（草业科学专业论文）贺兰山植物群落的空间分异研究.pdf

贺兰山植物群落的空间分异研究 摘要 山地以其复杂的地形地貌特征和生境的多样性 造就了多样的植被类型及 复杂的生态系统复合体 因此 山地也是历来国内外众多学者研究的焦点 本 文以贺兰山为研究对象 其孤立于荒漠之中 是趋于中生生境的 岛屿 主峰 海拔高度为3 5 5 6 m 相对高度在15 0 0 2 0 0 0 m 以上 故而形成了比较完整的山 地植被垂直带谱 通过2 0 0 6 年及2 0 0 7 年的植物群落调查及其相应地理空间要 素的测定 对贺兰山的植被空间分异规律进行了初步研究 据此 得出以下结 果 1 尽管随着海拔高度的变化 山地植被存在着明显的垂直带谱变化 但在 水平方向上 即由浅山到深山的距离 由于水分状况的梯度差异 植被垂直带 谱上植物群落的分布下限存在着降低的现象 2 本文首次提出 深山度 的概念 并据此定量描述了干旱区山地的 深山 效应 论文认为贺兰山山地植被理想分布模式是在剔除影响山地中气候的各 因素 沟谷开阔状况 下的在水热组合梯度一种渐变上的植物分布理想模式 图 3 贺兰山山地 尤其是浅山区山麓 山脊 坡顶由于独特的地形特征 长 期的水分亏缺 造就山顶 坡脊所具备特殊植物群落类型 呈现山地植被垂 直带谱的倒置现象 关键词 贺兰山 深山度 深山效应 植被 空间分异 垂直带谱 竖型塑业坚一一 s t u d yo ns p a t i a l h e t e r o g e n e i t yo ft h ep l a n t c o m m u n i t ie so ft h eh e l a n m o u n t a i n a bs t r a c t m o u n t a l n sw i t hi t s c o m p l e xt o p o g r a p h yf e a t u r e sa n dh a b i t a t s h e t e r o g e n e i 饥 b e c o m eac o m p l i c a t e de c o s y s t e m c o m p l e x w h i c ha r er i c hi ns p e c i e sa n dv e g e t a t i o n t y p e s i h em o u m a i n sh a v eb e e nt h ef o c u so f r e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h i s p a p e r t a k 船t h eh e l a nm o u n t a i na sr e s e a r c ho b j e c t f o r3 5 5 6 m a b o v es e al e v e la n dr e l a t i v e h 1 曲i nl5 0 0 2 0 0 0ma b o v e t h em o u n t a i nf o r m sar e l a t i v e l y i n t e g r a t e dv e r t i c a l z o n a t l o n t h eh e l a nm o u n t a i n w h i c hi s i s o l a t e df r o md e s e n i sm o r es i l l l i l a r t oa m e s o p h y t i c t i s l a n d s h a b i t a t t h ed r o u g h tw i l lc e r t a i n l yh a v ea n i m p a c to nt h eh e l a n m o u n t a i na n dt h eo u t c o m ei sr e p r e s e n t e do n t h ev e g e t a t i o nt y p e s t h r o u 曲t h ea c t u 酊 t l e l ds u e yo fg e o s p a t i a l e l e m e n t so ft h eh e l a nm o u n t a i ni n2 0 0 6a n d2 0 0 7 w e d i s c u s st h ev e g e t a t i o ns p a t i a lh e t e r o g e n e i t y t h ec o n c l u s i o nf 0 1 1 0 w s j d e s p l t et h ec h a n g e sw i t ha l t i t u d e t h e r ea r ec l e a rv e r t i c a lz o n a t i o n c h a l l g e si n t h em o u n t a l nv e g e t a t i o n b u ti nt h eh o r i z o n t a l d i r e c t i o n t h a ti s f r o ms h a l l o wt od e e p d l s t a l l c e b e c a u s eo fm o i s