全 文 ：第 34卷 第 2期 生 态 科 学 34(2): 16−21
2015 年 3 月 Ecological Science Mar. 2015

收稿日期: 2014-07-26; 修订日期: 2014-11-16
基金项目: 新疆维吾尔自治区治蝗灭鼠指挥办公室委托项目—新疆草原生物灾害遥感监测; 2013 年度水利部公益性行业科研专项基金(201301103)
作者简介: 吴秀兰(1987—), 女, 新疆博州人, 在读硕士, 研究方向为草原灾害遥感监测研究, E-mail: wuxiulanxj@163.com
*通信作者: 郑江华(1973—), 男, 浙江江山人, 教授, 博士, 现主要从事环境遥感与草原灾害监测, E-mail: zheng_jianghua@126.com; 穆晨(1961—),男,
新疆乌鲁木齐人, 研究员, 现主要从事草原保护研究工作

吴秀兰, 郑江华, 郑淑丹, 等. 伪步甲危害在新疆草原不同地形梯度的空间分布特征[J]. 生态科学, 2015, 34(2): 16−21.
WU Xiulan, ZHENG Jianghua, ZHENG Shudan, et al. Spatial distribution of Prosodes dilaticollis Motsch hazards based on terrain
gradient in Xinjiang grassland [J]. Ecological Science, 2015, 34(2): 16−21.

伪步甲危害在新疆草原不同地形梯度的空间分布特征
吴秀兰 1, 郑江华 1,2,*, 郑淑丹 1, 阿不都瓦里·伊玛木 3, 穆晨 3,*, 温阿敏 1
1. 新疆大学资源与环境科学学院, 新疆乌鲁木齐 830046
2. 新疆大学智慧城市与环境建模普通高校重点实验室, 新疆乌鲁木齐 830046
3. 新疆维吾尔自治区治蝗灭鼠指挥部办公室, 新疆乌鲁木齐 830001

【摘要】 为揭示伪步甲危害在地形梯度上的差异, 探讨草原上不同地貌部位在伪步甲灾害发生过程中的作用, 在 RS
和 GIS 支持下, 以国产 ZY1-02C 卫星 P/MS 和 DEM(Digital Elevation Model)数据为基础, 运用 ArcGIS 的空间叠加分
析功能, 将遥感解译的数据与高程、坡度和坡向三个地形因子进行空间叠加分析, 对研究区草原伪步甲灾害分布现状
的地形梯度空间分异进行了探讨。结果表明: 在高程和坡度梯度上, 伪步甲危害呈现出明显的分布规律, 即“中间高,
两边低”, 分别在海拔 1000 m—1200 m 和坡度 3.3°—6.1° 范围内伪步甲危害最为严重; 而在坡向梯度上, 严重危害区
随着坡向变化的分布趋势接近平缓, 在整个坡向范围内均有不同程度的分布。

关键词：伪步甲危害; 数字高程模型(DEM); 地形梯度; 空间分布
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2015.02.003 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)02-016-06
Spatial distribution of Prosodes dilaticollis Motsch hazards based on terrain
gradient in Xinjiang grassland
WU Xiulan1, ZHENG Jianghua1, 2,*, ZHENG Shudan1, YIMAMU Abuduwali3, MU Chen3,*, WEN Amin1
1. School of Resources & Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
2. Xinjiang Education Ministry Key Lab of City Inteligenlizing and Environment Modeling, Urumqi 830046, China
3. Xinjiang Animal Husbandry Department, Urumqi 830046, China
Abstract: A good understanding of the relationships between grassland pests and terrain gradient is essential for grassland
management. To explore the difference of Prosodes dilaticollis Motsch hazards on terrain gradient and the role of different
topography positions in the process of Prosodes dilaticollis Motsch disaster, in this paper, we used a P/MS data from the
Chinese ZY1-02C satellite. With the support of the spatial analysis function in ArcGIS, Prosodes dilaticollis Motsch
outbreak information from image interpretation based on RS and GIS technology was overlapped with elevation, slop and
aspect data which derived from DEM respectively. Then we obtained and analyzed the terrain gradient distribution of
Prosodes dilaticollis Motsch. The results showed that in the elevation and slope gradient, the Prosodes dilaticollis Motsch
presents an obvious distribution rule, which is high in the middle, lower on both sides. In the elevation of 1000 m-1200 m
and the slope of 3 °-6.1 °, Prosodes dilaticollis Motsch harm achieves the most serious. However, in the slope gradient, the
distribution trend of serious hazards zone becomes steady along with the slope changes. There is a distribution of different
degrees in the whole range.
Key words: Prosodes dilaticollis Motsch hazards; digital elevation model; terrain gradient; spatial distribution
2 期 吴秀兰, 等. 伪步甲危害在新疆草原不同地形梯度的空间分布特征 17

