CN110036863B - 一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法 - Google Patents

一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法，该方法包括步骤：1)选取样方地，划分亚样方；2)准备仪器；(3)测定样方地，并延伸测量喀斯特地区独有的石沟、石缝、石槽和石洞等微地形以及山脊、山谷等特征地形；4)对胸径≥1cm的林木进行空间坐标测定；5)计算两林木间距离；6)判定植物群落的空间分布特征；7)判定植物群落的优势度；8)判定植物群落的混交度。本发明充分考虑了石漠化地区地表崎岖破碎与植物群落空间结构的关系，利用定位仪不仅仅只是测定样地基点，重要的是加入延伸点反应石漠化地区生境地形的真实情况，最后用林木定位点进行补充，这样在很大程度上能够反映高度异质性的石漠化地形。

Description

一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法
技术领域
本发明涉及一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法，属于喀斯特石漠化地区植被恢复技术领域。
背景技术
喀斯特地区由于受强烈的地质运动、高温多雨且时空分布不均、碳酸盐岩溶蚀性强、成土速率慢以及地上地下二元结构等共同影响，使喀斯特地区具有高度空间异质性，生长在该地区的植物具有石生性、嗜钙性和耐旱性等特点。石漠化是上述自然因素加之人为因素综合作用的产物，导致植被破坏、水土流失、基岩裸露以及土地生产力丧失，最终发生类似于荒漠化的结果(图1)。近些年，对于石漠化问题越发受到国家以及各级部门的重视，通过封山育林、退耕还林还草、土地整理、人工林建设以及天然林保护等措施在各地建立石漠化治理模式，并且取得一定的成效，但总体来看植被恢复效果并不显著。主要问题在于：1)为治理石漠化的人工重建植物群落物种结构单一，导致群落抗干扰能力和稳定性差；2)依靠自然封育恢复的次生植被具有速率慢、绝对生长量小，种间、个体间生长过程差异较大以及生物多样性较低。3)植物生长的生境地表破碎且高低起伏，山脊、山谷等地形夹杂着土面、石沟、石缝、石槽、石洞等小生境同时存在，加剧生境土壤空间异质性，影响植物的定居与生长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法，获得不同地形下植物生境的土壤养分分布规律，以及量化与判定不同地形下植物的空间格局以及种间关系，通过此方法进行研究有利于揭示石漠化地区影响植物多样性的限制因子(环境因子、种间种间竞争、种子扩散限制、负密度制约)，为石漠化地区植被恢复提供参考依据，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将定位仪GPS-RTK的基准站与发射天线连接，设置参数后并建立蓝牙连接；
步骤2、将选取的样方地(50×50m、100×100m、200×200m等等)利用定位仪GPS-RTK划分纵向和横向距离均为5m的等分线；
步骤3、然后通过定位仪GPS-RTK手持移动站测定基点相对坐标(x,y)和高程测量(z)，测定纵向和横向等分线交叉点的定位坐标，查看终端点的误差是否合理，误差小于0.01m的坐标值予以保存；
步骤4、需要注意的是石漠化地区地表崎岖破碎，单单测定基点并不能真实反映石漠化地区地形的真实情况，因此，需要在样方地中选取具有代表性的微地形和小生境地形作为延伸测量点。如：较小尺度的微地形石沟，沿着石沟的走向，设立纵向和横向距离间隔为1m的点，设立的点能够覆盖石沟的面积，然后进行定位测量。将两者结合能够更加真实的反映石漠化地区的地表概况；
步骤5、测定样方地中胸径>1cm林木的空间分布，林木的高程作为样地地形的补充点；
步骤6、将样方地中所有测定的林木个体与相邻林木个体连线，利用已测定林木的坐标，依据距离公式
Figure BDA0002064623550000031
计算样地林木个体与相邻林木之间的距离，(x1,y1)和(x2,y2)表示两个坐标点距离；
步骤7、计算和判定植物群落空间结构：
(1)分布格局指数D：
在样地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过分布格局指数D公式计算：
Figure BDA0002064623550000032
式中：Di表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的分布指数；dij表示以i树为参考树，i树与最近4株相邻木的第j株之间的距离，
Figure BDA0002064623550000033
是方差公式；
其中：
Figure BDA0002064623550000034
计算公式为：
Figure BDA0002064623550000035
式中：表示以i树为参考树，基于i树与最近4株相邻木距离之和的平均距离；
利用均值
Figure BDA0002064623550000036
计算公式：
Figure BDA0002064623550000037
