解各种因素对植被的影响成为自然地理、生态学等领域的重点研究方向之一。

三江源地区位于黄河上游青海省境内，是世界上特有的高寒生态系统，生态系统类型多样[4]，具有涵养水源、保持土壤、调节气候等多种生态系统服务功能，是中国和东南亚重要的生态屏障。茨哈峡位于三江源东部的黄河上游地区，是三江源自然保护区18个片区中中铁—军功自然保护分区的核心区。

景观指数是反映植被状况的一个重要参数，是描述植被数量、质量、植被长势和生物量等指标的指示参数[5]，可以对地表植被活动进行简单、有效和经验的度量，在一定程度上反映植被信息[6]。本研究以数字高程模型(digital elevation model,DEM)和植被分布图为基础数据,利用地理信息系统(geographical information system,GIS)空间分析方法,着重分析茨哈峡地区的植被空间分布与地形因子的关系,并试图通过多样性指数、均匀度、斑块数量等植被指数揭示植被垂直分布和多样性的地形背景。

1 研究区概况

茨哈峡地区地处青藏高原东南部，该区地理坐标为东经100°5′50″—101°30′55″，北纬34°44′52″—35°18′50″，总面积约为0.08 km2，处于黄河上游高山峡谷区，高程2 700～4 400 m，岸坡高陡，坡度一般0°～60°，地形复杂。本流域因受高空西风气流的控制，且远离海洋，属典型的大陆性气候。年平均气温0.5 ℃，年平均降水量425.2 mm。植被类型以山地针叶林、针阔混交林及高寒草原为主，植被类型复杂多样。土壤受环境、地形、地貌等自然因素的影响，土层薄，质地粗，主要土壤类型有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、灰褐土、栗钙土、沼泽土、泥炭土、风沙土以及山地森林土。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

本研究采用的资料数据主要有：2011年6月15 m分辨率的ETM影像；1∶5万DEM数据；现场收集的数据；《青海三江源国家级自然保护区范围和功能区调整科学考察报告》以及野外调查得到的相关资料。

2.2 研究方法

将ETM影像进行辐射纠正与几何纠正后，进行图像整饰、镶嵌。利用ENVI 4.8，结合实地考察的采样点，先进行样本训练，选取能代表该类植被的感兴趣区(ROI)，样本检测区分度达到1.9以上，然后采用马氏距离法执行监督分类。将分类结果叠加至ETM影像比对，对分类结果进行手工校正，并通过混淆矩阵计算总体分类精度为0.89。解译得到三江源自然保护区和功能区植被类型图。利用ArcGIS 10.0将解译结果转化成矢量格式，然后切割出茨哈峡影响范围内植被类型。利用DEM提取出海拔、坡度、坡向。

参照《中华人民共和国植被图》将研究区植被分为6类：亚高山暗针叶林、山地圆柏林、针阔混交林、高山落叶阔叶林、高寒灌丛、高寒草原，其他(水域等)。根据6种植被类型在西藏地区的生长林线并结合2012年6月在茨哈峡影响区58个调查样地中各植被类型的分布范围及密度情况，将研究区海拔由低到高划分为6级：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，共计6个高程带。参照水土保持工作中普遍采用的临界坡度分级标准，结合研究区植被分布特点进行分级，将研究区坡度分为5个等级：<15°，15°～25°，25°～45°，45°～60°，>60°。茨哈峡植被类型如附图1所示。

以135°～225°为阳坡，以0°～45°,315°～360°为阴坡，以45°～135°，225°～315°为半阴、半阳坡，将其划分为阴坡、阳坡和半阴半阳坡3个坡向带。利用ArcTools中的的Intersect工具将植被图分别与海拔、坡度、坡向图进行叠加，然后, 在景观软件Fragstats 3.3中计算各种植被指数，包括各区每类植被的斑块总面积、多样性指数、均匀度、斑块数量、斑块密度、类斑块平均面积、平均伸长指数、形状指数、平均分维数等。研究各指数随各因子变化的规律，对各类指数进行横向比较。

研究所应用景观指数的计算方法如下：

(1)斑块数量(NP)。景观中所有斑块总和。NP反映景观的空间格局，用来描述整个景观的异质性，其值的大小与景观的破碎度也有很好的正相关性，一般规律是NP大，破碎度高；NP小，破碎度低。

