基于DEM数据分析川西云杉林与高山柏林空间分布特征——以石渠县为例

吴胜义,张方圆,王 飞,林双福,刘强生

(1.国家林业和草原局 西北调查规划设计院，陕西 西安 710048；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西 西安 710048)

川西云杉林和高山柏林是川西北高原地区典型的山地森林类型，在水源涵养、水土保持、生物多样性保护和气候调控等方面发挥着十分重要的作用。石渠县属于国家重点生态功能区之一的川滇森林及生物多样性生态功能区，全县有长沙贡玛国家级自然保护区、洛须省级自然保护区2个自然保护区和邓玛、扎曲、色须、普公坝4个省级湿地公园，自然保护区和湿地公园面积合计841 431.00 hm2，占全县面积的37.60%，生态区位重要，生态敏感度高。因此,开展典型森林类型空间分布研究对认识区域生态安全格局意义重大。

地形因子是影响山地森林植被群落分布的重要环境因子[1]。同时，地形也是影响森林群落时空异质性的重要因素[2-3]，森林群落龄组结构、空间布局等与地形因子均有较为紧密的联系。数字高程模型又称DEM，是应用地表高程数据对地面地形进行数字模拟的一种方法和手段。高精度DEM可直观展示区域地形、地貌特征，并能为各地形因子定量化分析提供数据基础[4]。陈晨等[5]利用DEM数据生成坡度因子优化算法，自动获取小班坡度数据，一方面减轻了野外调查工作量，另一方面也减少了因小班高低起伏导致坡度异常的状况。

目前，植物种群分布相关研究较为广泛，如刘玉平等[6]探索了影响植物叶性状变化的主要地形驱动因子(海拔、坡度、坡向、坡位)，秦随涛等[7]采用丰富度指数、均匀度指数、优势度指数等生物多样性指标研究了3种地形部位群落乔木层和灌木层的物种多样性，赵阳等[8]分析了冶力关林区紫果云杉天然林种群结构特征，占玉芳[9]分析了祁连山北坡中部祁连圆柏自然种群空间分布格局的基本属性，郭其强等[10]探索了西藏色季拉山阳坡林线方枝柏种群结构特征。相对而言，区域森林类型的空间分布研究较少。本研究以石渠县川西云杉林和高山柏林分布区为研究范围，森林面积19 329.08 hm2。通过应用DEM，分别提取并计算海拔、坡度、坡向3个地形因子，探索川西云杉林和高山柏林空间分布特征，以期为高原地区森林可持续经营和保护管理提供参考。

1 研究区概况

石渠县隶属于四川省甘孜藏族自治州，地处青藏高原东南缘，位于四川省、青海省、西藏自治区交界处(97°20′00″-99°15′28″E，32°19′28″-34°20′40″N)。南北长205 km，东西宽184 km，面积约2 237 891.72 hm2。地貌类型差异明显，北部以丘状高原和高平原为主，地表和缓起伏，占全县面积的91.09%；南部为高山峡谷区，河谷深且狭窄，两岸直立，岭谷高低悬殊，多为中山、高山，占全县面积的8.91%。全县平均海拔逾4 000 m，境内巴颜喀拉山脉主峰高5 266 m。属典型的季风高原型气候，春季干旱多风，夏季旱涝相间，秋季温凉湿润，冬季寒冷干燥。平均无霜期仅21.1 d，近30 a均气温-0.9 ℃，年均降水量550 mm。河流密布，境内水系主要有雅砻江、金沙江和查曲河等。全县土壤共分为高山草甸土、沼泽土、高山寒漠土、亚高山草甸土、棕色针叶林土和褐土等6个大类，11个亚类。森林植被以亚高山暗针叶林为主，天然林比重大，分为以川西云杉(Picealikiangensisvar.rubescens)为主的森林植被带和以高山柏(Juniperussquamata)为主的森林植被带。据不完全统计，石渠县维管植物共计78科290属926种，脊椎动物34目70科280种。

