景觀水平上的海南島熱帶天然林功能群的研究.pdf

1、海南島的熱帶森林是我國生物多樣性最為豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一，同時也是遭受干擾最嚴重的植被類型之一。過度的森林采伐和不合理的土地利用已導(dǎo)致了原始林大面積減少，次生林面積顯著增加。景觀空問配置的變化以及景觀的破碎化，對具有不同功能特征的物種組在景觀中的生存、維持、生長和分布等均產(chǎn)生了深遠的影響。我國以往對熱帶森林的研究多集中在群落及群落以下水平，在景觀水平上的研究很少，而以功能群為基礎(chǔ)在景觀水平上的研究則還沒有人涉及。 本文以海南島典型

2、的熱帶天然林區(qū)-霸王嶺林區(qū)為對象，應(yīng)用GPS定位、公里網(wǎng)格群落樣方調(diào)查、遙感影像解譯、GIS分析和模型模擬相結(jié)合的方法在景觀水平上開展了熱帶天然林功能群的生態(tài)學(xué)研究，主要內(nèi)容及結(jié)果如下： (1)首先基于柵格數(shù)據(jù)分析了斑塊類型和景觀格局的變化，其次為了探討與恢復(fù)后期林片斷的毗鄰程度在決定次生演替上所起的作用，進行了緩沖區(qū)分析。結(jié)果表明：在1986-1998年間，相對于其它類型外，恢復(fù)后期林是唯一變化不顯著的類型，而在1998-20

3、02年間，大多數(shù)類型均變化不顯著；大多數(shù)斑塊類型在1986-2002年間破碎化趨勢明顯，表現(xiàn)為斑塊數(shù)、邊緣密度持續(xù)增加，斑塊平均大小和核心區(qū)面積不斷減小；次生林分布與恢復(fù)后期林距離呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系。恢復(fù)時間長的次生林在恢復(fù)后期林附近所占面積比例較高，隨著與恢復(fù)后期林距離的加大，恢復(fù)時間短的次生林逐漸占據(jù)優(yōu)勢。 (2)為了闡明在不同的時空尺度上功能群內(nèi)物種豐富度和多度的變化規(guī)律，依據(jù)植被類型、干擾方式和恢復(fù)階段劃分了8個森林景觀

4、類型，同時依據(jù)生長型、演替地位和大小特征劃分了7個功能群。通過研究發(fā)現(xiàn)功能群個數(shù)在景觀水平上變化不明顯，僅在低地雨林皆伐恢復(fù)前期景觀缺失了主林層和超冠層喬木功能群；不同的森林景觀類型都會有一組功能群占優(yōu)勢；低地雨林皆伐中期景觀和海南松老齡林之間，低地雨林徑級擇伐景觀和低地雨林老齡林之間，以及山地雨林各景觀類型之間功能群物種豐富度和多度結(jié)構(gòu)相似性水平較高；具有同樣演替地位的喬木和灌木功能群，在景觀類型之間具有相似的物種豐富度和多度變化格局

5、；各功能群物種豐富度和多度在低地雨林恢復(fù)系列上存在相似的變化格局，而在山地雨林恢復(fù)系列上，則相似性較差。本研究的結(jié)論進一步證明了競爭一定居權(quán)衡和演替生態(tài)位理論的正確性而不太適用于中性理論和生態(tài)平衡假說。 (3)為了探討在熱帶天然林景觀中不同因素對功能群分布的影響，運用冗余度分析(Redundancy analysis，RDA)分別探討了功能群出現(xiàn)與否、功能群物種豐富度和多度與環(huán)境、空間和干擾因素之間的關(guān)系。運用偏冗余度分析對影響

6、功能群分布變化的環(huán)境、干擾、空間及其交互作用等因素進行了定量分解。結(jié)果表明：利用木材密度和潛在最大高度兩個指標(biāo)劃分出的9個功能群，能較好的區(qū)分功能群間對生境的適應(yīng)差異；因子分解表明，純環(huán)境、純?nèi)藶楦蓴_和環(huán)境．人為干擾交互作用是影響3個功能群矩陣分布變化的主要因素，純空間和與空間位置相耦合的因素相對較低；在諸多因子中，干擾類型、地形因子、土壤類型、砂礫含量、土層厚度以及經(jīng)緯度坐標(biāo)是影響功能群分布變化的主導(dǎo)因子；RDA排序分析表明，一般來講

7、，硬木多在生境條件好，遠離人為干擾的立地高發(fā)生。軟木則更多地出現(xiàn)于生境條件惡劣，人為干擾頻繁的立地。而中等硬度功能群則生態(tài)幅度較寬。但除了軟木灌木功能群外，其它功能群物種豐富度和多度多在土層深厚，生境條件較好的立地較高。 (4)從優(yōu)勢功能群途徑出發(fā)，建立了熱帶天然林景觀分類體系。通過對TM影像進行低通濾波(5×5)處理，最大似然監(jiān)督分類，總體精度評估和Kappa統(tǒng)計方法檢驗以及借助GIS技術(shù)進行優(yōu)勢功能群斑塊在森林恢復(fù)階段和地形

