贺兰山中段植被类型及其覆盖变化研究

顾延生 ， 丁俊傑， 葛继稳2，

(1.中国地质大学(武汉) 生物地质与环境地质国家重点实验室， 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉) 湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室， 武汉 430074；3.中国地质大学(武汉) 环境学院， 武汉 430074)



贺兰山中段植被类型及其覆盖变化研究

顾延生1，2*， 丁俊傑3， 葛继稳2，3

(1.中国地质大学(武汉) 生物地质与环境地质国家重点实验室， 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉) 湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室， 武汉 430074；3.中国地质大学(武汉) 环境学院， 武汉 430074)

贺兰山位于我国季风与非季风区、干旱与半干旱区、外流区和内流区的过渡带，特殊的地理条件决定了其生态环境的脆弱性，易引发植被退化和土地荒漠化.为调查贺兰山中段植被分布的地貌相关性及其覆盖动态，本文利用路线调查和遥感分析相结合的方法，对区域地貌、植被生态与环境现状进行了较全面调查，获得了研究区10个植被型、25个群系、61个群丛，研究发现植物群落分布格局受到各个地貌单元土壤、地形、坡向、坡度及海拔的影响.自山麓洪积台地至山顶植被的垂直带谱比较完整且分带明显，由低至高依次分布有旱生灌丛、山地疏林草原、针阔叶混交林、温性针叶林、寒性针叶林、高山草甸.在此基础上，本文首次对比研究区近20年来遥感影像后发现，由于全球变化和人类活动的影响，研究区人工绿洲(腰坝地区)面积和荒漠面积均有不同程度的增加，而高山针叶林覆盖面积整体呈减少趋势.本研究可为区域国土整治及规划、生态环境保护与治理提供一定参考.

贺兰山中段； 近20年； 植物多样性； 群落类型； 植被覆盖变化； 荒漠化

山地因多样的地貌特征和复杂的生态环境条件，形成了独特的陆地生态系统分布格局，其植被类型的组成结构和稳定性对干旱山区地貌过程有一定的影响[1-2].影响植被分布格局的最重要的因子之一便是地形因子[3-4].贺兰山是我国两大植被类型北温带草原和北温带荒漠的地理界线之一[5].其中地处贺兰山的中段东侧的宁夏贺兰山国家自然保护区是目前我国373个国家级自然保护区之一，是我国中温带半干旱与干旱地区山地生态系统的典型代表[6].

从20世纪50年代起至今，关于贺兰山的植物区系、分类、植物群落分布特征等方面有较多的研究成果[7].早期的综合考察和林业调查对贺兰山植被分布、类型、特征森林资源及其分布等进行了详细的调查研究，为后期植被生态调查奠定了坚实基础[8-10].有关贺兰山植被垂直分带研究取得了一定进展，已有研究表明：灰榆疏林草原作为一个植被垂直带占据着西坡2 000～3 000 m范围，而东坡为1 500～2 000 m范围[11]，贺兰山地区植被垂直分带由高至低依次出现高山灌丛草甸、针叶林、针阔混交林及疏林等[12]，且植物多样性α多样性在海拔3 100～3 200 m为最高[13-15].迄今为止，较大范围调查贺兰山区及其周边植被分布动态研究尚不多见.

植被类型与覆盖变化调查是一项基础性、公益性的调查工作，本研究结合区域1∶5万生态环境地质调查工作，采用地貌学、土壤学、生态学及其相关学科的方法与理论，较系统全面调查了贺兰山中段植被类型及其分布特征，结合遥感影像特征分析，获得了研究区近20年来植被覆盖变化资料，为区域生态环境保护与重建提供了重要的第一手资料.

1 研究区自然概况

调查区位于我国西北地区东部，行政区划分属内蒙古自治区和宁夏回族自治区管辖(图1).地理坐标：105°30′～106°00′ E，38°20′～38°40′ N，面积1 700 km2.属于干旱—半干旱荒漠戈壁区域，具有独特的自然、社会和经济特点.贺兰山位于我国季风与非季风区、干旱与半干旱区、外流区域和内流区的过渡地带[16].西部为腾格里沙漠，东部为银川盆地，这种特殊的地理条件决定了其生态环境本底值的脆弱性，很容易引发植被退化和土地荒漠化.近40年来，由于全球气候变化和人类经济活动的双重影响，致使贺兰山中段生态环境趋于恶化，这不仅会影响当地的经济社会发展，而且对区域生态安全造成一定的威胁.