t u r eg r a d i e n t d i f f e r e n c e s i nt h ev e g e t a t i o nv e r t i c a lz o n a t i o n t h e r ei sal o w e rt h r e s h o l do nt h ed i s t r i b u t i o no f p l a n tc o m 瑚u n i t i e s 厶ln l sa n l c l em s tp r o p o s e s t h em o u n t a i n d e g r e e c o n c e p t a n da c c o r d i n g l y q u 锄t i t a t i v e l yd e s c r i b e st h e r e m o t e m o u n t a i n se f f e c t i na r i d z o n e t h a ti s 舶mt h e e d g et ot h em o u n t a i n o u sh i n t e r l a n d t h ee n v i r o n m e n tg r a d u a l l yc h a n g e s f r o n t h ea r i d t ot h eh u m i d o n t h i sb a s i s t h i sp a p e ra s s u m e st h a tt h ei d e a ld i s t r i b u t i o np a t t e mo f t h eh e l a nm o u n t a i nv e g e t a t i o ni st h ed i s t r i b u t i o no f p l a n t sg r a d u a l l yc h a i l g e sa l o n g t h ec o m b i n a t i o no fw a t e ra n dh e a tg r a d i e n t w h i c he x c l u d e st h e i m p a c tf a c t o r so f c l i m a t ei nt h em o u n t a i n o p e n v a l l e ys t a t u s 3 i nh e l a nm o u n t a i n p a r t i c u l a r l yi n t h es h a l l o wm o u n t a i n o u sf o o t h i l l s t h e n d g e sa n ds l o p et 叩sb e c a u s eo ft h eu n i q u ef e a t u r e so ft h e t e r r a i na n di o n g t 锄 w a t e rd e f i c i tf o r ma s p e c i a lt y p eo fp l a n tc o m m u n i t y t h a tp r e s e n tt h e i n v e n e d 内蒙古大学硕十论文 v e g e t a t i o nv e r t i c a lz o n a t i o n k e y w o r d s t h eh e l a nm o u n t a i n r e m o t e m o u n t a i nd e g r e e r e m o t e m o u n t a i ne f f e c t v e g e t a t i o n s p a t i a lh e t e r o g e n e i t y v e r t i c a lz o n a t i o n 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果 除本文已经 注明引用的内容外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得内蒙古大学及其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 塑笪 圣 指导教师签名 e t 期 逊呈 厶 翌e t 期 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构 部门送交学位论文的复印件和磁盘 允许编入有关数据库进行检索 也可以采用影印 缩印或其他复制手段保存 汇编学位论文 为保护学院和导师的知识产权 作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学 作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果 须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意 若用于发表论文 版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表 学位论文作者签名 重 聋 指导教师签名 日 期 吐壁星 厶 堡 e t 