全 文 ：南 方 农 业 学 报
新疆天山西部云杉生长量变化及其影响因子分析
孙 丽1，2，陈蜀江1
（1新疆师范大学； 2新疆林业科学院：乌鲁木齐 830000）
摘要：【目的】计算新疆天山西部云杉生长量，对云杉生长量影响因子进行相关性分析，为监测云杉生长和研究天
山森林生态系统提供参考。【方法】根据 1996年天山西部 8个林场 218个样地 5682株云杉的实地测量值推算出天山
西部云杉的材积经验式和一元材积表；利用 GIS和 SPSS软件对利用遥感手段提取的生长量影响因子进行相关性分
析。【结果】1996~2006年，天山云杉定期生长量为 20.487482 m3，1996~2006年定期平均生长量为 2.048748 m3。生长量影
响因子相关性分析表明灰度值中的红光波段、近红外波段、绿光波段与云杉生长量显著相关，其次是海拔、NDVI和坡
向，相关性最弱的为蓝光波段、短波红外波段和坡度。【结论】在今后的工作中，可根据影响天山云杉生长量的主导因
子，并结合 GIS手段动态监测云杉生长状况，从而更好地进行天山云杉的研究保护工作。
关键词：天山云杉；生长量；影响因子；相关分析
中图分类号：S771.8 文献标识码：A 文章编号：2095-1191（2011）05-0566-05
收稿日期：2011- 01- 04
作者简介：孙丽（1981-），女，山东郓城人，硕士研究生，助理工程师，主要从事林业遥感技术应用研究工作
0 引言
【研究意义】天山云杉为裸子植物松科的常绿乔
木，是中亚和亚洲中部山区特有树种，在中国仅见于新
疆。云杉根系极为发达，只需雨水，不择土壤，不管是岩
石还是山脊，都是沿细小的缝隙生长。凭着这庞大的根
系，每株成材的天山云杉都像一台抽水机。此外，天山
云杉蒸发的水分与同纬度、同面积的海洋相比要多，可
以说广阔的天山云杉生长区是十分宝贵的水源涵养
区。研究天山云杉生长量的变化规律及其影响因子是
实现天山云杉长势监测的一项重要基础工作，对研究
天山森林生态系统具有重大意义。【前人研究进展】徐
有明等（2000）采用标准地调查和树干解析的方法对河
南火炬松种源中龄林的生长量差异进行了分析，发现
纬度对火炬松种源生长量影响较大，且与胸径呈显著
负相关。张忠和李文臣（1992）利用数量化方法研究了
华北落叶松胸径生长量与主要立地因子的关系，建立
了胸径生长量数学模型表达式。经过相关系数检验，结
果显著。荀守华等（1995）利用双重筛选逐步回归方法，
探讨了胶东半岛日本落叶松人工林 2个生长量指标
Volume increment in dragon spruce trees in western Tianshan
Mountain of Xinjiang and its impact factors
SUNLi1，2，CHEN Shu- jiang1
（1 Xinjiang Normal University；2Xinjiang Academy of Forestry Sciences：Urumqi 830000，China）
Abstract：【Objective】The present study was aimed to observe the volume increment in dragon spruce trees in western
Tianshan Mountain of Xinjiang， and to analyze the correlations between the volume increment and its impact factors in
order to monitor its growth and study the forest ecological system of Tianshan Mountain. 【Method】Empirical volume
equation and single entry volume table were worked out using the diameter data of 5682 dragon spruces trees at 218 sam-
ple locations belonging to 8 forest farms in 1996. The GIS and SPSS software were used to analyze the correlations between
the volume increment and its impact factors . 【Result 】The periodic increment of dragon spruce trees was recorded
as 20.487482 m3 from 1996-2006 and its average periodic increment was 2.048748 m3. The volume increment of dragon
spruce was found significantly correlated with red band， near-infrared wave band and green band， and found to be followed
by elevation， NDVI and slope. The weakest impact factors were found to be blue band， short-infrared wave band and gra-
dient. 【Conclusion】In future， the growth of dragon spruce trees in Tianshan Mountain may be dynamically monitored ac-
cording to the dominant factors affecting its volume increment using GIS in order to protect dragon spruce trees better.
