孔霄 來風(fēng)兵 陳蜀江 朱選

(新疆師范大學(xué)，烏魯木齊,830054) (莫納什大學(xué))

塔克拉瑪干沙漠地處歐亞大陸的中心，北部、西部和南部三面有高大山脈，阻擋海洋濕潤氣流進(jìn)入，成為世界上最干旱的地區(qū)之一[1]。荒漠氣候加劇地表沙化程度，增加挾沙氣流的發(fā)生可能性，也為就地起沙創(chuàng)造了良好的沙源條件[2]。因此，流動性沙物質(zhì)的運(yùn)移成為塔克拉瑪干沙漠重要的地表過程，使得該區(qū)成為歐亞大陸乃至北半球重要的沙源和粉塵源區(qū)之一[3-4]。

別里庫姆沙漠位于塔克拉瑪干沙漠的西南部，自地質(zhì)歷史年代以來，和田河自西向東多次發(fā)生改道，地下水埋深0.15～83.20 m，為沙生植物的生長創(chuàng)造了有利的水源條件[5-6]。胡楊(Populuseuphratica)是該區(qū)的典型喬木層植被，具有耐旱、耐寒、耐鹽、耐堿等特性，成為塔里木盆地天然林的建群樹種和珍貴的抗逆種質(zhì)資源[5，7]。胡楊是生態(tài)環(huán)境變化的敏感因子，其形態(tài)特征則是生境質(zhì)量的反映[8]。在別里庫姆沙漠，胡楊是風(fēng)沙流運(yùn)移的主要障礙物，粒級較大的沙物質(zhì)在胡楊的上風(fēng)向堆積，形成胡楊回渦沙丘并廣泛發(fā)育。這種現(xiàn)象是短時期內(nèi)胡楊對流沙阻擋作用的表現(xiàn)，同時為防止流沙侵入南部和田-墨玉-洛浦綠洲營造了斑塊屏障，因此研究別里庫姆沙漠胡楊與胡楊回渦沙丘形態(tài)特征間的關(guān)系意義重大。目前，國內(nèi)外關(guān)于胡楊的研究主要集中在生物學(xué)特性[9-11]、生長發(fā)育的影響因素[11-12]、根系特征[13-14]等方面，而對于回渦沙丘的研究則主要集中在形態(tài)示量特征[15]、粒度特征[15-16]和流場特征[17-19]3個方面，并取得了一系列研究成果。但從形態(tài)學(xué)角度出發(fā)，分析胡楊與胡楊回渦沙丘的關(guān)系則鮮見報道。本研究采用無人機(jī)遙感傾斜攝影方法分別對胡楊和胡楊回渦沙丘形態(tài)特征進(jìn)行分析探討，以期為保護(hù)和培育沙漠胡楊優(yōu)勢建群種、確保塔里木盆地南緣綠洲生態(tài)安全、監(jiān)測與評估土地沙化和保障綠洲經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

別里庫姆沙漠東接和田河，北臨麻扎塔格山，地理坐標(biāo)為37°35′～38°44′N，79°52′～80°40′E(圖1)。研究區(qū)深居內(nèi)陸，屬于溫帶大陸性極端干旱荒漠氣候[5]。歷年極端最高氣溫為42.7 ℃，極端最低氣溫為-23.7 ℃，年平均氣溫14.8 ℃，年均蒸發(fā)量可達(dá)2 648.7 mm，年均降水量僅32.5 mm，全年日照時間可達(dá)2 643.9 h，無霜期可達(dá)210 d[5-6]。春季多大風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)14.0 m·s-1，年平均風(fēng)速2.1 m·s-1，土壤以風(fēng)沙土為主，因此多浮塵天氣，并常伴有沙塵暴[6，20]。

圖1 研究區(qū)位置示意和樣區(qū)分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

大疆Phantom 4 Pro配合GS-Pro飛控軟件做大比例尺地形圖，技術(shù)成熟、精度高[21]?；谝巴饪疾旒暗缆返目蛇_(dá)性，以NS向和EW向2條沙漠公路為研究區(qū)的2條軸線，并在其附近共選取6個典型樣區(qū)；將每個樣區(qū)的4個角點(diǎn)和1個中心點(diǎn)分別設(shè)置為檢查點(diǎn)和校準(zhǔn)點(diǎn)，并利用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(RTK)獲取各點(diǎn)的精確坐標(biāo)；調(diào)整無人機(jī)的部分飛行參數(shù)對胡楊回渦沙丘進(jìn)行航拍。無人機(jī)影像中能夠清晰識別出胡楊回渦沙丘(圖2b)，以此通過數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集(DOM)獲取60個胡楊及胡楊回渦沙丘的形態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 航測精度驗證