期 内蒙古人学硕士论文 己l 吉 f 习 1 选题依据与研究意义 一直以来 山地以其多样的生境及生物类群吸引着众多学者进行研究 山地生态学研究 是目前生态学研究中受到广泛关注的领域 山地因其复杂的地形 使之在狭小区域中蕴含着 巨大的环境异质性 这种巨大异质性把山地造就为一个复杂的复合生态系统 进行山地生态 系统的研究有助于我们认识生态系统的作用与过程 这是因为一方面小的山地区域明显存在 着各种环境梯度 另一方面这种小区域有着比其它生境更为复杂的小生境 正是基于山地这 些特殊性 使得山地生态的研究有着极其重要的研究意义 贺兰山虽地处干旱区 但因其高达3 5 5 6 m 相对高度1 5 0 0 2 0 0 0 m 以上 故而植物种 类复杂多样 形成了比较完整的山地植被垂直带谱 贺兰山是我国西部重要的气候和植被分 界线 还是连接青藏高原 蒙古高原和华北植物区系的枢纽 特殊的地理位置和地理环境塑 造了贺兰山独特的生物类群 是我国特有植物8 个多度中心之一的 阿拉善一鄂尔多斯多度中 心 1 的核心斟2 1 它也是我国西部干旱区重要的生物资源宝库 约有植物7 0 0 余种 其中 中蒙药材植物1 0 0 多种 国家级和省级保护植物2 2 种 3 山地的复杂性使得对其开展研究 具有极大的挑战性和吸引力 贺兰山是孤立于荒漠之中的趋于中生生境的 岛屿 山体外面 的干旱环境必然对山地产生千丝万缕的影响 山地则千方百计地抵御着 干旱 的入侵 在山 体内部形成中生生境 这样的冲突必然在山地植被中有所反映 影响植被的空间分异 揭示 这种植被空间分异的规律性是本文所期望的目标 本项研究对于山地植被生态学与贺兰山山地植被保护具有一定的理论和应用价值 2 国内外研究进展 2 1 贺兰山植物研究进展 贺兰山的植物研究一直倍受世人关注 早在1 9 世纪 先后有俄国探险家普热瓦尔斯基 p r z e w a l s k i 1 8 7 0 1 8 7 3 波大宁 gn p o t a n i n 1 8 8 4 1 8 8 6 地理学家柯兹洛夫 k o z l o v 1 8 9 3 1 8 9 5 瑞典地理学家斯文赫丁 a n d e r ss v e nh e d i n 1 8 9 3 1 8 9 7 等学 者 探险家来该地区考察和探险 2 1 从2 0 世纪中叶至今 对该地区的植物研究更加活跃 在高等植物区系与分类 2 扣1 低等植物区系 1 2 1 4 1 取的了许多研究成果 而贺兰山植被研究 工作也很多 近年来也取得了较大的研究进展 3 1 川引 这为本文贺兰山植物群落分布格局研 内蒙古人学硕 论文 究奠定了基础 2 2 山地生态学研究进展 山地是指具有一定海拔高度 相对高度和坡度的地面 l9 1 山地一般由山峰 山脊和沟谷 组成 山地不仅是地貌类型也是由许多生态系统组成的景观 山地是 陡坡 与高地并列的单 独或串联的景观单元 是人类利用和适应的边际性地区 2 0 1 广义的山地包括高原 山间盆 地和丘陵 狭义的山地仅指山脉及其分支 全球山地面积占陆地面积的1 1 6 有1 1 l 的人 口居住在山区 2 5 的人口靠山地资源为生 大部分国土系山地的国家有2 0 余个 我国是一 个多山的国家 山地 含高原 丘陵 面积占国土面积的2 3 山区人口占全国人1 2 1 的1 5 2 1 1 山地是一个生态复杂系统 具有特定的结构和功能 拥有丰富的生物多样性资源 水资 源 旅游资源和矿产资源 对一个国家 民族和地区的经济和社会发展至关重要 开展山地 生态学研究对阐明山地系统的结构与功能 现象与过程 以及对于合理开发 保护和利用山 地资源都有重要的意义 英国生态学家m y e r s 等提出了全球1 8 个森林生物多样性保护的 热点 区 仅占陆地面 积的0 5 却有地球上2 0 的植物种 且大都位于山区 1 9 9 8 年由北京大学城市与环境学 系陈昌笃先生主持的 中国生物多样性国情研究报告 提出了中国1 7 个具有全球意义的生 物多样性保护关键区域 其中1 1 个在山区 山地生态比较脆弱 在全球环境变化背景下 这里受到的影响更大f 2 2 独有的地形地貌 特征 急剧的环境变化 造就了山地小生境的多样性 进而导致山地景观尺度的狭小与景观 的复杂 随着山地资源被无节制的开发利用 人口的迅速增长 山地的生态环境遭到空前的 破坏 其在世界范围内正在萎缩 从阿尔卑斯山脉到安第斯山脉均面临着生态危机 如 尼 泊尔 3 0 年中森林覆盖率减少了1 2 山坡上的滑坡活动和土壤侵蚀日益严重 非洲山地和 高原也由于无计划的土地利用 森林大片破坏 导致严重的水土流失 成为该地区生产力发 展的主要威胁和人民贫困的主要原因之一 2 3 安第斯山由于人口的大量增加 不合理地利用 土地 引起严重的水土流失和土地退化 造成小型水库的强烈淤积和农业的减产 2 4 1 我国面 临的山地生态问题也十分严峻 森林面积目前只有0 5 按航片测算仅8 9 1 2 5 1 当今世界最紧迫的问题是生态问题 而山地和高原又是生态系统中最为重要的部分 与 平地相比山地的环境要脆弱得多 在人口稀少的过去 山区的人与自然保持着均衡和和谐的 关系 创造了星球上最为协调的景观 2 6 1 有人称山地为 生态源 2 7 近年来山地的作用突显 出来 人们对山地的研究也更加深入 取得了很多研究进展 2 内蒙古人学硕 1 二论义 2 2 1 山地植被研究进展 1 