1 前言
伪步甲 , 学名亮柔拟步甲(Prosodes dilaticollis
Motsch)属鞘翅目(Coleoptera)、步甲科(Carabidae)昆虫,
是新疆草原三大害虫之一。它蔓延速度极快, 当虫口
密度达到一定程度时, 将对草场造成毁灭性危害[1]。
为了有效防止草原伪步甲的危害, 进而对草原
伪步甲发生的空间分布作出预测预报, 应首先探清
伪步甲灾害的发生与地理环境因子的关系[2]。
地形是影响人类生产和生活的一个重要环境因
子, 它是一个包括海拔高度、坡度、坡向、地貌类
型等因子的多维变量, 其特点及其变化对区域内的
水、热、养分等起到再分配的作用[3–5], 它们对草原
伪步甲的分布和密度也有重要影响[6]。数字高程模
型(Digital Elevation Model DEM)作为描述区域地貌
形态空间分布的数学模型, 为探讨草原虫害的空间
分布格局提供了一个基础平台。前人对草原生物灾
害与环境因子关系方面已做过大量研究: 例如, 倪
绍祥、白义等[7–11]从自然环境背景入手, 分别在不同
区域对草地蝗虫的地理分布格局做过探究, 张洪亮
等[2]在 GIS 的支持下结合 DEM, 通过对青海湖地区
草地蝗虫发生与各地形变量的叠置分析获得蝗虫的
发生与地形因子的关系, 为该地区草地蝗虫发生预
测预报模型的建立提供了依据。但是, 结合 RS 和
GIS, 针对草原伪步甲这种生物灾害在地形梯度上
的空间分布研究还鲜有报道。
玛纳斯-呼图壁两县草场交界处是新疆昌吉州
伪步甲危害的典型区域, 伪步甲是破坏该区域草原
植被的“头号杀手”。因此, 本文以玛纳斯-呼图壁县
草场为研究对象, 以国产 ZY1-02C 卫星 P/MS 数据
作为主要数据源, 利用 RS 和 GIS 技术, 从研究区
2013 年伪步甲不同危害程度(严重危害区、轻度危害
区、无危害区)遥感解译入手, 在 Arc GIS 空间分析
模块支持下, 利用地图代数运算方法, 基于从 DEM
衍生出的高程、坡度、坡向因子, 与伪步甲不同危
害程度进行叠加统计分析, 探讨了伪步甲危害和地
形因子之间的关系, 揭示其空间分布特征, 这对于
探讨地形梯度对草原伪步甲灾害分布的影响以及对
管理部门开展防治工作具有重要意义。
2 研究区概况
玛纳斯-呼图壁两县坐落于新疆昌吉回族自治
州西部, 天山北麓中段, 准噶尔盆地南缘。研究区
位于玛纳斯和呼图壁两县的南部山区 , 范围为
86°2′51″—86°48′30″E, 43°47′43″—44°8′5″N, 面积
约 1363 km²。两县地势南高北低, 起伏较大, 地貌
可以分为三种类型: 南部主要为天山山区和丘陵,
是优良牧场, 即伪步甲主要发生区, 海拔大致介于
650 m—5000 m 之间; 中部为冲积平原, 是两县主
要的农作物种植区; 北部为是古尔班通古特沙漠的
一部分。典型的温带大陆性气候, 冬寒夏热, 冬长夏
短, 昼夜温差大。温度由北向南逐渐降低, 年均温
2.9 ℃—7.1 ℃, 年均降水量 130 mm—400 mm。主
要植被以蒿草(Kobresia willd)、苔草(Carex)、叉毛蓬
(Petrosimonia sibirica (Pall.) Bge)、角果藜(Ceratocarpus
arenarius L)等为主。草场以山地荒漠为主, 主要用
于春秋放牧, 草原伪步甲主要发生于呼图壁县雀儿
沟镇的阿合希以及玛纳斯县的塔西河乡的夹老和旱
卡子滩乡的三台子等地区。
3 研究方法
3.1 数据来源
本文使用的遥感数据来源于中国资源卫星应用
中心提供的 ZY1-02C 卫星 2013 年 5 月 17 日的一景
P/MS 数据。条带号 11074, 产品等级 LEVEL1C, 文
件格式 TIFF, 全色波段空间分辨率 5 米, 多光谱波
段空间分辨率为 10 米。研究区云量小于 20%, 影像
整体质量较好, 达到应用需要。从两次(2013 年 4 月
18—20 日、2013 年 5 月 15—16 日)实地考察情况可
知: 影像获取时间正值伪步甲发生期间, 时效性较
好。高程数据来自于国际科学数据服务平台(http://
dem.datamirror.csdb.cn/index.htm)30米分辨率的ASTER
DEM, 采用的是 WGS84 坐标。此外, 还包括 2013
年 4 月和 5 月在实地勘察获取的伪步甲危害情况进
行数据。
3.2 遥感影像的处理
在 ENVI4.8 下对遥感影像进行正射校正、影像
融合、影像裁剪等一系列预处理后, 采用监督分类
并结合人机交互的方法完成遥感影像的分类。根据
野外实地勘察所获资料以及对影像的观察, 将研究
区草原伪步甲危害情况分为: 严重危害区, 轻度危
害区, 无危害区三类。根据实地考察情况又确定了
裸地、水体、阴影、云共计 7 类地物。在监督分类
18 生 态 科 学 34 卷


