坎蘇河流域雪嶺云杉對不同地形的適應性分析

陳萬基，陳晨*，，趙陽，呂紹倫，向宇航，阿布都布熱汗·蘇力坦

（1.伊犁師范大學生物與地理科學學院，新疆伊寧 835000;2.伊犁師范大學資源與生態研究所，新疆伊寧 835000）

雪嶺云杉（Picea Schrenkiana），松科云杉亞科云杉屬喬木，也稱天山云杉，在我國主要分布于新疆天山地區，是天山原始森林主要的組成部分.雪嶺云杉喜冷濕，耐庇蔭，其涵養水源、保持水土、生態調節作用顯著.坎蘇河流域位于天山腹地伊犁河谷東部，是干旱與半干旱區兼具高山積雪、森林草原、河谷平原的重要生態系統.該流域森林植被主要為以雪嶺云杉為主的山地常綠針葉林，低海拔暖濕區域有少量野蘋果林、野杏林、野核桃林等落葉闊葉林.

伴隨著信息技術的發展，林業資源調查從大規模人工調查逐漸轉向信息化調查，高精度、低人力成本的調查技術逐漸成為林業調查研究的重點.遙感憑借大面積的同步觀測、時序性、經濟性、可比性等特點［1］成為現代林業調查技術發展趨勢.早期的林業遙感調查主要以通過對高分辨率影像目視解譯進行林業資源清查為主［2，3］.近年來，人工智能、機器學習與遙感技術深度結合，為林業調查提供了新方法、新技術.邢菲等將植被指數、地形因子等相結合構建決策樹模型，成功提取了天山云杉林空間歷史分布信息，提取精度達93.3%［4］；
劉玉峰等基于高分辨率遙感數據應用多尺度斑點檢測和梯度矢量流主動輪廓模型提出了一種新的樹冠提取技術，可以成功提取高、中、低郁閉度的天山云杉樹冠信息［5］；
師玉霞等基于GF-2影像數據，通過多層次分類方法對恰西國家森林公園進行遙感分類，實現高精度林草、水體、道路及其他用地分類［6］.

雪嶺云杉的經營管理一直是天山林業部門工作的重點，調查雪嶺云杉的空間分布規律是工作的首要任務.早期的調查主要通過實地考察、相鄰格子法［7］、空間點格局法［8］、傳統坡度分析法［9］等分析手段，基于樣本對天山山脈的雪嶺云杉空間分布特征進行研究，在一定程度上揭示了雪嶺云杉的空間分布規律.傳統的調查方法雖在一定程度上實現了雪嶺云杉空間分布的調查，但是受樣方選擇、人力消耗等限制，不能精確表達雪嶺云杉空間分布.近期研究表明，應用遙感技術可以提高雪嶺云杉空間分布調查精度.丁程鋒等運用遙感、地理信息系統技術通過地形因子差異指數、分布頻率指數、生境綜合指數進行了東天山烏魯木齊河流域雪嶺云杉空間分布、土地利用與地形因子關系研究，驗證了從流域尺度全面探明雪嶺云杉在海拔、坡度、坡向等不同生境中分布情況的可行性［10］.而雪嶺云杉分布規模更大的西天山相關研究卻鮮有報道，因此本研究采用坎蘇河流域DEM（Digital Elevation Model，數字高程模型）和衛星遙感影像數據，通過遙感基于樣本的面向對象提取和地理信息系統空間分析方法，研究西天山流域尺度上雪嶺云杉的空間分布規律，分析雪嶺云杉對不同地形的適應性，為流域內雪嶺云杉管理經營、開發利用等提供理論依據和參考.

1.1 研究區概況

坎蘇河，哈薩克語，意為水面寬闊的河，發源于新疆伊犁哈薩克自治州新源縣北部的阿吾拉勒山，自西向東橫穿坎蘇鎮、阿熱勒托別鎮，注入伊犁河主要支流之一的鞏乃斯河.流域內山脈連綿，地形陡峭，海拔高差大，最高約3 702 m，最低約943 m.流域氣候類型為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9℃，年平均降水量462.4 mm.流域內主要林木有雪嶺云杉、野杏、圓柏、小葉白蠟等，主要土壤類型有栗鈣土、黑鈣土、灰褐色森林土、高山草甸土.

圖1 研究區概況圖

1.2 數據來源

研究所用數據有DEM、遙感影像.DEM采用SRTM DEM數據，空間分辨率為90 m，下載自地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn）.運用ArcGIS 10.1軟件ArcSWAT工具基于SRTM DEM提取河流、流域矢量數據，并參考各類地圖圖件確定完善屬性信息.