8 世纪木一1 9 世纪初 德国人a y o nh u m b o l d 在1 8 0 7 年 关于植物地理学的概念 一 书中根据植物的指示性 按海拔高度将南美的赤道安第斯山的植被景观进行划带 拉开了近 代山地植被研究的序幕 继而 美国人m e r r i a m 于1 9 世纪后期也在亚利桑那州的 h u m p h r e y s 地区的考察中 以动植物的分布格局为标志划出6 个随纬度增加和海拔上升而变 化的生命带 俄国人道库恰耶夫 v a s i l iv a s i l i e v i c hd o k u c h a e v 1 8 9 8 年提出了自然地带学 说 对世界自然景观的水平和垂直分异规律做了理论表述 另外 1 9 世纪中后期k o m e r 等 人在阿尔卑斯山也进行了高山植物的生理生态学研究 2 0 世纪3 0 年代以来苏俄学者一直致力于中亚和高加索山地高山植物的水分和c 0 2 交换 的研究 2 引 1 9 6 7 年h o l d r i d g e 的生命带的划分 同时考虑了热量 降水和湿度对动植物的 影响 且生命带的命名是基于每一气候类型的优势植被和该带的动物 他划分出5 个纬度生 物气候区和5 个高度气候带 如低山山前带 山地带 亚高山带和冰雪带 1 9 6 3 年苏联地 理学家全面系统地论述了自然地带系统 将垂直气候带划分为海洋性和大陆性两个类型 是 对山地垂直带地理规律的理论概括 t r o l l 在2 0 世纪6 0 7 0 年代 从地生态学和植物地理学 角度对全球植被与三维气候的关系进行了深入分析 尤其是对南半球和热带山地垂直带进行 了系统总结 1 9 7 9 年w a l t e r 在它的世界植被中提出了山地生物群区 o r o b i o m e 的新概念 首次从全球角度论述了山地生物群区与水平地带生物群区的差异 强调山地是陆地生物圈的 三维生态实体 1 9 9 6 年b a i l e y 的 生态系统地理学 e c o s y s t e mg e o g r a p h y 一书中对多 尺度生态系统进行了地理学概括 为生态系统管理提供了一个地理学框架 1 9 9 7 年奥地利 生态学家t r a n q u i l l i n i 的 高山林线的生理生态 p h y s i o l o g i c a le c o l o g yo ft h ea l p i n e t i m b e r l i n e 一书在高山林线的生理生态研究中起着开拓作用 2 2 2 山地气候的研究进展 国外学者开展了较多山地生态效应的研究 主要集中在山地的气象因子的太阳辐射研究 方面 太阳直接辐射随海拔升高逐渐增加 但净辐射则由于高海拔冰雪的增加而减少 2 引 b a r r y 等 3 0 在欧洲阿尔卑斯山的研究表明 当海拔由2 0 0 m 升高到3 5 0 0 m 时 u v b 在夏季 增加1 0 0 而在冬季增加2 8 0 d o z i e r 和o u t c a l t1 3 1 发展了利用数字高程模型 d e m 模拟 太阳辐射的方法 m i c h a e le m 认为山地的许多相关特征可以作为环境变化和生态退化的指 示 长时间的生态水文过程和全球变化冰雪指示调查 构建不同山地生态系统和河流盆地间 3 内蒙古人学硕 论文 的相互天系的区域模型 对监测全球变化有重要的意义 t h o r n t o n 和r u n n i n g1 3 2 j 对 m t c l i m 作了修改 第一次同时考虑了时间 空间变化对总透射的影响 将海拔高度 每 日温差等因子对太阳辐射的影响参数化 并提出在模型罩应用湿度一辐射循环模式来加以修 正 使模型能够应用在更广泛的区域 最近 t h o r n t o n 等又将地平面角 积雪的影响加以参 数化 使得山地小气候的太阳辐射模拟同益完善 坡向的变化反映了环境中光照的强弱变化 3 3 山地的阳坡较阴坡接受的太阳辐射和日照 更多 致使阳坡地气温一般要高于阴坡 而且随纬度和季节的不同而各异 通常高纬度阳坡 与阴坡温差大于低纬度 冬季温差大于夏季 这是由于高纬度或冬季阳坡和阴坡的太阳辐射 和日照强度差异较大 同时该条件下阴坡受冷空气的影响程度更强 从而造成温差更加显 著 面向湿润气流的山地迎风坡 由于湿润气流沿山坡上升 随着气温降低 容易凝云致 雨 所以降水较多 形成 雨坡 背风坡空气顺山坡下沉 气温升高 而且气流较迎风坡变 得干燥 不易形成降水 成为 雨影区 如马达加斯加岛东部处于面向来自印度洋的东南信 风的迎风坡 降水丰富 形成热带雨林气候 而西部处于背风坡位置 降水较少 成为热带 草原气候 再者 澳大利亚大分水岭及我国台湾山脉东侧降水多于西侧 南美洲安第斯山脉 南段西侧降水多于东侧 都是迎风坡与背风坡降水差异的缘故 但是 如果湿润气流与山脉 走向平行 则山脉两侧降水差异较小 如欧洲阿尔卑斯山脉为东西走向 处于西风带内且与 盛行西风平行 因而其南北坡降水量差别不大 山地迎风坡降水量是随高度增加而发生变化 的 由山麓向上 降水量随高度增加而递增 到一定高度降水量达最大值 过此高度后 降 水量则随高度增加而递减 一般情况下 气流温度越高 越容易成云致雨 最大降水量的高 度越低 反之 气流温度越低 则其最大降水量高度越高 在山区 地形地貌是产生各种山地生态现象和过程的最基本因素 