图1 贺兰山中段植被分布图Fig.1 Distribution map of vegetation types in the middle Helan Mountain

2 调查与研究方法

本次研究涉及野外调查与室内分析两大内容.野外植物种类、植被调查主要利用中国地质调查局开发的数字填图技术软件平台进行生态调查与制图，涉及MAPGIS7、数据采集器、GPS、数码照像机、摄像机等软硬件装备.本次遥感与植被生态调查利用SPOT 5和ETM两种数据进行图像处理、信息提取和植被解译.共选取SPOT影像1/2景，成像时间为2007年8月13日；ETM影像2景，成像时间分别为1990年8月18日和2002年6月24日.测区选用的SPOT影像成像质量良好，无坏线和无云覆盖.SPOT影像空间分辨率高，多光谱影像为10 m，全色波段为2.5 m.选用的ETM影像成像质量良好，无坏线和无云覆盖.ETM多光谱影像空间分辨率为30 m，全色波段为15 m，光谱分辨率高(7波段)，有利于地表生态调查和宏观地貌特征研究.本文利用1990年～2007年间3个时相相近的遥感影像解译图对比研究了测区土壤沙化、人工绿洲和贺兰山定自然植被的分布和演化.

采用数字填图技术和遥感对贺兰山中段的生态地质环境进行综合分析研究，结合面上路线调查，通过野外标本采集、室内鉴定，获得了不同地貌单元的植物多样性、群落类型及其分布特征，对比分析贺兰山中段东西坡植被分布差异，结合气候条件、地形地貌、基质、土壤和水文，分析造成两侧植被类型分布差异的原因.

3 结果与分析

3.1种类组成调查

本次调查获得贺兰山中段维管束植物22个科、58个属、67种.其中禾本科植物有13属14种.木本植物中裸子植物有3科4属4种，虽然裸子植物数量很少，但是其中青海云杉(Piceacrassifolia)、油松(Pinustabuliformis)、杜松(Juniperusrigida)是构成山地森林生态系统的主要乔木，在植物区系中占有很重要的地位；阔叶类植物较丰富，蕨类植物仅有1科1属1种(表1).

3.2植被类型及分布特征

根据地貌形态，海拔高度和地层岩性的差异，可将贺兰山中段划分为9类地貌单元：I～III级夷平面，I～III级洪积台地，山前洪积平原分为次一级扇根相、扇中相、扇缘相、风积层和湖积层.

表1 研究区植物种类组成表

续表1

研究区可见10个植被型、25个群系、61个群丛(表2)，贺兰山中段山顶分布高山草甸植被，往下依次为寒性针叶林、温性针叶林、针阔叶混交林、山地疏林草原、旱生灌丛，东、西两麓分布草原化荒漠植被，因此从山麓洪积台地到山顶植被的垂直带谱比较完整且分带明显，但不同地形和坡向带谱组成较复杂.如贺兰山东坡套门沟—紫花沟一带可划分出6个垂直植被带：山前荒漠草原→低山旱生灌丛→山地疏林草原→针阔混交林→针叶林→高山草甸；而西侧沙拉库岱—炭井沟一线可划分为戈壁荒漠→草原化荒漠→低山旱生灌丛→山地稀树草原→高山针叶林→高山草甸.贺兰山西侧草原化荒漠与戈壁荒漠最为常见，主要分布于区内山前洪积台地之上，主要由耐寒、耐旱与耐盐碱植物组成；荒漠草原主要分布于贺兰山东侧山前洪积台地；旱生灌丛发育于区域山麓、洪积台地及荒漠地带(图1).

表2 研究区植物群落类型表

续表2

3.2.1针叶林 贺兰山中段的针叶林可分为寒温性针叶林与暖性针叶林，主要有青海云杉林、油松林和杜松林.针叶林主要分布于夷平面上分布，分布海拔2 400～2 800 m，油松林主要分布在针叶林的最下部，分布海拔2 000～2 300 m，林下为灰褐土，土层较薄，潜在侵蚀势高.

