混溝原始森林景觀生態(tài)研究

于 蓉

（山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000）

混溝原始森林景觀生態(tài)研究

于 蓉

（山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000）

混溝地區(qū)是歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)，位于山西省南部的中條山林區(qū)內(nèi)，是生物多樣性保護(hù)和研究的重要場(chǎng)所。該文以歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)混溝為研究對(duì)象，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)植被景觀要素及其斑塊進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明：核心區(qū)內(nèi)的植被景觀可以為獼猴、勺雞、金雕等提供較為適宜的生存環(huán)境；各景觀要素之間面積差異較小、多樣性較高、優(yōu)勢(shì)度較低等特征都說明了混溝原始森林的保護(hù)是歷山自然保護(hù)區(qū)今后的核心工作。

混溝；原始森林；景觀要素；景觀斑塊；景觀指數(shù)

我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)生物多樣性十分豐富的國(guó)家之一，被稱為“巨大生物多樣性國(guó)家”。中國(guó)生物多樣性雖然非常豐富，但是長(zhǎng)期以來由于人類對(duì)生物生境保護(hù)缺乏應(yīng)有的重視、對(duì)生物生境的破壞、掠奪式的過度利用、環(huán)境污染、法制不健全等原因，使中國(guó)生物多樣性的損失也令人觸目驚心。因此，生物多樣性的保護(hù)在中國(guó)也面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

生物多樣性的保護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從以往的保護(hù)實(shí)踐來看，單一物種的保護(hù)措施是難以成功的，景觀生態(tài)學(xué)的許多理論和學(xué)說可直接應(yīng)用于自然保護(hù)區(qū)的類型劃分、區(qū)劃、研究和管理之中，從而為自然保護(hù)提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，從景觀生態(tài)學(xué)角度深入研究自然保護(hù)區(qū)理論及實(shí)踐對(duì)我國(guó)的自然保護(hù)區(qū)的規(guī)劃、管理工作，以及生物多樣性的保護(hù)工作具有十分重要的意義。

混溝地區(qū)是歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)，位于山西省南部的中條山林區(qū)內(nèi)，是生物多樣性保護(hù)和研究的重要場(chǎng)所?；鞙弦粠У靥幣瘻貛?，在我國(guó)分布的最北界，自然條件優(yōu)越，動(dòng)植物資源豐富，具有一些亞熱帶區(qū)系珍稀動(dòng)、植物，在科學(xué)上具有重要價(jià)值。原始森林的發(fā)現(xiàn)，將為進(jìn)一步研究我國(guó)黃河中、下游的人類活動(dòng)，黃土高原的森林變遷，以及引種馴化動(dòng)、植物等，提供極為有利的條件。

1 混溝地區(qū)的自然環(huán)境和植被概況

1.1 自然地理概況

混溝地區(qū)位于中條山東段，其主峰舜王坪西南，是歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)之一。地處東經(jīng)111°54′3"～111°56′29"，北緯 35°20′7"～35°23′10"之間。行政范圍隸屬運(yùn)城地區(qū)垣曲縣同善鎮(zhèn)，林地由中條山森林經(jīng)營(yíng)局管轄。核心區(qū)總面積15600hm2，其中原始森林面積約800hm2。

中條山地壘山地是山西最南部隆起的結(jié)晶地塊。構(gòu)造上總的特點(diǎn)是，以斷裂作用為主，褶皺次之，屬中條背斜。它東起陽(yáng)城縣沁河谷地，西至芮城縣的風(fēng)陵渡，突起在晉南平原南端?；诪樘沤玟乘?、絳縣群和元古界中條群構(gòu)成，整個(gè)前震旦紀(jì)巖系分布很廣，形成中條構(gòu)造單元基礎(chǔ)。

混溝地區(qū)四周尖峰聳立、深崖千仞。東部制高點(diǎn)皇姑曼海拔2143m，位于舜王坪西南8km處，山頂保留五臺(tái)期剝蝕面，南部的鋸齒山海拔1833m，因山峰似鋸齒而得名；北側(cè)南天門，山脈東西走向，海拔1692m；西側(cè)為深崖狹谷，水流湍急，這就構(gòu)成了東、南、北三面環(huán)山，西面是深崖狹谷的特殊的閉鎖地形，是原始森林集中分布區(qū)。這里巖壁陡立，溝谷縱橫。其中主溝有2條：一為混溝，主溝總長(zhǎng)3km，1km以上支溝有6條；一為紅巖河上游寡婦崖下的“吊孝河”，主溝總長(zhǎng)2.8km，1km以上的支溝有7條。兩溝匯流于梁王腳，始稱允河，由東西方向轉(zhuǎn)南流入黃河。

