吐尔根杏花沟新疆野杏对不同坡向的适应性1)

陈晨 闫俊杰 崔东 吾木提·艾山江 牛克昌

(伊犁师范大学,伊宁,835000)

新疆野杏(Prunusarmeniaca或ArmeniacavulgarisLam.)是蔷薇科(Rosaceae)李亚科(Prunoideae)杏属(ArmeniacaMill.)阔叶落叶乔木,由第三纪孑遗古温带阔叶林与第四纪更新世北方森林对环境演变的适应而来[1-2],在新疆西天山伊犁河谷山间多有分布,极具自然生态和社会经济价值[3]。过去伊犁河谷新疆野杏(下文简称为野杏)曾因人类活动与环境变化的负面影响严重衰退,已列为国家II级重点保护野生植物[4-7]。

研究野杏的空间分布特征规律,对其科学保护和合理利用有实际意义。迄今为止,研究野杏生态地理特征[1-2]、种质资源[8-9]、成土条件过程性质[10-11]等主要采用地植物学路线调查或抽样调查方法,进而与有关部门协同加强资源管理、进行森林抚育、开展病虫害防控、收集保存种质资源、建立保护区、推进环保宣传教育[12-13]。

近年来,伊犁河谷野果林花期日益成为旅游热点,以吐尔根杏花沟最为著名。经过多年实地调研发现,封山育林有效遏制了野杏及其生境的过度开荒、樵采、放牧,适度发展生态旅游促进了野杏资源绿色开发,但目前野杏种群年龄结构基本上呈纺锤形,总体不稳定,主要组成为83.60%的成熟中龄与大龄阶个体、10.16%的小龄阶个体,种群健康等级综合评价为中等偏下[14],种子实生率、幼苗存活率低,幼苗建成和天然更新能力严重不足,叶细菌性穿孔病[15]、杏树鬃球蚧[16]等病虫害亦常年发生,为害范围广、程度深,应持续关注。

目前,该区域野杏详细的基础性数据与相关的系统性研究成果仍相对缺乏,亟待开展全面的资源调查。通过长期实地调查发现,流域中部除野杏外的其他阔叶树种分布很少,形成大规模野杏纯林,而流域上游主要为雪岭云杉(Piceaschrekiana,以下简称为云杉)构成的针叶林,森林树种构成单一,为使用实地路线调查与遥感全域观测相结合探明野杏森林资源,提高了可行性与准确率。

同时,野杏对生态环境的适应机制仍需深入探究,坡向等地形是影响伊犁河谷野果林分布重要环境因子之一[17],因此本研究可以在全面探明野杏资源空间分布的基础上,通过地理信息系统数字地形分析方法,进一步研究野杏在不同坡向立地的分布特征与规律,为因地制宜地封育更新、恢复重建、移植栽培野杏提供基础资料和参考依据。

1 研究区概况

吐尔根,蒙古语意为水流湍急的河,发源于中国新疆境内西天山北支中段的阿吾拉勒山,自东北向西南汇入伊犁河重要支流巩乃斯河,流域内因分布着大面积原始野杏纯林而被称为吐尔根杏花沟。自然地理区划较行政区划更适合发现自然资源要素的特征规律,本研究中的吐尔根杏花沟是以吐尔根河流域明确界定的区域范围(图1)。虽然吐尔根河相邻的河流流域也有部分野杏生长分布,且有部分区域在行政区划上属于吐尔根乡,但都不计入本研究范围。

图1 吐尔根杏花沟区域范围

2 研究方法

采用两步路户外助手手机应用软件,以日期命名并记录kml格式的实地调查路线轨迹数据7条,同时可沿路线拍摄包含地理坐标信息的地物景观照片,路线数据可导入地理信息系统与遥感数字图像处理软件,用于遥感信息提取前训练样本的选择、提取后结果的对比验证与编辑修正(图2)。

