环境生态学实习报告 最终版

环境生态学实习报告最终版

环境科学专业生态学实习

个人报告

作者：魏峰

单位：中国石油大学(北京)环境科学专业2010级实习时间：2012.6.21 – 2012.7.4

实习地点：北京延庆松山国家级自然保护区

松山森林植物群落物种多样性研究

魏峰

（中国石油大学（北京）地球科学学院环境科学专业环科2010-2班）

摘要：本文分别用Simpson指数、Shannon-Wiener 指数和均匀度指数测量、计算生态优势度、不同植物群落的物种多样性、群落物种的均匀度。研究不同海拔地区主要森林群落结构特征与生物多样性之间的关系。其中主要包括对油松林、黑桦林、山杨林、杂木林和山楂林的群落组成与结构特征的研究，乔木、灌木、草本三层生物多样性的研究。结果表明:松山森林植物群落从山麓到山顶,小气候的差异较为明显,但由于乔、灌、草综合作用的影响,各群落类型及生境梯度上的物种多样性的差异不十分明显。这可能是松山森林群落类型长期适应环境条件的结果。

关键词：北京松山森林群落物种多样性

Simpson指数 Shannon-Wiener指数

1. 序言

物种多样性是环境学中一个很重要的概念,它反映群落或生境中物种的丰富度、变化程度和均匀度,也反映不同自然地理条件与群落之间的相互关系。物种多样性可以用来定量表征群落和生态系统的特征,包括直接和间接地体现群落和生态系统的结构类型、组织水平、发展阶段、稳定程度、环境差异等。【2】因此,物种多样性在森林资源的合理经营、开发利用和资源评价等方面有着极其重要、广泛的应用。

松山森林植物群落植物种类非常丰富,占北京地区同类植物总数的49.8%。松山森林植物群落分布环境特殊,经过多年环境变迁保存下来,丰富的物种多样性有可能起着至关重要的作用。因此,研究松山森林植物群落的物种多样性就有这不可忽视的作用。

2. 实习地点的自然地理概况【1】

2.1 地理位置

松山自然保护区位于北京市延庆县西北部，燕山山脉深处的军都山中，距市区90余公里。地理坐标为东经115°44′-116°34′，北纬

40°16′-40°47′。1986年被国务院列为国家级自然保护区。属森林生态系统类型的自然保护区。总面积4 660hm2。其中核心区面积1 819hm 2，缓冲区面积1 263hm2，实验区面积为1 578hm 2。区内野生动物资源丰富，植被茂密，有脊椎动物180多种，有维管束植物700余种。保存比较完好的天然油松林50多公顷。

2.2 气候

松山自然保护区处于暖温带大陆性季风气候区，受地形条件的影响，与延庆盆地相比，气温偏低，湿度偏高，形成典型的山地气候，是北京地区的低温区之一。气候的垂直分带性比较明显，从上到下可分为：海拔700-1000m的低山温暖气候带，海拔1000-1300m的中山下部温湿气候带；海拔1300-1800m的中山上部冷湿气候带；海拔1800m以上的山顶高寒半湿润气候带。

保护区内小气候具有多样性和复杂性等特点，是地形差异性造成的。由于山谷的走向、宽窄不同，使气温、降水有明显的差别。西北部大庄科一带多东西宽谷，因四面环山，夏季东南气流下沉变干，形成干型谷地；在东南部的塘子沟，为南北狭谷，向南有一个开口，东南气流在此受约

而沿迎风坡上升，形成地形雨，为湿润型谷地。

2.3 土壤

土壤的形成和变化是在成土母质、气候、地形、生物及时间几个因素综合作用下发生的。因此，土壤的种类、分布具有明显的地域性特征。松山地区的土壤随海拔高度的变化可分为3种类型：（1）山地褐色土：为低山带的主要土壤。阴坡分布于海拔900m以下，阳坡分布海拔1200m以下。土壤特点集中反映在腐殖质含量减低。结构变坏，碳酸盐受到淋洗，质地粘重。可分为3个亚类：①淋溶褐土分布于山地中段；②典型褐色土分布于山麓地带；③石灰性褐土分布于切割沟较多的深山沟谷。

（2）棕色森林土：在中山带海拔900m以上的阴坡和1200－1800m阳坡。在1800m的林缘草甸植被下发育了生草棕壤。

（3）山地草甸土：分布在海拔1800m以上地形平坦的山顶部。这里山高风大，主要为草草甸。因草本植物生长繁茂，土壤经常处于湿润状态，有机质分解缓慢慢，腐殖质含量较高，表层达成15%以上。生草作用较强，在表土形成密积草根层。pH6－6.8。土层深厚，可达80m以上。腐殖

