天山西部天然乔木林空间分布与地形因子的定量关联

张绘芳，张景路，朱雅丽，地力夏提·包尔汉，高亚琪，雷亚君

(新疆林业科学院现代林业研究所，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】新疆山区天然林处于积雪冰川和河川水系之间，具有控制能量平衡和水分循环、保护永久积雪和冰川安全、拦截与调节山区降水和冰雪融水的重要生态水文作用，同时具有涵养水源、净化水质、保持水土、防风固沙等重大生态功能[1-3]，现阶段山区天然林的自然更新问题日益突出。研究山区天然林在不同地形因子下的空间分布规律,对山区天然林的保护与管理有实际意义。【前人研究进展】以往通常采用传统的点格局分析方法对植被的空间分布进行研究。如王庭权等[4]通过点格局研究分析了艾比湖区域植物种群的分布，揭示了各植物群落的空间分布关系；刘淑燕等[5]通过布设100 m×100 m的样地，采用点格局法研究了北京山区不同龄级刺槐(Robiniapseudoacacia)个体的分布格局与空间关联性；贾国栋等[6]采用点格局分析法确定了北京山区椴树(Tiliamiqueliana)空间分布与海拔的关系；赵丽琼等[7]采用点格局分析方法研究了青海云杉(Piceacrassifolia)不同龄级树木在不同尺度下的空间分布格局；杨华等[8]采用点格局分析方法确定了长白山云冷杉(Abiesnephrolepis)林幼苗幼树的空间分布格局。点格局法能够准确地揭示植被的空间分布规律，其所获取的数据通常来源于野外样地实测调查方式，其过程繁琐，周期长，实效性差，实地调查和观测过程中耗费的人力和物力较大，导致该方法仅适合于小尺度的植被分布研究。GIS(Geographic Information System)、RS(Remote Sensing)和GPS(Global Position System)技术的出现和快速发展弥补了传统方式的不足。常禹等[9]基于Landsat遥感影像，采用GIS和RS技术分析确定了长白山自然保护区的森林景观在气象因子和地形因子上的分布情况；胥晓等[10]通过GIS技术将红豆杉(Taxuschinensis)种群分布斑块与坡度进行关联，揭示了不同坡度红豆杉种群的分布情况；曾宏达[11]基于DEM和地统计方法分析研究了武夷山森林资源在地形因子上的空间分布；岳刚等[12]基于林相图和森林资源调查数据，运用GIS软件进行数据处理，分析研究了森林景观格局分布情况；李虎等[13]基于Landsat遥感影像，运用GIS、RS技术分析研究了新疆森林资源动态变化；彭守璋等[14]基于Landsat遥感影像、DEM、多年平均降水量空间分布数据，分析了祖厉河流域的土地分类和地类空间分布规律；张景路等[15]基于Landsat遥感影像、DEM，运用GIS、RS技术分析研究了阿尔泰山天然乔木林的空间分布规律。【本研究切入点】天山西部生态平衡及气候变化的调节主要依赖于山区乔木林。以往研究集中在新疆山区雪岭云杉林的分布。基于3S技术在大尺度范围对山区整体乔木林空间分布的位置和数量，以及进行定量研究分析的报道较少。研究天山西部天然乔木林空间分布与地形因子的定量关联。【拟解决的关键问题】通过GIS和RS技术定量研究天山西部天然乔木林的空间分布规律，为山区乔木林的经营管理、更新、恢复和重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

选取天山西部国有林管理局伊宁分局所辖山区为研究区。研究区位于天山西部，伊犁河谷中部，伊犁哈萨克自治州境内，其地理位置80°48′～82°02′E，44°04′～ 4°32′N，海拔高度900～3 630 m。属中温带干旱型内陆山地气候，年平均气温8.2～9.4℃，年均降水量140～460 mm。林区针阔叶树种分布较为分明，海拔944～1 800 m主要为阔叶树种，海拔1 800～2 818 m(森林上线)主要为针叶树种。林区主要以成熟林、过熟林为主，中熟林、幼龄林较少[16]，树种以雪岭云杉(Piceaschrenkiana)、欧洲山杨(Populustremula)、杏(Armeniacavulgaris)居多。

