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黄河兴县段盐风化地貌植被调查及物种多样性分析.pdf

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资源描述

1、基金项目 吕梁市社会发展项目(2021SHFZ-1-28)。第一作者李军(1976),男,硕士,讲师。研究方向:园林植物栽培养护。E-mail:*通信作者 E-mail:收稿日期 2023-01-18黄河兴县段盐风化地貌植被调查及物种多样性分析李 军张 栩白 建*(吕梁学院生命科学系,山西吕梁 033000)摘要为了研究黄河兴县段盐风化地貌的植被在温带大陆性气候下的多样性,为此地区开发旅游业提供科学支撑,使用样方法共设 8 个样地,对此地区的植被进行调查并收集数据,计算物种多样性指数,再使用主成分分析法和聚类分析法进行分析验证。结果表明,物种多样性指数反映出 5 号样地的各项指数最高,6 号样

2、地的各项指数最低。通过主成分分析法提取出 1 个主成分,且累积贡献率达到了 96.258%,综合得分排序为 5、4、2、1、3、8、7、6 号样地,而聚类分析中将 15 号样地归为一类,68 号样地归为一类,两者相互佐证。由分析数据与实际地形可知,15 号样地的地形较为复杂,有山地、盐风化地、平原,且受人为干扰较少,也可能是旅游开发时对此地物种与地貌进行了保护;而 68 号样地属于平原地带,人为干扰较大,导致物种的丰富度相对较差。因此,兴县未来开发旅游业时应注重保护地貌景观与植被。关键词黄河兴县段;盐风化地貌;植被;物种多样性;气候;聚类分析中图分类号Q948.1文献标识码A文章编号 1007

3、-5739(2023)19-0131-05DOI:10.3969/j.issn.1007-5739.2023.19.036开放科学(资源服务)标识码(OSID):Vegetation Investigation and Its Species Diversity of Salic Weathering Landform inXingxian Section of the Yellow RiverLI JunZHANG XuBAI Jian*(College of Life Science,Lyuliang University,Lyuliang Shanxi 033000)AbstractIn

4、 order to study the vegetation diversity of salic weathering landform in Xingxian section of the YellowRiver under temperate continental climate,and provide scientific support for the development of tourism in this area,this paper investigated the vegetation in this area by sampling method(8 plots),

5、collected the data,calculated the speciesdiversity indexes,and then analyzed and verified them by principal component analysis and cluster analysis.The resultsshowed that the species diversity indexes were the highest in plot No.5 and the lowest in plot No.6.A principalcomponent was extracted by the

6、 principal component analysis method,and the cumulative contribution rate reached96.258%.The comprehensive scores were ranged as follows:plot No.5,No.4,No.2,No.1,No.3,No.8,No.7,No.6.The cluster analysis showed that the plot No.1-5 were divided into one class,while plot No.6-8 were divided intoanothe

7、r class,which proved each other.According to the analysis data and the actual terrain,the terrain of sample plotNo.1-5 was relatively complex,including mountains,salic weathering lands,plains,which has less artificialdisturbance.The species and landforms here might have been protected during tourism

8、 development.However,sampleplot No.6-8 belonged to the plain area,and the artificial disturbance was great,so the species richness was relativelypoor.Therefore,when developing tourism in Xingxian County in the future,attention should be paid to the protection oflandform and vegetation.KeywordsXingxi

9、an section of the Yellow River;salic weathering landform;vegetation;species diversity;climate;cluster analysis现代农业科技2023 年第 19 期资源与环境科学黄河流经山西 4 个市、19 个县城,其中流经兴县82 km,其支流在兴县段形成了独特的地貌,被称为“黄河浮雕”。经科学研究发现,“黄河浮雕”的形成,并非风蚀或者水蚀的结果,而是由盐风化形成1-2。黄131现代农业科技2023 年第 19 期资源与环境科学河两岸独特的地貌环境使其拥有十分丰富的文旅资源3。兴县为山西省面积最大的县

