北京山区植物优势种群分布及与环境因子的关系

高阳+赵文吉+高明亮+胡冬+隗有龙

摘要：以北京山区为研究区域，采用遥感影像数据和DEM数据结合实地数据采集验证，利用GIS技术作出量化统计分析，研究北京周边山区植物优势种群分布状况，并在此的基础上，进一步探究北京山区植物优势种群分布规律，分析植物优势种群分布与海拔、坡度坡向、降水量、土壤岩性和温度的关系。结果表明，北京市山区主要优势种群为乔灌草植物组成的46个种群;随着地形地貌的改变，海拔升高，气温逐步下降，太阳辐射不断增强，平榛、毛榛等因生物特性耐寒成为该区域的优势物种，占据主导地位;阳坡与阴坡，光照时长和光照强度不同，阳坡优势种群为喜光耐旱的植物，阴坡优势种群为耐阴喜水植物;在一定程度上，降雨量的高低决定了一些对水分依赖性大的植物的生长，而且，在水分充足时，同种类的植物生长状况愈加良好，植被的覆盖度增加，叶面积指数更大，枝叶较为茂密;在土壤厚度大、有机质含量高、pH偏小的地区，植物优势物种为较高大的乔木，随着土壤厚度和有机质含量的降低，pH增大，植物优势物种逐步演变为灌木类植物和草本类植物。

关键词：植物优势种群;遥感影像;GIS;地形环境因子

中图分类号：Q948.1         文献标识码：A        文章编号：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

地球表面不同的环境因子导致了地表植物和植被分布的多样性;同时，植物的形成和发育又作用于环境要素，植被及其组成与环境在长期自然历史发展中相互综合作用，协同进化，形成了植被及其组成成分的生物、生态学特性，这是植被与环境综合关系的反映[1]。自1952年Greig-Smith首次使用方差分析方法研究植物种的格局规模以来，格局分析受到许多生态学家的重视，现已成为研究植物种类空间关系、种类与环境关系的重要手段[2]。从植被分布与地学因子的时空关系中获取用来辅助遥感影像分类的地学知识[3]，利用现有遥感图像处理和GIS系统软件，从环境因子研究角度出发，分析植被分布与各项环境因子之间的关系，并应用于植被群落空间分析，用以揭示植物群落与环境因子间的生态关系。本研究采用此方法分析北京山区植被优势种群的分布规律以及该地区的环境主控因子，进而全面了解北京地区植物群落与生态环境的相互关系和作用规律，将对北京地区植被资源利用和保护更加有效地开展有着重要的指导意义[4]。

1  研究区域与研究方法

1.1  研究区域概况

北京地区属暖温带大陆性季风气候区，在世界范围内具有典型性，且其植被复杂多样，在全球变暖背景下，植被与环境、气候的相互关系颇具代表性[5]。北京市位于北纬39°26′-41°03′，东经115°25′-117°30′。北京山区是华北平原与太行山山脉、燕山山脉的交接部位。东南部为平原，西部为山地，是太行山脉的东北余脉;北部和东北部山地为燕山山脉的西段支脉，总面积16 410.54 km2（图1）。北京的气候为典型的半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。季节分配很不均匀，全年降水的80%集中在6、7、8三个月，为华北地区降雨最多的地区之一。

1.2  研究方法

北京山区植物优势种群分布较为复杂，涉及地形环境因素较多，很难从单一方法得到准确结论，因此，采用遥感方法、GIS技术结合野外实地验证研究，构造群落分布的北京山区优势种群分布图，并在此基础上分析其分布规律与环境因子的关系，分别验证植被优势种群与海拔、坡度坡向、降雨量、土壤的关系。

1.2.1  遥感方法  采用QuickBird遥感影像进行实验研究，QuickBird卫星是目前世界上最先提供亚米级分辨率的商业卫星，卫星影像分辨率为0.61 m，单景影像比同时期其他的商业高分辨率卫星高出2～10倍。

对高清遥感影像的研究，能够对北京山区的植被类型及其分布有了初步的认识，为下一步实地考察提供了依据，接下来进行图像解译和数据分析，遇到问题时，更加有针对性的实施野外验证、数据采集，最终得出更加准确的北京山区植物优势种群分布图。

1.2.2  GIS技术应用  为了研究北京山区植物优势种群分布状况，采用北京DEM高程数据，分别根据海拔提取北京山区地形图，地形起伏提取北京山区坡度图，地形走势提取北京山区坡向图，实地采集相关数据并进行归纳统计分析，解析北京山区地形环境因子对植被分布的影响，为探究北京山区植物优势种群分布规律与地形环境因子的关系打下基础。

