泰山世界遗产地刺槐林地学信息图谱分析

高兰, 梁田, 韩芳, , *, 李传荣, 申卫星, 张兴强, 吕卫东

泰山世界遗产地刺槐林地学信息图谱分析

高兰1, 梁田1, 韩芳1, 2, *, 李传荣2, 申卫星3, 张兴强4, 吕卫东5

1. 山东理工大学建筑工程学院, 山东淄博 255049 2. 泰山森林生态系统国家定位观测研究站/山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室, 山东泰安 271018 3. 泰安市泰山风景名胜区管理委员会, 山东泰安 271000 4. 泰安市气象局, 山东泰安 271000 5. 泰安市园林管理局, 山东泰安 271000

基于2014年10月WorldViewⅡ遥感影像和DEM数据, 结合泰山林场同期二类资源调查数据, 对泰山世界遗产地的刺槐林()进行目视解译。然后通过建立地学信息图谱分析泰山刺槐林在主要地形因子(海拔、坡度和坡向)影响下的分布规律, 结论如下: (1)刺槐纯林及其混交林, 类型共计30种, 投影面积约807.58 hm2, 其中刺槐纯林投影面积约454.76 hm2, 占刺槐林总面积的56.31%; (2)刺槐林分布在250—1200 m的海拔范围, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡, 其中刺槐纯林在海拔250—300 m全部分布在平坡和缓坡; (3)刺槐林主要分布在半阴坡、半阳坡和阳坡, 半阳坡分布最多, 其中刺槐纯林在海拔1100—1200 m几乎全部分布在半阳坡和阳坡。

刺槐; 地学信息图谱; 泰山世界遗产地

0 前言

泰山1987年成为中国首批被确定为世界自然与文化双遗产的单位, 2006年被评为世界地质公园。泰山森林是20世纪50—60年代在“先绿化, 后提高”的指导思想下人工造林形成的。虽然经过50余年的自然演替, 泰山森林系统已趋于稳定, 现在森林覆盖率达81.5%, 植被覆盖率达90%以上[1], 但是植被分布存在结构简单, 树种单一, 生境脆弱等问题[2-3]。研究者们对泰山植被受影响的研究多集中在旅游活动和人为因素的干扰等[4-7], 对特定树种的空间分布及其生态特征研究较少。刺槐()是泰山森林植被的主要组成树种, 种植面积除油松()、麻栎()、侧柏()外, 位居第四位[8]。刺槐具有许多入侵种的特征, 已分别被全球入侵物种数据库(Global Invasive Species Database)和斯威士兰外来植物数据库(Swaziland’s Alien Plants Database)定义为入侵种和有入侵潜力的物种[9]。有研究表明: 刺槐林分郁闭度大, 其它植物难以与其共生, 导致其林下植被发育不良, 林下植被稀少, 有使树种单一化的趋势, 而且刺槐以较快的速度在刺槐林边缘扩散, 其边缘树种很有可能被侵占掉[10-11]。

刺槐是泰山世界遗产地外来物种的代表, 也是泰山外来物种对生物多样性造成危害的典型案例[1], 而且由于刺槐混交林在泰山风景区的一些名木古树群分布区也有覆盖, 对泰山世界遗产地的自然和文化遗产也造成潜在威胁。此外, 刺槐易遭受病虫害, 寿命短, 而且密林下难以更新, 种群衰退快, 系统稳定性差[12-15], 加剧了泰山森林生态系统的脆弱性和生物多样性的降低。现在有关泰山世界遗产地刺槐的研究主要集中在刺槐的林分结构、林下植被、扩散格局和控制技术等[16-18], 并未对其现状进行全面分析。本文对泰山上的刺槐林进行分类, 并建立地学信息图谱对其现状进行全面分析, 可以为进一步研究刺槐这一特定树种, 精确分析泰山植被景观与环境要素之间的定量关系提供科学依据。同时, 对泰山植被的景观林改造、植被恢复以及森林资源管理等也有一定的参考意义。

