山西霍山灌木群落种面积曲线的拟合以及最小面积的确定.docx
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山西霍山灌木群落种面积曲线的拟合以及最小面积的确定
山西师范大学现代文理学院本科毕业论文
山西霍山灌木群落种——面积曲线
的拟合以及最小面积的确定
姓名
王海茹
专业
生物科学
班级
2006级0601班
学号
0690140143
指导教师
毕润成闫明
答辩日期
成绩
山西师范大学现代文理学院
二○一○年六月
山西霍山灌木群落种——面积曲线的拟合
以及最小面积的确定
内容摘要
本文采用相邻样方格子法与巢式样方合并法在山西霍山选取样地，对霍山灌木群落的最小取样面积进行研究，采用3种饱和曲线方程对灌木群落进行种——面积曲线的拟合,当比例因子ρ取值分别为0.6、0.7、0.8、0.9时，求得霍山灌木群落的最小取样面积。
通过研究得出：
群落的最小面积表现出随海拔梯度的升高而逐渐增大的趋势,并且最小面积所含的物种数也随取样面积的增加而增加；群落的最小面积中包含的信息可以较完整、客观的代表群落生物学基本特征,尽管如此,不同群落对应的面积在数值上有区别,但在生物学意义上是统一的。
巢式样方法并不适合山西霍山灌木群落最小取样面积的确定，对霍山灌木群落而言，还需要作进一步的研究。
【关键词】灌木群落最小面积种——面积曲线
Determinationofspeices-arearelationshipsandminimumsamplingareafortheshrubcommunitiesinShanXiofMtHuoshan
Abstract
TheresearchmainlyselectedsamplingplotinMt.Huoshanofshanxitostudytheminimumsamplingareasfortheshrubcommunitiesusingboththeadjacentlatticemethodnestedquadratmethod.Andtofittheproportialfactor（ρ）weredetermined0.6,0.7,0.8,0.9,thenwecangettheminimumsamplingareasfortheshrubcommunities.
Theresearchindicatethattheminimumareafortheshrubcommunitiesandthespeciesinitinarersesgraduallywiththerisingofselectingarea,theinformatianintheminimumareacanreflectthecharacteristicofspecies,nevertheless,theareasofdifferentspeciesaredifferentintheiramount,butsameinbiology.Thenestedquadratmethodarenotfittheshrubcommunitiesanditstillneedtodomoreresearch.
【KeyWords】Shrubcommunitiesminimumareaspecies-areacurve
目录
一、引言1
二、研究区自然概况2
三、研究方法3
（一）调查内容3
（二）样地设置与取样方法3
（三）模型选择以及确定最小面积的方法4
四、研究结果与分析5
（一）群落种——面积曲线的拟合5
（二）最小样地面积的确定7
五、讨论与结语7
致谢8
参考文献9
山西霍山灌木群落种——面积曲线的拟合
以及最小面积的确定
学生姓名：
王海茹指导教师：
毕润成闫明
一、引言
最小取样面积就是在最小地段内对一个特定群落类型能够提供足够的环境空间环境和生物的特性，或者能保证展现出该群落类型的种类组成和结构的真实特征所需要的最小面积【1】。
生物群落的最小面积是生态学实验中进行野外调查，确定植被样方面积的基础，具有很重要的应用价值。
如若调查某群落的植物种类组成和某种个体的数目，都可以使用最小样地面积的方法全面的统计出来。
最小面积的大小能够用数字反映出群落结构的复杂程度。
