方 炫 ，李壁成 ，白小梅 ，陈其春

(1.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，陕西杨陵712100;2.中国科学院研究生院，北京100039;3.安徽理工大学测绘与空间信息工程系，安徽淮南232001)

植被格局是影响生态系统结构与功能的重要因素，其形成和变化与所处的地理环境及人类干扰密切相关，目前已成为植被生态学研究的热点问题[1]。在山地植被生态学中，地形是决定植被生境要素(如小气候、水文、土壤等)的主导因子[2]，影响着植被的组成及其空间分布与配置格局。通过地形差异来研究植被空间分布规律，已成为揭示植被与地形因子之间关系的重要途径[3-4]。

黄土高原是我国乃至全球水土流失最为严重、生态环境最为脆弱的地区之一，是我国植被恢复的重点区域[5]。作为黄土高原长期以来植被恢复和水土流失治理的基本单元，小流域具有相对独立和完整的地形地貌特征，因此从小流域尺度着手研究植被空间格局与地形的关系，对黄土丘陵区的植被恢复与生态环境建设具有重要的理论与实践意义。

以位于黄土高原宁南山区宁夏固原市的上黄小流域为例，以植被景观空间分布数据和数字高程模型(DEM)为基础，利用地理信息系统空间分析方法，分析植被景观在地形梯度上的分布特征，揭示植被空间格局与地形因子之间关系，以期为上黄试区的植被保护与恢复、生态管理与建设提供科学依据。

1 研究区概况

上黄试区位于宁夏南部固原市河川乡内(东经106°26′-106°30′，北纬 35°59′-36°02′)，年平均降水419.1 mm，属暖温带半干旱区。地貌上属于黄土高原西部宽谷丘陵沟壑区，海拔1 534～1 822 m，总面积约8.01 km2。地带性植被为典型草原区，试区植被主要由灌丛、草地和农用地组成。灌丛主要物种为柠条、山桃、山杏和沙柳，草地物种主要有宾草、长芒草、地椒、茭蒿、铁杆蒿、猪毛蒿和苜蓿等。

2 研究数据与方法

2.1 数据获取

研究采用的基础数据包括上黄试区1∶1万数字高程模型(DEM)和1∶1万植被图。该植被图经过选点、普查、核查后，以2005年试区土地利用图、2008年河川乡SPOT5影像为参考在ArcView下数字化而成。从景观尺度角度将研究区植被归并为单纯灌丛、混交灌丛、天然草地、人工草地、耕地和果园6类，形成植被景观分类图，并将植被景观分类图和数字高程模型都转为Grid格式并统一投影和栅格大小(5 m×5 m)。

2.2 研究方法

2.2.1 地形因子图提取 选取海拔、坡度、坡向、地形位4个地形因子来分析植被空间分布与地形的关系。坡度和坡向图由DEM在ArcView软件空间分析模块直接生成。地形位是将海拔和坡度综合而成的一个地形因子，能够体现地形对类型空间格局分布特征的综合影响[6]。该指数提取在ArcGIS软件下利用地理信息建模完成，模型公式如下:

式中:T——地形位;E，¯E——代表空间任一点的海拔值和该点所在区域内的平均海拔值;S，¯S——代表空间任一点的坡度值和该点所在区域内的平均坡度值。海拔低、坡度小的地域地形位小，海拔高、坡度大的地域地形位大。

2.2.2 地形因子梯度图生成 根据上黄试区实际情况和研究经验，将试区地形因子分级如下:将海拔由低到高划分为＜1 582 m、1 582～1 630 m、1 630～1 678 m 、1 678～1 726 m、1 726～1 774 m、＞1774 m共 6 个区间;坡度划分为 0 ～ 3°、3°～ 8°、8°～ 15°、15°～25°、25°～ 35°、＞35°共 6 个区间 ;坡向分为无坡向 、阳坡(南、西南)、半阳坡(东、东南)、半阴坡(东、东南)、阴坡(北、西北);地形位按数值由低到高等分为10个区间。利用ArcView空间分析重分类功能生成地形因子梯度图。

2.2.3 地形分布指数构建 由于不同植被类型在地形梯度上不同区间的出现分布频率可比性受到各类植被面积带来的量纲影响，本文采用标准化、无量纲的地形分布指数[6]，进行地形梯度上不同区间或不同类型间的比较，公式如下:

