古交市植物資源現(xiàn)狀及物種α—多樣性研究

朱小敏

摘 要： 植物資源調(diào)查及其物種多樣性分析為植物物種多樣性的保護(hù)與利用以及生物的生存提供非常重要的科學(xué)依據(jù)。以古交市植物資源為研究對象，在實(shí)地踏查和抽樣調(diào)查的基礎(chǔ)上，共記錄植物494種，隸屬288屬，85科，并對各植被類型的分布特征和植物種的α-多樣性進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，植被類型共5種，各類型所占國土總面積的比例表現(xiàn)為：荒草地>針葉林>灌叢>闊葉林>針、闊混交林；從α-多樣性的3個方面5個指標(biāo)測定：各樣地不同的α-多樣性指數(shù)變化趨勢基本一致，但Margalef豐富度指數(shù)變化幅度較大；通過加權(quán)分析α-多樣性特征，古交市植物物種多樣性整體水平一般，物種數(shù)目差異較大，稀有物種所占比例較小，需對物種多樣性加以保護(hù)。

關(guān)鍵詞：α-多樣性；指標(biāo)；植物

中圖分類號：Q949 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.08.024

生物多樣性是地球生物數(shù)十億年進(jìn)化的結(jié)果，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，它不僅給人類提供了豐富的食物、藥物資源，而且在保持水土、調(diào)節(jié)氣候、維持自然平衡等方面起著不可替代的作用，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的生存支持系統(tǒng)[1]。生物多樣性已成為生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科最為熱門的研究領(lǐng)域之一。

關(guān)于生物多樣性的內(nèi)涵，通常有4個層次： 遺傳（ 基因）多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性[2-3]。其中，物種多樣性則是生物多樣性最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的層次，也是衡量一定地區(qū)生物資源豐富程度的一個客觀指標(biāo)[4]。在闡述一個國家或地區(qū)生物多樣性豐富程度時，最常用的指標(biāo)是區(qū)域物種多樣性。區(qū)域物種多樣性的測量包含物種總數(shù)、物種密度和特有種比例3個指標(biāo)[5]。

植物多樣性是生物多樣性研究中最常涉及的部分，其相關(guān)理論和評價指標(biāo)體系也比較成熟。20世紀(jì)80年代初至今，研究人員對植物多樣性的研究取得了較大進(jìn)展，包括多樣性測度方法的歸納[4-9]。對于物種多樣性的測度，Whittaker將其歸納為α-多樣性指數(shù)、β-多樣性指數(shù)和γ-多樣性指數(shù)3類[10]。目前用得較多的是α-多樣性指數(shù)和β-多樣性指數(shù)[11]。

古交市是全國最大的土焦煤生產(chǎn)基地。作為國家重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)的能源基地，煤炭開采成為經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，煤炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使古交市的生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重干擾和破壞，動植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境不斷惡化，棲息地逐漸縮小，多數(shù)動植物及其生境受到嚴(yán)重威脅。鑒于此，以古交市全境植物物種為研究對象，運(yùn)用群落生態(tài)學(xué)原理，對境內(nèi)植物進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查，廓清了古交市綠地植物資源的現(xiàn)狀，分析了綠地植物的種類構(gòu)成，并對古交市境內(nèi)植物群落的多樣性指數(shù)進(jìn)行了抽樣分析，旨在為古交市政府進(jìn)行園林城市申請和植物物種的有效保護(hù)提供一定的理論依據(jù)和有益參考。

1 研究區(qū)概況

古交市位于山西省中部、太原市西部山區(qū)，呂梁山脈東麓，地理位置為37°40′6″～38°8′9″N，111°43′8″～112°21′5″E，總面積151 198.6 hm2。全境山嶺連綿，溝壑縱橫，海拔均在1 000～3 500 m之間。隨著海拔高度的變化，古交市共有山地棕壤、褐土、草甸土3個土類。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，冬長夏短，年平均降水量400～650 mm，日照充足，晝夜溫差大。汾河為流經(jīng)古交的最大河流，蜿蜒曲折，由西向東流入太原盆地。

2 研究方法

筆者通過對古交市全境內(nèi)的植物資源進(jìn)行全面踏查，重點(diǎn)采用典型的隨機(jī)抽樣法進(jìn)行野外調(diào)查，根據(jù)生物多樣性相關(guān)指數(shù)對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.1 樣地設(shè)置

在野外踏查的基礎(chǔ)上，按照一致性、同質(zhì)性、代表性的原則[12]，結(jié)合古交市的植物資源、生境、氣候、植被類型及植物種的分布等特征，隨機(jī)抽取樣地進(jìn)行植物物種數(shù)量特征的調(diào)查。在古交境內(nèi)的林地上隨機(jī)選取14個樣地，每個樣地根據(jù)植物的生活型特征分別對喬木層、灌木層、草本層進(jìn)行分層調(diào)查，各樣地的具體位置見表1。

