海拔对吐尔根河流域野杏空间分布的影响

2022-07-29闫俊杰尼加提卡斯木巴雅尔塔

中国野生植物资源 2022年7期

陈晨，崔东*，闫俊杰，尼加提·卡斯木，张静，巴雅尔塔

（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）

新疆野杏（Prunus armeniacaL.）是蔷薇科李亚科杏属植物，主要分布于生态环境较为脆弱的中亚温带大陆性半干旱区西天山伊犁河谷，是第三纪残遗古温带阔叶林与第四纪更新世北方森林经过对环境变化适应、迁移、演变的野果林主要组成树种之一［1-2］。作为栽培杏的直接祖先［3］，新疆野杏（以下简称野杏）是研究植物起源和演替规律、生物多样性可持续发展的重要生物资源［4］。野杏喜暖、喜光、耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐风沙，是涵养水源、固沙保土、改善环境的优良树种，极具自然生态价值。在妥善保护的前提下科学合理地开发利用野杏资源，可选育优良品种、可引作栽培砧木，果实种仁可食用药用，更具生态旅游等社会经济价值［5-7］。

然而由于历史和现实原因，伊犁河谷的野杏种群曾因保护不够、开发不当，长期受到毁林开荒、过度放牧、粗放旅游开发、水土流失、崩塌滑坡、杏细菌性穿孔病害等人类活动与自然环境的影响［8-10］，出现株数下降、面积萎缩、分布下限上升、退化为山地草原等衰退情况［11-12］，因此野杏已被列为《国家重点保护野生植物名录》二级保护植物。迄今已有的伊犁河谷野杏研究成果主要采用植物学路线调查或实地抽样调查方法，分析野杏的生态地理特征［1-2］、分布区域［3-4，6，13］、种质资源［7，14-15］、成土条件过程性质［16-17］，继而倡议有关部门加强资源管理、开展调查评价、建立保护区、进行森林抚育和病虫害控制、收集保存种质资源、加大环保宣传和公众教育力度［11，18-19］。

近年来，野杏纯林最具代表性的吐尔根河流域日益成为春季赏花旅游热点，野杏及其生态环境的科学管理与合理开发需要全面系统的基础研究数据。田中平等［20］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，其次是坡向等。因此，本研究通过实地调查与遥感分析，探明吐尔根河流域野杏的空间分布状况，探讨海拔对野杏的影响机制，为有效保护野杏资源提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吐尔根河位于中国新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州新源县吐尔根乡境内，发源于西天山中段北支阿吾拉勒山山间，属于汇入伊犁河的巩乃斯河支流。流域内地形起伏，坡陡沟深，夏季日照充足，热量丰富，降水充沛，冬季处于逆温层，有利于野杏生长，分布着伊犁河谷最具规模的野杏纯林［21］（图1）。

图1 吐尔根河流域概况图Fig. 1 Overview of Turgen River Basin

1.2 研究方法

使用空间分辨率90 m 的SRTM DEM 数据通过ArcGIS 10.1软件ArcSWAT 工具提取河流、流域矢量数据，按照林业调查标准［22］在ArcGIS 中基于SRTM DEM 提取地形因子面状矢量数据，海拔以100 m 间距划分为800～900 m 到3 100～3 200 m 共24级，坡向划分为N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 共8 个，坡度划分为平坡（0°～5°）、缓坡（5°～15°）、斜坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、急坡（35°～45°）、险坡（≥45°）共6类。

为避免不同物候期差异对树冠投影面积提取与统计产生影响，采用2019 年7 月的Worldview 3 卫星遥感影像，通过ENVI 软件融合全色与多光谱波段得到空间分辨率约0.6 m 的影像，运用基于样本的面向对象提取工具获取野杏树冠投影面状矢量数据。因流域内最主要乔木为野杏、雪岭云杉（Picea schrenkiana）（以下简称云杉）2 种，树冠光谱、形状、落影差异显著，在ArcGIS 中将野杏矢量数据与遥感影像叠加后极易区分，便于目视检查修正分类结果，确保精度。

