景观水平上的海南岛热带天然林功能群的研究

摘要

海南岛的热带森林是我国生物多样性最为丰富的生态系统之一，同时也是遭受干扰最严重的植被类型之一。过度的森林采伐和不合理的土地利用已导致了原始林大面积减少，次生林面积显著增加。景观空问配置的变化以及景观的破碎化，对具有不同功能特征的物种组在景观中的生存、维持、生长和分布等均产生了深远的影响。我国以往对热带森林的研究多集中在群落及群落以下水平，在景观水平上的研究很少，而以功能群为基础在景观水平上的研究则还没有人涉及。 本文以海南岛典型的热带天然林区-霸王岭林区为对象，应用GPS定位、公里网格群落样方调查、遥感影像解译、GIS分析和模型模拟相结合的方法在景观水平上开展了热带天然林功能群的生态学研究，主要内容及结果如下： (1)首先基于栅格数据分析了斑块类型和景观格局的变化，其次为了探讨与恢复后期林片断的毗邻程度在决定次生演替上所起的作用，进行了缓冲区分析。结果表明：在1986-1998年间，相对于其它类型外，恢复后期林是唯一变化不显著的类型，而在1998-2002年间，大多数类型均变化不显著；大多数斑块类型在1986-2002年间破碎化趋势明显，表现为斑块数、边缘密度持续增加，斑块平均大小和核心区面积不断减小；次生林分布与恢复后期林距离呈现明显的相关关系。恢复时间长的次生林在恢复后期林附近所占面积比例较高，随着与恢复后期林距离的加大，恢复时间短的次生林逐渐占据优势。 (2)为了阐明在不同的时空尺度上功能群内物种丰富度和多度的变化规律，依据植被类型、干扰方式和恢复阶段划分了8个森林景观类型，同时依据生长型、演替地位和大小特征划分了7个功能群。通过研究发现功能群个数在景观水平上变化不明显，仅在低地雨林皆伐恢复前期景观缺失了主林层和超冠层乔木功能群；不同的森林景观类型都会有一组功能群占优势；低地雨林皆伐中期景观和海南松老龄林之间，低地雨林径级择伐景观和低地雨林老龄林之间，以及山地雨林各景观类型之间功能群物种丰富度和多度结构相似性水平较高；具有同样演替地位的乔木和灌木功能群，在景观类型之间具有相似的物种丰富度和多度变化格局；各功能群物种丰富度和多度在低地雨林恢复系列上存在相似的变化格局，而在山地雨林恢复系列上，则相似性较差。本研究的结论进一步证明了竞争一定居权衡和演替生态位理论的正确性而不太适用于中性理论和生态平衡假说。 (3)为了探讨在热带天然林景观中不同因素对功能群分布的影响，运用冗余度分析(Redundancy analysis，RDA)分别探讨了功能群出现与否、功能群物种丰富度和多度与环境、空间和干扰因素之间的关系。运用偏冗余度分析对影响功能群分布变化的环境、干扰、空间及其交互作用等因素进行了定量分解。结果表明：利用木材密度和潜在最大高度两个指标划分出的9个功能群，能较好的区分功能群间对生境的适应差异；因子分解表明，纯环境、纯人为干扰和环境．人为干扰交互作用是影响3个功能群矩阵分布变化的主要因素，纯空间和与空间位置相耦合的因素相对较低；在诸多因子中，干扰类型、地形因子、土壤类型、砂砾含量、土层厚度以及经纬度坐标是影响功能群分布变化的主导因子；RDA排序分析表明，一般来讲，硬木多在生境条件好，远离人为干扰的立地高发生。软木则更多地出现于生境条件恶劣，人为干扰频繁的立地。而中等硬度功能群则生态幅度较宽。但除了软木灌木功能群外，其它功能群物种丰富度和多度多在土层深厚，生境条件较好的立地较高。 (4)从优势功能群途径出发，建立了热带天然林景观分类体系。通过对TM影像进行低通滤波(5×5)处理，最大似然监督分类，总体精度评估和Kappa统计方法检验以及借助GIS技术进行优势功能群斑块在森林恢复阶段和地形梯度上的分布格局分析。结果表明：7个土地利用类、4个恢复阶段类和6个优势功能群类在影像上获得了较好的分离精度，总分类精度均在78％以上；先锋种功能群斑块在灌木(稀树)草地景观、恢复初期景观、平坡、半阳坡和阳坡面以及在海拔小于850 m的范围内，优势度较高。