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Spatial pattern analysis and associations of Quercus aquifolioides population at different growth stages in Southeast Tibet, China.

藏东南川滇高山栎种群不同生长阶段的空间格局与关联性


运用点格局分析方法中Ripley L函数,对藏东南川滇高山栎种群不同生长阶段的空间格局及其关联性进行分析.结果表明: 藏东南川滇高山栎种群径级结构呈单峰型,小树与中树的数量在整个种群中占绝对优势,整个种群自然更新状况良好,属增长型种群.川滇高山栎种群在从小树发育到大树的过程中,小树、中树在小尺度上均呈明显的聚集分布,而大树在整个尺度上基本上呈随机分布.小树与中树、大树间在小尺度上有显著的相关性,而中树与大树不相关.川滇高山栎种群在从小树、中树发育到大树的过程中,其空间格局由聚集分布到随机分布.川滇高山栎种群的自然更新受种间竞争的影响,也受种内竞争的影响.在自然环境条件相似下,影响川滇高山栎种群分布格局的最主要因素是其自身的生物、生态学特性.

This article analyzed the spatial pattern and its correlation of Quercus aquifolioides, Southeast Tibet at different growing stages by using Ripley’s L function in the method of point pattern analysis. The results showed the diameter structure of Q. aquifolioides population in Southeast Tibet followed a  ‘single peak’ shape and the saplings and medium trees predominated in number in the whole population. The population had a high regeneration rate and was of increase type. In the growth process of Q. aquifolioides from saplings to large trees, saplings and medium trees showed aggregation distribution at small scale, while large trees showed basically random distribution at whole scale. There was significant correlation between saplings with medium or large trees at small scale, however, there was no correlation between medium and large trees. In the growth process of Q. aquifolioides population from saplings, medium trees to large trees, its spatial pattern developed from aggregative distribution to random distribution. The natural regeneration of Q. aquifolioides population was affected not only by interspecific competition, but also by intraspecific competition. In the similar natural environment, the most important factors affecting the spatial pattern of Q. aquifolioides population were its own biological and ecological characteristics.


全 文 :藏东南川滇高山栎种群不同生长阶段的
空间格局与关联性
沈志强1  华  敏2  丹  曲1  卢  杰1∗  方江平1
( 1西藏大学农牧学院, 西藏林芝 860000; 2武汉大学资源与环境科学学院, 武汉 430079)
摘  要  运用点格局分析方法中 Ripley L函数,对藏东南川滇高山栎种群不同生长阶段的空
间格局及其关联性进行分析.结果表明: 藏东南川滇高山栎种群径级结构呈单峰型,小树与中
树的数量在整个种群中占绝对优势,整个种群自然更新状况良好,属增长型种群.川滇高山栎
种群在从小树发育到大树的过程中,小树、中树在小尺度上均呈明显的聚集分布,而大树在整
个尺度上基本上呈随机分布.小树与中树、大树间在小尺度上有显著的相关性,而中树与大树
不相关.川滇高山栎种群在从小树、中树发育到大树的过程中,其空间格局由聚集分布到随机
分布.川滇高山栎种群的自然更新受种间竞争的影响,也受种内竞争的影响.在自然环境条件
相似下,影响川滇高山栎种群分布格局的最主要因素是其自身的生物、生态学特性.
关键词  川滇高山栎; 点格局分析; 分布格局; 空间关联性
Spatial pattern analysis and associations of Quercus aquifolioides population at different
growth stages in Southeast Tibet, China. SHEN Zhi⁃qiang1, HUA Min2, DAN Qu1, LU Jie1∗,
FANG Jiang⁃ping1 ( 1College of Agricultural and Animal Husbandry Tibet University, Linzhi 860000,
Tibet, China; 2School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430079,
Hubei, China) .