图 1 研究区伪步甲危害发生图
Fig. 1 Hazard degree classification map of Prosodes dilaticollis Motsch in study area
的基础上进行了聚类处理、过滤处理等一系列分类
后处理操作, 并借助地面实测数据即实地随机采集
的验证样本对分类结果进行验证, 利用混淆矩阵进
行精度评价, 结果表明遥感影像分类的总体精度达
到 74.2 %, Kappa 系数为 0.78, 满足大于最低允许
的判别精度 0.7 的要求[12]。表明分类结果满足本文
研究需要。在 ArcGIS10.0 的支持下, 将分类结果按
照不同类别转化为 7 个矢量图层, 并转化为 GRID
格式, 并将图层重采样成 30 m×30 m 的网格单元,
便于和 DEM 数据进行分类统计、空间叠加等运算
处理。
3.3 地形要素的提取
数字高程模型(DEM)是带有空间位置和地形属
性特征的一种对地表形态的描述方式, 在利用空间
信息进行各种专题分析研究和规划决策过程中具有
很大的应用潜力[13]。本研究中, 为了获得伪步甲发
生的地形因素(高程、坡度和坡向), 利用所获取的
DEM 数据分别提取了研究区的高程栅格图、坡度栅
格图和坡向栅格图, 见图 2a、b、c、d。对已转化为
栅格图层的分类结果和提取的各地形要素, 分别进
行投影转换, 形成统一的地图投影坐标系统(UTM
投影)。
3.4 空间分析与表达
为便于研究伪步甲在不同地形梯度上危害程度
的变化趋势 , 将所提取的高程、坡度和坡向在
ArcGIS10.0 重分类工具下分别分成 10 个等级, 并利
用 Spatial Analyst 工具的表面分析功能, 分别进行草
原伪步甲危害类别栅格数据与高程、坡度和坡向栅
格数据的叠加分析, 生成具有新属性的栅格文件,
对各属性文件分别进行伪步甲发生的地形变量的统
计分析。
4 结果与分析
4.1 伪步甲危害情况分析
研究区总面积约 1362 km2, 本研究着重关注了
除去裸地、水体、阴影、云这 4 种地类后, 仅包括
严重危害区、轻度危害区和无危害区(即正常草地)
约 973 km2 的区域。从遥感解译结果转换得到的伪
步甲危害类别矢量图层中统计得到各类别的数量差
异如图 1 和表 1 所示。分析可知, 该区整体受到伪
步甲危害的面积达687 km2, 占整个区域的50%以上,
轻度危害区面积所占比例最大, 达 39.1%, 而未受
到伪步甲危害的草原面积仅占研究区的 21%, 说明
该区伪步甲灾情较严重。
2 期 吴秀兰, 等. 伪步甲危害在新疆草原不同地形梯度的空间分布特征 19


