（自然地理学专业论文）基于gis的武夷山区植被分布与环境梯度关系分析.pdf

摘要 _ _ - _ - - _ _ - _ _ l _ - _ _ _ - l - - _ - _ _ _ _ - - _ - _ - l _ _ - _ _ _ _ - l l l l l i i _ - _ _ - - _ _ l _ - - - _ - - _ - _ _ - _ _ a b s t r a c t t h ep a p e rb a s e do nt h er e l a t i o no fv e g e t a t i o na n de n v i r o n m e n t ，w u y i s h a nd i s t r i c ti n f u j i a np r o v i n c ei sr e g a r d e da st h er e s e a r c ho b j e c t ，b a s e do nt h eg i st e c h n i q u ea n d v e g e t a t i o nq u a n t i t ya n a l y s i sm e t h o d s ，s e l e c td i f f e r e n ts c a l eo fg r i dc e l l s ，c c ao nt h el o g i c m a t r i xo fv e g e t a t i o na n dt h ea r e am a t r i xo fv e g e t a t i o nw i t ht h em a t r i xo ft e r r a i na n d c l i m a t ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s r e s p e c t i v e l y , r e s e a r c h i nt h ed i s t r i c to fv e g e t a t i o n d i s t r i b u t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lg r a d i e n t s ，r e v e a lt h ee f f e c t so f t e r r a i na n dc l i m a t ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fv e g e t a t i o n s t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o n ，t op r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rn a t u r a l v e g e t a t i o na n d b i o d i v e r s i t yp r o t e c t i o ni nw u y i s h a nd i s t r i c t t h er e s u l t ss h o w , t h ec c ao r d i n a t i o no f 5 k m x 5 k mg r i de e l ii sb e t t e rt h a nl o l a n x l o k mg r i dc e l l t h ec c ao r d i n a t i o no fa r e a m a t r i xi sb e t t e rt h a nl o g i cm a t r i x i nt h ec c a0 r d i n a t i o no f5 k m x 5 k mg r i dc e l lf o rt h e l o g i cm a t r i xo fv e g e t a t i o na n dt h em a t r i xe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s 。