泰山世界遺產地刺槐林地學信息圖譜分析

高蘭, 梁田, 韓芳, , *, 李傳榮, 申衛星, 張興強, 呂衛東

泰山世界遺產地刺槐林地學信息圖譜分析

高蘭1, 梁田1, 韓芳1, 2, *, 李傳榮2, 申衛星3, 張興強4, 呂衛東5

1. 山東理工大學建筑工程學院, 山東淄博 255049 2. 泰山森林生態系統國家定位觀測研究站/山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室, 山東泰安 271018 3. 泰安市泰山風景名勝區管理委員會, 山東泰安 271000 4. 泰安市氣象局, 山東泰安 271000 5. 泰安市園林管理局, 山東泰安 271000

基于2014年10月WorldViewⅡ遙感影像和DEM數據, 結合泰山林場同期二類資源調查數據, 對泰山世界遺產地的刺槐林()進行目視解譯。然后通過建立地學信息圖譜分析泰山刺槐林在主要地形因子(海拔、坡度和坡向)影響下的分布規律, 結論如下: (1)刺槐純林及其混交林, 類型共計30種, 投影面積約807.58 hm2, 其中刺槐純林投影面積約454.76 hm2, 占刺槐林總面積的56.31%; (2)刺槐林分布在250—1200 m的海拔范圍, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡, 其中刺槐純林在海拔250—300 m全部分布在平坡和緩坡; (3)刺槐林主要分布在半陰坡、半陽坡和陽坡, 半陽坡分布最多, 其中刺槐純林在海拔1100—1200 m幾乎全部分布在半陽坡和陽坡。

刺槐; 地學信息圖譜; 泰山世界遺產地

0 前言

泰山1987年成為中國首批被確定為世界自然與文化雙遺產的單位, 2006年被評為世界地質公園。泰山森林是20世紀50—60年代在“先綠化, 后提高”的指導思想下人工造林形成的。雖然經過50余年的自然演替, 泰山森林系統已趨于穩定, 現在森林覆蓋率達81.5%, 植被覆蓋率達90%以上[1], 但是植被分布存在結構簡單, 樹種單一, 生境脆弱等問題[2-3]。研究者們對泰山植被受影響的研究多集中在旅游活動和人為因素的干擾等[4-7], 對特定樹種的空間分布及其生態特征研究較少。刺槐()是泰山森林植被的主要組成樹種, 種植面積除油松()、麻櫟()、側柏()外, 位居第四位[8]。刺槐具有許多入侵種的特征, 已分別被全球入侵物種數據庫(Global Invasive Species Database)和斯威士蘭外來植物數據庫(Swaziland’s Alien Plants Database)定義為入侵種和有入侵潛力的物種[9]。有研究表明: 刺槐林分郁閉度大, 其它植物難以與其共生, 導致其林下植被發育不良, 林下植被稀少, 有使樹種單一化的趨勢, 而且刺槐以較快的速度在刺槐林邊緣擴散, 其邊緣樹種很有可能被侵占掉[10-11]。

刺槐是泰山世界遺產地外來物種的代表, 也是泰山外來物種對生物多樣性造成危害的典型案例[1], 而且由于刺槐混交林在泰山風景區的一些名木古樹群分布區也有覆蓋, 對泰山世界遺產地的自然和文化遺產也造成潛在威脅。此外, 刺槐易遭受病蟲害, 壽命短, 而且密林下難以更新, 種群衰退快, 系統穩定性差[12-15], 加劇了泰山森林生態系統的脆弱性和生物多樣性的降低?，F在有關泰山世界遺產地刺槐的研究主要集中在刺槐的林分結構、林下植被、擴散格局和控制技術等[16-18], 并未對其現狀進行全面分析。本文對泰山上的刺槐林進行分類, 并建立地學信息圖譜對其現狀進行全面分析, 可以為進一步研究刺槐這一特定樹種, 精確分析泰山植被景觀與環境要素之間的定量關系提供科學依據。同時, 對泰山植被的景觀林改造、植被恢復以及森林資源管理等也有一定的參考意義。

1 研究區概況

泰山位于華北大平原東側, 東經117°5′—117°24′, 北緯36°5′—36°15′, 綿亙于泰安、濟南之間, 東西長約200 km, 南北寬約50 km, 其主峰玉皇頂海拔1532.7 m。泰山地處暖溫帶氣候區, 雨量充足, 山頂年均氣溫5.3 ℃, 年均降雨量1124.6 mm; 山下年均氣溫12.8 ℃, 年均降水量715.0 mm。泰山植被屬于華北植物體系, 植被資源豐富, 森林覆蓋率達81.5%,主要森林類型有松林、側柏林、刺槐林、櫟林四大類, 約占92.9%[1]。泰山景區范圍及刺槐林的分布如圖1所示。

