别里库姆沙漠胡杨与胡杨回涡沙丘形态特征间的关系1)

孔霄 来风兵 陈蜀江 朱选

(新疆师范大学，乌鲁木齐,830054) (莫纳什大学)

塔克拉玛干沙漠地处欧亚大陆的中心，北部、西部和南部三面有高大山脉，阻挡海洋湿润气流进入，成为世界上最干旱的地区之一[1]。荒漠气候加剧地表沙化程度，增加挟沙气流的发生可能性，也为就地起沙创造了良好的沙源条件[2]。因此，流动性沙物质的运移成为塔克拉玛干沙漠重要的地表过程，使得该区成为欧亚大陆乃至北半球重要的沙源和粉尘源区之一[3-4]。

别里库姆沙漠位于塔克拉玛干沙漠的西南部，自地质历史年代以来，和田河自西向东多次发生改道，地下水埋深0.15～83.20 m，为沙生植物的生长创造了有利的水源条件[5-6]。胡杨(Populuseuphratica)是该区的典型乔木层植被，具有耐旱、耐寒、耐盐、耐碱等特性，成为塔里木盆地天然林的建群树种和珍贵的抗逆种质资源[5，7]。胡杨是生态环境变化的敏感因子，其形态特征则是生境质量的反映[8]。在别里库姆沙漠，胡杨是风沙流运移的主要障碍物，粒级较大的沙物质在胡杨的上风向堆积，形成胡杨回涡沙丘并广泛发育。这种现象是短时期内胡杨对流沙阻挡作用的表现，同时为防止流沙侵入南部和田-墨玉-洛浦绿洲营造了斑块屏障，因此研究别里库姆沙漠胡杨与胡杨回涡沙丘形态特征间的关系意义重大。目前，国内外关于胡杨的研究主要集中在生物学特性[9-11]、生长发育的影响因素[11-12]、根系特征[13-14]等方面，而对于回涡沙丘的研究则主要集中在形态示量特征[15]、粒度特征[15-16]和流场特征[17-19]3个方面，并取得了一系列研究成果。但从形态学角度出发，分析胡杨与胡杨回涡沙丘的关系则鲜见报道。本研究采用无人机遥感倾斜摄影方法分别对胡杨和胡杨回涡沙丘形态特征进行分析探讨，以期为保护和培育沙漠胡杨优势建群种、确保塔里木盆地南缘绿洲生态安全、监测与评估土地沙化和保障绿洲经济可持续发展提供理论依据和科学参考。

1 研究区概况

别里库姆沙漠东接和田河，北临麻扎塔格山，地理坐标为37°35′～38°44′N，79°52′～80°40′E(图1)。研究区深居内陆，属于温带大陆性极端干旱荒漠气候[5]。历年极端最高气温为42.7 ℃，极端最低气温为-23.7 ℃，年平均气温14.8 ℃，年均蒸发量可达2 648.7 mm，年均降水量仅32.5 mm，全年日照时间可达2 643.9 h，无霜期可达210 d[5-6]。春季多大风，最大风速可达14.0 m·s-1，年平均风速2.1 m·s-1，土壤以风沙土为主，因此多浮尘天气，并常伴有沙尘暴[6，20]。

图1 研究区位置示意和样区分布

2 研究方法

2.1 数据来源

大疆Phantom 4 Pro配合GS-Pro飞控软件做大比例尺地形图，技术成熟、精度高[21]。基于野外考察及道路的可达性，以NS向和EW向2条沙漠公路为研究区的2条轴线，并在其附近共选取6个典型样区；将每个样区的4个角点和1个中心点分别设置为检查点和校准点，并利用实时动态载波相位差分技术(RTK)获取各点的精确坐标；调整无人机的部分飞行参数对胡杨回涡沙丘进行航拍。无人机影像中能够清晰识别出胡杨回涡沙丘(图2b)，以此通过数字高程模型(DEM)和数字正射影像数据集(DOM)获取60个胡杨及胡杨回涡沙丘的形态数据。

2.2 航测精度验证

别里库姆沙漠下垫面性质单一，地物形态相对简单。借鉴钱广强[22]、张纯斌[23]对倾斜摄影测量精度的验证方法，采用平均误差(M)和均方根误差(RMSE)进行表示：

(1)

dei=ha-hb。

(2)

(3)

(4)