Abstract: This article analyzed the spatial pattern and its correlation of Quercus aquifolioides,
Southeast Tibet at different growing stages by using Ripley’s L function in the method of point pat⁃
tern analysis. The results showed the diameter structure of Q. aquifolioides population in Southeast
Tibet followed a ‘single peak’ shape and the saplings and medium trees predominated in number in
the whole population. The population had a high regeneration rate and was of increase type. In the
growth process of Q. aquifolioides from saplings to large trees, saplings and medium trees showed
aggregation distribution at small scale, while large trees showed basically random distribution at
whole scale. There was significant correlation between saplings with medium or large trees at small
scale, however, there was no correlation between medium and large trees. In the growth process of
Q. aquifolioides population from saplings, medium trees to large trees, its spatial pattern developed
from aggregative distribution to random distribution. The natural regeneration of Q. aquifolioides pop⁃
ulation was affected not only by interspecific competition, but also by intraspecific competition. In
the similar natural environment, the most important factors affecting the spatial pattern of Q. aquifo⁃
lioides population were its own biological and ecological characteristics.
Key words: Quercus aquifolioides; point pattern analysis; distribution pattern; spatial association.
本文由国家科技支撑计划重点项目(2013BAC04B01)资助 This work
was supported by the National Key Technology Support Program
(2013BAC04B01).
2015⁃06⁃29 Received, 2015⁃12⁃11 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: tibetlj@ 163.com
    空间格局是植物种群的重要特征,是种群自身
特性、种间关系及环境条件综合作用的结果[1] .对植
物种群空间格局的研究是生态学研究的热点[2],空
间格局对于认识植物种群的生态过程、种内与种间
关系以及植物种群与生境的相互关系具有重要意
义[3-4] .不同植物种群的格局类型对于种群利用环境
资源的状况具有重要意义,其能够揭示植物种群的
生物学特性[5-6] .点格局分析法是以植物个体的空间
应 用 生 态 学 报  2016年 2月  第 27卷  第 2期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2016, 27(2): 387-394                    DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201602.032
坐标为基础,把每个个体看作二维空间的一个点,这
样所有个体就组成了空间分布点图,然后再以点图
为基础进行格局分析.其优点是能最大限度地利用
点与点之间的距离,能够提供全面的空间格局信息,
还能够最大限度地利用坐标图的信息,具有较强的
检验能力.因此,点格局分析在生态学种群空间格局
分析方面得到了广泛的应用.张金屯[7]首先将点格
局分析方法引入国内,推动了我国对植物种群空间
分布格局的研究[8] .运用点格局分析研究森林种群
的空间分布格局及其关联性能够多尺度地理解植物
种群的生态学特性及其过程,对于揭示种群的更新
和维持机制具有重要意义[7,9-11] .
川滇高山栎(Quercus aquifolioides)为中国特有
植物,属亚高山硬叶栎林,其广泛分布于中国大陆的
云、贵、川、藏等地,常生长在山坡向阳处或高山松
(Pinus densata)林下,其也是藏东南地区主要的植
物种群之一[12],并且在不同生境中表现出显著的表
形分化特征[13] .川滇高山栎在保护生物多样性、涵
养水源与水土保持等方面具有重要的生态价值.目
前,对川滇高山栎的研究多集中在形态结构[14]、生
理特征和繁殖特性[15-16]及其与环境的关系[14,17]等
方面.本文采用点格局分析法分析了藏东南地区川
滇高山栎种群不同生长阶段的空间分布格局类型及
其空间关联性,为促进地区森林资源的可持续利用
及充分发挥其生态价值提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
工布自然保护区位于西藏东南 ( 28° 39′—
30°20′ N,92° 54′—94° 54′ E),海拔 3500 m,面积
21558.16 km2,是我国目前面积最大、保存最完好的
原始天然林生态系统,保护区内物种资源和生物多
样性丰富,珍稀濒危种较多[18] .本研究区位于工布
自然保护区内的鲁朗镇(29°44′13″—29°44′16″ N,
94°43′2″—94°43′25″ E),海拔 3450 m,该区属于高
原温带半湿润气候,受季风气候影响,干湿季明显,
春夏季节多雨,秋冬干燥少雨,年降水量 700 mm,主
要集中在 6—9 月,年相对湿度 50% ~ 70%,年均气
温>7 ℃,7月均温 15.6 ℃,1月均温-0.2 ℃,极端最
高气温 29.2 ℃,极端最低气温-15.5 ℃,全年无霜期
160 d.土壤以高山草甸土、棕壤和暗棕壤为主[19-20] .
