晉中盆地人類聚居地植物多樣性分異規律

王應剛，張 婷,*，段毅豪，梁 煒，曹霄霄

1 山西大學環境與資源學院，太原 030006 2 山西大學外國語學院，太原 030006

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晉中盆地人類聚居地植物多樣性分異規律

王應剛1，張 婷1,*，段毅豪2，梁 煒1，曹霄霄1

1 山西大學環境與資源學院，太原 030006 2 山西大學外國語學院，太原 030006

在城市化的發展過程中，生物多樣性受到的影響日趨嚴重，因此開展這一方面的研究顯得非常重要。以晉中盆地為研究對象，用隨機抽樣法選取86個村莊駐地、48個鄉鎮駐地及9個縣市駐地，然后在各個駐地建成區內分別設置調查樣方，運用Gleason豐富度指數、Whittaker Beta多樣性指數、Jaccard相似性指數和t-檢驗對建成區內野生植物、栽培植物及總植物物種進行分析，同時探索總結植物多樣性分異規律。結果表明：沿村莊-鄉鎮-縣市梯度，野生植物平均豐富度降低，栽培植物平均豐富度增加，總植物物種平均豐富度先降低后增加；野生植物、栽培植物和總植物物種的β多樣性指數均降低；植物相似度方面，村莊與鄉鎮的相似性最高，鄉鎮與縣市次之，村莊與縣市的相似性最低。同時，調查過程中發現，沿“村莊-鄉鎮-縣市”梯度，城市化水平的差異與人為干擾強度的不同是引起盆地內植物多樣性變化的重要原因。

植物多樣性；區域城市化；同質化；晉中盆地；Gleason指數；Whittaker Beta指數；Jaccard相似性指數

在全球范圍內，城市化的發展對生態環境已經造成了一系列較大影響[1-3]。國外一些學者較早開始探索城市化對植被、土壤、水和大氣的影響[4-5]，我國學者也很早注意到城市化對生物的影響[6]。國內外學者沿城市化梯度對生物及環境等開展了較多研究[7-11]。目前，城市化梯度的研究主要有兩種方法[12]，一種是沿“城區-郊區-農區”梯度，如國外學者以“城區-郊區-農區”的生態樣帶為基礎進行研究[13-17]，馬克明和傅伯杰對遵化市的植物多樣性進行了研究[18]。彭羽則對廊坊市的本土植物多樣性進行了分析[19]。一種方法是根據城市中土地利用類型的不同進行城市化梯度的研究[20-22 ]。如Porter研究了沿保護區-休閑區-高爾夫球場-住宅區-公寓-商業區植被和樹冠碎片的變化[12]。區域城市化對不同人類聚居區的植物多樣性產生了顯著影響，德國學者Rudiger Wittig對歐洲中西部的6個城市建成區和美國的一個城市建成區的植物同時進行調查研究，揭示了一定地域尺度上植物多樣性的同質化狀況[23]。然而目前國內尚未有學者在區域尺度上沿“村莊-鄉鎮-縣市”梯度，對其建成區內的野生植物與栽培植物物種多樣性進行研究與分析。

晉中盆地屬于山西省發展較快的區域，快速的城市化進程對區域生態環境造成了一定的影響。本文以晉中盆地作為研究區，沿村莊-鄉鎮-縣市梯度，調查了各駐地建成區內的野生植物、栽培植物的種類，通過植物多樣性研究，闡明晉中盆地區域城市化發展過程植物多樣性規律，同時探索城市化過程中造成各村莊、鄉鎮和縣市建成區內植物多樣性分異的原因。為盆地內植物多樣性保護提供根據。

1 研究區概況

晉中盆地位于黃土高原東部山西省境內的汾河谷地，介于我國東南部濕潤區與西北部干旱半干旱區之間的過度地帶，屬于半濕潤地區，為典型的大陸性季風氣候。地理坐標為111°45′—112°50′ E，36°48′—38°18′ N。盆地四面被丘陵、群山環抱，中央平原區海拔高程在760—840 m之間，年均降雨量為450—550 mm，年均氣溫在8—12℃之間，年平均濕度為55%—60%，晉中盆地是人類活動比較悠久的地區之一，因其發達的政治、經濟和文化，使當地的城市化進程不但起步早而且發展速度比較快。到1950年時，晉中盆地的城市化水平已經達到21.26%，遠高于全國10.60%的平均水平。經過半個世紀的歷程，在改革開放及其他政策的的推動下，盆地內城鎮人口數量急劇增加，到2003年時，盆地內城鎮人口比重達到了60.33%。然而快速的城市化對區域氣候、地下水、地表水及盆地內的植物多樣性產生了較大的影響，引起了一系列的生態問題。