10、城,地理坐标介于北纬 384350380540,东经 11033001112855之间4,位于吕梁北方、晋陕黄河大峡谷中段。黄河中游及其支流(岚漪河、蔚汾河、湫水河均属于黄河水系)流经兴县,形成了典型的盐风化地貌。兴县属于温带大陆性气候,四季分明,昼夜温差大,气温年较差也大,降水集中,夏季炎热少雨、昼长,冬季寒冷干燥。比较典型的植被由南到北是温带荒漠、草原、针叶林5-7,而兴县段的植被主要是草本和灌木。综上所述,黄河兴县段拥有得天独厚的旅游资源。因此,当地政府在黄河岸边修建了黄河一号旅游公路,并建设3 个驿站、2 个景区以及张家湾自驾车营地,以增加兴县政府及人民的经济收入。为了吸引游客到此欣赏

11、风景,体验乡土风俗,切身感受历史文化的熏陶,黄河兴县段旅游开发需要对其岸边生态环境、植被特征等进行科学研究,以便对景区风景进行科学介绍,使人们观赏风景时可感受到科学的魅力与价值,同时为景区自然风景的保护与开发提供科学支撑8-12。目前,对于黄河中游植被研究有许多报道:李 帅等13-14对黄河中游湿地植被开展了研究,分析了黄河中游植被的多样性,发现了植物分布的不均性;李秋玲等15对黄河山西段植被进行研究,探讨了植被的种群种间关系;吕洪波等16研究了中国不同气候盐风化地貌的特征,发现各种地貌的形成都有盐风化的作用;姚立伟17研究表明,建筑物的设计与建造也需要考虑盐风化的破坏作用。但是关于黄河岸边特

12、色经典盐风化地带的植被研究鲜有详细报道。因此,本文旨在研究黄河兴县段盐风化地貌的植被种类及生长情况,分析其物种多样性,为以后开发与保护黄河兴县段植被风景提供科学支撑。1区域概况与研究方法1.1研究区概况兴县位于黄河中游东岸,黄河流经兴县 82 km。其中有 3 条支流汇入,即岚漪河、蔚汾河、湫水河,分别位于县境北部、中部、南部。县城地处晋西北部丘陵地区,地势整体西低东高;境内群山逶迤,丘陵棋布,沟壑纵横,地形破碎。主要山峰有黑茶山、石楼山、石猴山、紫金山等,其中黑茶山海拔 2 203 m;石楼山海拔 1 770 m;石猴山与石楼山隔河相望,海拔1 600 m。县域内山川河流交错,各类地形地貌所

13、生长的植被非常丰富,拥有开发旅游的天然资源。兴县属于温带大陆性气候,冬季漫长寒冷少雪,夏季短暂炎热多雨,春旱风大升温较快,秋季凉爽天气晴朗。年降水量较少,年均气温 8,霜期 120170 d,年均日照时数 2 600 h 左右18。兴县河谷地带为灰褐土壤,兴县段黄河岸边盐风化地貌周边的主要植被有菊科、禾本科、豆科。1.2研究方法1.2.1调查方法以黄河中游兴县段东岸地带植被为调查研究对象,全面踏查黄河沿岸后,尽量选人为干扰较少的区域随机设置样方,对其进行植物生态学调查。因研究区多为丘陵沟壑地形,在黄河沿岸每 10 km 设一个调查样地(共 8 个),纵深约为 15 km。每个样地中随机设置 1

14、5 个 1 m1 m 的样方块。调查时,记录样方内物种的名称、科属等19,同时记录土壤类型、植被生长状况及周围人群活动及干扰情况,便于后续分析。1.2.2指数计算采用 5 个物种多样性指数分析植被物种的多样性20-23,分别为 Shannon-Wiener 指数(H)、Pielou 均匀度指数(J)、修正后的 Simpson 多样性指数(D)、Margalef 丰富度指数(T)和 Hurlbert 种间相遇概率(M)。各指数的计算公式如下:H=-PilnPi(1)J=HlnS(2)D=-ln(P2i)(4)T=S-1lnN(4)M=NN-1(1-P2i)(5)式(1)(5)中:S 为调查地区的

15、物种总数;Pi=Ni/N,其中 Ni为第 i 个种的个体数,N 为所有物种的个体总数。1.2.3数据处理根据调查各样地的植被科属数据计算物种多样性指数;再使用主成分分析法对数据进行分析24,研究在温带大陆性气候下,不同地理环境的植物丰富度与结构复杂性;最后使用聚类分析法对植被的丰富度与结构特性进行分类。1322结果与分析2.1植被种类调查结果从表 1 可以得出,本次调查的所有样地中一共出现了 33 种草本植物和灌木,分属于 14 个科:菊科有10 种植物,豆科、藜科、禾本科各有 3 种植物,毛茛科、蔷薇科、唇形科、玄参科各有 2 种植物,马鞭草科、石竹科、鼠李科、堇菜科、卷柏科、木贼科各有 1