图 2 a 伪步甲发生区 DEM 数据; b. 高程; c. 坡度; d. 坡向
Fig. 2 The DEM data of Prosodes dilaticollis Motsch occurrence area(a), elevation(b) ,slope(c) and aspect(d)
表 1 研究区不同伪步甲危害类别面积统计
Tab. 1 The area statistics of hazard degrees in study area
类别 面积/km² 比例/%
严重危害区 154.8 11.4
轻度危害区 532.2 39.1
无危害区 286.2 21.0
4.2 基于高程梯度的伪步甲发生特征分析
研究区的高程范围为719—1670 m, 从图3各高
程区间内伪步甲危害类别的分布情况分析可知, 整
体上, 严重危害和轻度危害区面积呈现相似的分布
趋势, 即先增加后减小。严重危害区和轻度危害区
在 2—5 级高程等级(860—1200 m)内的分布面积平均
大于 20 km², 在 4—5 等级(约 1000—1200 m)高程范
围内伪步甲危害情况最严重, 发生面积达 290 km2,
占发生总面积的 42.2%, 分布占有明显的优势。在
海拔 1100 m 左右, 严重危害区和轻度危害区的发
生面积均达到最大值。在 1—4 等级(719—1103 m)
高程范围内伪步甲的分布面积一直呈递增趋势。
可见在这一范围内高程对研究区伪步甲发生的影
响极为显著。当严重危害类别大于第 4 级, 轻度
危害大于第 5级时, 分布面积开始呈递减趋势, 优
势地位逐渐降低, 在高于 1390 m 的第 8、9、等级
表 2 高程梯度上伪步甲灾害的分布面积
Tab. 2 Distribution area of prosodes dilaticollis Motsch
hazards in elevation gradient
梯度等级 高程范围/m
严重危害
区/km2
轻度危害
区/km2
无危害区
/km2
1 719-815 3.6549 8.5518 5.2992
2 815-911 25.5438 50.5539 19.4247
3 911-1007 34.7301 86.4477 44.7975
4 1007-1103 48.8124 108.7983 34.875
5 1103-1199 23.7573 109.0089 30.0069
6 1199-1295 12.3048 77.3973 46.7892
7 1295-1391 4.1814 60.7824 64.0467
8 1391-1487 1.6299 26.7021 33.3792
9 1487-1583 0.1314 3.7809 6.7635
10 1583-1678 0.0063 0.1836 0.7884

图 3 高程梯度上伪步甲灾害的分布特征
Fig. 3 Distribution of prosodes dilaticollis Motsch hazardsin
elevation gradient
20 生 态 科 学 34 卷

的地区, 草原植被长势较好, 几乎未受到伪步甲危
害。在海拔超过 1583 m 的区域, 由于海拔较高, 草
原植被覆盖降低, 伪步甲危害面积也降低并趋向于
0。因此, 通过分析可得: 研究区伪步甲危害在高程
梯度上呈现出明显差异, 海拔 1000—1200 m 范围
内伪步甲危害最为严重。
4.3 基于坡度梯度的伪步甲发生特征分析
研究区草原类型多为山地草原, 坡度范围 0°—
59.6°, 从图 4 各坡度范围内伪步甲危害类别的分布
情况分析可知, 轻度危害区分布面积占三种类别总
面积的比例最高, 达 54.7%; 在 1—2 等级, 轻度危
害区和无危害区同时呈递增趋势, 当坡度大于 6.1°
后, 又同时呈现递减趋势, 直至趋于 0; 而严重危害
区在 1—5 等级一直呈缓慢的递减趋势, 大于 5 级分
布面积接近于 0; 严重危害区和轻度危害区分布面积
在坡度等级 3 以下(0°—8.8°)面积之和达 568.3 km2,
占危害总面积的 82.7%, 说明伪步甲在该坡度区域
占有很高的优势地位; 严重危害区面积在坡度 3.3°

表 3 坡度梯度上伪步甲灾害的分布面积
Ta. 3 Distribution area of prosodes dilaticollis Motsch
hazards in slope gradient
梯度等级 坡度范围 /°
严重危害区
/km²
轻度危害区
/km²
无危害区
/km²
1 0-3.3 60.237 147.7332 67.5
2 3.3-6.1 54.8676 175.5126 80.6328
3 6.1-8.8 24.741 105.237 54.5508
4 8.8-11.9 8.7507 53.4654 35.2827
5 11.8-15.1 3.7566 27.8883 23.3397
6 15.1-18.6 1.4751 13.1139 12.9555
7 18.6-22.6 0.5913 5.9697 6.6582
8 22.6-27.7 0.2349 2.3553 3.3867
9 27.7-35.4 0.0945 0.729 1.35
10 35.4-59.6 0.0036 0.2025 0.5139

