全 文 :书中昆仑山北坡策勒河流域生态
因素对植物群落的影响
桂东伟1,2,3,雷加强1,3,曾凡江1,3,江源4,穆桂金1,3,杨发相1,3
(1.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆 乌鲁木齐830011;2.中国科学院研究生院,北京100049;3.新疆策勒
荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站,新疆 策勒848300;4.北京师范大学资源学院,北京100875)
摘要:为探讨干旱区山地生境对植被格局的影响,以中昆仑山北坡策勒河流域为研究对象,在对海拔1960~4100
m范围内63块样方进行植被学调查的基础上,采用18个环境指标描述群落的空间位置、地形和土壤特征。利用
双向指示种分析、无偏对应分析和无偏典范对应分析,从植物种、群落与环境的生态关系方面探讨研究区的植被分
布格局,并给予合理的环境解释。为消除环境因子中存在的冗余变量,采用前向选择法及 MonteCarlo检验,筛选
出对植物群落产生显著影响(犘<0.05)的环境因子参加分析。结果表明,1)采用TWINSAN数量分类方法,将植
被划分为4个群落类型;2)对于特定的研究区域策勒河流域,制约群落类型、植物种分布格局的主要因素是海拔,
即水、热2个环境因子,同时物种丰富度随着海拔增加呈单调递增趋势;3)对群落产生显著影响的环境因子主要有
海拔、pH等6个变量。DCCA排序图明显反映出排序轴的生态意义,第1轴突出反应了群落所在环境的海拔,沿
第1轴从左到右海拔逐渐升高,各群落也沿着海拔依次分布。相比于其他区域,干旱区山地物种稀少,植被格局分
异明显,其中海拔是环境因子中对植被群落分布起决定性作用的因子,利用数量生态学方法可以有效的揭示其植
被群落同环境之间的关系。
关键词:中昆仑山;植物群落;TWINSPAN分类;DCA排序;DCCA排序;策勒
中图分类号:S181;Q948.15+8 文献标识码:A 文章编号:10045759(2010)03003809
近些年来,数量分类及排序等定量分析方法的发展,丰富了植被格局、植被与环境关系的研究手段,并被广泛
应用于群落与环境之间相互关系的研究中[1,2],尤其是在山地植被与环境关系的探讨方面[3]。在山地生态学的研
究中,通常以山地森林与灌丛植被为主进行分类与排序,探讨主要植被类型与环境的关系[47];或针对某一海拔,
对高山草甸植被特征与生境条件进行分析[810]。相比较而言,对于干旱区山地,将植被垂直带中的山地草原、草
甸等作为研究对象,尝试将日益成熟的山地生境因子量化方法应用于其中,深入探讨主要群落类型与景观尺度上
生境条件之间的关系,尚有许多工作需要开展。
昆仑山横亘于青藏高原的北缘,向北俯瞰塔里木盆地,成为这两大自然地域之间的天然分界线,长期以来倍
受中外科学家的重视[11]。一般以阿尔金断裂为界将昆仑山分为东昆仑和西昆仑[12]。在进一步区分中,将位于
77°24′~84°00′E约625km的区域界定为中昆仑[13]。中昆仑气候干旱,植物种类贫乏是该区植物区系的一个特
征,其植物种类不但远少于喜马拉雅及我国的西南山区,同时也少于我国北部的一些山区[14];草原是中昆仑北坡
植被的主体,有发育较好的草原带,而森林分布则基本没有或很少[13]。之前有关昆仑山植被的研究工作,主要是
围绕大尺度的植被带垂直分布规律[15]、植物资源[14,16]、植物区系[11,17]等几个方面展开。而针对较小尺度的植物
群落研究,运用定量的数学分析手段进行深入、细致地探讨植被分布格局与环境之间的耦合关系方面的研究尚未
见报道。
崔恒心等[13]在对中昆仑山北坡的植被调查中指出策勒县境内的草原、草甸带的水平宽度及垂直幅度范围相
对较大,同时植物物种相对丰富。因此,本试验以中昆仑山北坡的策勒河流域为重点研究区域,首先利用数量生
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2010年6月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第19卷 第3期
Vol.19,No.3
收稿日期:20090526;改回日期:20090625
基金项目:国家重点基础研究发展计划(2009CB421302),新疆科技攻关与重点科技项目(200633130),新疆科技重大专项(2007331442)和自
治区科技基础条件平台建设项目(PT0801)资助。
作者简介:桂东伟(1977),男,新疆乌鲁木齐人,在读博士。Email:guidwei@163.com
通讯作者。Email:desert@ms.xjb.ac.cn