別里庫姆沙漠下墊面性質(zhì)單一，地物形態(tài)相對簡單。借鑒錢廣強(qiáng)[22]、張純斌[23]對傾斜攝影測量精度的驗證方法，采用平均誤差(M)和均方根誤差(RMSE)進(jìn)行表示：

(1)

dei=ha-hb。

(2)

(3)

(4)

式中：xa、ya、ha、xb、yb、hb分別為RTK像控點(diǎn)a和無人機(jī)影像像控點(diǎn)b的三維坐標(biāo)；dpi為第i個控制點(diǎn)水平距離誤差；dei則為垂直距離誤差。

根據(jù)6個樣區(qū)航測誤差統(tǒng)計結(jié)果，水平和垂直方向上的平均誤差的均值范圍分別為-2.54～1.79、-6.62～-1.84 mm；均方根誤差的均值范圍分別為3.92～5.73、8.70～11.38 mm，而1∶500航測的平面和高程精度分別為300、200 mm[24]。因此，利用無人機(jī)手段研究微地貌的形態(tài)可行且精度高。

2.3 形態(tài)特征提取與分析

根據(jù)無人機(jī)遙感的特點(diǎn)，先利用Agisoft軟件處理航拍照片，通過密集點(diǎn)云獲取胡楊的株高(Ht)、冠幅長軸(Lt)、冠幅短軸(Wt)、冠幅高度(h)、胸徑(r)等形態(tài)數(shù)據(jù)，生成飛行域的DEM和DOM并導(dǎo)入ArcGIS中，再量取60個胡楊回渦沙丘的丘體長度(Ld)、丘體寬度(Wd)、高度(H)、周長(C)、走向(λ)及胡楊到沙丘出風(fēng)口的距離(d)，并使用ArcGIS10.2中3D分析工具模塊計算出胡楊冠幅面積(D)、冠幅體積(v)、胡楊迎風(fēng)剖面面積(B)、沙丘的表面積(S)、體積(V)和胡楊與沙丘兩翼所圍成的面積即翼角面積(A)。其中，胡楊冠幅長軸為沿主風(fēng)向的植株長度，冠幅短軸為垂直于主風(fēng)向的植株寬度，冠幅高度為從主干第1個分支到植株頂部的垂直距離，冠幅面積為冠幅最低處近似橢圓形的面積，冠幅體積為冠幅橢球體的體積，沙丘表面積為沙丘的表面面積。基于統(tǒng)計學(xué)，利用SPSS19.0對胡楊、胡楊回渦沙丘的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 胡楊、胡楊回渦沙丘的形態(tài)參數(shù)

根據(jù)實地勘察以及胡楊形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(表1)，發(fā)現(xiàn)各樣區(qū)Ht、Lt、Wt、h、r、D、B、v的均值范圍分別為3.55～9.69 m、2.88～8.50 m、2.56～6.40 m、2.53～7.05 m、17.69～48.81 cm、6.65～44.38 m2、11.71～90.76 m2、7.48～128.00 m3，樣區(qū)A的各形態(tài)參數(shù)值均偏小，樣區(qū)E的各形態(tài)參數(shù)值均偏大，表明胡楊的形態(tài)發(fā)育整體較為均衡；基于Agisoft生成的DEM和DOM可知(圖2)，胡楊回渦沙丘以胡楊為中心，形狀類似“n”形，迎風(fēng)坡長而緩，背風(fēng)坡短而陡，脊線明顯，并具有指向下風(fēng)向的兩翼。

