生態(tài)交錯帶植被動態(tài)監(jiān)測與評估研究進展

馬溪平，段琤烜，劉 麗，汪 杰，秦 帥，徐成斌*

(1.遼寧大學 環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036；2.沈陽市環(huán)境技術評估中心，遼寧 沈陽 110000)

1 前言

生態(tài)交錯帶是生態(tài)實體(如生態(tài)系統(tǒng)、群落等)之間在特定尺度下的過渡地帶，由于它是相鄰生態(tài)系統(tǒng)物種分布的限界，因此在生態(tài)上表現(xiàn)出脆弱性和敏感性[1-3].在生態(tài)交錯帶中，生態(tài)環(huán)境的基本特點和功能可以通過植被的特征、結構和功能綜合表征，因此植被成為生態(tài)交錯帶中不可或缺的組成成分[4].研究生態(tài)交錯帶的特征和更替規(guī)律，對于改善環(huán)境、保護物種多樣性、推動生態(tài)學的發(fā)展等具有重要意義.

2 生態(tài)交錯帶概述

2.1 生態(tài)交錯帶歷史回顧

生態(tài)交錯帶是景觀生態(tài)學的重要概念，并且是景觀學中的一個基本單位，逐漸發(fā)展成為研究生態(tài)系統(tǒng)領域的重要基礎[5].生態(tài)交錯帶作為獨特的環(huán)境單元[6]，20世紀初，由Clements第一次將生態(tài)交錯帶(ecotone)的概念引入到生態(tài)學中，他將生態(tài)交錯帶看作是“相鄰兩個群落的應力帶”[7].在此之后，對于生態(tài)交錯帶的概念，在不同的時間段，不同學者都有其不同的認識.Leopold[8]提出了“邊緣效應”的思想，即景觀邊緣的物種豐富度要比相鄰系統(tǒng)的高，并論證了生態(tài)交錯帶其實就是一個過渡帶，其物種的種類和數(shù)量要比相鄰兩個系統(tǒng)豐富.Anderson J M[9]認為生態(tài)交錯帶是兩個相異生態(tài)系統(tǒng)交接地方的過渡帶.20世紀80年代以來，等級理論[10]和景觀生態(tài)學的斑塊理論[11]的發(fā)展進一步推動了生態(tài)交錯帶的研究，為人們認識和理解生態(tài)交錯帶提供了理論支撐[12].1987年，SCOPE會議在法國巴黎舉行，會議上通過對生態(tài)交錯帶概念的商討，最終將其定義為“相鄰兩生態(tài)系統(tǒng)間的過渡區(qū)域，由于這兩個相鄰的生態(tài)系統(tǒng)之間彼此緊密聯(lián)系并相互作用，因此它們相互作用的時間、空間和強度決定了生態(tài)交錯帶的特征”[5]，這也是現(xiàn)在普遍公認的概念.相比以往的概念，這次定義更加豐富了生態(tài)交錯帶的內涵.即便如此，關于概念的爭論一直在持續(xù)，典型的就是由Lloyd在借鑒許多定義后將生態(tài)交錯帶歸納為“生態(tài)交錯帶是植被空間變化比相鄰區(qū)域更迅速的區(qū)域”[13].

2.2 國內生態(tài)交錯帶研究進程

20世紀50年代，我國對生態(tài)交錯帶才開始較為系統(tǒng)的研究[14].1987年，在法國巴黎舉行的SCOPE會議將生態(tài)交錯帶的概念界定和闡述之后，我國學者對生態(tài)交錯帶這一熱點話題加以關注，并展開對其研究工作[12].對于交錯帶的研究，國內的學者之間存在的主要差異是對交錯帶的研究尺度不同.周婷、彭少麟將生態(tài)交錯的尺度類型分為大中小3個，即大尺度的生物群區(qū)交錯帶、中尺度的景觀類型間的生態(tài)交錯帶和小尺度的斑塊間的群落交錯區(qū)[15].朱芬萌[16]等將生態(tài)交錯帶與生態(tài)邊界層、生態(tài)過渡帶、邊緣及環(huán)境梯度帶等常見術語的定義進行了區(qū)分，進一步明確了生態(tài)交錯帶的概念，并簡述了其基本屬性與理論.歐曉昆[17]等闡述了生態(tài)交錯帶的功能和結構特征，用以深刻理解景觀功能和過程，將生態(tài)交錯帶作為景觀格局和過程有那就得一個重要切入點，為生態(tài)交錯帶理論的完善和生態(tài)學的深入探究提供理論支撐.