1.2.3  野外实地调研  所选样地、样点基本覆盖了北京山区全部地域，为了能够保证研究成果的准确性。样地均选取面积为30 m×30 m的区域，在样区内进行多个1 m×1 m的样方采样，主要采集植被类型、优势种群、生物量、郁闭度、叶面积指数等生态植被数据，采集时间为2012年和2013年6～8月间，基本反映了北京山区的生态植被优势种群分布状况。

1.3  数据源与数据处理

北京山区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数据和QuickBird遥感影像作为数据源，按照植物光谱特征分类，初步归纳的植物分布图，结合其他数据最终得到较为精准的北京山区植物优势种群分布图，以海拔60 m为标准提取北京山区的边界，并在此基础上设定坡度坡向的提取条件，得到北京山区坡度图和坡向图如图2和图3所示。

2  结果与分析

2.1  北京山区植物优势种群

经图像分析和实地数据采集、调查研究，确定北京山区优势种群为蒙古栎、山杏、酸枣、油松、侧柏、加拿大杨、辽东栎、山杨、槲树、椴树、桦树、桑树、鹅耳枥、栓皮栎、栾树、杂木、荆条、核桃、洋槐、三裂绣线菊、白蜡、黄栌、暴马丁香、榆树、蚂蚱腿子、小叶鼠李、胡枝子、野皂荚、平榛、毛榛、白羊草、中华隐子草（表1）。其分布状况体现出了植物的生长特性，如耐寒、耐旱、喜光和水分依赖性等，具体分布图如图4。

2.2  植被优势种群分布与海拔的关系

北京地区的地形地貌，山区占了很大的面积，地形在一定程度上控制了太阳辐射和降水的空间再分配，指示了局部生态环境的小气候条件，因此，地形是形成山地结构和功能、导致山地各种生态现象和过程发生变化的根本性因素[6]。

由图5可知，在海拔1 500 m以上地区，毛榛、平榛、蒙古栎、桦树、椴树为优势物种，他们抗寒、适应性强。在无雪覆盖的冬季可耐-30 ℃的低温。对土壤适应性较强，在微碱性到微酸性（pH 5.4～8.0）的土壤上均可正常生长结实;在海拔1 200～1500 m区间，蒙古栎、辽东栎、槲树、鹅耳枥、栾树、黄栌为优势物种，它们对气候、土壤适应性强，较为耐寒、耐旱，也可在温暖湿润的环境生长;在海拔800～1 200 m区域，气候较为适中，植物生长种类丰富，优势种群多为灌木和草本类植物，有山杏、酸枣、油松、侧柏、栓皮栎、荆条、三裂绣线菊、暴马丁香、蚂蚱腿子、小叶鼠李、胡枝子、野皂荚、白羊草、中华隐子草等;海拔800 m以下，人为因素干扰过强，植物优势物种为荆条、酸枣、山杏、加拿大杨、白蜡等。

2.3  植被优势种群分布与坡度坡向的关系

2.3.1  坡度因素  坡面接受的辐射（S）包括太阳的直接辐射（Direct beam， Sb′）、散射辐射（Diffuse radiation， Sd′）以及从周围表面反射过来的辐射（Radiation， Sr）等3种来源。这3种辐射可以分别由下式计算得出：

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为到达地面的太阳辐射;s为坡度;Z为太阳高度角;A为太阳方位角;As为坡度的方位角;Sd为天空各向同性辐射（Isotropic sky radiation）;α为下垫面的反射率[7]。利用上述关系，可以计算出某一坡面某一时刻所接受的太阳辐射。从这些公式也可以看出，坡面的受热状况也与坡度关系密切[6]，因此，植被优势种群分布在某些程度上亦取决于坡度的因素。

2.3.2  坡向因素  北京地区处于北半球，一般来说，坡向向南的是阳坡，坡向向北的是阴坡，阳坡光照时数长、强度大，阴坡光照时数短、强度小，由于长期适应与进化的结果，不同的植被类型适应于一定的坡向分布[8]。图6为北京山区局部地貌图像，分析采集得来的数据，研究发现，黄色点（位于阳坡）植物优势种群为蒙古栎、荆条、酸枣、侧柏、辽东栎等，蓝色点（位于阴坡）植物优势种群为椴树、暴马丁香、蚂蚱腿子、毛榛等。

