CN101246523A - 树种多样性的空间测度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树种多样性的空间测度方法，在被调查的群落的多个树种中分别随机选取多株参照树及其4株最近相邻木为结构单元，计算该结构单元的混交度，并将该结构单元中的树种数与总株数的比值与混交度相乘，所得的值为该结构单元的树种空间状态；计算每个树种的多株参照构成的结构单元的树种空间状态的均值为该树种的平均空间状态；将多个树种的平均空间状态的集合，为被调查的群落的树种空间多样性指数。用该指数对被调查的群落的树种多样性进行描述，不受样地大小的影响，同时能够反映稀有种的影响，且能够正确表达出相同树种数量群落的树种空间隔离程度的高低顺序。

Description

树种多样性的空间测度方法

技术领域

本发明涉及一种群落多样性的测度方法，尤其涉及一种群落树种多样性的空间测度方法。

背景技术

生物多样性研究是全球生态系统研究中一个非常重要的领域，如何保护生物多样性是当今生命科学中一个亟需解决的热点问题。生物多样性研究的首要前提是群落多样性的测度与评判，而物种多样性计算又是定量评价生物多样性现状和为其保护实践活动提供理论依据的重要工具。

现有技术中，生物多样性是指生物及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的综合。多样性指数都是把物种丰富度和均匀度结合起来的一个单一的统计量，无论多样性的信息度量、概率度量还是几何度量都是以不同的方式表达物种丰富度与均匀度的结合。常用的生物多样性测度指标有物种丰富度、Shannon-Wiener指数、Simpson指数、McIntosh指数和Fisher指数等，这些生物多样性指数和模型都是以物种个体为统计单位而提出的，各指数和模型都有其特点和适用的范围。

上述的这些生物多样性测度指标都要受到样地大小的影响，不同的指数适用范围不同，同时很难反映出稀有种的影响，不能够正确表达出相同树种数量群落的树种空间隔离程度的高低顺序。

发明内容

本发明的目的是提供一种树种多样性的空间测度方法，该方法不受样地大小的影响，同时能够反映稀有种的影响，且能够正确表达出相同树种数量群落的树种空间隔离程度的高低顺序。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的树种多样性的空间测度方法，其特征在于，包括

首先，在被调查的群落的多个树种中分别随机选取多株参照树，并在每株参照树周围选取多株最近相邻木；

然后，计算每株参照树与其周围的相邻木构成的结构单元的混交度，并将该结构单元中的树种数与总株数的比值与混交度相乘，所得的值为该结构单元的树种空间状态；

之后，计算每个树种的多株参照构成的结构单元的树种空间状态的均值为该树种的平均空间状态；

所述多个树种的平均空间状态的集合，为被调查的群落中树种多样性的空间测度，称为树种空间多样性指数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的树种多样性的空间测度方法，由于将结构单元中的树种数与总株数的比值与混交度相乘，所得的值为该结构单元的树种空间状态，并计算每个树种的多株参照构成的结构单元的树种空间状态的均值为该树种的平均空间状态，将多个树种的平均空间状态的集合，为被调查的群落中树种多样性的空间测度，即树种空间多样性指数。用该指数对被调查的群落的树种多样性进行描述，不受样地大小的影响，同时能够反映稀有种的影响，且能够正确表达出相同树种数量群落的树种空间隔离程度的高低顺序。

附图说明

图1为本发明中模拟的混交林树种空间分布示意图；

图2为本发明中多种指数随树种丰富度变化曲线对比图。

具体实施方式

本发明的树种多样性的空间测度方法，其较佳的具体实施方式是，

首先，在被调查的群落的多个树种中分别随机选取多株参照树，并在每株参照树周围选取多株最近相邻木；

然后，计算每株参照树与其周围的相邻木构成的结构单元的混交度，并将该结构单元中的树种数与总株数的比值与混交度相乘，所得的值为该结构单元的树种空间状态；

之后，计算每个树种的多株参照树构成的结构单元的树种空间状态的均值为该树种的平均空间状态；

被调查的群落的多个树种的平均空间状态的集合，为被调查的群落中树种多样性的空间测度，称为树种空间多样性指数。用该指数对被调查的群落的树种多样性进行描述，不受样地大小的影响，同时能够反映稀有种的影响，且能够正确表达出相同树种数量群落的树种空间隔离程度的高低顺序。