16、 种植物。根据 8 个样地的植物科属种类及数量计算物种多样表 1黄河兴县段东岸调查植被种类统计纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲目桔梗目桔梗目桔梗目桔梗目桔梗目桔梗目桔梗目桔梗目桔梗目桔梗目蔷薇目蔷薇目蔷薇目石竹目石竹目石竹目毛茛目科菊科菊科菊科菊科菊科菊科菊科菊科菊科菊科豆科豆科豆科藜科藜科藜科毛茛科种白莲蒿大籽蒿飞廉狗舌草狗娃花假还阳参蒲公英蓟属铁杆蒿茵陈蒿糙叶黄芪野豌豆苜蓿地肤灰菜猪毛菜唐松草纲双子叶植物纲双子叶植物纲

17、双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲双子叶植物纲单子叶植物纲单子叶植物纲单子叶植物纲石松纲木贼纲目毛茛目蔷薇目蔷薇目管花目管花目管花目管花目管花目中子目鼠李目堇菜目禾本目禾本目禾本目卷柏目木贼目科毛茛科蔷薇科蔷薇科玄参科玄参科唇形科唇形科马鞭草科石竹科鼠李科堇菜科禾本科禾本科禾本科卷柏科木贼科种银莲花山刺玫委陵菜地黄阴行草百里香香青兰荆条繁缕酸枣堇菜白羊草狗尾草糙隐子草卷柏问荆性指数,以便于后续分析。2.2物种多样性指数分析由表 2 可知,使用 5 个物种多样性指数来分析黄河兴县段岸边植被的多样性,它们在整体上都反映了一个基本趋势,即

18、种类越丰富、结构越复杂的样地,物种多样性指数越高。在各样地中,丰富度指数 T 最高的是 5 号样地,为 2.95;丰富度指数 T 最低的是 6 号样地,为 2.04。从物种多样性指数来看,5 号样地的Shannon-Wiener 指数 H、多样性指数 D 最高,分别为1.90、1.57;6 号样地最低,分别为 1.58、1.27。种间相遇概率 M 与均匀度指数 J 与上述物种多样性指数类似,都是 5 号样地最高、6 号样地最低。以上说明 5 号样地的物种丰富度最高、结构最复杂,6 号样地的物种结构相对简单。可能由于 5 号样地位于黄河沿岸向阳坡,同时包含了山地和平原,土壤营养成分丰富,人为干扰

19、较少且保留有原始的生态环境;6 号样地位于旅游开发区附近,人为干扰导致物种科属丰富度降低、结构趋于简单。14 号样地的丰富度指数 T 仅次于 5 号样地,分别为 2.72、2.67、2.63、2.77;物种多样性指数 Shannon-Wiener 指数 H 分别为 1.82、1.86、1.81、1.87;多样性指数 D 分别为 1.47、1.54、1.45、1.56,有高低波动;均匀度指数 J 分别为 0.83、0.85、0.83、0.85,种间相遇概率 M 分别为 0.81、0.83、0.80、0.84,J 和 M 与多样性指数 D 一样有些许波动且波动情况一致。以上说明 1 号与 3 号样

20、地、2 号与 4 号样地的地理环境相似度高。可能 1、3 号样地为普通山区,地理结构相对简单;2、4 号样地位于盐风化地貌附近,地理结构较为复杂且人为干扰较少,植被保留有原始结构。因为 14 号样地在山区,人为干扰较少,可以保留原始的生态环境,所以物种的组成较丰富、结构较为复杂。7、8 号样地丰富度指数 T 仅比 6 号样地略高,分别为2.38、2.42;物种多样性指数 Shannon-Wiener 指数 H分别为 1.68、1.71;多样性指数 D 分别为 1.31、1.37;均匀度指数 J 分别为 0.81、0.82,仅次于其他样地;种间相遇概率 M 分别为 0.77、0.79。7、8 号

