黑河下游胡杨种群的点格局分析_张兰.pdf

《黑河下游胡杨种群的点格局分析_张兰.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《黑河下游胡杨种群的点格局分析_张兰.pdf（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1黑河下游胡杨种群的点格局分析黑河下游胡杨种群的点格局分析张 兰1 张 华1,2 赵传燕2(1西北师范大学地理与环境科学学院,兰州 730070;2兰州大学草地农业系统国家重点实验室,兰州 730000)摘摘 要要 采用空间点格局分析方法中的 Ripleys K 函数,将宏观的地理环境与微观的点格局相结合,分析了不同尺度下黑河下游胡杨种群的空间分布格局.结果表明:胡杨种群密度随离河距离增大而减小,且东河胡杨种群密度整体上高于西河;胡杨种群分布格局随空间尺度的变化而变化,主要在中尺度 512 m呈聚集分布,在小尺度02 m和大尺度 3840 m呈随机分布,极少呈均匀分布;胡杨种群在不同离河距离主

2、要呈聚集分布,且聚集强度随离河距离的增大呈增大趋势,而胡杨种群在离河距离较远的地段有扩散趋势,转为随机分布.表明胡杨种群内部的生态联系对空间尺度具有很强的依赖性,胡杨种群空间分布主要受表层土壤含水量和地下水埋深的影响.关键词关键词 胡杨种群 点格局 空间分布 黑河下游文章编号文章编号 中图分类号中图分类号 P9 文献标识码文献标识码 A Point pattern analysis of Populus euphratica population in the lower reaches of Heihe River.ZHANG Lan1,ZHANG Hua1,2,ZHAO Chuan-yan

3、2(1College of Geography and Environment Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China;2State Key Laboratory of Pastoral Agricultural Ecosystem,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)Abstract:Taking Populus euphratica population in the lower reaches of Heihe River as the research object,t

4、hrough field investigation,using spatial point pattern analysis method of Ripleys K function,and combined the macro processor geographical environment with micro point pattern,we analyzed the spatial distribution pattern of P.euphratica population at different scales.The results showed thatP.euphrat

5、ica density decreased with the increasing distance away from the river,and its density was higher along the East River thanalong the West River on the whole.The distribution pattern of P.euphratica population varied with spatial scale which was mainly aggregated at mesoscale of 5-12 m,randomly distr

6、ibuted at small-scale of 0-2 m and large-scale of 38-40 m,and very few was evenly distributed.P.euphratica populations were mainly aggregated away from the river,and the aggregation intensity tended to increase with the distance,while it tended to spread and turned into a random distribution at the

7、farther distance.Research showed that the ecological linkages of P.euphratica populations strongly depended on space scale,and the surface soil moisture and groundwater depth were the main factors influencing the spatial distribution of P.euphratica populations.Key words:Populus euphratica populatio

8、n;point pattern;spatial distribution;lower reaches of Heihe River.空间格局是植物种群的基本特征,是种群自身特性、种间关系及环境条件综合作用的结果1.研究植物种群的空间格局有助于认识它们的生态过程以及它们与生境的相互关系2.不同的格局类型可以反映种群利用环境资源的状况,揭示种群生物学特性3-5.空间格局对种群密度和空间尺度均有很强的依赖性,因此通常依靠特定空间尺度进行的传统的格局分析方法,难以全面反映种群的分布类型与空间尺度的关系6-9.而点格局分析法是以植物种群个体的空间坐标为基本数据,以植物空间分布的位点图为基础进行格局分析,

9、可以分析任意尺度的种群格局和种间关系,得出的结果比传统的方法更接近实际7.自 1977 年 Ripley10提出空间点格局分析法后,国外研究者在 Ripley K(t)函数分析法的基础上发展出了O-ring O(t)函数分析法,使得空间点格局分析法在国际上得到迅速推广11-17.张金屯7首先将点格局分析方法引入到国内,推动了植物种群空间分布的研究18-22.胡杨(Populus euphratica)是我国内陆荒漠河岸植被中重要的建群种和表征种,主要分布在西北内陆干旱区的内陆河两岸,具有抗风沙、抗热、抗旱、耐盐碱、适应性强等特点.黑河下游额济纳胡杨林是当今世界仅存的三大天然河道胡杨林之一,是阻