(2)斑块形状指数(MSI)。用来测定斑块的规则程度。斑块形状指数越接近于1，形状越接近于圆，斑块的复杂程度越低；反之，越高。计算公式为：

MSI=P/〔12×(3.141 592 7×A)1/2)〕

(1)

式中：P——斑块周长(km)；A——斑块面积(km2)。下同。

(3)斑块伸长指数(MFG)。测定斑块的伸长状况，反映斑块形状复杂程度。计算公式为：

MFG=P/A1/2

(2)

(4)景观分维数(D)。景观分维数分析是建立在分形理论的基础上，用来测定斑块的复杂程度[7]。公式为：

D=2×lnP/lnA

(3)

(5)多样性指数(H)。景观多样性主要指景观单元或生态系统在结构、功能以及随时间变化方面的多样性，反映了景观的复杂性[7]。多样性指数大小反映景观要素的多少和各景观要素所占比例的变化[8-9]。计算公式为：

(4)

式中：Pi——景观类型i面积所占该区域面积的比例。

(6)均匀度指数(E)。均匀度是描述景观里不同景观类型的均匀程度[8-9]。反映景观类型丰富度、复杂度。均匀度指数越高，景观类型丰富度、复杂度越低；反之，越高。公式如下：

E=H/lnM

(5)

式中：M——景观类型数目(个)；H——多样性指数。

3 结果与分析

在区域至全球尺度上，地带性气候条件是决定植物种、生活型或植被类型分布的主导因素，而在景观及更小的尺度上，非地带性的环境因子主导着植被的格局[10]。

地形是各种生态现象和过程发生变化的根本性因素[1]。植被类型分布在很大程度上受地形条件的制约。植被的空间分布格局受光、热、水等自然因素的影响，海拔、坡度、坡向不同，导致光、热、水、土等自然因素的差异，植被类型也因此不同。

3.1 植被空间格局与海拔相关分析

温度随海拔的升高而降低，一般是上升100 m，平均温度降低0.5～0.6 °C。通常海拔的变化会引起气温和降水的变化，形成局地小气候，从而共同对生物群落产生影响。

通过对茨哈峡地区各植被类型在不同海拔分布面积统计可以得出，高寒草原在该区各海拔分带分布面积都很广，针阔混交林分布面积最小，高寒灌丛分布面积在不同海拔分带变化很大。

在海拔2 700～2 995 m，高寒草原和亚高山暗针叶林分布面积较大，约为66%和18%，面积最小的为针阔混交林，为4%；2 995～3 290 m高寒草原分布面积达到最大值，达到72%，芨芨草〔Achnatherum(Trin.)Nevski.〕、紫花针茅(S.purpureaGriseb.)、青藏草(CarexmoorcroftiiFalc.)、印度早熟禾(PoaindattenuataKeng ex L.Liu.)等分布广泛，是高寒草原的典型代表。高山落叶阔叶林在2 995～3 290 m分布相比其他分带面积最大，约为研究区高山落叶阔叶林总面积的41%，代表植物为糙皮桦(BetulautilisD. Don)，长江流域的东中林区向北到黄河源区多少都有分布，是垂直分布最高的天然阔叶林；海拔3 290～3 880 m，亚高山暗针叶林分布面积与其他海拔分带所占面积相比最广，约为54%。针阔混交林在3 585～3 880 m分布面积较小，约占0.5%，仅为研究区针阔混交林总面积的9%，其典型植物为云杉(PiceaaspoerataMast.)；海拔3 880～4 175 m，高寒灌丛分布面积为40%，达到整个研究区内高寒灌丛最大面积。山地圆柏林分布面积达到最大，为地区总面积的34%；海拔4 175～4 470 m，各植被类型面积呈减少趋势，亚高山暗针叶林、山地圆柏林分布面积仅为3%和4%。