3.2.2针阔混交林 针阔叶混交林作为过渡类型仅分布于贺兰山东侧海拔1 900～2 300 m的沟谷或阴坡地形，主要为灰榆+油松的针阔叶混交林，林下的主要物种有虎榛子、小叶忍冬、蒙古扁桃、披针苔草、灌木亚菊、阿拉善鹅观草等.由于土层厚，水分条件充裕，生态条件较好.

3.2.3山地疏林草原 主要分布于贺兰山西侧夷平面(海拔1 600～2 000 m)与东侧部分夷平面(海拔1 600～1 900 m)地区，是在干旱与半干旱的气候条件下，稀疏生长着耐干旱的夏绿阔叶小乔木和灌木而形成的一种草原植被群落类型.该植被类型作为特殊的群落，以灰榆为建群种，乔木层除灰榆外，还有细裂槭等阔叶树种.3.2.4旱生灌丛 贺兰山中段夷平面以下(小于海拔1 600 m)洪积台地之上广泛分布旱生灌丛，包括虎榛子灌丛、酸枣灌丛、荒漠锦鸡儿灌丛、蒙古扁桃灌丛等，旱生灌丛分布面积广，类型多样，视环境条件而异，大多分布于沟谷及相对湿润的阴坡地段.其中贺兰山丁香灌丛在东坡甘沟和榆树沟内零星分布，酸枣灌丛分布于大多数沟谷地带.

3.2.5温带荒漠化草原 该植被类型主要分布在贺兰山中段东侧山麓及洪积台地上，海拔1 200～1 600 m.由于气候条件干旱加之人为放牧影响，荒漠草原植被地区干旱化明显，植物种类少且覆盖度低下，皆为耐旱矮小植物.群落中常出现矮小旱生小灌木，荒漠锦鸡儿、蒙古扁桃分别成为不同群丛的优势成分，高度一般不超过30 cm.3.2.6温带草原化荒漠 该植被类型主要分布在贺兰山中段西侧洪积台地及洪积平原上，海拔1 300～1 600 m，主要以珍珠、红砂、盐爪爪、猫头刺、白沙蒿、中亚紫菀木等为优势种，耐旱、耐盐碱性强.另外在贺兰山西侧腾格里沙漠边缘，主要以沙冬青、狭叶锦鸡儿、苦豆子及白刺为建群种的耐旱沙生植被，另外还分布有牛膝菇、小叶繁缕及骆驼蒿等.由于沙漠地区极度干旱，其植被多样性低，地下水位较深，故该植被类型零星分布.

3.2.7高山草甸 研究区高山草甸多以地下芽嵩草属植物为建群种，分布海拔3 000 m以上的夷平面区域，构成山地植被垂直带谱的重要组成部分.植被生长所需水分主要来自冰雪融水，土壤为高山草甸土.该植被型中群落具有草层低矮，结构简单的特点.植被组成以中旱生植物为主，如高山嵩草、苔草等 .

3.3植被覆盖调查

在中国地调局开发的数字填图系统RGMAPPING平台支持下，结合路线调查和遥感资料，对研究区1990年以来植被覆盖变化进行了详细调查.本次研究采用ETM和SPOT 5两种遥感影像进行地貌遥感解译和信息提取.ETM影像成像时间为2002年6月24日，空间分辨率为30 m，全色波段为15 m；SPOT 5影像成像时间为2007年8月13日，多光谱影像为10 m，全色波段为2.5 m.本文对研究区1990年以来20年的遥感影像进行了研究(遥感影像采集来自ETM 1990年8月18日、2002年6月24日与2007年8月13日)，分别统计了人工绿洲、沙漠、高山针叶林、高山草甸面积(表3).

表3 贺兰山中段近20年荒漠、人工绿洲及高山植被覆盖面积变化统计

对比发现近20多年来，研究区人工绿洲(腰坝地区)面积和荒漠面积均有不同程度的增加，引起以上两块面积增加主要原因与区域人口增加、全球变暖与气候变干有关，退牧还草、封山育林以来高山针叶林、高山草甸面积有一定的恢复，贺兰山自然保护区的建立取得了一定效果，但高山针叶林的面积受全球变暖和降水减少的影响明显，覆盖面积整体呈减少趋势(图2、3).

a)来自宁夏回族自治区地质环境监测总站，2008[17]；b)来自韩海涛等，2008[18]；c)来自李锦秀等，2010[19]； d)来自陈晓光等，2008[20]； e)本次研究图2 研究区近50多年来温度、降水、人口与植被覆盖变化Fig.2 Variations of annual temperature， precipitation， population and vegetation coverage in the study area over the past 50 years.

