采樣尺度和劃區(qū)方式對荒漠綠洲過渡帶植被空間異質(zhì)性的影響

采樣尺度和劃區(qū)方式對荒漠綠洲過渡帶植被空間異質(zhì)性的影響

如何獲取與我們生存星密切相關(guān)的生態(tài)現(xiàn)象和生態(tài)問題的信息，以及通過這些信息來解決這些問題變得越來越重要（grahamtal.1995）。在生態(tài)學(xué)研究中,許多信息(數(shù)據(jù))都與面積相聯(lián)系。在分析這些數(shù)據(jù)時(shí),常常出現(xiàn)其結(jié)果隨面積單元(柵格細(xì)胞或粒度)定義的不同而發(fā)生變化,即所謂的可塑性面積單元問題(鄔建國,2000),它包括尺度效應(yīng)和劃區(qū)效應(yīng)兩個(gè)方面,其中尺度問題最具復(fù)雜性和多樣性。若要正確理解植被格局與過程的關(guān)系,就必須深入了解其尺度依賴的特點(diǎn),即尺度效應(yīng)(Scaleeffect)(鄔建國,1996)。在同一尺度上會(huì)有很多種劃區(qū)方案(劃區(qū)方向和劃區(qū)形狀),而且不同的劃區(qū)方案會(huì)引起分析結(jié)果的變化,即劃區(qū)效應(yīng)(Zoningeffect)。因此,可塑性單元問題已成為地理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的重要問題(Turner,1989a;Dudley,1991;Levin,1992)。Gehlke和Biehl(1934)在統(tǒng)計(jì)學(xué)中最早注意到尺度效應(yīng),Yule和Kendall(1950)進(jìn)一步闡述了尺度效應(yīng)對統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響,指出統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果只對所采用的面積單元有效,而在其它尺度上不一定有效。近年來,可塑性面積單元問題的研究更加受到重視,例如Openshaw和Taylor(1979)在一項(xiàng)相關(guān)分析研究中表明,在改變尺度(面積單元大小)和劃區(qū)方法時(shí),相關(guān)系數(shù)可以是取值范圍(-1～1)內(nèi)的任何值。隨著景觀生態(tài)學(xué)和等級(jí)理論的興起,許多生態(tài)學(xué)研究注意到了尺度改變對格局和過程分析結(jié)果的影響(Turner,1989b;Jenerette&Wu,2000;Wu&Qi,2000),也注意到如何解決可塑性面積單元問題(Hayetal.,2003)。在國內(nèi)這方面的研究也較多,例如朱錦懋等(1999)研究了森林群落物種多樣性的可塑性面積單元問題,王政權(quán)等(2000)和李友常等(1997)分別研究了紅松老齡林主要樹種和天牛種群的尺度依賴問題,陳玉福等(2003)論述了生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性,并討論了空間異質(zhì)性的尺度含義。這些研究在理論上推進(jìn)了國內(nèi)相關(guān)研究的進(jìn)程,在實(shí)踐上對研究區(qū)域生態(tài)格局和生態(tài)過程的認(rèn)識(shí)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)布局起到重要指導(dǎo)作用?；哪脖唤Y(jié)構(gòu)相對簡單,物種組成相對較少,而且多呈斑塊狀不連續(xù)分布格局。有關(guān)斑塊的形狀和大小以及斑塊內(nèi)部的生態(tài)過程和生態(tài)格局的研究相對薄弱?；哪脖惶貏e是荒漠綠洲過渡帶斑塊狀的植被格局對維護(hù)荒漠綠洲的生態(tài)安全起著重要作用。因此,探索荒漠綠洲過渡帶天然斑塊狀植被的格局和過程已經(jīng)成為模擬天然植被來建立人工防護(hù)體系,提高防護(hù)功能和延續(xù)防護(hù)時(shí)間的需求。但是目前的研究對采樣尺度和劃區(qū)方式都是憑經(jīng)驗(yàn)而定,具有一定的隨意性,忽視了植被空間異質(zhì)性的尺度效應(yīng)和劃區(qū)效應(yīng)。