态学方法研究该区域内植物群落的分布格局;其次根据多元分析技术的新进展,利用前向选择法(forwardselec
tion)和 MonteCarlo检验剔除出冗余环境变量,在众多环境因素中找出对植物群落组成及结构影响显著的因素,
探讨主要环境因素对植物群落的影响。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
中昆仑山北坡处于蒙古-西伯利亚的干燥反气旋控制范围内,极端大陆性气候特点非常突出,干旱少雨,夏
暖冬寒;与塔克拉玛干沙漠为邻,益发加剧了旱化程度。为此,中昆仑山北坡气候远较阿尔泰山和天山北坡干旱,
尤其低山带旱化强烈[13]。该区域内自东向西主要有尼雅河、克里雅河、策勒河、玉龙喀什河、喀拉喀什河、皮山河
等6条河流,也是塔里木盆地南缘绿洲重要的外来补给水源。
草原是中昆仑山北坡植被的主体,植物种类贫乏,这是本区气候干旱、高寒的反映,中昆仑山北坡中部的策勒
河流域也明显体现出这种特征。广义上的策勒绿洲地处80°03′24″~82°10′34″E,35°17′55″~39°30′00″N,海拔
1350~1500m是策勒绿洲的主要分布范围,1500~1960m是戈壁分布区域。绿洲及戈壁范围内降水量稀少,
年平均降水量仅35.1mm,随着海拔增高降水量逐渐增加到200~300mm[18]。沿策勒河流域,1960m以上开始
有自然植被出现,主要有山地荒漠、山地荒漠草原、山地典型草原、高寒草原等植被类型[13]。
1.2 取样
2008年7-9月对策勒河流域自然植被进行调查。从自然植被出现的1960m高程开始,以间隔垂直距离
100m设置样地。在2700m高程范围内灌木出现区域,每个样地设3个10m×10m灌木层样方,并在每个样
方内沿对角线设3个1m×1m草本样方(取平均值代表该样方草本状况);2700m以上高程均各样地随机设3
个1m×1m的草本样方,取样直至海拔4100m,4100m以上为高山流石坡。取样共涉及21个海拔,63个样
方。调查记录内容包括[19]:1)灌木种的多度、盖度和高度;2)草本植物的盖度和高度;3)群落综合特征和生境
特征,包括灌、草总盖度,海拔、坡度、坡向等;4)在每个样方中心取0~20cm深度土样,少部分置铝盒密封处理
带回实验室进行土壤水分测定;其余部分装袋带回实验室进行土壤有机质(soilorganicmatter,SOM)及粒度等
相关分析。
1.3 数据处理
对每个样方分别计算灌木和草本植物的重要值:
灌木重要值=(相对多度+相对盖度+相对高度)×100/3
草本重要值=(相对盖度+相对高度)×100/2
63个样方共记录67个种,剔除频度小于5%的物种[7,20,21],最终得到63×49的原始数据矩阵。环境数据包
括18个环境因子,即海拔、坡度、坡向、土壤水分、SOM、土壤粘粒、粉粒、沙粒体积含量、土壤pH、全盐、电导率、
HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+等,因而组成63×18的环境因子矩阵。海拔、坡度数据以取样时实际
观测记录值表示;在坡向定值时,参考王孝安[22]的转换方法,以朝东为起点(即为0°),顺时针旋转的角度表示,采
取每45°为一个区间的划分等级制方法,以数字表示各等级:1,北坡(247.5°~292.5°);2,东北坡(292.5°~
337.5°);3,西北坡(202.5°~247.5°);4,东坡(337.5°~22.5°);5,西坡(167.5°~202.5°);6,东南坡(22.5°~
67.5°);7,西南破(112.5°~167.5°);8,南坡(67.5°~112.5°)。显然数值越大,表示越向阳、越干热。
土壤水分测定通过将密封铝盒带回实验室进行105℃恒温箱中烘烤约2h后,测重获取;袋装土壤样品带回
实验室阴干后,过2mm筛后进行室内分析。SOM、pH及各离子属性采用常规方法进行测定[23]。土壤粒度测试
为取土样0.5g,加30%过氧化氢(H2O2),在72℃下去除有机质,加盐酸(HCl)去除碳酸盐;加超纯水稀释,静
置,去上清液以除酸,反复静置除酸直至pH为6.5~7.0,然后加入六偏磷酸钠(NaHMP),超声30s后用激光粒
度仪 Mastersizer2000测量土壤粒径分布特征,分别得到粘粒(0.02~2μm)、粉粒(2~50μm)、砂粒(50~2000
μm)的体积百分含量。
1.4 数据分析
应用双向指示种分析方法(twowayindicatorsspeciesanalysis,TWINSPAN)对群落进行分类,划分出该地
93第19卷第3期 草业学报2010年
区的植物群落类型;采用广泛应用的无偏对应分析(detrendedcorrespondenceanalysis,DCA)、无偏典范对应分