4 讨论

4.1植被分布及地貌相关分析

不同植被分布的海拔高程及其所处的地貌单元详细调查表明，研究区发育的植被类型及其分布与地形地貌有很好的相关性.高山草甸分布于海拔3 000 m以上高夷平面区，针叶林分布于海拔2 000～2 300 m的高夷平面上，针阔混交林分布于海拔贺兰山东侧海拔1 900～2 300 m的中级夷平面的沟谷或阴坡中，山地疏林草原分布于贺兰山东、西侧低级夷平面上(海拔1 600～2 000 m).旱生灌丛分布于海拔1 400～1 600 m以下的洪积台地地貌之上.而温带荒漠化草原分布于贺兰山中段东侧山麓及现代洪积扇上，海拔1 200～1 400 m；温带草原荒漠分布在贺兰山中段西侧现代洪积扇上，海拔1 300～1 400 m.

不同地貌单元的植物群落分布具有一定的差异，地貌通过对小气候环境条件的影响而间接影响植物的生长和植被分布，其实质是水、热条件的差异.贺兰山中段东、西坡不同地形和坡向垂向带谱组成较复杂，植物群落随海拔梯度变化呈现明显的垂直分带现象.东坡由低到高可见山前荒漠草原→低山旱生灌丛→山地疏林草原→针阔叶混交林→高山针叶林→高山草甸；西坡由低到高可见戈壁荒漠→草原化荒漠→低山旱生灌丛→山地稀树草原→高山针叶林→高山草甸.海拔2 000 m以下贺兰山东、西两坡植被分布的不对称性与局地大气环流和水分的获得有直接关系.

4.2植被覆盖变化分析

贺兰山东西两侧植被覆盖率有明显的不同，造成这一差别的原因有以下几个方面：一方面由于东西两侧气候及降水差异；另一方面贺兰山西麓以牧业为主，东麓得益于黄河灌溉之利，农业发达，山前洪积台地及洪积扇上植被覆盖率相对较好.1990、2002及2007年3期遥感影像很好地记录了调查区土壤沙漠化、人工绿洲、高山针叶林、高山草甸动态变化.近20年来，调查区人工绿洲(腰坝)面积和荒漠面积均有不同程度的增加，贺兰山以西土地沙漠化发生与过度放牧、草场退化、土地沙化有关，由于这一地区气候干燥，植被稀疏，分化严重，且又处于高气压的大气环境，拥有强大的吹蚀、搬运能力风化严重，从而导致了沙漠化，造成腾格里沙漠缓慢向东侵袭，是自然因素和人类活动综合作用的结果.近20年来，气候变化和人类活动是贺兰山中段植被与生态环境演化的驱动力，随着全球变暖的发生，调查区植被也发生了一定的变化，主要体现在植物群落类型在海拔尺度上的迁移、植被退化与土地荒漠化加剧，高山针叶林面积整体呈缩减趋势，加之近40年来人类活动的加强，使得贺兰山中段生态环境更加趋于脆弱化.贺兰山国家自然保护区的建设对该地区植被恢复、生态环境的改善有较大贡献，必须进一步加以规划保护才能真正实现人与生态环境的协调可持续发展.

致谢 野外生态环境地质调查工作得到了宁夏回族自治区地质环境监测总站的支持，宁夏环境监测总站李天斌、陆彦俊、杨国安、金学强高工和中国地质大学(武汉)曾佐勋教授、蔡雄飞教授、樊光明教授、杨宝忠副教授、余淳梅副教授、余英讲师和王杰博士、硕士研究生靳海涛、罗涛、梁泉、杨海乐、王翰林、杨捷及金巍参加了野外调查工作，在此一并致谢.

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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.

中华人民共和国区域地质调查项目(J48E009015，J48E009016， J48E010015，J48E010016)．

1000-1190(2016)04-0579-09

Q347

A

*作者介绍: 顾延生(1970— )，博士，教授，博士生导师，主要研究领域为地质生态、湿地生态、全球变化和生态响应. E-mail: ysgu@cug.edu.cn.