基于DEM的地形與植被分布關聯分析1)

吳 英

(廣西大學，南寧，530004)

張萬幸

(中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心)

張麗瓊

(南寧樹木園)

伍 靜

(廣西大學)

森林植被的組成以及空間分布與配置格局是影響生態系統結構和功能的重要因素[1－2]。在景觀甚至更小的尺度上，植被類型受非地帶性環境因子的主導[3]。地形通過控制光、熱、水、土壤養分等資源的再分配而成為影響植被分布的最重要的環境因子[4]。研究植被格局與地形格局的相關關系可以探索森林景觀異質性、森林資源的空間格局，為森林資源的經營和管理提供參考[5]。DEM是數字高程模型的一種，描述區域內地形地貌的空間分布[6－7]。利用DEM自動提取地形因子，進行空間分析，具有快速、科學、客觀等特點，可以部分取代傳統作業中繁雜的野外實地觀測，在數字林業建設中有良好的應用前景[8－9]。中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心(以下簡稱熱帶林業實驗中心)是中國林業科學研究院直屬副司局級科學事業性質的林業試驗示范基地、科技創新基地和科普教育基地，承擔我國熱帶南亞熱帶林業科學實驗。科學的研究該區域的森林資源空間分布格局與海拔、坡度、坡向因子之間的關系和規律，對森林資源的合理經營、科學管理有重要的意義。

1 研究區概況

熱帶林業實驗中心地處廣西西南邊陲，位于北緯21°57'47″～22°19'27″，東經 106°39'50″～106°59'30″。氣候屬于南亞熱帶半濕潤—濕潤氣候，日照充足，雨量充沛，干濕季節明顯，光、水、熱資源豐富。地貌類型有丘陵、臺地、低山、中山和巖溶地貌，最高海拔1045.9 m(北大青山)，最低海拔 130.0 m(平而河)，地勢以西北端最高，東南端最低，中部參差起伏，形成山地、丘陵相間而又漸向東傾斜的地貌類型。主要成土母巖為泥巖夾砂巖、礫狀灰巖、花崗巖和石灰巖，土壤類型則以磚紅性紅壤、紅壤為主，其次為紫色土，再次是黃壤及少量石灰土。

熱帶林業實驗中心植被屬于南亞熱帶季雨林，原生植被有季雨林和常綠闊葉林。人工植被主要有馬尾松林、杉木林、常綠闊葉林。主要喬木樹種有馬尾松、杉木、濕地松、米老排、西南樺、紅椎、石梓等;灌木樹種主要有鹽膚木、余甘子、桃金娘、野牡丹、牛奶果等;草本主要有黃茅草、青茅草、野古草、纖毛鴨嘴草、五節芒、曼生莠竹等。

2 研究方法

收集熱帶林業實驗中心所在范圍內的1∶10000地形圖及2009年森林資源二類調查小班數據等相關專題圖材料。在地理信息系統軟件Arc-GIS 9.2支持下對1∶10000地形圖進行等高線矢量化和高程賦值，生成等高線矢量圖，通過Arcmap的3D分析模塊建立熱帶林業實驗中心數字高程模型(DEM)，并提取海拔、坡度、坡向等相關信息。利用數據管理軟件Visual FoxPro將二類調查小班數據按照實際經營管理需求提取桉樹、灌木林(含灌木經濟林)、馬尾松、杉木、濕地松、闊葉林，共6種植被類型。通過Arcmap強大的空間分析功能，疊加分析海拔、坡度、坡向與不同植被類型在空間上相關關系和一般規律。

3 結果與分析

3.1 各植被類型在海拔上的分布特征

海拔每升高100 m，年平均氣溫約下降0.56℃，雨量和相對濕度在一定的高度上則隨海拔升高而增加。同時，輻射強度和光譜中波長成分亦隨高度而有所變化，空氣流動也發生了顯著的渦動現象，土壤的性質也呈現明顯的垂直地帶性變異，這些都程度不同地影響著植被的類型組成和空間分布。研究區海拔高程為130～1050 m，將研究區劃分為130～250、250～500、500～800、800～1050 m 4個高程區，并與植被類型圖進行疊加分析。經統計，不同植被類型在不同高程區的分布情況如表1所示。由表1可知，熱帶林業實驗中心81.27%的森林資源主要分布在500 m以下的海拔范圍內，隨著海拔的升高，森林面積分布逐漸減少，在500～800、800～1050 m海拔范圍森林面積僅為17.40%和1.33%。桉樹和灌木主要分布在130～250 m海拔范圍，所占比例分別為97.78%和88.18%，隨著海拔的增加，面積明顯減少，在800m以上的海拔范圍僅分布著0.02%的桉樹和0.93%的灌木。濕地松集中分布在海拔500 m以下，在海拔500 m以上地區沒有分布。馬尾松、闊葉林在海拔250～500 m范圍分布較多，其中馬尾松分布在該高程區的比例為61.19%，闊葉林為45.56%。杉木主要分布在250～800 m海拔范圍，占71.97%。隨著海拔升高，各植被類型面積減少，在海拔800 m以上，馬尾松和杉木林的面積與闊葉樹相當。桉樹主伐年齡為4～5 a，經營強度大，灌木林的經營強度也大，選擇低海拔林地進行營造桉樹和灌木林便于經營管理。杉木屬于陽性樹，喜溫暖濕潤氣候，因此在250～800 m海拔范圍內更適合其生長。馬尾松的適應性較強，適合在不同海拔上生長。闊葉樹的樹種種類較多，在不同海拔上分布著不同的樹種。

