坎苏河流域雪岭云杉对不同地形的适应性分析

2022-02-20陈万基陈晨赵阳吕绍伦向宇航阿布都布热汗苏力坦

伊犁师范大学学报(自然科学版) 2022年4期

陈万基，陈晨*，，赵阳，吕绍伦，向宇航，阿布都布热汗·苏力坦

（1.伊犁师范大学生物与地理科学学院，新疆伊宁 835000;2.伊犁师范大学资源与生态研究所，新疆伊宁 835000）

0 引言

雪岭云杉（Picea Schrenkiana），松科云杉亚科云杉属乔木，也称天山云杉，在我国主要分布于新疆天山地区，是天山原始森林主要的组成部分.雪岭云杉喜冷湿，耐庇荫，其涵养水源、保持水土、生态调节作用显著.坎苏河流域位于天山腹地伊犁河谷东部，是干旱与半干旱区兼具高山积雪、森林草原、河谷平原的重要生态系统.该流域森林植被主要为以雪岭云杉为主的山地常绿针叶林，低海拔暖湿区域有少量野苹果林、野杏林、野核桃林等落叶阔叶林.

伴随着信息技术的发展，林业资源调查从大规模人工调查逐渐转向信息化调查，高精度、低人力成本的调查技术逐渐成为林业调查研究的重点.遥感凭借大面积的同步观测、时序性、经济性、可比性等特点［1］成为现代林业调查技术发展趋势.早期的林业遥感调查主要以通过对高分辨率影像目视解译进行林业资源清查为主［2，3］.近年来，人工智能、机器学习与遥感技术深度结合，为林业调查提供了新方法、新技术.邢菲等将植被指数、地形因子等相结合构建决策树模型，成功提取了天山云杉林空间历史分布信息，提取精度达93.3%［4］；刘玉峰等基于高分辨率遥感数据应用多尺度斑点检测和梯度矢量流主动轮廓模型提出了一种新的树冠提取技术，可以成功提取高、中、低郁闭度的天山云杉树冠信息［5］；师玉霞等基于GF-2影像数据，通过多层次分类方法对恰西国家森林公园进行遥感分类，实现高精度林草、水体、道路及其他用地分类［6］.

雪岭云杉的经营管理一直是天山林业部门工作的重点，调查雪岭云杉的空间分布规律是工作的首要任务.早期的调查主要通过实地考察、相邻格子法［7］、空间点格局法［8］、传统坡度分析法［9］等分析手段，基于样本对天山山脉的雪岭云杉空间分布特征进行研究，在一定程度上揭示了雪岭云杉的空间分布规律.传统的调查方法虽在一定程度上实现了雪岭云杉空间分布的调查，但是受样方选择、人力消耗等限制，不能精确表达雪岭云杉空间分布.近期研究表明，应用遥感技术可以提高雪岭云杉空间分布调查精度.丁程锋等运用遥感、地理信息系统技术通过地形因子差异指数、分布频率指数、生境综合指数进行了东天山乌鲁木齐河流域雪岭云杉空间分布、土地利用与地形因子关系研究，验证了从流域尺度全面探明雪岭云杉在海拔、坡度、坡向等不同生境中分布情况的可行性［10］.而雪岭云杉分布规模更大的西天山相关研究却鲜有报道，因此本研究采用坎苏河流域DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）和卫星遥感影像数据，通过遥感基于样本的面向对象提取和地理信息系统空间分析方法，研究西天山流域尺度上雪岭云杉的空间分布规律，分析雪岭云杉对不同地形的适应性，为流域内雪岭云杉管理经营、开发利用等提供理论依据和参考.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

坎苏河，哈萨克语，意为水面宽阔的河，发源于新疆伊犁哈萨克自治州新源县北部的阿吾拉勒山，自西向东横穿坎苏镇、阿热勒托别镇，注入伊犁河主要支流之一的巩乃斯河.流域内山脉连绵，地形陡峭，海拔高差大，最高约3 702 m，最低约943 m.流域气候类型为温带大陆性气候，年平均气温9℃，年平均降水量462.4 mm.流域内主要林木有雪岭云杉、野杏、圆柏、小叶白蜡等，主要土壤类型有栗钙土、黑钙土、灰褐色森林土、高山草甸土.