析(detrendedcanonicalcorrespondenceanalysis,DCCA)方法对群落进行排序,以研究群落分布格局与环境因子
的关系,并利用广义可加模型(generalizedadditivemodel,GAM)对植物物种数随海拔变化状况进行分析。
DCCA排序着重于研究区域生态梯度(环境梯度)的探讨,并对DCCA和DCA排序特征值进行比较,用于分析重
要的环境因子是否被遗漏[23]。
冗余变量是对植物群落或植物种分化特征影响不明显的环境变量,是产生“弓形效应”的重要原因[7,21]。因
此,在研究生境因子对植物群落格局分异时,为避免冗余变量影响,利用前向选择方法剔除冗余变量,并选定一组
代理变量(proxyvariable)进行分析,同时应用MonteCarlo检验(1000个置换)来检测代理变量和植物群落组成
是否存在统计意义上显著的相关关系[21,24,25]。
上述分析方法中,双向指示种分析使用 WinTwins3.2软件包实现;前向选择、GAM、DCA、DCCA排序和
MonteCarlo检验均在TerBraak编制的CANOCO4.5软件包中实现。
2 结果与分析
2.1 TWINSPAN分类
图1 中昆仑山北坡策勒河流域植被群落63个样方的
犜犠犐犖犛犘犃犖分类树状图
犉犻犵.1 犇犲狀犱狉狅犵狉犪犿狅犳狋犺犲犜犠犐犖犛犘犃犖犮犾犪狊狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳63
狇狌犪犱狉犪狋狊犻狀犆犲犾犲犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀狅犳狀狅狉狋犺狊犾狅狆犲狅犳
犕犻犱犱犾犲犓狌狀犾狌狀犕狅狌狀狋犪犻狀狊
D为样方分组;N为样方数Disthedivisionofquadrats;
Nisthenumberofquadrats
对63个样方进行 TWINSPAN 等级分类,将
TWINSPAN分类结果与实际生态意义相结合,最终
划分为4个主要植被群落类型(图1):群落Ⅰ为昆仑
沙拐枣(犆犪犾犾犻犵狅狀狌犿狉狅犫狅狉狅狏狊犽犻犻)+琵琶柴(犚犲犪狌
犿狌狉犻犪狊狅狅狀犵狅狀犻犮犪)+合头草(犛狔犿狆犲犵犿犪狉犲犵犲犾犻犻)+盐
生草(犎犪犾狅犵犲狋狅狀犵犾狅犿犲狉犪狋狌狊)群落,主要分布在海拔
1960~2800m,属于山地荒漠植被,包含样方号1~
21,23,24。草本除盐生草外主要还有石生霸王(犣狔
犵狅狆犺狔犾犾狌犿狉狅狊狅狏犻犻),雾冰黎(犅犪狊狊犻犪犱犪狊狔狆犺狔犾犾犪),白
茎盐生草(犎.犪狉犪犮犺狀狅犻犱犲狌狊),虫实 (犆狅狉犻狊狆犲狉犿狌犿
spp.)等。群落总盖度低,灌木层同草本层的盖度均小
于5%。
群落Ⅱ为高山绢蒿(犛犲狉犻狆犺犻犱犻狌犿狉犺狅犱犪狀狋犺狌犿)
+昆仑针茅(犛狋犻狆犪狉狅犫狅狉狅狑狊犽狔犻)+青甘韭(犃犾犾犻狌犿
狆狉狕犲狑犪犾狊犽犻犪狀狌犿)群落,主要分布在海拔2800~3400
m,属于山地荒漠草原植被类型,包含样方号22,25~
42。在2800m高程范围明显体现出群落I与群落II
的特征,可以认为该海拔范围为2个群落的过渡区域。
群落盖度明显升高,范围为11%~39%,主要伴生种
有黄芪(犃狊狋狉犪犵犪犾狌狊sp.),短花针茅(犛狋犻狆犪犫狉犲狏犻犳犾狅
狉犪),昆仑早熟禾(犘狅犪犾犻狋狑犻狀狅狑犻犪狀犪),棘豆(犗狓狔狋狉狅
狆犻狊spp.)等。
群落Ⅲ为早熟禾(犘狅犪spp.)+紫花针茅群落(犛.狆狌狉狆狌狉犲犪),主要分布在海拔3500~3600m,属于山地典
型草原植被类型,包含样方号43~48。群落盖度达到最高,为35%~73%。主要伴生种有多裂委陵菜(犘狅狋犲狀狋犻犾
犾犪犿狌犾狋犻犳犻犱犪),无芒雀麦(犅狉狅犿狌狊犻狀犲狉犿犻狊),二裂委陵菜(犘.犫犻犳狌狉犮犪),黄芪,半卧狗娃花(犎犲狋犲狉狅狆犪狆狆狌狊狊犲犿犻
狆狉狅狊狋狉犪狋狌狊),蒲公英(犜犪狉犪狓犪犮狌犿spp.)等;局部地区出现高山植被成分,如点地梅(犃狀犱狉狅狊犪犮犲sp.)和苔草(犆犪狉犲x
sp.)等。
群落Ⅳ为细叶嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪犳犻犾犻犳狅犾犻犪)+新疆银穗草(犉犲狊狋狌犮犪狅犾犵犪犲)+紫羊茅(犉.狉狌犫狉犪)+珠牙蓼群落
(犘狅犾狔犵狅狀狌犿狏犻狏犻狆犪狉狀犿),主要分布在海拔3700~4100m,包含样方号49~63。该群落物种相对丰富,但群落
04 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.3
盖度低于群落III,范围为20%~60%。植被类型逐渐从高寒草原向高寒草甸过渡,同时出现高山垫状植被,其中