式中：n表示植物群落中林木的株数；Di表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的分布格局；
通过计算用于统计显著水平检验t值，然后查阅统计学树附录得出t的显著性水准，t计算公式：
Figure BDA0002064623550000041
式中：S为标准误差；
标准误差计算公式为：
Figure BDA0002064623550000042
(2)在样方地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过优势度指数计算公式U计算优势度指数：
Figure BDA0002064623550000043
式中：Ui表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的优势度指数；bi表示参照树的胸径、树高或冠幅；bj表示参照树与最近4株相邻木中第j株的胸径、树高或冠幅；
利用优势度指数均值
Figure BDA0002064623550000044
计算公式反映一个植物群落的整体优势度：
Figure BDA0002064623550000045
式中：n表示植物群落中林木的株数；Ui表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的优势度度；
(3)在样地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过混交度指数计算公式M计算混交度指数：
Figure BDA0002064623550000051
其中：
Figure BDA0002064623550000052
式中：Mi表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的混交度指数；
利用混交度指数均值M计算公式反映一个植物群落的整体混交程度：
Figure BDA0002064623550000053
式中：n表示植物群落中林木的株数；Mi表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的混交度。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1)本发明充分考虑了石漠化地区地表崎岖破碎与植物群落空间结构的关系，利用高效精确的GPS-RTK不仅仅只是测定样地基点，重要的是加入延伸点反应石漠化地区生境地形的真实情况，最后用林木定位点进行补充，这样在很大程度上能够反映高度异质性的石漠化地形；
2)将林木的分布、胸径以及树高等参数与地形参数相结合，通过统计分析能够反映不同地形下植物的分布状况和生长状况，有利于总结和构建石漠化地区不同地形植物的重建模式；
3)以生境地形为基础，可将地形-土壤-植物建立联系，可以更好的了解地形对土壤理化性质的作用，而土壤理化性质又进一步作用于植物生长，有助于阐明石漠化地区地形对植物分布与生长的机理；
4)总结与改进以往判定植物群落结构的方法，植物群落划分为基于4株最近相邻木的结构单元，在此基础上判定和林木的分布格局、优势度以及混交度，既可以满足相关学者探讨石漠化地区植物群落物种多样性受制于哪些因素影响，又可以利用该结构参数对石漠化地区生态效益低下的人工林与次生林进行经营与管理。
附图说明
图1为植物群落空间分布的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1所示，一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法，测定时需借助工程测绘中使用的定位仪GPS-RTK，该定位仪GPS-RTK由3部分组成，分别为基准站、发射天线以及移动站，该方法包括以下步骤：
步骤1、选定石漠化地区植物群落样地，在样方地中选取具有代表的地段设立较大尺度连续样方(≥2500m2)，确立样方后在样方四角PVC管标记，将定位仪GPS-RTK的基准站与发射天线连接，设置参数后并建立蓝牙连接；
步骤2、将选取的样方地利用定位仪GPS-RTK划分纵向和横向距离均为5m的等分线，获得5×5m的亚样方；
步骤3、然后通过定位仪GPS-RTK手持移动站测定基点相对坐标(x,y)和高程测量(z)，测定纵向和横向等分线交叉点的定位坐标，测量亚样方四角的空间坐标，然后延伸测量喀斯特地区独有的石沟、石缝、石槽和石洞等微地形以及山脊、山谷等特征地形，查看终端点的误差是否合理，误差小于0.01m的坐标值予以保存；
步骤4、需要注意的是石漠化地区地表崎岖破碎，单单测定基点并不能真实反映石漠化地区地形的真实情况，因此，需要在样方地中选取具有代表性的微地形和小生境地形作为延伸测量点。如：较小尺度的微地形石沟，沿着石沟的走向，设立纵向和横向距离间隔为1m的点，设立的点能够覆盖石沟的面积，然后进行定位测量，将两者结合能够更加真实的反映石漠化地区的地表概况；
步骤5、测定样方地中胸径>1cm林木的空间分布，林木的高程作为样地地形的补充点，测量每株林木的空间坐标之后，利用卷尺测定胸径和冠幅，利用测高仪测定树高；