式中：xa、ya、ha、xb、yb、hb分别为RTK像控点a和无人机影像像控点b的三维坐标；dpi为第i个控制点水平距离误差；dei则为垂直距离误差。

根据6个样区航测误差统计结果，水平和垂直方向上的平均误差的均值范围分别为-2.54～1.79、-6.62～-1.84 mm；均方根误差的均值范围分别为3.92～5.73、8.70～11.38 mm，而1∶500航测的平面和高程精度分别为300、200 mm[24]。因此，利用无人机手段研究微地貌的形态可行且精度高。

2.3 形态特征提取与分析

根据无人机遥感的特点，先利用Agisoft软件处理航拍照片，通过密集点云获取胡杨的株高(Ht)、冠幅长轴(Lt)、冠幅短轴(Wt)、冠幅高度(h)、胸径(r)等形态数据，生成飞行域的DEM和DOM并导入ArcGIS中，再量取60个胡杨回涡沙丘的丘体长度(Ld)、丘体宽度(Wd)、高度(H)、周长(C)、走向(λ)及胡杨到沙丘出风口的距离(d)，并使用ArcGIS10.2中3D分析工具模块计算出胡杨冠幅面积(D)、冠幅体积(v)、胡杨迎风剖面面积(B)、沙丘的表面积(S)、体积(V)和胡杨与沙丘两翼所围成的面积即翼角面积(A)。其中，胡杨冠幅长轴为沿主风向的植株长度，冠幅短轴为垂直于主风向的植株宽度，冠幅高度为从主干第1个分支到植株顶部的垂直距离，冠幅面积为冠幅最低处近似椭圆形的面积，冠幅体积为冠幅椭球体的体积，沙丘表面积为沙丘的表面面积。基于统计学，利用SPSS19.0对胡杨、胡杨回涡沙丘的形态参数进行相关性和主成分分析。

3 结果与分析

3.1 胡杨、胡杨回涡沙丘的形态参数

根据实地勘察以及胡杨形态参数的统计(表1)，发现各样区Ht、Lt、Wt、h、r、D、B、v的均值范围分别为3.55～9.69 m、2.88～8.50 m、2.56～6.40 m、2.53～7.05 m、17.69～48.81 cm、6.65～44.38 m2、11.71～90.76 m2、7.48～128.00 m3，样区A的各形态参数值均偏小，样区E的各形态参数值均偏大，表明胡杨的形态发育整体较为均衡；基于Agisoft生成的DEM和DOM可知(图2)，胡杨回涡沙丘以胡杨为中心，形状类似“n”形，迎风坡长而缓，背风坡短而陡，脊线明显，并具有指向下风向的两翼。

图2 别里库姆沙漠胡杨回涡沙丘

从轴线方向看，NS轴线方向上各样区的形态参数的均值和变化范围略小于EW向，即表明NS向各样区的胡杨、胡杨回涡沙丘发育相对稳定。胡杨、胡杨回涡沙丘各形态参数在6个样区中存在一定的差异(表1)。样区A的胡杨、胡杨回涡沙丘的各形态参数均值均偏小，而样区E中Ht、Lt、Wt、h、D、Ld、Wd和C的形态参数均值略大，分别为9.69 m、8.50 m、6.40 m、7.05 m、44.38 m2、48.63 m、36.22 m和188.55 m，样区F中r、B、v、H、S和V的形态参数均值略大，分别为48.81 cm、90.76 m2、128.00 m3、5.03 m、362.78 m2和463.59 m3，样区D中d和A的参数均值略大，即23.28 m和244.63 m2。由此认为，胡杨各形态参数的大小与胡杨回涡沙丘各形态参数的大小基本保持一致。

表1 别里库姆沙漠胡杨及胡杨回涡沙丘形态参数

样区胡杨回涡沙丘H/mLd/mWd/mC/mS/m2V/m3d/mA/m2λ/(°)A1.42±1.0313.34±6.95 9.94±4.4845.64±22.4228.78±27.3031.27±46.294.99±2.7514.73±12.60135.74±44.50B2.45±0.6230.02±15.6623.48±12.44107.45±58.62112.62±82.90154.59±113.2314.82±11.08155.83±153.72209.92±50.40C3.45±1.6728.58±11.6522.83±8.25103.56±42.97122.97±95.79321.23±382.8015.03±8.85118.04±98.99172.89±27.82D4.14±2.3229.77±11.5627.38±11.29121.14±54.49179.26±110.75315.07±265.7523.28±9.48244.63±162.81194.33±19.08E3.53±1.8748.63±21.6236.22±12.30188.55±78.49108.08±106.65290.90±154.5013.48±1.0387.54±13.57215.46±50.35F5.03±3.4936.85±14.7224.93±8.34136.35±53.95362.78±322.78463.59±459.8014.23±7.51164.89±164.87168.56±13.90

