基于游憩分割窗技术的长白山北坡植被带交错带植被识别

基于游憩分割窗技术的长白山北坡植被带交错带植被识别

1立地条件和群落交错带的交错带位置和宽度在植被生态学中，有一种观点认为植被交错带是快速发展和连续的。对于群落交错带的明显与否仍然是地植物区系讨论的一个重要问题。群落交错带的确定取决于响应变量在空间和时间序列上的变化。当响应变量的梯度变大时，很容易确定交错带。如果响应变量的梯度发生变化，即使变大，变宽也很难确定。结果表明，植被组成和结构的变化是最显著的。自20世纪60年代以来，植被数生态方法已成为确定交错带和环境梯度数据处理的重要手段。目前，最成功的方法是相异系数（或相似系数）的群落结构分析、环境梯度的多样性分析、梯度分析和分类分类技术。自1955～2000年间,一些学者论述过长白山群落交错带的位置,以往的研究除交错带位置划分的差异外,都只注重了植被带的边界,而没有指出植被交错带的宽度.群落交错带位置和宽度的判定是定量研究交错带生态学过程的基础,特别是在斑块尺度格局和动态、群落尺度的种群统计和种群尺度异质种群的行为等研究中具有重要意义.因此,探讨长白山北坡群落交错带的位置和宽度对于群落类型的划分、群落特征及动态的研究都具有重要价值.2研究领域和方法2.1气候的垂直分布本研究位于长白山北坡长白山自然保护区内.长白山是我国东北海拔最高的山峰,植被带比较完整.自海拔750m开始,从下而上可分为四个大的植被带,分别为:阔叶红松林带、暗针叶林带、岳桦林带和高山苔原带.本区气候属于受季风影响的温带大陆性气候,具有冬季寒冷而漫长,夏季温暖多雨而短暂的特点.由于山体高,气候随海拔高度变化很大.山下年均温约2.8℃,而山顶年均温只有-7.3℃左右.降雨量较大,而且有随海拔增加而增加的特点.山下降水位600～900mm,山顶为1340mm,最多年份曾达1809mm.本研究位于海拔750～2100m,这一坡面是长白山气候、地形、植被等垂直分布的缩影.2.2调查样点和样方设置在海拔750～1000、1300～1600、1900～2000m上,海拔每上升50m设置样点1处;在海拔1000～1300m和1600～1900m上,海拔每上升20m设置样点1处;同时在林线处,按照林线的位置设置样点6处,在苔原带设置样点3处.在每处设置20m×90m的样方进行调查.共设样点47处.将20m×90m样地分12个成10m×15m样方,对胸径≥2.5cm的树种每木检尺,调查树高、胸径.在每个样方内,设置4m×4m的样方2个,调查灌木及幼苗的株数、高度及盖度;并在每个4m×4m的样方内设置2m×2m的小样方1个调查草本多度、高度及盖度.每个样地共设置4m×4m的样方和2m×2m的小样方24个.以草本层、灌木层和乔木数据重要值和二元数据作为数量指标,采用平方欧氏距离(SED)、Bray-Curits相异系数(PD)、弦距离(CRD)和β多样性指数(群落相异性系数(CD)、Cody指数(Cody)和群落共有度(CP))作为分割窗技术的距离系数分别分析.具体方法参见文献.3结果与分析3.1林分过渡带的稳定性以调查的47个海拔点调查的群落灌木和草本植物重要值为数量指标,采取不同分割窗大小计算的平方欧氏距离(SED)和Bray-Curtis距离(PD)在海拔梯度上的分布(图1).当游动分割窗窗体较小时,如窗体为4个窗体和6个窗体时,SED和PD曲线出现了多个峰值,多波峰噪音干扰了交错带判定.在这种情况下,就可以通过加大窗体的数量来滤掉多波干扰.当窗体增加为8个窗体和10个窗体时,两个距离函数的变化都趋于一致,说明当SED和PD最小窗体为8个海拔梯度时,可以较好地反映各植被带的边界.两个距离函数在海拔梯度系列上共出现了三个峰值.第一个峰值出现在海拔1050～1250m之间,峰尖位置1120m,峰值显示的边界为阔叶红松林和暗针叶林的过渡区,其宽度为200m,由于其峰值不大,而且峰宽跨度较大,因此认定此过渡带是渐变类型;第二个峰值出现在海拔1280～1470m之间,峰尖位置在1400m,峰值显示的是典型暗针叶林分布的下缘,是红松和云冷杉共存的区域,其峰值较小,峰宽为190m,跨度较大,根据以前的研究称其为山下部暗针叶林;第三个峰值出现在1750到1810m之间,峰尖位置在1790m,峰值显示的是暗针叶林向岳桦林带的过渡区,其峰值较大,峰宽为60m,跨度较小,因此是急变型的过渡带.同时,从图3还可以看出,SED曲线在海拔1470到1750m也有一个较小的峰值,而且峰宽跨度很大,根据以往的研究,称其为山上部暗针叶林带.与SED不同的是,PD曲线在1280到1750m只有一个较小的峰值.本研究共设样点47处,当分割窗较大时,就难以体现最后一个交错带的位置,这主要是样点较少所致.当分割窗宽度增加时,很快就达到了分割窗的端点.因此,虽然在曲线的最后又出现了一个峰值,我们无法判断其峰尖位置和峰宽,但是我们可以判定其峰值的起点在1990m.在长白山北坡,林线在海拔2000m形成了明显的界限,对1990～2060m的群落β多样性分析显示,在海拔2030m群落的物种组成和结构有明显的变化(图2),因此,判定林线的边界应在2030m.