t h em a x i m u mi m p a c t f a c t o ri sa l t i t u d e ，i nt h ec c ao r d i n a t i o no f5 k m x 5 k mg r i dc e l lf o rt h ea r e am a t r i xo f v e g e t a t i o na n dt h em a t r i xo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，t h em a x i m u mi m p a c tf a c t o ri ss l o p s t u d yo nt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i so fv e g e t a t i o na n de n v i r o n m e n t a lg r a d i e n ti n d i c a t e dt h a t a l t i t u d e g r a d i e n t i st h ed o m i n a n te c o l o g i c a lg r a d i e n t st od e t e r m i n et h ev e g e t a t i o n d i s t r i b u t i o n ，c h a n g e sa r et a k e np l a c e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fa l t i t u d e ，t h em u l t i p l eg r a d i e n t o fw a t e ra n dh e a ta r ef o r m e d ，c o r r e s p o n d i n gt y p e so f v e g e t a t i o nt r a n s f o r m sa sw e l l b a s e d o na l t i t u d ea n da n n u a l a v e r a g et e m p e r a t u r e ，s l o pg r a d i e n ti st h ed o m i n a n te c o l o g i c a l g r a d i e n t st od e t e r m i n et h ev e g e t a t i o na r e ad i f f e r e n t i a t i o n a l o n gt h ef i r s ta x i so fc c a o r d i n a t i o nc h a r t ，a l lo ft h ev e g e t a t i o nw e r ed i v i d e dt of o u rt a x a s ，r e v e a l i n gi m p o r t a n t e n v i r o n m e n t a lg r a d i e n t sa n de a c ho n eh a si i st a x a - s p e c i f i ch a b i t a tc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：v e g e t a t i o ni nw u y i s h a nd i s t r i c t ，e n v i r o n m e n t a lg r a d i e n t ，c c a ( c a n o n i c a l c o r r e s p o n d e n c ea n a l y s i s ) o r d i n a t i o n ，d i s t r i b u t i o nr u l e so fv e g e t a t i o n i i i _0hf 膏尊 - - 中文文摘 中文文摘 现代社会的快速发展和人们生活水平的不断提高使人类对自然资源的需求正在 逐步的增加，以生态环境为代价来追求经济的发展，造成了生态环境系统的破坏甚 至解体，出现了许多已经看得见的和目前尚看不见的生态危机。人类所处的生存环 境的不断恶化使用人们认识到保护环境的重要性，实行可持续发展与自然界保持和 谐的重要性受到了各国的重视。生态环境与可持续发展存在密切的相关联系，这是 由生态环境功能的不可替代性与不可逆转性决定的。植被作为山地生态系统的重要 组成部分，其结构功能和生态特征能综合反映山地生态环境的基本特点和功能特性， 植被数量分析是现代植被研究的重要手段，它为客观、准确地揭示植被与环境之间 的生态关系提供合理有效的途径。传统的环境梯度分析主要是通过半手工的设置样 地的方式进行，该方法工作量巨大，需要消耗大量的人力和物力，而且容易因人为 的因素影响计算的精度。利用g i s 强大的空间分析功能来进行环境梯度分析不仅可以 提高计算的精度，还可以加快研究的速度。武夷山区地处福建省武夷山市南部、闽 赣两省边界武夷山脉北段的东南麓，是我国东南部主要山体之一，该区是我国中亚 热带森林生态系统中保持比较好的代表性类型，所以其植被与环境的变化问题早就 引起了科学界的关注。近年来，人为活动对其地带性植被的影响较大，生物多样性 降低，景观类型减少快，景观生态功能退化。因此如何更好的保护武夷山区植被受 到政府及广大人民群众的重视。