混溝地區(qū)主溝深幽，支溝眾多，流向曲折，谷坡陡峭，谷底湍流，基巖裸露，地形復(fù)雜而閉塞，狹谷、瀑布隨處可見。縱剖面平均比降30%左右，且分布不均。谷底呈階梯狀“之”字形。階梯之間清流直下，由于長(zhǎng)期跌水，梯腳深潭碧綠，蔚為奇觀。橫剖面更加陡峭，平均比降在45%以上，呈“U”～“V”形；谷坡呈對(duì)稱形階梯狀，兩岸陡壁相峙。

1.2 氣候

中條山屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候。年平均氣溫2～11℃；年平均積溫1400～3700℃。年降雨量東段山區(qū)600～700mm；年日照時(shí)數(shù)2200～2400h；樹木活躍生長(zhǎng)期130～185d。

1.3 森林土壤

混溝地區(qū)成土母質(zhì)為第四紀(jì)馬蘭黃土。在垂直分布上呈現(xiàn)多樣性，自上而下具有三個(gè)土類：

（1）山地草甸土類型。海拔1900～2143m。（2）山地棕壤類型。海拔1200～1900m。

（3）褐土類型。海拔1200m以下。

1.4 生物資源

1.4.1 植物 混溝地區(qū)海拔高低懸殊，故植物種類繁多，區(qū)系復(fù)雜，實(shí)為山西省植物資源良好的物種基因庫(kù)。通過考察，在混溝地區(qū)共采集木本植物標(biāo)本47科160余種（包括灌木90余種）；此外，還有蕨類、菌類、藻類、苔蘚、地衣等。森林植物在分布上具有較明顯的垂直分布規(guī)律。

1.4.2 動(dòng)物 中條山歷山保護(hù)區(qū)陸棲脊椎動(dòng)物區(qū)系組成種類繁多，共有野生動(dòng)物66科222種，其中兩棲爬行類動(dòng)物有11科26種；鳥類動(dòng)物48科150種；獸類動(dòng)物有17科46種。

2 植被景觀要素基本特征分析

景觀要素就是地面上相對(duì)同質(zhì)的生態(tài)要素或單元。一個(gè)區(qū)域一般可劃分為多個(gè)景觀要素，對(duì)景觀要素基本特征進(jìn)行分析是研究區(qū)域景觀的最基本的內(nèi)容。

本章主要是對(duì)歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)混溝原始森林的植被景觀要素的基本特征、分布特征以及面積和周長(zhǎng)的特征加以分析。

2.1 研究方法

歷山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)內(nèi)混溝的植被類型較復(fù)雜，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，經(jīng)過合并可以得到8種不同的景觀要素，分別為華山松林景觀、側(cè)柏林景觀、遼東櫟林景觀、五角楓-鵝耳櫪-脫皮榆林景觀、欒樹-鵝耳櫪-栓皮櫟林景觀、紅樺林景觀、連翹林景觀、黃櫨林景觀。

以這8種景觀要素為基礎(chǔ)，利用GIS軟件將植被類型圖資料矢量化，并建立混溝地區(qū)的植被景觀要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了8種景觀要素的斑塊面積、斑塊周長(zhǎng)等屬性信息，這些屬性信息是本文進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)。

景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)尺度問題，因此數(shù)據(jù)的單位不同，各類指數(shù)的大小也可能不相同。為了研究方便，本文如無特別說明，周長(zhǎng)的單位用m，而面積的單位用hm2。

式中Ai為景觀要素i的面積，A軍為景觀要素的平均面積，m為景觀要素的數(shù)目。

（2）面積極差 B=Amax-Amin

式中Amax為景觀要素最大面積，Amin而為景觀要素最小面積。

（3）周長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差、周長(zhǎng)極差的計(jì)算公式可參考式（1）和（2）。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 植被景觀要素分布特征分析 混溝內(nèi)不同植被景觀要素特征見表1。

從表1中可以看出，核心區(qū)內(nèi)遼東櫟林景觀和五角楓-鵝耳櫪-脫皮榆林景觀分布的面積最大，這兩種景觀分別占到總面積的34.10%和25.80%，分布的范圍也較廣，從海拔1200～2143m都有分布。兩種景觀面積共為479.2hm2，占總面積的59.90%。核心區(qū)內(nèi)以樺山松林和側(cè)柏林景觀為代表的暖溫帶針葉林景觀面積為159.59hm2，占總面積的19.94%。這說明核心區(qū)內(nèi)的森林景觀主要是落葉闊葉林景觀。核心區(qū)內(nèi)的灌木景觀則以黃櫨和連翹林景觀為主。