2 研究方法

依據植物多樣性研究中的樣地布設原理和統計學分析的需要，在盆地內3785個自然村中，對每個村莊進行編號，運用隨機抽樣法，選出86個村莊駐地，組成樣本Ⅰ，在樣本內的每個村莊駐地建成區內，隨機抽取16個100 m×20 m的樣方進行調查，每個村莊的調查面積為32000 m2。用同樣方法在133個鄉鎮中，隨機抽出48個鄉鎮駐地，組成樣本Ⅱ，每個鄉鎮駐地建成區內隨機調查21個100 m×20 m樣方，每個鄉鎮的調查面積為42000 m2。同理，在太原市、介休市、孝義市、汾陽市、榆次市、平遙縣、太谷縣、祁縣、文水縣、交城縣、清徐縣、陽曲縣共12個縣市中，隨機抽出9個縣市駐地，組成樣本Ⅲ，每個縣市駐地建成區內隨機調查26個100 m×20 m的樣方，每個縣市的調查面積為52000 m2。各駐地分布位置如圖1所示。

圖1 采樣點分布示意圖Fig.1 Location of the sampling sites

2.2 樣方調查

2012年6月至10月初對各駐地建成區樣方內的植物物種進行了現場調查，由于建成區內受到人為干擾較強，已無法進行群落單元研究，故本次僅調查每個樣方內物種的有無。在每個設置的100 m×20 m樣方內，對每一種植物(包括喬木、灌木、草本)的名稱及是否為野生植物或人工栽培植物等進行了記錄。本文中記錄的植物均指能夠在戶外越冬，野生植物指能自然生長繁衍不依賴人為栽植；栽培植物是指人為有意識在戶外栽種，由栽培植物逸生的植物亦歸類為栽培植物。

同時，對每個村莊建成區、鄉鎮建成區及縣市建成區內的人口密度、建筑物壓占土地率、地面硬化率進行調查。

2.3 數據處理

對每個村莊駐地建成區內調查的16個樣方內的植物進行綜合統計，獲得該村莊駐地建成區內記錄到的所有野生植物、栽培植物的名稱及物種數，同理，得到每個鄉鎮駐地建成區、縣市駐地建成區內記錄到的所有野生植物、栽培植物的名稱及物種數。然后使用Excel、Origin8、SPSS13.0軟件進行制圖分析。

(1) Gleason豐富度指數

由于在村莊建成區、鄉鎮建成區及縣市建成區內的人類活動強烈，自然植被已經被摧毀，只能見到不連續的零星分布的植物，在此情況下，已經無法考慮各個物種之間的數量比例關系。因此，本研究選用不涉及各個物種之間的數量比例關系的Gleason index豐富度指數，計算公式為：

1.3.2 不良反應評價 患者的不良反應包括放療引起的不良反應和化療引起的不良反應，放療引起的不良反應主要包括骨髓抑制（白細胞、血小板減少等）、患者皮膚黏膜改變和胃腸道反應等；化療引起的不良反應主要包括骨髓抑制（白細胞、血小板減少）、消化道反應（如惡心、嘔吐、腹瀉、口腔潰瘍等）、毛發脫落、血尿、免疫功能減低，容易并發細菌或真菌感染等。分析對比兩組患者的不良反應發生情況。

D=S/InA

式中,S為物種數，A為調查面積，D為Gleason物種豐富度指數。用此公式分別計算被調查每個村莊駐地建成區、鄉鎮駐地建成區、縣市駐地建成區的物種豐富度。

(2)Beta 多樣性指數

Whittaker Beta多樣性是生物多樣性的重要組成部分，人類活動對能夠對其產生重要的影響[24]。本文將不同等級駐地建成區分別看作不同類型的取樣生境，來研究因人類干擾所導致的生境中物種組成變化[25]。

