張繪芳，張景路，朱雅麗，地力夏提·包爾漢，高亞琪，雷亞君

(新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】新疆山區(qū)天然林處于積雪冰川和河川水系之間，具有控制能量平衡和水分循環(huán)、保護永久積雪和冰川安全、攔截與調(diào)節(jié)山區(qū)降水和冰雪融水的重要生態(tài)水文作用，同時具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、保持水土、防風(fēng)固沙等重大生態(tài)功能[1-3]，現(xiàn)階段山區(qū)天然林的自然更新問題日益突出。研究山區(qū)天然林在不同地形因子下的空間分布規(guī)律,對山區(qū)天然林的保護與管理有實際意義?！厩叭搜芯窟M展】以往通常采用傳統(tǒng)的點格局分析方法對植被的空間分布進行研究。如王庭權(quán)等[4]通過點格局研究分析了艾比湖區(qū)域植物種群的分布，揭示了各植物群落的空間分布關(guān)系；劉淑燕等[5]通過布設(shè)100 m×100 m的樣地，采用點格局法研究了北京山區(qū)不同齡級刺槐(Robiniapseudoacacia)個體的分布格局與空間關(guān)聯(lián)性；賈國棟等[6]采用點格局分析法確定了北京山區(qū)椴樹(Tiliamiqueliana)空間分布與海拔的關(guān)系；趙麗瓊等[7]采用點格局分析方法研究了青海云杉(Piceacrassifolia)不同齡級樹木在不同尺度下的空間分布格局；楊華等[8]采用點格局分析方法確定了長白山云冷杉(Abiesnephrolepis)林幼苗幼樹的空間分布格局。點格局法能夠準確地揭示植被的空間分布規(guī)律，其所獲取的數(shù)據(jù)通常來源于野外樣地實測調(diào)查方式，其過程繁瑣，周期長，實效性差，實地調(diào)查和觀測過程中耗費的人力和物力較大，導(dǎo)致該方法僅適合于小尺度的植被分布研究。GIS(Geographic Information System)、RS(Remote Sensing)和GPS(Global Position System)技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展彌補了傳統(tǒng)方式的不足。常禹等[9]基于Landsat遙感影像，采用GIS和RS技術(shù)分析確定了長白山自然保護區(qū)的森林景觀在氣象因子和地形因子上的分布情況；胥曉等[10]通過GIS技術(shù)將紅豆杉(Taxuschinensis)種群分布斑塊與坡度進行關(guān)聯(lián)，揭示了不同坡度紅豆杉種群的分布情況；曾宏達[11]基于DEM和地統(tǒng)計方法分析研究了武夷山森林資源在地形因子上的空間分布；岳剛等[12]基于林相圖和森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，運用GIS軟件進行數(shù)據(jù)處理，分析研究了森林景觀格局分布情況；李虎等[13]基于Landsat遙感影像，運用GIS、RS技術(shù)分析研究了新疆森林資源動態(tài)變化；彭守璋等[14]基于Landsat遙感影像、DEM、多年平均降水量空間分布數(shù)據(jù)，分析了祖厲河流域的土地分類和地類空間分布規(guī)律；張景路等[15]基于Landsat遙感影像、DEM，運用GIS、RS技術(shù)分析研究了阿爾泰山天然喬木林的空間分布規(guī)律。【本研究切入點】天山西部生態(tài)平衡及氣候變化的調(diào)節(jié)主要依賴于山區(qū)喬木林。以往研究集中在新疆山區(qū)雪嶺云杉林的分布?；?S技術(shù)在大尺度范圍對山區(qū)整體喬木林空間分布的位置和數(shù)量，以及進行定量研究分析的報道較少。研究天山西部天然喬木林空間分布與地形因子的定量關(guān)聯(lián)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過GIS和RS技術(shù)定量研究天山西部天然喬木林的空間分布規(guī)律，為山區(qū)喬木林的經(jīng)營管理、更新、恢復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選取天山西部國有林管理局伊寧分局所轄山區(qū)為研究區(qū)。研究區(qū)位于天山西部，伊犁河谷中部，伊犁哈薩克自治州境內(nèi)，其地理位置80°48′～82°02′E，44°04′～ 4°32′N，海拔高度900～3 630 m。屬中溫帶干旱型內(nèi)陸山地氣候，年平均氣溫8.2～9.4℃，年均降水量140～460 mm。林區(qū)針闊葉樹種分布較為分明，海拔944～1 800 m主要為闊葉樹種，海拔1 800～2 818 m(森林上線)主要為針葉樹種。林區(qū)主要以成熟林、過熟林為主，中熟林、幼齡林較少[16]，樹種以雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)、歐洲山楊(Populustremula)、杏(Armeniacavulgaris)居多。