本研究从植被与环境的关系出发，运用g i s 技术和植 被数量分析方法，选取不同尺度的网格单元，分别按逻辑矩阵与面积矩阵方法，将 其与地形和气候环境因子矩阵进行c a 蝴 序，对武夷山区植被进行多元梯度分析， 在此基础上探讨了不同植被类型与海拔、坡度、坡向、年均温和年降水量等五个环 境因子的之间关系，研究该地区植被类型分布与环境梯度之间的关系，旨在全面认 识福建武夷山区植被类型的空间分布与组成结构，以期能够揭示植被类型与环境的 相互关系及影响。主要的研究结论如下： ( 1 ) 武夷山区的生物多样性非常丰富，该区是我国中亚热带森林生态系统的典型 代表。由于人为活动的强烈干扰，该区的原生植被已经受到很大程度的破坏，低海 拔低坡度地区的多数植被已是人工群落。合理开发利用武夷山区的自然资源，保护 生态环境，改善生境和恢复原生生境，对实现生物多样性保护与区域经济可持续发 展具有重要的意义。 一一一一一一一_ 一一一一一一一一一。 v 福建师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过选取不同尺度的网格单元进行c c a 排序表明：对环境因子矩阵和植被 类型逻辑矩阵的c c a 排序，1 0 k m x l o k m 网格单元的前两轴累贡献率为6 9 1 7 ， 5 k m x 5 k m 网格单元为8 5 5 3 ；对环境因子矩阵和植被类型面积矩阵的c c a 排序， 1 0 k m x l o k m 网格单元的前两轴累贡献率为7 2 3 7 ，5 k m x 5 k m 网格单元为8 7 8 9 。 5 k m x 5 k m 网格单元的排序效果优于1 0 k m x l o k m ，植被类型面积矩阵的排序效果优 于植被类型逻辑矩阵。 ( 3 ) 3 s 技术的快速发展和数量分析方法的成熟，将g i s 技术引入到植被分布与环 境梯度之间关系的分析上，应用g i s 的空间分析工具，代替传统的手工操作与计算， 不仅可以节省了大量的人力和物力，提高研究的速度和精度，而且可以为进一步研 究植被与环境之间的关系提供基础数据。本研究运用g i s 技术和数量分析方法，分别 按植被类型逻辑矩阵与面积矩阵方法，将其与所处的地形与气候环境因子矩阵进行 c c a 排序来分析武夷山区的植被分布与其环境梯度之间的关系，得出了各植被类型 分布峰值的环境因子组合区间，反应了植被类型分布的连续性变化及植被类型与环 境梯度的分布规律，分析结果表明它是一种行之有效的方法。 ( 4 ) c c a 排序同时利用了植被矩阵和环境矩阵，将对应分析和多元回归分析相结 合，更好的表达了植被分布与环境因子之间的关系，更详细地研究了植被与环境之 间的关系，在5 k m 5 k m 网格单元的排序中，海拔、年均温、坡度、年降水量对植被 类型分布格局影响大，c c a 排序的第1 轴反映了海拔、坡度、年降水量和年均温的变 异。第2 轴与年降水量的相关性比较高，在中低海拔对植被分布的影响较大，反映了 在中低海拔植被分布受年降水量的限制；坡向对植被类型分布的分异作用不明显。 ( 5 ) 植被的分布变化受到各个环境因子的影响，包括：地形、地貌、气候、土壤、 人为因素等。运用g i s 技术，以植被数量生态学为理论基础，分析植被分布与海拔、 坡度、坡向、年降水量、年均温等之间的关系表明：海拔是影响武夷山区植被类型 分布的主导环境因子，随着海拔高度的增加，年均温和年降水量也发生相应的变化， 从而形成水热因子的复合梯度，随着梯度的变化，植被的类型及分布也发生相应改 变。在海拔和年均温的基础上，坡度对植被类型的面积分异作用最大；武夷山区的 总体上地势由西北向东南倾斜，不同的植被类型适应于一定的坡向分布，因此坡向 的分异作用小。 ( 6 ) 本研究采用g i s 技术和数量分析方法，具有综合空间信息的特点，由排序图 可以直观地表示出各环境因子的作用强度及物种理论空间分布范围。排序的结果体 一、一一一一一一一一- 一一一一一一 中文文摘 现了武夷山区环境的梯度变化，2 8 种植被类型可划分为四个植被类群，包括：低海 拔暖湿型，中低海拔暖温型，中低海拔暖湿型，中高海拔凉湿型，各植被类群都具 有一定的生境特点、需求，通过对武夷山区植被类型与生态环境之间的相互关系全 面了解，可以武夷山区植被生态系统的保护提供相关的信息和参考，具有现实意义。 l 目录 目录 摘! 要 a b s t r a c t 中文文摘 目录。 绪论 1 研究背景及意义1 2 研究现状与进展2 2 1 植被生态学研究进展2 2 1 1 植被数量生态学研究进展2 2 1 2 植被数量分类和排序研究进展3 2 2g i s 技术在环境梯度分析中的应用研究进展4 2 3 武夷山区植被生态学研究进展5 第1 章研究方法与研究方案。 1 1 研究方法。7 1 2 研究内容。