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Spatial distribution and scale effect of species diversity of secondary forests in montane region of eastern Liaoning Province, China.

辽东山区次生林物种多样性的空间分布及尺度效应


以辽东山区次生林为研究对象,分析4 hm2样地Gleason丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数的空间分布特征及其与尺度的关系.结果表明: 4个多样性指数的空间分布均表现出较高的空间异质性;4个多样性指数的方差随尺度的增加其变化趋势有所差异;4个多样性指数的变异系数随尺度的增加呈下降趋势;乔木层的4个多样性指数值高于灌木层,且随尺度增加其变化趋势有所差异.在分析辽东山区次生林物种多样性时应考虑尺度效应.

With secondary forest in the montane region of eastern Liaoning Province as research object, this paper analyzed the spatial distribution and scale effect of Gleason richness index, Simpson dominance index, Shannon diversity index and Pielou evenness index in a 4 hm2 plot. The results showed that spatial distributions of the four diversity indices showed higher spatial heterogeneity. Variance of the four diversity indices varied with increasing scale. Coefficients of variation of the four diversity indices decreased with increasing scale. The four diversity indices of the tree layer were higher than those of the shrub layer, and the variation tendency varied with increasing scale. The results indicated that sampling scale should be taken into account when studying species diversity in the montane region of eastern Liaoning Province.


全 文 :辽东山区次生林物种多样性的空间分布及尺度效应
邓莉萍1  白雪娇1,2∗  秦胜金1  魏亚伟1  周永斌1,2  李露露1  牛沙沙1  韩美娜1
( 1沈阳农业大学林学院, 沈阳 110866; 2中国科学院清原森林生态系统观测研究站, 沈阳 110016)
摘  要  以辽东山区次生林为研究对象,分析 4 hm2样地 Gleason丰富度指数、Simpson优势度
指数、Shannon多样性指数和 Pielou 均匀度指数的空间分布特征及其与尺度的关系.结果表
明: 4个多样性指数的空间分布均表现出较高的空间异质性;4 个多样性指数的方差随尺度
的增加其变化趋势有所差异;4个多样性指数的变异系数随尺度的增加呈下降趋势;乔木层的
4个多样性指数值高于灌木层,且随尺度增加其变化趋势有所差异.在分析辽东山区次生林物
种多样性时应考虑尺度效应.
关键词  取样尺度; 物种多样性指数; 空间分布; 次生林
Spatial distribution and scale effect of species diversity of secondary forests in montane re⁃
gion of eastern Liaoning Province, China. DEND Li⁃ping1, BAI Xue⁃jiao1,2∗, QIN Sheng⁃jin1,
WEI Ya⁃wei1, ZHOU Yong⁃bin1,2, LI Lu⁃lu1, NIU Sha⁃sha1, HAN Mei⁃na1 ( 1College of Forestry,
Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2Qingyuan Forest Ecosystem Observa⁃
tion Station, Chinese Ecosystem Research Network, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016,
China) .
Abstract: With secondary forest in the montane region of eastern Liaoning Province as research ob⁃
ject, this paper analyzed the spatial distribution and scale effect of Gleason richness index, Simpson
dominance index, Shannon diversity index and Pielou evenness index in a 4 hm2 plot. The results
showed that spatial distributions of the four diversity indices showed higher spatial heterogeneity.
Variance of the four diversity indices varied with increasing scale. Coefficients of variation of the
four diversity indices decreased with increasing scale. The four diversity indices of the tree layer
were higher than those of the shrub layer, and the variation tendency varied with increasing scale.
The results indicated that sampling scale should be taken into account when studying species diver⁃
sity in the montane region of eastern Liaoning Province.
Key words: sampling scale; species diversity index; spatial distribution; secondary forest.
本文由国家自然科学基金项目(31300378)和国家科技支撑计划项
目(2012BAD22B040206)资助 This work was supported by the National
Natural Science Foundation of China (31300378) and the Project of Na⁃
tional Science and Technology Supporting Plan (2012BAD22B040206).
2015⁃12⁃07 Received, 2016⁃04⁃25 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: bxjiao1984@ 163.com
    物种多样性能够体现植物群落的结构类型、稳
定程度、组织水平及生境异质性[1-4],是群落结构的
重要特征.近年来,我国对群落物种多样性的研究较
多,按性质可将其测度指数划分为丰富度指数、多样
性指数和均匀度指数等[5-6] .丰富度指数通常指特定
样地中的物种数目,常用的有 Gleason 指数[6-7];多
样性指数是结合物种的多度和丰富度,常用的有
Shannon指数、Simpson 指数等[8-10];均匀度指数指
群落中不同物种个体分布的均匀程度,常见的为
Pielou均匀度指数[11] .