收集涵蓋研究區(qū)的1∶50 000地形數(shù)據(jù)。運用ArcGIS 10.2，采用克里金插值法，基于地形數(shù)據(jù)生成研究區(qū)DEM(空間分辨率10 m)，運用ArcGIS 10.2從DEM中提取地形因子(海拔、坡向、坡度)數(shù)據(jù)。

收集研究區(qū)資源3號衛(wèi)星影像(為國家林業(yè)和草原局下發(fā)的森林資源2類補充調(diào)查影像)和Landsat 8遙感影像(以下簡稱OLI影像)。OLI影像時間為2016年8月25日，條帶號：146，行編號：29，云量為0.62%。

1.2 方 法

1.2.1 影像處理

運用ENVI 5.3對OLI影像進行輻射定標和大氣校正來消除大氣、光照等對影像的影響，通過地形校正消除由于地形起伏所產(chǎn)生的陰影，最后進行幾何校正得到所需遙感影像數(shù)據(jù)。

(1)輻射定標與大氣校正

①輻射定標采用ENVI5.3中的Radiometric Calibration模塊。表1

表1 輻射定標模型參數(shù)設(shè)置
Table 1 The parameters setting of radiometric calibration

模型參數(shù)Model Parameter參數(shù)設(shè)置Preferences定標類型(Calibration Types)Radiance存儲順序(Output Interleave)BIL輸出數(shù)據(jù)類型(Output Date Type)Float縮放系數(shù)(Scale Factor)0.1

定標原理是將OLI影像的DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值，其計算公式如下：

L=Gain×DN+Offset.

(1)

式中：L為轉(zhuǎn)換后的輻射亮度值，DN為衛(wèi)星相機輸出值，Gain為衛(wèi)星相機輻射響應(yīng)度，Offset為暗噪聲偏移量，以上單位均為W/(m2·sr·μm)。

②大氣校正采用ENVI5.3中的FLAASH模塊。表2

FLAASH是基于太陽波譜范圍內(nèi)和平面朗伯體在傳感器處接收的像元光譜輻射亮度，其計算公式如下：

(2)

式中：Lf為傳感器處接收的總輻射亮度，ρ為像元表面反射率，ρe為像元周圍平均表面反射率，S為大氣球面反照率，La為大氣后向散射輻射率，A和B為取決于大氣條件和幾何條件的2個系數(shù)。所有變量都與波段范圍有關(guān)。表2

表2 大氣校正模型參數(shù)設(shè)置
Table 2 The parameters setting of atmospheric correction model

模型參數(shù)Model Parameter參數(shù)設(shè)置Preferences模型參數(shù)Model Parameter參數(shù)設(shè)置Preferences中心經(jīng)緯度(Scence Center Location)E:82°37′29″N:44°36′10″水汽反演(Water Retrieval)YES傳感器類型(Sensor Type)Landsat8 OLI氣溶膠模型(Aerosol Model)Urban傳感器飛行高度(Sensor Altitude)705 km氣溶膠反演(Aerosol Retrieval)K-T平均海拔(Ground Elevation)1.4 km初始能見度(Initial Visibility Value)40 km圖像像素大小(Pixel Size)30氣溶膠厚度系數(shù)(Aerosol Scale Height)1.5 km成像日期(Flight Date)2015-06-20上行通道(KT Upper Channel)SWIR 2成像時間(Flight Time GMT)05:13:47下行通道(KT Lower Channel)Red大氣模型(Atmospheric Model)Sub-Arctic Summer