Key words： dragon spruce of Tianshan Mountain； volume increment； impact factors； correlation analysis
南方农业学报 2011，42（5）：566-570
Journal of Southern Agriculture
（即平均胸径和平均树高）与 5个立地因子（即海拔、
坡向、坡度、坡位、土层厚度）之间的相关关系。【本研
究切入点】前人对林木生长量影响因子的分析大多利
用实测数据，采用遥感方法提取影响因子进行生长量
相关性分析的研究鲜见报道。此外，王立权（2006）研
究表明伊犁河畔的天山山脉是天山云杉最为繁茂的
地区，此处云杉树高达 50~60 m，年轮均在 300~400
年以上。因此，本研究选取天山山脉云杉长势较好的
西部地区，即伊犁地区的 8个林场作为研究区域，根
据实测胸径数据计算定期平均生长量，利用遥感手段
提取影响因子，并对其进行相关性分析。【拟解决的关
键问题】根据 1996年天山西部伊犁州 8个林场的 218
个样地中 5682株云杉的实地测量值推算出天山西部
云杉的材积经验式和一元材积表，从而计算
1996~2006年云杉定期生长量和定期平均生长量；利
用 GIS和 SPSS软件对利用遥感手段提取的生长量影
响因子进行相关性分析，以期为监测云杉生长和研究
天山森林生态系统提供参考。
1 研究区概况与研究方法
1. 1 研究区概况
伊犁州位于天山西部，西与哈萨克斯坦接壤，边境
线长 421 km。伊犁州南侧的天山以高大的山体成为天
然屏障，阻挡了南来的塔克拉玛干沙漠干热气流的侵
扰；北侧天山阻挡了北冰洋寒流的袭击；只有西面敞
开，充分接纳大西洋的湿润气流，形成较湿润的温带大
陆性半干旱气候。受气流来向和地形的影响，伊犁州降
水较丰沛，年均降水量为 537.4 mm，是新疆年均降水量
的 4.3倍。伊犁州天山山区气候温和，降水较充沛，因而
在海拔 1500~2800 m的中山带生长着性喜阴湿的天山
云杉。
1. 2 数据来源
1. 2. 1 调查数据选取 数据选取1996、2001及2006
年天山西部伊犁州的 8个林场的云杉胸径数据，其中
包括 218个样地、5682株样本（表 1）。本研究数据均取
自固定样地的固定样木。
表 1 样地及样木株树分布情况
Table 1 Distribution of sample plots and trees
4 23 7 35 45 31 51 22 218
106 729 277 628 791 1034 1365 752 5682
样地数
Sample plot
株数
Sample tree
伊宁县
YiningCounty
察县
Cha County
霍城县
HuochengCounty
巩留县
Gongliu County
新源县
Xinyuan County
昭苏县
Zhaosu County
特克斯县
Tekesi County
尼勒克县
Nileke County
总计
Total
1. 2. 2 遥感影像数据的选取 选用 2001年 8月的
NDVI数据［中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据，其最
大空间分辨率为 250m］、2001年的Landsat7- ETM+数据
6幅（空间分辨率为 30 m，其轨道号分别为 P145R029、
P145R030、P146R029、P146R030、P147R029、P147
R030）以及 SRTM- DEM数据（空间分辨率为 90 m）。利
用此 3种数据，获得各样地的 NDVI值、各波段的灰度
值以及海拔、坡度、坡向值。
1. 3 研究方法
1. 3. 1 林木生长量计算 本研究利用云杉的实测胸
径数据，选用相对生长量法对云杉生长量进行测定，
方法为在样地每木调查的基础上，根据林木的径级选
取大小不同的标准木，一般在株树较多的中央径级选
取 2~3株，对两端的径级特别是最大的径级至少要选
1株标准木，然后测定其胸径；运用 SPSS统计软件计
算天山西部各林场选定样地的单株云杉材积，并推算
出天山西部云杉材积经验式，由此计算后续两期林木
的材积；根据林木材积，结合生长量公式，计算云杉总
生长量、定期生长量和定期平均生长量。
1. 3. 2 林木生长量影响因子分析 根据 ETM+、NDVI