8 1 3 技术路线9 1 4 数据来源9 1 4 1 植被数据1 0 1 4 2 地形数据1 1 1 4 3 气候数据1 1 1 5 数据处理。1 1 第2 章研究区概况 1 5 2 1 福建武夷山区自然环境概况1 5 2 1 1 地理位置。1 5 2 1 2 地质地貌概况1 6 2 1 3 气候1 6 2 1 4 ：j 二壤1 6 2 1 5 水文1 7 l x 福建师范大学硕士学位论文 2 1 6 动植物概况1 7 2 2 植被类型整体空间分布概况1 8 2 3 社会经济概况1 9 第3 章武夷山区植被类型与环境梯度的关系分析。2 1 3 1 植被类型与海拔的关系2 1 3 2 植被类型与坡度的关系2 3 3 3 植被类型与坡向的关系分析2 5 3 4 植被类型与年降水量的关系2 6 3 5 植被类型与年均温的关系2 7 3 6 各植被类型的最优环境因子组合区间2 9 3 7 本章小结3 0 第4 章武夷山区植被类型数量分析。 4 1 各环境因子与排序轴的关系分析3 1 4 2 植被类型的空间分布梯度分析3 4 4 3 综合环境梯度与植被划分3 4 4 4 植被类型划分3 5 4 4 1 低海拔暖湿型3 5 4 4 2 中低海拔暖温型3 6 4 4 3 中低海拔暖湿型3 6 4 4 4 中高海拔凉湿型3 6 4 4 本章小结3 6 第5 章结论与展望。3 5 5 1 主要结论3 5 5 2 研究展望3 7 参考文献。3 9 附录。4 5 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果。4 9 致谢5 1 个人简历 福建师范大学学位论文使用授权声明。5 5 ， 绪论 1 研究背景及意义 绪论 现代社会的快速发展和人们生活水平的不断提高使人类对自然资源的需求正在 逐步的增加，自然资源的过度开采和不合理利用导致了自然环境受到了严重的破坏， 以生态环境为代价盲目地追求经济的发展，造成了生态环境系统的破坏甚至解体， 出现了许多已经看得见的和目前尚看不见的生态危机。人类所处的生存环境的不断 恶化使用人们认识到保护环境的重要性，实行可持续发展与自然界保持和谐的重要 性受到了各国的重视。生态环境与可持续发展存在密切的相关联系，这是由生态环 境功能的不可替代性与不可逆转性决定的【。 植被与环境之间的相互作用，群落内种间的相互关系研究是植被生态学的研究 重点【2 j ，研究植被是揭示自然规律的重要手段之一【3 】。植被作为山地生态系统的重要 组成部分，其结构功能和生态特征能综合反映山地生态环境的基本特点和功能特性 1 4 】，山地植被的形成与其所在环境的气候、地形、地质、地貌、土壤、水文等都密 切相关，环境既是群落发生发展的原因，也是群落存在的条件；不同的环境形成了 不同的植物群落类型，其分布特点也不相同f 5 1 。植被数量分析为客观、准确地揭示 植被与环境之间的生态关系提供合理有效的途径，是现代植被研究的重要手段【6 , 7 1 。 传统的环境梯度分析主要是通过半手工的设置样地的方式进行，该方法不仅工作量 巨大，需要消耗大量的人力和物力，而且容易因人为的因素影响到计算的精度1 8 , 9 1 。 利用g i s 强大的空间分析功能来进行环境梯度分析不仅可以提高计算的精度，而且可 以加快研究的速度1 1 。 武夷山区地处福建省武夷山市南部、闽赣两省边界武夷山脉北段的东南麓，是 我国东南部主要山体之一，该区所形成的天然屏障在春夏季阻留了向内陆吹来的湿 润空气，在冬季又阻挡着冷湿气流向东侵入，因而形成了温暖多雨，云雾缭绕，多 种多样的生态环境【1 1 1 。因为该区是我国中亚热带森林生态系统中保持比较好的代表 性类型，所以其植被与环境的变化问题早就引起了科学界的关注1 1 2 1 4 】。近年来，人 为活动对其地带性植被的影响较大，生物多样性降低，景观类型减少快，景观生态 功能退化。因此如何更好的保护武夷山植被受到政府及广大人民群众的重视。 福建师范大学硕士学位论文 本研究从植被与环境的关系出发，运用g i s 技术和植被数量分析方法，对武夷 山区植被进行多元梯度分析，在此基础上探讨了不同植被类型与海拔、坡度、坡向、 年均温和年降水量等五个环境因子的之间关系，研究该地区植被类型分布与环境梯 度之间的关系，旨在全面认识武夷山区植被结构及功能特征，以期能够揭示植被与 环境的相互关系及影响。 2 研究现状与进展 2 1 植被生态学研究进展 植被生态学( v e g e t a t i o ne c o l o g y ) 一词是首先由d m u e l l e r - d o m b o i s 和h e l l e n b e r g 提出1 1 5 l ，但作为- - f 研究植被的学科已经有近两千年的历史，其发展过程 序经历了五个阶段，分别是：萌芽阶段，奠基阶段，成长阶段，发展分化阶段和相 互借鉴共同发展阶段。我国植被生态学的起源虽然很早，在2 0 0 0 多年前的古籍中便 已经有这方面的相关记载。