收集涵盖研究区的1∶50 000地形数据。运用ArcGIS 10.2，采用克里金插值法，基于地形数据生成研究区DEM(空间分辨率10 m)，运用ArcGIS 10.2从DEM中提取地形因子(海拔、坡向、坡度)数据。

收集研究区资源3号卫星影像(为国家林业和草原局下发的森林资源2类补充调查影像)和Landsat 8遥感影像(以下简称OLI影像)。OLI影像时间为2016年8月25日，条带号：146，行编号：29，云量为0.62%。

1.2 方 法

1.2.1 影像处理

运用ENVI 5.3对OLI影像进行辐射定标和大气校正来消除大气、光照等对影像的影响，通过地形校正消除由于地形起伏所产生的阴影，最后进行几何校正得到所需遥感影像数据。

(1)辐射定标与大气校正

①辐射定标采用ENVI5.3中的Radiometric Calibration模块。表1

表1 辐射定标模型参数设置
Table 1 The parameters setting of radiometric calibration

模型参数Model Parameter参数设置Preferences定标类型(Calibration Types)Radiance存储顺序(Output Interleave)BIL输出数据类型(Output Date Type)Float缩放系数(Scale Factor)0.1

定标原理是将OLI影像的DN值转换为辐射亮度值，其计算公式如下：

L=Gain×DN+Offset.

(1)

式中：L为转换后的辐射亮度值，DN为卫星相机输出值，Gain为卫星相机辐射响应度，Offset为暗噪声偏移量，以上单位均为W/(m2·sr·μm)。

②大气校正采用ENVI5.3中的FLAASH模块。表2

FLAASH是基于太阳波谱范围内和平面朗伯体在传感器处接收的像元光谱辐射亮度，其计算公式如下：

(2)

式中：Lf为传感器处接收的总辐射亮度，ρ为像元表面反射率，ρe为像元周围平均表面反射率，S为大气球面反照率，La为大气后向散射辐射率，A和B为取决于大气条件和几何条件的2个系数。所有变量都与波段范围有关。表2

表2 大气校正模型参数设置
Table 2 The parameters setting of atmospheric correction model

模型参数Model Parameter参数设置Preferences模型参数Model Parameter参数设置Preferences中心经纬度(Scence Center Location)E:82°37′29″N:44°36′10″水汽反演(Water Retrieval)YES传感器类型(Sensor Type)Landsat8 OLI气溶胶模型(Aerosol Model)Urban传感器飞行高度(Sensor Altitude)705 km气溶胶反演(Aerosol Retrieval)K-T平均海拔(Ground Elevation)1.4 km初始能见度(Initial Visibility Value)40 km图像像素大小(Pixel Size)30气溶胶厚度系数(Aerosol Scale Height)1.5 km成像日期(Flight Date)2015-06-20上行通道(KT Upper Channel)SWIR 2成像时间(Flight Time GMT)05:13:47下行通道(KT Lower Channel)Red大气模型(Atmospheric Model)Sub-Arctic Summer

(2)地形校正

地形校正采用ENVI5.3扩展模块Topographic Correction实现。表3

表3 大气校正模型参数设置
Table 3 The parameters setting of atmospheric correction model

模型参数Model Parameter参数设置Preferences太阳方位角(Sun Azimuth)137.01太阳高度角(Sun Elevation)63.61卷积核大小(Kernel Size)9×9参与回归运算样本点采样间隔(Grid Size)10地形校正模型(Topo Model)VECA存储顺序(Output Interleave)BILDEM数据重采样方法(Resample Method)Nearest Neighbor

地形校正是指通过各种变换，将所有像元的辐射亮度变换到某一参考平面(通常取水平面)，从而消除由于地形起伏而引起的影像辐射亮度值的变化，使影像更好地反映地物的光谱特征[17]。地形校正方法有Teillet、VECA、C、Cosine-B、Cosine-C、Cosine-T、SCS、SCS+C等。选用VECA方法。

(3)

式中：Lm表示校正后像素值，L表示校正前像素值，Lα为校正前像素均值，cosi为太阳入射角的余弦值，m和b分别为影像值与cosi线性回归方程的斜率和截距。

(3)几何校正

采用ENVI Classic 5.3中的Image to Image工具，以校正好的资源3号卫星影像为基准影像，采集3个以上地面控制点，根据地面控制点对Landsat 8遥感影像进行校正。