通过对不同高程带的斑块形状指数、斑块伸长指数、斑块分维数、斑块面积、斑块密度、景观多样性指数和均匀度进行计算，结果如表1所示。

表1 茨哈峡地区不同高程带植被指数

由表1可以看出，斑块形状指数、斑块伸长指数、斑块分维数基本上都是呈递减趋势变化的，说明随着海拔高度的增加，斑块形状指数越接近于1，形状越接近于圆，斑块的复杂程度随着海拔的升高而降低；斑块密度整体变化趋势不大，但从2 995 m以后稍微有些降低，表明随着海拔的升高，斑块数目减少，破碎度减小。多样性指数与均匀度是反映景观异质性的指标，通过多样性指数可以发现，在3 585 m之上，海拔越高植被类型越少，海拔的不断升高会降低植被类型的丰富度和复杂度。均匀度在2 995～3 880 m呈增大的趋势，说明在这个海拔范围植被类型丰富度和复杂度越来越低，均匀程度越来越高。由表1中各植被指数的变化趋势可以看出，海拔高度变化影响植被类型复杂度和丰富度变化，通常情况下，海拔越高，植被类型越少，均匀度越高。

3.2 植被空间格局与坡度的相关分析

通过对不同坡度分带上各植被类型面积进行统计分析，可以得出，高寒草原在各坡度分区中面积变化幅度最大，25°以下面积呈上升趋势，15°～25°达到最大，约为总面积的43%，25°以后逐渐下降，60°下降到最低；高寒灌丛的分布趋势与高寒草原大体一致，15°～25°达到最大约为总面积的49%；山地圆柏林在0°～45°分布面积逐渐增大，15°～45°面积达到最大占总面积的88%，45°以后逐渐减少，>60°少有分布；亚高山暗针叶林在45°以下分布面积随坡度增大而增加，45°面积达到最大约为63%，此后开始下降，>60°地区没有分布；高山落叶阔叶林在0°～25°地区呈上升趋势，15°～25°地区面积达到最大(约为80%)；针阔混交林面积最小，0°～45°地区面积没有明显的变化趋势，45°地区以上没有分布。

通过对各植被类型在不同坡度范围的分布对比，可以看出，坡度<15°地区，高寒草原的分布面积最广，针阔混交林面积最小，只占这个范围的7‰；坡度15°～25°地区，高寒草原分布面积最广，其次为高寒灌丛，分布面积最小的仍然是针阔混交林，为10‰；坡度25°～45°地区，高寒草原分布面积最广，其次是亚高山暗针叶林，分布面积最小的为针阔混交林，占这一坡度带总面积的8.5‰；坡度45°～60°地区，亚高山暗针叶林分布面积最广，约为37%，其次为山地圆柏林，没有针阔混交林分布；坡度>60°地区，只有少量的高寒草原植被分布。对不同坡度带内植被指数进行计算，结果如表2所示。

表2 不同坡度带内植被指数值

由表2可以看出，均匀度和多样性指数在坡度15°～60°数值较大，在<15°和>60°数值较小，表明在15°～60°景观丰富度和复杂度比较低,斑块比较均匀；斑块面积及平均边界长度在0°～45°地区随坡度增加呈上升趋势，说明0°～45°地区斑块的复杂程度随着坡度增加而降低。斑块数量通常用来反映整个景观的异质性，其值的大小与景观破碎度有很好的正相关性，一般情况下斑块数量多，景观破碎度高，反之，破碎度低。表中斑块数量基本随坡度增加呈下降趋势，表明随着坡度增大，景观破碎度降低。

综上所述，在25°～60°地区，随着坡度上升，斑块数量越少，均匀程度越高，复杂度越低；在0°～25°地区，随着坡度升高，斑块数量增加，即在这个坡度范围内，景观破碎度、复杂度较高，植被类型较复杂；在>60°地区，各指数值下降，表明在这个坡度范围内植被稀疏、类型较少，不是适宜植被生长的最优区间。

3.3 植被空间格局与坡向的相关分析

坡向对日照时数和太阳辐射强度有很大影响。就辐射收入而言，南坡最多，其次为东南坡和西南坡，最少的是北坡。因此，阳坡和阴坡之间温度差异往往很大，同一高度的极端温差可达3～4 ℃。此外，坡向对降水也会产生明显影响，尤其是在高海拔地区。坡向不同，能够引起植物和环境生态关系发生变化，因植被类型也不同。