组成群落的植物种类越多，群落的最小样地面积也就越大，群落最小取样面积的确立，对自然保护区的建立和种群保护等方面都具有非常重要的理论意义和实践意义。
最小取样面积的变化幅度很大，并且受群落类型的影响比较大。
如乔木群落、灌木群落、草本群落的最小取样面积的差别就很大，同时，不同地区的植物群落的最小取样面积的差别也很大。
目前，确定群落最小面积的方法中，比较新的方法是基于群落系数——面积曲线，该方法能够更好的反映群落的种类组成及其结构【2，3】。
最小面积的确定，常见的方法有2种：
种——面积曲线和重要值——面积曲线【4】。
种——面积曲线比较简便【2】，重要值——面积曲线所确定的最小面积精度比较高【3】，同时还可以得出群落优势种相对稳定的重要值，并且对于比较复杂的森林群落取样和结构研究而言有良好的实用性。
目前有多种函数被用作曲线的拟合【5】，使得对同一个研究对象，因选取的函数不同，而导致拟合的结果有很大的差异，并且取样方法的差异与不同也会导致数据在拟合时存在很大的困难，如何用科学且有效的取样方法更好的应用于曲线的拟合还需要作进一步深入的科学研究。
山西霍山的落叶阔叶林是太岳山森林生态系统的主要成分,发育比较完善,但是由
于人为因素的长期的破坏，如过度放牧和砍伐森林等，使原生植被遭到严重破坏，现已不复存在。
目前的植被类型为天然次生林和人为次生植被。
在组成结构上比较典型,物种多样性十分丰富。
前人对森林群落种——面积关系已有很多研究【1～5】。
但有关山西霍山落叶阔叶林种——面积关系的研究还很少,在山西霍山的研究中很少见有关这方面的报道,尤其是对灌木群落有关方面的专门研究是很少的，这与其丰富的生物多样性是极其不相称的。
因此,对山西霍山落叶阔叶林种——面积关系进行研究,不仅能填补山西霍山落叶阔叶林对灌木进行研究的空白,还能为该森林生态系统的组成及其结构、植被演替、自然保护区的建立及其种群保护等方面的研究提供重要的科学理论依据和参考。
本文主要以山西霍山灌木群落为研究对象，通过使用3种不同的数学模型对种——面积曲线进行拟合，进而确定灌木群落的最小取样面积。
不同海拔上灌木群落的种类组成、结构和分布格局等方面都存在着较大的差异，因而其最小取样面积也不同，故在进行灌木群落的调查时，确定群落的最小取样面积，对于植被调查和保护工作将会发挥很大的作用。
二、研究区自然概况
山西霍山地处于山西省南部，位于今天临汾地区霍州市、洪洞县和古县三市县交界位置，为太行山系中段山脉太岳的主峰，山脉大体成东北——西南走向，位于北纬36°21′～36°45′,东经110°40′～112°20′,海拔最高为2354m。
土壤主要以褐土为主，在地质、地貌、水文、气候、生物等因素的综合作用下使之随海拔的升高而呈现梯度变化。
450m～1300m为石灰性褐土，600m～1400m为褐土性土，1400m～1800m为淋融褐土，1700m～2200m以上为山地草甸土。
温带大陆性气候是霍山的主要气候特征，受东南沿海季风的影响，霍山成为山西水热条件较好的地区之一。
由于霍山地形变化复杂有利于不同的气候类型和不同的水热及其组合状况的形成。
年平均气温在9.3℃～12.3℃；最冷月[1月]平均气温-3.5℃～4.5℃，最热月[7月]平均气温25.1℃～26.1℃；极端最低气温为-18℃～-43℃；极端最高气温39℃～40℃；无霜期120d～140d，年降水量为500mm～700mm，其中7、8、9三个月的降水量为全年降水量的65%，春末易发生干热风，有明显的伏旱天气；阴雨天气是秋季的主要特征；对植被发育起限制作用的气候条件是冬季的冷和干。
山西霍山灌木群落的主要植物有：
绣线菊（SpiraeasalicifoliaL.），毛榛子（CorylusheterophyllaFisch.），黄刺玫（RosaxanthinaLindl），铁线莲（ClematisfloridaThunb），
美蔷薇（RosabellaRehd.etWils），丁香（Syzygiumaromaticum），小檗（BerberisthunbergiiDC），连翘（Forsythiasuspensa（Thunb.）vahl．），沙地柏（SabinavulgarisAnt ），荆（VitexnegundoL），沙柳（Salixpsammophila），铺地柏（Sabinaprocumbens（Endl.）IwataetKusaka），胡桃楸（Juglandaceae）等。