(2)地形校正

地形校正采用ENVI5.3擴展模塊Topographic Correction實現(xiàn)。表3

表3 大氣校正模型參數(shù)設(shè)置
Table 3 The parameters setting of atmospheric correction model

模型參數(shù)Model Parameter參數(shù)設(shè)置Preferences太陽方位角(Sun Azimuth)137.01太陽高度角(Sun Elevation)63.61卷積核大小(Kernel Size)9×9參與回歸運算樣本點采樣間隔(Grid Size)10地形校正模型(Topo Model)VECA存儲順序(Output Interleave)BILDEM數(shù)據(jù)重采樣方法(Resample Method)Nearest Neighbor

地形校正是指通過各種變換，將所有像元的輻射亮度變換到某一參考平面(通常取水平面)，從而消除由于地形起伏而引起的影像輻射亮度值的變化，使影像更好地反映地物的光譜特征[17]。地形校正方法有Teillet、VECA、C、Cosine-B、Cosine-C、Cosine-T、SCS、SCS+C等。選用VECA方法。

(3)

式中：Lm表示校正后像素值，L表示校正前像素值，Lα為校正前像素均值，cosi為太陽入射角的余弦值，m和b分別為影像值與cosi線性回歸方程的斜率和截距。

(3)幾何校正

采用ENVI Classic 5.3中的Image to Image工具，以校正好的資源3號衛(wèi)星影像為基準影像，采集3個以上地面控制點，根據(jù)地面控制點對Landsat 8遙感影像進行校正。

1.2.2 天然喬木林分類

對處理好的遙感影像采用面向?qū)ο蠓ㄟM行分類，將研究區(qū)地類劃分為喬木林和其他兩類，根據(jù)喬木林在遙感影像上的特征，篩選訓(xùn)練樣本，采用ENVI軟件下的最大似然分類器對遙感影像進行分類，從分類結(jié)果中提取喬木林圖斑。參照資源3號衛(wèi)星影像對提取的喬木林圖斑錯劃部分進行人工解譯修改。采用實地調(diào)查的方式對分類結(jié)果進行精度驗證，分類精度達到95.3%。結(jié)合實地調(diào)查數(shù)據(jù)和森林資源2類補充調(diào)查數(shù)據(jù)將天然喬木林分類數(shù)據(jù)再按照樹種進行細分。得出研究區(qū)天然喬木林面積為1.65×104hm2，其中雪嶺云杉林1.05×104hm2，歐洲山楊林0.39×104hm2，杏林0.11×104hm2，其他樹種林0.10×104hm2。

1.2.3 地形因子區(qū)間劃分

將研究區(qū)海拔梯度劃分為10級：944～1 000 m、1 000～1 200 m、1 200～1 400 m、1 400～1 600 m、1 600～1 800 m、1 800～2 000 m、2 000～2 200 m、2 200～2 400 m、2 400～2 600 m、2 600～2 818 m。坡向以正北為0，順時針為0～180°，逆時針為0～-179°，共劃分為8個方向：其中-22.5～22.5°為北坡，22.5～67.5°為東北坡，67.5～112.5°為東坡，112.5～157.5°為東南坡，157.5～-157.5°為南坡，-157.5～-112.5°為西南坡，-112.5～-67.5°為西坡，-67.5～-22.5°為西北坡。坡度共6個級別：I級為平坡，<5°；II級為緩坡，≥5～15°；III級為斜坡，≥15～25°；IV級為陡坡，≥25～35°；V級為急坡，≥35～45°；Ⅵ級為險坡，≥45°[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用ArcGIS分析工具分析得到天然喬木林在各地形因子區(qū)間下的分布面積。進行數(shù)據(jù)分析時，采用各地形因子下天然喬木林面積占研究區(qū)天然喬木林總面積比例的形式展現(xiàn)，將此稱為喬木林分布指數(shù)。運用Excel 2010統(tǒng)計分析喬木林分布指數(shù)，運用SPSS 20.0進行統(tǒng)計學(xué)分析，生成散點圖、分布直方圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔分布

