邱麗氚,王尚義

(太原師范學院 地理科學學院，山西 晉中 030619)

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*1山西植被多樣性空間動態(tài)研究

邱麗氚,王尚義

(太原師范學院 地理科學學院，山西 晉中 030619)

〔摘要〕文章采用Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)及Simpson指數(shù)研究山西植被多樣性空間變化。在ArcGIS軟件將山西縣市地圖與群系圖進行疊置，統(tǒng)計群系數(shù)目及面積，計算多樣性指數(shù)及制作其空間分布圖.植被的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)增加的縣要比減少的縣多，而Pielou指數(shù)則相反.栽培植被的Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)增加的縣要比減少的縣多，但Simpson指數(shù)卻相反.其他植被的三個指數(shù)增加的縣均比減少的縣多.植被的三個指數(shù)均沒有不變的縣，栽培植被的Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)不變的縣最多，但Simpson指數(shù)卻無不變的縣.森林的三個指數(shù)不變的縣較多，而灌叢、草本植被則較少不變的縣.

〔關(guān)鍵詞〕Shannon-Wiener指數(shù)；Pielou指數(shù)；Simpson指數(shù)；群系；空間分布

生物多樣性動態(tài)有物種多樣性動態(tài)、生物群落多樣性動態(tài)和景觀多樣性動態(tài)，物種多樣性動態(tài)和生物群落動態(tài)研究范圍較小[1-5]，而景觀多樣性動態(tài)研究范圍較大，采用遙感及地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究植被、森林等空間變化較多[6-9]，而針對景觀多樣性動態(tài)研究較少[10]，有必要研究植被景觀多樣性的空間動態(tài).植被分布和多樣性在生態(tài)系統(tǒng)中非常重要，植物優(yōu)勢種使生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，土地利用變化影響生物多樣性[11-12]，如當森林變?yōu)樵耘嘀脖粫r，可使螞蟻多樣性減少[13]，森林的喬木層種的豐富度對其下草本植物種的豐富度有影響，需要研究植被多樣性變化及空間分布的特點.

山西年平均氣溫4 ℃～14 ℃，年降水量一般400～600 mm，屬溫帶大陸性季風氣候，半干旱地區(qū)占山西大部分地區(qū).山西中南部為落葉闊葉林，恒山以北地區(qū)為草原，屬溫帶植被[14].所跨緯度較大，有森林草原交錯帶，選擇這樣的區(qū)域研究生物多樣性有價值[15]，本文以山西為研究區(qū)域，按各縣市分區(qū)，以群系為研究對象，探討山西植被空間多樣性動態(tài)，為生物多樣性的保護、生態(tài)環(huán)境評價、植物群落多樣性研究等提供依據(jù).

1數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來源于較早和近期的山西植被[14,16]中的植被類型，比例尺分別是1∶2×106，1∶1.65×106，時間分別為1984年、2005年.山西縣市矢量地圖比例尺1∶1×106.

1.2方法

將兩個地圖集中的植被類型圖都用300DPI分辨率掃描，然后將圖像導(dǎo)入ArcGIS9.2中進行配準后再矢量化每個植被圖斑，輸入群系代碼，建立群系數(shù)據(jù).將群系數(shù)據(jù)與縣市矢量地圖疊置以后，統(tǒng)計山西每個縣(市)的群系數(shù)目及每個群系面積，然后再按植被、森林、灌叢、草本植被、栽培植被將群系進行分類后計算每個縣的多樣性指標.

多樣性的三個指標計算方法如下：

Shannon-Wiener指數(shù):H=-∑PilnPi(Pi=第i個群系的面積/所有群系面積)

Pielou指數(shù):E=H/lnS(S：群系的數(shù)目)

Simpson指數(shù):D=1-∑Pi2.

在ArcGIS軟件中計算多樣性指數(shù)，用近期植被的多樣性指數(shù)減去較早植被的多樣性指數(shù)，得到多樣性指數(shù)的變化值，然后制作多樣性指數(shù)空間分布圖.

2結(jié)果分析

2.1Shannon-Wiener指數(shù)的空間分布變化

植被Shannon-Wiener指數(shù)增加的縣主要分布在山西中北部，Shannon-Wiener指數(shù)減少集中連片分布的縣主要在山西南部(圖1).在草本植被中絕大多數(shù)縣是Shannon-Wiener指數(shù)增加，但在灌叢中許多縣是Shannon-Wiener指數(shù)減少，在山西中南部其連片面積較大，而在栽培植被中一些縣是Shannon-Wiener指數(shù)不變，在山西連片分布，但各片之間較為分散，森林的Shannon-Wiener指數(shù)變化界于灌叢和栽培植被之間(圖1).

圖1　Shannon-Wiener指數(shù)空間分布圖

植被中絕大多數(shù)縣Shannon-Wiener指數(shù)增加，只有少數(shù)縣減少(圖1).Shannon-Wiener指數(shù)增加的原因是許多縣的群系數(shù)目增加在一倍以上；如果群系數(shù)目增加在一倍以下時，一些縣的群系最大斑塊面積減少，或者是一些縣的群系最大斑塊面積增加，但最大斑塊面積不到縣面積的一半或剛過一半.Shannon-Wiener指數(shù)減少的主要原因是一些縣的群系數(shù)目減少；如果群系數(shù)目增加時，一些縣的群系最大斑塊面積超過其所在縣面積的2/3.

草本植被比其他植被有更多的Shannon-Wiener指數(shù)增加的縣(圖1)，主要原因是草本群系數(shù)目明顯增加，但灌叢比其他植被有更多的Shannon-Wiener指數(shù)減少的縣(圖1)，其原因主要是灌叢的群系數(shù)目減少，其群系面積急劇下降.