及 DEM数据提取林木生长量影响因子，并利用 SPSS
软件进行相关性分析。
（1）灰度值的提取。灰度值即各波段的光谱值。本研
究提取了 ETM+数据的 band1（蓝光）、band2（绿光）、
band3（红光）、band4（近红外）、band5（短波红外）5个波
段对应样地坐标点的灰度值。提取方法：将GPS实测样
地坐标输入 Excel并导入ArcMap中，利用 Add XYData
工具，生成 shp数据，即矢量点图层，再将 ETM影像数据
叠加，并利用 ArcGIS 9.2中的子集提取工具提取 218个
样地坐标在卫星影像上的各波段灰度值。
（2）NDVI数据的提取。归一化植被指数（NDVI）
是地表植被覆盖特征的重要指标之一，其提取方法为：
先将 NDVI数据载入 ArcMap软件中进行投影变换，使
要叠加的坐标点图层与 NDVI影像图层均投影变换到
UTM-WGS84投影；再利用 ArcGIS 9.2的子集提取工具
提取点状要素，即样地坐标点的NDVI值。
（3）海拔、坡度、坡向数据的提取。将经过预处理
的 DEM数据载入 ArcMap软件中，再将样地坐标点载
入，利用 3D分析工具（3D Analyst）和空间分析工具
（Spatial Analyst）中的表面分析工具（Surface Analyst）
中的海拔（Height）、坡度（Slope）、坡向（Aspect）工具，
依据坐标点数据提取点状要素，得到样地的海拔、坡
度、坡向数据。
孙丽等：新疆天山西部云杉生长量变化及其影响因子分析 567· ·
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2 云杉生长量测定结果
2. 1 一元材积表的编制
立木材积表是我国森林资源清查和森林经营中
测定森林蓄积量的主要计量依据。目前，林业上使用
的立木材积表主要有一元材积表和二元材积表。由于
二元材积表要测定树高，工作量较大，为简化树高测
量工作，提高森林调查的工作效率，在林业生产上也
常采用一元材积表测定林分蓄积量。一元材积表是只
根据立木胸径一个因子编制和测定立木材积的材积
表，具有使用简便的优点。
2. 1. 1 一元材积方程的拟合 一元材积式的基本模
型为：V=aDb。利用 1996年胸径数据及同年的实测材
积数据对一元材积基本模型进行拟合，得到云杉材积
经验式为：
V=0.00010447D2.54202946
2. 1. 2 一元材积式的检验 将实际胸径代入，得到
该树的理论材积，与原始数据中各实际材积相比，得
到回归剩余离差平方和为：Q=
n
i=1
Σ（V理- V实）2；方程标准
差为：S= Qn- m- 1姨 ；标准误差为：S y = Sn姨 ；相对误差
为：E=
t0.05×Sy軃
n姨
；精度为：P＝1- E；相关指数为：R2=1-
n
i- 1
Σ（Vi - i）2
n
i- 1
Σ（Vi - ）
，其中 Vi为实测值， i为估测值，为平
均值。
根据以上公式计算，可知云杉一元材积式相关系
数为 0.997750，表明其材积理论值与材积实测值存在
一定的线性相关，并呈正相关；其检测精度为
0.982812，说明此材积经验式适用，可通过其推算一元
材积表（表 2）。
2. 1. 3 编制一元材积表 根据计算结果，带入径阶
（以 2 cm为间距划分），并结合经验材积式推算出天
山西部云杉一元材积表（表 3）。
表 2 云杉一元材积式检验结果
Table 2 Tested result of volume formula with one unknown
quantity of dragon spruce
Q S Sy t 0.05 E（%） P R2
0.316192 0.038529 0.002628 1.971111 1.718810 0.982812 0.997750
径阶 材积 径阶 材积 径阶 材积 径阶 材积
Diameter grade Volume Diameter grade Volume Diameter grade Volume Diameter grade Volume
2 0.000608 32 0.700037 62 3.760950 92 10.256320
4 0.003544 34 0.816676 64 4.077067 94 10.832640
6 0.009933 36 0.944391 66 4.408790 96 11.428180