我國對于生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測才剛起步，由于在這方面的基礎較差、底子較薄，且相對落后，因此還沒有形成統(tǒng)一的國家標準和技術規(guī)范，對于生態(tài)交錯帶的研究工作更是微乎其微.另一面，我國在生態(tài)環(huán)境方面的監(jiān)測遠遠落后于對環(huán)境污染的監(jiān)測，中科院、環(huán)保、農業(yè)、國土、水利等部門都有自己的監(jiān)測方式，各部門按照本單位的角度進行監(jiān)測，之后的監(jiān)測數(shù)據(jù)很少共享.基于這一現(xiàn)狀，中科院于1988年著手建立中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡，各地區(qū)中科院承擔對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測任務；環(huán)保部門對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和評價主要基于遙感所獲取的數(shù)據(jù).近年來，中科院所屬的53個生態(tài)定位站雖然進行了大量的生態(tài)研究工作，成果引起世界各國的關注，但大多數(shù)工作是研究性的，環(huán)境監(jiān)測意義上的常規(guī)生態(tài)監(jiān)測工作還處于起步和醞釀階段，有待研究和開發(fā).

3 生態(tài)交錯帶監(jiān)測與評估

3.1 生態(tài)交錯帶監(jiān)測方法

生態(tài)交錯帶對周圍的環(huán)境和氣候相當敏感，因此生態(tài)交錯帶對其周圍環(huán)境變化具有提前指示作用[18].物種的組成和植被結構的變化是交錯帶變化最為顯著特征，但多數(shù)學者對于交錯帶位置和寬度的測定研究主要集中于利用植物多樣性來計算說明[19-21].交錯帶位置和寬度的判定已成為定量研究交錯帶生態(tài)過程的基礎[22]，尤其在群落群統(tǒng)計、斑塊尺度和動態(tài)等研究中，交錯帶位置和寬度的判定在其中發(fā)揮著重要作用[23].

20世紀80年代，隨著人們對于植被數(shù)量生態(tài)方法的不斷深入研究以及生態(tài)學界對交錯帶的不斷關注，推動了對交錯帶定量判定技術的發(fā)展，逐漸形成了包括群落結構分析[24]、分類排序技術[25]、環(huán)境梯度上的多樣性研究[26]、主成分分析法[27]、梯度分析[28]及游動分割窗技術等成熟的判定方法.與此同時，證明了游動分割窗技術是一種簡單而可靠的判定交錯帶位置的方法，而且這種方法在任何類型的反應變量中都適用[29].

3.1.1 樣帶的設置

樣帶的設置采用的是梯度樣帶法，這種方法與非梯度樣帶法相比較而言，在實踐中的應用效果更好[30].樣帶的設置要垂直于樣地的邊界，一般設置2～3條平行樣帶，間距為20 m.以邊界為起點分別向兩個相反的方向設置樣方，由于被研究地區(qū)不同，樣方的大小、間距、個數(shù)不同.一般情況下，兩個相反方向的樣方大小分別為5 m×5 m、1 m×1 m，樣方間距為1 m.

3.1.2 分析方法

對于交錯帶寬度的測定，目前使用最多而且效果較好的方法莫過于游動分割窗技術[31].它是利用多個(偶數(shù))樣方組成的窗體沿樣帶逐個樣方滑動，計算2個1/2窗體間的相異系數(shù)，將所得的距離(相異)系數(shù)沿樣帶序列作圖，根據(jù)陡峭峰值區(qū)間判定交錯帶的一種技術[32].一般情況下，最適窗口寬度為6-8個樣方[18，33].