乔木层植物主要有川滇高山栎、高山松、白桦(Betu⁃
la platyphylla)、糙皮桦(B. utilis),个别林下有林芝
云杉(Picea likiangensis var. linzhiensis)和急尖长苞
冷杉(Abies georgei var. smithii)幼苗;灌木层植物主
要有西南花楸( Sorbus rehderiana)、林芝杜鹃(Rho⁃
dodendron nyingchiense)、柳叶忍冬( Lonicera lanceo⁃
lata)、云南锦鸡儿(Caragana franchetiana)、短柱金
丝桃(Hypericum hookerianum)、峨眉蔷薇(Rosa seri⁃
cea var. omeiensis)等;草本层植物主要有五裂蟹甲
草(Parasenecio quinquelobus)、宽叶兔儿风(Ainsliaea
latifolia)、白花酢浆草(Oxalis acetosella)、桃儿七(Si⁃
nopodophyllum hexandrum)、高山露珠草(Circaea al⁃
pina)、西藏野豌豆(Vicia tibetica)、西藏须芒草(An⁃
dropogon munroi) 等.另有藤本植物西藏铁线莲
(Clematis tenuifolia)等.
1􀆰 2  研究方法
2014年 6—8月,在川滇高山栎分布较为集中
的海拔范围设置 4块 50 m×50 m 固定监测样地,用
全站仪(南方测绘 NTS⁃300R)将 4 个样地划分为
100个 10 m×10 m 小样方,对样方内川滇高山栎个
体进行每木检尺,测定并记录树高、胸径、株数等数
据(表 1).将每个样地的西南角作为原点,对样方内
的川滇高山栎个体进行定位,测定并记录其坐标位
置(x,y).
1􀆰 3  数据处理
1􀆰 3􀆰 1种群径级结构划分   有研究表明,同一环境
同一树种的龄级和胸径级对环境的反应规律具有一
致性[21],因此以胸径(DBH)作为表征其年龄的指标
来反映川滇高山栎的生长阶段.根据实地调查数据
的特点,将胸径在 5 cm以下的川滇高山栎划分为Ⅰ
径级,以 5 cm为步长增加一级,将研究区内川滇高
山栎种群划分为 13 个径级(Ⅰ~XIII),统计了各个
样地内各径级株数.将研究区内川滇高山栎种群划
分为 3个不同的生长阶段,即小树(Ⅰ~Ⅱ级)、中树
(Ⅲ~Ⅳ级)和大树(Ⅴ~ XIII 级).采用点格局分析
法,分析不同生长阶段个体的空间分布格局及其空
间关联性.
1􀆰 3􀆰 2 种群空间格局分析  采用Ripley[22]提出的点
表 1  样地基本情况
Table 1  General situation of sampling sites
样地
Plot
海拔
Altitude
(m)
种群密度
Population
density
(株·hm-2)
平均树高
Average
height
(m)
平均胸径
Average
DBH
(cm)
a 3402 1552 6.1±3.3 8.2±5.0
b 3429 1348 7.4±3.9 10.3±7.3
c 3456 1352 10.8±5.6 13.9±6.3
d 3510 624 10.5±4.9 16.2±8.8
883 应  用  生  态  学  报                                      27卷
格局分析方法分析植物种群,即:Ripley L 函数,
K^( r)值能够反映植物种群在空间上的分布格局,其
公式如下:
K^( r) = An -2∑

i = 1


j = 1
Wij
-1Ir(uij),( i ≠ j) (1)
式中:A为样地面积;n 为样地中某一植物种群的个
体总数;uij为点 i到 j的距离;r为空间尺度;当 uij≤r
时,Ir = 1,否则 Ir = 0;Wij是以 i 作圆心、以 uij为半径
的圆落在面积 A中的弧长与整个圆周的比值,可以
校正边界效应引起的误差.
在实际应用中,把公式(1)简化为公式(2),用
L^( r)代替 K^( r):
L^( r)= K^( r) / π -r (2)
式中:当 L^( r)= 0时,表示随机分布;当 L^( r) >0 时,
表示聚集分布;当 L^( r)<0时,表示均匀分布.