图 4 坡度梯度上伪步甲灾害的分布特征
Fig. 4 Distribution of prosodes dilaticollis Motsch hazards
in slope gradient
—6.1°之间分布最大, 这一定程度上说明在这一坡
度范围比较适宜伪步甲的生存繁衍; 在等级大于 2
级之后, 随着坡度的增加, 三种危害类别的面积逐
渐减小并趋向于 0, 说明伪步甲对坡度的选择性较
高。综上可以看出: 在 3.3°—6.1° 这一坡度范围内伪
步甲危害最严重, 且伪步甲危害随着坡度变化呈现
出明显的变化趋势。
4.4 基于坡向梯度的伪步甲发生特征分析
通常将正北方向定为 0°, 按顺时针方向旋转来
划分坡向。在本研究中, 将坡向分成 10 个等级。由
于坡向影响着太阳辐射能量的分配, 因此对伪步甲
的分布也具有重要影响。图 5 为不同伪步甲危害类
别的坡向分布图。分析可知, 轻度危害区和无危害
区的分布方向性很明显, 即受坡向限制较大, 在第 1
级到第 4 级(10°—143°)和第 8 级到第 10 级(251°—
360°)坡向范围分布面积平均大于 30 km2, 总面积达
818.4 km2, 占总面积的 84.1%之高, 即呈现出“中间
低, 两头高”的分布趋势。然而, 相较之下, 严重危
害区随着坡向的分布特征差异并没有很明显的分布
规律, 在整个坡向范围内均有不同程度的分布。
5 结论与讨论
(1) 玛纳斯-呼图壁县草原伪步甲危害类型在不
同地形分级区域具有较明显的差异: 就高程和坡度
因子而言, 严重危害和轻度危害在这两种地形梯度
上分布相似, 主要集中于低的地形等级上, 而且其
分布面积随等级升高而增加, 当达到约 4—5 等级
(1000—1200 m)时, 其危害程度最为严重, 之后, 随
表 4 坡向梯度上伪步甲灾害的分布面积
Tab. 4 Distribution area of prosodes dilaticollis Motsch
hazards in aspect gradient
梯度等级 坡向范围
/°
严重危害区
/km2
轻度危害区
/km2
无危害区
/km2
1 0-35 20.2023 87.8526 52.6338
2 35-71 18.0225 79.5105 45.4311
3 71-107 22.212 65.3562 27.4545
4 107-143 21.6918 36.0981 12.069
5 143-179 13.2858 17.8362 6.2667
6 179-215 9.8703 21.7431 10.0224
7 215-251 10.1682 31.8645 18.2628
8 251-287 11.5146 49.239 30.2634
9 287-323 13.3398 70.7328 40.4865
10 323-360 14.445 71.9739 43.2801
2 期 吴秀兰, 等. 伪步甲危害在新疆草原不同地形梯度的空间分布特征 21


图 5 坡向梯度上伪步甲灾害的分布特征
Fig. 5 Distribution of prosodes dilaticollis Motsch hazards
in aspect gradient
着梯度等级的升高, 伪步甲危害面积又呈逐渐减小
的趋势, 即在整个研究区高程梯度上呈现出“中间
高, 两边低”的空间分布特征。与之不同的是, 在坡
向梯度上伪步甲轻度危害区呈现出先减少后增加趋
势, 而严重危害区在整个坡向梯度上的分布接近平
缓, 在整个范围内均有不同程度的分布。说明伪步
甲生物灾害具有很强的地形选择性, 光、热、水以
及养分等条件决定了这种空间分布格局。
(2) 从伪步甲危害的分布面积趋势来看: 伪步
甲危害区在高程和坡度梯度上基本都呈现出先增
加后减小, 逐渐趋向于 0 的趋势, 这与实际调查的
结果是相符的。而在坡向梯度上, 轻度危害面积呈
现出先减小后增加最终趋于平缓的趋势, 严重危害
类别的变化趋势并不类似与轻度危害区, 变化趋
势交平缓, 没有明显的峰谷值, 且二者的拐点值出
现并未保持一致, 这种现象发生的原因有待进一步
探究。
(3) 本研究中是单独利用高程、坡度和坡向因子
来研究伪步甲危害的分布特征, 在研究过程中也发
现, 这种方法在综合分析伪步甲危害情况随地形梯
度变化时并没有优势, 因此, 在今后的研究中如能
综合考虑各地形因子, 如通过构建地形位指数将高
程与坡度综合在一起, 如可以学习龚文峰等[14−16]构
建分布指数、地形位指数, 倪少祥等[2]学者进行地形
因子对伪步甲灾害发生的影响的显著性检验等研究,
以达到更有效地反映草原伪步甲灾害在地形梯度上
的空间分布规律的目的。
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