遙感影像采用WorldView-3遙感衛星2019年6～10月份采集的影像，通過ENVI軟件合成全色與多光譜波段，真彩色顯示，空間分辨率為0.5 m.

1.3 研究方法

1.3.1 雪嶺云杉數據提取

對地觀測衛星生成的遙感影像往往因地物光譜信息復雜，光譜之間相互影響，造成同物異譜、同譜異物等問題，干擾高分辨率遙感影像的解譯.傳統基于光譜信息［11］、專家知識決策樹［12］的解譯方法很難解決上述問題，而面向對象空間特征提取技術充分利用高分辨率的全色和多光譜數據的空間、紋理、光譜信息來分割和構建分類對象，能夠輸出高精度的分類結果［13］.

因此，通過ENVI 5.3軟件進行影像預處理后，采用面向對象空間特征提取模塊多次實驗，最終確定提取效果最佳的分割閾值為40、合并閾值為85，生成對象斑塊.結合實地考察經驗、雪嶺云杉生長習性知識，對比影像中不同地物光譜紋理特征，根據保證分類樣本分布、數量、質量的原則，目視選取雪嶺云杉等各類地物解譯樣本，執行分類.將分類結果矢量數據導入ArcGIS中，對照遙感影像進行檢查、編輯、修正.

1.3.2 地形因子數據提取

按照林業調查標準劃分地形因子類型［14］，在ArcGIS中以SRTM DEM為基礎分別提取海拔、坡向、坡度面狀矢量數據.首先，使用重分類工具，將DEM劃分為100 m間距的海拔區間柵格數據，通過數據類型轉換工具，轉換得到海拔矢量數據.其次，基于DEM做坡向分析，再對坡向柵格數據重分類為8坡向區間柵格數據，轉換為坡向矢量數據.最后，基于DEM做坡度分析，坡度柵格數據重分類為平坡（0°～5°）、緩坡（5°～16°）、斜坡（16°～25°）、陡坡（26°～35°）、急坡（36°～45°）、險坡（≥46°），轉換為坡度矢量數據.

在ArcGIS中對雪嶺云杉、海拔、坡向、坡度4個矢量數據進行疊置相交分析，得到詳細劃分地形因子屬性的雪嶺云杉面狀矢量數據，通過地理計算工具計算面積，將屬性表導出，在SAS軟件中分別按不同的地形因子類型進行面積求和統計，得出不同地形因子的雪嶺云杉面積數值.按同樣的方法對流域土地海拔、坡向、坡度3個矢量數據進行疊置相交分析，可以得出不同地形因子類型的土地面積數據，最終能夠計算出各地形因子類型對應的雪嶺云杉覆蓋率.覆蓋率可以直觀反映雪嶺云杉對地形因子的適應程度，覆蓋率越高，說明該地形條件越適應雪嶺云杉生長.

2.1 流域內雪嶺云杉空間分布

結合高分辨率影像與面向對象空間特征提取可實現雪嶺云杉與山楊、野蘋果、野杏等落葉闊葉林樹種分類.因此，本方法適用于該區林業調查.通過統計，坎蘇河流域土地面積約476.74 km2，雪嶺云杉面積約29.38 km2，覆蓋率為6.16%，雪嶺云杉連片集中分布于流域中上游中山帶區域.

2.2 雪嶺云杉對不同海拔的適應性

研究區內雪嶺云杉集中分布在海拔1 200～3 200 m的中山帶（見圖2），其中海拔2 100～2 200 m雪嶺云杉面積最大，海拔2 200～2 300 m之間雪嶺云杉覆蓋率最高，達22.65%.在海拔低于1 200 m和高于3 200 m的地帶幾乎沒有雪嶺云杉分布.主要是因為海拔較低地帶943～1 200 m內，氣溫偏高，更適應草地和落葉闊葉林生長，雪嶺云杉競爭力較弱；
海拔3 200 m以上，氣溫低于雪嶺云杉生長適應溫度，是雪嶺云杉在該流域的生長上限.

圖2 不同海拔雪嶺云杉面積、土地面積及云杉覆蓋率

流域內土地面積隨著海拔升高而減少，雪嶺云杉覆蓋率與雪嶺云杉面積都有隨海拔先遞增后遞減的特征，在海拔2 200～2 300 m處覆蓋率最高，與丁程峰等研究結果大致相同［10］.雪嶺云杉面積與土地面積并無顯著線性關系，說明在海拔因子影響下，不同海拔的土地面積雖然影響著雪嶺云杉覆蓋率，但并不起決定性作用.海拔不同造成水熱分配不均，使溫度、降水、土壤等環境因子發生變化，進而改變植物生長的環境條件［15］.研究區雪嶺云杉適應生長在海拔1 700～2 700 m區間，這與汪祥森［16］、張繪芳［17］等研究結果基本一致.海拔1 700 m以下，是典型的山地草原和山麓草原，降水量較少，土壤水分較少，抑制雪嶺云杉生長，適宜山地草本植物生長；
海拔2 700 m以上，雖然降水較多，土壤濕潤，但氣溫隨海拔升高而降低，抑制雪嶺云杉生長，且更高海拔處有常年凍土或冰川積雪，不適宜雪嶺云杉生長.