为了提高分析种群空间分布格局的精度,通过
Monte⁃Carlo随机模拟 1000 次,得到 99%的置信区
间,L^( r)= 0 的最大值和最小值分别确定为上下包
迹线的坐标值.以 r为横坐标,以上下包迹线为纵坐
标作图.利用种群实际分布的数据进行计算,得出不
同尺度下 L^( r)值.在包迹线以上,为聚集分布;在包
迹线以下,为均匀分布;在包迹线以内,为随机分
布[23] .
1􀆰 3􀆰 3不同龄级空间关联分析  对 2个种群之间关
系的分析实质是对两者的点格局分析,或者叫做多
元点格局分析.其计算公式如下:
K^1,2(r) = A(n1n2)
-2∑
n1
i = 1

n2
j = 1
Wij
-1Ir(uij)  (i≠ j)
(3)
式中:n1、n2分别为 2 个物种的个体数量;i、j 为种 1
和种 2的个体; uij、Wij、A的含义同公式(1).将公式
(3)简化,计算 L^1,2( r)的值:
L^1,2( r)= k^1,2( r) / π -r (4)
式中:当 L^1,2( r) >0 时,两者呈正关联;当 L^1,2( r) <0
时,两者呈负关联;当 L^1,2( r)= 0时,两者无关联.
采用 Monte⁃Carlo 随机模拟方法拟合计算检验
上下包迹线,以确定不同物种间是否具有空间关联
性.L^1,2( r)在包迹线内,表示 2 个物种无关联;在包
迹线上,表示 2个物种呈正关联;在包迹线下,表示
2个物种呈负关联.
数据处理利用 ADE4软件完成[24],采用的空间
尺度为 25 m,步长为 1 m,通过 1000 次 Monte⁃Carlo
模拟得到 99%的置信区间[25] .利用 Excel 2013 和
Origin 9.0软件作图.
2  结果与分析
2􀆰 1  川滇高山栎种群结构
2􀆰 1􀆰 1种群组成结构   从图 1 可以看出,样地 a 川
滇高山栎个体数量最多,而样地 d的数量最少;样地
a、b内小树数量最多,大树数量最少,表明种群自然
更新良好;而样地 c、d内的中树数量最多,小树所占
比例较低,分别为 29.0%、28.2%,表明群落的郁闭
度较高.
2􀆰 1􀆰 2种群径级结构  种群径级结构能够反映种群
的生存状态[26] .从图 2 可以看出,川滇高山栎种群
径级结构呈单峰型分布,个体主要集中在Ⅰ~Ⅳ级,
小树、中树个体数量较多,属于增长型种群.其中,样
地 a、 b 第Ⅱ级个体数量最多,分别为 656、 520
株·hm-2,样地 c、 d 第Ⅲ级个体数最多,分别为
432、1366 株·hm-2 .样地 c 内大径级个体数明显高
于其他样地,4 块样地内最大个体的 DBH 为 62.1
cm,最小个体的 DBH为 0.4 cm.
2􀆰 2  川滇高山栎种群空间分布
从图 3可以看出,样地 a 川滇高山栎种群小树
的个体数最多,密度最大,为 1084株·hm-2,而样地
d川滇高山栎种群小树密度远低于样地 a,其密度为
176株·hm-2 .4个样地内川滇高山栎个体密度大小
为:样地 a>样地 c>样地 b>样地 d,而小树的个体密
度大小顺序为:样地 a>样地 b>样地 c>样地 d.小树
基本呈聚集分布,中树和大树个体分布较分散,为随
机或均匀分布,但不能反映种群与空间尺度的关系.
川滇高山栎种群中小径级个体数占绝对主导地位,
并且随着径级增加,种群密度呈不断下降趋势,最后
整个种群达到一个稳定的生长阶段.
2􀆰 3  不同生长阶段空间分布格局
从图 4可以看出,川滇高山栎在从小树、中树到
图 1  川滇高山栎种群不同发育阶段的数量分布
Fig.1  Number distribution of Quercus aquifolioides populations
at different growth stages.
9832期                      沈志强等: 藏东南川滇高山栎种群不同生长阶段的空间格局与关联性           
图 2  川滇高山栎种群径级结构
Fig.2  Diameter class structure of Quercus aquifolioides populations.
图 3  川滇高山栎个体空间点分布
Fig.3  Point pattern of Quercus aquifolioides individuals.