生态学模式和生态学过程与尺度紧密相
关[11-14],尺度研究对于了解生物多样性的形成机制
具有重要意义[15-18] .在生态学研究过程中,不同取
样尺度(或抽样面积)可能产生不同的物种多样性
值[19-21] .随尺度的变化,决定群落格局的生态学过
程可能不同[22-23] .因此,在研究群落物种多样性时,
有必要加入尺度研究.在不同尺度下,物种多样性及
其空间格局均呈现出一定的差异[24-25] .有研究表
明,取样尺度对物种多度、丰富度、Simpson 指数、
Shannon指数等具有明显的影响[17,20,26-29] .
目前,关于不同植被类型物种多样性的尺度研
究较多.He等[20]分析了马来西亚 Pasoh 热带雨林中
应 用 生 态 学 报  2016年 7月  第 27卷  第 7期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2016, 27(7): 2197-2204                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201607.022
物种多度和丰富度在不同尺度上的变化,发现物种
多度和丰富度随取样尺度的增加分别呈线性和非线
性变化. Kallimanis 等[26] 以希腊山橡木 ( Quercus
spp.)林为例,分析了物种多样性在不同尺度上的空
间格局,结果显示物种多样性的空间格局随尺度的
变化而变化.Wang 等[27]研究了我国长白山温带阔
叶红松林物种多度和丰富度在空间尺度和取样区域
上的变化,结果表明多度和丰富度不仅具有尺度依
赖性,且与取样区域有关.王志高等[28]通过分析鼎
湖山南亚热带季风常绿阔叶林中物种多样性指数的
空间分布特征,发现 Simpson 指数、Shannon 指数和
Pielou指数均表现出与取样尺度有关的较强区域性
分布特征.张忠华等[17]分析了喀斯特常绿落叶阔叶
混交林中物种多度和丰富度的空间分布特征及其与
取样尺度的关系,发现多度和丰富度均具有尺度依
赖性特征,且物种多度具有尺度推演规律,而丰富度
没有.然而,现有的研究主要集中于原始林[17,20,27],
而在次生林中少有报道.
目前,次生林已成为中国森林资源的主体, 其
结构研究受到了越来越多的重视[29-31] .位于辽宁省
东部地区的次生林,植物种类极为丰富,不仅是辽宁
省木材、薪炭林和林副产品的重要基地,而且在水源
涵养、气候调节等方面起重要作用[32] .毛志宏等[31]
分析了辽东山区次生林的植物物种组成及多样性,
而针对该次生林植物多样性的空间分布及尺度研究
未见报道.因此,本文以辽东山区次生林为研究对
象,以 4 hm2样地木本植物调查数据为基础,选取
Gleason丰富度指数、Shannon 多样性指数、Simpson
优势度指数和 Pielou 均匀度指数,采用方差和变异
系数分析物种多样性指数的空间分布及其随取样尺
度的变化特征,了解其形成原因,有助于探讨该区域
群落物种多样性的维持机制.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区位于中国科学院清原森林生态系统观测
研究站(41°51′ N,124°55′ E),海拔 252~1116 m.研
究区以峰峦起伏、山势陡峭的山地为主,属长白山山
脉的西南延伸部分.该区属于温带大陆性气候,四季
分明,冬季漫长寒冷,夏季炎热多雨.年平均气温
3.9~5.4 ℃,最冷月和最热月分别为 1 月和 7 月,极
端最高温 36.5 ℃,极端最低温-37.6 ℃,>10 ℃的年
活动积温 2497.5~2943.0 ℃ .年平均日照 2433 h,无
霜期 120~139 d,年均降水量 700~850 mm,6—8月
的降雨量较多,4—9 月为植物的生长季[31,33] .土壤
主要为暗棕壤、草甸土和沼泽土 3个土类,以暗棕色
森林土为主,其次为棕色森林土.