其他因素由此衍生而 成 地形主要包括海拔高度 坡向 坡位 坡度 起伏程度等要素 它们通过改变地表的 光 热 水 土 肥等生态因子而对植物和植物群落的分布产生作用 1 太阳辐射 黄雪樵掣3 4 1 李新等 都曾在g i s 支持下模拟太阳辐射 都取得较理想 的结果 沈泽吴等 3 6 认为坡向的变化反映了环境中光照的强弱变化 山地的阳坡较阴坡接受 的太阳辐射和同照更多 引起温度变化 进而引起阴阳坡的水分条件差异 2 温度 傅抱璞 3 7 提出了比较完整的山地气温模拟方法 分离一综合法 指出两地 的温差应等于分别由纬度 经度 宏观地形 其它大自然环境 局地海拔高度和局地小地形 所引起的温差之和 并且把分别由纬度 经度 宏观地形和其它大自然环境引起的温差合并 为宏观地形温差 同时还给出如何利用附近站点气象资料确定分别由宏观地形和小地形引起 4 内蒙古人学硕l 论文 温差的修正值的方法 虞静明等 3 8 l 还提出山地温差与经纬度非线性关系的拟合公式 并应用 于福建和云南山区 结果也比较可靠 袁德辉等 3 9 对县级山区月平均温度的研究表明在较小 的区域里月平均温差主要是受海拔高度 小地形条件和其它各种因素 如土壤 植被及某些 随机因素等 的影响 李军等 4 0 1 列举和讨论了我国在山区气温推算方面一些有代表性的方法 和相关文献 并重点分析了地理信息系统技术在山区气温推算中的应用 3 水分 在山区中 随着海拔的升高 降水量和降水强度都是逐渐增加的 但在海 拔足够高的山体中 降水在某一高度达到一个极大值 这一高度即最大降水高度 傅抱璞 2 2 1 根据这一特点 提出了著名的推算山地降水的最大降水高度法 最大降水高度的高低主要与 气候干湿有关 一般是气候越湿润的地区 最大降水高度就越低 相反 越干旱的地区 最 大降水高度就越高 4 土壤与养分 沈有信等 4 1 1 对云南东部3 个不同岩溶地点3 种植被类型下的土壤中 的种子进行萌发实验研究 结果表明所有土壤的种子在水平方向上的分布差异巨大 种子密 度随土层的深入而减小 次生林的减小趋势小于退化草地 垂直方向上的这种梯度差异可能 与土壤的物理性质有关 次生林的土壤由于有机质含量高而使土壤的疏松程度高 有利于种 子在土壤中的移动 对山地气候中小尺度的模型模拟可谓种类繁多 方法多样 其中包括年 月 日各种时 间尺度下对不同气候类型的山区小气候的模拟 且由于实际工作的需要各种模型的侧重点也 不同 但总的来说其共同特点为 区域性强 经验性大 普适性 理论性 差 随着研究的深 入 技术手段的提高为实现多气候因子的整合研究提供了技术支持 汤国安等 4 2 1 数字高 程模型及地学分析的原理与方法 一书运用d e m 对山地的三维可视化及太阳辐射温度降水 等气候因子进行了详细的研究 与此同时 山地植被与气候因子的耦合研究也成为山地研究 的重要发展方向 2 2 3 植被与气候耦合研究 地形是环境状况的一种综合反映 同时又在空间上表现了直观的梯度特征 已有的研究 表明 海拔 坡向和坡度是具有显著生态学效应的小地形特征指标 且相互间没有显著的相 关性 4 3 1 山地地形的某些因素如海拔高度 坡向等通过对水热条件的重新组配 在植物和植被的 空间分布方面起着十分重要的作用 尤其在干旱地区表现的更突出 其中除因海拔高度不同 导致植被出现垂直带现象外 坡向是另一个对植被的空间分布产生重要影响的地形因素 田 5 内蒙古人学硕i j 论文 连恕 1 1 7 海拔由低到高的变化指示了由高温到低温的温度梯度 娄安如等人研究了天山中 段主要植被类型中种群的空间分布格局与环境的关系影响 结果表明 天山北坡荒漠植物种 群空间分布格局的主要因子是海拔 温度 降水和土壤中的n 和c a c 0 31 4 4 1 植物的格局与地形地貌导致的资源的重新分配及不均之间的量化关系的研究的确重要 山地的地形地貌对于动植物的可利用资源的重新分配以及这些资源重新分配量的大小是否是 动植物分布格局形成的最根本的机制 此机制是否也可以在更大尺度的地域范围适用 这应 该需要我们进一步研究的问题 在植物种群生长环境中 由于坡向的不同 其光照强度 土壤湿度 温度环境 土壤有 机质含量等外界物理条件也各不相同 而这些条件正是植物种群生长发育的基本条件 因此坡 向是影响植物种群生长和分布的一个重要因素 王襄平与张玲 4 5 通过研究我国高山林线的分布高度沿纬度 经度的变化格局 和对高山 林线处的温度和基带降水等气候指标的分析 对我国高山林线分布高度与气候因子的关系进 行探讨 结果表明 1 我国高山林线高度表现出明显的纬向和经向变化 2 影响高山林线 高度的主导气候因子为生长季温度条件 3 降水对高山林线高度有显著影响 在中高纬度 地区 相同纬度上干旱区域的高山林线高于较湿润区域降水量是通过温度间接作用于林线高 度的 丁贤荣 4 6 根据高山上云 雾 雨 雪 径流等水资源丰富现象 分析了高山冰川 植 被 地形等与汽 水作用关系 提出高山增水效应概念和高山区水资源开发与保护的新思 路 高大山体及其造成的垂向对流 高山冰川和高山植被共同作用形成了高山增水效应 并 形成良性增水系统 山体愈高大 增水效应愈明显 对内陆干旱地区开发利用更多的高山水 资源具有意义 3 主要研究内容 山地生态学的研究前景广阔 山地研究已近积累了许多重要的原始资料和研究成果 作 为山地生态研究的人员可以结合新兴的3 s 