本发明将林分中每株树(参照树)以及它的n株相邻最近木(相邻树)的空间关系定义为林分内最基本的空间结构分析单位。可以由参照树与其4株最近相邻木可以构成最佳空间结构单元。

本发明对于参照树与其4株最近相邻木构成的结构单元中树种空间状态描述方式是，既考虑参照树与其4株最近邻木的树种异同，也考虑该结构单元中的树种数量。参照树与其邻木的树种关系可用树种混交度(M_i)表达，结构单元中的树种数以结构单元中的树种数(s_i)占组成该结构单元的全部5株树的比例表示。这里将结构单元中的参照树混交度与树种数的积定义为该结构单元的树种空间状态(Ms_i)，即：

$M{s}_i=\frac{s_i}{5}{\·M}_i---\left(1\right)$

公式(1)中的(M_i)就是参照树的树种混交度，它被定义为参照树i的4株最近相邻木中与参照树不属同种的个体所占的比例，用公式表示为：

$M_i=\frac{1}{4}\underset{j=i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ij}}---\left(2\right)$

其中，

公式(1)既反映了结构单元中的树种丰富度又体现了参照树的空间关系。显然，群落中所有结构单元的树种及其空间状态的均值就是对群落中平均树种空间状态(Ms)的表达，计算公式为：

$\mathrm{Ms}=\frac{1}{5N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(M_i\·s_i)---\left(3\right)$

式中，N为群落的所有个体总数。

Ms的数值在[0-1]之间。此式也是对树种分隔程度的表达。

将(3)式按树种展开(分树种统计)即可得到各树种的平均空间状态(Ms_sp)：

$M{s}_{\mathrm{sp}}=\frac{1}{5N_{\mathrm{sp}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{sp}}}{\mathrm{\Σ}}}(M_i\·s_i)---\left(4\right)$

式中，Nsp指树种为sp的个体数。

树种空间多样性指数是把树种丰富度和均匀度结合起来的一个单一的统计量。无论多样性的信息度量、概率度量还是几何度量都是以不同的方式表达树种丰富度与均匀度的结合。

本发明根据生物多样性的概念和多样性的可加性原理，以(4)式为基础建立了如下树种多样性空间测度公式，即树种空间多样性指数(Di)：

$\mathrm{Di}=M{s}_{\mathrm{sp}1}+M{s}_{\mathrm{sp}2}+\·\·\·+M{s}_{\mathrm{sps}}=\underset{\mathrm{sp}=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}\[\frac{1}{5N_{\mathrm{sp}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{sp}}}{\mathrm{\Σ}}}(M_i\·s_i)\]---\left(5\right)$

由(5)式可知，当群落由N个个体、N个树种组成，也就是说群落中每个树种个体就1株时，该群落的树种多样性达最大值，等于树种丰富度(S)即Di＝S；当群落仅由一个树种的N个个体组成时，该群落的树种多样性达最小值即Di＝0。Di与样地大小无关。(5)式是群落中所有树种的平均空间状态的集合，是群落中树种多样性的空间测度，故称其为树种空间多样性指数。

具体实施例一：

如图1所示，设计3组模拟数据，第i组和ii组为二个树种等分空间的情景，第iii组为三个树种等分空间的情景。i组和ii组的唯一区别就是株数不同，i组为64株，ii组为108株；ii组和iii组的总计算株数均为108株。各组中又分a、b、c、d四种情况，其中，a表示单株混交，b为双株混交，c为单行混交，d为双行混交。显然，i组和ii组的多样性应该一样；iii组的多样性比i组和ii组高；相同树种数量，树种空间隔离程度的高低依次为a＞b＞c＞d，通常而言，树种的空间隔离程度愈高，表明树种多样性愈大。

