全 文 ：第20卷 第3期
Vol.20 No.3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2012年 5月
May. 2012
基于物种重要值和土壤水分的草原群落边界判定
黄欣颖1,邵新庆1,吕进英1,王宇通1,阚雨晨2,王 堃1*
(1.中国农业大学动物科技学院,北京 100193;2.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州 730070)
摘要:对河北沽源草地生态系统野外观测研究实验站外不同区域的草原进行调查,统计其各物种重要值,并测定土
壤水分,利用游动分割窗技术判定群落边界,以期为草原景观界面判定提供新思路。结果表明:基于物种重要值的
欧式平方距离(SED)峰值分析发现,窗口大小为12个及12个以上样地单位时,SED峰值曲线趋于稳定,能较好的
反映地上植被群落的分布格局。峰值图上出现4个明显的波峰,依据变化幅度可以判定2个是急变性过渡带,2个
是渐变性过渡带。水分与群落分布的格局具有一定相关性,群落分布格局对土壤水分变化做出响应,并呈现一定
的滞后性。试验结果验证了游动分割窗技术在草原景观界面判定的可行性。
关键词:物种重要值;土壤水分;生态交错带;游动分割窗技术
中图分类号:S812;Q948.153 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2012)03-0450-06
DeterminetheBoundariesofGrasslandCommunitiesBasedonSpecies
ImportantValueandSoilMoisturecontent
HUANGXin-ying1,SHAOXin-qing1,LVJin-ying1,WANGYu-tong1,KANYu-chen2,WANGKun1*
(1.DepartmentofGrasslandScience,ColegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;
2.PrataculturalColege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,GansuProvince730070,China)
Abstract:ThedifferentareasofgrasslandinHebeiGuyuangrasslandecosystemexperimentalstationwere
observedtoinvestigatetheimportantvalueofeachspeciesandsoilmoisturecontent.Theboundariesof
grasslandcommunitiesweredeterminedbymovingsplit-windowtechnique.Resultsshowedthatthecurve
ofSEDpeakwereinstablestatuswhenwindowsizeismorethan12plotsand12unitsbetterreflectingthe
distributionpatternsofabove-groundvegetationcommunities.Fourdistinctpeakswereobservedinpeak
chart.Twoacutelytransitionalzonesandtwogradualytransitionalzonesweredeterminedbasedonthe
changeofSEDpeak.Soilwatercontentshavecertaincorrelationwiththedistributionpatternsofcommu-
nities.Thedistributionpatternsofcommunitieshavealoggedresponsetosoilmoisture.
Keywords:Speciesimportantvalue;Soilmoisture;Ecotone;MovingSplit-windowTechnique
生态交错带是2个或多个不同群落间的过渡
区,是一种交互区或应力区,比相邻群落要狭窄。随
着景观生态学的发展及土地利用方式下生态学的深
入研究,在交错带内发生的物质流、能量流等成为生
态学领域的研究热点[1]。生态交错带出现在生态区
域[2]、生物群区[3]以及群落尺度甚至更小的尺度水