2.3.3  植被优势种群分布与降水量的关系  充足的水分是植物生长的一个重要条件，水分缺乏其生长就会受到影响。水分是植物细胞扩张生长的动力，如果水分不足，就会导致扩张生长受阻、植株生长矮小。叶面积指数（LAI）表示叶面积与所在土地面积的比例，一定程度上反映了植物光合和蒸腾作用的强弱。通常LAI较大的同种作物蒸腾的水量多，即为植物叶面较大，生长较为茂密。

北京山区植物所需水分大多数来自于降雨，因此，降雨量的高低就决定了植物生长所需水分获取的多少。关于植被分布与年降水量的关系，我国许多学者已做了大量的研究工作[6，9-11]，得到了不同植被类型与年降水量的关系指标（图7）。根据这些指标，可以大致得到北京地区山地植被的分布规律[12]。

由于北京山地面积约占全市面积的62%，在一定程度上影响了降雨量的分布，其降雨等值线大体与山脉走向一致，多雨中心沿燕山、西山由弧形山脉向西北、东南不断减少，随着长期适应与进化的结果，不同地区植被显露出一定的不同[13]，一些喜潮湿环境、对水分依赖性强的植物（例如椴树、暴马丁香、蚂蚱腿子）多生长在雨水较为丰富的地区，生长状况较为良好，反之，缺少降雨的地区，椴树等植物就不再占据优势地位，生长状况也不好。

图8为根据北京市2013年降水量分布图选取的不同地区样点指标对比，植被均为灌木类植物（荆条为主），可以看出在降水量高的地区植被覆盖度较高，叶面积指数（LAI）较高，植被较为茂密。

2.3.4  植被优势种群分布与土壤的关系  北京山区的土壤状况与海拔高度有很大关联[14]，在海拔1 900 m以上的山顶和缓坡处，土壤为山地草甸土。土层深厚，有机质分解较慢，积累过程占优势，含量80 g/kg以上，呈酸性，pH 5.5～6.2，土壤情况适合林木生长，根据山区优势种群分布图可以看出此地域优势种群为蒙古栎、辽东栎、槲树、栓皮栎、椴树、桦树等较为高大的乔木植物;在海拔800～1 900 m之间，如百花山、白草畔、妙峰山、雾灵山和云蒙山等山地，是山地棕壤土，有机质含量较高，一般在50～80 g/kg之间，呈中性到微酸性，pH 6～7，孔隙度较大，此地域的优势种群为油松、侧柏、山杏、洋槐和荆条等乔灌类植物;在海拔50～80 m之间的低山丘陵， 是山地褐土，土层一般较薄，而且多含石砾，土瘦、干旱，有机质含量较低，pH 7.0～8.2，优势种群为荆条、酸枣、山杏、三裂绣线菊和胡枝子、平榛等草灌类植物。

3  结论与讨论

3.1  结论

以高清遥感影像和DEM数据为数据源，通过植物光谱特征提取、GIS技术和野外实地采集数据，分析得出以下结论：

1）北京市山区主要优势种群为蒙古栎、山杏、酸枣、油松、侧柏、加拿大杨、辽东栎、山杨、槲树、椴树、桦树、桑树、鹅耳枥、栓皮栎、栾树、杂木、荆条、核桃、洋槐、三裂绣线菊、白蜡、黄栌、暴马丁香、榆树、蚂蚱腿子、小叶鼠李、胡枝子、野皂荚、平榛、毛榛、白羊草、中华隐子草等植物组成的46个种群。

2）植被优势种群分布与海拔的关系：随着地形地貌的改变，海拔升高，气温逐步下降，太阳辐射不断增强，平榛、毛榛等因生物特性耐寒成为该区域的优势物种，占据主导地位。

3）植被优势种群分布与坡向坡度的关系：阳坡与阴坡光照时长和光照强度不同，阳坡优势种群为喜光耐旱的植物，如荆条、酸枣、蒙古栎、侧柏、辽东栎、桑树、洋槐、榆树、胡枝子和栓皮栎等，阴坡优势种群为椴树、暴马丁香、蚂蚱腿子、胡枝子和毛榛等。

4）植被优势种群与降雨量的关系：北京山区植物所需水分与降雨量有很大关联，在一定程度上，降雨量的高低决定了一些对水分依赖性大的植物的生长，如椴树、暴马丁香，它们成为此类地域的优势种群，而且，如果在水分充足的环境中，同种类的植物生长状况愈加良好，植被的覆盖度增加，叶面积指数更大，枝叶较为茂密。