式中:P——地形分布指数;Sie——e地形区间上第i种植被景观的面积;Si——整个研究区内第i种植被景观的总面积;Se——整个工作区内e地形区间的总面积;S——整个研究区域的面积。P值越大，表明某植被景观出现的频率越高，P＞1的区间为植被景观分布的优势地形区间。此外，分布指数曲线越平缓，表明某植被景观分布与标准分布的偏离越小，其对地形差异的适宜性越大;反之，表明某植被景观对地形具有较强的选择性，在其优势地形位上该组分发育较多[7]。地形分布指数构建方法如下:在ArcView下将植被景观分类图分别与海拔、坡度、坡向、地形位4个地形因子梯度图叠合，统计出不同植被景观在各地形梯度上不同区间的分布比例，然后利用分布指数公式计算出相应的分布指数(P)，绘制分布指数曲线图，进而分析植被景观空间格局的地形梯度分异规律。

3 结果与分析

3.1 植被景观在地形梯度上的分布特征

图1给出了在海拔、坡度、坡向、地形位四个地形梯度上各区间的分布指数，它可以分析以下三个方面内容:(1)通过对同一地形区间内的不同植被类型分布指数大小进行比较，可以得出该地形区间下的优势植被景观;(2)通过各植被景观在地形梯度上分布指数变化趋势，可以提取优势地形区间(结果见表1)，分析各植被随地形变异的分布特征;(3)总观特定地形梯度上不同植被景观分布指数曲线的起伏状况，可以判断它们受地形因子影响的大小。

3.1.1 植被景观在海拔梯度上的分布特征 不同海拔高度水热条件不同，植被景观分布受到影响。在海拔梯度上，＜1 582 m区间耕地优势分布;1 582～1 630 m区间果园、天然草地、耕地优势分布;1 630～1 678 m区间优势植被有耕地、人工草地、天然草地;1 678～1 774 m区间优势植被有混交灌丛、单纯灌丛和人工草地;1 774～1 822 m范围优势植被为单纯灌丛和混交灌丛。

不同植被景观随海拔变化的分布特征为，单纯灌丛分布指数随着海拔的升高而增加，在1 678～1 822 m优势分布;耕地分布指数变化趋势相反，随海拔升高而下降，在1 534～1 678 m优势分布;其他植被类型的分布指数都是先增加后下降，在中间段出现峰值。混交灌丛和天然草地的分布指数峰值分别出现在1 726～1 744 m和1 582～1 630 m。人工草地的分布指数峰值不明显，优势分布区间为1 630～1 744 m。果园除了在1678～1726 m范围略有分布外，都集中分布在1 582～1 630 m。总体看来，耕地、果园和天然草地选择较低海拔分布，灌丛类分布海拔较高，人工草地居中。

在海拔梯度上各类植被分布指数的变化程度大小表现为，果园＞耕地＞天然草地＞混交灌丛＞单纯灌丛＞人工草地。这说明人工草地受海拔影响最小，对海拔变化的适宜性最强;相反，耕地和果园，尤其是果园在其优势海拔区间内集中分布，受海拔影响很大。其他植被分布受海拔影响的程度居中。

图1 不同植被类型在海拔(a)、坡度(b)、坡向(c)、地形位上(d)的分布指数图

3.1.2 植被景观在坡度梯度上的分布特征 不同坡度上土壤与水分流失量不同，往往表现为坡度越大、土层越薄、水分和土壤养分流失越严重，从而影响植被景观的分布格局。在坡度梯度上，0～8°都是以耕地和果园为优势，8°～15°带内以单纯灌丛和混交灌丛为优势，15°～25°带内优势植被有天然草地、混交灌丛和单纯灌丛，25°～35°以人工草地和天然草地为优势，＞35°以人工草地为优势。

耕地和果园分布指数都随着坡度的增加而减小，且都在0～8°，尤其是0～3°的平坡区间内优势分布;人工草地分布指数随坡度增加而增大，在＞25°范围尤其是35°以上的陡坡优势分布;灌丛类分布指数都呈先增加后减小的趋势，峰值都不明显，优势分布区间都在中等坡度为8°～25°;天然草地随坡度变化呈先减小后增大再减小趋势，优势分布于较陡区间15°～35°。