在森林、灌叢、草本植被及栽培植被中都有一些縣的Shannon-Wiener指數(shù)不變(圖1)，體現(xiàn)出比較年份的群系數(shù)目都極少，只有1種或無，栽培植被比其他植被具有更多Shannon- Wiener指數(shù)不變的縣，原因主要是許多縣栽培植被的群系數(shù)目只有1個，比較單一.

2.2Pielou指數(shù)的空間分布變化

植被的Pielou指數(shù)減少的縣多于指數(shù)增加的縣，Pielou指數(shù)減少的縣主要分布在山西盆地中，而指數(shù)增加的縣主要分布在山西的山區(qū)(圖2)，原因主要是山西盆地為人類居住區(qū)，人口數(shù)量逐漸增加，對植被的干擾較大，使得植被分布的均勻度下降，而山西山區(qū)受人類干擾較小，植被分布的均勻度較高.

森林、灌叢的Pielou指數(shù)增加的縣多于指數(shù)減少的縣，與植被的相比，森林增加的縣在山西南部尤為明顯，而灌叢則在山西北部較為明顯，草本植被、栽培植被的Pielou指數(shù)增加的縣占絕對優(yōu)勢，草本植被Pielou指數(shù)減少的縣分布在山西北部，而栽培植被則分布在山西中部(圖2).

圖2　Pielou指數(shù)空間分布圖

在森林、灌叢、草本植被及栽培植被中都有一些縣的Pielou指數(shù)不變(圖2)，其原因與Shannon-Wiener指數(shù)相同.森林和栽培植被的Pielou指數(shù)不變的縣較多，而灌叢和草本植被的較少(圖2).

2.3Simpson指數(shù)的空間分布變化

植被的Simpson指數(shù)增加的縣多于指數(shù)減少的縣(圖3)，表明山西植被的優(yōu)勢現(xiàn)象更明顯，植被的Simpson指數(shù)減少的縣主要分布在山西盆地，栽培植被的Simpson指數(shù)減少占絕對優(yōu)勢(圖3)，盆地為人類居住區(qū)，栽培植被是人工植被，人類對植被的影響較大，使得植被集群性下降.

森林和草本植被比灌叢和栽培植被的Simpson指數(shù)明顯增加(圖3)，表明山西森林和草本植被的優(yōu)勢現(xiàn)象比灌叢和栽培植被的更明顯，更好地體現(xiàn)山西植被以森林、草本植被為主的特點.

圖3　Simpson指數(shù)空間分布圖

灌叢和草本植被的Simpson指數(shù)減少主要分布在山西南部，而森林卻較分散(圖3).森林、灌叢和草本植被都有Simpson指數(shù)不變的縣，以森林最多，草本植被最少(圖3)，其原因與Shannon-Wiener指數(shù)相同.

3討論

Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)及Simpson指數(shù)的空間分布變化有所不同(圖1-3)，從不同角度探討山西植被多樣性空間動態(tài).

植被的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)增加的縣要比減少的縣多，而Pielou指數(shù)則相反，說明山西植被的多樣性、優(yōu)勢度越來越好，但均勻度越來越差，更突出山西植被中南部為落葉闊葉林，恒山以北地區(qū)為草原的特點.栽培植被的Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)增加的縣要比減少的縣多，但Simpson指數(shù)卻相反，顯示出山西栽培植被的多樣性、均勻度越來越好，但優(yōu)勢度越來越差，突出各地栽培植被的差異縮小.其他植被的三個指數(shù)增加的縣均比減少的縣多，體現(xiàn)出山西森林、灌叢和草本植被的多樣性、均勻度、優(yōu)勢度均越來越好，人們保護自然植被(森林、灌叢、草本植被)的意識更強.

植被的三個指數(shù)均沒有不變的縣，說明山西植被多樣性處于不斷的變化之中.栽培植被的Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)不變的縣最多，但Simpson指數(shù)卻無不變的縣，顯示出山西栽培植被在許多縣中群系一直極少.森林的三個指數(shù)不變的縣較多，而灌叢、草本植被則較少不變的縣，體現(xiàn)出山西森林一直比灌叢、草本植被有更多的縣群系極少.

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Study on Spatial Dynamics of Vegetation Diversity in Shanxi

QIU Lichuan, WANG Shangyi

(Geography Science College, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, China)

〔Abstract〕Spatial changes of vegetation diversity in Shanxi are studied with Shannon-Wiener index, In ArcGIS software, the number of formation was counted and the area of every formation was calculated after the map of counties and cities in Shanxi and the map of formation were overlaid. Diversity indices were calculated and the maps of their spatial distribution were made. Increasing counties and cities is more than decreasing counties and cities in Shannon-Wiener index and Simpson index of vegetation and in Shannon-Wiener index and Pielou index of cultivated vegetation. But increasing counties and cities is less than decreasing counties and cities in Pielou index of vegetation and in Simpson index of cultivated vegetation. Increasing counties and cities is more than decreasing counties and cities in three indices of other vegetations except cultivated vegetation. Three indices of vegetation and Simpson index of cultivated vegetation in all counties and cities change. Shannon-Wiener index and Pielou index of cultivated vegetation is the most in all kinds of vegetation according to their no change indices. Forest is more than scrub and herbaceous vegetation according to three no change indices.

〔Key words〕Shannon-Wiener index; Pielou index; Simpson index; formation; spatial distribution

*收稿日期：2015-12-24

基金項目：國家自然科學基金(41071335，41171423).

作者簡介：邱麗氚(1964-)，女，遼寧大連人,太原師范學院地理科學學院教授，主要從事植物地理學，主要從事地理信息系統(tǒng)研究.

〔文章編號〕1672-2027(2016)01-0082-05〔中圖分類號〕Q948.2

〔文獻標識碼〕A