点地梅往往形成亚优势层片并具有较高的盖度(最高达35%)。主要伴生种还有早熟禾,黄花棘豆(犗.狅犮犺狉狅
犮犲狆犺犪犾犪),多裂委陵菜,委陵菜(犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪sp.),梅花草(犘犪狉狀犪狊狊犻犪sp.),苔草,网脉大黄(犚犺犲狌犿狉犲狋犻犮狌犾犪狋狌犿),
镰萼喉毛花(犆狅犿犪狊狋狅犿犪犳犪狉犮犪狋狌犿),黑毛棘豆(犗.犿犲犾犪狀狅狋狉犻犮犺犪),红景天(犚犺狅犱犻狅犾犪sp.)等。
2.2 DCA排序
图2 63个样方的犇犆犃二维排序图
犉犻犵.2 犜狑狅犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾犇犆犃狅狉犱犻狀犪狋犻狅狀犱犻犪犵狉犪犿狅犳63
狇狌犪犱狉犪狋狊犻狀犆犲犾犲犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀狅犳狀狅狉狋犺狊犾狅狆犲狅犳
犕犻犱犱犾犲犓狌狀犾狌狀犕狅狌狀狋犪犻狀狊
Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ代表植物群落,下同Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ meanplantcommun
ities,thesamebelow
图3 中昆仑山策勒河流域主要种的犇犆犃二维排序
犉犻犵.3 犜狑狅犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾犇犆犃狅狉犱犻狀犪狋犻狅狀犱犻犪犵狉犪犿狅犳狋犺犲
犿犪犻狀狊狆犲犮犻犲狊犻狀犆犲犾犲犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀狅犳狀狅狉狋犺狊犾狅狆犲
狅犳犕犻犱犱犾犲犓狌狀犾狌狀犕狅狌狀狋犪犻狀狊
1:昆仑沙拐枣犆.狉狅犫狅狉狅狏狊犽犻犻;2:琵琶柴犚.狊狅狅狀犵狅狀犻犮犪;3:盐生草犎.
犵犾狅犿犲狉犪狋狌狊;4:合头草犛.狉犲犵犲犾犻犻;5:昆仑针茅犛.狉狅犫狅狉狅狑狊犽狔犻;6:高山绢
蒿犛.狉犺狅犱犪狀狋犺狌犿;7:青甘韭犃.狆狉狕犲狑犪犾狊犽犻犪狀狌犿;8:紫花针茅犛.
狆狌狉狆狌狉犲犪;9:早熟禾犘.spp.;10:紫羊茅犉.狉狌犫狉犪;11:新疆银穗草
犉.狅犾犵犪犲;12:细叶嵩草犓.犺狌犿犻犾犻狊;13:珠牙蓼犘.狏犻狏犻狆犪狉狀犿;下同The
samebelow
采用DCA对63个样方进行分析,4个排序轴的
特征值分别为0.986,0.334,0.314,0.198。其第1轴
特征值最大,体现出最多的生态信息,第2轴次之,因
此根据前2个排序轴做出二维排序图(图2)。TWIN
SPAN分类所得各群落类型与DCA排序结果完全吻
合,4个群落分类结果客观的对中昆仑山策勒河流域
植被群落进行了划分,验证了TWINSPAN分类结果
的合理性。在二维排序上各群落类型之间体现出明确
的分布范围和界线,说明DCA很好地反映出各植物
群落之间及群落与环境之间的关系。
从排序轴看,群落主要沿着第1轴体现出明显的
梯度变化,分别对应山地荒漠、山地荒漠草原、山地典
型草原及高寒草原等植被类型,表明第1轴代表着海
拔变化。即DCA第1轴从左到右,海拔逐渐增高,环
境中的水热因子发生变化,群落逐渐由山地荒漠过渡
到高寒草原;沿第2排序轴,群落Ⅰ、Ⅱ基本位于山前
相对平缓地带,群落Ⅲ、Ⅳ位于山坡且上部主要代表阴
坡,越向下逐步转向半阳坡、阳坡,因此DCA第2轴主
要反映地形因子的变化。
各群落类型在排序图中呈有规律的分布,4个群
落由左到右依次变化,其中群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分布相距较
远,体现出群落在结构组成、生境等方面差异性较大;
群落Ⅲ中由于已经出现高山成分,同群落Ⅳ生境条件
之间的差别相对缩小,因此相距较近且主要分布在图
中右部。
图3是各群落优势种在DCA种类排序图中的分
布。群落优势种的分布格局与群落类型的分布格局基
本相似,如以昆仑沙拐枣、琵琶柴、盐生草(第1,2,3
号)为优势种的群落I同昆仑沙拐枣、琵琶柴、盐生草
均分布于DCA排序图的最左端,其他优势种同对应
群落在DCA排序图分布位置也基本相似。反映出优
势种的分布格局在很大程度上决定着植物群落类型的
分布格局。
利用GAM对各样方物种丰富度沿海拔的分布格
局进行分析[26],在取样海拔范围内,物种数沿海拔呈
明显的单调递增趋势。在DCA排序图中,物种数变
14第19卷第3期 草业学报2010年
化状况见图4,图中数字表示样方范围内所含物种数。