1􀆰 2  样地建立和植被调查
在清原森林生态系统观测研究站附近的次生林
区建立一块 4 hm2的长期固定监测样地,规格为 200
m×200 m,样地设置参照 CTFS ( centre for tropical
forest science)样地建设法[34],用全站仪将样地划分
为 100个 20 m×20 m样方.调查样地内胸径(DBH)
≥1 cm的所有木本植物,记录植株的种类、胸径、坐
标、存活状态等,并挂牌标记,以便长期监测,调查于
2013年 8月完成.样地平均海拔为 728.2 m,最高海
拔 780.5 m,最低海拔 685.5 m,最大高差 95.0 m,样
地地形如图 1 所示.在 2013 年调查中,活的个体数
为 8475,隶属于 53 种 25 科 39 属.样地群落乔木层
主要树种有蒙古栎 (Quercus mongolica)、胡桃楸
(Juglans mandshurica)、水曲柳(Fraxinus mandshuri⁃
ca)、紫椴(Tilia amurensis)和花曲柳(Fraxinus rhyn⁃
chophylla) 等;灌木层主要树种有毛榛 ( Corylus
mandshurica)、鼠李 ( Rhamnus davarica )、忍冬属
(Lonicera spp.)、刺五加 ( Acanthopanax senticosus)、
乌苏里鼠李(Rhamnus ussuriensis)等.
1􀆰 3  研究方法
将 4 hm2样地划分为 7 个尺度:5 m×5 m(1600
个样方)、10 m×10 m(400个样方)、20 m×20 m(100
个样方)、25 m×25 m(64 个样方)、40 m×40 m(25
个样方)、50 m×50 m(16 个样方)、100 m×100 m(4
个样方).分别计算 Gleason 丰富度指数(Dg)、Simp⁃
son优势度指数 (D)、Shannon多样性指数 ( H )和
图 1  样地等高线
Fig.1  Topography in the plot.
8912 应  用  生  态  学  报                                      27卷
Pielou均匀度指数( J)及其方差( δ2 )和变异系数
(CV),计算公式如下:
Dg = S / lnA (1)
D = 1 - ∑

i = 1
Ni(Ni - 1)
N(N - 1)
(2)
H =- ∑

i = 1
(pi lnpi) (3)
J = H / lnS (4)
δ2 =
∑(xi - u) 2
n - 1
(5)
CV = sd

× 100% (6)
式中:A 为研究区面积;S 为面积 A 内的物种数;Ni
是第 i个物种的个体数;N 为全部物种的个体总数;
pi为第 i个物种的多度比例;xi为某一尺度上第 i 个
变量的数值;μ为平均值;sd为标准差.
根据各尺度上每个样方的物种多样性指数,以
取样尺度为横坐标、每个尺度下的物种多样性指数
值为纵坐标作图,分析物种多样性指数在整个样地
中的分布特点和不同尺度下的空间变化.利用空间
变异系数和方差对尺度(面积)作图,探讨尺度变化
对物种多样性指数的影响.
2  结果与分析
2􀆰 1  物种多样性指数在不同尺度上的空间分布
在 7个取样尺度上,4 个物种多样性指数均表
现出较高的空间异质性,但在不同尺度上的空间分
布有差异.由图 2 可以看出,Gleason 丰富度指数在
小尺度上(≤10 m×10 m)样地西侧高于东侧;在中
等尺度上(20 m×20 m至 50 m×50 m),Gleason丰富
度指数的区域性分布不明显,空间分布变化不稳定
且不连续;在大尺度(100 m×100 m)上,样地东北部
的丰富度最高,西南部和东南部相等,而西北部最
低.Simpson指数、Shannon指数和 Pielou指数随着取
样尺度的变化趋势较相似,在小尺度(≤10 m×10
m)上,多样性指数表现为样地西半部高于东半部;
中等尺度(20 m×20 m至 50 m×50 m)上则表现出样
地的西北部低于其他部分,具体分布变化较复杂;在
大尺度(100 m×100 m)上,3 个多样性指数的分布
较为一致,表现出样地西南部的指数值最高,东北部
次之,西北部最低.
2􀆰 2  抽样面积对物种多样性指数的影响
由图 3可以看出,4 个指数的方差变化有差异.
其中,Gleason 丰富度指数的方差由 25 m2增加到
100 m2,呈现缓慢增加,当抽样面积继续增加到
2500 m2,呈线性下降趋势,尺度为 10000 m2时,又呈
现增大的趋势.Simpson 指数和 Shannon 指数的方差
随着抽样面积的增加几乎呈现单调下降的趋势.
Pielou均匀度指数的方差随抽样面积的增加先单调
下降,后表现出不稳的变化,并在抽样面积 2500 m2
上出现最低值.
当抽样面积由 25 m2增加到 2500 m2,Gleason丰
富度指数的变异系数随着抽样面积的增加呈下降趋
势,当抽样面积继续增加到 10000 m2,其变异系数
呈现小幅增加,其他 3 个指数的变异系数均随抽样
面积的增加呈单调下降的趋势(图 4).
