基于GIS的四川省植被类型分布与地质背景的关系研究

管 磊， 王华军， 王玉宽， 彭培好

(1. 成都理工大学 a.地球物理学院， b.地球探测与信息技术教育部重点实验室,c.生态资源与景观研究所, 成都 610059；2. 中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041)



基于GIS的四川省植被类型分布与地质背景的关系研究

管 磊1a,b,c,2， 王华军1a,b*， 王玉宽2， 彭培好1c

(1. 成都理工大学 a.地球物理学院， b.地球探测与信息技术教育部重点实验室,c.生态资源与景观研究所, 成都 610059；2. 中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041)

在四川省植被类型分布数据和地质图的基础上，以200 m海拔间隔将四川省划分为36个高度带，在ArGIS10.1软件平台下，利用地理统计功能，分别统计各个高度带内植被类型、土壤类型和岩性的数量，得到植被类型多样性、岩性多样性和土壤类型多样性。三者在四川省的空间分布存在中域效应，即随着海拔梯度的增加，呈现先增大后减小的单驼峰形格局，且三者分布最高的海拔区间分别是1 400 m～1 800 m、1 400 m～1 800 m和1 800 m～4 000 m。运用回归分析法对三者之间的关系进行分析研究，可知随着土壤类型多样性或岩性多样性的增加，植被类型多样性随之增加。结果表明：四川省植被多样性与岩性多样性、土壤类型多样性之间存在显著的正相关关系。该研究揭示了四川省植被类型分布与地质背景的关系，为全球气候变化背景下四川省的区域环境建设和生物多样性保护规划提供了科学的理论与数据支持。

地理信息系统； 植被； 地质； 尺度； 中域效应

0 引言

因为植被是联接土壤、大气和水分等要素的自然纽带[1]，所以对植被分布格局的研究有助于了解全球变化背景下的区域环境状况。植被的分布格局是不同尺度上地球物理环境综合作用的结果。在大尺度上，气候、地质构造等决定特定的植被类型；在小尺度上，微地形、局地气候、土壤等决定特定的植被类型。过去的研究，对大范围的植被分布、地质相关数据的获取较为困难，因此对植被类型分布格局形成的解释主要都集中在气候、土壤、地形等三个要素，而对地质要素的研究较少。随着遥感技术和全球定位系统的发展，使得大范围的植被和地质数据的获取更加便捷。四川省地处我国陆地地势三级阶梯中的一、二级阶梯之间，地形复杂多样，植被类型丰富。这里以大比例的土壤类型分布图、地质图和植物类型分布图为基础数据，运用GIS强大的多源数据处理能力和空间分析能力，分析四川省植被类型分布与地质背景的关系，试图揭示在省域这一大尺度上植被类型分布的地质背景，为全球气候变化背景下四川省的区域环境建设和生物多样性保护规划提供科学的理论与数据支持。

1 研究区概况

四川省位于中国内陆西南腹地(图1)，长江上游，介于东经97°21′～108°12′和北纬26°03′～34°19′之间，面积约为48×104km2。全省地质构造复杂，境内出露的地层，自元古界至新生界各系均有，层序齐全。元古界(前震旦系)构成扬子地台基底，分布于“康滇地轴”轴部、米仓山、大巴山以及川中块体的基底等地。震旦系主要分布于西昌、凉山、雅安、乐山等地区。古生界为扬子地台盖层，主要分布于东部地台区。中生界东西两部地层差异明显，其中三叠系普遍发育，分布全省。侏罗系主要分布于四川盆地。白垩系主要分布于四川盆地的北、西、南缘和西昌、会理地区。第三系主要分布于四川盆地西南的名山、雅安、芦山、天全、洪雅、大邑、邛崃等地，凉山州的安宁河流域和渡口金沙江一带，盐源、盐边地区，西部高原的理塘、白玉、稻城等地。第四系在成都平原、若尔盖和红原地区有大面积分布，其余多在江河两岸，山间盆地零星分布。显著的纬度差异和巨大的海拔差异造就了四川独特的地形、地貌、气候、水文和土壤，从而孕育了丰富的生态系统多样性。省内从南到北随纬度增加以及从东到西随海拔增加，显示出从温暖潮湿的亚热带气候到暖温带、温带、寒温带、亚寒带和寒带气候的气候梯度，于是乔木树种也从常绿阔叶变为落叶阔叶树种到常绿针叶树种。在四川的森林生态系统中，可以观察到各种类型的森林群落，从低纬度的四川南部到高纬度的北部，从低海拔的东部到高海拔的西部，常常随纬度梯度和海拔梯度形成常绿阔叶林群落、落叶阔叶林群落、针阔混交林群落和常绿针叶林群落。