21、样地以上指数均小于其他 5 个样地的原因可能与其位置有关(都在平原地区),且与生活区和景区相距较近,草本植物和灌木种类受人为干扰较大,降低了物种的丰富度以及表 2各样地植被种群物种多样性指数样地编号12345678H1.821.861.811.871.901.581.681.71J0.830.850.830.850.860.810.810.82D1.471.541.451.561.571.271.311.37M0.810.830.800.840.850.760.770.79T2.722.672.632.772.952.042.382.42李 军等:黄河兴县段盐风化地貌植被调查及物种多样性分析1

22、33现代农业科技2023 年第 19 期资源与环境科学物种结构复杂性。2.3主成分分析对数据进行 KMO 检验和 Bartlett 球形度检验,以判断其是否适用于主成分分析。计算结果表明,KOM(取样适切性量数)=0.6290.6,显著性为 0.000,且数据的相关性矩阵均小于 0.3,符合主成分分析的要求。由表 3 可知,只有主成分 1 的初始特征值1,其特征值为 4.813,说明可以提取出 1 个主成分;主成分累积方差百分比均大于 70%具有代表性,主成分 1达到了 96.258%且数值接近 100%,说明主成分 1 的数据接近全部信息。主成分载荷矩阵可以反映各物种多样性指数对植被多样性评

23、价的影响程度,其中主成分 1 即可反映大部分的信息。由表 4 可知,主成分 1 的得分均大于0.95 且接近 1,说明 8 个样地的 5 个指标数据没有较为明显的差距,其原因可能是调查的植被仅分布于黄河兴县段沿岸,植被结构相似度较高。根据主成分 1 载荷矩阵以及总方差解释数据可以计算出主成分 1 得分的函数关系式为 F1=0.453H+0.452J-0.450D-0.443M+0.439T,综合得分的函数关系式为 F=0.963F1。再通过 SPSS 20.0 软件计算,将主成分 1 及综合得分的数据结果进行降序排序,便于下一步分析,计算结果见表 5。由表 5 的主成分得分及综合得分可知,只提

24、取出1 个主成分,根据函数关系式,主成分 1 的得分与综合得分表达的情况相同。由综合得分可知,5 号样地的得分最高,4、2 号样地的得分次之,可能由于地理环境相对复杂,拥有盐风化地貌且人为干扰较少,土壤营养成分丰富,旅游开发时可能对原本植被改造少或者未被开发。6、7、8 号样地的综合得分较低,说明这3 个地区的植被丰富度较低,结构较简单,可能由于位于生活区和景区附近,植被种类受人为干扰的影响较大。上述分析也符合当地的实际情况。主成分分析仅出现 1 个主成分,说明数据相关性极高,可以直接反映实际问题;数据直接差异性较小,即 8 个样方(包含向阳坡和背阳坡、山地和平原)的植物科属种类及数量差异性较

25、小,但植物的多样性指数也可说明 8 个样方中植被的丰富度。可以看出,植被种类并不多,主要是由于地区范围较小,气候均为温带大陆性气候,土壤类型相似。由于植被差异性不大,可使用聚类分析进一步分析验证。2.4聚类分析如图 1 所示,以欧氏距离 15 为临界值,可将 8 个样地分类 2 个大类:第一类是靠近生活区和景点的样地,分别是 6、7、8 号样地,在综合评分中分值也最低(样地 6 最低),也说明了其样地物种的丰富度相对其他5 个样地较差;第二类是 5、1、2、3、4 号样地,在综合评分中分值相对较高(样地 5 最高)。由调查数据和分析结果也可以看出,这 5 个样地的物种丰富度相对较高,结构也较复

26、杂。由此可见,聚类分析与主成分综合得分结果一致,弥补了仅提取 1 个主成分以及综合得分表 3主成分分析总方差解释成分12345初始特征值特征值4.8130.1510.0260.0090.001方差百分比/%96.2583.0150.5240.1860.017累积方差百分比/%96.25899.27399.79799.983100.000表 4主成分 1 的各项指数载荷矩阵变量HJDMT物种多样性指数Shannon-Wiener 指数Pielou 均匀度指数修正后的 Simpson 多样性指数Margalef 丰富度指数Hurlbert 种间相遇概率主成分 10.9940.9910.9870.9