图4 基于犌犃犕的物种数变化状况的犇犆犃二维排序图
犉犻犵.4 犜犺犲犜狑狅犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾犇犆犃狅狉犱犻狀犪狋犻狅狀犱犻犪犵狉犪犿犫犪狊犲犱狅狀
狋犺犲犌犃犕狅犳狊狆犲犮犻犲狊狀狌犿犫犲狉犻狀犆犲犾犲犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀狅犳
狀狅狉狋犺狊犾狅狆犲狅犳犕犻犱犱犾犲犓狌狀犾狌狀犕狅狌狀狋犪犻狀狊
排序轴的左端分布物种最少,而随着海拔升高,植物种
类开始增多,因此排序轴右半部分植物种类要相对丰
富。
2.3 环境因子对群落格局的影响
在选定的18个环境因子中,为消除冗余变量的影
响,首先通过 CCA 分析,利用前向选择结合 Monte
Carlo检验确定一组代理变量[21,24]。在前向选择过程
中,通过 MonteCarlo检验确定各环境变量的边际影
响(marginalefects)及条件影响(conditionalefects),
深入了解各变量同群落之间统计上的相关关系[21]。
表1是18个环境变量在前向选择过程中各变量在
MonteCarlo检验下的边际影响及条件影响变化状
况。
表1 前向选择中各变量边际及条件影响
犜犪犫犾犲1 犕犪狉犵犻狀犪犾犪狀犱犮狅狀犱犻狋犻狅狀犪犾犲犳犳犲犮狋狊狅犫狋犪犻狀犲犱犳狉狅犿狋犺犲狊狌犿犿犪狉狔狅犳犳狅狉狑犪狉犱狊犲犾犲犮狋犻狅狀
边际影响 Marginaleffects
环境因子Environmentfactor 特征值Lambda1
条件影响Conditionaleffects
环境因子Environmentfactor 特征值Lambda2
犘值
犘value
犚值
犚value
犉值
犉value
海拔 Altitude 0.90 海拔 Altitude 0.90 0.002 0.29 10.77
钙离子Ca2+ 0.88 pH 0.77 0.002 0.25 10.57
硫酸根离子SO42- 0.87 土壤有机质Soilorganicmatter 0.31 0.002 0.10 4.51
碳酸氢根离子 HCO3- 0.85 土壤含水量Soilwater 0.23 0.002 0.07 3.60
pH 0.85 坡向Aspect 0.16 0.008 0.05 2.43
土壤有机质Soilorganicmatter 0.83 坡度Slope 0.11 0.032 0.04 1.82
土壤含水量Soilwater 0.83 碳酸氢根离子 HCO3- 0.10 0.086 1.58
电导率Conductivity 0.82 氯离子Cl- 0.11 0.114 1.68
全盐Salt 0.78 钾离子 K+ 0.08 0.116 1.41
坡度Slope 0.70 粘粒Clay 0.08 0.166 1.36
粉粒Silt 0.65 粉粒Silt 0.07 0.358 1.07
砂粒Sand 0.64 砂粒Sand - - - -
钾离子 K+ 0.53 镁离子 Mg2+ 0.04 0.714 0.72
坡向Aspect 0.46 钠离子 Na+ 0.06 0.534 0.92
镁离子 Mg2+ 0.35 电导率Conductivity 0.04 0.868 0.68
钠离子 Na+ 0.18 全盐Salt 0.06 0.376 1.02
粘粒Clay 0.17 硫酸根离子SO42- 0 1.000 0.01
氯离子Cl- 0.16 钙离子Ca2+ 0.01 1.000 0.01
表示环境因子对群落物种组成的影响极显著(犘<0.01); 表示环境因子对群落物种组成的影响显著(犘<0.05);-表示环境因子与其他环
境因子之间存在共线性关系;Lambda1表示边际影响特征值;Lambda2表示条件影响特征值;犚value表示相对贡献率。
:Theimpactofenvironmentfactorsoncommunitytypesissignificantatthe0.01level;:Theimpactofenvironmentfactorsoncommunity
typesissignificantatthe0.05level;-:Colinearityrelationshipexistsbetweenenvironmentfactorsandotherenvironmentfactors;Lambda1:The
eigenvaluesofmarginaleffects;Lambda2:Theeigenvaluesofconditionaleffects;犚valuerepresentsrelativepercentage.