但由于中国封建社会的长期禁锢，以及文化专制制度和 闭关自守政策，古代的植被生态学思想未能促成现代植被生态学的及早诞生，因此 国人把植被作为一门现代科学进行研究开始较晚。 植被生态学的研究重点是植被系统，其根本目的在于研究植物群落与环境间的 相互作用及群落内种间的相互关系1 1 5 l ，植被生态学按研究内容划分包括：群落形态 学、群落生态学、群落生理学，群落动态学、群落分类学、群落分布学等六个方面： 按研究方向划分包括：理论植被生态学、应用植被生态学、数量植被生态学、实验 植被生态学、植被制图学等。6 0 年代以来，由于人口剧增，资源过度开发、环境破 坏严重等问题促进了生态学的大发展，植被生态学因与生物生产力的开发、群落保 护、生物资源的开发利用等问题密切相关，再加上植被生态学在理论上的成熟和3 s 技术的发展及应用，植被生态学在各方面都有了迅速的发展和进步。 2 1 1 植被数量生态学研究进展 植被数量生态学( q u a n t i t a t i v ee c o l o g y ) 是指用数学的方法研究植被、植物群落及 植物种与环境之间生态关系的科学，也叫做植被定量分析( q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ) 或者 植被分析( v e g e t a t i o na n a l y s i s ) ，植被数量生态学是植物生态学和植被生态学的组成部 分【1 6 1 。在植物生态学研究中，往往涉及到大量植被和环境因子的观测数据，单凭直 观的观察和人为的简单综合，不容易看出其内部规律性。数量生态学就是借助数量 2 绪论 分析方法从杂乱的数据中，经过多次运算和分析综合，最后找出植物种、植物群落 和植被与环境之间的内在联系，以更准确的揭示生态规律。 早在1 9 世纪末和2 0 世纪初，描述植被数量特征的一些术语就已经出现，如频度 一词是1 9 0 9 年出现在r a u n k i a e r 论文中的，到t 2 0 世纪4 0 年代数量特征的术语被广泛 地应用。但直到4 0 5 0 年代才将这些数量指标用于数量分析。数量分析方法的发展过 程大致可分为三个阶段m ，第一阶段为起始阶段( 1 9 4 5 1 9 6 4 年) ，在这一阶段，分析 方法以简单的统计学方法为主。第二阶段是大发展阶段( 1 9 6 5 1 9 8 0 年) ，在这一阶段 中，由于计算机技术的高速发展，计算复杂的多元分析方法被引入，克服了简单统 计方法的缺点，促进了植被数量分析的迅速发展，并出现了大量的新方法。第三阶 段主要是应用研究阶段( 1 9 8 1 年至今) ，在第三阶段，新方法产生的数量减少，而更 主要的是将已有的方法应用在实际研究中。国内的植被数量生态学研究起始于2 0 世 纪7 0 年代，在随后的二十几年内，我国植被生态学在分类、排序、生物多样性、种 间关系、生态位、空间格局以及群落演替等方面有很大进展。 2 1 2 植被数量分类和排序研究进展 分类和排序是研究群落生态关系的重要数量方法【1 8 , 1 9 。排序通常用于建立一个 描述植被变异的体系以及探索主导因子，在理论上，排序适用于植被变异连续的地 区，所有的植被变量都是直接显露出来，并且是能够被利用的，个别的一些环境因 子一旦取得，随时能够加以比较( w h i t a k e r , 1 9 8 6 ) 。排序是将样方或植物种排列在一定 的空间，使得排序轴能反映一定的生态梯度，从而能够解释植被或植物种的分布与 环境因子间的关系【硎。 植物群落的分类和排序是植物群落学中最复杂的问题之一，分类和排序是研究 群落生态关系的重要数量方法。早在2 0 世纪3 0 年代，前苏联学者r m e n s k y 便提出了 排序的概念【2 ，并发展了一种简单的排序方法，但是这种排序方法却被限在前苏联 内传播( g r e i g s m i t h ，1 9 8 0 ) l 捌。到2 0 世纪6 0 年代以后，电子计算机技术的快速发展解 决了计算量大的困难，植被数量分析方法逐渐被推广应用【6 l ，并用数量分析的方法 去验证传统研究结果【1 6 ，2 3 1 。随后排序技术有了很大发展，从加权平均排序( w e i g h t e d a v e r a g e ) 、极点排序( p o l a ro r d i n a t i o n ，p o ) 、梯度分析( g r a d i e n t ) 、主分量分析( p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ，p c a ) 、到对应分析( c a r a ) 、除趋势对应分析“d e t r e n d e d c o r r e s p o n d e n c ea n a l y s i s ，d c a ) 1 2 4 1 、典范对应分析( c a n o n i c a lc o r r e s p o n d e n c ea n a l y s i s ， c c a ) i 蚓、以及除趋势典范对应分析( d e t r e n d e dc a n o n i c a lc o r r e s p o n d e n c ea n a l y s i s ， 3 福建师范大学硕士学位论文 d c c a ) f 2 6 】等，这些技术方法己广泛应用于植被研究中，在此发展过程中，相关的研 究者对方法本身的了解也更加的深入，研究精度也逐渐的提高，对植被与环境关系 的分析越来越细峭1 。