刺槐約于1920年前后引種于泰安, 于1956—1958年在泰山大面積造林, 大約80年代中期主伐, 現存刺槐林多為二代或三代萌生林[8]。刺槐林多成片分布, 且主要為刺槐純林, 成片分布主要集中在桃花峪、中天門、天燭峰、玉泉寺以及巴山和桃花源的交界處, 其中刺槐純林主要分布在桃花峪、竹林寺、櫻桃園以及巴山和桃花源的交界處。

圖1 研究區區位及刺槐林分布

Figure 1 Study area and the distribution offorests

2 研究方法

2.1 數據來源

本文的數據主要包括遙感影像數據、DEM數據和二類資源清查小班矢量數據3種類型。遙感影像數據是于2014年10月拍攝、空間分辨率為0.5 m的WorldViewⅡ正射校正影像, 用來提取研究區刺槐林的分布; 空間分辨率為2.5 m的DEM數據和二類資源清查小班矢量數據均由泰山風景區管理委員會森林資源管理站提供。其中DEM數據用來提取研究區主要地形因子(海拔, 坡度和坡向), 二類資源清查小班矢量數據主要作為遙感影像目視解譯的參考數據以及泰山風景區植被相關屬性(樹種組成、優勢樹種、林下灌木、林下草本、造林年度、平均年齡、郁閉度等)的信息來源。

2.2 數據處理

(1) 刺槐林的解譯與分類: 參照林地小班調查表對研究區刺槐林進行目視解譯, 得到刺槐林的矢量圖斑, 根據《山東省森林資源動態監測信息系統建設—森林資源調查操作細則》中“樹種結構劃分標準”對刺槐林進行分類, 其中刺槐在樹種組成(十分法)中占比≥9為刺槐純林, 其余為刺槐混交林, 統計得到30種刺槐林類型, 最后計算各類型的投影面積及占刺槐林總面積的百分比;

(2) 地形因子的提取與重分類: 利用ArcGIS基于研究區DEM提取海拔、坡度和坡向地形因子, 根據上述細則中“立地因子劃分標準”和研究需要將地形因子重分類, 生成研究區海拔—坡度—坡向地形單元。其中海拔(183—1530 m)按照50 m的間隔劃分為28個級別, 坡度劃分為平坡(≤5°)、緩坡(6°—15°)、斜坡(16°—25°)、陡坡(26°—35°)、急坡(36°—45°)和險坡(≥46°)6個級別, 坡向劃分為平坡、陰坡(北坡)、半陰坡(東北、西北和東坡)、半陽坡(西、東南和西南坡)和陽坡(南坡)5個級別, 其中由于刺槐林在平坡分布較少, 本文不做研究;

(3) 地學信息圖譜的建立: 在ArcGIS中插入刺槐林地形分異特征表, 設置為坡度—坡向地形單元,為海拔地形單元, 像元屬性值為刺槐林在每一海拔—坡度—坡向地形單元分布百分比, 點轉柵格后得到不同地形單元刺槐林地學信息圖譜[19-21], 便于直觀分析泰山世界遺產地刺槐林在主要地形因子(海拔、坡度和坡向)影響下的分布規律。

3 結果與分析

3.1 泰山世界遺產地刺槐林現狀分析

泰山世界遺產地刺槐純林和混交林(共計30種)的投影面積約807.58 hm2, 其中刺槐純林投影面積約454.76 hm2, 占刺槐林總面積的56.31%; 刺槐與針葉林(油松、赤松、黑松、華山松和側柏)混交林投影面積約187.93 hm2, 占刺槐林總面積的23.27%, 其中刺槐+油松混交林在刺槐混交林中占比最大, 主要分布在桃花源、天燭峰、中天門和巴山; 刺槐與其它闊葉林(櫟類、五角楓、榆樹、黑楊和毛白楊等)混交林投影面積約66.74 hm2, 占刺槐林總面積的8.26%; 刺槐+針葉林+闊葉林混交林的投影面積約98.15 hm2, 占刺槐林總面積的12.15%。泰山世界遺產地刺槐林的類型、面積以及各類型在刺槐林總面積的占比如表1所示:

表1 刺槐林類型及面積占比

續表

3.2 泰山世界遺產地刺槐林地學信息圖譜分析

如圖2刺槐林海拔—坡度—坡向地學信息圖譜所示: 刺槐林分布在250—1200 m的海拔范圍, 集中分布在500—900 m, 分布面積約占刺槐林總面積的76%。海拔450 m以下, 分布面積約占2.0%, 因為在低海拔地區受到人類活動的影響, 刺槐林覆蓋面積較小; 海拔1050 m以上, 分布面積約占1.6%, 這與刺槐對風抵抗性較差這一習性有關, 該樹種不適宜在高海拔地區栽植, 容易出現風折風倒等現象。坡度上, 刺槐林集中分布在斜坡、陡坡和急坡, 分布面積約占刺槐林總面積的67%, 坡向上, 刺槐屬于溫帶樹種, 喜光, 主要分布在半陰坡、半陽坡和陽坡, 半陽坡分布最多, 在海拔1150—1200 m幾乎全部分布在半陽坡和陽坡。

陰坡上, 刺槐林在海拔700—750 m的陡坡和急坡分布最多, 在海拔1050—1150 m約76%的面積分布在平坡和緩坡, 在海拔1150 m以上沒有刺槐林的分布; 半陰坡上, 刺槐林分布的坡度越陡, 海拔也越高, 其中在海拔550—750 m的斜坡上分布最多; 半陽坡上, 刺槐林主要分布在海拔600—900 m的斜坡、陡坡和急坡, 約占整個半陽坡分布面積的50%; 陽坡上, 刺槐林在海拔750—900 m的陡坡上分布最多。通過分析得到: 刺槐林廣泛分布在海拔250—1200 m, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡。坡向上主要分布在半陰坡、半陽坡和陽坡, 半陽坡分布最多。

3.3 泰山世界遺產地刺槐純林地學信息圖譜分析

如圖3刺槐純林海拔—坡度—坡向地學信息圖譜所示: 刺槐純林同樣分布在250—1200 m海拔范圍, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡。坡向上主要分布在半陰坡、半陽坡和陽坡, 半陽坡分布最多。

陰坡上, 海拔400 m以下, 隨著海拔的逐漸升高, 刺槐純林分布的坡度也越來越陡, 其中在250—300 m全部分布在平坡和緩坡, 在海拔1050 m以上沒有刺槐純林的分布; 半陰坡上, 刺槐純林在海拔250—300 m全部分布在平坡和緩坡, 在海拔1100 m以上幾乎沒有分布, 集中分布在550—850 m的斜坡、陡坡和急坡, 分布面積約占整個半陰坡的57%, 尤其在700—800 m分布最多; 半陽坡上, 刺槐純林同樣在海拔250—300 m全部分布在平坡和緩坡, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡上, 分布面積約占整個半陽坡的67%; 陽坡上, 在250—300 m也沒有刺槐純林的分布, 在600—900 m的陡坡分布最多。通過分析得到: 刺槐純林在海拔250—300 m全部分布在平坡和緩坡, 在海拔1100—1200 m幾乎全部分布在半陽坡和陽坡。

圖2 刺槐林海拔—坡度—坡向地學信息圖譜

Figure 2 Elevation-slope-aspect Geo-informatic spectrum offorests

圖3 刺槐純林海拔—坡度—坡向地學信息圖譜

Figure 3 Elevation-slope-aspect Geo-informatic spectrum ofpure forests

4 討論與結論

4.1 討論

泰山世界遺產地的刺槐林多成片分布, 其中刺槐純林投影面積占刺槐林總面積的56.31%。與刺槐構成混交林的樹種主要有油松、黑松、赤松、五角楓和櫟類, 其中五角楓和櫟類的競爭力大于刺槐[22-24],而油松、黑松和赤松的生物學和生態學特征有很大的相似性, 與刺槐一樣均為喜光樹種[22]。油松是泰山高海拔的主要造林樹種, 集中分布在海拔1000—1400 m, 在低海拔地區主要分布在陰坡, 而刺槐廣泛分布于海拔1000 m以下的山地, 以陽坡分布為主, 集中分布在海拔500—900 m, 所以刺槐對少量低海拔陽坡分布的油松林有入侵風險[9]。在刺槐與黑松和赤松的混交林中, 黑松處于林冠的下部, 頂梢被刺槐枝條磨損, 生長受抑制, 而赤松在郁閉度大的林分中更新也受到了限制或完全不能更新[22]。此外, 泰山上的許多特有物種正瀕臨滅絕, 通過查看二類資源清查小班矢量數據的屬性信息, 可以發現刺槐的林分郁閉度較大, 平均郁閉度約0.74, 最大郁閉度高達0.98, 林下植被稀少, 其中林下灌木類型只有5種, 這勢必會對泰山風景區的一些特有物種造成一定的威脅。而且, 泰山森林內部林木老齡化嚴重, 樹勢衰退問題也比較普遍, 其中刺槐林即是一個顯著例子。泰山上的刺槐林大多是20世紀60—70年代種植的, 平均林齡已接近60年, 遠遠超過了刺槐的成齡25年, 大多數為過熟林, 且樹干已經中空, 風一吹就倒, 其生長勢已經在一定程度上表現出衰勢, 病蟲害也有加重之勢[1]。