1.2.2 天然乔木林分类

对处理好的遥感影像采用面向对象法进行分类，将研究区地类划分为乔木林和其他两类，根据乔木林在遥感影像上的特征，筛选训练样本，采用ENVI软件下的最大似然分类器对遥感影像进行分类，从分类结果中提取乔木林图斑。参照资源3号卫星影像对提取的乔木林图斑错划部分进行人工解译修改。采用实地调查的方式对分类结果进行精度验证，分类精度达到95.3%。结合实地调查数据和森林资源2类补充调查数据将天然乔木林分类数据再按照树种进行细分。得出研究区天然乔木林面积为1.65×104hm2，其中雪岭云杉林1.05×104hm2，欧洲山杨林0.39×104hm2，杏林0.11×104hm2，其他树种林0.10×104hm2。

1.2.3 地形因子区间划分

将研究区海拔梯度划分为10级：944～1 000 m、1 000～1 200 m、1 200～1 400 m、1 400～1 600 m、1 600～1 800 m、1 800～2 000 m、2 000～2 200 m、2 200～2 400 m、2 400～2 600 m、2 600～2 818 m。坡向以正北为0，顺时针为0～180°，逆时针为0～-179°，共划分为8个方向：其中-22.5～22.5°为北坡，22.5～67.5°为东北坡，67.5～112.5°为东坡，112.5～157.5°为东南坡，157.5～-157.5°为南坡，-157.5～-112.5°为西南坡，-112.5～-67.5°为西坡，-67.5～-22.5°为西北坡。坡度共6个级别：I级为平坡，<5°；II级为缓坡，≥5～15°；III级为斜坡，≥15～25°；IV级为陡坡，≥25～35°；V级为急坡，≥35～45°；Ⅵ级为险坡，≥45°[18]。

1.3 数据处理

运用ArcGIS分析工具分析得到天然乔木林在各地形因子区间下的分布面积。进行数据分析时，采用各地形因子下天然乔木林面积占研究区天然乔木林总面积比例的形式展现，将此称为乔木林分布指数。运用Excel 2010统计分析乔木林分布指数，运用SPSS 20.0进行统计学分析，生成散点图、分布直方图。

2 结果与分析

2.1 海拔分布

研究表明,研究区天然乔木林分布在海拔944 m(森林下线)～2 818 m(森林上线)，集中分布的区域为海拔1 200～2 500 m，其分布指数为96.19%，该海拔区域的生境条件适宜天然乔木林的生长。其中在海拔2 000～2 200 m的区域分布有21.98%的乔木林，分布最多；其次为海拔1 800～2 000 m和2 200～2 400 m，分别分布有19.78%和19.17%的乔木林；海拔944～1 200 m、2 600～2 814 m的区域乔木林分布较少，分布指数分别为2.27%和0.29%。经实地调查发现，在海拔944～1 200 m区域内的乔木林树种主要为杏、天山野苹果等，由于其幼苗植株较小，容易受到牲畜的啃食，成熟植株遭到破坏后不能及时得到更新，因此,该区域内乔木林分布较少，需加强对该区域乔木林的保护。在海拔高于2 600 m的区域，由于低温的影响，限制了雪岭云杉的生长，因此,该区域内乔木林分布较少。图1，图2

图1 天然乔木林海拔、坡向分布
Fig. 1 Distribution of natural arbor forest in altitude and aspect

图2 天然乔木林海拔统计
Fig. 2 The histogram of natural arbor forest in altitude

2.2 坡向分布

研究表明,研究区天然乔木林在各坡向均有分布，但主要集中分布在坡向-90～90°(包含北坡、西北坡、东北坡全部以及东坡、西坡部分区域)，分布指数为88.72%，其余坡向分布较少。研究区天然乔木林在北坡分布最多，分布指数为29.14%，其次为西北坡和东北坡，分布指数分别为23.04%和18.05%；南坡分布最少，仅为0.59%。在海拔1 400 m至森林下线区域，随着海拔的降低乔木林在坡向上分布的分散程度逐渐增大；在海拔2 500 m至森林上线区域，随着海拔的升高分散程度逐渐增大；海拔1 400～2 500 m区域，乔木林在坡向上的分布较为集中。图1，图2