24 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.3
边际影响反应了该环境变量对群落物种组成的影响状况;条件影响是剔除前变量后,该变量对群落的影响状
况,边际影响及条件影响用典范特征值(lambda)来表示[21]。海拔环境变量对群落影响最大(0.9)(表1),其边际
影响最高,因此也排在条件影响变量中的第1位。Ca2+的边际影响排在第2,但 MonteCarlo检验在提出海拔这
一变量后,其条件影响立即降到最低(0.01),反映出其同海拔存在强相关性。其余环境因子在提出海拔因子后,
条件影响值也均出现大幅下降,表明众因素同海拔也存在较强相关性。尽管如此,pH,SOM,土壤含水量,坡度,
坡向等6个环境因子仍然在前向选择过程中通过 MonteCarlo检验(犘<0.05)。这6个环境因子通过检验构成
代理变量,共提取了79%的环境信息量,其中海拔提供最多的信息量(29%)(表1)。
确定代理变量后,采用DCCA排序方法研究植被
图5 63个样方的犇犆犆犃二维排序
犉犻犵.5 犜狑狅犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾犇犆犆犃狅狉犱犻狀犪狋犻狅狀犱犻犪犵狉犪犿狅犳63
狇狌犪犱狉犪狋狊犆犲犾犲犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀狅犳狀狅狉狋犺狊犾狅狆犲狅犳
犕犻犱犱犾犲犓狌狀犾狌狀犕狅狌狀狋犪犻狀狊
格局与环境的关系(图5)。
DCCA排序图第1轴反应了植物群落所在环境的
海拔,第2轴主要同pH有关(图4)。不难看出海拔是
所有因子中对植物群落分布起决定性作用的环境因
子。随着海拔的升高,群落的水热状况明显变化,土壤
含水量及土壤有机质含量呈明显增加态势,群落分布
格局也主要沿着第1轴从左到右,群落依次从类型Ⅰ
到Ⅳ逐渐演变。群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各样方间pH含量变化
相对较大,因此在第2轴出现分异。将DCCA排序同
DCA排序结果相比,二者具有明显的相似性,即4个
群落分布都相对集中且界线明显,进一步表明无论在
物种组成上,还是在生境上,各群落类型样地内部都比
较相近,表2为各群落环境代理变量的变化状况。
表2 各群落环境代理变量的变化特征
犜犪犫犾犲2 犞犪狉犻犪狋犻狅狀犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾狆狉狅狓狔狏犪狉犻犪犫犾犲狊狅犳狋犺犲犮狅犿犿狌狀犻狋犻犲狊
群落类型Type 海拔Altitude(m) 坡度Slope(°) 坡向Aspect 土壤有机质SOM (g/kg) 土壤含水量Soilwater(%) pH
Ⅰ 1960~2800 0~15 1~8 1.33~2.87 0.14~9.66 7.30~7.70
Ⅱ 2800~3400 10~25 1~6 3.61~8.55 2.51~7.57 7.62~8.55
Ⅲ 3500~3600 15~25 2~6 9.72~24.50 8.83~14.33 7.84~8.26
Ⅳ 3700~4100 25~55 1~4 8.47~23.90 12.86~25.38 7.73~7.97
在解释群落分布格局的变异中,为了讨论模型中
使用的代理变量是否合适,比较了DCCA和DCA的
特征值与种和环境相关系数,及DCCA分析中分别采
用代理变量同所有变量下的 MonteCarlo检验结果
(表3)。从DCCA和DCA排序的第1轴和第2轴特
征根对比可以看出,无论是采用代理变量还是所有变
量进行分析,差异性均不大,说明在筛选代理变量时重
要的环境变量没有被遗漏,而且也代表着大部分的环
境信息。MonteCarlo显著性检验结果也表明,使用
代理变量的DCCA排序的前2轴都极显著,同时其环
境排序轴与种类排序轴的相关系数为最高。说明使用
代理变量进行DCCA排序的合理性,同时能够很好的
揭示中昆仑山北坡植物群落的环境梯度。
表3 犇犆犆犃与犇犆犃特征根及种-环境相关系数比较
犜犪犫犾犲3 犈犻犵犲狀狏犪犾狌犲狊犪狀犱狊狆犲犮犻犲狊犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀
犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊犳狅狉狋犺犲犳犻狉狊狋狋狑狅犪狓犲狊
狅犳犇犆犆犃犪狀犱犇犆犃
项目
Item
无偏典范对应分析DCCA
代理变量
Proxyvariable
所有变量
Alvariables
无偏对应
分析
DCA
排序轴Ordinationaxis AX1 AX2 AX1 AX2 AX1 AX2
特征值Eigenvalue 0.941 0.175 0.955 0.215 0.9860.334
犘值犘value 0.002 0.002 0.002 0.002 - -
种与环境相关系数
Speciesenvironment
Correlationcoefficients
0.372 0.106 0.304 0.077 0.3090.022
34第19卷第3期 草业学报2010年
3 讨论
采用TWINSPAN分类,将中昆仑山北坡策勒河流域63个植被样方分成4种群落类型,划分结果很好的反
应了群落植被类型的变化趋势。
植物种、植物群落的分布格局是在不同尺度上,各种环境因子气候、土壤、地形等综合作用的结果。区域尺度
上讲,气候、植物区系决定特定的植被类型;景观尺度上讲,如海拔这一环境因子,使植被沿局部气候条件的变化
而导致植被类型的变化,进而决定植被分布格局;而微生境、土壤养分等决定最终的植物群落类型[1,2729]。DCA