研究表明,研究區(qū)天然喬木林分布在海拔944 m(森林下線)～2 818 m(森林上線)，集中分布的區(qū)域為海拔1 200～2 500 m，其分布指數(shù)為96.19%，該海拔區(qū)域的生境條件適宜天然喬木林的生長。其中在海拔2 000～2 200 m的區(qū)域分布有21.98%的喬木林，分布最多；其次為海拔1 800～2 000 m和2 200～2 400 m，分別分布有19.78%和19.17%的喬木林；海拔944～1 200 m、2 600～2 814 m的區(qū)域喬木林分布較少，分布指數(shù)分別為2.27%和0.29%。經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在海拔944～1 200 m區(qū)域內(nèi)的喬木林樹種主要為杏、天山野蘋果等，由于其幼苗植株較小，容易受到牲畜的啃食，成熟植株遭到破壞后不能及時得到更新，因此,該區(qū)域內(nèi)喬木林分布較少，需加強對該區(qū)域喬木林的保護。在海拔高于2 600 m的區(qū)域，由于低溫的影響，限制了雪嶺云杉的生長，因此,該區(qū)域內(nèi)喬木林分布較少。圖1，圖2

圖1 天然喬木林海拔、坡向分布
Fig. 1 Distribution of natural arbor forest in altitude and aspect

圖2 天然喬木林海拔統(tǒng)計
Fig. 2 The histogram of natural arbor forest in altitude

2.2 坡向分布

研究表明,研究區(qū)天然喬木林在各坡向均有分布，但主要集中分布在坡向-90～90°(包含北坡、西北坡、東北坡全部以及東坡、西坡部分區(qū)域)，分布指數(shù)為88.72%，其余坡向分布較少。研究區(qū)天然喬木林在北坡分布最多，分布指數(shù)為29.14%，其次為西北坡和東北坡，分布指數(shù)分別為23.04%和18.05%；南坡分布最少，僅為0.59%。在海拔1 400 m至森林下線區(qū)域，隨著海拔的降低喬木林在坡向上分布的分散程度逐漸增大；在海拔2 500 m至森林上線區(qū)域，隨著海拔的升高分散程度逐漸增大；海拔1 400～2 500 m區(qū)域，喬木林在坡向上的分布較為集中。圖1，圖2

研究區(qū)西坡、西北坡林地分布指數(shù)高于東坡、東北坡，喬木林生長所需的環(huán)境因子西坡、西北坡優(yōu)于東坡、東北坡。研究區(qū)土壤濕度數(shù)據(jù)看，西坡、西北坡的土壤濕度均高于東坡、東北坡，土壤含水量是影響西坡、西北坡林地分布指數(shù)與東坡、東北坡存在差異的因子。圖3，圖4

圖3 天然喬木林坡向
Fig. 3 The histogram of natural arbor forest in aspect

圖4 土壤濕度對比
Fig. 4 The comparison of soil moisture

2.3 坡度分布

研究表明,研究區(qū)天然喬木林主要分布在坡度≥15～55°，即斜坡、陡坡和急坡以及險坡的部分區(qū)域(≥45～55°)，分布指數(shù)達92.37%，其余坡度分布較少。喬木林集中分布區(qū)域近似橢圓，從海拔1 200～2 500 m隨著海拔的升高坡度范圍呈現(xiàn)先逐漸變大又緩慢減小的趨勢，至2 100 m處坡度范圍最大；海拔1 200～1 500 m喬木林集中分布坡度范圍為20～45°，海拔1 500～2 500 m喬木林集中分布坡度范圍增大到15～55°。圖5