平,尺度的多样化决定了定量化研究方法的多样化。
交错带位置和宽度的判定是定量研究生态交错带内
各个生态过程的基础,特别是斑块尺度下的格局和
动态、群落尺度下的种群统计和种群尺度下的异质
种群的行为研究具有重要意义[4]。我国农牧交错带
是指北方半湿润地区由农业耕作到草原放牧的半农
半牧过渡区[5]。交错带在群落尺度方面形成的交错
带,不但具有两侧群落各自的特点,还具有两侧群落
不具备的特点,各种生态因子在界面内的作用强度
也有所不同[6]。交错带由于其复杂的生态过程及对
气候变化和人类干扰的极端敏感,成为了研究全球
变化的预警区域[7]。
生态交错带是生态条件和植被类型出现不连续
的空间,其判定依赖于反应变量空间/时间序列的变
收稿日期:2012-01-03;修回日期:2012-04-06
基金项目:国家牧草产业技术体系项目(nycytx-37);国家科技支撑计划(2012BAC01B02);公益性行业(农业)科研专项(201203006)
(200903060)(201003061)资助
作者简介:黄欣颖(1987-),女,山东淄博人,硕士研究生,主要从事退化草地生态系统恢复和草地管理研究,E-mail:baihehuakai.2008@
163.com;*通信作者Authorforcorrespondence,E-mail:wangkun@cau.edu.cn
第3期 黄欣颖等:基于物种重要值和土壤水分的草原群落边界判定
化。当反应变量的变幅较大时,交错带是很容易判
定的;但当反应变量的变幅较小时是很难判定的[8]。
交错带变化最为明显的特征是地上植被变化,包括
植被物种组成和植被结构。最容易定义的生态交错
带就是在空间位置上植被物种组成发生突变的地
段,然而在景观水平上,物种组成变化较为缓慢故难
以判定。
植被科学的定量研究技术如利用相异系数(或
相似系数)的群落结构分析[9]、环境梯度上的β多样
性研究[10]、梯度分析[11]和分类排序技术[12]等已被
证明是成熟可靠的方法。其中游动分割窗技术简单
可靠,适用于任何类型的反应变量,使用较为广泛。
游动分割窗技术不仅可以用于梯度上的等距离样点
取样,还可以用于非等距离梯度样带多元变量的分
析。本文以水分和植被物种重要值为指标对生态交
错带的宽度进行判定,以期为植物群落边界的判定
问题提供新思路与科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况和取样
研究区位于河北省沽源县北部,海拔1381m,
属于华北农牧交错带中部坝上高原,呈波状丘陵状
分布。该地区处于半干旱大陆季风气候带,夏季受
东南暖湿气流的影响,其余较长时间均受到蒙古高
压寒冷干旱气候控制,年均温1℃,无霜期90d;年
平均降水量430mm,主要集中在7-9月,约占全
年降水量的80%,主要土壤为栗钙土[13]。
1.2 试验设计与取样方法
1.2.1 样地布置 采用样带法采集数据,在农牧交
错带典型草原到低湿草甸的范围内,自地点 A(N
41°46.051′,E115°40.03′)到地点B(N41°46.035′,
E115°40.353′)选取长度800m,设置3条样线,样
线间距为50m。在样线上每隔10m设置1m×1
m的样方。土壤多数为栗钙土,沿样线走向土壤黏
性有所变化,土壤水分状况也应气候变化而含量有
所变化。
1.2.2 取样与分析方法 土壤水分测定采用烘干
法(105℃,24h)。统计样方内各物种的高度、盖度、
频度等,并根据重要值的公式计算各物种的重要值。
重要值(IV)=(相对高度+相对频度+相对盖
度)/3。
游动分割窗技术:将2个窗口放在等间隔排列
的样点上(2个窗口内的样点数相等),通过计算比
较2个窗口内样点的相异性,然后,窗口顺序向后移
动一个样点,直到整个样线上的所有样点都参与计
算为止。将相异系数系列沿取样点坐标轴作图,根
据曲线的峭度和变异定量判断交错带的类型位置和
宽度。
分别以物种重要值、土壤含水量为参数,欧式平
方距离(squaredeuclideandistance,SED)为相异系
数,采用移动窗口法分析界面的影响域,计算公式
为:SEDn=(Xaw-Xbw)2
公式中:n为2个半窗口的中点或者窗口的停
顿点;a和b分别为2个半窗口;w 为窗口宽度;X
为所测定参数的数值,即当植被调查时,该数值代表
物种重要值;当土壤水分调查时,该数值代表土壤含
水量。
2 结果与分析
2.1 植物群落边界和宽度判定
采用游动分割窗技术计算窗口宽度是4,6,8,