2 资料来源和分析方法

2.1 资料来源

这里所用DEM数据为空间分辨率为100 m的栅格数据，来源于NASA 和 NIMA 在 2004 年免费公布的SRTM DEM数据集。四川省岩性数据裁剪于1∶2 500 000中国地质图，植被类型数据裁剪于 1∶1 000 000中国植被数据集，土壤类型数据裁剪于1∶1 000 000中国土壤数据集，这三个数据集的文件格式均为矢量面文件。这些数据均来源于国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”网站 (http://westdc.westgis.ac.cn)。

2.2 采样方法

采样空间尺度的选取对物种的空间分布格局及其规律的解释有着十分密切的关系[2-4]。不同海拔带上物种和环境因子存在差异性和多变性，而不同的取样尺度的选取对植物性分布格局与环境因子的解释影响较大。所以在对多种地质背景因子进行信息采样时，必须建立统一的采样尺度。在山地植被的研究中，目前国内大多数的研究主要集中于海拔梯度上垂直带的划分及多样性的分布格局上[5-6]。常见的采样方法有两类，①将山地划分为等海拔间距的山体高度带；②将山地划分为等面积的山体高度带。后者由于海拔跨度的不确定性，因而面临单元面积的大小划分主观随意性大，差异的消除较困难，相关结果的可比性差等问题[7-8]。前者虽然也存在各高度带之间面积不相等和海拔间距的大小划分主观随意性大的问题，但是可以通过计算物种密度的方法来消除差异[9]。为了使研究成果更具有可比性，这里选取等海拔间距的采样方法，将四川省划分为若干个高度带。综合前人的研究结果，无论是从经验上主观划定海拔间隔[10]，还是选取不同的海拔间距序列进行逐一的统计对比分析[11]，200 m的海拔间距均被认为是一个比较合适的取值。因此这里选取200 m作为海拔间隔，将四川省分为若干个高度带，然后在各个高度带上，进行植被类型因子和地质背景因子的信息采样。

图1 四川省区位图

在ArcGIS10.1软件平台中，调用reclassify重分类模块，将DEM数据按200 m的海拔间隔进行重分类；然后调用Raster to Polygon模块，将重分类后得到的文件转换为矢量面文件，命名为DEM_RePolygon；最后调用Union模块将DEM_RePolygon文件分别与土壤类型、岩性和植被类型的矢量面文件进行相交联合操作，即可得到土壤类型、岩性和植被类型因子在各个高度带上的采样信息文件，并分别命名为Soil.shp、Rock.shp和Plant.shp。

2.3 多样性指数的计算

这里研究的地质背景主要考虑两个因子，即土壤类型和岩性。土壤类型采用的是1∶1 000 000 中国土壤数据集中的亚类一级，则四川省分布60种土壤类型。岩性采用的是1∶2 500 000 中国地质数据集种的分类，则四川省分布363种岩性。研究的植被类型采用的是1∶1 000 000 中国植被数据集[12]中的群系和亚群系一级，则四川省分有216种植被类型。

多样性指的是在某一高度带内，土壤类型、植被类型或岩性的数量。将Soil.shp、Rock.shp和Plant.shp的属性分别导出成后缀为.dbf的数据库文件，然后在Excel2007软件中打开，进行分类汇总，得到土壤类型多样性、植被类型多样性和岩性多样性。

3 结果与分析

3.1 采样与多样性指数计算结果

四川省SRTM DEM数据显示，四川省最低海拔196 m，最高海拔6 906 m。而实际情况是四川省的最高海拔在贡嘎山的主峰，海拔7 556 m。这是由于DEM数据的空间分辨率为90 m，卫星在进行遥感探测时，能识别的地物最小面积为8 100 m2。而贡嘎主峰峰顶近似于平台，面积约70 m2，远远小于卫星所能识别的最小空间分辨率，因而造成DEM数据显示的四川省最高海拔为6 906 m。由于高于海拔6 906 m的区域均位于常年积雪的高山之巅，几乎没有植物的分布，因此认为DEM数据可以用于分析四川省的地形特征。