27、710.963表 5各样地主成分得分与综合得分情况单位:分样地编号54213876主成分 1 得分3.633.523.463.413.363.173.102.89综合得分3.493.393.333.293.233.062.992.78051015202578613245图 18 个样地的聚类分析结果样地编号簇间距离134数据相差不明显的不足,使试验分析结果更加可靠。3讨论与结论3.1讨论影响物种多样性的因素有很多,如海拔、人为干扰、气候、地形地貌、土壤等,均对物种多样性有一定的影响25。黄河兴县段沿岸地形比较复杂,形成的光照条件不同,相对湿度、风、温度以及降水量等综合因素对物种丰富度和结构造成

28、影响。盐风化地貌作为一种独特的地貌,创造了特殊的生态环境,附近植被数量非常少,但是也可能存在比较独特的物种相对平原更丰富。此外,盐风化地区在开发旅游时注重保护原有的生态环境,而平原地区受人为影响较大,对物种的丰富度与结构产生影响。温带大陆性气候的特征是四季分明、全年平均气温较低,草本植物和灌木比较丰富26。通过调查可以验证,这片区域中的草本植物和灌木种类较多。因此,对其进行物种的多样性分析,确定地处温带大陆性气候的黄河兴县段沿岸植被的丰富度与结构以及盐风化地区植被相对其他地区的区别。3.2结论基于调查数据,使用 SPSS 20.0 软件计算物种的多样性指数,使用 5 个指数介绍说明 8 个样地

29、的物种信息。采用标准的样方调查方法,记录样方的植被信息,统计植被的科属,以计算 Shannon-Wiener 指数、Pielou 均匀度指数、修正后的 Simpson 多样性指数、Margalef 丰富度指数、Hurlbert 种间相遇概率。通过计算可以得出,5 号样地的 5 个指数均最高,分别为1.90、0.86、1.57、2.95、0.85,说明其物种丰富度最高。由于 5 号样地包含的地形较为复杂且人为干扰较小,但相对 1、2、3、4 号样地,其均在山地,也包含盐风化地貌,物种科属相同,仅数量相对较少,整体物种结构相差小,因而在聚类分析中将 15 号样地归为一类;而 6、7、8 号样地因地

30、处平原,且受人为干扰相对较大,相关指数较低,因而物种的结构简单、丰富度较低,科属种类及数量均不及其他样地,故聚类分析中将其归为一类。主成分分析法由于整体的数据区分不大,相关性极高,仅提取出 1 个主成分,但贡献率达到了 96.258%,也可以说明大部分信息,且综合得分排序与聚类分析、相关指数描述的信息一致。3.3建议黄河沿岸拥有丰富的植被资源与独特的地形环境,在开发旅游时应注意科学性,做到不破坏原有的物种结构,注意保护盐风化地貌特征,坚持可持续发展战略。将旅游开发与生态环境的保护共同进行,使经济发展稳定持久。生态环境若遭到破坏,可能会造成永久性的伤害。因此,对此区域的旅游资源进行开发利用时,应

31、当加强对生态环境的保护,增强当地居民的保护意识,加强对游客的宣传指导。参考文献1 SOUSA L,SIEGESMUND S,WEDEKIND W.Salt weatheringin granitoids:an overview on the controlling factorsJ.Environmental Earth Sciences,2018,77(13):1-29.2 OGUCHI C T,YU S.A review of theoretical salt weatheringstudies for stone heritageJ.Progress in Earth and Plane

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45、2018.20 吴昊.不同类型群落物种多样性指数的比较研究J.中南林业科技大学学报,2015,35(5):84-89.21 龙伟.构建基于 EXCEL 的植被群落统计分析系统D.重庆:西南大学,2007.22 林宇.广西大石围天坑群天坑森林物种多样性研究D.桂林:广西师范大学,2005.23 倪荣新,金孝峰,卢先东.庆元林场千岗坑林区不同群落类型植物物种多样性的比较研究J.浙江林业科技,1999,19(6):11-15.24 王永繁,余世孝,刘蔚秋.物种多样性指数及其分形分析J.植物生态学报,2002,26(4):391-395.25 赵慧,韩颖娟,张承明,等.宁夏植被变化特征及其与气候、人类活动的关系J.江苏农业科学,2021,49(14):220-226.26 李斌,张金屯.黄土高原地区植被与气候的关系J.生态学报,2003,23(1):82-89.张忠良等:溶藻细菌及其作用物质研究进展149

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