混沟原始森林景观生态研究

于 蓉

（山西林业职业技术学院，山西 太原 030000）

混沟原始森林景观生态研究

于 蓉

（山西林业职业技术学院，山西 太原 030000）

混沟地区是历山自然保护区核心区，位于山西省南部的中条山林区内，是生物多样性保护和研究的重要场所。该文以历山自然保护区核心区混沟为研究对象，从定性和定量两个方面对植被景观要素及其斑块进行了系统的分析。结果表明：核心区内的植被景观可以为猕猴、勺鸡、金雕等提供较为适宜的生存环境；各景观要素之间面积差异较小、多样性较高、优势度较低等特征都说明了混沟原始森林的保护是历山自然保护区今后的核心工作。

混沟；原始森林；景观要素；景观斑块；景观指数

我国是世界上少数几个生物多样性十分丰富的国家之一，被称为“巨大生物多样性国家”。中国生物多样性虽然非常丰富，但是长期以来由于人类对生物生境保护缺乏应有的重视、对生物生境的破坏、掠夺式的过度利用、环境污染、法制不健全等原因，使中国生物多样性的损失也令人触目惊心。因此，生物多样性的保护在中国也面临十分严峻的挑战。

生物多样性的保护是一项复杂的系统工程，从以往的保护实践来看，单一物种的保护措施是难以成功的，景观生态学的许多理论和学说可直接应用于自然保护区的类型划分、区划、研究和管理之中，从而为自然保护提供了理论和实践基础。因此，从景观生态学角度深入研究自然保护区理论及实践对我国的自然保护区的规划、管理工作，以及生物多样性的保护工作具有十分重要的意义。

混沟地区是历山自然保护区核心区，位于山西省南部的中条山林区内，是生物多样性保护和研究的重要场所。混沟一带地处暖温带，在我国分布的最北界，自然条件优越，动植物资源丰富，具有一些亚热带区系珍稀动、植物，在科学上具有重要价值。原始森林的发现，将为进一步研究我国黄河中、下游的人类活动，黄土高原的森林变迁，以及引种驯化动、植物等，提供极为有利的条件。

1 混沟地区的自然环境和植被概况

1.1 自然地理概况

混沟地区位于中条山东段，其主峰舜王坪西南，是历山自然保护区核心区之一。地处东经111°54′3"～111°56′29"，北纬 35°20′7"～35°23′10"之间。行政范围隶属运城地区垣曲县同善镇，林地由中条山森林经营局管辖。核心区总面积15600hm2，其中原始森林面积约800hm2。

中条山地垒山地是山西最南部隆起的结晶地块。构造上总的特点是，以断裂作用为主，褶皱次之，属中条背斜。它东起阳城县沁河谷地，西至芮城县的风陵渡，突起在晋南平原南端。基底为太古界涑水群、绛县群和元古界中条群构成，整个前震旦纪岩系分布很广，形成中条构造单元基础。

混沟地区四周尖峰耸立、深崖千仞。东部制高点皇姑曼海拔2143m，位于舜王坪西南8km处，山顶保留五台期剥蚀面，南部的锯齿山海拔1833m，因山峰似锯齿而得名；北侧南天门，山脉东西走向，海拔1692m；西侧为深崖狭谷，水流湍急，这就构成了东、南、北三面环山，西面是深崖狭谷的特殊的闭锁地形，是原始森林集中分布区。这里岩壁陡立，沟谷纵横。其中主沟有2条：一为混沟，主沟总长3km，1km以上支沟有6条；一为红岩河上游寡妇崖下的“吊孝河”，主沟总长2.8km，1km以上的支沟有7条。两沟汇流于梁王脚，始称允河，由东西方向转南流入黄河。

混沟地区主沟深幽，支沟众多，流向曲折，谷坡陡峭，谷底湍流，基岩裸露，地形复杂而闭塞，狭谷、瀑布随处可见。纵剖面平均比降30%左右，且分布不均。谷底呈阶梯状“之”字形。阶梯之间清流直下，由于长期跌水，梯脚深潭碧绿，蔚为奇观。横剖面更加陡峭，平均比降在45%以上，呈“U”～“V”形；谷坡呈对称形阶梯状，两岸陡壁相峙。

1.2 气候

中条山属暖温带季风型大陆性气候。年平均气温2～11℃；年平均积温1400～3700℃。年降雨量东段山区600～700mm；年日照时数2200～2400h；树木活跃生长期130～185d。

