晉中盆地植物多樣性的梯度分布規律研究

劉斌，王應剛

(1.山西省社會科學院，山西太原 030006；2.山西大學，山西太原 030006)

晉中盆地植物多樣性的梯度分布規律研究

劉斌1，王應剛2

(1.山西省社會科學院，山西太原 030006；2.山西大學，山西太原 030006)

研究區域植物多樣性分布規律對于植物生態環境的保護有重要的意義。以晉中盆地為研究對象，通過設置樣方，得出了植物多樣性沿城區-郊區-農區的分布規律，在晉中盆地內的縣(區、市)的任何一個方向上，隨著距離縣(區、市)駐地的距離增加，植物多樣性也相應增高。用一元回歸方法為縣(區、市)周圍多方向建立了一個植物多樣性梯度分布數學模型，模型表明隨著距離縣(區、市)駐地的距離增加，植物多樣性也相應地呈現出線性增加。

晉中盆地；植物多樣性；梯度；分布規律

植物多樣性包括物種多樣性、遺傳多樣性、生態環境多樣性。植物多樣性分布格局受到環境因素的影響[1]。國內很多學者從不同角度對植物多樣性分布的規律進行研究，比如海拔、利用強度梯度、緯向梯度等，從多維角度揭示了不同的干擾對植物多樣性梯度分布規律的影響[2-5]。

本研究以晉中盆地為研究對象，包括榆次區、太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市、孝義市、汾陽市、文水縣、交城縣、陽曲縣、清徐縣和太原市的6個區(即杏花嶺區、萬柏林區、迎澤區、小店區、晉源區、尖草坪區)。研究從縣城(區、市)建成區開始，沿城區—郊區—農區，由近及遠，首先設立了生態樣帶，在此基礎上，用樣方調查方法，獲取量化數據，揭示植物物種多樣性的空間梯度分布規律，建立相應的數學模型。

1 樣方設置及調查

1.1樣方設置

在研究地區晉中盆地內分布的12個縣(區、市)中，用隨機抽樣法，隨機抽取出6個市縣(區、市)作為調查研究對象——太谷縣、太原市、孝義市、榆次區、文水縣、平遙縣。針對每一個被抽中的縣(區、市)，從縣(區、市)建成區的邊緣開始向東、南、西、北四個方向分別各設立一條長30 km、寬1 km的生態調查樣帶，沿樣帶等距離每隔3 km設置1個規格為0.2 km×1 km的調查樣地。在被選中的每一個縣(區、市)的每一個方向上設置了11個規格為0.2 km×1 km的調查樣地，分別位于距離城區0 km、3 km、6 km、9 km、12 km、15 km、18 km、21 km、24 km、27 km、30 km處，編號依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#和11#。再將每一個調查樣地劃分為100個20 m×100 m的樣方。然后，從每個調查樣地內的100個樣方中，隨機抽取6個20 m×100 m的樣方作為調查對象，即調查樣方。

1.2物種調查

在被隨機抽中的樣方中進行植物調查，分別記錄各個樣方中的所有喬木、灌木和草本植物種的種名、高度、數量和蓋度等，獲取定量化數據。

2 數據處理方法

2.1Gleason index豐富度指數

由于晉中盆地內的人類干擾強烈，自然植被已經被嚴重破壞，只能見到不連續的斑塊狀零星分布的植物群落，在此情況下，考慮各個物種之間的數量比例關系已經沒有意義。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：

D=S/lnA

式中，S為物種數；A為調查面積；D為Gleason index豐富度指數。

2.2一元線性回歸

用一元線性回歸法來研究植物多樣性即因變量與距離城區距離的遠近即自變量之間的統計關系，并建立相應的數學模型即一元回歸方程：

Y=aX+b

式中，Y為物種數；X為距離城區的距離；a為斜率；b為截距。

3 結果與分析

3.1單方向數據處理與分析

由于所有調查樣方的面積是相同的，所以不再計算Gleason index指數值，而直接用植物物種數代替Gleason index指數值。

3.1.1縣(區、市)東方向植物多樣性分析

3.1.1.1縣(區、市)東方向植物多樣性梯度分布規律

依據調查數據，為了克服單個縣(區、市)東方向上因偶然因素造成的誤差，把被選中的6個縣(區、市)東方向上的11個調查點上的調查數據分別組成11個數據組，每個數據組包含36個數據，然后求出各個調查點的平均值，如表1所示，用這些平均值來代表晉中盆地內縣(區、市)東方向上的11個調查點上的植物多樣性。從表1中的平均值可看出，植物多樣性的大小梯度順序依次為1#<2#<3#<4#<5#<6#>7#<8#<9#<10#<11#，除了7#<6#外，分布規律是距離城區越遠的點，植物多樣性越高。

