基于GIS的太白山植被与环境梯度关系分析

张善红,张孝存

（商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000）

基于GIS的太白山植被与环境梯度关系分析

张善红,张孝存

（商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000）

在GIS支持下，应用GIS空间分析功能，选取了年均温、年降水量、海拔、坡度和坡向5个环境影响因子，将各环境因子分别与太白山植被类型图叠加，并对不同植被分布与环境因子的关系进行统计分析。结果表明，灌丛草甸、太白红杉、巴山冷杉、桦林、栎林最适年均温度范围分别为-1.14℃-2.60℃、0.01℃-4.34℃、1.49℃-5.23℃、2.62℃-7.23℃、4.74℃-8.85℃最适年降水量范围为719.1-754.5 mm、717.9-754.6 mm、731.1-768.3 mm、705.6-755.3 mm、680.9-740.1 mm；最适海拔范围为2 659-3 572 m、2 607-3 454 m、3 334-3 164 m、1 997-2 840 m、1 412-2 196 m；在坡度上，各种植被大多较均匀地分布在斜坡、陡坡、险坡上；在坡向上，各植被类型主要分布在半阳坡和阳坡上。

押太白山；梯度分析；遥感；地理信息系统

植被是环境的一面镜子，具有保持水土、改善环境、调节气候、涵养水源等作用，同时也是形成区域小气候的重要环境决定因子，植被类型的空间分布受到多种环境因子的影响。通过分析不同植被类型在不同环境因子梯度上分布规律，了解各种环境因子对不同植被分布的影响已经成为生态学、自然地理等领域的重要研究方向之一。对于植被类型的空间分布和环境梯度的关系，许多学者已经进行了大量相关研究。常禹等[1]在GIS的支持下，确定了长白山地区各植被类型分布的最适环境范围；张元明等[2]针对新疆塔里木河中游地区的不同植被进行了多元统计研究与分析，定量揭示了该区域的植物群落分布的最适环境范围；朱晓勤等[3]采用地理信息系统支持下的环境梯度分析方法，对秦岭山地植被进行环境因子相关分析，得出海拔梯度是决定秦岭山地植被分布的主导因素，坡度和坡向的分异作用不是太明显；并分析了不同植被类型的最优生长环境区间，定量描述研究区内各植被类型的年降水、年均温、海拔、坡度和坡向分布，系统反映了秦岭山地植被与不同环境梯度的分布规律。张文[4]运用地理信息系统技术和植被数量分析方法，对西秦岭植被进行多元统计研究与分析，探讨西秦岭植被类型与年平均气温、7月平均气温、1月平均气温、年平均降水量、7月平均降水量、1月平均降水量、海拔、坡度、坡向以及土壤类型的关系，分析了植被类型与这些环境因子的综合关系。李亚飞和刘高焕[5]研究了大香格里拉地区典型植被空间分布与环境因子的关系，分析了大香格里拉地区不同植被类型分布的年均温、年降水量、日照时数等气候特征以及坡度、坡向、高程等地形特征。

太白山自然保护区地处陕西秦岭腹地中段，保护区内最低海拔1 060 m，最高海拔3 767.2 m，相对高差为2 707.2 m。由于海拔高差比较大，随着海拔高度的递增，气候类型按照一定规律呈连续垂直带状分布，植物带、动物带也呈现出相应的垂直带状。在相对海拔高差1 891 m（1 620-3 511 m）的山地范围内，形成了界限清晰、色调明显的完整植被垂直带谱[6-7]。本文从植被分布与地学因子以及气候因子（年均温和年降水）的时空关系中获取辅助遥感影像监督分类的地学知识[8]，从不同环境因子梯度角度出发，分析太白山各种植被类型与各项环境因子梯度之间的关系，定量描述太白山自然保护区各植被类型的最适宜环境区间范围，定量分析保护区不同植被与环境梯度关系，为保护区的植被生态系统保护和管理提供信息和参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

遥感影像数据：2009年5月的SPOT5遥感影像，空间分辨率2.5 m。

气象数据：结合太白山的具体实际情况，选取太白山及其周边共12个气象站点1970—2009年近40年的月均气温和月均降水数据作为观测数据（数据来自陕西省气象局）。

其他数据：保护区1:5万地形图；保护区1:5万DEM图；保护区行政区划图；GPS野外定点实地考察资料。

1.2 研究方法

1.2.1 监督分类法

在遥感处理软件ERDASImagine 9.3的支持下，SPOT5遥感影像经过大气校正、几何纠正，坐标转换和光谱比值，主成分分析、条纹消除等遥感影像预处理后，根据地形图以及野外GPS实地定点调查数据，以及不同植被类型的纹理、特殊形状特征、目标物阴影特征、相关位置关系、地物大小形状、影像黑白色调深浅等特征建立遥感解释数据库，最终获得太白山自然保护区的植被类型图，解释的正确率达85%，满足研究需要。最终获得保护区六种植被类型：巴山冷杉、太白红杉、栎林、灌丛草甸、桦林和非林地。