8 0.020638 38 1.083532 68 4.756383 98 12.043160
10 0.036393 40 1.234437 70 5.120103 100 12.677800
12 0.057849 42 1.397438 72 5.500207 102 13.332330
14 0.085601 44 1.572861 74 5.896947 104 14.006940
16 0.120197 46 1.761021 76 6.310572 106 14.701860
18 0.162153 48 1.962230 78 6.741326 108 15.417300
20 0.211954 50 2.176792 80 7.189455 110 16.153460
22 0.270062 52 2.405006 82 7.655196 112 16.910550
24 0.336917 54 2.647166 84 8.138789 114 17.688780
26 0.412942 56 2.903559 86 8.640466 116 18.488350
28 0.498544 58 3.174469 88 9.160462 118 19.309460
30 0.594115 60 3.460174 90 9.699005 120 20.152320
表 3 云杉一元材积表（m3）
Table 3 Single entry volume table of dragon spruce
2. 2 天山西部云杉生长量计算
2. 2. 1 生长量分类 （1）总生长量：树木自种植开始
至调查时整个期间累积生长的总量。它是树木的最基
本生长量，其他种类的生长量均可由它派生而来。设 t
年时树木的材积为 Vt，则 Vt就是 t年时的总生长量。
（2）定期生长量（Zn）：树木在定期 n年间的生长量为定
期生长量：Zn=Vt- Vt-n。（3）总平均生长量（θ）：θ= Vtt 。
（4）定期平均生长量（θn）：θn= Vt- Vt-nn 。
2. 2. 2 生长量测算 根据各个年份的单株材积数据
代入公式计算，所得单株生长量数据再统计到林场，得
到云杉 1996~2001年和 2001~2006年生长量（表 4）。
因此，天山西部山脉的218个样地中5682株样木
1996~2006年的生长量为：
（1）定期生长量：
Z1996~2006年=Z1996~2001年+Z2001~2006年=20.487482 m3
（2）定期平均生长量：
θ1996~2006年=（θ1996~2001年+θ2001~2006年）/2=2.048748 m3
3 影响因子分析
3. 1 与灰度值的相关性分析
根据相关系数的特点，即当 0＜ r ＜1时，表明 x与
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表 4 生长量计算值统计表（m3）
Table 4 Volume increment of dragon spruce tree（m3）
伊宁县 YiningCounty 106 2.310649 2.395548 2.482494 0.084899 0.086946 0.016980 0.017389
察县 Cha County 729 20.136179 20.426738 21.109273 0.290559 0.682534 0.058112 0.136507
霍城县 HuochengCounty 277 11.885648 12.186423 12.539839 0.300775 0.353416 0.060155 0.070683
巩留县 Gongliu County 628 69.444202 71.766645 73.698162 2.322443 1.931517 0.464489 0.386303
新源县 Xinyuan County 791 91.519944 95.774993 98.528236 4.255049 2.753243 0.851010 0.550649
昭苏县 Zhaosu County 1034 20.360288 21.322948 22.195124 0.962660 0.872176 0.192532 0.174435
