CN107403392A - 一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法，利用嵌套样方扩增、统计植物种数、SPSS软件模拟种‑面积对数函数、函数求导等步骤来确定喀斯特山地植被标准地最小面积。本发明的标准地最小面积模型，计算出乐业喀斯特山地植被群落标准地最小面积为28～63 m2，与传统上使用的森林标准地最小面积相差甚远；本计算方法简便易行，重复性好且计算准确，统计节点较少，描述的面积变化范围较大，不需要再行推导，可以在实践中直接套用，避免盲目套用森林、灌丛等群落的标准，避免了手工作图因人而异产生的较大误差，可推广应用到森林、灌丛、草地等各种植被类型。

Description

一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法
技术领域
本发明属于植物生态学领域，涉及植被群落标准地最小面积的确定方法，具体涉及一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法。
背景技术
标准地法是研究群落结构和分析种类组成的基本方法。标准地(relevé)是指能够反映植物群落基本特征的地段中所设置的一个区域。标准地的面积不应小于群落最小面积。确定标准地最小面积是研究植被群落种类组成、生物多样性的重要环节。国外通常采用逐渐成倍增加样方面积的嵌套样方法(Nested Quadrat)，绘制种–面积曲线来确定最小标准地面积。种-面积曲线开始时呈陡峭上升趋势，随着样方面积的扩大，增加单位样方面积所增加的种数越来越少，种面积曲线变得平缓；种-面积曲线从陡升转为平缓的点所对应的面积即为标准地最小面积。
对于不同气候带、不同复杂程度的群落，标准地最小面积差异极大，DieterMueller-Dombois(1974，Aims and Methods of Vegetation Ecology)报告的最小标准地面积为：温带森林200～500m2、温带森林林下植被50～200m2、干旱草地50～100m2、石楠矮灌丛10～25m2、施肥的牧场5～10m2、农业杂草地25～100m2、苔藓群落1～4m2、地衣群落0.1～1m2。宋永昌(2001)报告的中国常用标准为：南热带森林900～1200m2、常绿阔叶林400～800m2、针阔混交林200～400m2、东北针叶林200～400m2、灌丛幼年林100～200 m2、高草群落25～100m2、中草群落25～40m2、低草群落1～2m2。目前尚无喀斯特山地植被标准地最小面积的研究。
喀斯特山地的地形特别复杂，不连续分布的峰丛洼地较多，空间异质性大，岩溶植被物种组成与土山森林有较大差异。在以往的喀斯特山地植被调查中，通常参照中国森林的标准进行植被调查，即标准地面积为400m2(20m×20m)。我们近年来在桂西南喀斯特山地植被的调查中发现，这种标准地面积过大。标准地太大，不仅增加了调查成本，而且一个标准地内可能覆盖了多种群落或多种交错生态区，不符合标准地设置“标准地内种类成分分布一致、生境条件一致”的基本要求。原则上，空间异质性越大，标准地应该越小，使标准地内条件一致；调查的目标植物形状越大，标准地面积应该越大；标准地调查还应尽量减少非代表性面积的调查。本专利对南亚热带喀斯特地区几种典型植被类型的实测数据进行了种-面积函数曲线模拟，利用函数导数和斜率的关系，确定喀斯特山地不同植被类型的标准地最小面积，对改进喀斯特山地植被调查方法、指导石漠化植被恢复工作具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对喀斯特山地植被调查标准地设置中存在的问题，旨在提供一种利用嵌套样方扩增、统计植物种数、SPSS软件模拟种-面积对数函数、函数求导等步骤来确定喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法。本发明建立了包含植物种数、累积嵌套样方面积、对数函数斜率的标准地最小面积模型，计算方法简便易行，重复性好且计算准确，统计节点较少，描述的面积变化范围较大，不需要再行推导，可以在实践中直接套用，避免盲目套用森林群落、灌丛群落等群落的标准，避免了手工作图因人而异产生的较大误差，可推广应用到森林、灌丛、草地等各种植被类型。