表1 不同植被類型在不同海拔上的面積

3.2 各植被類型在坡度上的分布特征

坡度不同將直接影響物質交流與能量轉換的方式與程度，以及坡面接受太陽輻射的量值，從而間接地影響該坡面的指標類型與分布態勢。從DEM數據獲取研究區坡度柵格圖，并按照坡度分級標準分為平坡(0 ～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、險坡( ＞46°)共6級。將坡度圖與植被類型圖進行疊加分析。不同植被類型在不同坡度上的分布情況如表2所示。由表2可知，熱帶林業實驗中心森林資源集中分布在小于35°坡度范圍內，比例達86.77%，其中以斜坡和陡坡面積最多，分別為31.71%、39.70%。桉樹與濕地松在坡度級上的分布極相似，均在斜坡上分布最廣，分別為46.57%、40.89%。杉木、馬尾松、闊葉樹主要分布在陡坡上，分別為46.09%、40.51%和42.42%。從面積上看，馬尾松在各坡向上的面積均超過杉木和闊葉樹。

3.3 各植被類型在坡向上的分布特征

坡面的朝向，決定了該坡面接受太陽輻射以及地面水分的量值與變化程度，因而在很大程度上影響植被的類型與分布，特別在陰陽坡之間出現最為明顯的差異。從DEM數據獲取研究區坡向柵格圖，按照坡向分級標準分為陽坡(S、SW)、陰坡(N、NW)、半陽坡(SE、E)、半陰坡(W、NE)，無坡向 5 個坡向級共5類，并與研究區植被類型圖進行疊加分析。不同植被類型隨坡向變化統計結果如表3所示。由表3可知，熱帶林業實驗中心的森林資源在各坡向上的分布除平坦地區外相差不明顯，灌木是唯一在平坦地帶分布超過20%的植被類型，在平坦地區種植灌木經濟林便于經營管理。桉樹、馬尾松在半陽坡和陽坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布要多，分別為 48.77%、50.21% 和 35.31%、39.89%。杉木在半陽坡和陽坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布略少，分別為44.39%和50.33%。杉木在平坦地區分布最少，杉木雖然適宜生長在山洼、谷地的陰坡地區，但在較低的海拔和坡度上，杉木對坡向的敏感度較弱。闊葉樹在各坡向上的分布除平坦地區外相差不明顯。

表2 不同植被類型在坡度級上的面積

表3 不同植被類型在各坡向上的面積

4 結束語

在ArcGIS9.2軟件的支持下，建立熱帶林業實驗中心數字高程模型，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，并與2009年熱帶林業實驗中心森林資源調查數據進行疊加分析，得到以下結論:①熱帶林業實驗中心81.27%的森林資源主要分布在500 m海拔范圍以下，隨著海拔升高，森林資源分布逐漸減少。桉樹、灌木集中分布在130～250 m海拔梯度內，濕地松則主要分布在海拔500 m以下，馬尾松、杉木、闊葉樹在海拔上的分布規律相似，在250～500 m海拔范圍內分布最多。②熱帶林業實驗中心森林資源集中分布在小于35°坡度范圍內，占86.77%。桉樹、濕地松在斜坡上分布最多，分別為46.57%、40.89%，杉木、馬尾松、闊葉樹在陡坡上的比例均超過40%。③桉樹、馬尾松在半陽坡和陽坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布要多;杉木在半陽坡和陽坡的分布比在半陰坡和陰坡的分布略少;闊葉樹在各坡向上的分布除平坦地區外相差不明顯。④桉樹、灌木經濟林由于經營強度大，應選擇海拔低，坡度緩的林地造林;杉木喜溫暖濕潤氣候，半陰坡陰坡更適合其生長;馬尾松適應性強，研究區大部份林地均適合造林;闊葉樹的樹種種類較多，可根據不同樹種選擇不同的地形條件造林。

本研究僅選取熱帶林業實驗中心的3個地形因子(包括海拔、坡度、坡向)與主要植被類型之間做單一的相關性分析，然而在實際生產中，林木的生長受光照、土地肥力、水分條件、土層厚度和經營措施等諸多因子的共同影響，因此，在下一步研究中，應選取更多的環境因子結合地形因子綜合的分析植被類型的空間分布規律，從而為森林資源的合理經營和科學管理提供服務。

[1]楊三紅，李晉敏.基于DEM的森林空間分布格局的研究[J].山西林業科技，2008(2):13 －15，22.

[2]李崇巍，劉麗娟，孫鵬森，等.岷江上游植被格局與環境關系的研究[J].北京師范大學學報:自然科學版，2005，41(4):404 －409.

[3]沈澤昊，張新時，金義興.地形對亞熱帶山地景觀尺度植被格局影響的梯度分析[J].植物生態學報，2000，24(4):430－435.

[4]孔寧寧，曾輝，李書娟.四川臥龍自然保護區植被的地形分異格局研究[J].北京大學學報:自然科學版，2002，38(4):543 －549.

[5]曾宏達.基于DEM和地統計學的森林資源空間格局分析:以武夷山山區為例[J].地球信息科學，2005，7(2):82 －87.

[6]郭鵬，劉洪斌，白潔，等.1∶1萬數字高程模型的建立及坡度分析[J].國土與自然資源研究，2004(1):42－44.

[7]付曉，馮仲科.數字高程模型及其在林業中的應用[J].林業科技，2002，27(5):13 －15.

[8]畢華興，譚秀英，李笑吟.基于DEM的數字地形分析[J].北京林業大學學報，2005，27(2):49 －53.

[9]曾宏達，陳光水，楊玉盛.基于DEM的森林空間分布研究[J].國土與自然資源研究，2005(3):85－87.