1 研究区概况

泰山位于华北大平原东侧, 东经117°5′—117°24′, 北纬36°5′—36°15′, 绵亘于泰安、济南之间, 东西长约200 km, 南北宽约50 km, 其主峰玉皇顶海拔1532.7 m。泰山地处暖温带气候区, 雨量充足, 山顶年均气温5.3 ℃, 年均降雨量1124.6 mm; 山下年均气温12.8 ℃, 年均降水量715.0 mm。泰山植被属于华北植物体系, 植被资源丰富, 森林覆盖率达81.5%,主要森林类型有松林、侧柏林、刺槐林、栎林四大类, 约占92.9%[1]。泰山景区范围及刺槐林的分布如图1所示。

刺槐约于1920年前后引种于泰安, 于1956—1958年在泰山大面积造林, 大约80年代中期主伐, 现存刺槐林多为二代或三代萌生林[8]。刺槐林多成片分布, 且主要为刺槐纯林, 成片分布主要集中在桃花峪、中天门、天烛峰、玉泉寺以及巴山和桃花源的交界处, 其中刺槐纯林主要分布在桃花峪、竹林寺、樱桃园以及巴山和桃花源的交界处。

图1 研究区区位及刺槐林分布

Figure 1 Study area and the distribution offorests

2 研究方法

2.1 数据来源

本文的数据主要包括遥感影像数据、DEM数据和二类资源清查小班矢量数据3种类型。遥感影像数据是于2014年10月拍摄、空间分辨率为0.5 m的WorldViewⅡ正射校正影像, 用来提取研究区刺槐林的分布; 空间分辨率为2.5 m的DEM数据和二类资源清查小班矢量数据均由泰山风景区管理委员会森林资源管理站提供。其中DEM数据用来提取研究区主要地形因子(海拔, 坡度和坡向), 二类资源清查小班矢量数据主要作为遥感影像目视解译的参考数据以及泰山风景区植被相关属性(树种组成、优势树种、林下灌木、林下草本、造林年度、平均年龄、郁闭度等)的信息来源。

2.2 数据处理

(1) 刺槐林的解译与分类: 参照林地小班调查表对研究区刺槐林进行目视解译, 得到刺槐林的矢量图斑, 根据《山东省森林资源动态监测信息系统建设—森林资源调查操作细则》中“树种结构划分标准”对刺槐林进行分类, 其中刺槐在树种组成(十分法)中占比≥9为刺槐纯林, 其余为刺槐混交林, 统计得到30种刺槐林类型, 最后计算各类型的投影面积及占刺槐林总面积的百分比;

(2) 地形因子的提取与重分类: 利用ArcGIS基于研究区DEM提取海拔、坡度和坡向地形因子, 根据上述细则中“立地因子划分标准”和研究需要将地形因子重分类, 生成研究区海拔—坡度—坡向地形单元。其中海拔(183—1530 m)按照50 m的间隔划分为28个级别, 坡度划分为平坡(≤5°)、缓坡(6°—15°)、斜坡(16°—25°)、陡坡(26°—35°)、急坡(36°—45°)和险坡(≥46°)6个级别, 坡向划分为平坡、阴坡(北坡)、半阴坡(东北、西北和东坡)、半阳坡(西、东南和西南坡)和阳坡(南坡)5个级别, 其中由于刺槐林在平坡分布较少, 本文不做研究;

(3) 地学信息图谱的建立: 在ArcGIS中插入刺槐林地形分异特征表, 设置为坡度—坡向地形单元,为海拔地形单元, 像元属性值为刺槐林在每一海拔—坡度—坡向地形单元分布百分比, 点转栅格后得到不同地形单元刺槐林地学信息图谱[19-21], 便于直观分析泰山世界遗产地刺槐林在主要地形因子(海拔、坡度和坡向)影响下的分布规律。