根据坡向数据统计，得出研究区亚高山暗针叶林主要分布在阴坡，约为总面积的48%，主要原因是这种植被类型比较耐寒、喜阴湿，因此多分布于山地阴坡和半阴坡及潮湿谷地；山地圆柏林在各坡向分布面积相当，阳坡上分布面积略高，说明坡向对山地圆柏林的影响不大；针阔混交林、高山落叶阔叶林在阳坡上分布面积较小，其他坡向面积相当；高寒灌丛和高寒草原在阳坡上分布面积相对较少，如金露梅(rotentillaLinn.)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等灌丛对生长环境适应性较强，耐寒、耐旱，在水分条件好的地区生长会更繁茂；高寒草原有很强的耐阴性和耐旱性，但不耐水湿，因此多生长在阳坡，但是在茨哈峡阳坡分布面积较少，其他坡向分布面积相差不大。

对3类坡向的斑块面积、多样性指数、均匀度和斑块密度进行分析计算，结果如表3所示。

表3 阴、阳坡不同指数值

通过对比可以看出，阴坡的斑块面积较阳坡大，多样性指数相差不大，说明两种坡向植被类型基本相同；阳坡、阴坡均匀度相似，对比斑块密度，阳坡值与阴坡值有较大差别，说明阴坡斑块较破碎, 阳坡较完整, 与斑块面积成反比。由于阳坡、阴坡的气温、光照、降水等条件不同，导致了植被在阴坡和阳坡的分布情况表现出较大的差异, 不但是在植被种类上存在着差异, 更表现在植被本身的性质上[3]。

3.4 各植被类型最优生长地形区间统计

通过以上分析可以得出，亚高山暗针叶林和山地圆柏林最优生长坡度在25°～45°地区，针阔混交林和高山落叶阔叶林最优生长坡度在15°～25°地区，高寒灌丛和高寒草原主要分布在<45°地区。亚高山暗针叶林的最优生长地形区间为海拔3 290～3 880 m的阴坡，面积约为54%；山地圆柏林在海拔3 880～4 470 m地区各坡向分布较均匀；针阔混交林最优生长地形区间为海拔2 700～3 290 m的阴坡，面积约为90%；高山落叶阔叶林的最优生长在海拔2 995～3 290 m的(半)阴坡，面积约为40%；高寒灌丛最优生长在海拔3 585～4 470 m，各坡向分布较均匀，阴坡分布面积略高，约为39%，高寒草原的最优生长地形在海拔2 955～4 175 m，分布比较广泛。各植被类型的最优生长地形区间分布如表4所示。

表4 各植被类型最优生长区间

4 结 论

植被类型与海拔的关系。海拔高度变化影响植被类型复杂度和丰富度变化，通常情况下，海拔越高，植被类型越少，均匀度越高。

植被类型与坡度的关系。在0°～25°地区，随着坡度升高，斑块数量增加，景观破碎度、复杂度较高，植被类型较复杂多样；在25°～60°地区，随着坡度上升，斑块数量越少，均匀程度越高，复杂度越低，植被类型相对减少；在>60°地区，各指数值下降，在这个坡度范围内植被稀疏，类型较少。

植被类型与坡向的关系。阴坡、阳坡的植被类型基本相同，阴坡斑块较破碎，阳坡较完整，由于阳坡、阴坡的气温、光照、降水等条件不同，导致植被在阴坡和阳坡的分布情况表现出较大的差异。

[参考文献]

[1]王伯荪.植物群落学[M].北京:高等教育出版社,1987.

[2]方精云,沈泽昊,崔海亭.试论山地的生态特征及山地生态学的研究内容[J].生物多样性,2004,12(1):10-19.

[3]焦超卫,赵牡丹,汤国安,等.基于GIS 的植被空间格局特征与地形因子的相关关系[J].水土保持通报,2005,25(6):20-23.

[4]王明宁,马金祥,胡琳,等.三江源区植物多样性与保护[J].青海草业,2006,15(2):24-27.

[5]赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社,2003:372-383.

[6]宋冬梅,张茜,杨秀春,等.三江源区MODIS植被指数时空分布特征[J].地理研究,2011,30(11):2067-2075.

[7]王继夏,孙虎,李俊霖,等.南水北调中线水源地长安河流域景观格局变化[J].水土保持通报,2008,28(4):147-151.

[8]赵羿,李月辉.实用景观生态学[M].北京:科学出版社,2001:92-97.

[9]姜永华,江洪.基于RS与GIS的森林景观空间异质性研究:以杭州市余杭区为例[J].中国农学通报,2008,24(6):139-145.

[10]朱晓勤,刘康.基于GIS的秦岭山地植被分布与环境梯度关系分析[J].水土保持学报,2006,20(5):192-196.