10、止巴丹吉林沙漠向北扩展的重要屏障.虽然已对黑河下游胡杨进行了许多研究,但主要集中在对黑河调水前、后胡杨林长势与地下水埋深的关系23-30,而对其空间分布格局的研究较少.本文通过样地调查,采用点格局法对黑河下游不同 国家自然科学基金项目(91025015)、甘肃省青年科技基金计划项目(1107RJYA063)和西北师范大学青年教师科研能力提升计划骨干项目(NWNU-LKQN-11-12)资助通讯作者.E-mail:2014-05-07 收稿,2014-09-15 接受网络出版时间：2014-09-30 12:01网络出版地址：http:/ 研究地区与研究方法研究地区与研究方法1.1 研究区概况黑

11、河下游属内蒙古高原西部的阿拉善高原,由一系列剥蚀的中、低山和干三角洲、盆地组成,海拔 9801200 m,经纬度为 395220424720 N,9710231037 15 E,位于巴丹吉林沙漠西北边缘,整个地形向东北倾斜.终年受蒙古气团控制,属温带大陆性极端干旱气候.光热充足、蒸发量大、降水稀少.根据额济纳旗气象站 19602012 年气象资料,年均降水量 38.65 mm,年均气温 9.4,极端最高气温 42.5,极端最低气温-37.6,蒸发强烈.黑河在狼心山分为东、西两河,东河主河道长 177 km,西河主河道长 180 km,分别注入尾闾湖东居延海和西居沿海.在河流两岸、冲击形成的扇形

12、三角洲和东、西居延海四周,主要分布着胡杨、柽柳(Tamarix ramosissima)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)、芦苇(Phragm communis)、芨芨草(Achnatherum splendens)及苦豆子(Sophora alopecuroides)等植被.其中,胡杨是唯一成林的天然乔木.1.2 样地调查20092011 年 79 月,采用样带调查法,在距黑河狼心山 30 km 处,跨东、西两河设置一条垂直河岸的样带,根据胡杨分布的不同离河距离,即 0100、200300、400500、5001000 和 10001500 m,在东、西河沿岸分别设置 5

13、 个 80 m80 m 样地(图 1).在样地内采用相邻格子法将样地划分成 10 m10 m 小样方,将每个小样方西南角作为原点,东西方向作为 X 轴,南北方向作为 Y 轴,测量每棵胡杨到 X 轴、Y 轴的距离,将其转换为样地的坐标值.利用 GPS 测定样方的地理坐标、海拔,用罗盘确定样方方位,记录坡度和坡向,用激光测距仪测量树高,用卷尺测量每棵胡杨的空间坐标.图图 1 胡杨采样位置Fig.1 Sampling location of Populus euphratica populations.:样带 Belt transect;:黑河 Heihe River;:1.5 km 缓冲区 1.5

14、 km buffer area;:黑河下游 Lower reaches of Heihe River.1.3 种群分布点格局分析采用 Ripleys K 函数分析胡杨种群空间分布格局,该函数通过描述胡杨在不同空间尺度下的分布格局,反映种群结构特点.公式如下8:2111nntijijijAK tIunW ij (1)式中:A 为样地面积;n 为样地胡杨种群的总体;uij为第 i 株胡杨和第 j 株胡杨之间的距离;t 为空间尺度,当 uijt时,It(uij)=1,当 uijt 时,It(uij)=0;Wij为以点 i 为圆心、uij为半径的圆落在面积 A 中的弧长与整个圆周的比值,这里为权重,以

15、消除边界效应.在随机分布下,K的平方根可使方差保持稳定,并且其与 t 有线性关系,能更好地表现格局关系.由此,公式(1)可简化为:3 KtLtt (2)当 L(t)=0 时,胡杨种群呈随机分布;当 L(t)0 时,胡杨种群呈集群分布;当 L(t)403.875026.55500100077.00153.94162.84804.252812.902463.01408.865026.55T:空间尺度 Spatial scale;L(t):聚集强度 Aggregation intensity;t2:聚集规模 Aggregation size.2.2.2 西河 在离河 100 m 内,胡杨种群在 25