3 结果与分析

3.1 泰山世界遗产地刺槐林现状分析

泰山世界遗产地刺槐纯林和混交林(共计30种)的投影面积约807.58 hm2, 其中刺槐纯林投影面积约454.76 hm2, 占刺槐林总面积的56.31%; 刺槐与针叶林(油松、赤松、黑松、华山松和侧柏)混交林投影面积约187.93 hm2, 占刺槐林总面积的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、天烛峰、中天门和巴山; 刺槐与其它阔叶林(栎类、五角枫、榆树、黑杨和毛白杨等)混交林投影面积约66.74 hm2, 占刺槐林总面积的8.26%; 刺槐+针叶林+阔叶林混交林的投影面积约98.15 hm2, 占刺槐林总面积的12.15%。泰山世界遗产地刺槐林的类型、面积以及各类型在刺槐林总面积的占比如表1所示:

表1 刺槐林类型及面积占比

续表

3.2 泰山世界遗产地刺槐林地学信息图谱分析

如图2刺槐林海拔—坡度—坡向地学信息图谱所示: 刺槐林分布在250—1200 m的海拔范围, 集中分布在500—900 m, 分布面积约占刺槐林总面积的76%。海拔450 m以下, 分布面积约占2.0%, 因为在低海拔地区受到人类活动的影响, 刺槐林覆盖面积较小; 海拔1050 m以上, 分布面积约占1.6%, 这与刺槐对风抵抗性较差这一习性有关, 该树种不适宜在高海拔地区栽植, 容易出现风折风倒等现象。坡度上, 刺槐林集中分布在斜坡、陡坡和急坡, 分布面积约占刺槐林总面积的67%, 坡向上, 刺槐属于温带树种, 喜光, 主要分布在半阴坡、半阳坡和阳坡, 半阳坡分布最多, 在海拔1150—1200 m几乎全部分布在半阳坡和阳坡。

阴坡上, 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约76%的面积分布在平坡和缓坡, 在海拔1150 m以上没有刺槐林的分布; 半阴坡上, 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; 半阳坡上, 刺槐林主要分布在海拔600—900 m的斜坡、陡坡和急坡, 约占整个半阳坡分布面积的50%; 阳坡上, 刺槐林在海拔750—900 m的陡坡上分布最多。通过分析得到: 刺槐林广泛分布在海拔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阴坡、半阳坡和阳坡, 半阳坡分布最多。

3.3 泰山世界遗产地刺槐纯林地学信息图谱分析

如图3刺槐纯林海拔—坡度—坡向地学信息图谱所示: 刺槐纯林同样分布在250—1200 m海拔范围, 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阴坡、半阳坡和阳坡, 半阳坡分布最多。

阴坡上, 海拔400 m以下, 随着海拔的逐渐升高, 刺槐纯林分布的坡度也越来越陡, 其中在250—300 m全部分布在平坡和缓坡, 在海拔1050 m以上没有刺槐纯林的分布; 半阴坡上, 刺槐纯林在海拔250—300 m全部分布在平坡和缓坡, 在海拔1100 m以上几乎没有分布, 集中分布在550—850 m的斜坡、陡坡和急坡, 分布面积约占整个半阴坡的57%, 尤其在700—800 m分布最多; 半阳坡上, 刺槐纯林同样在海拔250—300 m全部分布在平坡和缓坡, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡上, 分布面积约占整个半阳坡的67%; 阳坡上, 在250—300 m也没有刺槐纯林的分布, 在600—900 m的陡坡分布最多。通过分析得到: 刺槐纯林在海拔250—300 m全部分布在平坡和缓坡, 在海拔1100—1200 m几乎全部分布在半阳坡和阳坡。