表1 植被景觀要素特征

2.2.2 植被景觀要素面積和周長(zhǎng)的特征分析。

從表2中可以看出，核心區(qū)內(nèi)8類景觀要素的平均面積為100.00hm2，其中面積最大的是遼東櫟林景觀，為272.80hm2，最小的是紅樺林景觀，面積僅為21.61hm2。另外，遼東櫟景觀和五角楓-鵝耳櫪-脫皮榆林景觀的面積共479.2hm2，占總面積的59.90%，是主導(dǎo)景觀要素。從表中還可以看出，各景觀要素面積分布較平衡，最大面積差異（面積極差）為252.19hm2，景觀要素的面積差異不顯著，面積在各個(gè)要素之間的分配較均勻。

表2 植被景觀要素面積特征

從表3中可以看出，核心區(qū)內(nèi)8類景觀要素的平均周長(zhǎng)為10609m，而其中周長(zhǎng)最大的是遼東櫟林景觀，為26411m，最小的是紅樺林景觀，為2393m。核心區(qū)內(nèi)各景觀要素之間的周長(zhǎng)差異也不顯著，表現(xiàn)出了與面積相同的規(guī)律。

表3 植被景觀要素周長(zhǎng)特征

表4 植被景觀要素邊界密度

從表4中可以看出，景觀要素邊界密度最大的是側(cè)柏林景觀，為1.21；最小的是遼東櫟林景觀，為0.97。結(jié)合各植被景觀要素的面積特征可以看出，其景觀要素的邊界密度都不大，說明景觀從總體上講破碎化程度不高，連通性較好。

2.3 小結(jié)

混溝自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)地處暖溫帶大陸性山地氣候區(qū)，地帶性植被景觀為暖溫帶落葉闊葉林景觀。但受海拔高度的影響，分布了華山松林景觀和紅樺林景觀為代表的針葉林景觀。從各景觀要素的分布特點(diǎn)來看，光熱條件是決定歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)混溝植被景觀要素及其分布的重要因素。

歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)內(nèi)混溝景觀為森林景觀要素，這為國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物獼猴、勺雞、金雕等的生存提供了良好的環(huán)境，但各景觀要素之間的面積分配較均勻。景觀要素周長(zhǎng)之間也顯示出了相似的規(guī)律性。

歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)混溝內(nèi)所有的8種植被景觀要素的邊界密度都不大，邊界密度數(shù)值范圍為0.97～1.13之間，接近1，說明森林景觀從總體上講破碎化程度小，連通性好。受人為干擾程度極小，為生物提供了良好的生存環(huán)境。

3 植被景觀要素多樣性研究

對(duì)景觀要素多樣性進(jìn)行研究的生態(tài)意義主要表現(xiàn)為對(duì)物種多樣性的影響。在一個(gè)景觀中，要素多樣性與物種多樣性的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，而一般呈正態(tài)分布。當(dāng)景觀要素、斑塊數(shù)目與邊緣生境達(dá)到最佳比率時(shí)，物種多樣性最高。

通過對(duì)歷山保護(hù)區(qū)核心區(qū)內(nèi)混溝的景觀要素的多樣性指數(shù)的研究，揭示了核心區(qū)內(nèi)的景觀要素的空間分布特點(diǎn)。

3.1 研究方法

常用的景觀要素多樣性指數(shù)有豐富度（richness）指數(shù)、均勻度 （evenness）指數(shù)、多樣性（diversity）指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度 （dominance）指數(shù)，它們的計(jì)算公式如下：

式中m為景觀要素的數(shù)目，A為景觀要素的總面積。

H為香農(nóng)一威納多樣性指數(shù)。

式中Pi=Ai/A，Ai為景觀要素i的面積。

式中Hmax=ln（m），為最大多樣性指數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

景觀豐富度、均勻度、多樣性、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)是對(duì)景觀異質(zhì)性的定量化描述和分析，其計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 植被景觀要素多樣性指數(shù)

3.2.1 景觀要素多樣性分析 從表5可以看出，核心區(qū)內(nèi)的景觀要素多樣性指數(shù)H=1.755070，與最大多樣性指數(shù)Hmax=2.079442相比，其值比較接近，這一結(jié)果說明在核心區(qū)內(nèi)的各種景觀要素所占比例差別不大，整體景觀多樣性程度較高。這與豐富度指數(shù)R=1.047181和均勻度指數(shù)E=0.844010略低有關(guān)，因?yàn)槎鄻有灾笖?shù)是豐富度指數(shù)與均勻度指數(shù)的綜合指標(biāo)，當(dāng)二者不高時(shí)，自然會(huì)影響核心區(qū)內(nèi)的植被景觀多樣性指數(shù)。