16、、1833 和 3440 m 范围内呈随机分布,在 02 和 518 m 范围内呈聚集分布,3334 m 范围内呈均匀分布;在离河 200300 m 处,胡杨种群在 04、1230 和 3840 m 范围内呈随机分布,在412 m范围内呈聚集分布,在3038 m范围内为均匀分布;在离河400500 m处,胡杨种群在02 m 范围内呈随机分布,在 240 m 范围内呈聚集分布;在离河 5001000 m 处,胡杨种群在 011 和 1718 m范围内呈随机分布,在 1117 和 1840 m 范围内呈聚集分布;在离河 10001500 m 处,胡杨种群在所研究的空间尺度范围内均呈随机分布(图 3

17、).当胡杨种群呈聚集分布时,聚集强度随离河距离的增大而增强,除 200300 m 外,聚集规模随离河距离的增大而增大.胡杨种群在最大聚集高峰和最大聚集尺度时,在离河 5001000 m 处所对应的尺度和强度最大,尺5度分别为 28 和40 m,聚集规模分别为 2463.01 和5026.55 m2(表 1).3 讨 论讨 论胡杨大部分分布在沿河湖水域附近,地下水位为 0.52.0 m30,距离河道中轴线越近,地下水位越高,距离河道中轴线越远,地下水位越低24,所以胡杨密度总体上随离河距离增大而减小.表明河流沿岸随离河距离的增大,胡杨种群分布越来越稀少,种群退化程度逐渐加剧.根据黑河下游 199

18、02009年地下水位埋深旬观测数据,东河上部地下水位平均埋深为 2.71 m,西河上部地下水位平均埋深为 3.34 m31.由于黑河下游胡杨的最适宜地下水位为 2.6 m25,故东河上部地下水位较接近胡杨生长的最适地下水位,因而研究区东河胡杨种群的分布密度整体大于西河.西河沿岸400500 m处,地势平缓,坡度较周围地区小,水分流失较慢,胡杨种子的萌发率高,幼苗成活率高,从而导致胡杨种群密度相对较大.黑河下游地区胡杨种群分布格局在不同空间尺度下存在明显变化,主要在中尺度 512 m 呈聚集分布,在小尺度02 m和大尺度3840 m呈随机分布,极少呈均匀分布.这反映了胡杨种群主要38 m尺度个体

19、间的相互作用较弱,而在呈均匀分布的尺度范围内个体间的相互作用较强.黑河下游地区降水极少,植被地上蒸腾作用较强,因此胡杨根系间存在激烈的水分竞争,聚集分布尺度一般不会太大,往往保持在一定尺度范围内.这表明胡杨种群内部的生态联系对空间尺度具很强的依赖性.胡杨种群在不同离河距离主要呈聚集分布,且聚集强度随离河距离的增大呈增大趋势.这主要是由于随离河距离的增大地下水埋深不断加深,浅层土壤含水量逐渐减少,胡杨更新方式演变为根萌或枝萌,在母树周围发生,聚集强度增强.而离河距离越远的地段,河流补给量减少,蒸发强烈,地下水位很低,只有零星的胡杨分布于该地段中,表现为随机分布.这表明胡杨种群空间分布除受表层土壤

20、含水量的控制外,还受地下水条件的限制,随地下水埋深的变化而变化.以往的点格局研究都是基于少量样地调查,得到种群空间分布特征,尤其是在乔木点格局研究中,由于样地尺度要求50 m,调查难度大,往往只调查单个样地,这就不能有效地对不同环境梯度导致的植被点格局差异进行分析.本研究根据河流沿岸胡杨距河道中心的距离,由远及近进行采样调查,将微观尺度的物种点格局分布与宏观尺度的地理环境结合起来,得到不同环境梯度样带胡杨点格局特征,并对其成因进行宏观的地理环境分析,拓展了点格局的研究尺度,丰富了点格局成因的要素.然而,胡杨种群的空间分布不仅跟空间尺度和密度有关,而且可能与年龄结构有密切联系.因此,在以后的研究