在ArcGIS 中对野杏树冠、海拔、坡向、坡度4 个矢量数据进行叠置相交分析，得到具备地形因子属性的野杏面状矢量数据，通过地理计算工具解算出面积属性并导出。在SAS 8.01 软件中分别按单一、组合的地形因子类型分类进行面积求和统计，得出详细划分地形因子类型的野杏面积。按照同样方法，对海拔、坡向、坡度3 个矢量数据进行叠置相交分析，得出分详细划分地形因子类型的土地面积，继而计算出相应的野杏覆盖率。

2 结果与分析

2.1 野杏流域内总体分布特征

吐尔根河流域土地面积约266.99 km2，野杏主要呈断续带状或点片状分布于流域西南部的丘陵和沟谷坡面上（图1），面积共有17.45 km2，流域内覆盖率6.54%。

2.2 野杏的海拔分布特征

各海拔野杏面积和覆盖率与土地面积无线性相关关系（图2），表明各海拔野杏分布数量并不仅取决于土地面积，而是受到更为复杂的生态环境因子影响。

野杏集中分布在900～1 900 m，即中山带下部。各海拔野杏分布量差异显著，表明海拔对野杏分布有重要影响。野杏面积、覆盖率都沿海拔上升先递增后递减，在1 300～1 400 m出现最大值。

2.3 各海拔野杏的坡向分布特征

在有野杏分布的各海拔区间内，不同坡向土地面积有显著差异，且都呈现出阳坡（SE、S、SW、W）多于阴坡（NW、N、NE、E）、西风迎风坡（S、SW、W、NW）多于背风坡（N、NE、E、SE）的特征。随海拔上升，阴坡与阳坡、西风迎风坡与背风坡土地面积差异逐渐减小。

各海拔区间中，不同坡向分布的野杏面积、覆盖率存在明显差异，并不与对应坡向区间的土地面积成正比。野杏面积总体也呈现出阳坡多于阴坡、西风迎风坡多于背风坡的特征，尤其以西风迎风阳坡最多。

野杏覆盖率总体呈现出阴坡高于阳坡的特征（图3）。海拔上升到1 200 m 西风迎风坡野杏覆盖率开始超过背风坡，且随海拔上升西风迎风坡和背风坡野杏覆盖率差距进一步增大。

图3 吐尔根河流域野杏分布各海拔不同坡向野杏覆盖率Fig.3 P. armeniaca L. coverage at different altitudes and aspects in Turgen River Basin

经过计算，各海拔区间内不同坡向野杏覆盖率变异系数有随海拔升高先减小、后增大的特征，即随海拔升高，同一海拔梯度内不同坡向间野杏生境适宜性差异有先减小、后增大的规律。1 200～1 300 m各坡向野杏生境适宜性差异最小。

2.4 各海拔野杏的坡度分布特征

除900～1 000 m 土地面积随坡度上升而下降，其他有野杏分布的各海拔区间土地面积都有随坡度增大先增加后减少的总体特征。有野杏分布的10 个海拔区间中，土地面积以15°～25°为峰值的有5个，以25°～35°为峰值的有3 个。随海拔上升，各海拔区间中土地面积最大的坡度，出现由0°～5°逐坡度区间先上升至25°～35°后下降至15°～25°的趋势。

各海拔区间野杏面积都有随坡度增大而先增加后减少的总体特征。各海拔区间≥45°的坡度区间几乎无野杏分布，0°～5°野杏面积极少，野杏面积除900～1 100 m 以5°～15°最多、1 700～1 900 m 以15°～25°最多外，1 100～1 700 m 的野杏面积都以25°～35°为峰值，并向更陡、更缓处递减。

各海拔区间不同坡度覆盖率不同，总体在35°～45°上最高，其次为25°～35°，均属于较陡的坡度区间（图4）。尤其是35°～45°，土地面积相对较少，但野杏覆盖率却最高。随着海拔上升，野杏覆盖率最高的坡度区间呈现出先增陡再减缓的特征。