圖2 別里庫姆沙漠胡楊回渦沙丘

從軸線方向看，NS軸線方向上各樣區(qū)的形態(tài)參數(shù)的均值和變化范圍略小于EW向，即表明NS向各樣區(qū)的胡楊、胡楊回渦沙丘發(fā)育相對穩(wěn)定。胡楊、胡楊回渦沙丘各形態(tài)參數(shù)在6個樣區(qū)中存在一定的差異(表1)。樣區(qū)A的胡楊、胡楊回渦沙丘的各形態(tài)參數(shù)均值均偏小，而樣區(qū)E中Ht、Lt、Wt、h、D、Ld、Wd和C的形態(tài)參數(shù)均值略大，分別為9.69 m、8.50 m、6.40 m、7.05 m、44.38 m2、48.63 m、36.22 m和188.55 m，樣區(qū)F中r、B、v、H、S和V的形態(tài)參數(shù)均值略大，分別為48.81 cm、90.76 m2、128.00 m3、5.03 m、362.78 m2和463.59 m3，樣區(qū)D中d和A的參數(shù)均值略大，即23.28 m和244.63 m2。由此認(rèn)為，胡楊各形態(tài)參數(shù)的大小與胡楊回渦沙丘各形態(tài)參數(shù)的大小基本保持一致。

表1 別里庫姆沙漠胡楊及胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)

樣區(qū)胡楊回渦沙丘H/mLd/mWd/mC/mS/m2V/m3d/mA/m2λ/(°)A1.42±1.0313.34±6.95 9.94±4.4845.64±22.4228.78±27.3031.27±46.294.99±2.7514.73±12.60135.74±44.50B2.45±0.6230.02±15.6623.48±12.44107.45±58.62112.62±82.90154.59±113.2314.82±11.08155.83±153.72209.92±50.40C3.45±1.6728.58±11.6522.83±8.25103.56±42.97122.97±95.79321.23±382.8015.03±8.85118.04±98.99172.89±27.82D4.14±2.3229.77±11.5627.38±11.29121.14±54.49179.26±110.75315.07±265.7523.28±9.48244.63±162.81194.33±19.08E3.53±1.8748.63±21.6236.22±12.30188.55±78.49108.08±106.65290.90±154.5013.48±1.0387.54±13.57215.46±50.35F5.03±3.4936.85±14.7224.93±8.34136.35±53.95362.78±322.78463.59±459.8014.23±7.51164.89±164.87168.56±13.90

3.2 胡楊、胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)的相關(guān)分析

胡楊、胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析(表2)表明，在0.01水平上，胡楊各形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.709～0.971，胡楊回渦沙丘各形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.654～0.951，這說明胡楊、胡楊回渦沙丘生長發(fā)育相對均衡。胡楊與胡楊回渦沙丘各形態(tài)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.619～0.915，其中，Ht、Lt、Wt、h、D、B、v、r與胡楊回渦沙丘各形態(tài)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.763～0.915、0.742～0.875、0.663～0.851、0.756～0.899、0.725～0.879、0.715～0.905、0.619～0.859、0.727～0.904，均呈顯著相關(guān)。由此推斷，胡楊的形態(tài)特征與胡楊回渦沙丘的形態(tài)特征具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

胡楊各形態(tài)參數(shù)與胡楊回渦沙丘的S、V、A的相關(guān)系數(shù)分別為0.779～0.915、0.763～0.905、0.784～0.871(表2)，略大于與胡楊回渦沙丘的其他形態(tài)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)。Ht與S、V、A的相關(guān)系數(shù)分別為0.915、0.892、0.871，r與S、V、A的相關(guān)系數(shù)分別為0.904、0.901、0.871，h與S、V、A的相關(guān)系數(shù)分別為0.899、0.884、0.884，B與V的相關(guān)系數(shù)為0.905，相關(guān)系數(shù)略大。由此認(rèn)為，胡楊的株高(Ht)、胸徑(r)、冠幅高度(h)與胡楊回渦沙丘的表面積(S)、體積(V)、翼角面積(A)的相關(guān)關(guān)系更為顯著。