随着坡度的变化，果园分布指数变化最大，在优势区间内集中分布，表明对坡度的选择性最强、适宜性最差;其余表现为人工草地＞耕地＞天然草地＞混交灌丛＞单纯灌丛。

3.1.3 植被景观在坡向梯度上的分布特征 不同坡向由于接收太阳辐射的时间和强度不同，地表温度、气温变幅、水分蒸发状况不同，因而植被分布状况有所不同。各坡向内不同植被分布指数的大小显示，无坡向区间优势植被为耕地和人工草地;阳坡优势植被为天然草地;半阳坡优势植被为耕地、果园、混交灌丛、人工草地;半阴坡是以单纯灌丛、耕地、果园为优势;阴坡是以人工草地、天然草地、混交灌丛、单纯灌丛为优势。

植被随坡向的变化趋势表现为分布指数都在1上下波动。其中，耕地和果园的变化趋势相似，都呈先下降后增加再下降分布，耕地在无坡向和半阳坡上优势分布，果园在半阳坡和半阴坡上呈优势分布。天然草地和单纯灌丛随坡向变化趋势为先增加后减少再增加，在阳坡优势分布，阴坡次之。人工草地和混交灌丛随坡向变化的分布指数曲线都表现为凹-凸-凹分布，前者优势区间在无坡向、半阳坡和阴坡，后者优势区间在半阳坡和半阴坡。

不同植被景观在坡向上分布指数图的陡缓程度显示，单纯灌丛的分布指数变化最不明显，这说明在各坡向上分布均匀，对坡向的适宜性很强，其余植被分布对坡向具有一定的选择性，但分布指数的变化程度差别不大。

3.1.4 植被景观在地形位梯度上的分布特征 植被景观在地形位上的分布格局表现为高、中和低3段式空间分布结构。低段区域优势植被景观为果园和耕地;中段区域优势植被景观为混交灌丛、单纯灌丛和人工草地;高段区域优势植被景观为天然草地。

耕地和果园的分布指数随着地形位的升高而减小，优势地形位区间分别是1～2和1～3;天然草地的分布指数随着地形位的升高而不断增加，优势地形位区间为6～10。单纯灌丛和混交灌丛都呈先增加后减少趋势，优势地形位区间分别是3～6和3～5。人工草地的分布指数变化趋势是先减小后增加再减小，优势地形位区间为5～6。

6类植被景观中，果园、天然草地、耕地在地形位梯度上的分布指数值变化较大，这说明对地形位具有很强的选择性;而人工草地和灌丛类地形位分布指数曲线较为平缓，受到地形位影响较小。植被在地形位上的分布特征与随坡度和海拔的分布特征基本吻合，这说明在该区域地形位是能够综合反映高度和坡度对植被格局影响的指数。

表1 不同植被类型的优势地形分布区间

3.2 植被格局与各地形因子的相关分析

通过将植被空间分布与各地形因子进行相关分析，比较各地形因子对植被格局影响的大小，确定影响植被格局关键的地形因子。结果表明，植被空间分布与海拔、坡度、坡向和地形位4个因子的相关系数分别是-0.51，-0.13，-0.02，-0.18，说明海拔对植被景观分布的影响最显著，地形位和坡度对植被格局的影响次之，而坡向对植被格局的影响最小。

4 结论

运用GIS空间分析技术，从景观尺度上分析了黄土高原上黄试区小流域植被空间分布格局与海拔、坡度、坡向和地形位4个地形因子的关系，主要结论如下:

(1)上黄试区植被景观分布格局与地形是密切相关的，最主要的地形因子是海拔，其次是地形位和坡度，而受坡向的影响较小。

(2)研究结果采用无量纲的分布指数，清楚地反映了区内各植被景观植被与地形梯度的分布规律，定量描述了上黄试区小流域准确提取了各植被景观的优势分布区间。总体来讲，灌丛类选择高海拔、中等坡度分布;天然草地选择中等偏低海拔、中等偏陡坡度分布;人工草地选择中等偏高海拔、陡坡分布;耕地和果园都选择在低海拔、平缓坡分布，前者优势海拔更低。

(3)本研究在分析传统地形因子(海拔、坡度、坡向)基础上，补充地形位这一综合地形因子，研究结果证明了在该区域地形位是能够综合反映高度和坡度对植被格局影响的指数。

致谢:本文采用的植被图在调查的过程中得到了中科院水土保持和生态环境研究中心侯庆春研究员的指导，在此表示感谢！

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