1.3 森林土壤

混沟地区成土母质为第四纪马兰黄土。在垂直分布上呈现多样性，自上而下具有三个土类：

（1）山地草甸土类型。海拔1900～2143m。（2）山地棕壤类型。海拔1200～1900m。

（3）褐土类型。海拔1200m以下。

1.4 生物资源

1.4.1 植物 混沟地区海拔高低悬殊，故植物种类繁多，区系复杂，实为山西省植物资源良好的物种基因库。通过考察，在混沟地区共采集木本植物标本47科160余种（包括灌木90余种）；此外，还有蕨类、菌类、藻类、苔藓、地衣等。森林植物在分布上具有较明显的垂直分布规律。

1.4.2 动物 中条山历山保护区陆栖脊椎动物区系组成种类繁多，共有野生动物66科222种，其中两栖爬行类动物有11科26种；鸟类动物48科150种；兽类动物有17科46种。

2 植被景观要素基本特征分析

景观要素就是地面上相对同质的生态要素或单元。一个区域一般可划分为多个景观要素，对景观要素基本特征进行分析是研究区域景观的最基本的内容。

本章主要是对历山自然保护区核心区混沟原始森林的植被景观要素的基本特征、分布特征以及面积和周长的特征加以分析。

2.1 研究方法

历山国家级自然保护区核心区内混沟的植被类型较复杂，根据实际调查，经过合并可以得到8种不同的景观要素，分别为华山松林景观、侧柏林景观、辽东栎林景观、五角枫-鹅耳枥-脱皮榆林景观、栾树-鹅耳枥-栓皮栎林景观、红桦林景观、连翘林景观、黄栌林景观。

以这8种景观要素为基础，利用GIS软件将植被类型图资料矢量化，并建立混沟地区的植被景观要素数据库。该数据库中包含了8种景观要素的斑块面积、斑块周长等属性信息，这些属性信息是本文进行计算的基础。

景观生态学强调尺度问题，因此数据的单位不同，各类指数的大小也可能不相同。为了研究方便，本文如无特别说明，周长的单位用m，而面积的单位用hm2。

式中Ai为景观要素i的面积，A軍为景观要素的平均面积，m为景观要素的数目。

（2）面积极差 B=Amax-Amin

式中Amax为景观要素最大面积，Amin而为景观要素最小面积。

（3）周长标准差、周长极差的计算公式可参考式（1）和（2）。

2.2 数据分析

2.2.1 植被景观要素分布特征分析 混沟内不同植被景观要素特征见表1。

从表1中可以看出，核心区内辽东栎林景观和五角枫-鹅耳枥-脱皮榆林景观分布的面积最大，这两种景观分别占到总面积的34.10%和25.80%，分布的范围也较广，从海拔1200～2143m都有分布。两种景观面积共为479.2hm2，占总面积的59.90%。核心区内以桦山松林和侧柏林景观为代表的暖温带针叶林景观面积为159.59hm2，占总面积的19.94%。这说明核心区内的森林景观主要是落叶阔叶林景观。核心区内的灌木景观则以黄栌和连翘林景观为主。

表1 植被景观要素特征

2.2.2 植被景观要素面积和周长的特征分析。

从表2中可以看出，核心区内8类景观要素的平均面积为100.00hm2，其中面积最大的是辽东栎林景观，为272.80hm2，最小的是红桦林景观，面积仅为21.61hm2。另外，辽东栎景观和五角枫-鹅耳枥-脱皮榆林景观的面积共479.2hm2，占总面积的59.90%，是主导景观要素。从表中还可以看出，各景观要素面积分布较平衡，最大面积差异（面积极差）为252.19hm2，景观要素的面积差异不显著，面积在各个要素之间的分配较均匀。

表2 植被景观要素面积特征

从表3中可以看出，核心区内8类景观要素的平均周长为10609m，而其中周长最大的是辽东栎林景观，为26411m，最小的是红桦林景观，为2393m。核心区内各景观要素之间的周长差异也不显著，表现出了与面积相同的规律。

表3 植被景观要素周长特征

表4 植被景观要素边界密度

从表4中可以看出，景观要素边界密度最大的是侧柏林景观，为1.21；最小的是辽东栎林景观，为0.97。结合各植被景观要素的面积特征可以看出，其景观要素的边界密度都不大，说明景观从总体上讲破碎化程度不高，连通性较好。