李海濤，劉小丹，張克斌等人[17]選取干旱、半干旱區(qū)的典型內陸濕地——四兒灘濕地作為研究區(qū)，利用游動分割窗技術對研究區(qū)進行交錯帶定量判定，將其分為旱生帶、交錯帶、濕生帶，并表明游動分割窗技術能夠準確的表明交錯帶的位置.

王曉，張克斌，楊曉輝等人[33]首先判斷游動分割窗技術對半干旱區(qū)濕地-干草原交錯帶邊界的確定是否可行，其次對該交錯帶的寬度和邊界進行了判定，最終得出交錯帶寬度為50 m，并通過研究表明：適宜窗口寬度的大小由研究的尺度大小和交錯帶過渡性是否明顯決定.

王婷，歐曉昆，張志明等人[34]利用移動分割窗技術，選取物種豐富度、群落相異性系數(shù)Jaccard指數(shù)(βJ)和Sorenson指數(shù)(βS)作為指標以及平方歐式距離(SED)作為距離系數(shù)，對退耕還林后的生態(tài)交錯帶寬度進行了測定，最終得出交錯帶的位置大約在樣帶序列25～36 m處，寬度為9 m.

熊丹，歐曉昆，黃文君等人[35]通過對土壤養(yǎng)分含量的測定，同樣用平方歐式距離作為系數(shù)，利用移動分割窗技術對農林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)交錯帶的位置和寬度進行了測定，最終計算出生態(tài)交錯帶寬度為11m，表明與之前利用物種多樣性測量出的結果一致.

3.2 生態(tài)交錯帶的評估方法

植被動態(tài)一直以來是生態(tài)科學研究的核心內容之一[36].隨著社會的不斷發(fā)展，不適當?shù)慕洕顒雍屯恋乩矛F(xiàn)象日益增多，導致植被退化越來越嚴重，嚴重影響到人類的健康生活和社會的可持續(xù)發(fā)展.植被的變化，尤其是植物的種類和植被結構的變化，是交錯帶變化最為顯著的特征[31].目前，人類的緊迫任務是如何恢復和重建已經被破壞的植被，而植被動態(tài)正是可以深入探究、了解、掌握植被的變化動因、特點、模式和機制，因此為解決這類問題提供了科學的依據(jù)[37].

王聰[38]通過傳統(tǒng)樣方法對長白山西坡暗針葉林-岳樺林交錯帶的岳樺林和云冷杉兩種主要植被進行取樣，分析了交錯帶植被隨海拔梯度變化的規(guī)律，闡述了交錯帶逐漸消失，岳樺林逐漸從中退出，云冷杉成為主要樹種的未來演替方向.白文娟[39]選取黃土高原水蝕風蝕交錯帶為研究對象，采用野外調查和室內分析相結合的方法，研究了植被與土壤之間的相互關系.即：1)隨著植被演替進展，群落的組成結構趨向均勻和穩(wěn)定；2)土壤種子庫在植被演替過程中，前期的作用比后期大；3)擁有較低滲透勢的植物在植被演替的物種競爭中具有一定的優(yōu)勢，植被演替后期物種對研究區(qū)干旱環(huán)境具有較強適應性.何勇，董文杰，嚴曉瑜[40]通過MODIS對北方農牧交錯帶的植被生長特征進行了研究，結果表明：氣溫是影響植被生長的主要氣候因素，其次是降水.張艷萍，張曉萍等人[41]利用遙感數(shù)據(jù)對交錯帶的植被覆蓋動態(tài)變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度整體呈增加趨勢，中低植被覆蓋度所占比重最大.

3.2.1 植被動態(tài)研究方法

對生態(tài)交錯帶植被動態(tài)的研究，首要的是對所選的研究區(qū)域進行本底調查，然后根據(jù)本底調查得到的數(shù)據(jù)進行多樣性計算，從而分析研究區(qū)域的植被動態(tài)變化.調查數(shù)據(jù)主要是通過GIS和野外調查的方法獲取，采集的數(shù)據(jù)主要是針對喬木層植物、灌木層植物和草本層植物.對于喬木層的植物，所需的數(shù)據(jù)內容包括植物的名稱、株數(shù)、高度、胸徑、冠幅、密度、多度、蓋度等；而對于灌木層植物和草本層植物，主要采集其植物的種類、株數(shù)、高度、蓋度等數(shù)據(jù).在野外調查中，由于交錯帶尺度大小的不同，因此對喬木層植物、灌木層植物和草本層植物設置樣地的數(shù)量和大小也不盡相同[8].通常情況下，喬木樣方大小為10 m×10 m，灌木樣方大小為5 m×5 m，草本樣方的大小為1 m×1 m；而灌木和草本的樣方數(shù)通常為5個，位于喬木樣方的中心和四周，此稱之為5點取樣法.