质层呈黑褐色，厚达30－50cm。

2.4 植被

松山地处华北平原西北部深山区，具有华北地区暖温带的自然景观，在海拔1000m以上的中山地段，保存下来部分天然次生林，属于地带性的自然植被暖温带落叶阔叶林，森林植被基本保持自然状态，野生动植物资源比较丰富。松山保护区植物区系中有一定比例的热带成份，多为单种属，第三纪地域植物。地中海中亚成分地属很少，表明亚洲干旱中心分布的成分在该区有所渗透。松山自然保护区的植被分为5个植被型组，有6个群系组，17个群系，约25个群丛。

3. 调查方法

3.l 调查方法

3.1.1种—面积曲线法

种—面积曲线法是根据植物种数与样方面积的关系确定群落最小面积。在拟研究群落中选择植物生长比较均匀的地方，用绳子圈定一块小的面积。对于草本群落，最初的面积为10cm×10cm，对于森林群落则至少为５m×５m。登记这一面积中所有植物的种类。然后，按照一定顺序成倍扩大，逐次登记新增加的植物种类。

开始，植物种类数随着面积扩大而迅速增加，尔后随面积增加的种类数目降低，直至面积扩大时植物种类很少增加或不再增加。以样方面积为横坐标、种类数目为纵坐标，在坐标纸上绘制种—面积曲线。此曲线开始陡峭上升，而后水平延伸，有时会再上升。曲线开始平伸的一点即群落最小面积，它可以作为样方大小的初步标准。

3.1.2点-四分法

无样地法有许多具体的方法，其中以点－四分法（或称中点四分法、中点象限法）应用最广。点-四分法是植物生态野外调查的无样地调查方法。这类方法（距离测定法）的特点是在被研究的群落地段上随机地选择若干点，测定点与植株间的距离，以此为根据，推算出种在群落中的数量特征。由于无需设置固定面积的样地，所以这类方法又称为无样地取样法。

这里需要说明的是，距离测定法都是针对森林群落林木层的调查。但就群落学的调查来说，对于森林群落不仅要调查它的林木层，也要调查它的灌木层、草本层以及藤本植物。因而可随机或系统地设置若干小样方以记载灌木层和草本层等。

仪器工具：测绳、皮尺、罗盘、围尺、测高器及木杆。

外业工作方法：在所要调查的群落中，设几条定距垂直线（借助罗盘用测绳拉好），在垂直线上定距（如5m或10m）设点。通过各点再用木杆作一与样线垂直的引线，即可分成四个象限。在每个象限内找与中心点最近的一棵树，记录树种名称，测定点树距离、胸径、树高及冠幅，共计测定30个点，每个中心点都要做四个象限。

3.1.3样方法

样方，即方形样地，是面积取样中最常用的形式，也是植被调查中使用最普遍的一种取样技术。当然，其他形状的样地也同样有效，而且有时效率更高，例如样圆和长方形样地。

样方的大小、形状和数目，主要取决于所研究群落的性质和所预期的数据种类。因工作性质不同，样方的种类很多，可分为以下几种：①记名样方—主要用来计算一定面积中植物的多度和个体数等。比较一定面积中各种植物的多少，就是精确地计算多度。②面积样方—主要是测定群落所占生境面积的大小，或者各种植物所占整个群落面积的大小。这主要用在比较稀疏的群落

中。③重量样方—主要是测定一定面积样方内群落的生物量。④永久样方—为了进行追踪研究，可以将样方外围明显的标记进行固定，以便于以后再在该样方中进行调查。

对于灌木层和草本地被层的调查，可在调查林木层的大样方内，机械地设置若干个更小的样方，对每个种的多度和盖度进行点数或估测。

调查工具：测绳、皮尺、钢卷尺、罗盘及2m杆两根。

外业工作方法：⑴方法一：用测绳或皮尺在群落中设置若干条平行线，在线上间隔3～5m 等距设置25个样方，调查灌木样方面积为 2 m×2m、草木样方面积1m×1m。记载每种植物的名称（不能确定名称的采集标本）、株数、平均高度、生长状况及分布状况等并记录。⑵方法二：用测绳在群落中围出一个20 m×20m的样方，用皮尺拉出样方内的两条对角线。在这两条对角线上分别均匀地设置５个1m×1m、３个2 m×2m 的小样方，共计1m×1m的小样方９个、2 m×2m 的小样方５个。在1m×1m的小样方中调查草本植物，在2 m×2m的小样方中调查灌木、幼树及藤本植物。