表1 6個縣(區、市)東方向上各個點的調查數據

3.1.1.2建立縣(區、市)東方向植物多樣性梯度分布模型

在各個縣(區、市)東方向上設置的11個調查樣地上，每一個調查樣地上調查6個樣方。為了克服單個縣(區、市)東方向上單個調查樣地上由于自然條件差異和人為干擾程度不同所帶來的誤差，采取了把6個縣(區、市)東方向上位于距離城區相同距離的6個調查樣地上的調查樣方組成1個樣本即數據組，共組成11個樣本即數據組，這樣在縣(區、市)東方向的11個調查樣地上各自分別具有36個調查樣方，達到了大樣本要求。

把縣(區、市)東方向的植物物種數量作為因變量，用YE表示；把縣(區、市)東方向上距離城區的距離作為自變量，用X表示。用SPSS軟件進行一元回歸處理，得到如下回歸方程即植物多樣性梯度分布數學模型和回歸系數：

YE=0.3506X+16.978 (R2= 0.9276)

為了更清晰直觀地反映在縣(區、市)東方向的植物多樣性隨距離改變而變化的趨勢，用表1中的數據作散點圖并建立回歸直線，如圖1所示。從圖1看出，總體呈現為距離城區越遠，植物多樣性就越高。

圖1 縣(區、市)東方向植物多樣性變化趨勢Fig.1 Gradient change tendency of plant diversity on east direction in county (district or city)

3.1.2縣(區、市)南方向植物多樣性分析

3.1.2.1縣(區、市)南方向植物多樣性梯度分布規律

依據調查數據，為了克服單個縣(區、市)南方向上因偶然因素造成的誤差，把被選中的6個縣(區、市)南方向上的11個調查點上的調查數據分別組成11個數據組，每個數據組包含36個數據，然后求出各個調查點的平均值，如表2所示,用這些平均值來代表晉中盆地內縣(區、市)南方向上的11個調查點上的植物多樣性。從表2中的平均值可以看出，植物多樣性的大小梯度順序依次為1#<2#<3#<4#<5#>6#>7#<8#<9#<10#<11#，除5#>6#>7#外，其余點的分布規律是距離城區越遠，植物多樣性就越高。

表2 6個縣(區、市)的南方向各個點的調查數據

3.1.2.2建立縣(區、市)南方向植物多樣性梯度分布模型

在各個縣(區、市)南方向上設置的11個調查樣地上，每1個調查樣地上調查6個樣方。為了克服單個縣(區、市)南方向上單個調查樣地上由于自然條件差異和人為干擾程度不同所帶來的誤差，采取了把6個縣(區、市)南方向上位于距離城區相同距離的6個調查樣地上的調查樣方組成1個樣本即數據組，共組成11個樣本即數據組，這樣在縣(區、市)南方向的11個調查樣地上各自分別具有36個調查樣方，達到了大樣本要求。

把縣(區、市)南方向的植物物種數量作為因變量，用YS表示；把縣(區、市)南方向上距離城區的距離作為自變量，用X表示。用SPSS軟件進行一元回歸處理，得到如下回歸方程即植物多樣性梯度分布數學模型和回歸系數：

YS=0.2368X+18.761 (R2= 0.7691)

為了更清晰直觀地反映在縣(區、市)南方向上的植物多樣性隨距離改變而變化的趨勢，用表2中的數據作散點圖并建立回歸直線，如圖2所示。從圖2看出，總體呈現為距離城區越遠，植物多樣性就越高。

圖2 縣(區、市)南方向植物多樣性變化趨勢Fig.2 Gradient change tendency of plant diversity on south direction in county (district or city)

3.1.3縣(區、市)西方向植物多樣性分析

3.1.3.1縣(區、市)西方向植物多樣性梯度分布規律

依據調查數據，為了克服單個縣(區、市)西方向上因偶然因素造成的誤差，把被選中的6個縣(區、市)西方向上的11個調查點上的調查數據分別組成11個數據組，每個數據組包含36個數據，然后求出各個調查點的平均值，如表3所示，用這些平均值來代表晉中盆地內縣(區、市)西方向上的11個調查點上的植物多樣性。由表3可見，植物多樣性的大小梯度順序依次為1#<2#<3#<4#<5#>6#>7#>8#<9#<10#>11#，除5#>6#>7#>8#和10#>11#外，分布規律是離城區越遠的點，植物多樣性就越高。

表3 被選中的6個縣(區、市)的西方向各個點的調查數據

3.1.3.2建立縣(區、市)西方向植物多樣性梯度分布模型

在各個縣(區、市)西方向上設置的11個調查樣地上，每一個調查樣地上調查6個樣方。為了克服單個縣(區、市)西方向上單個調查樣地上由于自然條件差異和人為干擾程度不同所帶來的誤差，采取了把6個縣(區、市)西方向上位于距離城區相同距離的6個調查樣地上的調查樣方組成1個樣本即數據組，共組成11個樣本即數據組，這樣在縣(區、市)西方向的11個調查樣地上各自分別具有36個調查樣方，達到了大樣本要求。

把縣(區、市)西方向的植物物種數量作為因變量，用YW表示；把縣(區、市)西方向上距離城區的距離作為自變量，用X表示。用SPSS軟件進行一元回歸處理，得到如下回歸方程即植物多樣性梯度分布數學模型和回歸系數：