2.3 雪嶺云杉對不同坡向的適應性

研究區內各坡向均有雪嶺云杉分布（見圖3），面積以NW為中心的陰坡和西風迎風坡居多.流域內土地面積主要集中在以SW為中心的陽坡和西風迎風坡.雪嶺云杉在以N為中心的陰坡覆蓋率最高，達19.63%，在以S為中心的陽坡覆蓋率最低，為1.28%.

圖3 不同坡向下雪嶺云杉面積、土地面積及云杉覆蓋率

綜上所述，流域內雪嶺云杉更適應生存于西風迎風陰坡，與王蘇穎等［18］研究結論基本一致，主要因為坡向主要影響地面接受光照、環境水分等自然條件，根據雪嶺云杉喜冷濕、耐庇蔭的生活習性，陰坡更適應生長.研究區位于北半球，因此北坡光照弱于南坡，形成庇蔭環境，符合雪嶺云杉生長習性，使得N坡向雪嶺云杉覆蓋率最高，S坡向雪嶺云杉覆蓋率極低.坡向影響環境水分主要表現在降水和土壤含水量，寧理科研究發現天山山區降水受坡向影響較?。?9］，研究區屬于天山山區.因此研究區坡向對環境水分影響表現為土壤含水量的高低.陰坡太陽輻射弱于陽坡，土壤蒸發較弱、土壤含水量較高、土壤溫度偏低，符合雪嶺云杉喜冷濕的生活習性.反之，陽坡土壤蒸發較強、土壤含水量偏低、土壤溫度偏高，抑制雪嶺云杉生長，適宜喜光喜熱的草本和植株較小的木本植物生長.

2.4 雪嶺云杉對不同坡度的適應性

研究區內雪嶺云杉面積隨坡度先增大后減?。ㄒ妶D4），即在不同坡度上雪嶺云杉面積遵從正態分布，面積峰值對應坡度為26°～35°陡坡，占總面積的49.56%.土地面積在隨坡度變化時，其變化規律性不強.隨著坡度陡峭程度增加，雪嶺云杉覆蓋率增大.在坡度為險坡時雪嶺云杉覆蓋率最高，高達22.88%.隨著坡度的增加，陡坡、急坡、險坡云杉覆蓋率增高，體現出云杉對陡峭地形的高適應性.

圖4 不同坡度下雪嶺云杉面積、土地面積及云杉覆蓋率

坡度直接影響山地太陽輻射和降水［20］，隨著坡度增大，作用于地表的垂直作用力減小，徑流速度緩慢，入滲土壤水分增多［21］，太陽輻射隨坡度增大而減少［22］.平坡、緩坡土壤含水量相較于陡坡、急坡、險坡較少，且其太陽輻射較強.所以土壤蒸發量較大，不適應喬木生長.陡坡、急坡、險坡土壤含水量較多，接受太陽輻射較少，土壤水分蒸發較少，適應喬木生長.所以險坡雪嶺云杉覆蓋率最高，急坡次之，平坡最低.坎蘇河流域雪嶺云杉覆蓋率隨坡度增大而增大，覆蓋率與坡度呈正相關關系，間接說明植被生長與水熱分配密切相關.

本文基于高分辨率遙感影像與DEM，通過面向對象空間特征提取和GIS空間分析技術，探明了坎蘇河流域雪嶺云杉對不同地形的適應性，得到如下結論：

（1）在面積約476.74 km2的坎蘇河流域中，雪嶺云杉面積約有29.38 km2，覆蓋率為6.16%.

（2）流域內雪嶺云杉集中分布在海拔1 500～2 800 m區域內，云杉面積隨海拔先遞增后遞減.雪嶺云杉覆蓋率峰值在2 200～2 300 m海拔區間，覆蓋率隨海拔先增大后減小.

（3）流域內雪嶺云杉更適應生存于西風迎風陰坡.

（4）流域內雪嶺云杉空間分布量隨坡度先增大后減小，即在不同坡度上雪嶺云杉面積占比遵從正態分布，陡坡雪嶺云杉面積最多.雪嶺云杉覆蓋率隨坡度升高而增大，險坡覆蓋率最高.