计算机技术的发展和数量分析方法的增加，出现了许多可以用 于植被数量分析的软件，如：c a n o c o ，c e p ，f u z a k , m v s p ，s y n t a x 等 2 7 】。8 0 年 代以后，植被数量分析作为一个较完整、较系统的学科已进入一个较为成熟的阶段， 新的方法增加数量不多，但发表的相关论文数量仍在大精度增加，数量分析依然是 现代植被研究必不可少的重要手段【6 r 7 1 。 国内植被数量生态学的研究起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代后期【矧，在近2 0 多年的时间内我国生态学者在排序、分类、格局分析、植被和环境关系等方面进行 了大量的应用研究工作，在方法本身的研究中取得了一定成绩，大大推进了该学科 的发展1 2 9 l 。进入9 0 年代以来数量分类和排序被广泛应用于各山地森林、草地、藻类 等各群落的研究中【3 0 。2 1 。此外，植被数量分类和排序还广泛应用于植物群落演替、 植被区划、景观生态学、植被与环境关系分析、动物与环境关系分析等领域【3 3 。3 7 l 。 我国植被数量生态学在过去的2 0 几年里得到了迅速的发展，在植被分析和合理、客 观地揭示植被与环境之间的生态关系发挥着重要的作用。 2 2g i s 技术在环境梯度分析中的应用研究进展 在g i s 应用于环境梯度分析前，以往的环境梯度分析方法主要是通过设置样地来 实现。随着新方法和新技术的不断出现，特别是3 s 技术的发展及应用，景观系统的 定量化分析研究也在不断深入，3 s 技术被广泛地应用于林业资源调查【3 8 】，绘制林业 专题图【3 9 】，植被分类【2 2 , 4 0 1 等方面，3 s 技术在多尺度问题研究与决策中发挥着非常重 要的作用。随着3 s 技术的快速发展，g i s 技术在环境梯度分析中的应用也逐渐增加， 并且在各方面也取得较大的进步，如：刘卫国等( 1 9 9 5 ) 提出了一种在g i s 和r s 支持下 的环境梯度分析方法 9 1 ，李斌等( 2 0 0 3 ) 在g i s 技术支持下，分析了黄土高原地区植被 生态梯度，其研究结果较好地反应了黄土高原高原地区与结构的空间变异特点【4 1 1 。 张利权等应用g i s 技术和景观指数相结合的方法定量分析了上海市城市化的空间格 局，其研究结果表明了上海不同的土地利用类型沿景观格局梯度确实表现出明显的 “空间特征1 4 2 1 。朱晓勤等( 2 0 0 6 ) 利用g i s 技术的支持下，采用1 0 k m x1 0 k i n 的网格 单元对秦岭山地植被类型与环境梯度的关系进行分析，证明了g i s 结合生态数量分 析方法在秦岭山地植被与环境梯度的关系研究中是十分有效的【2 2 删。 4 绪论 2 3 武夷山区植被生态学研究进展 福建武夷山区位于福建省北部，江西省东部，在福建省与江西省的交界处，该 区是我国中亚热带森林生态系统中保持较好的代表性类型。因此，武夷山区植被与 环境的变化问题很早就引起了各界的广泛关注，并且在相关研究取得了很大的进步。 主要的研究内容包括生物多样性【4 4 4 5 】，植被结构【4 6 , 钥，景观格局1 4 8 ，4 9 1 ，森林生态系 统服务功能价值评估【l l l ，植被土壤呼吸【5 1 】，植被保护【5 撕4 l 等方面。近年来，3 s 技术 在武夷山植被研究中的应用也逐渐增加，如：曾宏达等( 2 0 0 5 ) 计算并探讨武夷山森 林主要树种在地形( 海拔、坡度、坡向) 各梯度级的分布比重，其研究结果表明了人 们对森林资源的经营和管理，也对森林的空间分布格局产生较大的影响【5 5 l 。汪荣等 ( 2 0 0 7 ) 在以g i s 技术为基础分析了武夷山区植被景观和地形的总体特征，研究结果揭 示了植被分布在地形上的变异规律【1 4 1 。但在各种参考文献中，将g i s 技术应用于武夷 山区植被与环境梯度分析和植被数量分析的研究报道并不多见。