步骤6、将样方地中所有测定的林木个体与相邻林木个体连线(图1)，利用已测定林木的坐标，依据距离公式
Figure BDA0002064623550000071
计算样地林木个体与相邻林木之间的距离，(x1,y1)和(x2,y2)表示两个坐标点距离；
步骤7、计算和判定植物群落空间结构：
(1)分布格局指数D：
在样地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过分布格局指数D公式计算：
Figure BDA0002064623550000072
式中：Di表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的分布指数；dij表示以i树为参考树，i树与最近4株相邻木的第j株之间的距离，
Figure BDA0002064623550000073
是方差公式；
其中：
Figure BDA0002064623550000074
计算公式为：
Figure BDA0002064623550000075
式中：表示以i树为参考树，基于i树与最近4株相邻木距离之和的平均距离；
利用均值
Figure BDA0002064623550000081
计算公式：
Figure BDA0002064623550000082
式中：n表示植物群落中林木的株数；Di表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的分布格局；
通过对t值(用于统计显著水平检验)进行计算：然后查阅统计学附录得出分布程度的显著性水平：
Figure BDA0002064623550000083
式中：S为标准误差；
标准误差计算公式为：
Figure BDA0002064623550000084
判定植物群落的空间分布特征。任意选取林木个体，然后由两点之间距离公式获取周围林木的距离，然后筛选最近4株相邻木，基于参照树与最近相邻木的距离的基础上，用方差比均值的公式计算结果，计算的结果与1进行比较：＞1的为聚集分布；＝1的为随机分布；＜1的为均匀分布，得出1个结构单元的空间分布特征。判定整个植物群落的空间分布特征，是将n个结构单元的空间分布指数相加，然后除以n个结构单元，结果与1进行比较：＞1的为聚集分布；＝1的为随机分布；＜1的为均匀分布；
(2)判定植物群落的优势度：任意选取林木个体，然后由两点之间距离公式获取周围林木的距离，然后筛选最近4株相邻木，基于参照树与最近相邻木的胸径(或树高/冠幅)的基础上，用参照树的胸径(或树高/冠幅)减去最近4株相邻木结构单元的胸径，计算的结果与1进行比较：＞1表示优势；＝1表示均匀；＜1表示劣势。判定整个植物群落的优势度，是将n个结构单元的优势度指数相加，然后除以n个结构单元，结果与1进行比较：＞1的为优势；＝1的为均匀；＜1的为劣势；
在样方地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过优势度指数计算公式U计算优势度指数：
Figure BDA0002064623550000091
式中：Ui表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的优势度指数；bi表示参照树的胸径、树高或冠幅；bj表示参照树与最近4株相邻木中第j株的胸径、树高或冠幅；
利用优势度指数均值
Figure BDA0002064623550000092
计算公式反映一个植物群落的整体优势度：
Figure BDA0002064623550000093
式中：n表示植物群落中林木的株数；Ui表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的优势度度；
(3)判定植物群落的混交度。任意选取林木个体，然后由两点之间距离公式获取周围林木的距离，然后筛选最近4株相邻木，基于参照树与最近相邻木的种属的基础上，如果参照树与相邻木为同种记为0，如果是非同种记为2，然后将4株最近相邻木的比较结果相加除以4，得出结果与1进行比较：＞1表示强混交；＝1表示中度混交；＜1表示弱混交。判定整个植物群落的优势度，是将n个结构单元的混交度指数相加，然后除以n个结构单元，得出结果与1进行比较：＞1表示强混交；＝1表示中度混交；＜1表示弱混交；
在样地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过混交度指数计算公式M计算混交度指数：
Figure BDA0002064623550000101
其中：
Figure BDA0002064623550000102
式中：Mi表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的混交度指数；
利用混交度指数均值M计算公式反映一个植物群落的整体混交程度：
Figure BDA0002064623550000103
式中：n表示植物群落中林木的株数；Mi表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的混交度。