β=γ/α1

式中，γ為某取樣生境中的總物種數，α為某生境類型(村莊生境、鄉鎮生境及縣市生境)所有取樣點物種的平均數(本研究采用平均豐富度指數D代替α開展計算)

(3)相似性指數

Jaccard[26]相似性指數能夠分析在不同城市化梯度即不同樣本生境間出現相同物種的狀況。

J=c/(a+b-c)

式中，c為兩樣本間共有物種，a和b分別為兩個樣本的物種數。

3 結果分析

3.1 物種豐富度

運用Gleason index對86個村莊駐地建成區、48個鄉鎮駐地建成區、9個縣市駐地建成區的野生植物、栽培植物及總物種豐富度進行分析(圖2—圖4)。

圖3 鄉鎮駐地物種豐富度Fig.3 Species richness in towns seats

圖4 縣市駐地物種豐富度Fig.4 Species richness in cities seats

在調查取樣的村莊駐地建成區中，野生植物豐富度的大小對于總植物物種豐富度起主導性作用，人工栽培植物的豐富度大多處于較低水平，且兩者豐富度相差較大。在鄉鎮駐地建成區中，野生植物豐富度高于栽培植物豐富度，野生植物豐富度絕大多數低于30而栽培植物豐富度大多介于10—20之間，兩者共同促進了總植物物種豐富度的增加。在取樣的9個縣市駐地建成區中，野生植物豐富度稍低于栽培植物豐富度，在個別縣市野生植物豐富度大于栽培植物豐富度，同時城市9的栽培植物豐富度明顯較高是由于其采樣點為山西省會城市太原市。

圖5 各樣本平均豐富度指數Fig.5 Mean species richness of samples

對3個樣本內的野生植物、栽培植物及總植物物種的平均豐富度分析。如圖5所示，沿“村莊-鄉鎮-縣市”梯度，野生植物豐富度減少，栽培植物豐富度增加，總植物物種豐富度先降低后增加。

使用SPSS13.0對3個樣本間的野生植物豐富度、栽培植物豐富度和總物種豐富度進行獨立樣本T檢驗，結果如表1所示：野生植物和栽培植物，在各個樣本間均有顯著性差異。而從總植物物種豐富度來看，村莊與鄉鎮、鄉鎮與縣市有顯著差異，而村莊與縣市則無明顯差異。

3.2 Beta 多樣性指數分析

β多樣性指數反映了人類活動對植物物種多樣性的影響，圖6表明：沿村莊-鄉鎮-縣市梯度，植物的β多樣性均降低，野生植物多樣性指數分別為5.18、5.05、3.51，栽培植物的多樣性指數為4.56、3.99、2.96。總植物物種多樣性指數為5.01、4.65、3.22。說明，隨著城市化強度的增強，各植物物種的多樣性降低，物種的同質性增加[27]。

3.3 相似性指數分析

Jaccard指數反映了不同樣本生境間物種組成之間的相似程度，指數越小，說明物種組成差異越大[28]。

從圖8可知，Jaccard相似性指數，就栽培植物而言，縣市-村莊(0.53)、縣市-鄉鎮(0.61)均低于村莊-鄉鎮(0.78)。同樣，野生植物，縣市-村莊(0.41)、縣市-鄉鎮(0.52)均低于村莊-鄉鎮(0.64)，說明無論是野生植物還是栽培植物，縣市與鄉鎮、村莊差異較為明顯，而村莊與鄉鎮則有較高的相似性。

表1 三類樣本間植物豐富度檢驗

*P<0.05

圖6 各樣本β多樣性指數Fig.6 β-diversity of samples

圖7 各樣本城市化水平Fig.7 Urbanzation of samples

圖8 各樣本間相似性指數Fig.8 Similarity index between samples

3.4 物種組成分析

3.4.1 不同樣本間共有物種分析

對村莊、鄉鎮和縣市的野生共有物種進行分析，發現3個樣本間共有物種較多集中于菊科、禾本科和藜科3類，而栽培植物則集中于薔薇科、楊柳科等，具體植物見表2。從表中可以看出，野生植物大多為一年生草本，耐踐踏，且廣布于世界溫帶地區。栽培植物大多在各地廣為栽培，兼綠化觀賞及較高經濟適用性。