1.2.2 各环境因子趋势面的产生

本研究选取的环境因子有气温（年均温）、降水（年均降水量）、海拔、坡度和坡向。海拔高度趋势面为研究区DEM图，坡度和坡向图由DEM处理得到。其中，年均温和年降水量趋势面，根据太白山周边地区12个气象站的气象资料，在Arcgis空间插值模块运用Q-Kriging法进行插值，得到研究区年平均温度和年均降水量趋势面。

1.2.3 植被类型分布环境范围的确定

在GIS的支持下，根据植被类型的空间分布来确定其环境范围。即通过Arcgis的空间分析模块来提取各植被类型分布的各环境因子范围。并采用半峰宽[9-11]的计算方法来确定不同植被类型分布的最适环境区间范围。其中半峰宽的计算公式为：

最适生长范围为：

2 结果与分析

2.1 各植被类型整体分布状况

通过监督分类，获得研究区灌丛草甸、太白红杉、巴山冷杉、桦林、栎林和非林地六种植被类型，统计各植被类型的面积，见图1。由图1可以看出，桦林和巴山冷杉在整个景观林中占绝对优势，面积分别是23 814.0 hm2和13 971.92 hm2，其中桦林占研究区总面积的比例为42.28%，而巴山冷杉占研究区面积比例为24.81%，其他类型植被面积比例均小于总面积的15%。太白红杉面积为6 742.08 hm2，占总面积比例为11.97%，栎林的面积为5 812.61 hm2，占总面积比例为10.32%，灌丛草甸的面积为3 540.02 hm2，占总面积比例为6.28%，最小的是非林地，面积为2 444.32 hm2，占总面积的4.34%。

图1 太白山植被类型的面积

2.2 不同植被类型分布的最适温度

温度控制着植被分布的纬度性，是影响植被分布的最重要的环境因子之一[1]。植被类型图与年均温趋势图进行叠加分析，得到不同植被类型分布的最适年均温范围，结果见表1。从表1可以看出，各种植被类型的分布的最适年平均温度的变化是非常明显的。灌丛草甸分布的温度下限为-1.82℃，温度上限为6.9℃，平均温度为1.08℃，最适温度范围为-1.14℃-2.6℃；太白红杉分布的温度下限为-1.04℃，温度上限为9.18℃，平均温度为2.17℃，最适温度范围为0.01℃-4.34℃；巴山冷杉分布的温度下限为-0.18℃，温度上限为8.73℃，平均温度为3.36℃，最适温度范围为1.49℃-5.23℃；桦林的温度下限为-1.04℃，温度上限为10.46℃，平均温度为4.93℃，最适温度范围为2.62℃-7.23℃；栎林的分布的温度下限为0.29℃，温度上限为10.46℃，平均温度为6.79℃，最适温度范围为4.74℃-8.85℃。从温度的分布状况，明显反映出各种植被类型的垂直地带性。本研究通过高斯克里格（Q-Kriging）插值，产生年均温数字面，具有空间分布均匀、数值分布连续等特点，方便数据的统计与分析。

表1 不同植被类型分布的最适年均温范围(单位：℃)

2.3 不同植被类型分布的最适降水量

通过降水量趋势面图与植被分布图叠加分析，得到不同植被类型分布的最适降水量范围，统计结果见表2。降水的分布状况可以反映出植被的垂直带性，但从表2可以看出，垂直带不是很明显。值得注意的是，巴山冷杉降水量的最适范围上限最高，这是由于太白山山体垂直高差较大，降水量从山底到山顶的分布呈现先增加后减少的趋势。由表2还可以看出，灌丛草甸分布的降水量下限为701.4 mm，降水量上限为762.1 mm，平均降水量为736.8 mm，最适降水量范围为719.1-754.5 mm；太白红杉分布的降水量下限为673.2 mm，降水量上限为765.6 mm，平均降水量为736.3 mm，最适降水量范围为717.9-754.6 mm；巴山冷杉分布的降水量下限为681.7 mm，降水量上限为778.1 mm，平均降水量为749.7 mm，最适降水量范围为731.1-768.3 mm；桦林的降水量下限为671.6 mm，海拔降水量为773.5 mm，平均降水量为730.2 mm，最适降水量范围为705.0-755.3 mm；栎林的分布的降水量下限为671.6 mm，降水量上限为773.5 mm，平均降水量为730.2 mm，最适降水量范围680.9-740.0 mm。非林地分布的降水量下限为673.2 mm，降水量上限为764.9 mm，平均降水量为737.6 mm，最适降水量范围716.9-758.3 mm。