S: 小树 Sapling; M: 中树 Medium tree; L: 大树 Large tree. 下同 The same below.
大树的成长过程中,其空间分布格局呈现从聚集分
布到随机分布的趋势,并且在小尺度均呈明显的聚
集分布,而随着空间尺度的增大,种群趋于随机分
布.样地 a 中,小树在所有尺度均呈明显的聚集分
布,中树在3~10 m尺度上呈明显的聚集分布,而在
其他尺度上表现为随机分布,大树在整个尺度上均
呈随机分布;样地 b中,小树在 0~19 m尺度上呈聚
集分布,20~ 25 m 尺度上呈随机分布,中树在 2 ~ 12
m尺度上呈明显的聚集分布,其他尺度均为随机分
布,大树在整个尺度上均呈随机分布;样地 c 中,小
树在 1 ~ 8 m 尺度上呈明显的聚集分布,中树在 2 ~
22 m尺度上呈明显的聚集分布,而大树在整个尺度
上呈随机分布;样地 d中,小树和中树在 2~24 m尺
度上均呈明显的聚集分布,大树在整个尺度上呈随
机分布.可见,川滇高山栎种群小树、中树在小尺度
上呈明显的聚集分布,大树在整个尺度上基本呈随
机分布.
2􀆰 4  不同生长阶段的空间关联性
对种群不同生长阶段之间进行空间关联性分
析,在一定程度上能够反映种群的繁殖和时空扩散
093 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 4  不同生长阶段川滇高山栎种群的空间分布格局
Fig.4  Spatial patterns of Quercus aquifolioides populations at different growth stages.
特性[26] .对 3 个不同生长阶段川滇高山栎种群的空
间关联性进行 L( r)分析(图 5),结果表明:样地 a
中,小树与中树在 0~1和 20~25 m尺度上呈显著负
相关,小树与大树在 2 ~ 3 m 尺度上呈显著负相关,
在其他尺度无关联,而中树与大树则无明显的相关
性;样地 b中,小树与中树在 0 ~ 1 m 尺度上呈显著
负相关,在其他尺度不相关,小树与大树在 1 ~ 6 m
尺度上呈显著的负相关,在其他尺度上无关联,而中
树与大树为无关联;样地 c中,小树与大树在 0~3 m
尺度上呈显著负相关,中树与大树在 3 ~ 25 m 尺度
上为显著负相关,在 0 ~ 2 m 尺度上无关联;样地 d
中,小树与中树、小树与大树在 2~ 25 m 尺度上均呈
显著负相关,而中树与大树在 15 ~ 25 m 尺度上无显
著的相关性,在其他尺度上表现显著负相关.可见,
在小尺度上,川滇高山栎形体差异越大,负关联性
越强.
3  讨    论
有研究认为,种群的结构类型特征不仅能够反
映群落的更新类型,而且能推测群落的变化发展趋
势[27-28],其中,径级结构和尺度特征能够影响植物
种群的空间格局,在一定程度上也能反映种群的生
存状态[29] .本研究中,西藏工布自然保护区川滇高
山栎种群Ⅰ~Ⅳ级个体数量占绝对优势,特别是Ⅱ、
Ⅲ级数量最多(图 2),这表明小树与中树的数量在
整个种群中占绝对优势,整个川滇高山栎种群径级
结构呈单峰型分布,属于增长型种群.但在样地 d
中,中树与大树的数量在整个种群中占绝对优势,而
小树的数量较少,这表明样地 d 川滇高山栎种群的
自然更新状况一般,种群增长速度缓慢.这可能是因
为中树和大树在争夺资源过程中在一定程度上抑制
了小树的生长,也可能是因为在样地d存在一定数
1932期                      沈志强等: 藏东南川滇高山栎种群不同生长阶段的空间格局与关联性           
图 5  不同生长阶段川滇高山栎种群的空间关联性
Fig.5  Spatial association of Quercus aquifolioides populations at different growth stages.
量的急尖长苞冷杉及林芝云杉树种,种间的激烈竞
争抑制了川滇高山栎小树的生长.表明整个群落的
长期演替中面临着被其他更新能力较强的种群取代
的潜在风险,这与何艳华等[30]对山西霍山白桦种群
龄级结构的研究结果一致.
