全 文 ：辽西低山丘陵区生态系统退化程度的定量确定 3
杜晓军 3 3 　姜凤岐　沈　慧　林鹤鸣　(中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 110016)
郭　浩　王世忠　(辽宁省干旱地区造林研究所 ,叶柏寿 122400)
Quantitative measurement on degradation degree of ecosystem in hilly region of western Liaoning Province. DU Xi2
aojun, J IAN G Fengqi , SHEN Hui , L IN Heming ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences ,
S henyang 110016) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2001 ,12 (1) :156～158.
Exactly measuring the degradation degree of ecosystems is the basis and precondition of restoring ecosystems. At pre2
sent ,degradation degree is usually analyzed qualitatively. In this paper ,quantitative classification method was used to
study the degradation degree of ecosystem in hilly region of western Liaoning ,which was measured by the degradation
degree of habitat . The result shows that the habitat in the northern slope of mountains has been degraded to certain
stage between shrubbery and pioneer tree forest ,which provides theoretical basis for vegetation restoration practice.
Moreover ,the result is beneficial for studying the degradation degree of ecosystems in other regions or of other types.
Key words 　Ecosystem , Degradation degree , Chinese pine , Western Liaoning Province.
文章编号 　1001 - 9332 (2001) 01 - 0156 - 03 　中图分类号 　Q146 　文献标识码 　A
　　3 国家“九五”重点科技攻关项目 (962007201206) .
　　3 3 通讯联系人.
　　2000 - 05 - 31 收稿 ,2000 - 06 - 30 接受.
1 　引 　　言
恢复和重建辽宁省西部低山丘陵区退化生态系统一直是
科研、管理和生产部门共同关注的焦点 ,很多学者从立地类型
划分、树种抗旱性、混交树种的选择等方面做了大量的研
究[4 ,6 ,8 ,9 ,11 ] ,而从生态系统演替的角度出发却研究得不够 ,本
研究旨在尝试引入数量分类方法 ,用生境退化程度来定量地刻
划生态系统的退化程度 ,以期对本区无林地植被恢复以及现有
油松纯林的经营改造提供理论依据.
2 　研究地自然概况与研究方法
211 　自然概况
辽宁省西部地区位于 118°50′20″～120°15′E ,40°24′25″～
42°34′20″N ;地貌特点是山地、丘陵、河谷相间分布 ,海拔一般在
400～1200m 之间. 本区属半干旱季风气候区 ,年均温为 7. 1～
8. 2 ℃,年降水量 400～600mm ,年蒸发量为 1600mm. 土壤以淋
溶褐土和褐色性土为主 ,干旱瘠薄. 在中国植被区划 [5 ]中辽西
的植被区系属于暖温带落叶阔叶林区域 ,冀辽山地丘陵油松
( Pinus tabulaef ormis ) 、辽东栎 ( Quercus liaotungensis ) 、槲栎
( Quercus aliena) 林区. 地带性植被为油松落叶阔叶混交林 ,是
我国华北的暖温带落叶阔叶林向东北延伸的边缘 ,组成这个地
带性植被的主要建群种有油松、蒙古栎 ( Q . mongolica) 、辽东
栎、槲栎等[5 ] . 辽西地区森林群落自然演替过程[3 ]一般要相继
经过次生裸地阶段、草本植物群落阶段、灌丛群落阶段、乔木群
落阶段 (先锋乔木林阶段、落叶阔叶林阶段和油松落叶阔叶林
阶段) .
212 　研究方法
共选择天然次生林 (南刘杖子林场) 标准地 4 块 :松栎林
( T2SL) 、油松林 ( HT) 、栎林 ( T2L) 和山杨栎林 ( T2YL) 各 1 块 ,
人工油松林 7 块 :牛河梁 3 块 (LN0 ,LN1 ,LN2 ) 、欺天林场 3 块
(LQ0 ,LQ1 ,LQ2) 、无林地 1 块 (CK) ,各标准地概况见表 1.
取样土层分别为 0～10、10～20、20～30cm ,每块标准地的
每个土层的样品为 3 个取样点的混合样 ;土壤养分含量和 p H
值的测定用土样为风干土 ,土壤微生物分析土样 (0～10cm) 为
鲜土. 土壤含水量 (两个干季) 采用烘干法. 土壤 p H 值测定
(p HS23 型酸度计) 采用电位法 [1 ] . 有机质测定采用油浴加热2
K2Cr2O7 容量法 ,全 N 测定采用开氏法[1 ] . 细菌计数用牛肉汁
蛋白胨琼脂平板表面涂抹法 ,真菌计数用马丁氏培养基平板表
面涂抹法 ,放线菌计数用淀粉铵盐培养基平板表面涂抹法 [10 ] .