本发明是这样实现的：
一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法，其操作步骤如下：
(1)设置嵌套样方：在连片面积较大的、生境条件一致的喀斯特山地，选择代表性地段的中部设置嵌套样方。嵌套样方内应满足“植被结构相对完整、生境条件相对一致”的条件；
(2)从调查0.25m×0.25m极小样方的物种数开始，逐步倍增样方面积至0.25m×0.5m、0.5m×0.5m、0.5m×1m…8m×8m、8m×16m、16m×16m；在成本许可情况下可倍增至更大面积；统计每个倍增节点新增的植物种数和累积种数；嵌套样方的面积倍增模式见图1；
(3)用SPSS软件拟合种-面积对数函数y＝a+b ln x；其中，y为种数，x为累积面积(m2)，a、b为常数。进入路径为：在SPSS“分析”下拉菜单----“回归”----“曲线拟合”，选择累积面积为变量，种数为因变量；模型选择中勾选“对数”；
(4)检查SPSS模拟的种-面积函数的拟合程度和拟合曲线；可根据90％物种被观测到的节点所对应面积来大概地推断标准地最小面积；
(5)建立标准地最小面积模型；对函数y＝a+b ln x求导：
以S表示种数，A表示嵌套样方累积面积(m2)；当“种-面积函数导数”等于“种数/面积”时，对应的面积即为标准地最小面积下限；以“标准地最小面积下限×2”作为标准地最小面积上限。即：
标准地最小面积模型为：
标准地最小面积模型建立后，应用中不必再行推导，直接套用即可。当植被调查中重点关注植物的形状较小时标准地取最小面积下限，植物形状较大时取上限。
本发明具有的技术优点及有益效果如下：
1、本发明喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法，根据具体的喀斯特山地群落结构特征和物种组成计算标准地最小面积，填补了喀斯特山地植被群落最小面积研究空白，避免盲目套用森林、灌丛等群落的标准；
2、Mueller-Dombois(1974)建议以面积为横坐标、种为纵坐标，手工绘制种-面积曲线，然后，作一条经坐标原点的、斜率为“种数/面积”的直线L，再作一条与L平行且与种-面积曲线相切的直线M，M与种-面积曲线的相切点的横坐标为标准地最小面积。本发明遵循Mueller-Dombois提出的原理，用微分导数替代几何作图，采用通用软件SPSS拟合种-面积对数函数曲线，利用曲线函数的导数与切线斜率相等的关系，通过函数求导，异工同曲地求出标准地最小面积。本发明避免了手工作图因人而异产生的较大误差，重复性好且计算准确；
3、国内学者传统上使用逐渐增加面积法来探索森林群落最小面积，从20m2到40、60、 80…160、180、200m2等，统计节点多，且遗漏了较小和较大两端面积的表现。本发明使用嵌套样方面积倍增模式进行调查，从极小样方0.25m2开始，逐步倍增至256m2，实践中简便易行，统计节点较少但描述的面积变化范围较大；
4、本发明建立的标准地最小面积模型不需要再行推导，可以在实践中直接套用，应用门槛低；
5、乐业喀斯特山地几种植被类型的标准地最小面积范围均在28～63m2，与传统上使用的森林标准地最小面积400～900m2相差甚远。本发明的应用将极大地减少喀斯特山地植被非代表性面积的调查；可以将有限的成本用于增加标准地个数，以提高植被变化测量的准确性，更好地为石漠化治理提供技术支撑。
附图说明
图1：为本发明嵌套样方的面积倍增模式图；
图2：为实施例1乐业平寨南酸枣林的种-面积曲线图；
图3：为实施例2乐业鱼塘村石山任豆林的种-面积对数函数曲线图；
图4：为实施例3乐业龙洋村石山弄地形香椿林的种-面积曲线图；
图5：为对照例1乐业平寨南酸枣林手工绘制种-面积曲线求标准地最小面积图；
图6：为对照例2乐业鱼塘任豆林逐渐增加样方面积法求标准地最小面积图；
图7：为对照例3乐业龙洋香椿林手工绘制种-面积曲线求标准地最小面积图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法，其操作步骤如下：
(1)设置嵌套样方：在连片面积较大的、生境条件一致的喀斯特山地，选择代表性地段的中部设置嵌套样方。嵌套样方内应满足“植被结构相对完整、生境条件相对一致”的条件；
