全 文 ：植物生态学报 2009, 33 (1) 25~33
Chinese Journal of Plant Ecology
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收稿日期: 2008-03-19 接受日期: 2008-07-18
基金项目: 国家自然科学基金(30700107 和 40575057)和十一五科技支撑重点项目(2006BAD04B01)
E-mail: sbfang0110@163.com
鄂尔多斯植被盖度分布与环境因素的关系
房世波1,2 谭凯炎2 刘建栋2 张新时1
(1 中国科学院植物研究所,北京 100093) (2 中国气象科学研究院,北京 100081)
摘 要 从植被指数分布与气象因素、地质地层和地质水文的关系入手, 利用遥感解译和地理信息系统的空间分
析功能, 分析了不同尺度下, 气候因素、地质水文因素、基质和地貌等对鄂尔多斯高原植被盖度分布的影响。指
出: 在区域尺度上, 研究区植被盖度分布主要受降水影响, 植被盖度呈从东南到西北逐渐减少的趋势; 高盖度植
被主要分布在冲洪积地貌和丘陵地貌区。局部分析, 库布齐沙漠东向延伸的存在与发展与区域型断层的存在有密
切的联系; 毛乌素沙地中的高盖度植被分布受地形和基质岩性组合的综合影响, 主要分布在第四系湖积物和第四
系冲积物等渗水性差的基质上, 尤其集中分布于凹陷的湖相沉积。
关键词 鄂尔多斯 植被分布 毛乌素 沙漠化 遥感
VEGETATION COVER AND ITS RELATIONSHIP WITH ENVIRONMENTAL
FACTORS AT DIFFERENT SCALES IN THE ORDOS REGION OF CHINA
FANG Shi-Bo1,2, TAN Kai-Yan2, LIU Jian-Dong2, and ZHANG Xin-Shi1
1Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China, and 2Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081,
China
Abstract Aims Vegetation distributions are determined by diverse environmental conditions at
different spatial scales. Our aim is to analyze the relationship between environmental factors and
vegetation cover at different spatial scales.
Methods We obtained the distribution of NDVI in the Ordos Basin by mapping the remote sensing
data (landsat5 TM). Using GIS software, we built a geo-database in the form of a thematic map and
carried out spatial analysis to detect the relationship between the environment factors and NDVI at
different spatial scales.
Important findings At the scale of the Ordos region, mean annual rainfall plays an important role in
vegetation distribution and high-cover vegetation mainly occurs in geomorphology regions of diluvial
and alluvial deposits. At the scale of the Kubuqi Desert, geohydrologic condition is one of the important
factors contributing to the distribution of vegetation cover. In Mu-Us, the lithology of sublayer terrain
greatly affects vegetation cover and distribution.