圖5 天然喬木林海拔、坡度分布
Fig. 5 Distribution of natural arbor forest in altitude and slope

研究表明,研究區(qū)天然喬木林在陡坡分布最多，分布指數(shù)為32.32%；其次是急坡，分布指數(shù)為28.66%；斜坡的分布指數(shù)為18.11%，14.61%分布在險坡(主要分布的坡度為≥45～55°)。圖6

圖6 天然喬木林坡度
Fig. 6 The histogram of natural arbor forest in slope

2.4 山區(qū)喬木林樹種空間分布

研究表明,研究區(qū)分布的樹種有雪嶺云杉、歐洲山楊、疣枝樺、杏和天山野蘋果。其中以雪嶺云杉為主，其分布面積占研究區(qū)天然喬木林總面積的63.60%；其次是歐洲山楊，分布指數(shù)為23.87%；杏的分布指數(shù)為6.45%；疣枝樺和天山野蘋果分布少，僅為0.42%和0.76%。針闊混交林和闊葉混交林相對較少，分布指數(shù)分別為2.48%和2.43%。圖7

圖7 樹種組成比例
Fig. 7 The composition ratio of tree species

研究表明,雪嶺云杉分布在海拔1 318～2 818 m區(qū)域，其分布下線為1 318 m，分布上線為2 818 m；雪嶺云杉集中分布在1 800～2 400 m，其分布面積占研究區(qū)雪嶺云杉總面積的71.22%，該區(qū)域為雪嶺云杉適宜生長區(qū)；在海拔1 400 m至下線和海拔2 600 m至上線區(qū)域分布較小，幾乎沒有分布，分布指數(shù)分別為0.14%和0.06%。圖8

圖8 雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)海拔分布
Fig. 8 The histogram ofPiceaschrenkianain altitude

歐洲山楊分布在海拔944～2 290 m區(qū)域，說明其分布下線為944 m，分布上線為2 290 m；其集中分布區(qū)域為1 400～2 000 m，其分布面積占研究區(qū)歐洲山楊總面積的86.11%，該區(qū)域為歐洲山楊適宜生長區(qū)；在1 600～1 800 m區(qū)域分布最多，分布指數(shù)為41.80%，其次23.97%分布在1 800～2 000 m區(qū)域，20.34%分布在1 400～1 600 m；下線至1 200 m和2 000～2 290 m分布較少，分布指數(shù)分別為2.84%和3.93%。圖9

圖9 歐洲山楊(Populustremula)海拔分布
Fig. 9 The histogram ofPopulustremulain altitude

杏分布的海拔范圍相比雪嶺云杉和歐洲山楊的分布范圍小，其分布下線為960 m，分布上線為1 795 m；其分布相對比較集中，集中分布區(qū)域為1 000～1 600 m，其分布指數(shù)為98.73%，該區(qū)域為杏適宜生長區(qū)；其中在1 200～1 400 m區(qū)域分布最多，比例為52.66%，其次29.34%分布在1 400～1 600 m區(qū)域，16.73%分布在1 000～1 200 m；下線至1 000 m和1 600～1 795 m分布較少，分布指數(shù)分別為0.32%和0.95%。圖10

圖10 杏(Armeniacavulgaris)海拔分布
Fig. 10 The histogram ofArmeniacavulgarisin altitude

3 討 論

天然林作為森林生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有豐富的生物多樣性和較高的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[19]，加強對天然林的保護與管理是生態(tài)文明建設(shè)的一項重要工作，研究山區(qū)天然喬木林的空間分布規(guī)律能夠為天然林的保護與管理提供科學(xué)依據(jù)。

《新疆森林》[20]一書中指出雪嶺云杉林分布在天山北坡1 300～2 800 m的中低山—亞高山帶，與結(jié)果基本一致；有研究指出海拔1 800～2 400 m區(qū)域的生境條件適宜天山云杉的生長[21]，這與研究結(jié)果一致。