2􀆰 3  不同层次群落物种多样性
由图 5 可以看出,样地中不同抽样面积下乔木
层 4个多样性指数值均大于灌木层,说明乔木层物
种较为丰富.乔木层与灌木层的 Gleason 丰富度指数
随抽样面积的增加而减少,由 25 m2增加到 400 m2
时 Gleason丰富度指数急剧减少,随后趋于缓慢.不
同层次的 Shannon指数与 Simpson 指数在不同面积
上的变化较为一致,由 25 m2增加到 400 m2时均表
现为明显的上升趋势.在较大尺度上(≥1600 m2),
Shannon指数保持着匀速的增加趋势,而 Simpson 指
数趋于平缓.不同层次的 Pielou 指数随抽样面积的
增大表现出不稳定增加的趋势,由 25 m2增加到 400
m2时,增加趋势较显著,由 400 m2增加到 2500 m2
时,保持匀速上升,但当抽样面积继续扩大到 10000
m2时,增加趋势更明显.
3  讨    论
3􀆰 1  尺度与物种多样性
时空尺度是生态学中重要的研究问题之一,其
主要是因为生态格局和过程与尺度密切相关,不同
的取 样 尺 度 会 得 出 不 同 的 定 性 或 定 量 结
果[15,19,27,35-37] .了解取样尺度与物种多样性之间的
关系,有助于更好地认识群落的结构、格局、构建过
程及其组织方式,为探究物种共存或物种多样性的
形成和维持机制提供重要基础[17,28,37] .
本研究表明,辽东山区次生林 4 hm2样地中,物
种多样性指数的方差和变异系数随着抽样面积的变
化存在差异,其中,Simpson 指数和 Shannon 指数的
方差随着抽样面积的增加而表现出一致的下降趋
势,Pielou均匀度指数的方差随着面积的增加表现
出不稳定的变化,而在常绿阔叶林 20 hm2样地中,3
个指数的方差都随着取样尺度的增加而表现出单
99127期                          邓莉萍等: 辽东山区次生林物种多样性的空间分布及尺度效应           
图 2  4个物种多样性指数在 6个取样尺度上的空间分布
Fig.2  Spatial distribution of four species diversity indices at six sampling scales.
A: Gleason指数 Gleason index; B: Simpson指数 Simpson index; C: Shannon指数 Shannon index; D: Pielou指数 Pielou index. Ⅰ: 5 m×5 m; Ⅱ:
10 m×10 m; Ⅲ: 20 m×20 m; Ⅳ: 40 m×40 m; Ⅴ: 50 m×50 m; Ⅵ: 100 m×100 m. 下同 The same below.
峰型的变化特征,且均在 80 m×100 m 尺度上达到
最大值[28],导致这一显著差异的原因可能是样地大
小、取样尺度和各植物种群在某一取样面积内的分
布状态.Gleason 丰富度指数的方差随尺度形成峰型
曲线并在 10 m×10 m尺度出现最大值,类似的峰型
曲线在热带雨林[39] 、温带森林[27]和常绿阔叶林[17]
0022 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 3  4个物种多样性指数在 6个抽样面积上的方差
Fig.3  Variances of four diversity indices at six sampling areas.
图 4  4个物种多样性指数在 6个抽样面积上的空间变异系数
Fig.4  Coefficients of variation of four diversity indices at six sampling areas.
中也存在,但其最大值分别出现在 250 m×250 m、
125 m×125 m和 25 m×25 m尺度上.相反,4 个指数
的变异系数从小面积到大面积的变化呈现下降趋
势,表明小尺度比大尺度有更高的可变性[20] .原因
可能是 Simpson指数、Shannon指数和 Pielou 指数的
基础数据为多度,Gleason丰富度指数的基础数据为
丰富度,而多度在大尺度上具有累积的平均化的特
点,丰富度随着尺度的增加不累加,进而造成信息丢
失,导致 4个指数的空间变异随尺度的变化存在差
异.此外,由于变异系数是方差和均值的比值[39],因
此,有研究认为变异系数比方差更可靠,特别是计算
统计推理的研究[39] .
3􀆰 2  群落生境与物种多样性
物种多样性空间格局随尺度的变化其空间变异
发生急剧变化.影响物种多样性空间分布的因素主
要有取样区域、取样面积、人为活动干扰、生境异质
10227期                          邓莉萍等: 辽东山区次生林物种多样性的空间分布及尺度效应           
图 5  6个抽样面积上乔木层和灌木层的多样性指数
Fig.5  Diversity indices of tree layer and shrub layer at six sampling areas.