本研究从植被与环 境的关系这一研究热点出发，运用植被数量分析方法和g i s 技术，对武夷山植被进行 多元分析，探讨不同植被类型与海拔、坡度、坡向、年均温和年降水量五个环境因 子的关系；不同植被类型的主要环境梯度运用c c a 数量排序方法，研究该地区植被 类型分布与环境梯度之间的关系，旨在全面认识植被的结构和功能特征，以期揭示 植被与环境的相互关系及影响。 5 福建师范大学硕士学位论文 6 第1 章研究方法与研究方案 1 1 研究方法 第1 章研究方法与研究方案 植物生态学的研究涉及的植被和环境因子的观测数据内部规律性非常复杂，仅 靠直接的观察和简单综合总结很难以揭示植被和环境因子内部的规律性。数量生态 学就是借助数量分析方法从杂乱的数据中，经过多次运算，分析综合，找出植物种、 植物群落和植被与环境之间的内在联系，以更准确的揭示生态规律【1 6 j 。 排序及数学方法提出较早，苏联学者r a m e r i s k y 在2 0 世纪3 0 年代就提出了排序 的概念【5 9 1 ，但直n s o 年代数量生态学才被运用到植被生态学研究领域1 1 6 1 。n 8 0 年代， 植被数量分析已经成为比较成熟的学科，同时新的方法增加速度也变缓。植被数量 分析成为现代植被研究的重要手段，数量分类和排序是现代植被生态学研究最重要 的、应用最广泛的生态学技术1 7 砸】。现有的排序方法已有非常多，从各排序的发展顺 序主要包括：加权平均排序、极点排序、梯度分析、主分量分析、到对应分析、除 趋势对应分析、典范对应分析、除趋势典范对应分析等。随着数量分类和排序的发 展，现在的排序方法已经可以排列植被和环境因子，而不仅仅是样方的排列，可以 研究群落与环境之间的复杂关系，这些排序在植被群落的研究中已经有一些成功的 例子【6 1 石3 1 。 典范对应分析( c c a ) 是e h c r c a 修改而产生的新方法，把c 刚c a 和多元回归分 析方法相结合，将每一步的计算结果都与环境因子进行回归分析，即多元直接梯度 分析，它是专为研究植被与环境的关系而设计的新排序方法i 删，该方法不同于以往 的简单的直接梯度分析，而是结合多个环境因子一起分析从而更好的反映群落与环 境的关系，更详细的研究植被与环境之间的关系。在植被类型数量和环境因子不是 特别多的情况下，c c a 可以将种类排序、环境因子排序及样方排序表示在一个排序 图上，从排序图就可以直观的看出它们之间的相互关系。1 9 8 6 年以来，b r a a k 及其合 作者多次应用c c a l 2 5 , 6 4 】，并取得了较满意的结果，典范对应分析是目前梯度分析技 术中较为可靠适应性较强的一种分析方法。 典范对应分析( c c a ) 结合了对应分析和多元回归，分析过程中要求两组数据矩 阵，一是样方和物种数组成的数据矩阵，一是样方和环境因子组成的数据矩阵，将 7 福建师范大学硕士学位论文 样方排序，种类排序和环境因子排序这三个排序表示在双序图上，箭头表示环境因 子，箭头连线的长度代表某个环境因子与群落分布和种类分布之间相关程度的大小， 连线越长，相关性越大：反之越小。箭头连线和排序轴的夹角代表着某个环境因子 与排序轴的相关性大小，夹角越小，相关性越高；反之越低【6 5 1 。典范对应分析( c c a ) 同时结合了植被因子与环境因子，将样方排序和环境因子排序表示在一个图上，因 此二者之间的关系可以直观地看出。 1 2 研究内容 任何植被的存在都与周围的环境存在着密切的关系，环境不仅是群落存在的条 件，也是群落发生和发展的原因。不同的环境植物群落也不一样，其分布特点也随 着环境的不同而各具特色。同时，群落也影响着环境，决定着环境的许多特征。通 过研究区域内的植物群落的分布、分类、结构和动态等一些基本规律，为区域规划、 环境保护，污染防治，维护生态平衡等各项工作中提供相应的信息和指导。 植物群落内部的生态关系研究、植物群落与环境之间的生态关系研究在植被生 态学的研究中占有十分重要的地位，始终是生态学家所关注的热点问题之一【5 6 5 7 1 。 早在本世纪初，植被与环境的关系就引起了生态学家的关注，在最近的几十年来， 人们用来分析植物群落与其环境之间关系的数量方法可分为两类：一类是多元分析， 一类是植被气候分类系统，并结合数理统计来解释植被和环境的变化【5 踟。随着遥 感和g i s 技术的快速发展，遥感凭借着覆盖范围广、数据可靠性高、实时性强等优 点已经在植被研究的众多领域里作为获取数据的主要手段之一，再结合g i s 强大的空 间分析功能及信息集成的优势，遥感和g i s 技术已成为区域资源和环境的调查、分析 和监测中常用的、有效的手段。 本研究采用g i s 技术和c c a 数量分析方法，通过分析植被分布与海拔、坡度、 坡向、年均温、年降水量等环境因子的关系，研究武夷山区植被的分布规律以期对 其植被的分布特性及生态关系有一个更深入的认识。 