技术及d e m 数字高程模型 对山地做出更加翔 实或更为精细的研究 全球变化对山地生态系统的影响 人类活动对山地生态系统的影响及 山地利用的可持续性的研究等 都是最近几年的研究热点 山区是人类与自然关系较为紧张 的区域 正确认识山地环境特征 保护山地生态完整性 有助于更好地维护山区经济和社会 可持续发展 本文试图从山体远离山外干旱环境的程度与植物群落分布以及组成的关系的角度来探讨 植被随着从山外深入到深山过程中发生变化的过程 了解山地植被在不同生境序列中的梯度 6 内蒙古人学硕一f 论文 变化 以修正以前的山地植被垂直带谱中未能表现出在同一高度上因远离山外程度不同而出 现不同植被现象所导致的不足 7 1 研究区地理位置 第一章研究区概况 如图1 所示 贺兰山地处宁夏回族自治区与内蒙古自治区阿拉善盟之间 位于e 0 5 4 0 川1 0 64 0 n3 8 3 l 3 9 3 1 之问 主体占土地面积3 9 2 91 3 2 平方公罩 3 9 2 0 1 9 4w 3 8 o 4 0 懈 2 0 图1 贸兰 地理位置与地势图 f i gi t h e m a po f p o s i t i o na n d t o p o g r a p h y o f h e l a n m o u n t a i n s 内蒙古人学硕l j 论文 2 地质 地貌 贺兰山为一地垒式山地 山地东西麓均有巨大的山前断裂带 其地质基础是由一系列南 北走向的复式或单式褶皱及压性断裂带构成的径向构造体系 与南部的牛首山断褶带 清水 河 六盘山断褶带 罗山 云雾山隆起带等构成 祁吕贺 山字形的脊部 构造形迹是一系列背 向斜和断层 由于新华夏系的干扰 其表现比较破碎 贺兰山地层发育比较齐全 化石也较丰富 据1 9 8 0 年 西北地区区域地层表 宁夏回族 自治区分册 所载 4 7 1 自古生代至第四纪地层大都完备 仅有极少缺失 贺兰山在地貌形态上东仰西倾 形成东坡有众多古老岩层出露的断崖 岩石壁立 远比 西坡险峻 由于内外营力作用的差异 使贺兰山北 中 南各段在地貌形态上存在着很大的 不同 北段山体最宽处约6 0 k m 海拔一般不超过2 0 0 0 m 主要由花岗岩组成 边际有少量沉 积岩 物理风化强烈 形成球状风化地貌 北部接近乌兰布和沙漠 在平缓坡地或低洼地以 及迎风面的缓坡上 有厚薄不等的中细沙堆积 形成平铺沙地或沙丘 中段是贺兰山主体部分 海拔3 0 0 0 m 左右 最高峰俄博疙瘩即在此段中部偏南处 这 里山体庞大 地势陡峻 峰峦起伏 峭岩危耸 沟谷下切很深 海拔2 0 0 0 m 上下有一段相 对较平缓的山坡 出现小型山沟洼地或山间平台 山坡风化物较厚 甚至出现小型山间积水 洼地 北宽南窄 宽度2 0 k m 3 0 k m 本文主要以此段为研究对象 南段以牛首山为主 海拔一般在1 5 0 0 米以上 地势起伏缓和 最高峰海拔1 7 8 0 米 海 拔1 5 0 0 米以下为低山丘陵 地势起伏更缓 贺兰山沟道极为发育 多数自西向东延伸 呈梳篦状分布 一般在中 后部沟道下切较 深 呈 v 字形 下部沟道则较为宽阔 砾石遍布谷底 3 气候 水文 贺兰山深居内陆 温湿的海洋性气流至此已是强弩之末 极少能成云致雨 但西北来的 干冷气流却活动频繁 因此贺兰山处在典型大陆性气候区域范围内 虽然本区全年干燥少 雨 寒暑变化剧烈 日照强 无霜期短 但因贺兰山海拔高 具有山地气侯特征 贺兰山南北段基带的年平均温度差别不大 但从基带向高山则表现出明显的递减 由下 部的8 5 降至2 9 0 0 m 的 0 8 c 平均每升高l o o m 温度下降o 6 2 气温的年 日变化也 比较大 山麓平均年较差3 2 左右 日较差9 c 左右 高山地带的年较差为2 6 左右 日 9 内蒙古人学硕i j 论文 较差为8 c 左右 由此可见 无论是气温的年变化还是几变化均由低山区向高山区逐渐趋于 缓和 贺兰山日照充足 热量资源比较丰富 年平均同照在3 0 0 0 h 以上 历年平均气温稳定 1 0 的日数高山站为3 8 2 d 积温4 7 8 c 而银川从4 1 0 月平均气温稳定 1 0 的天数 为1 7 2 d 积温3 2 9 8 1 平均无霜期1 2 2 1 7 0 d 贺兰山的降水量具有明显的垂直分异现象 平均每上升l o o m 降水量增加1 3 2 m m 降 水的年际变化很大 山体上部丰雨年其降水量可达6 0 0 m m 欠雨年则不足2 0 0 m m 其变率 在3 o 以上 降水的年内分配也极不均匀 全年降水量的6 0 8 0 集中在6 8 月份 但随 海拨升高年内降水分配趋于均匀 水面蒸发量的多年平均值在2 0 0 0 m 以上的中山区为9 0 0 1 0 0 0 m m 浅山及冲积扇为1 0 0 0 1 2 0 0 m m 南北段的低山区为1 2 0 0 1 4 0 0 m m 由于年蒸发 量与年降水量的巨大差值 因而空气经常很干燥 从中段高山到南北段的低山和东部坡麓 干燥度由2 0 增加到8 0 贺兰山多风且风速较大 山体上部尤为如此 主风向在山体上部为偏西风 中下部为偏 北风 随海拔升高大风曰数增多 由平均5 4 d 增到1 5 8 d 一般刮7 8 级以上大风的日数每 年有2 4 d 左右 贺兰山内的河流大部分为季节性河流 以大气降水为河流主要补给源 因此 河流冲刷 