在ArcGIS10.1软件平台中，调用重分类模块，将DEM数据按200 m的海拔间隔进行重分类，则四川省共可分为36个高度带。将重分类后的文件转换为矢量面文件，再分别与土壤类型、岩性和植被类型的矢量面文件进行Union操作，得到采样信息文件。将此文件的属性导出为.dbf文件，在Excel2007软件中进行分类汇总，得到土壤类型多样性、植被类型多样性和岩性多样性，统计结果见表1。同时根据四川省海拔的分布特征，参考《四川省地貌区划》，制定如下的地形分类标准，高程小于等于 1 800 m的地区(1～9高度带)划分为低海拔地区，大于 1 800 m且小于等于 4 000 m的地区(10～20高度带)为中海拔地区，大于 4 000 m的地区(21～36高度带)为高海拔地区。

从表1可知，①岩性多样性最高的海拔区间是1 600 m～1 800 m，最低的海拔区间是6 600 m～7 000 m，在200 m的海拔梯度内，分别分布有142和1种岩性；②植被类型多样性最高的海拔区间是1 400 m～1 800 m，最低的海拔区间是6 600 m～7 000 m，在200 m的海拔梯度内，分别分布有110和1种植被类型；③土壤类型多样性最高的海拔区间是 2 400 m～2 600 m和 2 600 m～2 800 m，最低的海拔区间是6 200 m～7 000 m，在200 m的海拔梯度内，分别分布有33和1种土壤类型。

3.2 植被类型多样性沿海拔梯度的变化

根据表1的结果，绘制出四川省植被类型多样性沿海拔梯度分布的变化曲线(图2)。

在低海拔地区，随着海拔的上升，植被类型多样性呈现逐渐上升的趋势。在中海拔地区，随着海拔的上升，植被类型多样性呈起伏状态，先降低，再升高，然后再降低，升高，再降低，再升高的一个波动曲线。其拟合曲线表明，四川省植被类型多样性分布呈单驼峰格局，驼峰所在的中海拔地区正是四川盆地向青藏高原、云贵高原过渡的地带，同时受到青藏高原隆升和外力侵蚀的强烈作用。据刘勇[13]对川西高原层状地貌的研究显示，本研究所述中海拔地区为高山峡谷区，区内发育有一系列的河流阶地。中海拔地区植被类型多样性沿海拔梯度的变化趋势呈现波动曲线，可能跟区内河流阶地的发育有关。在高海拔地区，随着海拔的上升，植被类型多样性呈下降趋势。

表1 各个高度带内各多样性指数统计表

图2 四川省植被类型多样性沿海拔梯度的变化

3.3 地质背景因子多样性沿海拔梯度的变化

根据表1的结果，绘制四川省地质背景因子多样性沿海拔梯度分布的变化曲线(图3)。

图3 四川省地质背景因子沿海拔梯度的变化曲线

四川省的岩性多样性在低海拔地区，随着海拔的上升，呈现逐渐上升的趋势；随后则在中海拔地区，缓慢下降；在高海拔地区，随着海拔的上升，又呈急速下降趋势。

四川省的土壤类型多样性在低海拔地区，随着海拔的上升，呈现逐渐上升的趋势；随后则在中海拔地区，趋于平稳；在高海拔地区，随着海拔的上升，又呈急速下降趋势。对地质背景因子多样性沿海拔梯度的变化曲线做拟合曲线，则是一条单驼峰曲线。

3.4 植被类型分布与地质背景的关系

根据表1的结果，绘制四川省植被类型分布与地质背景的相关关系拟合图(图4)。

图4 四川省植被类型多样性与地质背景的相关关系拟合图

以往的研究显示，母岩的岩性不同，其对土壤理化特性的影响也不同，又进一步制约植被的发育和分布格局[14]。这里得出了一致的研究结果。如图4所示，四川省植被多样性与岩性多样性和土壤类型多样性均呈显著的线性相关，即随着土壤类型多样性或岩性多样性的增加，植被类型多样性亦随之增加。采用回归分析对其进行相关性分析，则得出植被类型多样性与土壤类型多样性之间、植被类型多样性与岩性多样性之间、土壤类型多样性与岩性多样性之间的相关系数分别为0.973 7、0.989 1和0.972 4，F检验均为P<0.05，均呈现显著相关性。

4 结论与讨论

在ArcGIS10.1软件平台下，以200m海拔间隔将四川省分为36个采样单元，调用地理统计模块，对各取样单元内的植被类型多样性、土壤类型多样性、岩性多样性进行计算，分析其相关关系，初步揭示四川省植被类型分布与地质背景的关系，并得到以下结论：

1)四川省植被类型多样性最丰富的海拔区间是1 400m～1 800m，且总体上随着海拔梯度的变化总体上呈现先上升后下降的单峰曲线形式。在低海拔地区，随着海拔的上升，植被类型多样性呈现逐渐上升的趋势。在中海拔地区，随着海拔的上升，植被类型多样性呈现波动曲线，在高海拔地区，随着海拔的上升，植被类型多样性呈下降趋势。