研究植被的動態(tài)變化，必然要與所處的環(huán)境生境聯(lián)系在一起.在眾多的研究當中，探討土壤與植被的相互影響關系成為研究的主要內容.因此，需要對土壤的有機質及養(yǎng)分、pH、總磷、速效磷、速效鉀、全氮等生境因子進行測定，進而分析土壤的理化性質與植被動態(tài)變化的聯(lián)系.在對土壤樣品的采集當中，遵循“隨機、均勻、多點混合”的原則，一般采取“S”形選點采樣的方法進行取樣，取樣點深度一般為20 cm[42].

3.2.2 植被動態(tài)變化分析指標

分析植被的動態(tài)變化，主要是通過植被的物種多樣性進行反應，而所選取的物種多樣性指標主要有2個空間尺度，分別是α多樣性和β多樣性.α多樣性被稱為生境內的多樣性，它主要研究的是均勻生境下的物種數(shù)目；β多樣性指的是沿環(huán)境梯度不同生境群落之間物種組成的的相異性或物種沿環(huán)境梯度的更替速率[42]，因此，β多樣性也被稱為生境間的多樣性.通常情況下，α多樣性主要通過物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)進行反映.而β多樣性主要通過Whittaker指數(shù)(BW)、Wilson和Shmida指數(shù)(BT)和Cody 指數(shù)(Bc)等指數(shù)進行表征，β多樣性主要受土壤、地貌及干擾等生態(tài)因子控制.

人類活動對自然景觀格局產生了深遠的影響，引起生態(tài)交錯帶的變化和物種多樣性降低，加強生態(tài)交錯帶的管理和物種多樣性保護非常重要.隨著對生態(tài)保護的不斷重視，生態(tài)交錯帶的研究和監(jiān)測方法也在不斷推陳出新.

4 研究展望

1.生態(tài)交錯帶植被動態(tài)變化除了受氣候、降水等環(huán)境因子的影響外，還有一個關鍵的影響因素，那就是人類活動的干擾.不適當?shù)娜祟惢顒?，如人類的亂砍亂伐、過渡放牧等使得生態(tài)交錯帶發(fā)生強烈變化；而另一方面，人類的合理維護又將提高生態(tài)交錯帶的物種多樣性.那么，生態(tài)交錯帶受到人類不適當活動的影響究竟有多大，交錯帶內的物種多樣性是否增加或減少，這方面還尚未有明確的判斷，需要我們在以后的研究工作中進一步探討.

2.目前，我國對生態(tài)交錯帶的研究地區(qū)主要集中在北方，而且主要是對農牧、農林交錯帶的研究.隨著西部的快速發(fā)展，其生態(tài)問題日益凸顯，植被破壞嚴重，物種多樣性逐年降低.因此，在以后的研究工作中應加大對西部區(qū)域生態(tài)交錯帶的研究力度；同時，也應該擴寬研究類型，加強對林草、水陸、山地平原、荒漠綠洲、草原沙漠等交錯帶的研究.在研究對象方面，目前的研究工作主要集中在植物多樣性上，而對動物和微生物的研究甚少；為了可以更加全面地認識生態(tài)交錯帶的物種組成，今后應將植物和動物、微生物綜合起來研究，深入領會生態(tài)交錯帶的機制并發(fā)掘其功能，從而更加全面地發(fā)揮生態(tài)交錯帶在生態(tài)環(huán)境研究中的關鍵作用.

3.在日后的研究中，建議應將二者結合起來，以研究更大尺度的生態(tài)交錯帶，進而更加全面地掌握不同尺度交錯帶的信息，從而為日后的生態(tài)環(huán)境研究服務.