3.2 胡杨、胡杨回涡沙丘形态参数的相关分析

胡杨、胡杨回涡沙丘形态参数的相关性分析(表2)表明，在0.01水平上，胡杨各形态参数间的相关系数为0.709～0.971，胡杨回涡沙丘各形态参数间的相关系数为0.654～0.951，这说明胡杨、胡杨回涡沙丘生长发育相对均衡。胡杨与胡杨回涡沙丘各形态参数间的相关系数为0.619～0.915，其中，Ht、Lt、Wt、h、D、B、v、r与胡杨回涡沙丘各形态参数的相关系数分别为0.763～0.915、0.742～0.875、0.663～0.851、0.756～0.899、0.725～0.879、0.715～0.905、0.619～0.859、0.727～0.904，均呈显著相关。由此推断，胡杨的形态特征与胡杨回涡沙丘的形态特征具有显著的相关关系。

胡杨各形态参数与胡杨回涡沙丘的S、V、A的相关系数分别为0.779～0.915、0.763～0.905、0.784～0.871(表2)，略大于与胡杨回涡沙丘的其他形态参数的相关系数。Ht与S、V、A的相关系数分别为0.915、0.892、0.871，r与S、V、A的相关系数分别为0.904、0.901、0.871，h与S、V、A的相关系数分别为0.899、0.884、0.884，B与V的相关系数为0.905，相关系数略大。由此认为，胡杨的株高(Ht)、胸径(r)、冠幅高度(h)与胡杨回涡沙丘的表面积(S)、体积(V)、翼角面积(A)的相关关系更为显著。

表2 别里库姆沙漠胡杨、胡杨回涡沙丘形态参数相关分析

3.3 胡杨、胡杨回涡沙丘形态参数的回归分析

在野外考察发现，翼角面积是胡杨母树及胡杨根萌苗生长发育的理想场所，沙丘体积是植被短时期内拦截流沙能力的体现[25]，故而只选取了胡杨回涡沙丘的体积、翼角面积等形态参数与胡杨各形态参数进行回归分析，得出拟合方程(图3)。胡杨的形态参数值与胡杨回涡沙丘的形态参数值的拟合度较高(R2≥0.576)，且存在斜率为正的线性关系，即胡杨回涡沙丘的形态参数值随胡杨形态参数值的增大而增大。由此认为，胡杨的形态特征与胡杨回涡沙丘的形态特征间存在协同变化趋势。其中，B、r、Ht与V的决定系数分别为0.817、0.808、0.792，h、Ht、r与A的决定系数分别为0.778、0.754、0.754，拟合度略高于其他形态参数，由此推断，胡杨迎风剖面面积(B)、胸径(r)、株高(Ht)是影响胡杨回涡沙丘体积增加的重要树木因素，冠幅高度(h)、株高(Ht)、胸径(r)是影响翼角面积大小的重要因子。

图3 别里库姆沙漠胡杨各参数与胡杨回涡沙丘的体积、翼角面积间的回归关系

3.4 胡杨与胡杨回涡沙丘形态参数的主成分分析

选取Ht、Lt、Wt、h、D、B、v和r共8个形态参数对胡杨进行主成分分析，选取Ld、Wd、H、C、S、V、d和A共8个形态参数对胡杨回涡沙丘进行主成分分析。从表3、表4可知，胡杨、胡杨回涡沙丘形态参数的第1主成分的贡献率达84%以上，表明主成分的综合信息基本上包含各形态参数的大多信息。

胡杨第1主成分的特征值为7.342，贡献率为91.781%，远大于其他成分，其特征向量中载荷较高的是Ht、Lt、h，其权重系数均大于0.990，Ht、Lt、h可综合反映胡杨形态特征的信息。由此认为，胡杨株高(Ht)、冠幅长度(Lt)、冠幅高度(h)是影响胡杨回涡沙丘的主导树木因子。胡杨回涡沙丘第1主成分的特征值和贡献率分别为6.758、84.471%，显著大于其他成分，其特征向量中载荷较高的是S、V、C、Ld，其权重系数分别为0.975、0.936、0.925、0.925，反映了S、V、C、Ld综合反映出胡杨回涡沙丘的形态特征信息。由此推断，影响胡杨的主导沙丘因子分别是沙丘表面积(S)、体积(V)、周长(C)、丘体长度(Ld)。