三、研究方法
（一）调查内容
样方布局从海拔1400m，海拔大概每升高100m选个样地，分别测定各样地内的植被群落特征，即灌丛群落类型、灌木的物种数、基径、高度、盖度等各项指标（如表1）。
同时调查植被所处的海拔、气候、土壤等生境特征。
本实验采用GPS全球定位仪测定样方所处的海拔高度。
表1山西霍山灌木群落样地特征
样地
生境特征
群落特征
海拔（m）
坡向（）
坡度（°）
平均高度（m）
平均盖度（%）
主要灌木
阴坡Ⅰ
1511
NW23°
36°
1.2
24.80
①②③
阴坡Ⅱ
1725
NW24°
46°
1.1
47.56
④⑤⑥
阴坡Ⅲ
1906
NW25°
42°
0.79
73.60
①⑤⑥⑦
阳坡Ⅰ
1492
SE29°
34°
0.54
29.51
①③
阳坡Ⅱ
1794
SE30°
48°
0.46
57.68
②⑧⑨
阳坡Ⅲ
1967
SE31°
30°
0.96
43.81
⑧⑨⑩
主要灌丛：
①绣线菊②连翘③毛榛子④沙柳⑤胡桃楸
⑥铁线莲⑦荆条⑧美蔷薇⑨黄刺玫⑩丁香
（二）样地设置与取样方法
本文的野外调查方法为相邻样方格子法（图1），分别沿海拔从山体下部至山顶设3个海拔梯度（表1）。
在各海拔梯度受人为干扰少且具有代表性的地段，设置1个400㎡（20m×20m）的标准样地，并将每个标准样地划分为16个25㎡（5m×5m，记为E）的样方，其中1、4、13、16号样方又划分成面积为1㎡（1m×1m，记为A）、4㎡（2m×2m，记为B）、9㎡（3m×3m，记为C）、16㎡（4m×4m，记为D）、25㎡（5m×5m，记为E）的样方。
再按照巢式样方合并法（图2），将样方合并成为50㎡、100㎡、200㎡、400㎡（记为F、G、H、I）的样方【6】。
因此，整个样地构成1㎡、4㎡、9㎡、16㎡、25㎡、50㎡、100㎡、200㎡、400㎡共9个面积梯度【6】。
图1样地设置示意图
4
5
3
1
2
图2巢式样方合并扩大顺序图
（三）模型选择以及确定最小面积的方法
在种——面积曲线图中，当面积越大时，物种的数目也倾向于增多的趋势；但达到一定值后便水平延伸并稳定在某一种类上。
依据实验显示：
两者的关系遵循一套系统的数学关系。
对于同一类型模型的曲线而言,参数越多,约束条件越少,拟合的效果将越好【6】。
拟合种——面积曲线的方程有非饱和曲线和饱和曲线两大类，霍山灌木植物群落最小面积的确定采用以下几种饱和曲线进行计算【6】：
（1）
（2）
（3）
式中，S为A中出现的物种数，A为面积，a、b、c是模型中的待估参数。
方程的拟合以及数据的处理主要应用SPSS软件完成【7】，同时还用到了EXCEL表格软件。
双曲线
（1）中的a/b用来估计整个群落中的总物种的数目，方程
（2）是逻辑斯蒂曲线。
对应于上述饱和种——面积曲线，要得到群落总物种数目一定比例ρ（0<ρ<1）的物种所需要的最小取样面积【3】分别为:
（1）
（2）
（3）
图3霍山灌木群落阴阳坡种——面积曲线图
四、研究结果与分析
（一）群落种——面积曲线的拟合
根据实验数据记录的结果，可以发现山西霍山灌木植物种的数目随取样面积的增大而逐渐增加。
1.由种——面积曲线可以看出（图3）,当取样面积小于100㎡时,阳坡Ⅰ样地群落物种数目的增加已基本保持同一水平;取样面积大于100㎡时,阴坡Ⅰ、阳坡Ⅱ样地群落物种数目增加的幅度明显减小并且基本保持同一水平；取样面积大于100㎡时,阴坡Ⅱ、Ⅲ及阳坡Ⅲ样地群落物种数目的增加依然很明显,200㎡左右时,
物种数目基本保持同一水平。
表2山西霍山灌木群落不同面积样地中的物种数
样地
面积（㎡）
阴坡
阳坡
物种数
均值
标准差
物种数
均值
标准差
No.1
No.2
No.3
Average
SD
No.1
No.2
No.3
Average
SD
Ⅰ
1
7
6
7
7
0.6
3
3
3
3
0
4
12
9
9
10
2.1
5
5
5
5
0
9
15
11
10
12
2.6
7
7
6
7
0.6
16
15
13
12
13
1.4
8
7
7
7
0.8
25
16
13
14