2 材料与方法

2.1 数据获取

2.1.1 川西云杉林和高山柏林数据获取 基础数据引用石渠县2019年森林资源规划设计调查成果数据。为简化统计，以石渠县优势树种为川西云杉和高山柏的乔木林小班作为本次研究区域。研究区森林类型总面积19 329.08 hm2，其中川西云杉林面积5 109.78 hm2,小班1 095个，平均小班面积4.67 hm2；高山柏林面积14 219.30 hm2,小班3 000个，平均小班面积4.74 hm2(图1)。

2.1.2 DEM数据获取 通过91卫图助手从网络下载研究区Google Earth高程数据，DEM数据空间分辨率8.0 m。

2.2 研究方法

2.2.1 地形因子选取 地形因子是最基础的地理环境要素,是为表征与研究地貌形态而设定的参数[11]。海拔是影响森林植被生长发育的重要环境因素[12]，温度、日照和降水等生态因子，均会随着山地海拔高度的抬升而呈现出梯度性变化[13]。另外，坡度、坡向等也是影响山地森林植被分布的重要因子[14]。本研究将海拔、坡度和坡向等3个地形因子作为分析对象。

2.2.1.1 海拔与地貌因子 我国地形地貌复杂多样、海拔高程跨度大。按照中国陆地1∶100万数字地貌分类体系，可将我国地形按高程大小划分为4级：低海拔地区(<1 000 m)、中海拔地区(1 000～3 500 m)、高海拔地区(3 500～5 000 m)和极高海拔地区(>5 000 m)[15-16]。

根据《四川省森林资源规划设计调查技术细则》地貌划分标准，可将四川省地貌划分为8类：极高山(≥5 000 m山地)、高山(3 500～4 999 m山地)、中山(1 000～3 499 m山地)、低山(<1 000 m山地)、丘陵(坡度较缓，由低矮山丘组成，无明显脉络，相对高差小于100 m)、平原(地面平坦、起伏小)、台地(外貌特征与平原基本相同，范围比平原小)、山原(指具有山脉的高原，如甘孜州、阿坝州境内的高原)。石渠县主要的地貌类型有中山、高山以及山原。

2.2.1.2 坡度因子 坡度指地面倾斜度，能直观表达地表陡缓程度[17-18]。在地理信息系统(geographic information system,简称GIS)工具中，目标像元坡度值一般通过计算与其相邻的8个像元值的水平增量(变化率)和垂直增量得出。坡度通常以度为单位进行测量，计算公式如下

slope_degrees=ATAN{√[(dz/dx)2+(dz/dy)2]}×180/π

(1)

式中:slope_degrees表示坡度，dz/dx指水平方向变化率，dz/dy指垂直方向变化率。

根据森林资源规划设计调查技术规程，坡度可划分为6个等级：Ⅰ级为平坡：0°～5°；Ⅱ级为缓坡：6°～15°；Ⅲ级为斜坡：16°～25°；Ⅳ级为陡坡：26°～35°；Ⅴ级为急坡：36°～45°；Ⅵ级为险坡：46°以上。

2.2.1.3 坡向因子 坡向指一定范围(如小班或目标像元)的地面朝向。在GIS描述坡向特征时，正北角度值为0°，按顺时针计算，坡向角度值介于0°～360°(仍为正北)之间。无坡度的平坦地区赋值-1°。计算公式如下

aspect=180/π*atan2([dz/dy],-[dz/dx])

(2)

if aspect≤90 cell=90-aspect else cell=360-aspect+90

(3)

式中:aspect表示地形坡向，dz/dy表示目标像元垂直方向的变化率，dz/dx表示目标像元水平方向的变化率。根据(2)式计算的坡向aspect值需根据(3)式规则转换为罗盘方向值(0°～360°)，得出最终坡向值cell。