本研究尝试引用聚类分析方法对生态系统退化程度进行
定量刻划. 聚类分析[2 ,7 ]是多元分析的一个分支 ,主要是根据分
类对象的数量指标 ,定量地确定这些分类对象之间的亲疏关
系 ,并根据其相似或相异程度进行分类. 其原则是同一类中的
个体有较大的相似性 ,不同类中的个体差异很大. 本研究选用
分层聚类分析 ( Hierarchical Cluster) 子模块 ,聚类法 (定义、计算
两项间距离和相似性的方法) 采用组间连接法 (Between2groups
linkage) ,测度方法 (对距离和相似性的测度方法) 选择欧氏距
离平方 ( Squared Euclidean Distance) 即两项之间的距离是每个
变量值之差的平方和 ,标准化处理选用“Range 0 to 1”即把数值
标准化到 0～1 的范围内 ,具体原理和方法参见文献 [ 2 ,7 ] . 本
研究的聚类分析采用 SPSS软件在微机上进行数据处理.
研究采用以空间代替时间的方法 ,选择的几种天然次生林
类型分别代表着辽西低山丘陵区阴坡森林群落的不同演替系
列 ;通过对各种类型生态系统的主要生态因子指标的聚类分析
来确定现有油松人工林及未造林地的立地退化的程度 (在植
应 用 生 态 学 报 　2001 年 2 月 　第 12 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2001 ,12 (1)∶156～158
表 1 　聚类分析的各类标准地概况
Table 1 General information of every plot for cluster analysis
标准地
Plot
树种组成
Species
坡　向
Slope
direction
坡　位
Slope
location
坡　度
Slope
degree
(°)
土　厚
Soil
thickness
(cm)
土壤 p H
Soil p H
林　龄
Stand
age
(yr. )
平均胸径
Average
DBH
(cm)
平均树高
Average
tree hight
(m)
郁闭度
Canopy
density
密　度
Stand
density
(plant·hm - 2)
LQ0 10 油松1) 西北 NW 中 M 13 28 7. 15 33 7. 07 4. 67 0. 68 2805
LQ1 10 油松1) 西北 NW 上 U 11 26 7. 01 30 7. 30 4. 48 0. 62 3996
LQ2 10 油松1) 西北 NW 下 D 13 39 7. 18 33 7. 58 5. 10 0. 50 2870
CK - 西 W 中 M 15 25 7. 05 - - - - -
LN0 10 油松1) 西 W 中 M 12 32 7. 18 32 7. 61 4. 49 0. 52 2441
LN1 10 油松1) 东北 NE 上 U 10 23 7. 02 30 6. 78 4. 39 0. 56 2245
LN2 10 油松1) 北 N 下 D 14 35 7. 83 32 7. 42 4. 65 0. 53 2218
T2YL 7 杨 2 栎2) 西北 NW 上 U 12 52 7. 19 28 3 7. 91 6. 23 0. 48 1519
T2L 10 栎3) 西北 NW 中 M 10 > 70 7. 02 31 9. 81 8. 34 0. 72 2725
HT 10 油松1) 东北 NE 中 M 25 > 70 7. 21 46 3 3 12. 4 7. 4 0. 77 1633
T2SL 5 栎 3 松4) 西北 NW 上 U 20 > 70 7. 34 75 3 3 18. 4 12. 1 0. 48 1389
1) 10 Chinese pine ; 2) 7 Populus davidiana 2 Quercus ; 3) 10 Quercus ; 4) 5 Quercus 3 Chinese pine. 3 山杨平均木年龄Average age of Populus davidi2
ana ; 3 3 油松上层木平均年龄 Average age of overstory Chinese pine.
被自然演替系列中的位置) ,经过聚类 ,若对象林分或造林地的
立地条件与哪类系统的立地更相似 (在聚类分析中距离最近) ,
则认为其已经退化到了演替中的这一系列 ,同时也认为该林分
或无林造林地支持这一类森林生态系统的存在 ,从而为人工植
被恢复提供样板.
3 　结果与分析
　　参与聚类的各指标为 :土层厚度、土壤有机质 (0～30cm 平
均值) 、土壤全 N (0～30cm 平均值) 、土壤旱季含水率 (0～30cm
平均值) 、土壤微生物总数量 (0～10cm 平均值) . 对 11 块标准
地 (类型)的生态因子指标进行聚类分析 ,得到欧氏相异系数平
方矩阵 (表 2)和树状聚类图 (图 1) . 由图 1 可知 ,若以聚类距离
为 4 的水平 ,可以把 14 块标准地分为 4 类 :其中天然松栎林单
独为一类 ,一般认为松栎混交林是辽西地区的地带性顶极 ,从
聚类图和欧氏相异系数平方矩阵以及所测定的主要生态因子
指标上均可有非常明显的反映 ,松栎林各指标的状况显著地好
于其它林分或标准地 ,其它类型都与松栎林有一定距离 ,这个
距离综合反映了它们在生态系统演替 (退化)中的位置.
第 2 类是由南刘杖子林场的天然栎林和天然油松林组成
的一类 ,由聚类图和相似系数矩阵可以看出 ,天然栎林与天然
油松林的 (综合)生境明显比地带性顶极松栎林的差 (相异系数
分别为 0. 665、0. 655) ,故本文称其为亚演替顶极 ,二者间的生
境条件较接近 (相异系数为 0. 005) .