綜上所述, 刺槐對泰山風景區部分樹種的生長和更新是有一定影響的, 但同時也可以與多種樹種形成混交林。張川紅等[9]在刺槐對鄉土植被的入侵與影響研究中發現刺槐能與泰山低山分布的許多鄉土樹種形成混交林, 不會侵占掉鄉土種, 有6種鄉土木本植物能在刺槐林下天然更新并且正常生長。其次, 呂蒙蒙等[18]在研究泰山不同類型刺槐人工林林下植被結構與多樣性中指出: 刺槐純林樹種單一, 生長到一定年齡后, 種間競爭逐漸激烈, 導致林分穩定性變差, 不利于林下植被的發育, 刺槐混交林的林分穩定性、物種豐富度和多樣性指數均高于純林。所以在造林規劃中要重點選用鄉土樹種, 同時開展樹種引種, 合理分配純林與混交林的比例, 并且考慮混交林的樹種組成。本文初步分析了泰山世界遺產地刺槐林的分布現狀, 存在許多的不足之處, 如果通過兩期刺槐林的解譯數據對比分析, 可以對刺槐這一樹種進行更深入的研究。

4.2 結論

本研究利用ArcGIS對遙感影像和DEM數據進行處理, 采用參照林地小班調查表的目視解譯法提取泰山世界遺產地的刺槐林并進行分類和統計, 然后建立地學信息圖譜分析刺槐林在主要地形因子(海拔、坡度和坡向)影響下的分布規律, 得出以下結論:

(1) 泰山世界遺產地刺槐純林及其混交林, 類型共計30種, 投影面積約807.58 hm2, 其中刺槐純林投影面積約454.76 hm2, 占刺槐林總面積的56.31%;

(2) 刺槐林分布在250—1200 m海拔范圍, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡, 其中刺槐純林在海拔250—300 m全部分布在平坡和緩坡；

(3) 刺槐林主要分布在半陰坡、半陽坡和陽坡, 半陽坡分布最多, 其中刺槐純林在海拔1100—1200 m幾乎全部分布在半陽坡和陽坡。

[1] 王新花, 李傳榮. 泰山生物多樣性[M]. 北京: 知識產權出版社, 2012.

[2] 宋磊. 泰山森林生物多樣性價值評估[D]. 泰安: 山東農業大學, 2004.

[3] 馬少杰, 付偉章, 李正才, 等. 泰山南北坡植物物種多樣性垂直梯度格局的比較[J]. 生態科學, 2010, 29(4): 367–374.

[4] 付裕, 李傳榮, 申衛星, 等. 旅游活動對泰山登山中路植物群落種類組成及多樣性的影響[J]. 中國農學通報, 2009, 25(6): 215–219.

[5] 曹穎, 孫居文, 李敏, 等. 泰山生態旅游資源及可持續發展對策[J]. 山東林業科技, 2005(2): 60–62.

[6] 郭濼, 余世孝. 泰山景觀人為干擾的程度及其影響分析[J].山地學報, 2005, 23(3): 367–373.

[7] 郭濼, 余世孝, 夏北成. 人類活動對泰山景觀多樣性時空變化的影響[J]. 生態科學, 2005, 24(1): 202–206.

[8] 馬玉美. 泰山生態[M]. 北京: 中國林業出版社, 1996: 3–4, 29–32.

[9] 張川紅, 鄭勇奇, 宗亦塵, 等. 刺槐對鄉土植被的入侵與影響[J]. 北京林業大學學報, 2008, 30(3): 18–23.

[10] 朱朵菊. 刺槐對黃土丘陵區植物群落結構與功能的影響[D].陜西: 西北農林科技大學, 2018.

[11] 樊寶敏, 馬玉增, 張軍. 泰山植被的保護, 改造, 利用建議[J]. 環境保護, 1996(9): 25–27.

[12] BORING L R, SWANK W T. The role of black locust () in forest succession[J]. Journal of Ecology, 1984, 72(3): 749–766.

[13] HUSTON M, SMITH T. Plant succession: Life history and competition[J]. American Midland Natura List, 1987, 130(2): 168–198.