8、梯度上的分布格局分析。結(jié)果表明：7個土地利用類、4個恢復(fù)階段類和6個優(yōu)勢功能群類在影像上獲得了較好的分離精度，總分類精度均在78％以上；先鋒種功能群斑塊在灌木(稀樹)草地景觀、恢復(fù)初期景觀、平坡、半陽坡和陽坡面以及在海拔小于850 m的范圍內(nèi)，優(yōu)勢度較高。而在恢復(fù)中后期、半陰坡和陰坡以及海拔850 m以上的景觀中則主要由頂極種功能群斑塊所控制。功能群斑塊格局在坡度梯度上敏感性不高。 (5)為了探討熱帶林不同演替階段的功能群地上生

9、物量與植被指數(shù)之間的相互關(guān)系并對其分布進行預(yù)測，在基于遙感影像和135個樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上，分別選取了歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)、短紅外濕度植被指數(shù)(MVI5)、中紅外濕度植被指數(shù)(MFI7)和比值植被指數(shù)(RVI)與計算的頂極種和先鋒種功能群生物量做相關(guān)分析，并利用逐步線性回歸分析分別構(gòu)建了基于植被指數(shù)的生物量回歸模型；利用殘差圖對模型的有效性進行檢驗。結(jié)果表明MFI7和MVI5與頂極種功能群生物量關(guān)系顯著，而NDVI和RVI對先鋒

10、種功能群生物量具有較好的指示作用；頂極種和先鋒種功能群生物量具有高預(yù)測面積的區(qū)域分別占總面積的73.98％和88.08％，表明兩個生物量模型均具有較好的模擬效果；模擬結(jié)果表明頂極種功能群生物量主要集中于研究區(qū)中部、北部和西南部區(qū)域，而先鋒種功能群生物量分布并沒表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，而是不均衡的散布于整個研究區(qū)。 (6)為了探尋景觀格局和物種豐富度的關(guān)系，利用最大似然監(jiān)督分類方法對該區(qū)核心區(qū)5個連續(xù)的景觀進行了斑塊類型的劃分；在每個斑

11、塊類型內(nèi)計算了各功能群物種豐富度的平均數(shù)；結(jié)合主成分分析和多重回歸模型進行了景觀格局指數(shù)和各功能群物種豐富度的相關(guān)分析。分析結(jié)果表明在斑塊類型水平上斑塊類型面積比例、邊界密度、總邊界對比度指數(shù)和面積加權(quán)平均形狀指數(shù)是影響各功能群物種豐富度分布的主要因子；相對于先鋒功能群，景觀破碎化對頂極功能群影響較大，表現(xiàn)為隨著生境多樣性的增加和生境形狀的復(fù)雜化相對于先鋒功能群，頂極功能群物種豐富度增加明顯，而隨著邊界密度的增加和總邊界對比度指數(shù)的提高

12、，先鋒功能群物種數(shù)略有增加，而頂極功能群物種數(shù)有顯著減小的趨勢。 (7)為了探討在熱帶天然林景觀中關(guān)鍵種的潛在分布，首先在功能群框架下運用優(yōu)勢度指數(shù)法進行了關(guān)鍵種的確定；采用基于GIS的GARP生態(tài)位模型對主要關(guān)鍵種的地理分布進行了預(yù)測，并應(yīng)用受試者工作特征分析進行了模型精度驗證；應(yīng)用多元線性回歸分析對影響各關(guān)鍵種潛在分布的關(guān)鍵因子進行了確定。結(jié)果表明：在8個功能群中，先鋒種、頂極灌木種和頂極超冠層喬木種劃分出的關(guān)鍵種較為理想

13、：在進行預(yù)測的8個關(guān)鍵種中，除了先鋒主林層喬木種海南楊桐(ddinandra hainanensis)，其它3個先鋒種包括毛稔(Melastoma sanguiueum)、銀柴(Aporosa chinensis)和楓香(Liquidambar formosana)在研究區(qū)北部、西部以及西南部均具有較高的發(fā)生概率，而頂極種除了頂極超冠層喬木種南亞松(Pinus merkusii)外，九節(jié)(Psychotria rubra)、高腳羅傘(A

14、rdisia quinquegona)和海南椎(Castanopsis hainanensis)具有相似的潛在分布格局，在研究區(qū)中部、東南部和南部地區(qū)具有較高的發(fā)生概率；相關(guān)分析表明極端最低溫、年均溫、極端最高溫、年均降水量、海拔和坡向6個因子是影響研究區(qū)關(guān)鍵種潛在分布的關(guān)鍵因子；精度檢驗表明，GARP模型對8個關(guān)鍵種的潛在分布預(yù)測效果均較好。 (8)為了探討在熱帶天然林景觀進行基于功能的潛在自然植被分布，首先采用生態(tài)位模型途徑

15、對8個功能群的潛在分布進行了模擬；其次對TM影像采用最大似然監(jiān)督分類方法進行了基于功能的現(xiàn)狀自然植被識別；然后通過對功能群發(fā)生概率圖進行疊加，并在參考現(xiàn)狀植被分布以及在功能群之間相互作用規(guī)則的制約下，構(gòu)建了最終的潛在自然植被分布圖。結(jié)果表明：生態(tài)位模型對8個功能群的潛在分布預(yù)測效果均較好，平均曲線下面積達到了0.81；先鋒種功能群和頂極種功能群呈現(xiàn)出相異的分布格局，反映了兩大類功能群個體生態(tài)學(xué)特性的差別和對環(huán)境的適應(yīng)差異；各功能植被類型