森林资源规划设计调查中，通常把坡向按方位角划分成9个类别：北坡(337.5°～360.0°和0°～22.5°)，东北坡(22.5°～67.5°)，东坡(67.5°～112.5°)，东南坡 (112.5°～157.5°) ，南坡(157.5°～202.5°)，西南坡(202.5°～247.5°)，西坡(247.5°～292.5°)，西北坡(292.5°～337.5°)，无坡向(坡度<5°地段)。按主坡向可分为4个坡向组：阳坡(南坡、西南坡)、半阳坡(西坡、东南坡)、阴坡(北坡、东北坡)、半阴坡(东坡、西北坡)。

2.2.2 GIS空间数据分析 GIS空间数据分析指应用GIS软件工具，挖掘DEM数据特征，获取地理实体位置、形态、分布等信息，并进行数据分析。本研究以ArcGIS软件为平台，叠加小班矢量数据与DEM栅格数据，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，并进行统计和可视化展示。空间分析方法主要采用ArcGIS平台的扩展模块3D Analyst工具。

2.2.2.1 制作森林分布图和海拔图 以石渠县2019年森林资源规划调查小班数据为基础，提取乔木林中的川西云杉林和高山柏林矢量数据，作为本次研究区域，并制作森林分布图。按照研究区范围获取DEM栅格数据，该数据像元大小为8.0 m×8.0 m，每个像元均代表1个海拔高程数值。研究区森林分布图、海拔图见图2、图3。

2.2.2.2 生成坡度、坡向图 打开ArcToolbox工具箱，点击3D Analyst工具→栅格表面(Raster Surface)→坡度(Slope)，输入研究区DEM栅格数据，“输出测量单位”选择DEGREE，“Z因子”为1，输出坡度图；同理，选择栅格表面(Raster Surface)→坡向(Aspect)，输入研究区DEM栅格数据，输出坡向图。

2.2.2.3 生成坡度分级、坡向分级图和海拔区间图 打开ArcToolbox工具箱，点击3D Analyst 工具→栅格重分类(Raster Reclass)→重分类(Reclassify),输入坡度图，选择重分类字段“value”，设置“分类…”，采用自然间断点分级法(Jenks)，类别设为6，输入中断值(K)为5、15、25、35、45以及最大值77，划分坡度等级，输出坡度分级图；同理，输入坡向图，选择重分类字段“value”，设置“分类…”，采用自然间断点分级法，类别设为10，输入中断值为-1、22.5、67.5、112.5、157.5、202.5、247.5、292.5、337.5、360，划分坡向等级，输出坡向分级图。研究区坡度分级、坡向分级见图4、图5。

研究区海拔区间3 250～4 600 m，按我国高程4级划分标准，位于中海拔、高海拔范围，此分类仅适用于粗略的估算统计。为了更详细地分析森林分布的海拔高低状况，将研究区高程从低到高划分成6个梯度区间：3 250～3 500、3 501～3 700、3 701～4 000、4 001～4 300、4 301～4 500、4 501～4 600 m。并按照上述重分类(reclassify)方法生成海拔梯度图(图6)。

2.2.2.4 统计各森林类型地形因子数据 打开Arc Toolbox工具箱，点击Data Management工具→栅格(raster)→栅格处理(raster processing)→裁剪(clip)，选取坡度分级图，输出范围选取川西云杉林矢量数据，复选“使用输入要素裁剪几何”和“保持裁剪范围”，输出川西云杉林坡度分级图层。打开图层属性表，查看字段“VALUE”“COUNT”,可统计川西云杉林各坡度级的像元数量之和。同理，可计算出高山柏林各坡度级的像元数量之和。

坡向、海拔数据统计与坡度操作方法一致。

3 结果与分析

3.1 海拔对森林分布的影响

川西云杉林主要分布在海拔3 700～4 300 m，面积占比为92.19%，4 300 m以上很少，面积仅占2.38%。高山柏林也主要分布在3 700～4 300 m，面积占比为80.78%，同时海拔4 300 m以上也有一定规模，面积占8.11%。结果表明，海拔4 500 m以上几乎是川西云杉林和高山柏林的生长极限，数量极少；4 300～4 500 m区间高山柏林具有更强的适应性，分布范围比川西云杉林更广(表1)。