图1 研究区概况图

1.2 数据来源

研究所用数据有DEM、遥感影像.DEM采用SRTM DEM数据，空间分辨率为90 m，下载自地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn）.运用ArcGIS 10.1软件ArcSWAT工具基于SRTM DEM提取河流、流域矢量数据，并参考各类地图图件确定完善属性信息.

遥感影像采用WorldView-3遥感卫星2019年6～10月份采集的影像，通过ENVI软件合成全色与多光谱波段，真彩色显示，空间分辨率为0.5 m.

1.3 研究方法

1.3.1 雪岭云杉数据提取

对地观测卫星生成的遥感影像往往因地物光谱信息复杂，光谱之间相互影响，造成同物异谱、同谱异物等问题，干扰高分辨率遥感影像的解译.传统基于光谱信息［11］、专家知识决策树［12］的解译方法很难解决上述问题，而面向对象空间特征提取技术充分利用高分辨率的全色和多光谱数据的空间、纹理、光谱信息来分割和构建分类对象，能够输出高精度的分类结果［13］.

因此，通过ENVI 5.3软件进行影像预处理后，采用面向对象空间特征提取模块多次实验，最终确定提取效果最佳的分割阈值为40、合并阈值为85，生成对象斑块.结合实地考察经验、雪岭云杉生长习性知识，对比影像中不同地物光谱纹理特征，根据保证分类样本分布、数量、质量的原则，目视选取雪岭云杉等各类地物解译样本，执行分类.将分类结果矢量数据导入ArcGIS中，对照遥感影像进行检查、编辑、修正.

1.3.2 地形因子数据提取

按照林业调查标准划分地形因子类型［14］，在ArcGIS中以SRTM DEM为基础分别提取海拔、坡向、坡度面状矢量数据.首先，使用重分类工具，将DEM划分为100 m间距的海拔区间栅格数据，通过数据类型转换工具，转换得到海拔矢量数据.其次，基于DEM做坡向分析，再对坡向栅格数据重分类为8坡向区间栅格数据，转换为坡向矢量数据.最后，基于DEM做坡度分析，坡度栅格数据重分类为平坡（0°～5°）、缓坡（5°～16°）、斜坡（16°～25°）、陡坡（26°～35°）、急坡（36°～45°）、险坡（≥46°），转换为坡度矢量数据.

在ArcGIS中对雪岭云杉、海拔、坡向、坡度4个矢量数据进行叠置相交分析，得到详细划分地形因子属性的雪岭云杉面状矢量数据，通过地理计算工具计算面积，将属性表导出，在SAS软件中分别按不同的地形因子类型进行面积求和统计，得出不同地形因子的雪岭云杉面积数值.按同样的方法对流域土地海拔、坡向、坡度3个矢量数据进行叠置相交分析，可以得出不同地形因子类型的土地面积数据，最终能够计算出各地形因子类型对应的雪岭云杉覆盖率.覆盖率可以直观反映雪岭云杉对地形因子的适应程度，覆盖率越高，说明该地形条件越适应雪岭云杉生长.

2 结果分析与讨论

2.1 流域内雪岭云杉空间分布

结合高分辨率影像与面向对象空间特征提取可实现雪岭云杉与山杨、野苹果、野杏等落叶阔叶林树种分类.因此，本方法适用于该区林业调查.通过统计，坎苏河流域土地面积约476.74 km2，雪岭云杉面积约29.38 km2，覆盖率为6.16%，雪岭云杉连片集中分布于流域中上游中山带区域.

2.2 雪岭云杉对不同海拔的适应性

研究区内雪岭云杉集中分布在海拔1 200～3 200 m的中山带（见图2），其中海拔2 100～2 200 m雪岭云杉面积最大，海拔2 200～2 300 m之间雪岭云杉覆盖率最高，达22.65%.在海拔低于1 200 m和高于3 200 m的地带几乎没有雪岭云杉分布.主要是因为海拔较低地带943～1 200 m内，气温偏高，更适应草地和落叶阔叶林生长，雪岭云杉竞争力较弱；海拔3 200 m以上，气温低于雪岭云杉生长适应温度，是雪岭云杉在该流域的生长上限.