2.4 不同植被类型分布的最适海拔高度

地形因子中，海拔梯度是山地植被分布格局的首要控制因子[12-13]。气温随海拔的升高表现出规律性的相应下降，且降水和太阳辐射也会随之发生改变，从而对植被类型的分布产生影响。本文利用Arcgis软件提取每种植被类型生长的最小值、最大值、平均值和标准差，并根据半峰宽的计算方法，提取每种植被类型生长的最适海拔范围。统计结果见表3。

表2 不同植被类型分布的最适降水量范围(单位：mm)

表3 太白山植被分布的海拔范围(单位：m)

由表3可知，不同植被分布随海拔高度的增加表现出非常明显的垂直层次，体现了太白山地区各植被类型的垂直地带性分布。按照海拔从高到低各植被的分布顺序是灌丛草甸、太白红杉、巴山冷杉、桦林和栎林，并且它们生长的最适范围有一些重叠。灌丛草甸分布的海拔下限为1 931 m，海拔上限为3 755 m，平均海拔为3 266 m，最适海拔范围为2 959-3 752 m；太白红杉分布的海拔下限为2 152 m，海拔上限为3 700 m，平均海拔为3 031 m，最适海拔范围为2 607-3 454 m；巴山冷杉分布的海拔下限为1 569 m，海拔上限为3 452 m，平均海拔为2 749 m，最适海拔范围为2 334-3 164 m；桦林的海拔下限为1 177 m，海拔上限为3 548 m，平均海拔为2 419 m，最适海拔范围为1 997-2 840 m；栎林分布的海拔下限为1 060 m，海拔上限为3 239 m，平均海拔为2 179 m，最适海拔范围1 412-2 196 m。

2.5 不同植被类型与坡度相关分析

由于植被类型生长的坡度范围不能成正态分布，因此不能用半峰宽的公式确定植被类型生长的最适坡度范围。为了更好地分析研究区植被类型与不同坡度之间的关系，把研究区坡度划分为6个等级，分别为险坡（＞45°）、急坡（35°-45°）、陡坡（25°-35°）、斜坡（15°-25°）、缓坡（5°-15°）和平坡（0°-5°）。运用Arcgis软件的空间分析模块，将保护区坡度分级图与各植被类型分布图进行叠加处理，得到不同坡度分级上的不同植被类型分布比例，结果如表4。

表4 不同植被类型在不同坡度分级上的比例(单位：%)

由表4可以看出，保护区内各植被的分布与各坡度分级的关系不是很明显，研究区内植被大多均匀地分布在急坡、斜坡、陡坡上，平坡上的分布比例相对较小。这可能是由于太白山地区，平坡所占比例较小（平坡占整个研究区的比例是2%）的原因。分布在较高海拔地区的灌丛草甸和太白红杉主要在急坡、斜坡、缓坡、陡坡上分布，在险、陡、斜、缓坡上的面积分别超过91%和82%。巴山冷杉主要分布在急坡、陡坡和斜坡上，超过总面积的73%。栎林和桦林主要分布在斜坡、急坡、陡坡和险坡上，二者在这四个分级坡度上的面积均在90%以上。非林地因为大多是河流、湖泊、道路、悬崖、耕地、裸地、乱石等，所以大多位于坡度比较大的坡上。

由于坡度不同，单位面积接受的太阳辐射也会有所不同，因此，水分与土壤的流失量也会不同。坡度陡，水分少、土层薄、无机盐容易淋失，土壤呈酸性，坡度的平缓地方，土层较厚、且水分多、土壤酸性较差。因此坡度对植被的分布会产生一定影响，但相对温度、降水量、海拔，坡度只是影响植被分布的次要因子[14]。

2.6 不同植被类型与坡向相关分析

阴坡与阳坡的光照时数、光照强度不同，且阳坡的地表温度变化、气温的时间尺度变化、水分蒸发程度、土壤的理化过程及强度、土壤有机物质的矿化分解、转化和迁移过程都超过阴坡，影响着阴坡和阳坡的土壤成分，阳坡的空气中湿度变化和土壤含水量的变化相对阴坡要低[3]。经过较长期的适应与进化发展，引起植被和环境的生态关系发生改变，导致不同的植被大致适应于某一特定的坡向分布范围[15]。利用ArcGIS软件的空间分析功能，将坡向分级图与植被类型图进行叠加分析，统计并分析得到不同坡向分级上的不同植被类型分布情况，结果见表5。