2)四川省土壤类型多样性最丰富的海拔区间是1 800m～4 000m，且总体上随着海拔梯度的变化总体上呈现先上升后下降的单峰曲线形式。在低海拔地区，随着海拔的上升，呈现逐渐上升的趋势；随后在中海拔地区，趋于平稳；在高海拔地区，随着海拔的上升，又呈急速下降趋势。

3)四川省岩性多样性最丰富的海拔区间是1 400m～1 800m，且总体上随着海拔梯度的变化总体上呈现先上升后下降的单峰曲线形式。在低海拔地区，随着海拔的上升，呈现逐渐上升的趋势；随后则在中海拔地区，缓慢下降；在高海拔地区，随着海拔的上升，又呈急速下降趋势。

4)四川省植被多样性与岩性多样性和土壤类型多样性之间存在显著的相关关系。随着土壤类型多样性的增加，植被类型多样性随之增加；随着岩性多样性的增加，植被类型多样性亦随之增加。

5)植被类型多样性的空间分布存在中域效应。近年来，在大尺度的物种丰富度分布格局的形成机制的假说中，中域效应假说的提出，揭示了边界限制对物种丰富度分布格局的影响，中域效应是指由于边界对物种分布构成限制，使不同物种分布区在区域中间重叠程度较大，而在边界附近重叠较少，从而形成物种丰富度从边界向中心逐渐增加的格局[15-18]。国内、外学者的研究表明，这一现象在物种丰富度的研究中很常见[9,11,19-20]，群落水平上的研究也有案例[11]。本研究成果显示在群落水平上，植被类型丰富度也存在着中域效应。又由于植被多样性沿海拔梯度的分布在中海拔地区呈现波动曲线，植被类型多样性与土壤类型多样性、岩性多样性又存在显著的相关性，岩性多样性和土壤类型多样性随着海拔梯度的分布也有近似中域效应的单驼峰形格局，因此作者认为，植被类型丰富度空间分布格局的中域效应，是在长期的地壳运动和地貌演化中形成的，中域效应是一个现象，而不是一个生物多样性分布格局形成的原因。地球内部的物理环境影响地质构造，进而影响成土母岩的岩性，岩性决定了土壤形成初期的物理化学性质，在土壤-植被-气候三者之间的互相作用之下，形成了现在的植被和土壤。岩性多样性和土壤类型多样性随着海拔梯度分布的单驼峰形格局是如何形成的，需要进行更为深入细致和跨学科的研究，这是今后植被类型分布与地质背景关系研究中的很重要的一个方向，也是今后需要深入研究的地方。

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GIS-based study on relationship between the vegetation distributionand geological background in Sichuan province

GUAN Lei1a,b,c,2， WANG Hua-jun1a,b*， WANG Yu-kuan2， PENG Pei-hao1c

(1. Chengdu University of Technology, a.College of Geophysical,b.Key Lab of Earth Exploration & Information Techniques of Ministry of Education,c.Institute of Ecological Resources and Landscape Architecture, Chengdu 610059, China;2. Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 610041, China)

Geological factors have great effect on vegetation distribution. Under ArcGIS 10.1 platform, Sichuan province will be divided into 36 belts by 200 m intervals. And the geographic statistical function is used to calculate the vegetation type diversity index, lithology diversity index and soil type diversity index of every belt based on the vegetation distribution dada and geological map. The spatial distribution of all the three exist domain effect. With the increase of elevation gradient, its number present increase and then decreases. And the highest elevation of the three is 1 400 m～1 800 m, 1 400 m～1 800 m and 1 800 m～4 000 m. The result of using regression analysis method to analyze the relationship among research shows that there was a positive relationship between vegetation distribution and geological background. With the increase of soil type diversity or lithology diversity, vegetation type diversity increased. Paper reveals the relationship between vegetation distribution and geological background and provides scientific theory and data support for regional environment and biodiversity conservation planning under the global climate change background in Sichuan province.

GIS; vegetation; geology; scale; middle domain effect

2015-05-19改回日期：2015-07-22

环保部国际合作项目(Y2B2010010)；国家自然科学基金(41461029)

管磊(1986-)，男，博士，从事“3S”技术在生态环境中的应用研究，E-mail：1306767272@qq.com。

*通信作者：王华军(1964-)，男，教授，博士生导师，从事空间信息技术与数学地质研究，E-mail：hjwang@cdut.edu.cn。

1001-1749(2015)05-0656-06

P 967

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.05.19