鑒于此,本文以荒漠綠洲過渡帶泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)和紅砂(Reaumuriasoongorica)種群為研究對象,探討植被空間數(shù)據(jù)獲取的可塑性單元問題,旨在為研究認(rèn)識(shí)荒漠植被空間異質(zhì)性的尺度效應(yīng)和劃區(qū)效應(yīng)提供指導(dǎo)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1氣候條件及自然條件研究區(qū)選在黑河中游甘肅省臨澤縣北部綠洲邊緣,地理坐標(biāo)(39°20′N;100°08′E),處于荒漠、巴丹吉林沙漠和張臨高綠洲的交匯處,樣地的南側(cè)和東側(cè)為綠洲,分別相距0.5km和1.5km,西側(cè)2km以外為祁連山余脈淺山區(qū),有時(shí)可形成徑流,北側(cè)為荒漠戈壁和沙漠(巴丹吉林沙漠延伸帶),地勢平坦,海拔1350m左右,年平均降水量117.1mm,最高210.5mm,最低82.9mm,多集中于7、8、9三個(gè)月,約占全年65%?？諝庀鄬穸?6%,年蒸發(fā)量高達(dá)2390mm,年平均氣溫7.6℃,最高達(dá)39.1℃,最低為-27.3℃,年≥10℃積溫為3085℃,屬干旱荒漠氣候。風(fēng)向以西北風(fēng)為主,年平均風(fēng)速為3.2m·s-1,最大風(fēng)速21m·s-1,年大風(fēng)(≥17m·s-1)日數(shù)平均為15d。地帶性土壤為灰棕漠土。天然植被以泡泡刺和紅砂為主,受風(fēng)沙長期干擾,泡泡刺呈簇生狀,并有灌叢沙堆發(fā)育,而紅砂種群周圍基本無灌叢沙堆發(fā)育,生長矮小。1.2樣方尺寸和蓋度的測量在野外踏查的基礎(chǔ)上,根據(jù)植被分布、蓋度、樣方大小所能包含的信息量,在研究區(qū)選擇一塊500m×500m受人為干擾較小的樣地為研究對象。在樣地內(nèi)采用規(guī)則的網(wǎng)格狀布樣方法(Issaks&Srivastava,1989),將樣地劃分成2500個(gè)小樣方(10m×10m),樣方間縱向和橫向最小距離為10m,最大距離為500m。調(diào)查每個(gè)小樣方內(nèi)的植物種類、密度、蓋度以及泡泡刺灌叢沙堆的高度和體積(表1)。其中蓋度數(shù)據(jù)是通過測量每個(gè)樣方內(nèi)紅砂和泡泡刺灌叢的冠幅得到的,因?yàn)闃拥貎?nèi)主要有泡泡刺和紅砂兩種植物,泡泡刺積沙形成灌叢狀,而紅砂孤立分布,以兩種植物的冠幅所占整個(gè)樣方的比例作為蓋度值。本文采用2500個(gè)10m×10m小樣方中獲取的植物蓋度數(shù)據(jù)來分析采樣尺度和劃區(qū)方式對荒漠植被空間異質(zhì)性的影響。選擇蓋度作為分析數(shù)據(jù)的原因是荒漠植被的高度和密度在空間上差異不顯著,不能很好地反映植被空間格局,而生物量在大面積上調(diào)查存在較大的難度。蓋度值不僅反映荒漠植物的長勢,而且能明顯地反映種群空間格局。另外,本文采用的種群蓋度是實(shí)測值而不是估計(jì)值,因此,采用蓋度數(shù)據(jù)可以反映種群空間異質(zhì)性的尺度效應(yīng)和劃區(qū)效應(yīng)。1.3數(shù)據(jù)分析的方法1.3.1空間異質(zhì)性檢驗(yàn)首先對調(diào)查的每塊樣地植被蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析,在此基礎(chǔ)上建立變異函數(shù)的理論模型(Robertson,1987)。確定變異函數(shù)的主要參數(shù)包括塊金值(C0)、基臺(tái)值(C0+C)、變程(A0)和各向異性比K(h)等。根據(jù)變異函數(shù)理論,隨著間隔距離h的增大,變異函數(shù)r(h)從非零值達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的常數(shù)時(shí),該常數(shù)稱為基臺(tái)值,當(dāng)間隔距離h=0時(shí),r(0)=C0,該值稱為塊金值?；_(tái)值是系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性中最大的變異,變異函數(shù)r(h)達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的間隔距離A0稱為變程(王政權(quán),1999)。其中塊金值表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性,較大的塊金值表明較小尺度上的某種過程不可忽視。當(dāng)樣地面積過小,就會(huì)出現(xiàn)純塊金效應(yīng),從而不能真實(shí)地反映空間異質(zhì)性。基臺(tái)值表示系統(tǒng)屬性或區(qū)域變化量最大變異,C0+C越大表示總的空間異質(zhì)性程度越高。A0表示空間相關(guān)尺度,當(dāng)采樣間隔距離大于A0時(shí),變量與空間不相關(guān),即變程是采樣面積的臨界尺度,小于變程的采樣尺度也不能真實(shí)地反映變量空間異質(zhì)性。