研究区西坡、西北坡林地分布指数高于东坡、东北坡，乔木林生长所需的环境因子西坡、西北坡优于东坡、东北坡。研究区土壤湿度数据看，西坡、西北坡的土壤湿度均高于东坡、东北坡，土壤含水量是影响西坡、西北坡林地分布指数与东坡、东北坡存在差异的因子。图3，图4

图3 天然乔木林坡向
Fig. 3 The histogram of natural arbor forest in aspect

图4 土壤湿度对比
Fig. 4 The comparison of soil moisture

2.3 坡度分布

研究表明,研究区天然乔木林主要分布在坡度≥15～55°，即斜坡、陡坡和急坡以及险坡的部分区域(≥45～55°)，分布指数达92.37%，其余坡度分布较少。乔木林集中分布区域近似椭圆，从海拔1 200～2 500 m随着海拔的升高坡度范围呈现先逐渐变大又缓慢减小的趋势，至2 100 m处坡度范围最大；海拔1 200～1 500 m乔木林集中分布坡度范围为20～45°，海拔1 500～2 500 m乔木林集中分布坡度范围增大到15～55°。图5

图5 天然乔木林海拔、坡度分布
Fig. 5 Distribution of natural arbor forest in altitude and slope

研究表明,研究区天然乔木林在陡坡分布最多，分布指数为32.32%；其次是急坡，分布指数为28.66%；斜坡的分布指数为18.11%，14.61%分布在险坡(主要分布的坡度为≥45～55°)。图6

图6 天然乔木林坡度
Fig. 6 The histogram of natural arbor forest in slope

2.4 山区乔木林树种空间分布

研究表明,研究区分布的树种有雪岭云杉、欧洲山杨、疣枝桦、杏和天山野苹果。其中以雪岭云杉为主，其分布面积占研究区天然乔木林总面积的63.60%；其次是欧洲山杨，分布指数为23.87%；杏的分布指数为6.45%；疣枝桦和天山野苹果分布少，仅为0.42%和0.76%。针阔混交林和阔叶混交林相对较少，分布指数分别为2.48%和2.43%。图7

图7 树种组成比例
Fig. 7 The composition ratio of tree species

研究表明,雪岭云杉分布在海拔1 318～2 818 m区域，其分布下线为1 318 m，分布上线为2 818 m；雪岭云杉集中分布在1 800～2 400 m，其分布面积占研究区雪岭云杉总面积的71.22%，该区域为雪岭云杉适宜生长区；在海拔1 400 m至下线和海拔2 600 m至上线区域分布较小，几乎没有分布，分布指数分别为0.14%和0.06%。图8

图8 雪岭云杉(Piceaschrenkiana)海拔分布
Fig. 8 The histogram ofPiceaschrenkianain altitude

欧洲山杨分布在海拔944～2 290 m区域，说明其分布下线为944 m，分布上线为2 290 m；其集中分布区域为1 400～2 000 m，其分布面积占研究区欧洲山杨总面积的86.11%，该区域为欧洲山杨适宜生长区；在1 600～1 800 m区域分布最多，分布指数为41.80%，其次23.97%分布在1 800～2 000 m区域，20.34%分布在1 400～1 600 m；下线至1 200 m和2 000～2 290 m分布较少，分布指数分别为2.84%和3.93%。图9

图9 欧洲山杨(Populustremula)海拔分布
Fig. 9 The histogram ofPopulustremulain altitude

杏分布的海拔范围相比雪岭云杉和欧洲山杨的分布范围小，其分布下线为960 m，分布上线为1 795 m；其分布相对比较集中，集中分布区域为1 000～1 600 m，其分布指数为98.73%，该区域为杏适宜生长区；其中在1 200～1 400 m区域分布最多，比例为52.66%，其次29.34%分布在1 400～1 600 m区域，16.73%分布在1 000～1 200 m；下线至1 000 m和1 600～1 795 m分布较少，分布指数分别为0.32%和0.95%。图10

图10 杏(Armeniacavulgaris)海拔分布
Fig. 10 The histogram ofArmeniacavulgarisin altitude