[14] BERTACCHI A, LOMBARDI T, ONNIS A.in the forested agricultural landscape of the Pisan Hills(Italy)[M]∥BRUNDU G, BROCK J, CAMARDA I, et al. Plant invasion: Species ecology and ecosystem mana-gement. Leiden: Backhuys Publishers, 2001: 3–10.

[15] 強維秀, 邴積才, 蘇衛, 等. 天水刺槐尺蠖類害蟲發生規律及其防治[J]. 中國森林病蟲, 2002, 21(5): 23–25.

[16] 呂蒙蒙. 泰山景區刺槐的萌蘗擴散格局及其控制技術研究[D]. 泰安: 山東農業大學, 2013.

[17] 郭慧林, 申衛星, 李傳榮, 等. 泰山刺槐林撫育間伐后林分結構變化調查研究[J]. 山東林業科技, 2014, 44(3): 17–21.

[18] 呂蒙蒙, 郭慧林, 張興忠. 泰山不同類型刺槐人工林林下植被結構與多樣性研究[J]. 安徽農學通報, 2013, 19(8): 17–19.

[19] 孫然好, 張百平, 肖飛, 等. 山地垂直帶譜的數字識別方法探討[J]. 遙感學報, 2008, 12(2): 305–310.

[20] 張百平, 周成虎, 陳述彭. 中國山地垂直帶信息圖譜的探討[J]. 地理學報, 2003, 58(2): 163–171.

[21] 郭聃. 長白山植被垂直帶地形控制機制研究[D]. 吉林: 東北師范大學, 2014.

[22] 王仁卿, 周光裕. 山東植被[M]. 濟南: 山東科學技術出版社, 2000.

[23] 吳辰光. 薄山林場森林生物多樣性保護價值分析[J]. 河南林業科技, 2017, 37(1): 28–29.

[24] 王貴霞, 王海明, 李傳榮, 等. 五角楓金銀木刺槐水分生理特性及抗旱性研究[J]. 山東林業科技, 2003(5): 11–13.

Geo-informatic spectrum analysis offorests in Taishan World Heritage site

GAO Lan1, LIANG Tian1, HAN Fang1, 2, *, LI Chuanrong2, SHEN Weixing3, ZHANG Xingqiang4, LV Weidong5

1. School of Architectural Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China 2. National Positioning Observation and Research Station for Forest Ecosystem of Mountain Tai /Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration of Shandong Province, Tai′an 271018, China 3. Mount Tai Scenic Spot Management Committee, Tai′an 271000, China 4. Tai′an Meteorological Bureau, Tai′an 271000, China 5. Tai′an Landscape Administration Bureau, Tai′an 271000, China

Based on the remote sensing image of WorldViewⅡin October 2014, DEM data and the forest resource inventory data of Taishan Forest, theforests of Taishan World Heritage site werevisuallyinterpreted. Then the Geo-informatic spectrum was established to analyze the distribution offorests under the influence of major topographic factors (altitude, slope and aspect) in the Mountain Tai.The main conclusions are as follows: (1) There are 30 types of the pure and mixed forests ofAnd the total area offorests is about 807.58 hm2, of which the pure forests are about 454.76 hm2, accounting for 56.31% of the wholeforests.(2) Theforests distribute in the altitude from 250 m to 1200 m and concentrate in the slope, steep slope and sharp slope in the altitude from 500 m to 900 m. And all the pure forests distribute in the flat slope and gentle slope in the altitude from 250 m to 300 m.(3) Theforests mainly distribute in semi-shady slope, semi-sunny slope and sunny slope, of which the semi-sunny slope is the most. And almost all the pure forests distribute in semi-sunny slope and sunny slope in the altitude from 1100 m to 1200 m.

; Geo-informatic spectrum; Taishan World Heritage site

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.006

K903

A

1008-8873(2020)03-038-06

2019-05-04;

2020-03-22

山東省自然科學基金青年項目(ZR2014DQ017); 國家自然科學基金項目(31570705); 山東省農業科技資金項目（林業科技創新）（2019LY006）

高蘭(1995—), 女, 山西平魯人, 在讀碩士研究生, E-mail: 2470976057@qq.com

韓芳(1981—), 女, 山東兗州人, 博士, 副教授, 主要從事山地生態、山地GIS研究, E-mail: hanf@lreis.ac.cn

高蘭, 梁田, 韓芳,等. 泰山世界遺產地刺槐林地學信息圖譜分析[J]. 生態科學, 2020, 39(3): 38–43.

GAO Lan, LIANG Tian, HAN Fang, et al. Geo-informatic spectrum analysis offorests in Taishan World Heritage site[J]. Ecological Science, 2020, 39(3): 38–43.