表3 别里库姆沙漠胡杨与胡杨回涡沙丘形态参数特征值及主成分贡献率

表4 别里库姆沙漠胡杨与胡杨回涡沙丘形态参数主成分的权重系数

4 讨论与结论

回涡沙丘是风沙流运移至障碍物前遇阻堆积形成的一种沙丘类型[15]。在别里库姆沙漠，地表物质组成单一，胡杨作为主要乔木层植被[5]，是沙物质运移的主要植被障碍物，导致气流方向发生变化，胡杨迎风侧成为气流减速区[26]，致使较粗的沙物质发生堆积，形成胡杨回涡沙丘。胡杨形态特征主要由形态参数反映，主要包括株高、冠幅、迎风剖面面积、胸径等。胡杨回涡沙丘形态参数主要包括丘体长度、丘体宽度、高度、周长、面积、体积等。本研究通过相关性分析发现，胡杨的形态特征与胡杨回涡沙丘的形态特征具有显著的相关关系，沙丘高度与植物的平均高度存在正相关关系[27-28]、沙丘长宽与植物的平均长宽正相关[29]，沙丘体积与植株体积的相关性较高[30]，即与本研究结果基本保持一致。植物的外形影响沙丘的形态[31]，随着障碍物高度的增加，回涡沙丘的高度也随着变高[15]。通过形态参数值与回归分析发现，胡杨形态的大小与胡杨回涡沙丘形态的大小基本保持一致，两者存在协同变化的趋势。由此推测，别里库姆沙漠胡杨与胡杨回涡沙丘大多处于生长与发育阶段，两者的形态相对稳定。这与野外实地考察结果“胡杨多处于生长阶段、枯死现象不显著，胡杨回涡沙丘处于发育或稳定阶段、衰退活化现象不明显”相一致。

相关性分析与回归分析结果表明，胡杨的株高、胸径、冠幅高度与胡杨回涡沙丘的表面积、体积、翼角面积的相关关系更为显著。胡杨迎风剖面面积、胸径、株高是影响胡杨回涡沙丘体积增加的重要树木因子，冠幅高度、株高、胸径是影响翼角面积大小的重要因子。而主成分分析结果表明胡杨株高、冠幅长度、冠幅高度是影响胡杨回涡沙丘的主导树木因子，影响胡杨的主导沙丘因子分别是沙丘表面积、体积、周长、丘体长度。回归分析建立在相关性分析的基础之上，这2种方法与主成分分析法的思想与原理的差异可能是造成影响因子不同的重要因素。但这些方法中产生了共同因子：影响胡杨回涡沙丘的树木因子是胡杨株高，沙丘表面积和沙丘体积是影响胡杨生长的沙丘因子，而符亚儒等[32]认为树高和冠幅度输沙量的贡献极小，两者相矛盾，这可能是由于别里库姆沙漠与陕北榆林风沙区植物配置结构、植被生长阶段、沙源丰富度、风力强弱等差异综合作用的结果。

胡杨回涡沙丘发育于胡杨的迎风侧，两翼并环绕胡杨展开。由于胡杨对气流的扰动，在胡杨背风侧距离1～2倍树高范围内，气流易发生分离形成弱涡旋区[26]，致使胡杨与沙丘两翼所围成的区域内无明显的蓄沙现象，即存在一个无风沙堆积区域[30]，使得该处相对于迎风坡而言，地势整体较为低平，风蚀作用相对较弱，为胡杨根系萌蘖苗的生长发育创造了良好的条件。本研究及实地考察发现，胡杨回涡沙丘的移动方向大致均为S向，且胡杨回涡沙丘的背风侧多位于S向，光照条件优越，在地下水位较浅且胡杨母树生长较好的地段，有利于胡杨根系的萌蘖。适度的沙埋促进胡杨的自然更新[33]，探索胡杨的生长特性与根系萌蘖规律，可为别里库姆沙漠植物固沙工程的开展提供科学参考。

综上所述，通过对胡杨、胡杨回涡沙丘的形态特征关系的简单分析，得到如下结论：

胡杨回涡沙丘以胡杨为中心，迎风坡长而缓，背风坡短而陡，脊线明显，并具有指向下风向的两翼，整体形状类似“n”形。胡杨各形态参数均值的大小与胡杨回涡沙丘各形态参数均值的大小基本保持一致。

胡杨、胡杨回涡沙丘各参数间呈显著相关，胡杨的生长和胡杨回涡沙丘的发育之间存在协同变化趋势。

影响胡杨回涡沙丘的主导树木因子是胡杨株高和冠幅，沙丘表面积、体积、周长、丘体长度是影响胡杨的主导沙丘因子。