Key words Ordos, Mu-Us, NDVI, vegetation distribution, vegetation cover
DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.01.003
植被与环境关系的研究已经成为植被生态学
的重要领域之一, 地球表面不同的环境因子导致
了地表植物和植被分布的多样性; 同时, 植物的
形成和发育又作用于环境要素, 植被及其组成与
环境在长期自然历史发展中相互综合作用, 协同
进化, 形成了植被及其组成成分的生物、生态学
特性, 这是植被与环境综合关系的反映。从植被
与气候环境的关系看, 气候是决定地球上植被类
型及其分布的最主要因素, 植被则是地球气候最
鲜明的反映和标志(张新时 ,1993; 周广胜和王玉
辉,1999)。陆地生态系统不同气候带的植被类型
及其分布规律, 主要受水热条件两个主导因子控
制。这方面的研究多数是在区域分异明显的大区
域范围内进行, 如我国主要植被类型与气候的关
系研究 (李斌和张金屯 , 2003; 徐文铎和常禹 ,
1992; 李霞等, 2007), 植被带的划分(Fang et al.,
26 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
2002)等。但在同一地区的相同气候带条件下, 同
样具有不同的植被类型和分布特征, 再简单地用
水热条件作为主导因子去解释其原因, 将是非常
困难的。在相同气候带下, 探讨土壤、地形等环
境因子与植被及其组成的关系将更有意义。区域
尺度主要采用植被数量分析方法、遥感和地理信
息技术等方法对其它的环境因子(如土壤、地貌、
高程、坡度、坡向等)与植被的关系进行研究, 认
为多种多样的基质类型、生态条件, 形成了复杂
多 样 的 生 态 类 型 ( 陈 仲 新 和 张 新 时 , 1996;
Lioubimtseva & Defourny, 1999; 王国宏和杨利
民, 2001; 陈玉福和董鸣, 2001; 岳天祥和刘纪远,
2003; 朱晓勤等, 2006)。然而, 这些研究多在同一
空间分辨率或尺度上进行, 国内针对同一研究区,
从不同空间分辨率和空间尺度上研究植被与环境
因素的关系未见报道。
鄂尔多斯因降水稀少, 植被稀疏。水分在鄂
尔多斯地区具有重要的生理生态意义, 它不仅影
响了植物的个体发育, 并限制了植被的分布。因
此, 有大量的关于鄂尔多斯植被与水分关系的研
究, 土壤水与植物盖度关系, 土壤水与植物演替
关系 , 植物对水分胁迫的适应等方面的研究(廖
汝棠等, 1993; 郑元润, 1998; 郭柯等, 2000; 肖春
旺等, 2002; 王海涛等, 2007), 这些研究多采用室
内实验或野外调查的方法。从干旱区的水资源分
布的角度, 在区域尺度上, 从野外观测实验出发
模拟和预测区域土壤水分布特征, 并用于指导土
地利用(牛振国等, 2002, 2003; 杨佩国等, 2007),
基于单纯的土壤水与大气降水关系的模拟, 由于
缺乏考虑区域地表基质、地形和地貌对水的源和
汇的影响, 模拟和预测得到的水资源分布的可靠
性需要进一步验证。而区域水文地质环境对干旱
和半干旱区植被的生长和荒漠化发展有重要的作
用(侯印伟和王常明, 1992), 鄂尔多斯地区由于生
态保护的需要和矿产能源产业发展的需要, 该区
地质水文方面做了深入的研究(武选民和杨六岗,
1998; 包为民, 1998; 侯光才等, 2006; 王德潜等,
2005), 积累了大量的研究成果, 地质水文研究多
从地下水分布、盆地岩性、构造角度出发, 或从
水文站的资料来研究河流的产流特征, 这些研究
中, 水资源分布与植被分布的关系方面研究少见
报道。关于植物分布与可利用水资源的研究, 宏
观尺度上的系统分析并不多见, 仅见张新时先生
1994年从地质水文的角度论述了毛乌素沙地可用
水资源与生态模式的研究(张新时, 1994), 从理论
的角度阐述了水资源分布和土地利用方式的关
系。进一步加强植被可用水资源的分布和形成规
律, 不同尺度下植被分布与水资源分布的关系研
究, 加强对区域生态环境背景的认识, 对于植被
的合理利用、恢复重建和抚育管理具有重要的理
论指导意义。本研究利用最新的2005年生长季的
LANDSAT-TM遥感数据求得植被指数 , 根据植
被指数分析鄂尔多斯植被分布规律。在不同尺度
下, 分析植被分布与气候因素、植被分布与地质
水文因素、植被分布与地表基质岩性等的关系。