性以及生物区系等[27] .在辽东山区次生林中,植被
类型、人为干扰、地形等均影响本研究中的 4 个指
数.假设辽东山区次生林群落各种群在某一取样面
积内均呈现随机或规则分布,那么物种多样性的空
间变异就不会随尺度的变化而变化.辽宁东部山区
海拔为 252~ 1116 m,坡度为 30° ~ 55°,地形起伏较
大,生境的异质程度相当高,环境因子(光照、温度、
水分和土壤养分等)会随着地形的变化产生较高的
空间变异[28] .本研究中,4 hm2次生林样地海拔为
685.5~780.5 m,最大高差 95 m,且地形起伏明显,
石槽和石沟等小生境类型分布不均匀且复杂多变,
导致土壤水分和养分、光照、微气候等生境因子在空
间上复杂多样且分布不均匀,最终导致该群落植物
组成和种群密度在空间分布上存在明显差异.在辽
东山区次生林群落的构建过程中,生境异质性发挥
着重要作用,由多度和丰富度得出 4 个指数的空间
分布特征与生境异质性同样有密切的关系.因此,了
解辽东山区次生林群落物种多样性在尺度上的空间
分布,还需进一步研究各种群的生态需求和生境异
质性之间的关系.
3􀆰 3  植物生长型与物种多样性
揭示群落外貌特征和垂直结构的重要指标为植
物生长型,不同生长型的多样性有助于正确反映群
落组成、结构、功能和动态方面的立体分异[40] .一个
特定地带性气候区内植物群落的垂直层次结构的影
响因素较多,包括群落的海拔、坡向、坡度等物理微
环境以及生活史等.因此,在特定群落内,各个群落
植物生长型的多样性变化受微环境和建群种自身发
育特性的影响而各具特点.本文基于群落的结构特
征对乔木层和灌木层的物种多样性进行分析.从空
间结构上来说,这 2 类生长型是辽东山区次生林木
本植物群落 2个最主要的层次.
通过对辽东山区次生林群落不同层次的木本植
物多样性的研究发现,物种多样性不仅随群落垂直
结构改变,而且随取样尺度变化.其中,辽东次生林
群落中乔木层的指数值总是高于灌木层,原因是该
次生林群落的乔木层郁闭度较大,上层林冠紧密,透
光度较弱,林内光线较暗,导致灌木层树种相对
较少.
3􀆰 4  不同多样性指数的比较
在辽东山区次生林木本植物多样性的测定中,
所采用的 4个多样性指数可以明确反映物种数量及
各物种个体数量的变化,且每个多样性指数都有其
不同于其他指数的含义.在物种多样性研究中,
Shannon多样性指数在群落类型、物种个体密度和
生境差异等方面的反映结果较好,Simpson优势度指
数是反映群落优势度的较好指标[41],而在 Shannon
多样性指数基础之上的 Pielou均匀度指数受物种丰
富度的影响,即对样方面积的大小较敏感[2] .
本文选用的 Gleason 丰富度指数是以物种数目
与所研究样方的面积关系来测度该群落物种的丰富
程度,基于物种个体数(多度)的 Pielou 均匀度指数
2022 应  用  生  态  学  报                                      27卷
反映群落中物种个体数量的分配特征,用 Shannon
多样性指数综合反映群落物种数量和个体数量,以
Simpson优势度指数揭示群落物种多样性的结构和
动态[14] .这 4 个常用的物种多样性指数在本研究中
随取样尺度的变化呈现不连续性.其中,在用方差和
变异系数来描述物种多样性指数的空间变异时,
Shannon指数的方差随取样尺度的变化趋势缓于
Simpson指数,其原因是 Shannon指数考虑了群落中
物种个体数量上的绝对差异(图 5).这表明,本研究
区适合选用 Shannon指数.因此,在选用物种多样性
指数时,应根据研究对象和目的来确定合适的物种
多样性指数,以期客观完整地反映群落生物多样性
的现状.
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作者简介  邓莉萍,女,1989年生,硕士研究生. 主要从事森
林生态学研究. E⁃mail: 923924341@ qq.com
责任编辑  孙  菊
邓莉萍, 白雪娇, 秦胜金, 等. 辽东山区次生林物种多样性的空间分布及尺度效应. 应用生态学报, 2016, 27(7): 2197-2204
Deng L⁃P, Bai X⁃J, Qin S⁃J, et al. Spatial distribution and scale effect of species diversity of secondary forests in montane region of
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4022 应  用  生  态  学  报                                      27卷