侵蚀强度随河流水量季节性变化而变化 在冬季 大部分河谷断流 流水侵蚀强度降至最低 点 在夏季 尤其在暴雨汛期 水量大增 河水暴涨 坡大流急 侵蚀冲刷强度甚大 经常 会在河谷中堆积大量巨石和砾石 贺兰山大多数沟道 仅在中段沟道水质很好 p h 值7 5 左右 矿化度不高 为轻度软 水或适度硬水 适宜饮用 北段沟道水质状况复杂 除少量可饮用外 大部分沟道或区段水 质差 仅可供林牧业和农田灌溉用 4 土壤 贺兰山随海拔高度的变化 其水热条件发生明显的规律性更替 所发育的土壤也各不相 同 贺兰山自下而上出现以下主要土壤类别 1 粗骨土 粗骨土是以石砾为主 土石混合的一种非地带性 隐域性 土壤 分布于 低山区中段的陡坡和北段各坡面上 主要生长着灰榆 u l m u sg l a u c e n s 锦鸡 i c a r a g a n a s p 猫头刺 o x y t r o p i sa c i p h y l l a t f l 铁杆蒿 a r t e m i s i ag m e l i n i i 坡度平缓处有针茅 s t i p as p 生长 2 山地灰钙土 灰钙土是荒漠草原气候带的一类地带性土壤在贺兰山分布于海拔 1 0 内蒙古人学硕i 论文 1 4 0 0 1 9 0 0 m 的浅山和山麓地带 汝箕沟以北可达2 0 0 0 m 的高度 主要有灰榆 蒙古扁桃 a m y g d a l u sm o n g o l i c a 锦鸡儿 猫头刺 铁杆蒿 灌木亚菊 a y a n i a f r u t i c u s a 和针茅等 3 山地狄褐土 山地灰褐土为森林土壤 主要分布在中段山地海拔1 9 0 0 3 1 0 0 m 的阴 坡与半阴坡 阳坡也有小面积的分布 坡度为3 0 0 左右 在地形缓和 林木茂盛 气候湿润 的小环境f 分布高度可下延到1 9 0 0 m 以下 山地灰褐土包括山地淋溶灰褐土和山地普通 灰褐土两个亚类 山地淋溶灰褐土分布在海拔2 4 0 0 3 1 0 0 m 的高度范围 地面生长着油松 e i n u s 细6 肠咖朋括 林和油松 山杨 p o p u l u sd a v i d i a n a 混交林 4 山地草甸土 山地草甸土是贺兰山高山灌丛 高山草甸植被下发育的土壤 分布于 海拔3 0 0 0 3 1 0 0 m 以上 即贺兰山主峰一带由于地形较为平缓 温度低 降水量多 土壤的 相对湿度大 主要植物有高山嵩草 k o b r e s i ap y g m a e a 高原嵩草 k o b r e s i ap u s i l l a 高 山柳 s a l i xo r i t r e p h a 鬼箭锦鸡儿 c a r a g a n aj u b a t a 自蒙古大学 i 论女 第二章研究方法与数据处理 1 野外的群落数据采集 作者于2 0 0 6 与2 0 0 7 年7 8 月对贺兰山东坡的甘沟 小口子沟 大口子沟 苏峪口 沟 贺兰口沟及西坡的峡子沟 雪岭子沟 哈拉乌北沟 证沟 北寺沟 古拉本沟总计1 1 条沟谷的植物群落进行宴地调查 总调查点的数目为3 7 4 个 图2 群落调查点分布图 f i 9 2 t h ed i s t r i b u t i o n m a po f s u r v e yp l o to f p l a mc o m m u n i t y 内蒙古大学硕l 论文 2 影像数据与d e m 数据及处理 d e m 数据为覆盖贺兰山j 4 8 e 0 0 5 0 1 0 0 1 0 0 1 5 的3 6 幅l 5 万比例尺 2 5m 栅格分辨率的g r i d 格式 在地理信息系统软件a r c g i s 软件包下的a r c t o o l b o x 下进行拼接 处理 在空间分析 s p a t i a la n a l y s t 模块中s u r f a c e a n a l y s i s 工具生成贺兰山的坡度 坡向 和等高线图 影像为2 0 0 7 年8 月份两景s p o t 5 数据 具有一个2 5 米分辨率全色波段和3 个1 0 米分 辨率波段 轨道号2 5 9 2 7 1 和2 5 9 2 7 2 运用p c ig e o m a t i c a 8 2 软件包下g c p w o r k s 模块 对 全色波段数据通过进行几何校正并与多光谱数据进行配准 再对其进行多波段的的数据融 合 而后在p c ig e o m a t i c a 8 2 软件包下o r t h o e n g i n e 模块 以d e m 对融合后的影像进行正 射校正 生成影像正射遥感影像图 3 植物群落调查方法 在2 0 0 6 年与2 0 0 7 年的7 8 月间 在贺兰山的考察中 共调查群落样方草本样方2 2 2 个 乔灌木样方1 6 7 个 3 1 草本群落 对于每一个样地 做1 0 个l x l m 2 记名样方 并记录各个物种分盖度及群聚度 草本群 落调查中 采用多优度和群聚度相结合的打分法和记分法 对群落进行群落的特征描述和度 量 多优度 即盖度 多度级 划分6 级 盖度大于7 5 的为最高级 记为5 盖度5 0 7 5 之间 记为4 盖度在2 5 5 0 之间 记为3 盖度在5 2 5 之间 记为2 盖度 5 以下或数量尚多 记为1 极少的记为 群聚度 分5 级 集成大片背景化的记为5 