表2 各樣本間共有物種

3.4.2 各樣本間獨有物種分析

對比分析3個樣本特有物種發現，村莊獨有的野生植物較多，栽培植物僅有向日葵(Helianthusannuus)和番茄(Lycopersiconesculentum)兩種。縣市獨有的栽培植物較多，獨有的小香蒲(Typhaminima)、寬葉香蒲(Typhalatifolia)、燈心草(Juncuseffusus)等幾種野生植物也僅均出現1次。鄉鎮則沒有獨有的野生植物和栽培植物。村莊和縣市的主要獨有物種見表3。

表3 各樣本獨有物種

4 討論

樣地調查發現，城市化水平的差異與人為干擾強度的不同造成了植物多樣性分異。沿村莊-鄉鎮-縣市梯度，城市化程度增加，主要表現在人口密度加大、建筑物壓占土地率及地面硬化率升高。如圖7，調查顯示，盆地內村莊人口密度較小，為4089人/km2，鄉鎮與縣市的人口密度分別為5525人/km2與9875人/km2。地面硬化率由村莊、鄉鎮與縣市依次為62%、73%及92%左右。建筑物壓占土地率亦同城市化水平高低一致，村莊最低為34%，鄉鎮稍高為42%，縣市最高為47%。

較低的城市化水平與低強度的人為破壞使得村莊內野生植物的豐富度最高，而縣市內人口密度大，污染物排放及除草踐踏等人為干擾活動較強，使得縣市建成區內的野生植物豐富度最低，鄉鎮的城市化發展程度介于村莊與縣市之間，野生植物豐富度居中。而各樣地中栽培植物的豐富度則主要受到人為力量的主導。由于縣市發展迅速，經濟實力較強，對城市內綠化及公園建設投入大量資金，引入了較多的可供觀賞綠化的外來物種，因而其栽培植物物種豐富度最高。鄉鎮發展次之，栽培植物豐富度較高。村莊的經濟發展相對較弱，村莊建成區內用于綠化美化的栽培植物種類較少，大多是農戶自己栽植的較常見的的果木，所以栽培植物豐富度最低。而總植物物種豐富度則呈現出鄉村、縣市較高，鄉鎮較低的情況，這是由于鄉鎮建成區要承受比村莊更大的城市化建設，野生植物的生長受到一定程度干擾，同時因其經濟發展水平低于縣市，人工栽培植物種類較低，故而總植物物種豐富度低于村莊與縣市。顯然，本文研究因城市化梯度設置的特殊性與Connell提出的“中度干擾理論”[29]是不相關且不矛盾的。

植物的β多樣性指數沿村莊-鄉鎮-縣市梯度降低，因為沿此梯度，人口密度增加，地面硬化率升高，建筑物壓占土地率增大，一些野生植物因生境受到土地利用方式的改變而消失，生存下來的物種大都是生命力強且耐踐踏的禾本科、藜科類等我國廣泛分布的習見植物[19]，出現了較大的同質化現象。而縣市的栽培植物β多樣性最低則是由于在各縣市發展相當的情況下，因村莊鄉鎮及縣市建設均是為滿足人民生活需要，其建筑結構與城市熱島效應等氣候條件相似[30]，綠化引種植物亦較類同造成的，而縣市在這方面表現的更為強烈。說明城市化造成了各植物物種的均一化，這已被眾多學者研究證明[31-32]。此外，因村莊與鄉鎮的發展差距較小，村莊與縣市的發展程度差距大，使得村莊與鄉鎮植物相似性最高，鄉鎮與縣市次之，村莊與縣市的相似性最低。

5 結論

德國學者Rudiger Wittig指出，在分析城市化導致物種同質化的過程中，“純粹”的城市化棲息地會比城市與非城市混合的棲息地顯示更高的同質化程度[23]。本文在晉中盆地區域尺度上，選擇了分別受城市化影響較強、居中及較弱的縣市建成區、鄉鎮建成區和村莊建成區，故而能夠更加準確地分析城市化對區域內植物多樣性的影響。同時，通過選擇調查野生植物與栽培植物兩類受人為干擾較強的植物類別，亦能較好指示城市化過程中區域內植物多樣性現狀。在晉中盆地，村莊建成區內野生植物受人為干擾較輕，栽培植物引入很少，導致其總物種豐富度沒有明顯降低；鄉鎮駐地建成區野生植物物種豐富度在城市化建設過程中受到較大影響，而又沒有較多地引種栽培植物，導致其總物種豐富度明顯降低，這是在未來鄉鎮建設過程中需要注意的一個問題；縣市建成區發展較為迅速，對野生植物生長和分布影響顯著，但在縣市建成區大量引入栽培植物進行綠化，加之在人為干預下使建成區內土地環境的異質性明顯降低和綠化植物物種類同性較高，一方面導致其總物種豐富度明顯增加，另一方面也導致各縣市建成區內物種的同質化。總之，在村莊、鄉鎮和縣市建成區今后的發展過程中，盡量保留一些野生植物群落及其生境，合理選用和引入適合當地氣候環境特點的多種類型的栽培植物進行綠化，既提高植物物種多樣性又避免物種同質化趨勢。