第 3 类是天然杨栎林单独为一类 ,在辽西地区一般山杨林
被认为是由灌木林向地带性顶极松栎林过渡的一个演替类型 ,
从聚类图和相似矩阵上也可以看出 ,杨栎林的综合生境条件与
松栎林之间有很大距离 (相异系数为 2. 029) ,并且比亚演替顶
极栎林和油松林明显地差 (相异系数分别为 01727、01731) . 该
结果进一步证实了山杨林在辽西植被演替中的位置.
第 4 类是包括牛河梁和欺天林场坡地的人工油松林标准
地 6 块和无林地 1 块 ,两地 (坡地) 的立地环境很相近 ,该类立
地条件在辽西植被的自然演替中对应于哪一个系列 ,直接关系
到应如何确定对现有油松人工林的经营目标以及应该采取何
种的经营管理措施. 由图 1 分析可见 ,该立地综合条件已经发
生了显著退化 ,完全不是当地地带性顶极松栎林所对应的立地
(与松栎林之间的平均相异系数为 3. 919) ,在如此退化的立地
上选择以油松为主栽树种 ,油松生长状况不佳是很正常的 ,现
有的大量油松小老树正是其对现有立地条件的综合反映和指
示 ;从聚类图和相异系数上可以看出 ,该立地已不是亚演替顶
极 (栎林和油松林)所对应的立地条件 ;它与杨栎林立地的亲缘
关系最近 ,在聚类距离为 7. 0 水平时 ,而与杨栎林聚为一类 ,同
时也说明了它与杨栎林的立地也有一定差距 (相异系数平均为
0. 509) . 因此认为 ,该类立地处于由灌木林向先锋乔木林过渡
的某一系列.这个演替系列位置的确定非常重要 ,为恢复对策以
及经营管理措施的选择提供了理论依据. 当然在这一类中 ,立地
条件并不是完全一致的. 从图 1 可以看出 ,该类又有所分化 ,在
聚类距离为 2. 5 水平时标准地 LN1 和 CK 被分了出来 ,表
明在水土流失相对严重的牛河梁地区坡上腹的立地比较差 ,
表 2 　各标准地相异系数矩阵
Table 2 Dissimilarity matrix of every plot
1 :LQ0 2 :LQ1 3 :LQ2 4 :CK 5 :LN0 6 :LN1 7 :LN2 8 : T2YL 9 : T2L 10 : HT 11 : T2SL
1 :LQ0 0
2 :LQ1 0. 008 0
3 :LQ2 0. 059 0. 088 0
4 :CK 0. 281 0. 207 0. 403 0
5 :LN0 0. 075 0. 053 0. 110 0. 094 0
6 :LN1 0. 244 0. 171 0. 379 0. 006 0. 088 0
7 :LN2 0. 079 0. 063 0. 075 0. 140 0. 009 0. 131 0
8 : T2YL 0. 371 0. 432 0. 147 0. 920 0. 457 0. 885 0. 349 0
9 : T2L 1. 684 1. 798 1. 252 2. 534 1. 842 2. 482 1. 653 0. 727 0
10 : HT 1. 690 1. 815 1. 259 2. 597 1. 875 2. 543 1. 687 0. 731 0. 005 0
11 : T2SL 3. 518 3. 667 2. 984 4. 917 3. 942 4. 762 3. 643 2. 029 0. 665 0. 655 0
7511 期 　　　　　　　　　　　　　　杜晓军等 :辽西低山丘陵区生态系统退化程度的定量确定 　　　　　　　　　
图 1 　各标准地聚类分析树状图
Fig. 1 Cluster dendrogram of every plot .
与长期水土流失得不到有效控制有关. 无林地在所有这些立地
中的条件最差 ,因而对该类生态系统恢复与重建时所采取的对
策应有所区别 ;在聚类距离为 1. 5 的水平时 LQ2 又被划分了出
来 ,说明欺天林场坡下腹的油松人工林立地条件相对 (相对于
第 4 类的平均水平)要好些.
4 　结 　　语
本研究利用分层聚类方法初步确定了辽西低山丘陵区阴
坡生态系统的退化程度 ,结果表明 ,该生态系统已经退化到了
灌木林和先锋乔木林之间的一个系列. 这为植被生态系统的恢
复与重建提供了理论依据. 研究中 ,采用一种以空间代替时间
的方法 ,即在没有长期定位研究情况下的一种被动选择 ,因而
它同时也从另一个角度反映了对生态系统 (特别是关键地区的
生态系统)的长期持续的定位研究的重要性.
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作者简介 　杜晓军 ,男 ,1971 年生 ,在读博士生 ,主要从事防护
林生态与经营、植被恢复生态学等研究 ,发表论文 10 多篇. E2
mail :dxjzh @yahoo. com
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