2.2 調(diào)查內(nèi)容

本次調(diào)查在搜集古交境內(nèi)的所有植物資源種類的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同植物的分布特征和范圍，在地形圖上進(jìn)行對坡調(diào)繪，劃分不同的植被類型；參考《植物學(xué)》[13]、《山西植物志》[14]等資料對搜集的植物進(jìn)行鑒別、觀察、記錄，并邀請山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物分類學(xué)專家進(jìn)行審核校對。

在隨機(jī)抽取的樣地內(nèi)按喬木層、灌木層和草本層進(jìn)行植物種類的調(diào)查、測定和統(tǒng)計(jì)。喬木層：樣地面積為10×10 m2，測定樹高>4 m、胸徑>2.5 cm的所有木本植株，記錄喬木樹種、胸徑、樹高、多度、密度、基部蓋度、頻度；灌木層：樣地面積為4×4 m2，測定樹高<4 m的所有植株，記錄灌木樹種、冠幅、多度、密度、蓋度、頻度；草本層：樣地面積為1×1 m2，記錄草本植物種、高度、多度、密度、蓋度、頻度。對于缺少喬木層的樣地，按照森林中灌木層、草本層的調(diào)查內(nèi)容及方法進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。灌木樣方隨機(jī)分布于樣地四角或中心，草本樣方隨機(jī)分布于樣地內(nèi)。

2.3 α-多樣性指數(shù)的測定

α-多樣性的測度指標(biāo)比較多，筆者從物種豐富度（Margalef指數(shù)）、物種多樣性（Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)）和均勻度3個方面選取了5個指標(biāo)測算古交市的物種多樣性。計(jì)算公式如下。

（1） Margalef豐富度指數(shù)R：

R=（S-1）/lnN

（2） 物種多樣性指數(shù)：

Simpson指數(shù)：D=1-∑（Ni/N）2

Shannon-Wiener指數(shù)：H=-∑PilnPi

（3） 均勻度指數(shù)J：

基于Simpson指數(shù)的均勻度指數(shù)：

JD=D/（1-1/S）

基于Shannon-Wiener指數(shù)的均勻度指數(shù)：

JH=H/lnS

其中：S—樣方中的植物種類數(shù)；

N—樣方中植物的總個體數(shù)；

Ni—樣方或群落中種i的個體數(shù)；

Pi—樣方或群落中種i的重要值。

由于喬木層、灌木層和草本層對群落結(jié)構(gòu)、功能與穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)不同，因此分別賦予其0.5，0.3，0.2的權(quán)重系數(shù)[15]，計(jì)算各樣地的總體多樣性，即各群落的總體多樣性指數(shù)為：W=0.5Wq+0.3Wg+0.2Wc。式中Wq、Wg和Wc分別為喬木層、灌木層和草本層對應(yīng)的多樣性指數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 古交市植被類型的分布特征

古交市氣候溫和，陽光充足，錯綜復(fù)雜的地形地貌和水文特征，孕育了當(dāng)?shù)刎S富的植物資源和植被類型。通過調(diào)查，根據(jù)植被種類、群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境、山西主要植被類型及分布等特征[16]，劃分出古交市主要植被類型，包括：針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林、灌叢、荒草地等5種類型，各植被類型的匯總情況見表2。

結(jié)果顯示，古交市主要植被類型為荒草地，占古交市國土總面積的34.70%，均勻分布在荒山荒坡上；其次為針葉林，占古交市國土總面積的18.86%，集群分布在低、中海拔的陰坡上，種群內(nèi)部均勻分布；灌叢占古交市國土總面積的8.71%，均勻分布在較干旱的陰坡或立地質(zhì)量較好的陽坡；落葉闊葉林占古交市國土總面積的3.78%，集群分布在低海拔的山溝山谷地或村莊附近，種群內(nèi)部均勻分布；針闊混交林面積最小，僅占古交市國土總面積的0.21%，隨機(jī)分布在陽坡的中坡位上。

3.2 古交市植物資源種類

古交市現(xiàn)有植物85科288屬494種，其中木本植物共有43科88屬175種，草本植物共有57科211屬319種。在現(xiàn)有的植物中，其中3種引自國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物的栽培種，2種省級重點(diǎn)保護(hù)野生植物，10種鑒于植物的觀賞性、藥用價值和在育種上的重要性，被列為地方珍稀野生植物，詳見表3。