變異函數(shù)采用下式計(jì)算(Matheron,1963):r(h)=12N(h)∑i=1n[z(xi)?z(xi+h)]2(1)r(h)=12Ν(h)∑i=1n[z(xi)-z(xi+h)]2(1)式中:r(h)為變異函數(shù),z(xi)代表點(diǎn)xi(樣方)的荒漠植被蓋度值,z(xi+h)代表與xi間距為h樣點(diǎn)的樣方蓋度值;N(h)是相距h的所有點(diǎn)對的數(shù)目。另外,各向異性比計(jì)算公式為:K(h)=r(h,θ1)/r(h,θ2)(2)式中:K(h)為各向異性比,r(h,θ1)和r(h,θ2)分別為南北、東西兩個(gè)方向上的變異函數(shù)。如果K(h)等于或接近于1,則空間異質(zhì)性為各向同性,否則為各向異性。1.3.2空間異質(zhì)性參數(shù)變化和劃區(qū)效應(yīng)分析不同尺度上的蓋度值是采用數(shù)據(jù)增聚方式獲得。尺度效應(yīng)分析主要從兩個(gè)方面出發(fā):一是保持粒度(樣方)不變,增加幅度(樣地)分析其對空間異質(zhì)性的影響;二是保持幅度不變,改變粒度進(jìn)行分析。首先按照第一種尺度變化,以調(diào)查的第一個(gè)樣方為基準(zhǔn)點(diǎn)把整個(gè)樣地(500m×500m)分成50m×50m、100m×100m、200m×200m、300m×300m、400m×400m和500m×500m6種不同幅度的樣地單元。再按照第二種尺度變化增加空間粒度,即將10m×10m的樣方變成10m×20m、20m×20m、20m×30m、30m×30m、30m×40m、40m×40m、40m×50m和50m×50m的不同大小的粒度。然后用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的變異函數(shù)理論模型計(jì)算各個(gè)尺度上的空間異質(zhì)性參數(shù),并以空間比較的方法分析尺度變化對荒漠綠洲過渡帶植被空間異質(zhì)性的影響。劃區(qū)效應(yīng)分析是在同一樣地尺度(500m×500m)上,以不同的劃區(qū)方向和劃區(qū)形狀把整塊樣地?cái)?shù)據(jù)聚合成10m×200m、20m×100m、40m×50m、50m×40m、100m×20m和200m×10m等不同形狀和不同方向的網(wǎng)格。用變異函數(shù)的理論模型對不同劃區(qū)方式的聚合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,比較空間異質(zhì)性參數(shù)的變化,從而分析不同劃區(qū)方式對異質(zhì)性參數(shù)的影響。2結(jié)果與討論2.1植被異質(zhì)空間的規(guī)模效應(yīng)2.1.1空間異質(zhì)性調(diào)查與分析圖1和圖2是按照數(shù)據(jù)增聚方式計(jì)算的空間異質(zhì)性參數(shù)變化過程,從圖中可以看出,荒漠綠洲過渡帶植被空間異質(zhì)性在不同尺度上的參數(shù)不盡相同。當(dāng)樣地面積為50m×50m,樣方總數(shù)為25個(gè),泡泡刺和紅砂種群的塊金值與基臺(tái)值之比接近1,變異函數(shù)出現(xiàn)純塊金效應(yīng),預(yù)示著這兩種種群在整個(gè)尺度上具有恒定的變異。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于:一是樣本數(shù)量太少,滿足不了地統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算變異函數(shù)的要求;二是樣地面積太小,包容不了影響植被空間異質(zhì)性的環(huán)境因子,所以在這個(gè)尺度(樣地面積)上計(jì)算的空間異質(zhì)性參數(shù)不能真實(shí)反映整個(gè)荒漠綠洲過渡帶的植被空間格局。當(dāng)尺度(樣地面積)在200m×200m以上時(shí),空間異質(zhì)性參數(shù)(C0、C0+C和A0)變異較小,各個(gè)參數(shù)值基本穩(wěn)定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。表明反映荒漠綠洲過渡帶植被空間異質(zhì)性所要調(diào)查的樣地面積大小存在一個(gè)下限值,當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí),就不能真實(shí)地反映,如果超過該值,樣地面積的大小對空間異質(zhì)性分析影響不大,各個(gè)參數(shù)變化穩(wěn)定。這種穩(wěn)定性可以看作是種群的內(nèi)部因素起作用,而與調(diào)查時(shí)所選的樣地大小無關(guān)。