图2 吐尔根杏花沟野杏实地路线调查与遥感信息提取

采用WorldView-3卫星遥感影像数据,将全色与多光谱波段融合,空间分辨率为0.5 m,用于提取野杏林林冠面数据。因研究区范围较大,同一时期的高分辨率遥感数据相对较难获取,优先选择2019年夏季数据,缺乏的以相邻年份、月份数据补充。

采用SRTM DEM数字高程模型数据,空间分辨率为90 m,用于提取流域、海拔、坡向、坡度、等高线、山体阴影。高分辨率非开放数字高程模型(DEM)数据较难获取,在开展本研究时,可获取的2种开放共享DEM数据中,通过微波雷达成像的SRTM DEM较基于光学立体像对成像的30 m空间分辨率ASTER DEM精度相对更高,是选用此DEM的主要原因。

首先,使用ArcGIS软件ArcSWAT扩展工具,从SRTM DEM中提取流域矢量,确定研究区范围,并作为掩膜提取研究区内DEM。按照现行的林业调查标准[18],使用地形分析、重分类、数据类型转换工具,得到研究区内100 m间距海拔、9个坡向、6个坡度共3类地形面状矢量。

其次,使用ENVI软件(遥感图像处理软件)以真彩色合成波段组合显示WorldView-3遥感影像,将实地路线调查中对地物信息的观察记录与遥感影像中的地物特征建立联系,可知野杏与云杉空间分布存在差异,树冠形状、颜色、阴影区分明显,周边参照地物也不相同。遥感影像中,野杏主要分布于流域中游海拔较低处,树冠低矮呈圆球状,秋冬春季多为暗灰色、夏季为浅绿色,树影低矮且面积极小;云杉则多位于流域上游海拔较高处,因传感器拍摄有一定倾角,故树冠高耸多呈椭球状,其为常绿针叶林,一年四季均呈深绿色,树影狭长且面积较大,林缘林隙中常可见长直倒木,地面有积雪时树冠仍有绿叶(图2)。

再次,使用ENVI软件基于样本的面向对象提取工具,实验确定影像最优分割、合并尺度,生成地物对象斑块,根据上述判别特征,选择分类训练样本,提取出野杏树冠面状矢量数据,并在ArcGIS软件中对照实地调查路线、遥感影像,目视检查并编辑修正分类结果。以野杏林冠投影面积、野杏林冠投影面积占土地面积的百分比作为2个定量研究指标,下文简称野杏面积、野杏覆盖率。

最后,使用ArcGIS软件的叠置分析工具,先将海拔、坡向、坡度矢量相交形成含地形信息的土地面状矢量数据,再将其与野杏面状矢量数据叠置相交分析,分别通过计算几何得出含3类地形信息的土地面积、野杏面积。分类统计各地形因子组合的土地、野杏面积,计算出对应的野杏覆盖率。

3 结果与分析

3.1 野杏面积与覆盖率

经计算,吐尔根杏花沟内土地面积约266.99 km2,野杏面积共有17.45 km2,野杏覆盖率6.54%,主要分布于西南部沟谷与山体坡面上(图1)。

本研究通过遥感影像数据提取出的吐尔根杏花沟野杏总面积17.45 km2(26 175亩),与新源县林业和草原局通讯报道中的30 000多亩数值接近[19]。即本研究与林草部门已开展调查工作在具体范围界定、数据时期、测算方法等方面可能均存在一定差异,但统计结果仍非常接近。因此可以推断,本研究基于实地路线调查与遥感全域观测相结合的方法,较为准确而高效,具有科学性和适用性,可以用于吐尔根杏花沟野杏空间分布情况调查研究。

3.2 野杏的坡向分布特征

野杏在吐尔根杏花沟各坡向土地上均有部分生长分布(表1),但各坡向野杏面积、覆盖率存在差异,也反映出野杏对各坡向生境适应程度不同。土地面积、野杏面积同为阳坡(东南、南、西南、西)多于阴坡(西北、北、东北、东),而野杏覆盖率阴坡高于阳坡。