表2 別里庫姆沙漠胡楊、胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)相關(guān)分析

3.3 胡楊、胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)的回歸分析

在野外考察發(fā)現(xiàn)，翼角面積是胡楊母樹及胡楊根萌苗生長發(fā)育的理想場所，沙丘體積是植被短時期內(nèi)攔截流沙能力的體現(xiàn)[25]，故而只選取了胡楊回渦沙丘的體積、翼角面積等形態(tài)參數(shù)與胡楊各形態(tài)參數(shù)進(jìn)行回歸分析，得出擬合方程(圖3)。胡楊的形態(tài)參數(shù)值與胡楊回渦沙丘的形態(tài)參數(shù)值的擬合度較高(R2≥0.576)，且存在斜率為正的線性關(guān)系，即胡楊回渦沙丘的形態(tài)參數(shù)值隨胡楊形態(tài)參數(shù)值的增大而增大。由此認(rèn)為，胡楊的形態(tài)特征與胡楊回渦沙丘的形態(tài)特征間存在協(xié)同變化趨勢。其中，B、r、Ht與V的決定系數(shù)分別為0.817、0.808、0.792，h、Ht、r與A的決定系數(shù)分別為0.778、0.754、0.754，擬合度略高于其他形態(tài)參數(shù)，由此推斷，胡楊迎風(fēng)剖面面積(B)、胸徑(r)、株高(Ht)是影響胡楊回渦沙丘體積增加的重要樹木因素，冠幅高度(h)、株高(Ht)、胸徑(r)是影響翼角面積大小的重要因子。

圖3 別里庫姆沙漠胡楊各參數(shù)與胡楊回渦沙丘的體積、翼角面積間的回歸關(guān)系

3.4 胡楊與胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)的主成分分析

選取Ht、Lt、Wt、h、D、B、v和r共8個形態(tài)參數(shù)對胡楊進(jìn)行主成分分析，選取Ld、Wd、H、C、S、V、d和A共8個形態(tài)參數(shù)對胡楊回渦沙丘進(jìn)行主成分分析。從表3、表4可知，胡楊、胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)的第1主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)84%以上，表明主成分的綜合信息基本上包含各形態(tài)參數(shù)的大多信息。

胡楊第1主成分的特征值為7.342，貢獻(xiàn)率為91.781%，遠(yuǎn)大于其他成分，其特征向量中載荷較高的是Ht、Lt、h，其權(quán)重系數(shù)均大于0.990，Ht、Lt、h可綜合反映胡楊形態(tài)特征的信息。由此認(rèn)為，胡楊株高(Ht)、冠幅長度(Lt)、冠幅高度(h)是影響胡楊回渦沙丘的主導(dǎo)樹木因子。胡楊回渦沙丘第1主成分的特征值和貢獻(xiàn)率分別為6.758、84.471%，顯著大于其他成分，其特征向量中載荷較高的是S、V、C、Ld，其權(quán)重系數(shù)分別為0.975、0.936、0.925、0.925，反映了S、V、C、Ld綜合反映出胡楊回渦沙丘的形態(tài)特征信息。由此推斷，影響胡楊的主導(dǎo)沙丘因子分別是沙丘表面積(S)、體積(V)、周長(C)、丘體長度(Ld)。

表3 別里庫姆沙漠胡楊與胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)特征值及主成分貢獻(xiàn)率

表4 別里庫姆沙漠胡楊與胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)主成分的權(quán)重系數(shù)

4 討論與結(jié)論

回渦沙丘是風(fēng)沙流運(yùn)移至障礙物前遇阻堆積形成的一種沙丘類型[15]。在別里庫姆沙漠，地表物質(zhì)組成單一，胡楊作為主要喬木層植被[5]，是沙物質(zhì)運(yùn)移的主要植被障礙物，導(dǎo)致氣流方向發(fā)生變化，胡楊迎風(fēng)側(cè)成為氣流減速區(qū)[26]，致使較粗的沙物質(zhì)發(fā)生堆積，形成胡楊回渦沙丘。胡楊形態(tài)特征主要由形態(tài)參數(shù)反映，主要包括株高、冠幅、迎風(fēng)剖面面積、胸徑等。胡楊回渦沙丘形態(tài)參數(shù)主要包括丘體長度、丘體寬度、高度、周長、面積、體積等。本研究通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，胡楊的形態(tài)特征與胡楊回渦沙丘的形態(tài)特征具有顯著的相關(guān)關(guān)系，沙丘高度與植物的平均高度存在正相關(guān)關(guān)系[27-28]、沙丘長寬與植物的平均長寬正相關(guān)[29]，沙丘體積與植株體積的相關(guān)性較高[30]，即與本研究結(jié)果基本保持一致。植物的外形影響沙丘的形態(tài)[31]，隨著障礙物高度的增加，回渦沙丘的高度也隨著變高[15]。通過形態(tài)參數(shù)值與回歸分析發(fā)現(xiàn)，胡楊形態(tài)的大小與胡楊回渦沙丘形態(tài)的大小基本保持一致，兩者存在協(xié)同變化的趨勢。由此推測，別里庫姆沙漠胡楊與胡楊回渦沙丘大多處于生長與發(fā)育階段，兩者的形態(tài)相對穩(wěn)定。這與野外實地考察結(jié)果“胡楊多處于生長階段、枯死現(xiàn)象不顯著，胡楊回渦沙丘處于發(fā)育或穩(wěn)定階段、衰退活化現(xiàn)象不明顯”相一致。