图4 吐尔根河流域野杏分布各海拔不同坡度野杏覆盖率Fig. 4 P. armeniaca L. coverage at different altitudes and slopes in Turgen River Basin

经过计算，各海拔梯度内不同坡度野杏覆盖率变异系数也随着海拔上升先减小后上升。1 500～1 600 m 各坡向野杏生境适宜性差异最小。结果表明，各海拔会对野杏在不同坡度上的生长分布产生影响，中山带下部中段的海拔区间各坡度野杏生境适宜性差异相对更小。

3 讨论

3.1 流域野杏整体分布

吐尔根河流域内野杏流域西南部，总面积共有17.45 km2（约合26 175 亩），此结果与当前相关可见报道中“吐尔根乡杏花谷约30 000 亩”的描述接近，但是后者未见其具体来源、范围、时期、方法等信息，“吐尔根乡”这一行政区划范围除包含“吐尔根河流域”这一自然区划范围以外，还包含相邻范围较小的吐尔根农场沟等流域，后者也有部分野杏分布，但不计入本研究范围内。

因此，可以推断本研究与其他相关报道中统计数值的差异主要源于研究区域范围不同，有待开展相关研究进一步验证讨论，但实地调研与遥感和地理信息结合能够作为一种野杏空间分布调查研究的适用方法。

野杏在吐尔根河流域内分布覆盖率6.54%，表明实施封山育林等保护政策促进了野杏的保存并得以恢复，短时期内野杏无濒危风险，但仍需足够重视、加强保护，避免其缩减衰退、濒危消失［8，11-12，15，18，23］。

3.2 海拔对野杏分布的影响

本研究发现吐尔根河流域野杏主要分布在900～1 900 m的中山带下部，与在伊犁河流域开展野果林或野杏实地调查的部分研究结果较为接近（表1），也验证了本研究方法和结果的真实性。

表1 伊犁河流域野果林与野杏分布海拔范围调查研究结果比较Tab. 1 Comparison of investigation results of altitude range of wild fruit forest and P. armeniaca L. distribution in Yili River Basin

本研究探明的野杏分布海拔范围，与伊犁河谷封闭与半封闭山谷内自谷底沿坡面800～2 000 m［25］、每上升100 m增温约0.4℃上限可达1 705～2 300 m［28］的冬季逆温层高度范围一致，野果林木冻害受损比例随海拔升高逐渐减小［29］，都反映出冬季逆温层的热量资源对野杏安全越冬的重要意义，直接影响着野杏的分布范围。

西天山南北两支东西绵延山脉阻挡北来干冷和南来干热气流侵袭，伊犁河谷西向的开口、西低东高的地势抬升西风暖湿气流形成丰富的地形降水，1 000 m 山麓地段的年降水量580～660 mm，到1 776 m 处多年平均为869.6 mm［28，30］，野杏分布的海拔范围也是降水量随海拔上升而递增的地带。

伊犁河谷山地深厚的第四纪黄土堆积为野果林土壤发育提供母质基础条件，分布上限可达1 800 m 左右［1］，与本研究发现的野杏分布上限大致相当。

伊犁河谷北坡野果林群落分布格局与海拔有极显著相关性［31］，随海拔增加，野杏种子总数及各状态种子数先增加后减少［32］，1 300 m以下区域开花较早、而1 300 m 以上区域在霜冻期温度下降到萌动花芽能够抵抗的临界点以下，导致1 300 m 不同类型野杏花期冻害率最低［33］，都与本研究发现的野杏面积和覆盖率都随海拔增加先上升后下降、在1 300～1 400 m 最高的海拔分布特征相符，与陈淑英［34］通过实验建议宜林荒山荒地野杏播种造林宜选在1 600 m以下部分有利地形也相互印证。