本发明充分考虑了石漠化地区地表崎岖破碎与植物群落空间结构的关系，利用高效精确的GPS-RTK不仅仅只是测定样地基点，重要的是加入延伸点反应石漠化地区生境地形的真实情况，最后用林木定位点进行补充，这样在很大程度上能够反映高度异质性的石漠化地形。将林木的分布、胸径以及树高等参数与地形参数相结合，通过统计分析能够反映不同地形下植物的分布状况和生长状况，有利于总结和构建石漠化地区不同地形植物的重建模式。以生境地形为基础，可将地形-土壤-植物建立联系，可以更好的了解地形对土壤理化性质的作用，而土壤理化性质又进一步作用于植物生长，有助于阐明石漠化地区地形对植物分布与生长的机理。总结与改进以往判定植物群落结构的方法，植物群落划分为基于4株最近相邻木的结构单元，在此基础上判定和林木的分布格局、优势度以及混交度，既可以满足相关学者探讨石漠化地区植物群落物种多样性受制于哪些因素影响，又可以利用该结构参数对石漠化地区生态效益低下的人工林与次生林进行经营与管理。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种喀斯特石漠化地区地形和植物群落空间结构测定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1、将定位仪GPS-RTK的基准站与发射天线连接，设置参数后并建立蓝牙连接；
步骤2、将选取的样方地利用定位仪GPS-RTK划分纵向和横向距离均为5m的等分线；
步骤3、然后通过定位仪GPS-RTK手持移动站测定基点相对坐标(x,y)和高程测量(z)，测定纵向和横向等分线交叉点的定位坐标，查看终端点的误差是否合理，误差小于0.01m的坐标值予以保存；
步骤4、在样方地中选取具有代表性的微地形和小生境地形作为延伸测量点；
步骤5、测定样方地中胸径>1cm林木的空间分布，林木的高程作为样地地形的补充点；
步骤6、将样方地中所有测定的林木个体与相邻林木个体连线，利用已测定林木的坐标，依据距离公式
Figure FDA0002743147580000011
计算样地林木个体与相邻林木之间的距离，(x1,y1)和(x2,y2)表示两个坐标点距离；
步骤7、计算和判定植物群落空间结构：
(1)分布格局指数D：
在样地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过分布格局指数D公式计算：
Figure FDA0002743147580000021
式中：Di表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的分布指数；dij表示以i树为参考树，i树与最近4株相邻木的第j株之间的距离，
Figure FDA0002743147580000022
是方差公式；
其中：
Figure FDA0002743147580000023
计算公式为：
Figure FDA0002743147580000024
式中：表示以i树为参考树，基于i树与最近4株相邻木距离之和的平均距离；
利用均值
Figure FDA0002743147580000025
计算公式：
Figure FDA0002743147580000026
式中：n表示植物群落中林木的株数；Di表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的分布格局；
通过计算用于统计显著水平检验t值，然后得出t的显著性水准，t值计算公式：
Figure FDA0002743147580000027
式中：S为标准误差；
标准误差计算公式为：
Figure FDA0002743147580000028
(2)在样方地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过优势度指数计算公式U计算优势度指数：
Figure FDA0002743147580000031
式中：Ui表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的优势度指数；bi表示参照树的胸径、树高或冠幅；bj表示参照树与最近4株相邻木中第j株的胸径、树高或冠幅；
利用优势度指数均值
Figure FDA0002743147580000032
计算公式反映一个植物群落的整体优势度：
Figure FDA0002743147580000033
式中：n表示植物群落中林木的株数；Ui表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的优势度度；
(3)在样地中随机选择一个林木个体，获取参照个体的最近4株林木，通过混交度指数计算公式M计算混交度指数：
Figure FDA0002743147580000034
其中：
Figure FDA0002743147580000035
式中：Mi表示以i为参照树基于4株最近相邻木结构单元的混交度指数；
利用混交度指数均值M计算公式反映一个植物群落的整体混交程度：
Figure FDA0002743147580000036
式中：n表示植物群落中林木的株数；Mi表示第i个基于最近4株相邻木结构单元的混交度。
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