1 研究区概况
鄂尔多斯高原及周边地区位于我国地势的第
二阶梯, 西连西北内陆盆地, 东接山西黄土高原。
高原四周多被山地环绕, 高原主体与周围山地之
间是断陷盆地相连。鄂尔多斯新生代以来持续的
差异升降运动形成了现今中部高原耸立、周边断
陷盆地环套、山地围绕的地貌景观。按照大的地
貌单元划分, 可以分为中间的高原、四周的断陷
盆地和周缘的山地。鄂尔多斯高原处于草原-荒漠
的过渡区域, 从东到西分布有典型草原、荒漠草
原乃至草原荒漠; 土壤类型主要是东部的栗钙土
带, 西部为棕钙土和灰钙土, 及其高原北部和南
部大面积分布的风沙土。
2 研究方法
研究中采用1:400的数字化的植被类型图反
应植被类型分布 , 采用NDVI值的高低来表示不
同植被盖度分布状况。NDVI的求解: 植被分布用
鄂尔多斯TM数据的植被指数求解 , 采用传统的
归一化植被指数(NDVI), NDVI用2005年5月到7月
的7景TM数据求解拼接而成。由于TM数据的成像
时间不一致 , 所以NDVI求解后的分级分类处理
必须以其中某一个时间为标准 , 在研究中采用
TM12833和TM12834为标准 (TM12833和TM12-
834的成像时间为同一天), 分级分类标准如表1
所示, 其它图像根据它们与TM12833和TM12834
的重叠区的影像灰度直方图的对比 , 进行调整 ,
一般来说, 在中低植被覆盖的区域, NDVI值与植
被盖度成正比, 由于鄂尔多斯植被盖度较小, 可
以来用NDVI值的大小反应植被覆盖程度。各
1 期 房世波等: 鄂尔多斯植被盖度分布与环境因素的关系 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.01.003 27
NDVI 按 照 NDVI<–0.01, –0.01
盖区对应的基本土地覆盖类型依次为水域、流动
沙地、半固定沙地、固定沙地、低植被覆盖草原(毛
乌素沙地对应低植被滩地)、高植被覆盖草原(毛
乌素沙地对应低植被滩地)和农田。
降雨量、平均气温等值线生成: 1960~1990年
30 a来全国的各个气象站点的按旬的降雨量、平
均气温和日照时数。年总日照数据(h): 用覆盖鄂
尔多斯及周边的气象站点的观测数据 , 利用
Arcgis 的 Spatial Analyst 模块的空间插值功能,
把离散的点状数据插值成面状数据, 并生成等值
线。地质、水文、地形等矢量数据: 搜集到覆盖
整个鄂尔多斯地区1:25万的数字化地形图; 1:50
万鄂尔多斯数字化水文地质图 ; 1:130万鄂尔多
斯数字化地貌图; 毛乌素沙地北部1:25万数字化
地质图。
将NDVI分级和气象要素等值线、地形、地貌、
地质水文等数据统一到同一坐标系下, 利用地理
信息系统空间分析方法分析植被分布与各环境因
素的关系。
3 研究结果
3.1 植被盖度分布与气候因素的关系
3.1.1 植被盖度(NDVI)分布与气候因素的关系
区域NDVI与气候因素 (年均降水和年均温
为 (1960~1990年) 30 a的平均值 )的关系分析表
明 : NDVI的分布与年均降雨量分布表现出相同
的趋势 , 鄂尔多斯的年均降雨从东南到西北逐
渐减少 , NDVI也呈现从东南到西北逐渐减少的
趋势(除了鄂尔多斯北面和西面的河套灌溉平原
外)(图1), 也就是随着降雨量的增加 , NDVI也相
应地增加。
图1 NDVI与年均降雨量
Fig. 1 NDVI and annual average rainfall
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在鄂尔多斯盆地北面的东胜附近, 降雨等值
线向西北凸出 , 等值线凸出部分的高值NDVI分
布也随等值线向西北凸出。经分析NDVI分布受温
度影响的规律不明显。
鄂尔多斯高原主要的地带性植被有高原东中
部的典型草原、中西部的荒漠草原和西部的草原
荒漠; 非地带性植被包括沙地植被、低湿地植被
和盐化植被(李博, 1990)。从图1可以看出, 分布在
东胜、东胜以东的东部黄土丘陵区和毛乌素沙地
典型草原, 表现为高盖度特点; 分布在高原西部
的桌子山山前倾斜平原及库布齐沙漠上的荒漠草
原表现为低植被覆盖; 而高原中部, 桌子山以东
的高平原上的荒漠草原植被盖度介于典型草原和
草原荒漠之间。
可见在区域尺度上植被盖度的分布与对应的
植被类型相符, 与降水趋势相一致。降雨等值线
凸出的北面却存在长条状的流动沙地(库布齐沙
地东偏南向的长条状延伸), 与降雨趋势不符。另
外盆地的中央部分NDVI低值所占面积比例较大,