14
1.4
8
9
8
8
0.6
50
19
15
20
18
2.2
9
9
8
9
0.8
100
21
20
25
22
2.2
2
11
12
12
0.6
200
29
23
29
27
3.2
11
11
12
11
1
400
31
31
31
31
0
13
13
13
13
0
Ⅱ
1
8
7
8
7
0.5
5
4
3
4
0.8
4
14
13
13
13
1.3
6
7
6
6
1
9
18
16
17
17
1
8
7
8
7
0.8
16
21
21
20
20
1.4
9
8
9
8
0.8
25
24
23
22
23
1.7
10
9
9
9
1
50
26
26
24
25
1
14
11
15
13
1.7
100
30
28
28
28
1.2
16
14
18
16
1.6
200
36
36
39
37
1.7
18
17
18
17
0.5
400
43
43
43
43
0
22
22
22
22
0
Ⅲ
1
8
9
10
9
1
9
8
8
8
1
4
14
13
10
12
1.9
14
13
10
12
1.7
9
18
17
17
17
1
16
14
11
13
2.2
16
19
17
18
18
1.7
20
17
15
17
2.2
25
21
20
23
21
2.6
21
17
16
18
2.4
50
28
26
27
27
1.3
28
22
23
24
2.6
100
31
31
31
31
0
30
27
26
27
1.7
200
34
33
35
34
0.8
37
40
38
38
1.4
400
44
44
44
44
0
41
41
41
41
0
2.阴坡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ样地中面积最大样方中的物种数目分别为：
31、43、44；阳坡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ样地中面积最大得样方中的物种数目分别为为13、21和41。
利用所取的群落样方进行野外调查所取得的数据，用SPSS软件对饱和曲线方程
（1）～（3）
进行拟合,得到相应的种——面积曲线拟合结果（表3）。
由拟合结果可知，方程
（1）和
（2）拟合得相关系数R都达到了0.9以上,因此所求得的最小取样面积与真实的取样面积相接近，并且测得的结果基本上与群落的实际植被状况相符合；而方程（3）拟合方程的相关系数在0.9以下，结果比较差,求得的最小面积与实际的相比偏小。
对于霍山灌木植
物群落而言，曲线（3）并不适合，因而用前两种曲线对霍山灌木植物群落进行拟合，效果比用曲线（3）拟合的效果要好的多。
表3山西霍山灌木群落不同样地种——面积曲线拟合结果
样地
曲线方程
阴坡
阳坡
参数
相关
系数
参数
相关
系数
a
b
c
R
a
b
c
R
Ⅰ
S=aA/（1+bA）
2.091
0.069
0.901
1.306
0.125
0.954
S=c/（1+ae-Ba）
1.791
0.01
29.83
0.958
1.698
0.035
12.136
0.935
S=a（1－ebA）
25.893
0.04
0.854
11.269
0.074
0.828
Ⅱ
S=aA/（1+bA）
3.015
0.079
0.909
1.160
0.059
0.932
S=c/（1+ae-bA）
1.658
0.013
41.98
0.962
2.086
0.029
18.957
0.984
S=a（1－ebA）
32.596
0.056
0.82
17.695
0.039
0.815
Ⅲ
S=aA/（1+bA）
3.026
0.069
0.923
1.159
0.051
0.935
S=c/（1+ae-bA）
1.659
0.011
43.968
0.965
2.247
0.021
41.886
0.921
S=a（1－eBa）
34.698
0.048
0.848
37.012
0.036
0.873
（二）最小样地面积的确定
由方程
（1）、
（2）所求得的饱和物种数都低于最大面积样方中的物种数SH。