(2)从调查0.25m×0.25m极小样方的物种数开始，逐步倍增样方面积至0.25m×0.5m、0.5m×0.5m、0.5m×1m…8m×8m、8m×16m、16m×16m；在成本许可情况下可倍增至更大面积；统计每个倍增节点新增的植物种数和累积种数；嵌套样方的面积倍增模式见图1；
(3)用SPSS软件拟合种-面积对数函数y＝a+b ln x；其中，y为种数，x为累积面积(m2)，a、b为常数。进入路径为：在SPSS“分析”下拉菜单----“回归”----“曲线拟合”，选择累积面积为变量，种数为因变量；模型选择中勾选“对数”。
(4)检查SPSS模拟的种-面积函数的拟合程度和拟合曲线；可根据90％物种被观测到的节点所对应面积来大概地推断标准地最小面积；
(5)建立标准地最小面积模型；对函数y＝a+b ln x求导：
以S表示种数，A表示嵌套样方累积面积(m2)；当“种-面积函数导数”等于“种数/面积”时，对应的面积即为标准地最小面积下限；以“标准地最小面积下限×2”作为标准地最小面积上限。即：
标准地最小面积模型为：
标准地最小面积模型建立后，应用中不必再行推导，直接套用即可。当植被调查中重点关注植物的形状较小时标准地取最小面积下限，植物形状较大时取上限。
实施例1：
在2015年11月乐业平寨村喀斯特山地植被调查中，首先需要确定标准地最小面积。在平寨村连片1000m×250m的石山南酸枣林中，选择中坡部位群落结构完整、生境条件一致的代表性地段设置嵌套样方。从调查0.5m×0.5m极小样方植物种数开始，逐步成倍增加面积至16m×16m，记录每个倍增节点的新增物种数如表1。
表1：乐业平寨村喀斯特山地南酸枣林的种-面积数据
以表1嵌套样方的累积面积为变量，累积种个数为因变量，用SPSS 19.0拟合种-面积对数函数曲线，结果为y＝15.827+4.236 ln x(R2＝0.961,p＜0.001)；模拟曲线见图2。
由图2可见其90％物种被观测时对应的面积大概是32.6m2。本例中b＝4.236，A＝256， S＝36，应用模型计算标准地最小面积为：
标准地最小面积上限为：2x＝60.24。
乐业平寨村南酸枣林的标准地最小面积为30.12～60.24m2。
实施例2：
在2015年11月乐业鱼塘村石山植被调查中，用嵌套样方面积倍增法测量18龄任豆人工林标准地最小面积。在经过鱼塘村的县道旁边连片2000m×150m的石山上，选择代表性地段设置嵌套样方。从0.5m×0.5m极小样方开始，逐步成倍增加调查面积至16m×16m，统计每个面积倍增节点的新增物种数和累积种数如表2。
表2：乐业鱼塘村喀斯特山地任豆林的种-面积数据
SPSS拟合的鱼塘村任豆林种-面积对数函数为y＝11.064+3.423lnx(R2＝0.98,p＜ 0.001)，拟合曲线见图3。90％物种被观测对应的面积大概为44.7m2。将b＝3.423，A＝256， S＝28代入标准地最小面积模型，得到：
因此，乐业鱼塘村石山任豆林植被标准地最小面积应为31.3～62.6m2。
实施例3：
2015年11月对乐业龙洋村喀斯特山地18龄香椿林进行调查。龙洋村石山由基部连坐的几个峰丛组成一个较大的“弄”，连片情况较差。选择同一朝向坡面最大的山坡进行嵌套样方设置，从0.25m2极小样方逐步倍增至256m2。植被物种-面积调查数据如表3。
表3：乐业龙洋村喀斯特山地香椿林的种-面积数据
样方号 累积面积(m2) 新增种个数 累积种个数
1 0.25 7 7
2 0.5 3 10
3 1 2 12
4 2 1 13
5 4 1 14
6 8 4 18
7 16 2 20
8 32 2 22
9 64 2 24
10 128 2 26
11 256 0 26
SPSS拟合的龙洋石山香椿林的种-面积对数函数为y＝11.482+2.872 ln x(R2＝0.985，p＜0.001)，拟合曲线见图4。将b＝2.872，A＝256，S＝26代入标准地最小面积模型，得到：
龙洋喀斯特山地香椿林植被标准地最小面积为：28.3～56.6m2。
对照例1：
采用Mueller-Dombois面积倍增手工作图法测平寨南酸枣林标准地最小面积。利用实施例1的数据，手工作出种-面积曲线，作过原点(0,0)和点(256,36)的直线的平行线，并使该线与种面积曲线相切，切点的横坐标为24，即标准地最小面积为24m2。图5为对照例1乐业平寨南酸枣林手工绘制种-面积曲线求标准地最小面积图。