結(jié)果顯示天然喬木林在西坡、西北坡的分布較東坡、東北坡多，主要是受區(qū)域降水不均勻的影響。張正勇等[22]指出天山西部的降水來源主要是大西洋和北冰洋的暖濕氣流，暖濕氣流受西風(fēng)的影響，首先在天山西部的西坡、西北坡迎坡而上形成較大降水，東坡、東北坡降水相對西坡、西北坡較少。張毓?jié)萚23]報道雪嶺云杉在西坡、西北坡植株密度高于東坡、東北坡，前者相比后者更適宜喬木生長。丁程鋒等[18]指出89.18%的雪嶺云杉分布在陰坡(0～45°、315～360°)、半陰坡(270～315°、45～90°)，其坡向270～360°與-90～0°是相同坡向，該結(jié)果與研究結(jié)果一致。

坡度影響山區(qū)降水和太陽輻射的分布[24]，而降水和太陽輻射是天然喬木林生長的必要因素[25-27]，坡度間接影響了山區(qū)天然喬木林的分布。坡度對降水、太陽輻射空間分布的影響主要表現(xiàn)在：降水隨著坡度的增加作用于地表的垂直作用力減小，徑流速度增加減緩，入滲量增大[28]，土壤水分得到增加，而在平坡、緩坡等坡度較小的區(qū)域由于徑流速度增加，入滲量減少，土壤含水量相比坡度大的區(qū)域小；在北半球東西走向的山脈，向陽坡太陽輻射與坡度呈正相關(guān)，坡度增加太陽輻射量也隨之增加，陰坡太陽輻射與坡度呈負相關(guān)，隨著坡度的增加太陽輻射量逐漸減少[29]。在平坡、緩坡等區(qū)域的土壤含水量較斜坡、陡坡、急坡等區(qū)域的小，而其所接受的太陽輻射量大，水分蒸發(fā)量大，土壤水分不能維持較大面積的喬木正常生長，在平坡和緩坡的天然喬木林分布指數(shù)較小。在斜坡、陡坡、急坡等坡度較大的區(qū)域，土壤含水量較大，蒸發(fā)量少，所接受的太陽輻射能夠保證喬木進行光合作用和獲取能量，因此，天然喬木林在此區(qū)域分布指數(shù)較大。

將研究結(jié)果與丁程鋒等[18]研究的烏魯木齊河流域天山云杉林坡度分布規(guī)律進行對比，發(fā)現(xiàn)天山西部喬木林與天山中部云杉林坡度分布規(guī)律基本一致，坡度分布均為陡坡>急坡>斜坡>險坡>緩坡>平坡。

4 結(jié) 論

4.1 天山西部天然喬木林最適宜生長的海拔范圍為1 800～2 400 m，其中96.19%集中分布在海拔1 200～2 500 m區(qū)域內(nèi)。

4.2 天山西部天然喬木林適宜生長的坡向為北坡、西北坡、東北坡全部以及東坡、西坡部分(-90～90°)，在該區(qū)域分布達88.72%。喬木林在東南坡、西南坡分布較少，分別為3.98%和3.91%；在南坡分布最少，僅為0.59%。

4.3 天山西部天然喬木林最適宜生長的坡度為≥15～55°(斜坡、陡坡和急坡以及險坡的部分區(qū)域)，在該區(qū)域的分布達92.37%，其中在陡坡分布最多，分布指數(shù)達32.32%。喬木林集中分布的坡度范圍存在隨著海拔的升高先逐漸變大后緩慢減小的趨勢。

4.4 天山西部分布的樹種有雪嶺云杉、歐洲山楊、疣枝樺、杏和天山野蘋果。其中以雪嶺云杉分布面積最大，占天然喬木林總面積的63.60%；其次為歐洲山楊，第3為杏，疣枝樺和天山野蘋果分布較少。雪嶺云杉林分布的海拔范圍是1 318～2 818 m，其集中分布區(qū)域為1 800～2 400 m；杏和歐洲山楊集中分布的海拔范圍分別是1 000～1 600和1 400～2 000 m。