21、中有必要通过划分龄级结构来对黑河下游胡杨的空间分布类型和不同龄级间的空间关联性做进一步研究,以更好地掌握胡杨种群动态变化规律.参考文献参考文献1Zhang J-T(张金屯).Quantitative Ecology.Beijing:Science Press,2004(in Chinese)2Yang H-X(杨洪晓),Zhang J-T(张金屯),Wu B(吴 波).Point pattern analysis of Artemisia ordosica population in the Mu Us sandy land.Chinese Journal of Plant Ecology(植

22、物生态学报),2006,30(4):563-570(in Chinese)3Hou X-Y(侯向阳),Han J-X(韩进轩).Simulation analysis of spatial patterns of main species in the Korean-pine broadleaved forest in Changbai Mountain.Acta Phytoecologica Sinica(植物生态学报),1997,21(3):242-249(in Chinese)4Boyden S,Binkley D,Shepperd W.Spatial and temporal patt

23、erns in structure,regeneration,and mortality of an old-growth ponderosa pine forest in the Colorado Front Range.Forest Ecology and Management,2005,219:43-555Yue Y-J(岳永杰),Yu X-X(余新晓),Wu J(武 军),et al.Point pattern analysis of spatial distribution of natural secondaryforest populations in mountainous a

24、rea of Beijing:A case study of Wuling Mountain Nature Reserve.Science of Soil and Water Conservation(中国水土保持科学),2008,6(3):59-64(in Chinese)6Li M-H(李明辉),He F-H(何风华),Liu Y(刘 云),et al.Spatial distribution pattern of tree individuals in the Schrenk spruce forest,northwest China.Acta Ecologica Sinica(生态学报

25、),2005,25(5):1000-1006(in Chinese)7Zhang J-T(张金屯).Analysis of spatial point pattern for plant species.Acta Phytoecologica Sinica(植物生态学报),1998,22(4):344-349(in Chinese)8Hadly E,Maurer BA.Spatial and temporal patterns of species diversity in montane mammal communities of western North 6America.Evoluti

26、onary Ecology Research,2001,3:477-4869Miyadokoro T,Nishimura N,Yamamoto S.Population structure and spatial patterns of major trees in a subalpine old-growth coniferous forest,Central Japan.Forest Ecology and Management,2003,182:259-27210 Ripley BD.Spatial Statistics.New York:John Wiley and Sons,1981

27、11 Atkinson PM,Foody GM,Gething PW,et al.Investigating spatial structure in specific tree species in ancient semi-natural woodland using remote sensing and marked point pattern analysis.Ecography,2007,30:88-10412 Chakraborty A,Gelfand,AE,Wilson M,et al.Point pattern modelling for degraded presence-o

28、nly data over large regions.Journal of Royal Statistical Society,2011,60:757-77613 Leibovici DG,Bastin L,Jackson M.Higher-order co-occurrences for exploratory point pattern analysis and decision tree clustering on spatial data.Computers&Geosciences,2011,37:382-38914 Picard N,Bar-hen A,Mortier F,et a

29、l.The multi-scale marked area-interaction point process:a model for the spatial pattern of trees.Scandinavian Journal of Statistics,2009,36:23-4115 Pommerening A,LeMay V,Stoyan D.Model-based analysis of the influence of ecological processes on forest point pattern formation:Acase study.Ecological Mo

30、delling,2011,222:66667816 Olagoke AO,Bosireb JO,Berger U.Regeneration of Rhizophora mucronata(Lamk.)in degraded mangrove forest:Lessons from point pattern analyses of local tree interactions.Acta Oecologica,2013,50:1-917 Nothdurft A,Saborowski J,Nuske RS,et al.Density estimation based on k-tree samp

31、ling and point pattern reconstruction.Canadian Journal of Forest Research,2010,40:953-96718 Zhang X-W(张兴旺),Zhang X-P(张小平),Guo C-Y(郭传友),et al.Point pattern analysis of Pteroceltis tatarinowii populationat its different development stages in limestone mountain area of north Anhui,East China.Chinese Jo