排序研究表明,对于特定的研究区域策勒河流域范围,制约群落类型、植物种分布格局的主要因素是海拔,即水热
2个环境因子。同时,海拔还对物种多样性产生直接影响,在本研究范围,物种丰富度随着海拔增长呈明显的单
调递增趋势。
在植被与环境关系的研究中,并不是环境因子越多越好,因为环境因子之间存在着复杂的相互关系甚至是共
线性关系[7],并且存在很多的冗余部分,会对分析结果造成误差。因此,要选择对群落格局有决定意义的环境变
量用于群落与环境关系的研究。有人使用相关系数法来去除冗余的环境变量[30],也有人使用主分量分析(PCA)
的方法避免共线性问题[31]。而使用前向选择法和 MonteCarlo显著性检验,能准确高效的确定对群落影响显著
的环境因子,同时排除存在共线性的环境因子。本研究对群落分布格局的18个环境因子使用前向选择法,提取
海拔、pH、土壤有机质、土壤含水量、坡度、坡向等6个对群落产生显著影响的环境因子作为代理变量。代理变量
总共提取了79%的环境信息量,其中海拔解释量为最多,达到29%。在进一步的验证中,也表明了代理变量选择
的合理性。说明前向选择法结合 MonteCarlo检验是研究植被格局的一种较为可靠、实用性强的方法。
在利用代理变量对植被样方进行DCCA分析中,群落在二维排序图上分布同DCA排序结果相似,第1轴海
拔的变化仍然是群落物种及格局变化的主要环境影响因子;群落内pH值的变化使得局部样方在第2轴出现分
异。代理变量中的其他环境因子对群落格局的影响相对较弱,从其条件影响及DCCA排序图中可以看出这一
点。
总体而言,作为干旱区山地,中昆仑山北坡区域有着明显的特点:植被物种构成稀少,群落格局分异明显,海
拔变化是群落物种及类型变化的重要原因。利用数量生态学方法可以很好的揭示该区域植被格局及其同环境的
相互关系。考虑到昆仑山广袤的分布范围及环境变化的多样性,基于不同尺度下植被格局同环境因子之间的关
系,还有待于深入研究。
参考文献:
[1] BurkeA.ClassificationandordinationofplantcommunitiesoftheNaukluftMountains,Namibia[J].JournalofVegetation
Science,2001,12:5360.
[2] 张峰,张金屯,张峰.历山自然保护区猪尾沟森林群落植被格局及环境解释[J].生态学报,2003,23(3):421427.
[3] 黄晓霞,江源,刘全儒,等.小五台亚高山草甸与生境关系分析[J].植物生态学报,2007,31(3):437444.
[4] 刘鸿雁,曹燕丽,田军,等.山西五台山高山林线的植被景观[J].植物生态学报,2003,27(2):263269.
[5] 刘增力,郑成洋,方精云.河北小五台山北坡植物物种多样性的垂直梯度变化[J].生物多样性,2004,12(1):137145.
[6] 张先平,王孟本,佘波.庞泉沟国家自然保护区森林群落的数量分类和排序[J].生态学报,2006,26(3):754761.
[7] 李国庆,王孝安,郭华,等.陕西子午岭生态因素对植物群落的影响[J].生态学报,2008,28(6):24632471.
[8] 黄晓霞,江源,刘全儒,等.小五台亚高山草甸植物种分布的生境条件解释[J].草业学报,2007,16(6):713.
[9] 席跃翔,张金屯,李军玲.关帝山亚高山灌丛草甸群落的数量分类与排序研究[J].草业学报,2004,13(1):1520.
[10] 黄晓霞,韩京萨,刘全儒,等.五台山亚高山草甸植物地上生物量及其营养成分研究[J].草业科学,2008,25(11):512.
[11] 郭柯,李渤生,郑度.喀喇昆仑山-昆仑山地区植物区系组成和分布规律的研究[J].植物生态学报,1997,21(2):105
114.
[12] 王国灿,杨巍然,马华东,等.东、西昆仑山晚新生代以来构造隆升作用对比[J].地学前缘,2005,12(3):157166.
[13] 崔恒心,王博,祁贵,等.中昆仑山北坡及内部山原的植被类型[J].植物生态学与地植物学学报,1988,12(2):91103.
[14] 武素功,费勇,夏榆.喀喇昆仑山-昆仑山植物区系的一般特征及植物资源的保护与开发利用[J].自然资源学报,1990,
44 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.3
5(1):376382.
[15] 张百平.喀喇昆仑山-阿里喀喇昆仑山的自然特点和重直自然带[J].干旱区资源与环境,1990,4(2):4963.
[16] 张百平,陈晓东,陆洲,等.干旱区山地森林的发展模式研究———以昆仑山奥依塔克地区为例[J].地理科学,2003,23(1):
1924.
[17] WuYH.ThefloristicofthefamilyGramineaeofKarakorumandKunlunarea,China[J].BuletinofBotanicalResearch,
2005,25(1):106114.
[18] GuiDW,LeiJQ,MuGJ,犲狋犪犾.Effectsofdifferentmanagementintensitiesonsoilqualityoffarmlandduringoasisdevelop
mentinsouthernTarimBasin,Xinjiang,China[J].TheInternationalJournalofSustainableDevelopmentandWorldEcolo
gy,2009,16:295391.
[19] 周萍,刘国彬,侯喜禄.黄土丘陵区铁杆蒿群落植被特性及土壤养分特征研究[J].草业学报,2008,17(2):918.
[20] 鲁为华,于磊,蒋惠.新疆昭苏县沙尔套山天然草地植物群落数量分类与排序[J].草业学报,2008,17(1):135139.