3 讨 论

天然林作为森林生态系统的主体，具有丰富的生物多样性和较高的生态系统稳定性[19]，加强对天然林的保护与管理是生态文明建设的一项重要工作，研究山区天然乔木林的空间分布规律能够为天然林的保护与管理提供科学依据。

《新疆森林》[20]一书中指出雪岭云杉林分布在天山北坡1 300～2 800 m的中低山—亚高山带，与结果基本一致；有研究指出海拔1 800～2 400 m区域的生境条件适宜天山云杉的生长[21]，这与研究结果一致。

结果显示天然乔木林在西坡、西北坡的分布较东坡、东北坡多，主要是受区域降水不均匀的影响。张正勇等[22]指出天山西部的降水来源主要是大西洋和北冰洋的暖湿气流，暖湿气流受西风的影响，首先在天山西部的西坡、西北坡迎坡而上形成较大降水，东坡、东北坡降水相对西坡、西北坡较少。张毓涛等[23]报道雪岭云杉在西坡、西北坡植株密度高于东坡、东北坡，前者相比后者更适宜乔木生长。丁程锋等[18]指出89.18%的雪岭云杉分布在阴坡(0～45°、315～360°)、半阴坡(270～315°、45～90°)，其坡向270～360°与-90～0°是相同坡向，该结果与研究结果一致。

坡度影响山区降水和太阳辐射的分布[24]，而降水和太阳辐射是天然乔木林生长的必要因素[25-27]，坡度间接影响了山区天然乔木林的分布。坡度对降水、太阳辐射空间分布的影响主要表现在：降水随着坡度的增加作用于地表的垂直作用力减小，径流速度增加减缓，入渗量增大[28]，土壤水分得到增加，而在平坡、缓坡等坡度较小的区域由于径流速度增加，入渗量减少，土壤含水量相比坡度大的区域小；在北半球东西走向的山脉，向阳坡太阳辐射与坡度呈正相关，坡度增加太阳辐射量也随之增加，阴坡太阳辐射与坡度呈负相关，随着坡度的增加太阳辐射量逐渐减少[29]。在平坡、缓坡等区域的土壤含水量较斜坡、陡坡、急坡等区域的小，而其所接受的太阳辐射量大，水分蒸发量大，土壤水分不能维持较大面积的乔木正常生长，在平坡和缓坡的天然乔木林分布指数较小。在斜坡、陡坡、急坡等坡度较大的区域，土壤含水量较大，蒸发量少，所接受的太阳辐射能够保证乔木进行光合作用和获取能量，因此，天然乔木林在此区域分布指数较大。

将研究结果与丁程锋等[18]研究的乌鲁木齐河流域天山云杉林坡度分布规律进行对比，发现天山西部乔木林与天山中部云杉林坡度分布规律基本一致，坡度分布均为陡坡>急坡>斜坡>险坡>缓坡>平坡。

4 结 论

4.1 天山西部天然乔木林最适宜生长的海拔范围为1 800～2 400 m，其中96.19%集中分布在海拔1 200～2 500 m区域内。

4.2 天山西部天然乔木林适宜生长的坡向为北坡、西北坡、东北坡全部以及东坡、西坡部分(-90～90°)，在该区域分布达88.72%。乔木林在东南坡、西南坡分布较少，分别为3.98%和3.91%；在南坡分布最少，仅为0.59%。

4.3 天山西部天然乔木林最适宜生长的坡度为≥15～55°(斜坡、陡坡和急坡以及险坡的部分区域)，在该区域的分布达92.37%，其中在陡坡分布最多，分布指数达32.32%。乔木林集中分布的坡度范围存在随着海拔的升高先逐渐变大后缓慢减小的趋势。

4.4 天山西部分布的树种有雪岭云杉、欧洲山杨、疣枝桦、杏和天山野苹果。其中以雪岭云杉分布面积最大，占天然乔木林总面积的63.60%；其次为欧洲山杨，第3为杏，疣枝桦和天山野苹果分布较少。雪岭云杉林分布的海拔范围是1 318～2 818 m，其集中分布区域为1 800～2 400 m；杏和欧洲山杨集中分布的海拔范围分别是1 000～1 600和1 400～2 000 m。