相關(guān)性分析與回歸分析結(jié)果表明，胡楊的株高、胸徑、冠幅高度與胡楊回渦沙丘的表面積、體積、翼角面積的相關(guān)關(guān)系更為顯著。胡楊迎風(fēng)剖面面積、胸徑、株高是影響胡楊回渦沙丘體積增加的重要樹木因子，冠幅高度、株高、胸徑是影響翼角面積大小的重要因子。而主成分分析結(jié)果表明胡楊株高、冠幅長度、冠幅高度是影響胡楊回渦沙丘的主導(dǎo)樹木因子，影響胡楊的主導(dǎo)沙丘因子分別是沙丘表面積、體積、周長、丘體長度?；貧w分析建立在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)之上，這2種方法與主成分分析法的思想與原理的差異可能是造成影響因子不同的重要因素。但這些方法中產(chǎn)生了共同因子：影響胡楊回渦沙丘的樹木因子是胡楊株高，沙丘表面積和沙丘體積是影響胡楊生長的沙丘因子，而符亞儒等[32]認(rèn)為樹高和冠幅度輸沙量的貢獻(xiàn)極小，兩者相矛盾，這可能是由于別里庫姆沙漠與陜北榆林風(fēng)沙區(qū)植物配置結(jié)構(gòu)、植被生長階段、沙源豐富度、風(fēng)力強(qiáng)弱等差異綜合作用的結(jié)果。

胡楊回渦沙丘發(fā)育于胡楊的迎風(fēng)側(cè)，兩翼并環(huán)繞胡楊展開。由于胡楊對氣流的擾動，在胡楊背風(fēng)側(cè)距離1～2倍樹高范圍內(nèi)，氣流易發(fā)生分離形成弱渦旋區(qū)[26]，致使胡楊與沙丘兩翼所圍成的區(qū)域內(nèi)無明顯的蓄沙現(xiàn)象，即存在一個無風(fēng)沙堆積區(qū)域[30]，使得該處相對于迎風(fēng)坡而言，地勢整體較為低平，風(fēng)蝕作用相對較弱，為胡楊根系萌蘗苗的生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件。本研究及實地考察發(fā)現(xiàn)，胡楊回渦沙丘的移動方向大致均為S向，且胡楊回渦沙丘的背風(fēng)側(cè)多位于S向，光照條件優(yōu)越，在地下水位較淺且胡楊母樹生長較好的地段，有利于胡楊根系的萌蘗。適度的沙埋促進(jìn)胡楊的自然更新[33]，探索胡楊的生長特性與根系萌蘗規(guī)律，可為別里庫姆沙漠植物固沙工程的開展提供科學(xué)參考。

綜上所述，通過對胡楊、胡楊回渦沙丘的形態(tài)特征關(guān)系的簡單分析，得到如下結(jié)論：

胡楊回渦沙丘以胡楊為中心，迎風(fēng)坡長而緩，背風(fēng)坡短而陡，脊線明顯，并具有指向下風(fēng)向的兩翼，整體形狀類似“n”形。胡楊各形態(tài)參數(shù)均值的大小與胡楊回渦沙丘各形態(tài)參數(shù)均值的大小基本保持一致。

胡楊、胡楊回渦沙丘各參數(shù)間呈顯著相關(guān)，胡楊的生長和胡楊回渦沙丘的發(fā)育之間存在協(xié)同變化趨勢。

影響胡楊回渦沙丘的主導(dǎo)樹木因子是胡楊株高和冠幅，沙丘表面積、體積、周長、丘體長度是影響胡楊的主導(dǎo)沙丘因子。