[21] LepsL,milauerP.MultivariateAnalysisofEcologicalDataUsingCANOCO[M].New York:CambridgeUniversity
Press,2003:202210.
[22] 王孝安.甘南玛曲植物群落的多元分析与环境解释[J].生态学报,1997,17(1):6165.
[23] 刘光崧.土壤理化分析与剖面描述[M].北京:中国标准出版社,1996:50112.
[24] FranklinJ,WiserSK,DrakeDR,犲狋犪犾.Environment,disturbancehistoryandrainforestcompositionacrosstheislandsof
Tonga,WesternPolynesia[J].JournalofVegetationScience,2006,17:233244.
[25] JoshuaMB.ComparingexplanatoryvariablesintheanalysisofspeciescompositionofaTalgrassPrairie[J].Proceedingsof
OklahomaAcademyScience,2004,84:3340.
[26] 朱源,康慕谊,江源,等.贺兰山木本植物群落物种多样性的海拔格局[J].植物生态学报,2008,32(3):574581.
[27] WoodwardFI,MckooIF.Vegetationandclimate[J].EnvironmentInternational,1991,17:535546.
[28] 单桂莲,徐柱,宁发,等.围封年限对典型草原植被与土壤特征的影响[J].草业学报,2009,18(2):310.
[29] 贾晓妮,程积民,万惠娥.云雾山本氏针茅草地群落恢复演替过程中的物种多样性变化动态[J].草业学报,2008,17(4):
1218.
[30] 李涛,尹林克,严成.塔里木河中游天然植被的数量分类与排序研究[J].干旱区地理,2003,26(2):173179.
[31] 钱亦兵,吴兆宁,张立运,等.古尔班通古特沙漠生境对植物群落格局的影响[J].地理学报,2004,59(6):895902.
54第19卷第3期 草业学报2010年
犈犳犳犲犮狋狅犳犲犮狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊狅狀狆犾犪狀狋犮狅犿犿狌狀犻狋犻犲狊狅犳狋犺犲犆犲犾犲犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀
狅狀狋犺犲狀狅狉狋犺狊犾狅狆犲狅犳狋犺犲犿犻犱犱犾犲犓狌狀犾狌狀犿狅狌狀狋犪犻狀狊
GUIDongwei1,2,3,LEIJiaqiang1,3,ZENGFanjiang1,3,JIANGYuan4,
MUGuijin1,3,YANGFaxiang1,3
(1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,CAS,Urumqi830011,China;2.GraduateUniversity
ofCAS,Beijing100049,China;3.CeleNationalStationofObservation&Researchfor
DesertGrasslandEcosysteminXinjiang,Cele848300,China;4.Insituteof
ResourcesScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thisresearchexploredtherelationshipsbetweenenvironmentalfactorsandvegetationpatternsinthe
aridmountainranges.TheCeleRiverBasinonthenorthslopeofthemiddleKunlunmountainswasselectedas
thestudyareatosetup63plotsataltitudesrangingfrom1960to4100m.Eighteenvariableswereusedasin
dicatorsofspatialposition,soilcharacteristics,andtopography.Thetypesofplantcommunityinthisregion
wereinvestigatedinrelationtoenvironmentalfactorsusingTWINSPAN,DCAandDCCA.Inordertoelimi
nateredundantenvironmentalvariables,theenvironmentalfactorswhichsignificantlyinfluenceplantcommuni
tycompositionwerechosenbyforwardselectionandMonteCarlotests.1)Theplantcommunitiesinthisre
gioncouldbedividedinto4typesbyTWINSPAN.2)TheresultsofDCAordinationindicatedthatthemain
factorrestrictingthedistributionofcommunitieswasaltitude.Thenumberofspeciesincreasedwithincreasing
altitude.Acomparisonoftheordinationofspecieswiththatofquadratsshowedthattheordinationplotofthe
dominantspeciesinplantcommunitieswassimilartothatoftheplantcommunitytype.Tosomeextent,the
distributionoftheformerdeterminedthatofthelatter.3)Sixenvironmentalvariables(e.g.altitude)were
usedinthespeciesenvironmentcorrelationanalysis.TheordinationresultofDCCAindicatedthataltitudewas
moreimportantthanotherenvironmentalfactorsbecausethechangeofaltitudegradientwouldleadtochanges
inbothtemperatureandhumiditygradients.Thefirstaxisindicatedthegradientofaltitudebetweencommuni
ties,whilethesecondaxiswasthepHgradientbetweencommunities.Comparedwithotherareas,thescarcity
ofplantspeciesandthedifferentiationofplantcommunitieswereobviousinthearidmountainrange.Thealti
tudewasanimportantfactorthatinfluencedtheplantspeciesandvegetationpatterns.UsingmethodsofQuan
titativeEcologybetterresultofecologicalrelationshipsbetweenvegetationandenvironmentcanbeobtained.
犓犲狔狑狅狉犱狊:MiddleKunlunmountains;plantcommunity;TWINSPANclassification;DCA(detrendedcorre
spondenceanalysis)ordination;DCCA(detrendedcanonicalcorrespondenceanalysis)ordination;Cele
64 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.3