特克斯县 Tekesi County 1365 67.664713 69.740513 71.309343 2.075800 1.568830 0.415160 0.313766
尼勒克县 Nileke County 752 14.850709 16.129158 16.797343 1.278449 0.668185 0.255690 0.133637
合计 Total 5682 298.172332 309.742966 318.659813 11.570635 8.916847 2.314127 1.783369
县名
County name
株数
Investigated
plant
number
1996年 2001年 2006年 1996~2001年
定期生长量
Periodic
increment during
1996~2001
2001~2006年
定期生长量
Periodic
increment during
2001~2006
1996~2001年
定期平均生长量
Average periodic
increment during
1996~2001
2001~2006年
定期平均生长量
Average periodic
increment during
2001~2006
表 7 坡向分级表
Table 7 Grading for slope aspect
分级 Grade 1 2 3 4 5 6 7 8
坡向 Slope aspect 南坡 东南坡 西南坡 东坡 西坡 东北坡 西北坡 北坡
方位角 Degree 158°~202° 113°~157° 203°~247° 68°~112° 248°~292° 23°~67° 293°~337° 22°~338°
注：**表示相关系数在 0.01水平（双侧）下显著相关
Note：** indicates a significant correlation between average growth incre-
ment of dragon spruce and grey value of each band of ETM+ at 0.01 level
表 5 平均生长量与 ETM+各波段灰度值相关系数
Table 5 Correlation coefficient between average growth incre-
ment of dragon spruce and grey value of each band of ETM+
相关系数（R2）
Correlation
coefficient
蓝光
波段
Blue
band
- 0.016
绿光
波段
Green
band
- 0.398**
红光
波段
Red
band
- 0.658**
近红外
波段
Near-
infrared
wave band
- 0.648**
短波红外
波段
Short-
infrared
wave band
- 0.017
ETM+
各波段
Bands of
ETM+
孙丽等：新疆天山西部云杉生长量变化及其影响因子分析
y存在一定的线性相关性。若 r＞0，表明 x与 y为正相
关，若 r＜0，表明 x与 y为负相关。根据数据计算结果，
可得各波段的灰度值与平均生长量均呈负相关。其中
红光波段相关系数绝对值为 0.658，相关性最强；蓝光
波段、短波红外波段与平均生长量相关性不显著，其
中蓝光波段相关系数最小，与平均生长量相关性最弱
（表 5）。
3. 2 与NDVI的相关性分析
运用 SPSS 13.0 统计分析软件对平均生长量和
NDVI值进行相关性分析，得到 NDVI值的皮尔逊相
关系数为 0.436，与平均生长量呈正相关，并且通过了
0.01水平（双侧）下显著性检验，呈显著正相关。
3. 3 与海拔、坡度、坡向的相关性分析
3. 3. 1 与海拔的相关性 天山云杉平均树高、最大
树高、林分密度、胸高断面积和蓄积量随海拔的增加
呈单峰型变化格局，在中等海拔达最大。故需要对其
实际海拔高度值进行离散化，即对海拔进行分级。根
据 DEM中提取的海拔数据，可得出天山西部云杉主
要分布在 1200~2800 m之间，根据海拔对树木胸径的
影响，可将海拔分为 5级（表 6）。
通过 SPSS统计分析软件对云杉平均生长量和
DEM提取出的海拔进行相关分析，可得生长量与海拔
的相关系数为 0.487，在 0.01水平下显著相关。表明天
山云杉在海拔 2200~2599 m地区长势较好。