对照例2：
用国内传统的逐渐增加面积法(宋永昌2001)计算鱼塘村任豆人工林每个面积节点的物种数，手工绘制种-面积曲线；因国内通用400m2为森林标准地最小面积，所以，过点(400， y)作种-面积曲线的切线，从图中可见该切线与过原点(0,0)和点(620,31)的直线是不平行的；表明这种方法是找不到恰当的标准地最小面积的。图6为对照例2乐业鱼塘任豆林逐渐增加样方面积法求标准地最小面积图。
对照例3：
用Mueller-Dombois面积倍增手工作图法对实施例3的数据进行对比分析。作乐业龙洋香椿林的种-面积曲线，测出标准地最小面积为32m2。图7为对照例3乐业龙洋香椿林手工绘制种-面积曲线求标准地最小面积图
实施例与对照例的结果比较：
对比实施例与同一地点对照例的测算结果，可见本发明方法测得的标准地最小面积与 Mueller-Dombois面积倍增手工作图法相似，详见表4；本发明比手工作图法更简便，可操作性好。国内传统的逐渐增加面积法，起始面积过高、节点太多，用此法找不到恰当的标准地面积。
表4：实施例与对照例的方法和参数比较

Claims (2)

1.一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
(1)设置嵌套样方：在连片面积较大的、生境条件一致的喀斯特山地，选择代表性地段的中部设置嵌套样方；嵌套样方内应满足“植被结构相对完整、生境条件相对一致”的条件；
(2)从调查0.25m×0.25m极小样方的物种数开始，逐步倍增样方面积至0.25m×0.5m、0.5m×0.5m、0.5m×1m…8m×8m、8m×16m、16m×16m；在成本许可情况下可倍增至更大面积；统计每个倍增节点新增的植物种数和累积种数；嵌套样方的面积倍增模式见图1；
(3)用SPSS软件拟合种-面积对数函数y＝a+b ln x；其中，y为种数，x为累积面积(m2)，a、b为常数；进入路径为：在SPSS“分析”下拉菜单----“回归”----“曲线拟合”，选择累积面积为变量，种数为因变量；模型选择中勾选“对数”；
(4)检查SPSS模拟的种-面积函数的拟合程度和拟合曲线；可根据90％物种被观测到的节点所对应面积来大概地推断标准地最小面积；
(5)建立标准地最小面积模型；对函数y＝a+b ln x求导：
<mrow> <msup> <mi>y</mi> <mo>,</mo> </msup> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>+</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mi> </mi> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>b</mi> <mi>x</mi> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
式中S表示种数，A表示嵌套样方累积面积(m2)；当“种-面积函数导数”等于“种数/面积”时，对应的面积即为标准地最小面积下限；以“标准地最小面积下限×2”作为标准地最小面积上限；即：
<mrow> <msup> <mi>y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>b</mi> <mi>x</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>S</mi> <mi>A</mi> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
标准地最小面积模型为：
2.一种喀斯特山地植被标准地最小面积的计算方法的应用，其特征在于：标准地最小面积模型建立后，应用中不必再行推导，直接套用即可；当植被调查中重点关注植物的形状较小时标准地取最小面积下限，植物形状较大时取上限。
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