3.3 野杏在不同坡向各海拔的分布特征

不同坡向野杏分布的海拔范围不同(表2)。阴坡北坡向野杏分布在1 100～1 900 m,阴坡东北、西北坡向野杏分布在1 000～1 900 m,此外其他大多数坡向野杏分布在900～1 900 m,阳坡野杏分布的海拔范围比阴坡略广,与部分实地调查结论接近[1,20]。

表2 吐尔根杏花沟不同坡向各海拔新疆野杏覆盖率及其变异系数

不同坡向各海拔野杏覆盖率均随海拔上升而先递增、后递减。不同坡向各海拔野杏覆盖率峰值海拔区间的高低不同(表2)。野杏覆盖率峰值海拔梯度最高的是阴坡北与西北,达1 400～1 500 m;其次是阳坡南与西南,为1 300～1 400 m;再次是阳坡西与东南,为1 200～1 300 m;最低的是阴坡东北与东,为1 100～1 200 m。

通过计算不同坡向各海拔野杏覆盖率变异系数可知,不同坡向各海拔区间野杏覆盖率差异较小,阳坡各海拔野杏覆盖率差异总体略微小于阴坡。

3.4 野杏在不同坡向各坡度的分布特征

结果发现,使用空间分辨率90 m的SRTM DEM在研究区中提取出的土地坡度均在0°～45°,没有>45°的坡面。这主要是因为坡面越陡峭,其水平投影面积比实地面积越小,而当水平投影面积小于SRTM DEM数据90 m×90 m的矩形采样单元时,都会被并入最近邻、面积更占优的较缓坡度栅格单元中,因此提取坡度时精度会受到一定影响,误差会随着坡度值升高而越大,导致接近45°及以上坡度陡、高差大、强烈切割的地形起伏细节不能被完整精细地表现出来,但从全流域都没有提取出>45°坡面来看,该区地表实际>45°的坡面较少,在开展实验的条件下,能够使用90 m的SRTM DEM支撑野杏分布与坡度陡缓对应关系的研究。

不同坡向野杏分布的坡度范围相同,均分布在(0～45)°坡度范围中。大多数坡向上野杏覆盖率都呈现出随坡度增陡而升高的分布特征(表3)。不同坡向各坡度野杏覆盖率峰值、谷值坡度区间基本相同。

表3 吐尔根杏花沟不同坡向各坡度新疆野杏覆盖率及其变异系数

通过计算不同坡向各坡度野杏覆盖率变异系数可知,不同坡向各坡度区间野杏覆盖率存在明显差异,阳坡各坡度野杏覆盖率差异大于阴坡。

4 讨论

4.1 野杏对不同坡向的适应性

野杏的最大净光合速率和光饱和点显示其属于能够适应高光强环境条件的阳生树种,但适应高光照强度的阈值在阳生植物的下限范围,气孔开张对外界环境变化高度敏感的生理适应方式也是为了尽量减少水分流失[8,21],半干旱气候区的新疆野杏更适应生长于相对温暖湿润的环境。西天山南北两支东西走向的高大山体形成向西开放的楔形伊犁河谷,既阻挡了南来的干热气流和北来的干冷气流侵袭,又能使暖湿的西风气流长驱直入形成丰富的西风迎风坡降水,与新疆其他区域典型的温带大陆性干旱气候不同,具备良好的水热保存条件[1,13],因此野杏对吐尔根杏花沟各坡向生境均有一定适应性。