而在恢复中后期、半阴坡和阴坡以及海拔850 m以上的景观中则主要由顶极种功能群斑块所控制。功能群斑块格局在坡度梯度上敏感性不高。 (5)为了探讨热带林不同演替阶段的功能群地上生物量与植被指数之间的相互关系并对其分布进行预测，在基于遥感影像和135个样地调查的基础上，分别选取了归一化差异植被指数(NDVI)、短红外湿度植被指数(MVI5)、中红外湿度植被指数(MFI7)和比值植被指数(RVI)与计算的顶极种和先锋种功能群生物量做相关分析，并利用逐步线性回归分析分别构建了基于植被指数的生物量回归模型；利用残差图对模型的有效性进行检验。结果表明MFI7和MVI5与顶极种功能群生物量关系显著，而NDVI和RVI对先锋种功能群生物量具有较好的指示作用；顶极种和先锋种功能群生物量具有高预测面积的区域分别占总面积的73.98％和88.08％，表明两个生物量模型均具有较好的模拟效果；模拟结果表明顶极种功能群生物量主要集中于研究区中部、北部和西南部区域，而先锋种功能群生物量分布并没表现出明显的规律，而是不均衡的散布于整个研究区。 (6)为了探寻景观格局和物种丰富度的关系，利用最大似然监督分类方法对该区核心区5个连续的景观进行了斑块类型的划分；在每个斑块类型内计算了各功能群物种丰富度的平均数；结合主成分分析和多重回归模型进行了景观格局指数和各功能群物种丰富度的相关分析。分析结果表明在斑块类型水平上斑块类型面积比例、边界密度、总边界对比度指数和面积加权平均形状指数是影响各功能群物种丰富度分布的主要因子；相对于先锋功能群，景观破碎化对顶极功能群影响较大，表现为随着生境多样性的增加和生境形状的复杂化相对于先锋功能群，顶极功能群物种丰富度增加明显，而随着边界密度的增加和总边界对比度指数的提高，先锋功能群物种数略有增加，而顶极功能群物种数有显著减小的趋势。 (7)为了探讨在热带天然林景观中关键种的潜在分布，首先在功能群框架下运用优势度指数法进行了关键种的确定；采用基于GIS的GARP生态位模型对主要关键种的地理分布进行了预测，并应用受试者工作特征分析进行了模型精度验证；应用多元线性回归分析对影响各关键种潜在分布的关键因子进行了确定。结果表明：在8个功能群中，先锋种、顶极灌木种和顶极超冠层乔木种划分出的关键种较为理想：在进行预测的8个关键种中，除了先锋主林层乔木种海南杨桐(ddinandra hainanensis)，其它3个先锋种包括毛稔(Melastoma sanguiueum)、银柴(Aporosa chinensis)和枫香(Liquidambar formosana)在研究区北部、西部以及西南部均具有较高的发生概率，而顶极种除了顶极超冠层乔木种南亚松(Pinus merkusii)外，九节(Psychotria rubra)、高脚罗伞(Ardisia quinquegona)和海南椎(Castanopsis hainanensis)具有相似的潜在分布格局，在研究区中部、东南部和南部地区具有较高的发生概率；相关分析表明极端最低温、年均温、极端最高温、年均降水量、海拔和坡向6个因子是影响研究区关键种潜在分布的关键因子；精度检验表明，GARP模型对8个关键种的潜在分布预测效果均较好。 (8)为了探讨在热带天然林景观进行基于功能的潜在自然植被分布，首先采用生态位模型途径对8个功能群的潜在分布进行了模拟；其次对TM影像采用最大似然监督分类方法进行了基于功能的现状自然植被识别；然后通过对功能群发生概率图进行叠加，并在参考现状植被分布以及在功能群之间相互作用规则的制约下，构建了最终的潜在自然植被分布图。结果表明：生态位模型对8个功能群的潜在分布预测效果均较好，平均曲线下面积达到了0.81；先锋种功能群和顶极种功能群呈现出相异的分布格局，反映了两大类功能群个体生态学特性的差别和对环境的适应差异；各功能植被类型在空间分布格局和分散程度上存在着明显的差异，反映了一定的空间自相关特征。