由于霍山灌木植物群落物种种类并不十分丰富,SH应接近群落的饱和物种数或稍小【5】。
取比例因子ρ分别为0.6、0.7、0.8、0.9,计算得到山西霍山灌木群落3个海拔梯度阴、阳坡样地灌丛群落最小面积（表4）。
表4山西霍山灌木群落不同样地群落最小面积
样地
比例因子ρ
最小取样面积
阴坡
阳坡
方程1
方程2
均值
方程1
方程2
均值
Ⅰ
0.6
19
45
32
11
23
17
0.7
30
62
46
18
34
26
0.8
53
93
73
33
47
40
0.9
112
126
119
72
76
74
Ⅱ
0.6
16
64
40
23
51
37
0.7
15
92
54
35
71
53
0.8
47
129
88
63
95
79
0.9
111
183
147
149
124
137
Ⅲ
0.6
17
75
47
35
69
52
0.7
27
112
70
49
95
72
0.8
49
145
97
85
117
101
0.9
118
209
164
193
165
179
五、讨论与结语
1.本文认为种——面积关系科学界定取样面积,在此面积中所得的数据反映了整
个群落性质,获得的信息与群落所包含的整体信息是基本吻合的,具有较高的可信度,因为它的出发点是将群落作为一个有机的整体。
换句话说,群落的最小面积中包含的信
息可以较完整、客观的代表群落生物学基本特征,尽管如此以来,不同群落对应的面积
在数值上有区别,但在生物学意义上是统一的。
例如“物种丰富度”,此概念本身就限定了必须在一个合理的范围去描述种群所包含的物种,否则,将无法正确说明。
LepěJ.&Stursa认为用种-面积曲线关系比单一的物种数目可以更好地描述植物群落的物种丰富度【9】,本人同意这个观点,在这一范围内,群落所包含的物种既不会被重复统计，又不会被遗漏。
2.对于群落的最小面积的确定,本文认为确定最小取样面积的科学有效的方法是用数学模型拟合法，这种方法可以使群落的最小面积得到真实的反映。
若要准确的求出群落的最小取样面积，通过种——面积曲线的切线法求解是不可行的【10】。
通过数学模型拟合法能真实的从群落、景观到区域各种尺度上描述种——面积关系，且不同的拟合曲线具有不同的适用性,可用来拟合不同的群落类型【11】。
3.拟合种——面积曲线方程结果表明,山西霍山灌木群落最小面积的确定不能用方程（3）来计算，这可能是由于人为因素的破坏，或是受干旱的等其他因素的影响，使得植被的破坏程度比较高，植被退化比较严重，从而导致收集的数据在拟合曲线时存在困难；且取样的方法、样方的大小、形状与数量【12】等样地布置方式影响了曲线的拟合，使得所得结果差异很大。
4.巢式样方合并法要求，取样时每次取样增加的面积必须是前面面积的1倍,所以,随着取样面积的增大,每次增加的面积也越来越多,从而导致物种增加速率过快【13】，而无法准确确定包含某一比例物种时所需的面积。
因此,巢式样方法并不适合作为物种丰富、组成复杂的山西霍山落叶阔叶林灌木群落最小取样面积的确定方法。
对取样面积的方法，还需要作进一步的研究，以求得最适合霍山灌木群落的取样方法。
致谢
本论文是在毕润成老师和闫明老师的悉心指导与大力支持下完成的。
两位老师以严谨的治学态度、敏锐的科研思维、渊博的学术知识、坦诚的做人原则、豁达和蔼的师者风范一直深深地感染着我，他们对我的言传身
教我将受益终生。
值此论文完成之际，向两位老师致以深深的谢意，感谢两位老师对我的辛勤培养与不倦教诲!
正是在两位老师的细致关怀和悉心指导下我才能得以完成相关的实验工作并完成本论文。
从毕业论文的开题到数据的整理，以及软件操作的整个过程，再到论文的写作再到答辩，两位老师都给予了我极大的帮助。
这个学期以来，毕老师有科研工作，工作量大，但是他仍然给了我细致入微的帮助，闫老师是我们的尊师，他严谨的治学态度，踏实干练的工作作风令人钦佩，尤其是在软件使用方面给了我很大的帮助，这一切将使我受益匪浅，同时对我以后的学习、工作、生
活都有积极的影响。
在此，对两位老师表示最诚挚的谢意！
同时也感谢自己在写论文的过程中给我提供帮助的老师和同学，因为你们的帮助我的论文才可能顺利的按时完成。
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