如表1所示，列举了6种多样性指数对理论数据的计算结果。

表1模拟数据的树种多样性

类型		S	H′	D	Dm	α	Di
								i	(a)(b)(c)(d)	2222	0.6930.6930.6930.693	0.5000.5000.5000.500	0.3350.3350.3350.335	0.3920.3920.3920.392	0.800.600.400.20
ii	(a)(b)(c)(d)	2222	0.6930.6930.6930.693	0.5000.5000.5000.500	0.3240.3240.3240.324	0.3480.3480.3480.348	0.800.600.400.20
								iii	(a)(b)(c)(d)	3333	1.0991.0991.0991.099	0.6670.6670.6670.667	0.4680.4680.4680.468	0.5720.5720.5720.572	1.801.350.900.30

从表1可知，McIntosh指数(Dm)和Fisher指数(α)计算的树种多样性i比ii大，与通常人们对多样性的理解相悖，而树种丰富度指数(S)、Shannon-Wiener指数(H′)和Simpson指数(D)以及树种空间多样性指数(Di)计算的i和ii的多样性与通常的理解相一致；6种多样性指数都能够表达出iii的多样性比i、ii高这样一个事实；6种多样性指数中惟有树种空间多样性指数(Di)能够正确表达出相同树种数量的群落的树种空间隔离程度a＞b＞c＞d的高低顺序。

具体实施例二：

采用3块大样地全面调查数据(1块来自海南热带雨林3000m²的样地，属于原始林；1块来自吉林温带红松阔叶林10000m²的样地，属于择伐林；1块是来自甘肃小陇山的温带南缘与北亚热带的过渡地带阔叶林3600m²的近原始林样地；)和9块无样地抽样调查数据(均来自甘肃小陇山。其中，包括1块经过2次择伐的天然林、1块天然林经过皆伐后封禁近40年自然恢复起来的次生林以及7块不同类型人工林)，对6种多样性测度指数进行比较。

如表2所示，列举了6种多样性指数的计算结果。

表2不同森林群落的树种多样性

地点	编号	S	H′	D	Dm	α	Di
								海南尖峰岭	(1)	84	4.053	0.974	0.896	48.006	64.198
吉林蛟河	(2)	21	2.386	0.888	0.688	3.789	13.884
								甘肃小陇山	(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)	442920161199777	2.8832.6082.0161.2921.1531.3401.1870.8360.7790.705	0.8900.8650.7160.4640.4850.6140.5080.3670.3320.293	0.7010.6810.5030.2990.3160.4270.3360.2300.2050.179	11.7869.4045.5745.5973.3182.6032.6031.8461.8461.846	27.21518.50112.6218.1335.4485.5763.9962.0103.3362.774

如图2所示并参见表2，Shannon-Wiener指数(H′)、Simpson指数(D)、McIntosh指数(Dm)、Fisher指数(α)以及树种空间多样性指数(Di)均随树种丰富度(S)的增加而增加，但增加的方式不尽相同，其中，H′、D和Dm具有对数趋势，而α和Di为二阶多项式；  D和Dm与H′、α、Di不同，出现了树种数21或11反而比树种数29或16的树种多样性高这样令人难以置信的现象；α在相同的调查株数和相同的树种数量时表现为相同的树种多样性，而没有像其它指数那样反映由于均匀度或多度的不同而出现树种多样性的不同，可见，α表达的是树种丰富度而并非树种多样性；  H′和Di对相同树种的群落树种多样性的表达有所不同。

如表3所示，对于树种数为7的情况，对于森林类型(10)和(11)而言，H′和Di的计算结果相悖，这是因为，一方面，H′对稀有种不敏感，而Di恰恰相反，Di受稀有种的影响很大，也就是说Di正好表达了稀有种越多，树种多样性越大的自然规律；另一方面，也由于H′在计算方法上的理论缺陷造成的。在H′的计算过程中，第i树种所占的比例p_i小于0.36787944时，H′将随p_i的增加而增大；当p_i大于0.36787944时，H′随p_i增加而减小(表4)。因此就出现了由H′计算的森林类型(10)的树种多样性高于森林类型(11)、而与Di计算结果相反的局面。