3.2.2 景觀要素優(yōu)勢(shì)度分析 從表5中可以看出，核心區(qū)內(nèi)的景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)A=0.324372，景觀要素的優(yōu)勢(shì)度比較低，表明核心區(qū)內(nèi)各景觀要素比例均衡，優(yōu)勢(shì)度低而均勻度、多樣性增加。

景觀多樣性高，優(yōu)勢(shì)度低，一方面說明混溝原始森林內(nèi)各個(gè)植被景觀的均勻度高，面積差異不大；同時(shí)也說明混溝原始森林內(nèi)面積大的植被景觀斑塊形狀相對(duì)松散一些，斑塊內(nèi)部環(huán)境的物種相對(duì)多一些。

但從另一方面來看，景觀多樣性的增加就意味著某些景觀要素面積的減少，作為獼猴、勺雞、金雕等的保護(hù)地，維持其正常的生存又需要一定面積的森林景觀要素的存在。

3.3 小結(jié)

（1）混溝原始森林內(nèi)的植被景觀要素多樣性指數(shù)的值較高，與豐富度指數(shù)略低、均勻度指數(shù)較高有關(guān)。原始森林內(nèi)各景觀要素的面積差異較小，是景觀要素多樣性較高的主要原因。

（2）混溝原始森林內(nèi)的植被景觀要素優(yōu)勢(shì)度較低，說明核心區(qū)內(nèi)沒有明顯占主導(dǎo)地位的景觀。這與多樣性、均勻度分析得出的結(jié)論是一致的。

（3）混溝原始森林內(nèi)，植被多樣性指數(shù)反映出各個(gè)景觀要素面積差異不大，比較均衡，生態(tài)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，基本未受到人為因素的影響。

原始森林植被景觀一方面為獼猴、勺雞、金雕等的生存提供了良好的生存條件，另一方面反映出核心區(qū)內(nèi)景觀要素物種多樣性保持較好。所以在不影響獼猴、勺雞、金雕等生存的前提下提高核心區(qū)內(nèi)的景觀要素多樣性是保護(hù)區(qū)今后工作的一個(gè)重點(diǎn)。

4 植被景觀的形狀研究

在自然界中，景觀斑塊的形狀是多種多樣的。在景觀生態(tài)學(xué)中，斑塊的形狀指數(shù)和分形研究是常用的斑塊形狀研究方法。

通過對(duì)混溝原始森林內(nèi)的景觀斑塊的形狀指數(shù)和景觀要素的分維數(shù)的分析，提示了該區(qū)域內(nèi)景觀斑塊和要素的形狀特點(diǎn)及其成因。

4.1 研究方法

式中P為斑塊的周長(zhǎng)，A為斑塊的面積，其單位分別用m和m2。

這類斑塊形狀指數(shù)是斑塊周長(zhǎng)與等面積的圓周長(zhǎng)之比，它代表斑塊形狀與相同面積的圓形之間的偏離程度。當(dāng)斑塊形狀為圓形時(shí)，S取值最小，等于1。其值越接近于1，表示斑塊形狀與圓形越相近；其值越大，則斑塊形狀與圓形相差越大，形狀越不規(guī)則（劉燦然、陳靈芝，2000；鄔建國(guó)，2000）。

（2）分維數(shù)常用來測(cè)定斑塊形狀的復(fù)雜程度，是景觀斑塊分形研究中常用的公式。分維的定義有很多種，計(jì)算方法也很多。在景觀生態(tài)學(xué)中應(yīng)用最多的是基于周長(zhǎng)-面積關(guān)系的方法（劉燦然、陳靈芝，2000）。在用分維數(shù)來描述景觀斑塊鑲嵌體的幾何形狀復(fù)雜性時(shí)，通常采用線性回歸法。