3.2 数据处理方法

3.2.1内业计算及数据整理

⑴ 平均株间距离=平均点树距离×2 ⑵所有种的总密度（株/公顷）=22)(210000)(10000平均点树距离平均株间距离?=

⑶ 一个种的相对密度（%）=所有种的总个体数一个种的个体数×100

⑷ 一个种的密度（株/公顷）=所有种的总密度×一个种的相对密度

⑸ 相对显著度（%）=积

所有树种的总胸高断面和某一树种的胸高断面积×100 ⑹ 频度（%）=样点总数

一个种出现的点数×100 ⑺ 相对频度（%）=所有种的频度值和一个种的频度值×100

⑻ 重要值=3

相对频度相对显著度相对密度++ ⑼ 调查面积(m 2)=(平均株间距离) 2×4×调查点数

⑽ 胸高断面积

(m 2)=调查面积

全部胸高断面积和×10000 ⑾ 胸高直径(cm )=44

??调查点数全部胸高断面积和

π

3.2.2重要值计算

⑴ 株数j =∑=25

1i ij

n ⑵ 样方面积和=4×25=100

⑶ 密度j =株数j /样方面积和×10000

⑷ 相对密度j =

∑=m j j j 1

密度密度×100 ⑸ 盖度和j =∑=251

i ij 盖度×n ij

⑹ 相对盖度j =∑=m j j j

1

盖度和

盖度和×100 ⑺ 频度j =25

j 出现样方数×100 ⑻ 相对频度j =∑=m j j j

1

频度

频度×100 ⑼ 重要值j =3

j j j 相对频度相对盖度相对密度++ 3.2.3种的多样性计算

分别计算乔木层、灌木层、草本层的多样性指数，并利用三个组的资料进行比较分析。在调查资料中分别植物种统计株数、重要值，计算每个种出现的株数概率和重要值概率并记录。

⑴辛普森多样性指数（Simpson’s diversity index ）

多样性指数 ∑=-=s i i s p D 1

2

1 最大多样性指数 S S

D s i 11)1(112max -=-=∑= 均匀度 S D D D

E s s /11max -=

=

（2）Berger-Parker 优势度指数

表明群落内优势种集中程度的指标，等于群落内各物种的重要值与全部物种的重要值之比的平方和。

D = N max/N

式中：N max 为优势种的个体数；N 为功能团全部物种的个体数。

（3）香农-威纳指数（Shannon-Weiner index ） 信息量 ∑=-=s i i i

p P H 12log

最大信息量 S S S S H

22max log )1log 1(=-= 最小信息量 0log 2min =-=S S S S H

均匀度 S H H H E 2

log m ax == 不均匀性 min max max H H H H

R --=

1、 种群空间分布格局计算 分别统计植物种在每个样方中的株数，记入

《表16 种群的空间格局统计表》，并用下式计算，得出每个植物种的分布格局。

平均株数 n x x n i i ∑==

1 方差 1)(212--=∑=n x x S

n i i 方差均值比

x s C 2==平均株数方差 当12211221-+≤≤--n c n 时种群服从泊松分布

（随机分布）； 当122

1--

21-+>n c 时为聚集分布。

4. 专题研究的结果及分析

按照上述调查方法和数据处理方法，将调查数据建立数据库,计算得松山植物群落的优势度指数、多样性指数、均匀度指数。结果见表1和图1。由表1和图1可见, 不同的群落的群落优势度、物种多样性及均匀度之间存在细微差异。

图1：松山森林群落物种多样性、优势度及均与度

在群落的多样性研究中,Shannon-Wienner

指数被认为是一种较好的反映个体密度、生境差异、群落类型、多样性和演替阶段的指数。Simpson 指数被认为是反映群落优势度较好的指标【3】。均匀度指数是一种反映个体数量分布均匀程度的良好指标。

本图使用上述三种指数研究松山地区植物

群落的多样性得到理想的结果。其中均匀度E 是依据Shannon-Wiener 指数计算出来的,因此从图可看出,Shannon-Wiener 指数曲线与均匀度E 曲线有一致的变化趋势。而优势度Simpson 指数曲线的变化趋势与前两种曲线的变化趋势刚好相反。 01

2

3

4

5

多样性/H 优势度/D 均匀度/E

表1：松山森林群落物种多样性、优势度及均与度

从表1可知：以油松、山杨为主的群落差异不大;而以山楂、黑桦、丁香和核桃楸为主的群落变化则较大。从总体来看,松山地区油松、山杨为主的群落各指数差异不大。其原因可能是:以油松、山杨为主的群落乔木层多样性较高,草本层物种多样性较低;而以黑桦、丁香和核桃楸

为主的群落乔木层种类少,物种多样性低,草本层种类较多,物种多样性高。综合来看,多样性指数差异不大。

从以油松为主的群落物种多样性变化特点来看，油松群落内大树较多,由于人为活动较多,林下灌木不多,草本植物不发达,更新较差，再加上油松大树的庇荫,其它植物入侵的条件还不成熟,因而,群落内种类较少,物种多样性低,优势度高,均匀度低。

在以油松、山杨为主的群落中，油松、山杨占绝对优势,因此具有较低的多样性,较高的优势度和较低的均匀度,表明此类群落已发展到顶极群落阶段。以油松、山杨为主的群落多样性变化较小。

在以黑桦和杂木为主的群落中,群落的小环境较优越,水分、养分条件较适宜,群落结构较完整,植株配置合理,种类较丰富,因而群落多样性大,优势度较低,均匀度较大。

在以山楂为主的群落中，群落结构较简单,林下生境由于人为破坏已趋于恶化,灌木及草本植物种类少,盖度低,因此,表现出多样性、均匀度较低和优势度较高的特点。