10,12和14时2个半窗口之间的距离系数(欧式平
方距离),并以该系数为纵坐标,以样带为横坐标作
图。结果显示当窗口小时,曲线波峰较多,过多波峰
会干扰交错带的判定,在此之下,应增加窗口大小以
消除随机干扰的影响。当窗口达到某一值后,曲线
变化趋于一致,这时曲线就可以较好地反映交错带
的边界与位置。结果如图1和图2所示。
图1 基于物种重要值的SED游动分割窗峰值图
(窗口大小为4,6,8)
Fig.1 Thepeaksofsquaredeuclideandistance(SED)in
movingsplit-window(ww)-vegetation(ww=4,6,8)
由图2可知,当窗口大小为较低数量的样方时
(ww=4,6),SED出现多个峰值,不同窗口大小下
呈现的分布格局差异较大,这样多波峰的出现就干
扰对交错带边界的判定。当窗口大小增大时,随机
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草 地 学 报 第20卷
干扰的影响逐渐消除。当窗口大小为12及12以上
时,SED的峰值变化趋于一致,即当分割窗窗口数
量最小为12时,能较好的反映该地带交错带的分布
格局。
图2 基于物种重要值的SED游动分割窗峰值图
Fig.2 Thepeaksofsquaredeuclideandistance(SED)in
movingsplit-window-vegetation(ww=10,12,14)
在图2中窗口为12时,可以看出SED在样带
轴上面出现4个较明显的峰值,第1个峰值出现在
第5样地和第8样地之间,波峰位于第6样地即120
m处,是羊草(Leymuschinensis)、马蔺(Irislactea
var.chinensis)+碱地风毛菊(Saussurearuncinata)群
丛和苔草(Carextristachya)、羊草+马蔺的过渡地
带,该区域宽度为40m左右,波峰较高且窄,属于急
变性过渡带。第2峰值处于第15样地和20样地之
间,波峰在第19样地即380m 处,是针茅(Stipa
capillata)、羊草+狼毒(Stellerachamaejasme)群丛和
羊草、野大麦(Hordeumbrevisubulatum)过渡地带。
过渡带宽度为120m左右,峰值大,但跨度也很大,
所以是渐变性过渡带。第3峰值位于第25样地和
第31样地之间,波峰位于第28样地即560m处,羊
草、碱地风毛菊+野大麦和马蔺+南牡蒿(Artemis-
iaeriopoda)+针茅、羊草的过渡地带。该过渡带宽
度范围为140m左右,该峰值较高,但宽度很大,也
属于渐变性过渡带。第4个峰值位于第31样地和
第34样地之间,波峰位于第32样地即640m处,是
羊草、碱茅(Puccinelliadistans)+野大麦和马蔺、
针茅的过渡带。该过渡带峰值较高且窄,属于急变
性过渡带。此外,在图中当窗口大于12时,第10到
14样地范围内,有一段变化不稳定的曲线,图中并
没有明显的波峰波谷,造成该现象的原因可能是该
区域样带的环境空间异质性较强,尤其是土壤因子
的异质性。
2.2 土壤水分动态变化
水分动态变化分析依旧采用游动分割窗技术,
窗口选用4,6,8,10,12和14,计算彼此之间的距离
系数(欧式平方距离),以此系数作为纵坐标,样带作
为横坐标。结果如图3和图4所示。
由图3和图4可知,窗口较小时出现很多峰值,
过多的峰值会干扰交错带位置的判定。随着窗口变
大,该干扰逐渐消除。当窗口为10个及10个以上
样地单位时,SED峰值变化一致化,说明当窗口大
小为10个样地单位时,该曲线可以较好的反映土壤
含水量的动态变化以及分布格局。为后续与植被变
化便于比较,土壤水分变化动态分析依旧选用窗口
为12个样地单位。
图3 基于土壤含水量的SED游动分割窗峰值图
Fig.3 Thepeaksofsquaredeuclideandistance(SED)in
movingsplit-window-vegetation(ww=4,6,8)
图4 基于土壤含水量的SED游动分割窗峰值图
Fig.4 Thepeaksofsquaredeuclideandistance(SED)in
movingsplit-window-vegetation(ww=10,12,14)
由图4可知,窗口为12个样地单位的时候,
SED游动分割窗峰值图上出现了3个较为明显的
峰值。第1个峰值位于第9样地和第12样地之间,
波峰位于第11样地即220m处,变化幅度大约是