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论文说明：图表目录

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第一章绪论

1.1引言

1.1.1研究背景

1.1.2研究目的和意义

1.1.3项目来源与经费支持

1.2热带森林景观生态研究进展

1.2.1影像分类与景观格局时空变化

1.2.2景观破碎化与生物多样性

1.3基于景观水平热带森林功能群研究进展

1.3.1几个重要概念

1.3.2功能群划分

1.3.3森林演替与功能群

1.3.4景观格局与功能群

1.3.5环境异质性与功能群

1.3.6干扰梯度与功能群

1.3.7气候变化与功能群

1.3.8模型模拟与功能群

1.4中国热带森林景观生态研究现状

1.5研究目标和主要研究内容

1.5.1研究目标

1.5.2主要研究内容

1.6研究技术路线

第二章研究区概况与研究方法

2.1研究区概况

2.1.1海南岛主要自然概况

2.1.2霸王岭主要自然概况

2.2研究方法

2.2.1调查设计

2.2.2主要分析方法

第三章热带天然林景观恢复动态分析

3.1研究方法

3.1.1野外调查

3.1.2影像分类

3.1.3斑块类型变化分析

3.1.4景观格局变化分析

3.1.5空间关系分析

3.2结果

3.2.1斑块类型变化

3.2.2景观格局变化

3.2.3空间关系分析

3.3讨论

3.3.1斑块类型变化对演替动态的影响

3.3.2景观格局变化对演替动态的影响

3.3.3与恢复后期林的距离对演替动态的影响

第四章热带天然林景观中功能群的分布格局与动态

4.1研究方法

4.1.1森林景观类型及功能群划分

4.1.2数据分析

4.2结果

4.2.1功能群组成结构

4.2.2功能群在不同森林景观类型间的变化规律

4.2.3功能群随群落恢复动态的变化

4.3讨论

4.3.1关于物种演替地位与功能群的划分

4.3.2功能群随时间与空间的变化

4.3.3功能群对群落演替的影响

第五章热带天然林景观中功能群分布的影响因素分析

5.1研究方法

5.1.1功能群划分

5.1.2变量的确定及解释

5.1.3数据分析

5.1.4因子分解的实现

5.2结果

5.2.1功能群组成结构

5.2.2排序及因子分解

5.3讨论和结论

5.3.1环境、人为干扰和空间因素对功能群分布格局的影响

5.3.2结论

第六章以功能群为基础的热带天然林景观类型划分

6.1研究方法

6.1.1影像预处理

6.1.2景观类型划分

6.1.3不同景观类型的面积比例

6.2结果

6.2.1分类精度评价

6.2.2景观中不同斑块类型面积构成

6.2.3基于功能群的斑块分布与地形因子的关系

6.3 讨论

6.3.1基于优势功能群途径的斑块类型划分

6.3.2景观类型分类评价

6.3.3景观类型分布格局

第七章基于植被指数的热带天然林景观中功能群地上生物量空间分布模拟

7.1研究方法

7.1.1野外调查及生物量计算

7.1.2影像预处理

7.1.3数据分析

7.2结果

7.2.1生物量与植被指数之间的相关分析

7.2.2生物量空间分布模拟

7.3讨论

7.3.1地上生物量与植被指数之间的关系

7.3.2地上生物量空间分布模拟

第八章热带天然林功能群内物种丰富度空间分布与景观格局的相关分析

8.1研究方法

8.1.1野外调查

8.1.2功能群物种丰富度

8.1.3景观格局

8.1.4统计分析

8.2结果

8.2.1物种丰富度在演替阶段斑块间的变化

8.2.2相关分析

8.3讨论

8.3.1景观格局对物种丰富度的影响

8.3.2功能特征对各功能群在景观中分布的影响

第九章热带天然林景观中功能群生态关键种的潜在分布

9.1研究方法

9.1.1环境数据的获取

9.1.2功能群中生态关键种的确定

9.1.3环境变量的选择

9.1.4建立模型

9.1.5模型评价

9.1.6相关分析

9.2结果

9.2.1确定生态关键种

9.2.2生态关键种的潜在分布预测

9.3讨论

9.3.1关于生态关键种确定

9.3.2潜在分布预测

9.3.3在生物多样性保护和管理中的应用

第十章热带天然林景观中基于功能群的潜在自然植被分布模拟

10.1研究方法

10.1.1数据的获取

10.1.2功能群的划分

10.1.3各功能群潜在分布模拟及叠加图的产生

10.1.4确定现状自然植被分布及定义功能单元之间的相互作用规则

10.1.5绘制潜在自然植被分布图

10.2结果

10.2.1功能群空间分布模拟

10.2.2重构基于功能群途径的潜在自然植被分布

10.3讨论

10.3.1关于潜在自然植被分布预测

10.3.2对基于功能群潜在自然植被分布的生态学解释

第十一章结论与讨论

参考文献

在读期间的学术研究

致谢