表3森林类型(10)与(11)的树种株数分布及其多样性

类型	Ni	Pi	lnpi	pi*lnpi	H’	Mssp	Di
								(10)	63832211	0.78750.10.03750.0250.0250.01250.0125	-0.23889-2.30259-3.28341-3.68888-3.68888-4.38203-4.38203	-0.18813-0.23026-0.12313-0.09222-0.09222-0.05478-0.05478	0.836	0.1060.3380.1670.4000.5000.1000.400	2.010
(11)	65534111	0.81250.06250.03750.050.01250.01250.0125	-0.20764-2.77259-3.28341-2.99573-4.38203-4.38203-4.38203	-0.16871-0.17329-0.12313-0.14979-0.05478-0.05478-0.05478	0.779	0.0820.4250.6170.4120.6000.6000.600	3.336

由以上实施例可见，本发明中的树种多样性空间测度指数Di能够反映稀有种的影响而不像H′和D对稀有种不敏感，也就是说Di正好表达了稀有种越多，树种多样性越大的自然规律，同时，树种空间多样性指数具备其它树种多样性指数所不具备的特征即它能正确表达出同一类型中树种空间隔离程度和相同树种数量群落的树种空间隔离程度的高低顺序，是一种十分有效的测度植物群落树种多样性的指数。

本发明提出基于相邻木空间的树种多样性空间测度指数，该指数具有多样性指数随树种丰富度增大而增加的一般属性，不受样地大小的影响，同时能够反映稀有种的影响，且能够正确表达出相同树种数量群落的树种空间隔离程度的高低顺序，是一种十分有效的测度植物群落树种多样性的指数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种树种多样性的空间测度方法，其特征在于，包括

首先，在被调查的群落的多个树种中分别随机选取多株参照树，并在每株参照树周围选取多株最近相邻木；

然后，计算每株参照树与其周围的相邻木构成的结构单元的混交度，并将该结构单元中的树种数与总株数的比值与混交度相乘，所得的值为该结构单元的树种空间状态；

之后，计算每个树种的多株参照构成的结构单元的树种空间状态的均值为该树种的平均空间状态；

所述多个树种的平均空间状态的集合，为被调查的群落中树种多样性的空间测度，称为树种空间多样性指数。

2、根据权利要求1所述的树种多样性的空间测度方法，其特征在于，在所述参照树周围选取4株最近相邻木构成该参照树的结构单元，并通过公式

$M_i=\frac{1}{4}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ij}}$

式中，

计算该结构单元的混交度。

3、根据权利要求2所述的树种多样性的空间测度方法，其特征在于，所述树种空间状态通过以下公式计算：

$M{s}_i=\frac{s_i}{5}{\·M}_i$ 式中s_i为该结构单元的树种数。

4、根据权利要求3所述的树种多样性的空间测度方法，其特征在于，所述各树种的平均空间状态分别通过以下公式计算：

$M{s}_{\mathrm{sp}}=\frac{1}{5N_{\mathrm{sp}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{SP}}}{\mathrm{\Σ}}}(M_i\·s_i)$ 式中，N_sp指树种为sp的参照树的数量。

5、根据权利要求4所述的树种多样性的空间测度方法，其特征在于，所述树种空间多样性指数通过以下公式计算：

$\mathrm{Di}=M{s}_{\mathrm{spl}}+M{s}_{\mathrm{sp}2}+\·\·\·+M{s}_{\mathrm{sps}}=\underset{\mathrm{sp}=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{5N_{\mathrm{sp}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{sp}}}{\mathrm{\Σ}}}(M_i\·s_i)\right]$ 式中，s为被调查群落中的树种数量。

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