小群或大块 记为4 小片或小块 记为 3 小丛或小簇 记为2 个别散生或单生记为1 3 2 乔 灌木群落 乔 灌 木群落样方面积1 0 x 1 0 m 2 5 x 5 m 2 记录每一个植物的高度 胸径 冠幅 等 记录林下草本植物种类或通过草本群落的样方法进行调查 4 植物水分生态类型的划分及各水分生态类型的比例计算 参照中国科学院内蒙古宁夏综合考察队1 9 8 5 年的 内蒙古植被 划分植物的水分生态 1 3 内蒙古大学硕t 论文 类型 分为水生植物 湿生植物 中生植物和旱生植物 1 水生植物是指物体的全部或一部分淹没在水中而j 下常发育的植物 2 湿生植物是生于沼泽湿地或潜水中 也就是水分供应很充沛的在生境 3 旱生植物是能够耐受较长期 较严重的水分亏缺 具有明显的旱生结构和生理特性 通的植物 常多生于水分不足或不易获得水分的生境中 按照对水分状况的不同适应程度划 分为中旱生 典型旱生 超旱生等次级类型 中旱生植物在森林草原带出现的最多 是草甸 草原的建群植物或优势成分 典型旱生植物是草原植被及沙生植被的基本成分 超旱生植物 是强度耐旱的植物 分布在最严酷的干旱荒漠地区成为荒漠植被的基本成分 4 中生植物是在水量适中的条件下形成的的生态类群 不能抵抗强烈的干旱 一般也 不能忍耐过量的水淹 按照对水分的适应程度不同也划分为湿中生 典型中生 旱中生等次 级类型 湿中生植物是中生略偏湿生的植物 多为沼泽草甸成分 典型中生植物是森林 中 生灌丛的优势种 草甸植被的基本成分 旱中生植物是中生略偏旱生的植物 具轻微的耐旱 的适应性 以中国科学院内蒙古宁夏综合考察队1 9 8 5 年的 内蒙古植被 和内蒙古植物志编辑委 员会1 9 9 8 年的第二版内蒙古人民出版社出版的 内蒙古植物志 第一 二 三 四 五卷 给出的植物水分生态类型为准 对植物群落中各水分生态类型植物比例的计算 某一水分生 态类型的比例 群落中某一水分生态类型植物的种数 群落中全部植物种数 5 深山度 在干旱区 植物群落在山的不同深度处由于环境的变迁 环境向湿润的方向发展 植物 群落由旱生的群落类型向中生性的群落过渡 群落中植物也就因为环境的湿润而使得中生植 物的比例增加 我们把这种现象叫深山效应 为了度量深山效应 定义山外基带的距离为 0 我们以到最近的山外基带的距离与阳坡中生植物 所有的中生类型 旱中生 中生和湿 中生 的乘积来表现这种变化 称之为深山度 深山度的如下表示 深山度 距山外基带最短距离 阳坡群落中中生植物的比例 6 开敞度 沟谷开敞度就是沟谷的视角大小 可以用坡度百分比来表示 沟谷的底部到山脊的的垂 直高差除以水平距离再乘以1 0 0 坡度百分比越大说明开敞度越小 1 4 内蒙古大学硕i 论文 7 j a c c a r d 指数 用来表示群落的相似性 群落相似性越大说明环境越相似 c i c a b c 式2 7 c i 为相似系数 a b 为两群落的物种数 c 为两群落其有的物种数 8 距离测定 通过a r c g i sd e s k t o p 平台的a r e m a p 模块t o o l s 工具下的m e a s u r e 进行距离丈量测定 9 植物群落下限与上限的确定 以实际调查的植物群落分布为主 结合利用d e m 数据生成等高线图与2 0 0 7 年s p o t 5 影 像数据距叠加 同时把各采样点数据以e x c e l 格式叠加到s p o t 5 遥感j 下射影像上进行植被的 辅助判别 分析样方数据所在遥感影像上的特征色谱信息 进行目视解译与调查相结合的方 法确定群落在不同深山处的分布范围 1 5 内蒙古人学硕士论文 第三章结果与分析 1 植物群落随距山外距离的变化 本研究对贺兰山贺兰沟 苏峪沟和庆沟等十余条沟谷进行了调查 以距山外的距离为调 查标准 并且选择坡向相同的群落作对比分析 分别对贺兰山山地阴 阳两坡的植物群落特 征进行分析 得到如下结果 1 1 贺兰沟 贺兰沟位于贺兰山东坡中段 山长沟深 呈西北一东南走向 最高海拔3 2 0 0 余米 在此 沟调查距离为6 8 0 0 m 在调查范围内主要群落类型有 杜松 j u n i p e r u sr i g i d a 紫丁香 s y r i n g ao b l a t a 一金老 梅 d a s i p h o r ap a r v i f o l i a 灰榆 术叶菊 s y n o t i sa t r a c t y l i d i f o l i a 金老梅一铁杆蒿一阿拉善鹅观草 p s e u d o r o e g n e r i aa l a s h a n i c a 蒙古扁桃 白羊草 b o t h r i o c h l o ai s c h a e m u m 朝阳芨芨草 a c h n a t h e r u mn a k u i i 油松 灰榆 蒙古扁桃 朝阳芨芨草 油松等群落 群落类型的变化 以阳坡为例 山外为白羊草群落 海拔1 4 8 1 m 在距山外2 4 0 0 m 处为灰榆群落 海拔1 6 5 4 m 在距山外6 8 0 0 m 处为蒙古扁桃群落 海拔1 8 3 0 m 群落性质的变化 植物群落由混有超旱生植物的中旱生白羊草建群的草本群落 转变为 旱生性质的乔木层灰榆建群 草本层白羊草建群的混生群落 进而转变为超旱生灌木蒙古扁 桃建群的灌木群落类型 群落中各