設(shè)斑塊周長(zhǎng)為P，面積為A，則二者滿足關(guān)系：

其中D為斑塊邊界的分維數(shù)。一般的處理方法是將式 P=c0AD/2兩邊取對(duì)數(shù)，令 c=ln（c0），b=D/2，得到：

即lnP為lnA的線性函數(shù)，分維數(shù)D=2b，即分維數(shù)就是該直線斜率的2倍。用此方法可以分別求出不同景觀要素的分維數(shù)。

實(shí)際上，還有一種表達(dá)式：

同樣可以得到：

由于混溝原始森林各植被景觀要素斑塊基本集中，各自成片，故本文只采用斑塊形狀指數(shù)方法對(duì)混溝原始森林景觀進(jìn)行分析研究。

4.2 數(shù)據(jù)分析

斑塊的幾何形狀是景觀的空間結(jié)構(gòu)度量中一個(gè)重要的特征，也是自然保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容。Jared Diamond（1975年）在自然保護(hù)區(qū)的設(shè)計(jì)中提出了6條設(shè)計(jì)原理，其中一條認(rèn)為保護(hù)區(qū)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成圓形（徐化成，1995）。根據(jù)形狀和功能的一般原理，緊密型形狀在單位面積中的邊緣比例小，有利于保蓄能量、養(yǎng)分和生物；而松散型形狀（如長(zhǎng)寬比很大或邊界彎延多曲折）易于促進(jìn)斑塊內(nèi)部與外圍環(huán)境的相互作用，尤其是能量、物質(zhì)和生物方面的交換。因此，本文選用了以圓形為幾何參照物的斑塊形狀指數(shù)來分析斑塊形狀。

表6 植被景觀要素的分維

從表6中可以看出，核心區(qū)內(nèi)的斑塊形狀指數(shù)隨著斑塊面積的增加有逐漸增大的趨勢(shì)。面積大的景觀要素斑塊形狀是松散型形狀，如遼東櫟林景觀斑塊，它的分維數(shù)最高，為4.5108，這說明在核心區(qū)內(nèi)，與其它植被景觀相比，遼東櫟林景觀受人為活動(dòng)的干擾較小，干擾程度低，天然形狀保持較好。面積小的景觀要素形狀是近似于圓形的緊密型形狀，如紅樺林景觀，它的分維數(shù)最低，為 1.4521。

從表6中還看出，整個(gè)原始森林景觀的分維數(shù)為8.4645，其值較高，說明核心區(qū)內(nèi)的森林景觀受到的人為干擾也較小，所以保護(hù)森林景觀，防止人為干擾破壞，保持混溝原始森林現(xiàn)有景觀應(yīng)該是保護(hù)區(qū)今后工作的一個(gè)重點(diǎn)。

4.3 小結(jié)

（1）歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)混溝內(nèi)所有的8種植被景觀要素的邊界密度都不大，邊界密度數(shù)值范圍為0.97～1.13之間，接近1，說明森林景觀從總體上講破碎化程度小，連通性好。受人為干擾程度極小，為生物提供了良好的生存環(huán)境。這樣的斑塊大多數(shù)分布于核心區(qū)內(nèi)的溝谷的兩側(cè)，其延伸方向大致與溝谷的方向垂直。坡面地勢(shì)是這類景觀斑塊的主要成因。核心區(qū)內(nèi)也有少部分斑塊形狀指數(shù)接近1，它們的形狀是近似于圓形的，這樣的斑塊多分布于谷底處或鍵嵌于大的景觀斑塊內(nèi)。

（2）歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)混溝原始森林內(nèi)景觀斑塊的形狀與它的分布方式有一定的關(guān)系。大體來說，沿混溝兩側(cè)的山坡分布的景觀斑塊較狹長(zhǎng)，而鑲嵌于大班塊中的小斑塊的形狀更接近于圓形。核心區(qū)內(nèi)以溝谷地形為主，沿溝谷兩側(cè)的山坡分布的植被景觀斑塊以狹長(zhǎng)形類型為主，所以這類斑塊占大多數(shù)；而鑲嵌于其它斑塊中的景觀斑塊由于周圍的環(huán)境條件相似，所以其形狀也更接近于規(guī)則的形狀，這樣的斑塊占少數(shù)。

5 結(jié)論

混溝為原始森林景觀，各景觀要素之間的面積分配較均勻，周長(zhǎng)也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。周長(zhǎng)與面積之間有極顯著的正相關(guān)關(guān)系。各森林景觀要素邊界密度不大，說明原始森林景觀的破碎化程度小，連通性好。多樣性較高，優(yōu)勢(shì)度較低。這說明各景觀要素面積差異較小，核心區(qū)內(nèi)沒有特別占優(yōu)勢(shì)的景觀要素。森林景觀受人為干擾較小，說明核心區(qū)內(nèi)的森林景觀受人為因素的影響不大。

研究結(jié)果表明：歷山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)混溝原始森林物種多樣性保持良好，為多種生物提供了適宜的生存環(huán)境，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)保護(hù)工作。

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S718.557

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1002-3356（2011）06-0052-05

2011-10-10