8 第1 章研究方法与研究方案 1 3 技术路线 i 植被图 叠 1 年均温图 重加 与 i 枉隗妇县豳 分统 i 牛眸水量= 图i 计 i 海拔图 类分 析 i 坡度图l i l i 坡向图 i o 网武夷山栅格 叠 植被类 格区矢量网格 1r 力口 型与环 图图框图 统 境因子 网格矩 计 阵 l n 植被与武夷山类群环境最适环境 g 环境因区植被梯度与生因子组合 一 排 序 子的相类群划境特点分区间 关性分析 1p 武夷山植物群落与生态环境植被随环境变化 相互关系和作用规律( 结论) 梯度的特点 1 4 数据来源 图1 - 1 论文技术路线图 f i g 1 - lt h et e c h n i q u er o u t eo ft h ep a p e r 植被分布与环境梯度关系分析所涉及的因子众多，利用3 s 为获取数据的手段， 本研究选取了其中几个比较重要的因子，三个地形因子( 海拔、坡度、坡向) 和两个 气候因子( 年降水量、年均温) 进行分析，以g i s 的空间分析功能为获取数据的主要 手段，再利用专业的多变量统计分析软件包进行多种等级特征分析，尝试以g i s 工 具为获取数据的进行定量化分析植被分布与环境因子的关系来解释植被分布的变化 规律。 9 福建师范大学硕士学位论文 1 4 1 植被数据 将2 0 0 5 年的福建武夷山区植被类型矢量图转为栅格图，栅格单元的大小为 1 0 0 m * 1 0 0 m 。研究区域的植被类型包括：亚热带针叶林( 马尾松一灌丛，马尾松一草 丛，黄山松林，杉木林，黑松林) ；毛竹林；中亚热带常绿阔叶林( 甜槠、木荷林、 多脉青冈，米槠、栲树林、闽粤栲、红勾栲，苦槠、青冈栎，其它中亚热带常绿阔 叶林) ；针阔叶混交林( 马尾松、青冈栎、木荷林、甜槠混交林，黄山松、多脉青冈) ； 山地丘陵灌草丛( 包括以鸟饭、继木、芒为主，以映山红、乌饭、芒、芒萁为主和以 桃金娘、黄瑞木、小叶赤楠、五节芒、芒萁为主三类) ；以沼原草、芒、野古草、箱 根野青茅为主的中山山顶草甸；狗牙草等等水生植被：茶园及其它一些经济林；果 园( 龙眼林，芦柑、桔、橙林，香蕉、芭蕉园，李、奈林及其它果园) ；农田植被( 粮 食作物，经济作物，蔬菜及其它作物) ，植被空间分布概况如图1 2 ，图例中植被类 型i d 所代表的植被类型名称详见附录，下同。 孵 2 j 1 2 一1 8 ；嬲f ：z i 笛 = j4 1 l ：13 t - i 1 4：，j j 船“i i 4 2 瓯习 i t r 1 5 蕊 2 1 - i3 l 弋3 7 厂- - q4 3 l 一一j5 i ：1 8 ；“二：o l 豫。- l 。j “ 图1 - 2 武夷山区植被类型图 f i g 1 - 2t h ed i a g r a mo fv e g e t a t i o ni nw u y i s h a nd i s t r i c t l o 第1 章研究方法与研究方案 1 4 2 地形数据 海拔图采用1 ：2 5 万的d e m ，由低到高分为0 2 5 0 m ，2 5 0 5 0 0 m ，5 0 0 8 0 0 m ， 8 0 0 - 1 0 0 0 m ，1 0 0 0 1 5 0 0 m ，1 5 0 0 2 1 9 8 m 。 坡度图采用1 ：2 5 万的d e m 提取，在a r c g i s 中利用s p a t i a la n a l y s t 模块下的 s u r f a c ea n a l y s i s 功能提取坡度( s l o p e ) 并重分类为6 级：0 - 5 。，5 1 5 。，1 5 - 2 5 。，2 5 - 3 5 o ，3 5 4 5 。， 4 5 。 坡向图采用1 ：2 5 万的d e m 提取，同样在a r c g i s 中利用s p a t i a la n a l y s t 模块 下的s u r f a c e a n a l y s i s 功能提取坡向( 舡p e d ) ，坡向包括：1 l ( o - 2 2 5 。，3 3 7 5 3 6 0 。) ， 东= i l ( 2 2 5 6 7 5 。) ，东( 6 7 5 1 1 2 5 。) ，东南( 1 1 2 5 - 1 6 7 5 。) ，南( 1 6 7 5 2 0 2 5 。) ，西南 ( 2 0 2 5 2 4 7 5 。) ，西( 2 4 7 5 - 2 9 2 5 。) ，西：1 1 , ( 2 9 2 5 3 3 7 5 。) ，平坡，并重分类为5 级： 阳坡( w ，s w ) ，半阳坡( e ，s e ) ，半阴坡( w ，间，阴坡 ，m 聊，平坡。 1 4 3 气候数据 年均温和年降水量运用a r c g i s 中的i n t e r p o l a t et or a s t e r 功能对福建省气象站 1 9 8 0 2 0 0 5 年的年均温和年降水量的平均值进行空间插值，栅格大小设置成与植被栅 格图层相同，求得年均温和年降水量的栅格图层，