3. 3. 2 与坡度的相关性 通过 SPSS统计分析软件
对平均生长量和 DEM提取出的坡度进行相关分析，
可得坡度的相关系数为 - 0.162，在 0.01水平下显著相
关，并呈负相关，表明生长量随着坡度的增加而逐步
减小。
3. 3. 3 与坡向的相关性 天山云杉多生长在气候湿
润的中山带阴坡、半阴坡及山中河谷，主要分布在天山
北坡。故天山西部云杉在北坡生长最旺盛，其次为西北
坡和东北坡，再次为西坡和东坡，其后为西南坡和东南
坡，最差的为南坡。根据 DEM中提取的坡向数据并结
合相关资料，可将天山西部山脉分为 8个坡向，并对其
进行分级（表7）。
表 6 海拔分级表
Table 6 Gradeing for elevation
1 2 3 4 5
1200~1599 1600~1899 2600~2799 1900~2199 2200~2599
分级
Grade
海拔（m）
Elevation
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结合坡向离散化的分级数据，与平均生长量进行
计算，可得坡向分级值的皮尔逊相关系数为 0.314，通
过了 0.01水平下的显著性检验，呈显著正相关，表明
云杉长势在北坡长势最好。
4 讨论
根据 ETM卫星影像 5个波段灰度值与年平均生
长量的相关系数，可以探测出健康植被的绿色反射
率。陈述彭等（1998）根据植被反射波段的特性计算出
来的反映地表植被生长状况、覆盖情况、生物量和植
被种植特征的间接指标。刘绿柳和肖风劲（2006）、巢
世军等（2008）、孙金英等（2009）经过验证，表明植被
指数与植被覆盖度有较好的相关性，用它来计算植被
覆盖度是合适的。因此，ETM卫星影像的 5个波段灰
度值与 NDVI光谱值可作为测算生长量模型的因子
之一。NDVI越大，表明植被覆盖率越高，树木长势越好。
根据海拔与生长量相关性分析可知，在 1200~
2199 m之间，云杉生长量随着海拔的升高缓慢增长，
海拔 2200~2599 m时到达顶峰，海拔 2600 m以上生
长量则随着海拔的升高呈下降趋势。这主要是由于在
低海拔 ~高海拔区，降水量基本呈随海拔升高而逐渐增
加的趋势，所以云杉长势也随降水量的增加产生变
化。然而高海拔地区虽然降水量较多，但是气温随着
海拔的升高而降低，因此云杉的生长量随之下降。
不同坡度单位面积接受的太阳辐射量不同，土壤
厚度与水分流失量也不同。坡度大则土层薄、水分少、
无机盐易流失、土壤多呈酸性；坡度平缓处土层较厚、
水分多、土壤酸性较弱。因此坡度大的地区，土层薄，
植被不适宜生长，云杉生长量降低。
天山的坡向明显地影响植被生长，坡向不同，植
被接受的太阳辐射也不同。阳坡热量多于阴坡，因而
气温高，水蒸气不易凝结，降水少；阴坡处于背光的一
面，气温较阳坡低，水蒸气较易凝结，因而水分条件较
阳坡优越。根据相关性分析，可知云杉生长量与坡向
呈显著相关关系，根据坡向分级，说明在北坡的云杉
生长最旺盛，反之在南坡生长最差。
5 结论
根据材积经验式和一元材积表，结合生长量公
式，计算出 218个样地、5862株天山云杉 1996年的蓄
积为 298.172332 m3，2001年的蓄积为 309.742966 m3，
2006年的蓄积为 318.659813 m3；1996~2001年，天山
云杉定期生长量为 11.570635 m3，2001~2006 年定期
生长量为 8.916847 m3；1996~2006年，天山云杉定期生
长量为 20.487482 m3，1996~2006 年定期平均生长量
为2.048748 m3，表明 1996~2001年天山云杉生长长势
较好。
生长量影响因子相关性分析表明灰度值中的红
光波段、近红外波段、绿光波段与云杉生长量显著相
关，其次是海拔、NDVI和坡向，相关性最弱的为蓝光
波段、短波红外波段和坡度。相比其他立地因子，坡度
只是影响植云杉生长的次要因素。因此，在今后的工
作中，可根据影响天山云杉生长量的主导因子，并结
合 GIS手段动态监测云杉生长状况，从而更好地进行
天山云杉的研究保护工作。
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（责任编辑 孔令孜）
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