即毛乌素沙地的NDVI也与降雨等值线趋势不相
吻合。需进一步分析植被盖度分布与地貌和地质
水文等环境因素的关系。
3.2 植被盖度分布与地貌的关系
河流沟谷主要分布在北面和东面由鄂尔多斯
内部高原区向黄河主河道汇流的河流和季节性河
流形成的冲积区; 冲积平原主要是高原北面的黄
河及其河道附近形成的冲洪积灌溉平原; 丘陵主
要分布在东胜以及东胜以东的黄土丘陵区(准格
尔旗的全部和伊金霍洛旗的部分区); 沙地主要
是毛乌素沙地(乌审旗的全部、鄂托克旗和鄂托克
前旗的东面部分区域); 沙漠主要是西北部的库
布齐沙漠(达拉特旗和杭锦旗的大部分); 高原和
波状高原主要是分布在鄂尔多斯中部和西部的高
原区。从图2可以明显地看出, 冲积平原、河流沟
谷和丘陵地貌条件下 , 中高NDVI分布比例明显
高于沙地、高平原、波状高原和沙漠地貌区; 而
低NDVI分布与此相反。丘陵区和沙地主要分布为
高植被盖度的典型草原, 而高平原、波状高原和
沙漠区主要为低植被盖度的荒漠草原和草原荒漠
植被。
3.3 植被盖度分布与地质水文的关系
3.3.1 植被盖度分布与断层的关系
图2 各级NDVI面积百分比分布与地貌类型的关系
Fig. 2 Percentage of area of each NDVI range in different
landforms
以上分析中可以看出, 在区域尺度上, 研究
区植被分布主要受降水和地貌的影响, 呈从东南
到西北逐渐减少的趋势。但从局部分析, 不难看
出北部库布齐沙漠和中部毛乌素沙地不符合上述
规律。大面积沙漠化是以大面积的沙源存在为前
提, 毛乌素沙地主要是“古沙翻新”的作用, 由于
毛乌素沙地浅表地层多为河湖相沉积和第四纪风
积相 , 易为风蚀和水蚀活化成沙 (孙继敏等 ,
1995)。从图1可以看出,库布齐沙地北缘的沙地与
绿洲(河套盆地农区)之间存在一条明显的界限 ,
此界限以北为农田区和绿色植被大量分布区, 以
南为沙区, 大面积的沙区再往南, 又存在一条界
限, 以南为植被大量分布区。从东西方向来看, 以
110°E以西临近的河流为界 , 西边为大面积沙
区, 沙区内河流穿过的河道附近无任何农田或植
被分布; 而东面仅有零星沙地分布, 东边零星分
布的沙区和河流穿过的河道附近有大面积农田或
植被分布(图3)。初步判断这与大气降水无关, 可
能与东西两侧地层的不同渗水性有关, 结合地貌
和地质构造, 具体分析如下: 判断沙区位置为东
西走向的区域性线形构造, 大量文献研究确定其
为区域性大断层, 至今还活动明显, 断层的北盘
为下降盘, 南盘为上升盘(周承刚,1999; 邓起东
等,1999; 王守则等, 2005; 李建彪, 2006)。由于断
层的不断活动, 南盘不断上升, 南高北低, 因而
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图3 鄂尔多斯北部库布齐沙地细部(TM741假彩色合成)
Fig. 3 Enlarge image of remote sensing image in Kubuqi desert
在北盘沉积了巨厚层(650 m以上)第四系沉积物,
并形成了多期冲洪积扇(周承刚, 1999); 南盘由于
不断上升, 因而在地形上陡然升高, 形成天然迎
风坡, 为沙漠化的形成创造了良好的物质基础和
风力条件 , 沿断层形成了条带状的库布齐沙漠 ,
这可能是库布齐沙漠沿断层存在的内在原因。结
合已有研究分析(周承刚, 1999; 王守则等, 2005;
李建彪, 2006), 110°E东西两侧的不同植被分布,
确因两侧岩性不同而造成。110°E西侧的河流为
罕台川河, 沿罕台川河存在一条北偏东向的正断
层,西北盘为上盘, 东南盘为下盘。下盘为第四系
上更新统粉土、粘土与中细砂互层; 上盘为全新
统, 岩性为含砾粗砂、中砂。由于上下盘岩性的
差异, 造成了水文地质条件的不同, 下盘由于有
隔水性较好的粉土和粘土存在 , 因而水位较浅 ,
易于植物的生长。上盘由于无隔水层存在, 垂向
渗透性好, 地下水位埋深较大, 不利于植物生长,
因而形成了以罕台川河为界, 东西两侧明显不同
的植被分布和景观特征。
3.3.2 植被盖度分布与地层岩性的关系
理解植被分布与环境因子的关系是农牧业生
产模式规划的前提, 在以上的研究分析中, 得出
区域大尺度上, 植被的分布与年均降水关系密切,
同时跟区域构造和水文密切相关 ; 中小尺度上 ,
需要进一步分析植被分布与各个环境因素的关
系。在干旱半干旱地区, 土壤水分对植被类型的