已有部分研究提出,日照充足、热量丰富、空气干燥、降水充沛、黄土堆积物较厚的南向、西向、东向的陡斜阳坡半阳坡有利于野杏生长,形成带状或点片状天然林,东南方位树冠上散落的种子密度明显高于西北方位[22],阳坡野杏种子萌发率[23]、幼苗存活率[24]均高于阴坡。而吐尔根杏花沟阳坡野杏面积虽多于阴坡,阳坡野杏覆盖率却低于阴坡,直接成因之一是该区域位于西天山北支阿吾拉勒山南坡,阳坡土地面积远多于阴坡(见图2(a))且多为丰茂的山地草原所占据[1]。因此,若以野杏覆盖率作为野杏对立地适应性评价指标时,吐尔根杏花沟阴坡总体较阳坡更适宜野杏生长分布。

4.2 野杏对不同坡向各海拔的适应性

田中平等研究得出海拔是影响伊犁河谷北坡野果林木本植物物种分布的决定性环境因子,其次是坡向和其他因子[17,25]。不同坡向野杏基本都分布在900～1 900 m的中山带下部,取决于冬季半封闭山间谷地内,自谷底沿坡800～2 000 m随海拔高度增加气温不降反增或相对稳定的逆温现象,保障了野杏安全越冬至关重要的热量资源[26],而伊犁河谷降水量随着海拔上升显著递增[27],也为野杏生存提供了必要的水分条件。

不同坡向野杏为适应海拔主导的生态因子,覆盖率都呈现出随海拔上升先递增、后递减的垂直地带性分布规律。这与新疆野杏种子总数及各状态种子数都随海拔上升先增加后减少[22]、1 100～1 300 m野果林木因冰雪灾害受损比例随海拔升高而逐渐减小[28]、900～1 500 m野杏在海拔1 300 m左右花期冻害率最低[29]等植物生态特征对应。此外,野杏在阳坡比阴坡分布的海拔范围略广,符合落叶阔叶林垂直地带性分布的一般特征。不同坡向野杏覆盖率出现峰值的海拔梯度主要分布在1 100～1 500 m,是最适宜野杏生长的海拔区间。

4.3 野杏对不同坡向各坡度的适应性

不同坡向野杏在各坡度范围中均有分布,大多数坡向上野杏覆盖率都呈现出随坡度增陡而升高的分布特征。有研究发现,坡度对野杏萌发层土壤特征和养分分布有显著影响,坡度导致的水土流失量与土壤养分流失成正比,缓坡较陡坡的土层更厚、土壤养分含量更丰富更适宜野杏萌发[23],但由于野杏耐瘠薄干旱土壤能力强,且更适应具备减缓寒潮侵袭和干旱风影响的有利气候环境中,因此其很少分布在缺乏起伏地形的浅薄前山带和平板少切割的山体,而多趋向生长在坡度陡、高差大、强烈切割的前山丘陵、山间谷地中的山脊、凸坡和坡地上部、稍凹的台地和河谷阶地[1,21]。

不同空间分辨率和精度的DEM提取坡度存在差异,尤其在山地河谷环境下,若要更精准地研究野杏分布与坡度陡缓间的关系,应获取或制作更高空间分辨率和精度的DEM进一步开展深入研究。

5 结论

通过实地线路调查、遥感影像提取、地理信息系统空间分析能够探明吐尔根杏花沟野杏的总体分布情况,可以为研究野杏对各类型立地的适应特征提供可行方法和有效信息。后续可在此基础上开展基于长时间序列、多物候相、多源遥感数据等方面的拓展研究,进一步丰富野杏的基础资料,深入分析野杏的生态适应机制。

伊犁河谷规模最大的原始野杏纯林在其最适应生存的吐尔根杏花沟内面积共有约17.45 km2,覆盖率仅占约6.54%,因此今后仍应持续高度重视野杏及其生境的科学保护与合理利用。沟谷西南部山体坡面野杏主要分布区、野杏面积占优的阳坡和覆盖率占优的阴坡、中山带下部中段1 100～1 500 m的海拔梯度、部分较陡坡面等适应野杏生存的区域,可因地制宜地进行封育更新、恢复重建、引种栽培等实验与措施。