60m,变化幅度较激烈。第2个峰值位于第13样地
到第21样地之间,波峰位于第19样地即380m处,
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第3期 黄欣颖等:基于物种重要值和土壤水分的草原群落边界判定
变化幅度约160m,变化幅度较之第1个波峰平缓。
第3峰值位于第24样地到第30样地之间,波峰位
于第28样地即560m处,变化跨度为60m,峰值不
高,变化幅度较为平缓。
2.3 土壤水分与地上植被群落交错带分布格局相
关性分析
地上植被会从土壤中吸取水分和养分等,在分
别对土壤水分和地上植被物种重要值为指标分析
后,将二者组合分析,分析二者之间的关联性。结果
如图5和图6所示,图中对比窗口大小分别为4,6,
8,10,12和14时,基于土壤水分和基于物种重要值
的SED峰值图。对比结果显示,当窗口大小为12
个样地单位时,2条曲线具有一定的相关性。当土
壤水分出现峰值变化时,地面植被群落也相应出现
了交错带的变化。
图5 土壤水分对植被群落交错带分布格局的相关性(窗口大小为4,6,8)
Fig.5 Therelationshipbetweensoilmoisturecontentsandthedistributionpatternofcommunityecotone(ww=4,6,8)
基于物种重要值的峰值图中显示第10到14样
地之间存在不稳定的变化,但是在二者的关联图上
显示,该区域的水分含量出现比较大的变化,从另一
方面显示了土壤水分和植被群落变化的相关性。但
植被群落在32样地单位峰值在土壤水分含量峰值
图中并未有所显示,可能是该区域的土壤中其他土
壤因子对该区域植被群落产生了影响。从总体上来
看,土壤水分含量的变化呈大起大落之势,而群落变
化则较为收敛,而且水分变化在样带上要略早于植
被群落交错带变化。二者之间呈现一定的相关性,
群落分布格局会对土壤水分含量的变化做出
响应。
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图6 土壤水分对植被群落交错带分布格局的相关性(窗口大小为10,12,14)
Fig.6 Therelationshipbetweensoilmoisturecontentsandthedistributionpatternofcommunityecotone(ww=10,12,14)
3 讨论
本文采用游动分割窗技术对群落边界的判定与
之前的研究[14]相比,交错带的宽度基本一致,与以
往研究不一致的地方主要体现在边界位置的变化,
这主要受到地上植被和水分的双重影响,经过时间
的沉积与气候的变化,地上植被物种略有变化,土壤
水分状况也会发生变化。而且已有文章研究表明土
壤水分与植被群落组成存在相关性,并且土壤水分
可能是导致地上植被变化的主导因子[14]。而本研
究同样表现出这一点,且土壤水分与植被之间相关
性增强,其原因还需做进一步深入研究。
游动分割窗技术应用时的窗体宽度依据主观确
定[15],窗体宽度的大小会影响交错带的判定,本研
究通过分析比较,得出当窗体宽度为10~14时,所
得到的SED峰值曲线变化趋向一致,便于对交错带
的判定。但当窗体过大时,也会让SED峰值图中曲
线峰值变得不明显,这说明运用游动分割窗技术时,
所设置的样点要足够多,密度要足够大。本研究中
对于交错带中样点的分布还是不充足。
4 结论
基于物种重要值,利用游动分割窗技术对样带群
落组成与分布变化进行分析,当窗口大小为12及12
以上样地单位时,SED峰值曲线趋于稳定,可以较好
的反映植被群落分布格局。研究区域的草原植被上
有4个较为明显的群落交错带,其中2个属于急变
性,2个属于渐变性,过渡带最大跨度为140m。
所选样带内土壤含水量的动态变化呈现3个较
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第3期 黄欣颖等:基于物种重要值和土壤水分的草原群落边界判定
为明显的峰值,而土壤水分与植被群落的分布变化
之间具有一定的相关性。群落交错带对土壤和水分
分布变化作出响应,并具有滞后性。游动分割窗技
术为草原景观界面判定提供新思路,本试验也验证
了游动分割窗技术在草原景观界面判定的可行性。
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(责任编辑 李美娟
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