空间分布有很重要的影响(Feng et al., 2002; Ki-
mura et al., 2005)。在毛乌素沙地, 土壤水分是
图4 主要植被覆盖分布占各个地层基质的面积百分比
Fig. 4 Percentage of vegetation coverage in different
stratums
植物生长、植被恢复的主要影响因子 (郭柯等 ,
2000)。干旱和半干旱区小尺度的土壤水受浅表地
下水分布影响很大(何世水和葛生年, 1986; 杨建
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锋, 1999; 王根绪和程国栋, 2000)。浅表地下水在
毛乌素沙地主要受地形和基质的影响(土壤和近
地表基岩 )(张新时 , 1994)。在毛乌素沙地选取
108º00′~110º00′ E, 39º20′~40º00′ N作为研究区(主
要包括锡尼镇 , 四十里梁 , 阿勒腾席热镇 , 新街
镇部分和东胜市区西部), 综合研究植被分布与
基质的关系。
从图4可看出 , 农田主要分布在第四系湖积
物、第四系冲积物、侏罗系砂岩和砂质泥岩形成
的基质上; 滩地主要分布在第四系湖积物、第四
系冲积物和白垩系砂岩、粉砂岩形成的基质上;
总的来说第四系湖积物和第四系冲积物等渗水性
差的基质上, 高植被覆盖的农田和滩地分布的比
例较大。流动沙地在第四系风积物、第三系砾砂
岩、白垩系细粉砂岩等渗水性强的基质分布比例
较大。从图5看出, 农田和滩地在各处的第四系湖
积物地块上分布比例大, 而且基本每一块湖积相
地层上都有分布。第四系风积物基质上, 基本没
有任何植被分布, 这可能与第四系风积物地层的
水的渗透性较强有关。农田和滩地等高植被覆盖
区的分布不仅与地层属性密切相关, 也与地层的
地貌组合有关, 从图5可以看出, 农田和滩地多分
布在地形凹陷部分, 尤其集中分布于凹陷的湖相
沉积。
图5 地质地貌组合与植被的关系
Fig. 5 Relationship between vegetation cover and landform bedrocks
4 讨论与结论
在干旱半干旱地区, 土壤水分对植被类型的
空间分布有很重要的影响(Feng et al., 2002; Ki-
mura et al., 2005)。区域尺度上(整个鄂尔多斯来
看), 植被盖度的分布与年均降水关系密切。由于
东胜及其以东主要是分布为栗钙土为主的丘陵地
貌, 也是主要的典型草原分布区(李博, 1990), 且
该区域降水为鄂尔多斯降水最多的区域(350~450
mm), 栗钙土及其砒砂岩母质较灰钙土、风沙土
更能有效地保持地表降水(李宁等, 2006; 朱晓梅
等, 2007), 故该区域为研究区植被盖度最高的区
域; 鄂尔多斯南部的毛乌素沙地主要是沙地植被
分布为主, 而北部的库布齐沙漠也是风积沙基质,
此两区降水相对较少, 文中对此两区域的分析认
为地形和地质等因素, 造成了此两区植被盖度分
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布的不均匀; 而西部地貌属于高原, 为棕钙土、
灰钙土和灰漠土分布区, 此区域降水稀少, 仅为
150~200 mm, 主要分布草原荒漠植被, 植被盖度
为研究区最低。干旱和半干旱区小尺度的土壤水
受浅表地下水分布影响很大 (何世水和葛生年 ,
1986; 杨建锋, 1999; 王根绪和程国栋, 2000)。从
局域分析看, 河流沟谷以及黄河主河道形成的冲
洪积地貌是高盖度植被分布区, 这主要受这些地
貌区可用地表水的控制; 结合对库布齐沙漠北部
长条状沙区的断层构造原因分析, 可以看出鄂尔
多斯高原北部的地表水受区域型断层的影响较
大, 并与地层基质的透水性有密切联系。浅表地
下水在毛乌素沙地主要受地形和基质的影响(土
壤和近地表基岩)(张新时, 1994), 通过对毛乌素
沙地NDVI分布与地形和基质岩性的关系分析得
出, 毛乌素沙地中的高盖度植被分布受地形和基
质岩性组合的综合影响, 主要分布在第四系湖积
物和第四系冲积物等渗水性差的基质上。
总的来说, 鄂尔多斯高原植被盖度分布在不
同的尺度上受不同的主环境因素影响, 从整个鄂
尔多斯研究区域来看, 植被分布主要受降水影响,
呈从东南到西北逐渐减少的趋势; 局部来看, 植
被盖度分布受地貌类型、地质断层和地层基质的
透水性的综合影响。
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责任编委: 傅伯杰 责任编辑: 姜联合