图2 不同海拔雪岭云杉面积、土地面积及云杉覆盖率

流域内土地面积随着海拔升高而减少，雪岭云杉覆盖率与雪岭云杉面积都有随海拔先递增后递减的特征，在海拔2 200～2 300 m处覆盖率最高，与丁程峰等研究结果大致相同［10］.雪岭云杉面积与土地面积并无显著线性关系，说明在海拔因子影响下，不同海拔的土地面积虽然影响着雪岭云杉覆盖率，但并不起决定性作用.海拔不同造成水热分配不均，使温度、降水、土壤等环境因子发生变化，进而改变植物生长的环境条件［15］.研究区雪岭云杉适应生长在海拔1 700～2 700 m区间，这与汪祥森［16］、张绘芳［17］等研究结果基本一致.海拔1 700 m以下，是典型的山地草原和山麓草原，降水量较少，土壤水分较少，抑制雪岭云杉生长，适宜山地草本植物生长；海拔2 700 m以上，虽然降水较多，土壤湿润，但气温随海拔升高而降低，抑制雪岭云杉生长，且更高海拔处有常年冻土或冰川积雪，不适宜雪岭云杉生长.

2.3 雪岭云杉对不同坡向的适应性

研究区内各坡向均有雪岭云杉分布（见图3），面积以NW为中心的阴坡和西风迎风坡居多.流域内土地面积主要集中在以SW为中心的阳坡和西风迎风坡.雪岭云杉在以N为中心的阴坡覆盖率最高，达19.63%，在以S为中心的阳坡覆盖率最低，为1.28%.

图3 不同坡向下雪岭云杉面积、土地面积及云杉覆盖率

综上所述，流域内雪岭云杉更适应生存于西风迎风阴坡，与王苏颖等［18］研究结论基本一致，主要因为坡向主要影响地面接受光照、环境水分等自然条件，根据雪岭云杉喜冷湿、耐庇荫的生活习性，阴坡更适应生长.研究区位于北半球，因此北坡光照弱于南坡，形成庇荫环境，符合雪岭云杉生长习性，使得N坡向雪岭云杉覆盖率最高，S坡向雪岭云杉覆盖率极低.坡向影响环境水分主要表现在降水和土壤含水量，宁理科研究发现天山山区降水受坡向影响较小［19］，研究区属于天山山区.因此研究区坡向对环境水分影响表现为土壤含水量的高低.阴坡太阳辐射弱于阳坡，土壤蒸发较弱、土壤含水量较高、土壤温度偏低，符合雪岭云杉喜冷湿的生活习性.反之，阳坡土壤蒸发较强、土壤含水量偏低、土壤温度偏高，抑制雪岭云杉生长，适宜喜光喜热的草本和植株较小的木本植物生长.

2.4 雪岭云杉对不同坡度的适应性

研究区内雪岭云杉面积随坡度先增大后减小（见图4），即在不同坡度上雪岭云杉面积遵从正态分布，面积峰值对应坡度为26°～35°陡坡，占总面积的49.56%.土地面积在随坡度变化时，其变化规律性不强.随着坡度陡峭程度增加，雪岭云杉覆盖率增大.在坡度为险坡时雪岭云杉覆盖率最高，高达22.88%.随着坡度的增加，陡坡、急坡、险坡云杉覆盖率增高，体现出云杉对陡峭地形的高适应性.

图4 不同坡度下雪岭云杉面积、土地面积及云杉覆盖率

坡度直接影响山地太阳辐射和降水［20］，随着坡度增大，作用于地表的垂直作用力减小，径流速度缓慢，入渗土壤水分增多［21］，太阳辐射随坡度增大而减少［22］.平坡、缓坡土壤含水量相较于陡坡、急坡、险坡较少，且其太阳辐射较强.所以土壤蒸发量较大，不适应乔木生长.陡坡、急坡、险坡土壤含水量较多，接受太阳辐射较少，土壤水分蒸发较少，适应乔木生长.所以险坡雪岭云杉覆盖率最高，急坡次之，平坡最低.坎苏河流域雪岭云杉覆盖率随坡度增大而增大，覆盖率与坡度呈正相关关系，间接说明植被生长与水热分配密切相关.