3.3 古交市植物多樣性比較

根據(jù)所記錄樣地中各植物種的數(shù)量特征，對各調(diào)查樣地中所有物種和個體數(shù)加以統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各α-多樣性指數(shù)，并繪制群落內(nèi)不同結(jié)構(gòu)多樣性指數(shù)比較圖（圖1）。從圖1可以看出，各樣地不同結(jié)構(gòu)的各多樣性指數(shù)變化趨勢基本一致，灌草層多樣性指數(shù)極值均分別出現(xiàn)在樣地2和樣地9。從變化幅度來講，若忽略掉未作喬灌層調(diào)查的樣地的多樣性指數(shù)值，喬木層的Shannon-Wiener指數(shù)變化幅度最大4.04，草灌層的最大變化幅度均出現(xiàn)在Margalef豐富度指數(shù)R，分別為灌木層10.22，草木層9.52。再對圖1從多樣性指數(shù)的極值關(guān)系方面對每一群落結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步分析，結(jié)果顯示：多樣性指數(shù)最大差值同樣出現(xiàn)在Margalef豐富度指數(shù)R，分別為喬木層2.05、灌木層2.49和草本層4.42。雖然Margalef豐富度指數(shù)R的變化范圍為0～6，但結(jié)合變化幅度的比較，可以發(fā)現(xiàn)古交市多樣性分布在物種數(shù)目上較不均勻，這在很大程度上由樣地選取位置決定，即生長環(huán)境及人類活動對群落結(jié)構(gòu)尤其是草灌層的影響很大。

若忽略Margalef豐富度指數(shù)R的比較，古交市物種多樣性指數(shù)也存在較大差異，在灌木層上體現(xiàn)尤為明顯。物種多樣性指數(shù)是反映某個群落內(nèi)部豐富度和均勻度的綜合指標(biāo)，Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)所反映的各樣地的多樣性特征并不一致，主要是由于這2個指數(shù)公式的數(shù)學(xué)含義不同所致，如Simpson指數(shù)是對優(yōu)勢度的度量，而Shannon-Wiener指數(shù)主要是對稀有種屬的衡量。雖然表達(dá)的數(shù)學(xué)含義不一致，但在一定程度上也反映了古交市植物α-多樣性的分布情況。

3.4 古交市植物α-多樣性特征

對古交市各調(diào)查樣地中不同結(jié)構(gòu)的多樣性指數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算獲得各樣地總體多樣性指數(shù)，并繪制不同α-多樣性指數(shù)比較圖（圖2）。可以看出，5種指數(shù)曲線反映的物種多樣性變化趨勢基本一致，除Margalef豐富度指數(shù)R和Shannon-Wiener指數(shù)H的波動較大外，另外選取的3個指數(shù)基本趨于一致。其中樣地2、樣地11、樣地14的Margalef豐富度指數(shù)R相比其他樣地而言較大。由于Shannon-Wiener指數(shù)對稀有種屬的衡量具有較大貢獻(xiàn)，也反映了古交市稀有種屬占有較小的比例，應(yīng)對現(xiàn)有珍稀植物加以保護(hù)，確保植物多樣性的完整性。

4 結(jié)論及建議

植物物種的多樣性是森林生態(tài)效益的重要組成部分，不僅為人類提供了必不可少的生物資源，也構(gòu)成了人類賴以生存的基礎(chǔ)，是人類生存和發(fā)展非常重要的條件[17]。受全球氣候變化和人類環(huán)境的影響，生物多樣性的喪失已成為影響人類福利和可持續(xù)發(fā)展的全球性重大問題之一，生態(tài)環(huán)境安全面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)[18]。通過本次調(diào)查分析，古交市植物群落物種多樣性整體水平一般，為保持和增加現(xiàn)有的物種多樣性水平，提出以下建議。

（1） 因地制宜，對境內(nèi)林地加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理，適當(dāng)進(jìn)行封育管理。為完善人工植物群落的生態(tài)功能，可在現(xiàn)有的群落結(jié)構(gòu)中豐富人工群落層次結(jié)構(gòu)，同時加強(qiáng)河岸植被資源的保護(hù)；針對珍稀野生植物資源，除增加必要保護(hù)區(qū)外，還應(yīng)對其進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測，將保護(hù)和養(yǎng)護(hù)有機(jī)結(jié)合起來，更好地促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

（2） 宣傳為主，提高民眾素質(zhì)，樹立生態(tài)意識。由于受廣種薄收傳統(tǒng)思想的支配，不合理的開荒時有發(fā)生，致使當(dāng)?shù)氐膾炱碌?、禿嶺田比比皆是。因此，要注重對民眾的生態(tài)理念宣傳教育，使他們認(rèn)識到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要性，自覺地遵循生態(tài)規(guī)律從事生產(chǎn)、生活活動。

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