32、urnal of Ecology(生态学杂志),2013,32(3):542-550(in Chinese)19 Yang X-F(杨晓凤),Miao Y-M(苗艳明),Zhang Q-D(张钦弟),et al.Spatial pattern analysis of individuals in different age-classes of Pinus bungeana in Wulu Mountain Reserve.Bulletin of Botanical Research(植物研究),2013,33(1):24-30(in Chinese)20 Hu E-C(胡尔查),Wang X

33、-J(王晓江),Zhang W-J(张文军),et al.Age structure and point pattern of Butula platyphylla in Wulashan Natural Reserve of Inner Mongolia.Acta Ecologica Sinica(生态学报),2013,33(9):2867-2876(in Chinese)21 Hou H-Y(侯红亚),Wang L-H(王立海).Species composition and main populations spatial distribution pattern in Korean p

34、ine broadleaved forest in Xijaoxingan Mountains of Northeast China.Chinese Journal of Applied Ecology(应用生态学报),2013,24(11):3043-3049(in Chinese)22 Wang X-T(王鑫厅),Wang W(王 炜),Liang C-Z(梁存柱),et al.Cleistogenes squarrosa population at different restorative succession stages in Inner Mongolia of China.Chi

35、nese Journal of Applied Ecology(应用生态学报),2013,24(7):1793-1800(in Chinese)23 Zhang Y-B(张玉波),Li J-W(李景文),Zhang H(张 昊),et al.Spatiotemporal patterns of seed dispersal in Populus euphratica.Acta Ecologica Sinica(生态学报),2005,25(8):1994-2000(in Chinese)24 Feng M(冯 敏),L Z-Y(吕志远).Research on Vegetation Growth

36、 and Groundwater Dynamic Influenced by Heihe Rivers Water Diversion Outstanding Loans.Master Thesis.Huhhot:Inner Mongolia Agricultural University,2013(in Chinese)25 Zhao C-Y(赵传燕),Li S-B(李守波),Jia Y-H(贾艳红),et al.Dynamic changes of groundwater level and vegetation in water table fluctuant belt in lower

37、 reaches of Heihe River:Coupling simulation.Chinese Journal of Applied Ecology(应用生态学报),2008,19(12):2687-2692(in Chinese)26 Liu Y-M(刘咏梅),Zhao Z-F(赵忠福).The response of Ejina County ecological environment on water transfer in lower reachesof Heihe River.Meteorology Journal of Inner Mongolia(内蒙古气象),2010

38、(1):38-41(in Chinese)27 Liu P-X(刘普幸).Study on Hydroclimatic Factors of Radial Growth of Populus euphratica Oliv.in the Ejina Banner.PhDThesis.Lanzhou:Lanzhou University,2007(in Chinese)28 Qiao X-X(乔西现),Jiang X-H(蒋晓辉),Chen J-N(陈江南),et al.Effect of transferring water on ecological environment in 7east

39、 and west Juyanhai Lake at the lower reaches of Heihe River.Journal of Northwest A&F University(西北农林科技大学学报),2007,35(6):190-194(in Chinese)29 Jin H(金 辉),Li Y-N(李永宁),Huo Y-L(霍艳玲),et al.Point pattern analysis of secondary poplar-birch forest in the mountainous regions of northern Hebei.Journal of Agric

40、ultural University of Hebei(河北农业大学学报),2012,35(3):63-68(in Chinese)30 Hu G-L(胡广录),Zhao W-Z(赵文智).The demanded water volume for restoring natural groundwater levels:A case study on natural vegetation in the Ejina Basin.Arid Zone Research(干旱区研究),2009,26(1):94-101(in Chinese)31 Ao F(敖 菲),Yu J-J(于静洁),Wang P(王 平),et al.Changing characteristics and influencing causes of groundwater level in the reaches of the Heihe River.Journal of Natural Resources(自然资源学报),2012,27(4):686-696(in Chinese)作者简介作者简介 张 兰,女,1989 年生,硕士研究生.主要从事生态水文与植被生态研究.E-mail:责任编辑责任编辑 孙 菊