基于乔木种的游动分割窗SED和PD结果可以看出(图3),乔木急剧变化的区域出现在海拔1800m左右,而且波峰的值极大,范围在1750～1940m之间.与草本和灌木物种的结果相比,宽度较大.其原因在于乔木树种分布的范围较广,如岳桦出现在海拔1400～2000m之间,而云杉和落叶松在1800和1950m之间也有一定比例.而分布在林下的灌木如牛皮杜鹃,草类如小叶章等的分布范围要小得多,这也是利用草本和灌木物种数据比乔木种数据容易划分交错带的原因.而在其它海拔上,几乎没有什么波动,这同时也说明乔木种的过渡是缓慢、逐渐的.值得一提的是,在海拔900m左右,出现了一个峰值,对乔木重要值研究发现,这一区域是云、冷杉开始出现的区域,是典型的阔叶红松林向红松、云冷杉阔叶林共同出现区域的过渡区.3.1.2种时期各变化的pd函数与基于重要值的sed函数的比较对基于灌木和草本物种的二元数据采用SED、CRD、PD和β多样性分析进行了分析.结果发现,CRD和β多样性的结果出现了多个峰值,无法明确地判断交错带的位置,这可能是由于多个海拔整合后,物种出现概率增加,因而降低了判断的精确性.而基于SED和PD的结果较好.限于篇幅,本文仅列出基于二元数据的SED和PD8个分割窗的分析结果(图4).无论是基于草本植物和灌木种类的重要值还是二元数据,PD函数划分的结果与SED划分的结果基本一致(图1、图4、图5).所不同的是,在海拔1280～1750m之间,基于二元数据的SED函数和基于重要值与二元数据的PD函数都只有一个小的峰值,只有基于重要值的SED函数出现了两个峰值.这一方面说明基于重要值的函数分析要比基于二元数据的函数分析结果精确,另一方面说明在这个海拔段,群落的相异性变化不大.从图4、图5可以看出,PD函数比SED函数划分的结果要好,但总的来说,二元数据的划分结果与基于重要值的结果基本一致.综合分析结果发现,当分割窗大于8个窗体时,不同函数和不同数据的计算结果都有较好的重合性,因此,在本研究中,8个取样单位为分割窗最小合适宽度.2种距离函数,2类数据分析中,基于重要值和二元数据的PD函数的取值范围在0～1.0之间,而基于重要值的SED函数的取值范围在1000～9000之间,基于二元数据的SED取值范围在50～585之间,具有更大的弹性.相比之下,基于重要值的SED更能反映交错带环境梯度变化的峭度,在海拔梯度系列分割窗分布图中具有更直观的表现.3.2立地条件分析从游动分割窗的距离分布结果看,长白山北坡群落交错带表现出不同的特征.在第一个峰值位置,波峰值相对较小,宽度较大,而且在取样窗体为4、6个时,序列间的波动性小(图1、图4),具有渐变性的特征.第三个峰值的波峰值较大,宽度较小,物种在这个区域内变化较快,具有急变型的特征.自海拔1800m以上,序列表现为多波振荡的特征,这也说明各海拔点灌木和草本种类易受地形等小尺度因子的影响较大.根据上述分析,将长白山北坡植被划分为7个带(表1).4交错带的宽度和同质区对乔木层的分析结果无法很好地反映长白山北坡群落的特征,这是主要因为乔木的分布,尤其是在各植被带的群落交错区内,由于某些小生境的差异或群落演替程度的不同,往往形成某种镶嵌群落.在这些镶嵌群落内,某一物种或者少数几个物种的优势度非常明显,比如落叶松,在阔叶红松林和暗针叶林的交错带内,某些海拔上其重要值达到50%以上,从而使得在聚类或排序的研究中发生偏差.游动分割窗技术对定量判定交错带的位置和宽度提供了一个特别有效和客观的方法.它不仅可以用于梯度上的等距离样点取样,而且可以用于非等距离梯度样点多元变量分析.只要样点在样带梯度上的位置已知,就可以计算分割窗距离,然后将距离系数沿梯度位置绘图就可以确定非连续体.它主要是通过窗体平滑方法避免了单纯计算样带相邻样方间相异系数产生的跌宕起伏的干扰噪声和难以判定交错带格局,能更客观地用来判定交错带的位置和宽度.游动分割窗技术的窗体宽度依据主观确定,窗体太小距离系数分布图会出现大小不同的波动噪音的干扰,影响交错带的判定,如图1.由于交错带分割的区域为相对同质的群落,当分割窗太大时,已难以体现同质区间,这主要是样点较少,当分割窗宽度增加时,很快达到分割窗的端点引起的,在本研究中,林线区域在距离分布图上没有表达出来,就是因为在海拔2000m以上设置的样点较少所致.分析认为,当游动分割窗的宽度在6～10个窗体时,通常不影响对交错带的判定,但窗体越大,距离函数分布图的峰值就越不明显.这就要求设置的样点要足够多,样点密度要足够大,虽然本文使用47个样点很好地反映长白山北坡植被交错区的分布状况,但对各植被带中样点的分布还是不充足的.本文所划分的结果与以往的研究结果相比,除阐明了交错带的宽度外,并没有大的区别.以往研究的不一致划分是对阔叶红松林范围的确定上,有学者把其上限划在海拔1400和1500m,是阔叶树和针叶树共存的区域,这里的针叶树包括红松和云、冷杉,这种划分是以阔叶树为依据来区分的.而传统的划分都是以红松和阔叶树的共同特征划分的.所以有学者在1100m～1400m又划分了红松针叶混交林亚带.从本文调查来看,乔木层红松重要值达到10%以上的分布上限区域在海拔1400m,而阔叶树在海拔1400m其