植物种群的空间分布格局取决于自身的生物学
特性、环境以及其间的相互作用[31-33],对于揭示种
群的动态变化规律和发展趋势具有重要作用[34] .有
研究表明,低龄树有聚集分布的趋势,而随着树木年
龄的增加,种群趋于均匀分布或随机分布[35-36] .川
滇高山栎种群的空间分布格局也符合这一规律.本
研究中,川滇高山栎种群在从小树、中树发育成大树
的过程中,小树、中树在小尺度上均呈明显的聚集分
布,而大树在整个尺度上基本上呈随机分布.其原因
可能是:一、种群早期的空间分布格局可能受种子传
播的影响,种子萌发不均匀可能导致种群空间格局
表现为聚集分布;二、小树和中树在小尺度上呈聚集
分布,能够相互庇护并以集群形式利用有利资源,能
够提高其生存与竞争,有利于维持种群自身稳
定[37];三、随着树木年龄的增加,树木对光因子和营
养元素的要求增大,种内竞争激烈,自疏作用增强,
导致林木大量死亡,种群最终趋于均匀或随机分
布[38] .
种内联结指同一物种不同生长阶段其在空间分
布上的相互关联性,其描述植物个体间的关系,能够
反映出种群的现状和种群内的相互关系[39] .植物种
群的空间关联性受植株形体大小的影响,形体差异
越大,个体间正相关性就越弱,甚至表现为负相
关[40] .因此,形体大小相近的个体,可能更有利于种
群的协调发展,形体较大的个体可能对较小个体的
生存产生不利影响,这可能与种内激烈的竞争有关.
本研究中,川滇高山栎小树与中树、大树在小尺度上
293 应  用  生  态  学  报                                      27卷
呈强烈的负关联,其原因是中树和大树对小树的更
新有强烈的抑制作用,种内竞争激烈,随着小树抵御
外界胁迫能力的增强,再加上其对空间资源及养分
需求的增加,不同龄级间的竞争会不断增强[41];中
树与大树间相互独立,可能是不同龄级间保持一定
的距离,减轻了它们对资源的争夺,有利于整个川滇
高山栎种群的健康发展;而样地 d 中,小树、中树与
大树间在整个尺度内基本呈显著的负关联,这可能
是小树、中树与大树之间空间距离较近,相互竞争造
成的,这也说明川滇高山栎种群内部竞争激烈,种群
结构不稳定,处于群落演替阶段.
竞争在植物群落演替中起着决定性的作
用[42-43],川滇高山栎小树、中树呈聚集分布,而大树
的聚集性减弱,表现为随机分布;小树与中树、大树
间基本呈负相关关系,这表明川滇高山栎种群的自
然更新不仅受种间竞争影响,种内竞争也会对群落
产生重要的影响.作为西藏工布自然保护区植被的
重要组成部分,川滇高山栎在保护生物多样性、涵养
水源与水土保持等方面具有极为重要的生态价值.
本文研究了川滇高山栎不同生长阶段种群的空间分
布格局以及种群的空间关联性,对正确认识川滇高
山栎种群的动态变化、种群与环境之间的关系具有
重要作用.但本研究还存在不足之处,所选样地较
小,并且没有研究川滇高山栎种群与其他植物的空
间格局关系.在今后的研究中,将设置并调查更大的
样地或样带,对藏东南川滇高山栎种群的空间格局
进行深入研究,并进一步研究藏东南川滇高山栎种
群与其他植物种群相互间的关系,以期能够揭示植
物种群间的维持与共存机制.
致谢  感谢高三和中国科学院地理科学与资源研究所赵彤
彤博士对论文中英文部分内容的校正.
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作者简介  沈志强,男,1989年生,硕士研究生. 主要从事生
态系统生态研究. E⁃mail: syg521hm@ 163.com
责任编辑  孙  菊
沈志强, 华敏, 丹曲, 等. 藏东南川滇高山栎种群不同生长阶段的空间格局与关联性. 应用生态学报, 2016, 27(2): 387-394
Shen Z⁃Q, Hua M, Dan Q, et al. Spatial pattern analysis and associations of Quercus aquifolioides population at different growth stages
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493 应  用  生  态  学  报                                      27卷