2.3 小结

混沟自然保护区核心区地处暖温带大陆性山地气候区，地带性植被景观为暖温带落叶阔叶林景观。但受海拔高度的影响，分布了华山松林景观和红桦林景观为代表的针叶林景观。从各景观要素的分布特点来看，光热条件是决定历山自然保护区核心区混沟植被景观要素及其分布的重要因素。

历山自然保护区核心区内混沟景观为森林景观要素，这为国家一级保护动物猕猴、勺鸡、金雕等的生存提供了良好的环境，但各景观要素之间的面积分配较均匀。景观要素周长之间也显示出了相似的规律性。

历山自然保护区核心区混沟内所有的8种植被景观要素的边界密度都不大，边界密度数值范围为0.97～1.13之间，接近1，说明森林景观从总体上讲破碎化程度小，连通性好。受人为干扰程度极小，为生物提供了良好的生存环境。

3 植被景观要素多样性研究

对景观要素多样性进行研究的生态意义主要表现为对物种多样性的影响。在一个景观中，要素多样性与物种多样性的关系不是简单的正比关系，而一般呈正态分布。当景观要素、斑块数目与边缘生境达到最佳比率时，物种多样性最高。

通过对历山保护区核心区内混沟的景观要素的多样性指数的研究，揭示了核心区内的景观要素的空间分布特点。

3.1 研究方法

常用的景观要素多样性指数有丰富度（richness）指数、均匀度 （evenness）指数、多样性（diversity）指数和优势度 （dominance）指数，它们的计算公式如下：

式中m为景观要素的数目，A为景观要素的总面积。

H为香农一威纳多样性指数。

式中Pi=Ai/A，Ai为景观要素i的面积。

式中Hmax=ln（m），为最大多样性指数。

3.2 数据分析

景观丰富度、均匀度、多样性、优势度指数是对景观异质性的定量化描述和分析，其计算结果如表5所示。

表5 植被景观要素多样性指数

3.2.1 景观要素多样性分析 从表5可以看出，核心区内的景观要素多样性指数H=1.755070，与最大多样性指数Hmax=2.079442相比，其值比较接近，这一结果说明在核心区内的各种景观要素所占比例差别不大，整体景观多样性程度较高。这与丰富度指数R=1.047181和均匀度指数E=0.844010略低有关，因为多样性指数是丰富度指数与均匀度指数的综合指标，当二者不高时，自然会影响核心区内的植被景观多样性指数。

3.2.2 景观要素优势度分析 从表5中可以看出，核心区内的景观优势度指数A=0.324372，景观要素的优势度比较低，表明核心区内各景观要素比例均衡，优势度低而均匀度、多样性增加。

景观多样性高，优势度低，一方面说明混沟原始森林内各个植被景观的均匀度高，面积差异不大；同时也说明混沟原始森林内面积大的植被景观斑块形状相对松散一些，斑块内部环境的物种相对多一些。

但从另一方面来看，景观多样性的增加就意味着某些景观要素面积的减少，作为猕猴、勺鸡、金雕等的保护地，维持其正常的生存又需要一定面积的森林景观要素的存在。

3.3 小结

（1）混沟原始森林内的植被景观要素多样性指数的值较高，与丰富度指数略低、均匀度指数较高有关。原始森林内各景观要素的面积差异较小，是景观要素多样性较高的主要原因。

（2）混沟原始森林内的植被景观要素优势度较低，说明核心区内没有明显占主导地位的景观。这与多样性、均匀度分析得出的结论是一致的。

（3）混沟原始森林内，植被多样性指数反映出各个景观要素面积差异不大，比较均衡，生态环境相对稳定，基本未受到人为因素的影响。

原始森林植被景观一方面为猕猴、勺鸡、金雕等的生存提供了良好的生存条件，另一方面反映出核心区内景观要素物种多样性保持较好。所以在不影响猕猴、勺鸡、金雕等生存的前提下提高核心区内的景观要素多样性是保护区今后工作的一个重点。

4 植被景观的形状研究

在自然界中，景观斑块的形状是多种多样的。在景观生态学中，斑块的形状指数和分形研究是常用的斑块形状研究方法。

通过对混沟原始森林内的景观斑块的形状指数和景观要素的分维数的分析，提示了该区域内景观斑块和要素的形状特点及其成因。

4.1 研究方法

式中P为斑块的周长，A为斑块的面积，其单位分别用m和m2。

这类斑块形状指数是斑块周长与等面积的圆周长之比，它代表斑块形状与相同面积的圆形之间的偏离程度。当斑块形状为圆形时，S取值最小，等于1。其值越接近于1，表示斑块形状与圆形越相近；其值越大，则斑块形状与圆形相差越大，形状越不规则（刘灿然、陈灵芝，2000；邬建国，2000）。