另外,不同種群的空間異質(zhì)性受調(diào)查樣地面積的影響程度不同,樣地面積大小的臨界值也不同。泡泡刺對環(huán)境因子的反應(yīng)比紅砂敏感,空間依賴性強(qiáng)。所以反映泡泡刺空間異質(zhì)性的樣地面積大小的臨界值要比紅砂的大。從圖1和圖2可以看出,調(diào)查泡泡刺種群空間分布格局的樣地面積應(yīng)不小于200m×200m,而紅砂種群應(yīng)不小于100m×100m。當(dāng)然樣地面積也不能過大,否則一方面增加工作量,另一方面會(huì)造成跨群落調(diào)查而使情況復(fù)雜化(朱錦懋等,1999)。2.1.2異質(zhì)性參數(shù)基臺(tái)值分析從圖3和圖4可以看出,基臺(tái)值隨調(diào)查樣方增大都呈降低的趨勢,而變程隨樣方增大呈上升的趨勢。另外,泡泡刺蓋度的塊金值隨樣方面積增大變異較大,無明顯的變化規(guī)律,而紅砂蓋度的塊金值隨樣方面積增大呈冪函數(shù)下降趨勢。表明泡泡刺的空間異質(zhì)性中隨機(jī)因素對樣方尺度比較敏感,而且它與空間尺度的依賴關(guān)系是難以預(yù)測的。其原因可能是處在荒漠綠洲過渡帶的泡泡刺種群分布受地表徑流、沙埋和地下水埋深等多因素影響,在空間分布上有較強(qiáng)的各向異性結(jié)構(gòu)(圖5)。兩種種群蓋度的變程隨樣方尺度增大都呈上升趨勢,其原因是植物群落隨調(diào)查樣方增大其樣方間屬性差異減小,但是由于調(diào)查樣方增大(因?yàn)樵谧儺惡瘮?shù)分析過程中一般認(rèn)為調(diào)查樣方是同質(zhì)的,樣方尺度對應(yīng)的是由隨機(jī)因素引起的異質(zhì)性尺度)使得由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性尺度增大,因此,空間相關(guān)性對應(yīng)的尺度也必然會(huì)增大?；哪脖徽{(diào)查中當(dāng)樣地面積確定后,調(diào)查樣方大小也不能隨意選擇,因?yàn)闃臃教?樣方間的數(shù)據(jù)差異很大,這種差異足以掩蓋由空間位置不同帶來的差異(李友常等,1997);樣方太大,樣方間的數(shù)據(jù)趨于同質(zhì),異質(zhì)性程度減小,結(jié)果難以反映植被空間異質(zhì)性。此外,樣方面積變化對泡泡刺種群空間異質(zhì)性的各向異性結(jié)構(gòu)影響明顯。從圖5可以看出,紅砂種群的各向異性結(jié)構(gòu)對樣方尺度不敏感,在樣方面積增大過程中,各向異性比(南北/東西)沒有明顯的變化。但是泡泡刺種群的各向異性比(南北/東西)隨樣方面積增大呈逐漸減小趨勢,即各向異性比值逐漸偏離1,各向異性結(jié)構(gòu)越明顯。但是當(dāng)樣方面積在20m×20m到30m×40m范圍時(shí),泡泡刺種群的各向異性比值較穩(wěn)定(0.859～0.852)。以上分析可以得出,泡泡刺和紅砂種群的空間異質(zhì)性參數(shù)基臺(tái)值在樣方大于20m×20m變化相對緩和,而變程在樣方10m×10m到30m×30m內(nèi)變化較穩(wěn)定。故調(diào)查荒漠綠洲過渡帶上泡泡刺和紅砂種群的空間格局時(shí),樣方面積在20m×20m到30m×30m較為合適。2.2空間異質(zhì)性參數(shù)的影響由表2可見,荒漠綠洲過渡帶植被空間異質(zhì)性參數(shù)對劃區(qū)方式的敏感性較強(qiáng),尤其是塊金值和變程,因劃區(qū)方式不同而發(fā)生劇烈變化,變異系數(shù)為0.982～1.565。對劃區(qū)效應(yīng)敏感性也因植物種群而異,如泡泡刺種群的空間異質(zhì)性參數(shù)對劃區(qū)方式的敏感性明顯高于紅砂,可能是泡泡刺種群的各向異性高于紅砂種群(圖5),在空間分布上受地表徑流、風(fēng)沙危害等的影響更強(qiáng)烈,而紅砂分布相對均勻?？傊?劃區(qū)方式對分析荒漠綠洲過渡帶植被空間異質(zhì)性的影響是顯著的。3關(guān)于塑性面積單元目前關(guān)于如何解決可塑性面積單元問題,大致有5種途徑:基本實(shí)體途徑(Basicentityapproach)、最優(yōu)劃區(qū)途徑(Optimalzoningapproach)、敏感性分析途徑(Sensitivityanalysisapproach)、摒舊創(chuàng)新途徑和強(qiáng)調(diào)所研究變量的變化速率(Jelinski&Wu,1996)。但是每種途徑都存在不足,如基本實(shí)體途徑盡管能避免可塑性面積單元問題,但是在生態(tài)學(xué)或地理學(xué)研究中,并非總能說明什么是基本實(shí)體,例如,密度、通量、覆蓋度等變量均是與面積有關(guān)的。對我們所研究的荒漠綠洲過渡帶植被空間格局采取敏感性分析