表1 川西云杉和高山柏林海拔范围

3.2 坡度对森林分布的影响

川西云杉林、高山柏林各坡度等级分布趋势几乎相同。川西云杉林陡坡、急坡面积占比分别为32.99%、45.28%；平坡、缓坡分别占0.15%、2.08%。高山柏林陡坡、急坡面积占比分别为33.09%、45.59%；平坡、缓坡分别占0.20%、2.33%。由此可见，川西云杉林、高山柏林在石渠县主要分布在地势陡峭的高山峡谷地带，平缓地区数量很少(表2)。

表2 坡度分级统计

3.3 坡向对森林分布的影响

川西云杉林主要分布在北坡、东北坡、东坡、西坡、西北坡，占比均超过10%，其中阴坡、半阴坡合计占比72.91%。高山柏林主要分布在东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡，占比超过10%，其中阳坡、半阳坡合计占比80.04%。川西云杉林、高山柏林坡向分布差异明显，川西云杉较喜荫，高山柏喜阳光充足(表3)。

表3 坡向分级统计

4 结论与讨论

4.1 结论

4.1.1 石渠县森林分布范围集中、总量较少 川西云杉林和高山柏林仅分布于石渠县西南部，金沙江及其一、二级支流两岸的高山峡谷地带，总面积19 329.08 hm2，总量较少，仅占石渠县面积的0.86%，其中川西云杉林面积5 109.78 hm2，高山柏林面积14 219.30 hm2。

4.1.2 森林分布受地形影响明显 川西云杉林和高山柏林在海拔高度上相差不大，基本位于3 250～4 600 m，也大都集中在3 700～4 300 m。总体而言，高山柏林分布范围更广，面积也更大，比川西云杉林具有更强的高原气候和土壤的适应性。

川西云杉林、高山柏林各坡度等级分布趋势几乎相同，主要分布在高山峡谷地带，坡度范围集中在26°～45°，面积占比分别达到78.27%、78.68%，平缓地区很少，坡度对这2种森林类型的影响几乎一致。

川西云杉林和高山柏林坡向分异明显。川西云杉林适宜阴坡、半阴坡立地条件，阴坡、半阴坡面积占比72.91%；高山柏林则更适宜阳坡、半阳坡立地条件，阳坡、半阳坡占比80.04%，川西云杉林与高山柏林呈交错分布。

4.2 讨论

在自然状态下，森林空间分布格局往往是由植物种群生物学特性、种内种间关系、周围环境以及人为干扰等多种因素相互作用形成的结果。川西云杉和高山柏较为适应高原气候特点，是川西北地区天然林资源的重要组成部分。川西云杉具有耐寒、耐荫、喜湿润等生物学特性，高山柏则耐寒、喜光和耐瘠薄，本研究也印证了这2种森林类型的不同分布特征。研究中也发现，川西云杉林多处于高山峡谷地带背阴面，水分较充足、土壤肥力较好，树木生长较好，林相整齐，林木生产力较高；高山柏林则多位于阳坡，光照充足、土壤较瘠薄，树基部较粗壮，但树木不高，林木生产力低，在海拔4 500 m以上呈现灌木状。

人为干扰对植物种群更新演替有潜在的影响，从而影响到森林的空间分布格局。1998年我国将天然林资源纳入了长效保护，天然林采伐全面停止，当地传统的放牧活动也得到了有效控制，森林得以休养生息。气候也是影响森林群落结构的重要因素，气候变暖有利于树木更新和生长，促使幼苗和幼树显著增加，从而出现增长型森林种群[19]。川西云杉和高山柏生长缓慢，影响其分布差异的因素很多，本研究仅从宏观角度对其空间分布特征做了数量化分析，其原因和机理还需进一步深入探索。