（2）分维数常用来测定斑块形状的复杂程度，是景观斑块分形研究中常用的公式。分维的定义有很多种，计算方法也很多。在景观生态学中应用最多的是基于周长-面积关系的方法（刘灿然、陈灵芝，2000）。在用分维数来描述景观斑块镶嵌体的几何形状复杂性时，通常采用线性回归法。

设斑块周长为P，面积为A，则二者满足关系：

其中D为斑块边界的分维数。一般的处理方法是将式 P=c0AD/2两边取对数，令 c=ln（c0），b=D/2，得到：

即lnP为lnA的线性函数，分维数D=2b，即分维数就是该直线斜率的2倍。用此方法可以分别求出不同景观要素的分维数。

实际上，还有一种表达式：

同样可以得到：

由于混沟原始森林各植被景观要素斑块基本集中，各自成片，故本文只采用斑块形状指数方法对混沟原始森林景观进行分析研究。

4.2 数据分析

斑块的几何形状是景观的空间结构度量中一个重要的特征，也是自然保护区设计中的一个重要内容。Jared Diamond（1975年）在自然保护区的设计中提出了6条设计原理，其中一条认为保护区应尽可能设计成圆形（徐化成，1995）。根据形状和功能的一般原理，紧密型形状在单位面积中的边缘比例小，有利于保蓄能量、养分和生物；而松散型形状（如长宽比很大或边界弯延多曲折）易于促进斑块内部与外围环境的相互作用，尤其是能量、物质和生物方面的交换。因此，本文选用了以圆形为几何参照物的斑块形状指数来分析斑块形状。

表6 植被景观要素的分维

从表6中可以看出，核心区内的斑块形状指数随着斑块面积的增加有逐渐增大的趋势。面积大的景观要素斑块形状是松散型形状，如辽东栎林景观斑块，它的分维数最高，为4.5108，这说明在核心区内，与其它植被景观相比，辽东栎林景观受人为活动的干扰较小，干扰程度低，天然形状保持较好。面积小的景观要素形状是近似于圆形的紧密型形状，如红桦林景观，它的分维数最低，为 1.4521。

从表6中还看出，整个原始森林景观的分维数为8.4645，其值较高，说明核心区内的森林景观受到的人为干扰也较小，所以保护森林景观，防止人为干扰破坏，保持混沟原始森林现有景观应该是保护区今后工作的一个重点。

4.3 小结

（1）历山自然保护区核心区混沟内所有的8种植被景观要素的边界密度都不大，边界密度数值范围为0.97～1.13之间，接近1，说明森林景观从总体上讲破碎化程度小，连通性好。受人为干扰程度极小，为生物提供了良好的生存环境。这样的斑块大多数分布于核心区内的沟谷的两侧，其延伸方向大致与沟谷的方向垂直。坡面地势是这类景观斑块的主要成因。核心区内也有少部分斑块形状指数接近1，它们的形状是近似于圆形的，这样的斑块多分布于谷底处或键嵌于大的景观斑块内。

（2）历山自然保护区核心区混沟原始森林内景观斑块的形状与它的分布方式有一定的关系。大体来说，沿混沟两侧的山坡分布的景观斑块较狭长，而镶嵌于大班块中的小斑块的形状更接近于圆形。核心区内以沟谷地形为主，沿沟谷两侧的山坡分布的植被景观斑块以狭长形类型为主，所以这类斑块占大多数；而镶嵌于其它斑块中的景观斑块由于周围的环境条件相似，所以其形状也更接近于规则的形状，这样的斑块占少数。

5 结论

混沟为原始森林景观，各景观要素之间的面积分配较均匀，周长也表现出相同的规律。周长与面积之间有极显著的正相关关系。各森林景观要素边界密度不大，说明原始森林景观的破碎化程度小，连通性好。多样性较高，优势度较低。这说明各景观要素面积差异较小，核心区内没有特别占优势的景观要素。森林景观受人为干扰较小，说明核心区内的森林景观受人为因素的影响不大。

研究结果表明：历山自然保护区核心区混沟原始森林物种多样性保持良好，为多种生物提供了适宜的生存环境，应当加强保护工作。

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1002-3356（2011）06-0052-05

2011-10-10