3.3 海拔对野杏坡向分布的影响

野杏在伊犁河谷相对温和湿润的条件下，较喜暖、喜光、耐旱，倾向于选择陡斜的日照充足、热量丰富、空气干燥、降水充沛、黄土堆积物较厚的阳坡及半阴坡［1，6，14］，而在空气湿度较大的阴坡混交野果林中常因穿孔病、杏仁蜂等为害而生长发育不良［5］。野杏树冠东南方位散落的种子密度高于西北，幼苗出苗率、幼苗存活率阳坡均高于阴坡［32］。阴坡较低的光照和温度、较晚的融雪时间、萌发层土壤较高的养分和湿度、较小的酸碱值，有利于野杏种子繁殖、生长［35］，但是坡向导致的异质性气候因子对土壤及其植被的作用也至关重要，东南坡较南坡、东北坡拥有较高的气温、较强的光照、相对干燥的空气湿度和较高土壤温度，更适宜野杏幼苗生存［36］。野杏的最大净光合速率和光饱和点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也有利于尽量减少水分散失，是野杏能够分布在较为干旱阳坡上的生理适应方式［37］。本研究发现各海拔区间内不同坡向野杏面积总体都呈现出阳坡多于阴坡的特征，也是野杏适应阳坡生境习性的反映。

之所以各海拔区间内不同坡向野杏覆盖率总体呈现出阴坡高于阳坡，主要是由于吐尔根河流域位于西天山北支阿吾拉勒山南麓，形成土地面积阴坡少于阳坡的环境基底而致。

各海拔区间内不同坡向野杏面积有西风迎风坡多于背风坡，野杏覆盖率在海拔上升到1 200 m后西风迎风坡开始超过背风坡且差距不断增大，是因为峡谷迎风背阳坡降水丰富且水份保存条件好，在适当高程和地形的热量条件下适宜野果林树种生长［19，28］，西南坡为野果林群落多样性指数最大、集中分布的区域［38］。

各海拔内不同坡向野杏覆盖率的差异随海拔升高先减小、后增大，各坡向野杏生境适宜性差异最小的为1 200～1 300 m，中山带下部中段各海拔区间内不同坡向物质能量组合都较为适宜野杏生长分布，也使得这些海拔区间内野杏总覆盖率相对更高。

3.4 海拔对野杏坡度分布的影响

吐尔根河流域大部分海拔区间内野杏面积都以25°～35°为峰值，并向更陡、更缓处递减。而野杏覆盖率总体在35°～45°上最高，其次为25°～35°，均属于较陡的坡度区间。符合野杏林主要分布在黄土较薄的山脊、凸坡和坡地上部、稍凹的台地和河谷阶地上，而在缺乏起伏地形的浅薄前山带和平板而少切割的山体鲜有分布的实地调查结论［1］。

随着海拔上升，野杏覆盖率最高的坡度区间陡缓程度呈现出先上升再下降的特征。野杏林主要分布在伊犁谷地1 100～1 700 m的谷地两侧缓倾斜的山坡和谷底，坡度陡、高差大、土层较薄、生境差异较大［39］。本研究发现大西沟1 400 m 以下，气温、光照强度、土壤温度与坡度呈极显著正相关，空气湿度、土壤含水量与坡度呈显著负相关，东南坡、上坡位、缓中坡（10～15°）以及凸坡形和相应的气候与土壤温湿度，是适宜野杏幼苗生存的生境条件［36］，与对应海拔区间中各坡度野杏面积、覆盖率特征一致。

此外，坡度变化对野杏萌发层土壤特征和土壤养分分布有显著影响，缓坡与缓中坡的土层较厚，土壤养分含量丰富，是适宜野杏萌发的地形，而陡坡较为贫瘠，坡度导致的水土流失量与土壤养分流失成正比［35］，野杏能在其他野生果树不能生存的石质化瘠薄土壤中生长［14］，也正因为如此，本研究发现的野杏随海拔上升在中山带陡峭的坡度上具有相对更高的覆盖率，体现出野杏对较高海拔瘠薄陡坡环境的强适应性。