表5 不同坡向分级上各植被分布比例(单位：%)

由表5可以看出，各植被类型在阳坡和半阳坡上的面积比例均在75%以上。各植被在阴坡上的比例均在25%以下。值得引起注意的是，巴山冷杉在阴坡上的分布比例超过24%，高于其他植被类型在阴坡上分布的比例，这主要因为巴山冷杉是喜阴植物。总体看来，各植被在平缓坡分布最少，阴坡上分布较少，在阳坡和半阳坡上分布最多。而且各坡向分级上植被类型面积比例相当，这可能因为太白山地区平坦地区较少、但阳坡和半阳坡较多有关，同时也反映出受光照时数和光照强度大的坡度的土地利用效率较高。这说明坡向可以一定程度上影响植被分布，对植被的分布会起到一定作用。但不同坡向分级对本研究区的植被分布影响作用不是很大。

2.7 各植被类型的最优环境生长区间

通过统计各植被类型与不同的环境因子的梯度关系，综合分析各植被类型与年均温、年降水量、海拔、坡度、坡向等环境因子之间的关系，最终得到保护区各植被类型的最优环境生长区间，结果见表6。

表6 不同植被类型最优环境因子生长区间

本文利用各环境因子趋势面与植被类型图叠加进行相关分析（见表6），对不同植被的分布与环境因子的关系进行了研究，定量地描述了各植被类型在各环境因子（年均温、年降水量、海拔、坡度、坡向）趋势面上的分布状况，得出不同植被类型的最佳环境生长区间。证明太白山地区植被分布与这些环境因子之间是相互制约、相互影响的，得出海拔和气温是决定太白山植被分布的主要因子。

3 结论与讨论

本研究发现，降水量分布状况反映的植被垂直带性不是很强。这可能是由于保护区年降水量在650-800 mm[16]，降水量比较丰沛，满足本区植被生长需要，因此反映的植被垂直带性不明显。另外，根据张善红[17]的研究，太白山植被对温度变化的敏感性高于降水变化，也说明降水对该区植被的空间分布影响不明显。本研究还发现，巴山冷杉在阴坡上的分布比例较大，这主要因为巴山冷杉是喜阴植物。另外，这与史小华等[18]的研究，巴山冷杉在阳坡的分布上，幼龄株数量较少，中龄级株数量不多，但在半阳坡上，幼龄株数量相对较大，在阴坡上，成年个体生长良好，幼苗更新不良，结果是一致的。

植被分布不仅与气温、降雨、海拔、坡度和坡向这些环境因子相关，此外，年均日照时数、年均太阳辐射、生物学温度、活动积温、年均蒸发量以及土壤有机质含量等环境因子也有很大关系，如果加入这些数据的分析，将对本文的研究结果和揭示本区植被分布与环境梯度关系规律有着更大的帮助。

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（责任编辑：李堆淑）

GIS-based Analysis on Vegetation-Environment Gradient Correlation in Taibai Mountain

ZHANG Shan-hong,ZHANG Xiao-cun
（CollegeofUrban，RuralPlanningandArchitecturalEngineering，ShangluoUniversity，Shangluo 726000，Shaanxi）

With the support of GISand application of the function of GISspace analysis,five environment factors:the annual average temperature,annual rainfall,altitude,slope and aspect are chosen,the vegetation map of Taibai Mountain and each environmental factors map was superposed and analyszed.The results showed that as to the shrub meadow,Taibai redwood,Bashan fir and birch forest and oak forest,the optimum annual average temperature ranges were-1.14℃-2.60℃,0.01℃-4.34℃,1.49℃-5.23℃,2.62℃-7.23℃,4.74℃-8.85℃,-1.36℃-4.31℃;and the optimum annual average precipitation ranges were

719.1 -754.5 mm,717.9-754.6 mm,731.1-768.3 mm,705.6-755.3 mm,680.9-70.1 mm;the optimum altitude range of 2659-2659 m,2607-3454 m,3454-3164 m,1997-2840 m,2840-2196 m,respectively. The vegetation types in Taibai Mountain were mainly distributed in Slope,steep slope and dangerous slope,and they were mainly distributed on half sunny slope and sunny slope.

Taibai Mountain；gradient analysis；RS；GIS

Q948

：A

：1674-0033(2014)04-0019-06

10.13440/j.slxy.1674-0033.2014.04.05

2014-05-19

国家林业公益性行业科研专项项目（201304309）

张善红，女，山东日照人，硕士，助教