图2 刺槐林海拔—坡度—坡向地学信息图谱

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

图3 刺槐纯林海拔—坡度—坡向地学信息图谱

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

4 讨论与结论

4.1 讨论

泰山世界遗产地的刺槐林多成片分布, 其中刺槐纯林投影面积占刺槐林总面积的56.31%。与刺槐构成混交林的树种主要有油松、黑松、赤松、五角枫和栎类, 其中五角枫和栎类的竞争力大于刺槐[22-24],而油松、黑松和赤松的生物学和生态学特征有很大的相似性, 与刺槐一样均为喜光树种[22]。油松是泰山高海拔的主要造林树种, 集中分布在海拔1000—1400 m, 在低海拔地区主要分布在阴坡, 而刺槐广泛分布于海拔1000 m以下的山地, 以阳坡分布为主, 集中分布在海拔500—900 m, 所以刺槐对少量低海拔阳坡分布的油松林有入侵风险[9]。在刺槐与黑松和赤松的混交林中, 黑松处于林冠的下部, 顶梢被刺槐枝条磨损, 生长受抑制, 而赤松在郁闭度大的林分中更新也受到了限制或完全不能更新[22]。此外, 泰山上的许多特有物种正濒临灭绝, 通过查看二类资源清查小班矢量数据的属性信息, 可以发现刺槐的林分郁闭度较大, 平均郁闭度约0.74, 最大郁闭度高达0.98, 林下植被稀少, 其中林下灌木类型只有5种, 这势必会对泰山风景区的一些特有物种造成一定的威胁。而且, 泰山森林内部林木老龄化严重, 树势衰退问题也比较普遍, 其中刺槐林即是一个显著例子。泰山上的刺槐林大多是20世纪60—70年代种植的, 平均林龄已接近60年, 远远超过了刺槐的成龄25年, 大多数为过熟林, 且树干已经中空, 风一吹就倒, 其生长势已经在一定程度上表现出衰势, 病虫害也有加重之势[1]。

综上所述, 刺槐对泰山风景区部分树种的生长和更新是有一定影响的, 但同时也可以与多种树种形成混交林。张川红等[9]在刺槐对乡土植被的入侵与影响研究中发现刺槐能与泰山低山分布的许多乡土树种形成混交林, 不会侵占掉乡土种, 有6种乡土木本植物能在刺槐林下天然更新并且正常生长。其次, 吕蒙蒙等[18]在研究泰山不同类型刺槐人工林林下植被结构与多样性中指出: 刺槐纯林树种单一, 生长到一定年龄后, 种间竞争逐渐激烈, 导致林分稳定性变差, 不利于林下植被的发育, 刺槐混交林的林分稳定性、物种丰富度和多样性指数均高于纯林。所以在造林规划中要重点选用乡土树种, 同时开展树种引种, 合理分配纯林与混交林的比例, 并且考虑混交林的树种组成。本文初步分析了泰山世界遗产地刺槐林的分布现状, 存在许多的不足之处, 如果通过两期刺槐林的解译数据对比分析, 可以对刺槐这一树种进行更深入的研究。

4.2 结论

本研究利用ArcGIS对遥感影像和DEM数据进行处理, 采用参照林地小班调查表的目视解译法提取泰山世界遗产地的刺槐林并进行分类和统计, 然后建立地学信息图谱分析刺槐林在主要地形因子(海拔、坡度和坡向)影响下的分布规律, 得出以下结论:

(1) 泰山世界遗产地刺槐纯林及其混交林, 类型共计30种, 投影面积约807.58 hm2, 其中刺槐纯林投影面积约454.76 hm2, 占刺槐林总面积的56.31%;

(2) 刺槐林分布在250—1200 m海拔范围, 集中分布在500—900 m的斜坡、陡坡和急坡, 其中刺槐纯林在海拔250—300 m全部分布在平坡和缓坡；

(3) 刺槐林主要分布在半阴坡、半阳坡和阳坡, 半阳坡分布最多, 其中刺槐纯林在海拔1100—1200 m几乎全部分布在半阳坡和阳坡。

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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

山东省自然科学基金青年项目(ZR2014DQ017); 国家自然科学基金项目(31570705); 山东省农业科技资金项目（林业科技创新）（2019LY006）

高兰(1995—), 女, 山西平鲁人, 在读硕士研究生, E-mail: 2470976057@qq.com

韩芳(1981—), 女, 山东兖州人, 博士, 副教授, 主要从事山地生态、山地GIS研究, E-mail: hanf@lreis.ac.cn

高兰, 梁田, 韩芳,等. 泰山世界遗产地刺槐林地学信息图谱分析[J]. 生态科学, 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.