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Patterns of plant diversity and population distribution in the Jinzhong Basin

WANG Yinggang1, ZHANG Ting1,*, DUAN Yihao2, LIANG Wei1, CAO Xiaoxiao1

1SchoolofEnvironmentalScienceandResources,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China2SchoolofForeignLanguages,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China

The increasing negative impact of urbanization on biodiversity underlines the importance of studies in this field. Therefore, the present study focused on the effects of population distribution on plant diversity in the Jinzhong Basin. Overall, 86 villages, 48 towns, and 9 cities in the county were selected, and sampling plots were set up for plant surveys at each site. The Gleason index, the Whittaker Beta index, and the Jaccard similarity index were employed to discover patterns in regional biodiversity, and independent-sample t-tests were used to compare the patterns of wild and cultivated plants. Along the village-town-city gradient, the species richness decreased for wild plants, but increased for cultivated plants. The total plant richness for this gradient showed a bell-shaped curve, and theβ-diversity index consistently decreased. The floral similarity was lower in villages compared to towns and cities, while it was also lower in towns compared to cities. The common species in the villages, towns, and cities wereDigitariasanguinalis,Setariaviridis,Rosachinensis, andSalixbabylonica. Whereas most wild plants belonged to the families Gramineae and Asteraceae, most cultivated plants belonged to the families Rosaceae and Salicaceae. This result suggests that the differential urbanization development and the anthropogenic disturbance in the Jinzhong Basin are the crucial factors in explaining the pattern of biodiversity differentiation in this region. German scholar Wittig Rudiger stated that if urbanization really is the cause of homogenization, “pure” urban habitats should show a greater degree of homogenization than mixtures of urban and non-urban habitats. In this study, the “pure” urban habitats of build-up areas at city, town, and village level were affected by stronger, medium, and weaker urbanization, respectively.Furthermore, investigation of wild plants and cultivated plants, which are two plant categories with different anthropogenic disturbance, can signify the plant diversity status throughout the process of urbanization in the Jinzhong Basin. The wild plants in the built-up area of the villages experienced little anthropogenic disturbance, as well as little introduction of cultivated plants. This resulted in no significant decrease in total species richness for the villages. In the built-up area of the towns, wild plant species richness was affected by the process of urbanization, whereas no additional cultivated plants were introduced. Both these factors lead to the decrease of the total species richness here. For the built-up area of the cities, the rapid urban development significantly affected the growth and distribution of wild plants. Furthermore, afforestation caused a large number of cultivated plants to be introduced to the cities′ built-up areas. Finally, anthropogenic disturbance can decrease environmental heterogeneity in the built-up areas, while increasing the species similarity of the greening plants. On one hand, these processes increase total species richness, whereas on the other hand, they result in the homogenization of the species in the area. The results of this study could be useful for future developments, as they can provide referential data to improve the rationality and effectiveness of protecting biological plant diversity.

plant diversity; regional urbanization; homogenization; Jinzhong Basin;Gleason index; Whittaker Beta index; Jaccard similarity index

國家自然科學基金資助項目(31070424)

2015- 07- 09;

2015- 12- 08

10.5846/stxb201507091454

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangtingxyz@126.com

王應剛，張婷, 段毅豪, 梁煒, 曹霄霄. 晉中盆地人類聚居地植物多樣性分異規律.生態學報,2016,36(20):6556- 6564.

Wang Y G, Zhang T, Duan Y H, Liang W, Cao X X.Patterns of plant diversity and population distribution in the Jinzhong Basin.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6556- 6564.