YW=0.2747X+18.473 (R2= 0.8071)

為了清晰直觀地反映在縣(區、市)西方向上的植物多樣性隨距離改變而變化的趨勢，用表3中的數據作散點圖并建立回歸直線，如圖3所示。從圖3可以看出，縣(區、市)西方向總體呈現為距離城區越遠，植物多樣性就越高。

圖3 縣(區、市)西方向植物多樣性梯度分布Fig.3 Gradient distribution of plant diversity on west direction in county (district or city)

3.1.4縣(區、市)北方向植物多樣性分析

3.1.4.1縣(區、市)北方向植物多樣性梯度分布規律

依據調查數據，為了克服單個縣(區、市)北方向上因偶然因素造成的誤差，把被選中的6個縣(區、市)北方向上的11個調查點上的調查數據分別組成11個數據組，每個數據組包含36個數據，然后求出各個調查點的平均值，如表4所示，用這些平均值來代表晉中盆地內縣(區、市)北方向上的11個調查點上的植物多樣性。由表4可見，植物多樣性的大小梯度順序依次為1#<2#<3#<4#>5#<6#<7#>8#<9#<10#<11#，除4#>5#和7#>8#外，總體分布規律是離城區越遠，植物多樣性就越高。

3.1.4.2建立縣(區、市)北方向植物多樣性梯度分布數學模型

在各個縣(區、市)北方向上設置的11個調查樣地上，每一個調查樣地上調查6個樣方。為了克服單個縣(區、市)北方向上單個調查樣地上由于自然條件差異和人為干擾程度不同所帶來的誤差，采取了把6個縣(區、市)北方向上位于距離城區相同距離的6個調查樣地上的調查樣方組成1個樣本即數據組，共組成11個樣本即數據組，這樣在縣(區、市)北方向的11個調查樣地上各自分別具有36個調查樣方，達到了大樣本要求。

表4 被選中的6個縣(區、市)的北方向各個點的調查數據

把縣(區、市)北方向的植物物種數量作為因變量，用YN表示；把縣(區、市)北方向上距離城區的距離作為自變量，用X表示。用SPSS軟件進行一元回歸處理，得到如下回歸方程即植物多樣性梯度分布數學模型和回歸系數：

YN=0.3621X+17.946 (R2= 0.8941)

為了直觀地反映在縣(區、市)北方向上的植物多樣性隨距離改變而變化的趨勢，用表4中的數據作散點圖并建立回歸直線，如圖4所示。從圖4可以看出，總體呈現為距離城區越遠，植物多樣性就越高。

圖4 縣(區、市)北方向植物多樣性梯度分布Fig.4 Gradient distribution of plant diversity on north direction in county (district or city)

3.2縣(區、市)周圍多方向數據處理與分析

前面分析的是縣(區、市)東、南、西、北單方向上的植物多樣性梯度分布規律，并建立了單方向植物多樣性梯度分布數學模型。現在來分析縣(區、市)周圍多方向上的植物多樣性梯度分布規律，并建立多方向共用的植物多樣性梯度分布數學模型。

3.2.1縣(區、市)周圍多方向植物多樣性梯度分布規律

為了克服單個縣(區、市)東、南、西、北各個方向上由于自然條件差異和人為干擾程度不同所帶來的誤差，把6個縣(區、市)東、南、西、北各個方向上位于距離城區相同距離的所有調查樣方組成1個樣本即數據組，共組成11個樣本即數據組，每一個樣本即數據組含有144個樣方即數據。然后求出各個調查點的平均值，如表5所示，用這些平均值來代表晉中盆地內縣(區、市)周圍多方向上的11個調查點上的植物多樣性。

由表5可見，植物多樣性的大小梯度順序依次為1#<2#<3#<4#<5#<6#>7#>8#<9#<10#<11#，除6#>7#>8#外，總體分布規律是距離城區越遠，植物多樣性就越高。

3.2.2建立縣(區、市)周圍多方向植物多樣性梯度分布數學模型

為了建立適合當地縣(區、市)周圍各個方向的植物物種多樣性梯度分布模型，在6個縣(區、市)各自的東、南、西、北方向上分別各設置11個調查點，每1個調查點上隨機調查6個樣方。為了克服單個縣(區、市)東、南、西、北各個方向上由于自然條件差異和人為干擾程度不同所帶來的誤差，把6個縣(區、市)東、南、西、北方向上位于距離城區相同距離的各個點上的調查樣方分別組成1個樣本，共組成11個樣本，這樣在每一個等距離調查點上的樣本含量為144個樣方即數據，達到了超大樣本要求。

把縣(區、市)周圍多方向的植物多樣性作為因變量，用YC表示，把縣(區、市)周圍多方向上距離城區的距離作為自變量，用X表示。用SPSS軟件進行一元回歸處理，得到如下一元回歸方程即植物多樣性梯度分布數學模型和回歸系數：

YC=0.3062X+18.036 (R2= 0.9128)

為了更清晰直觀地反映在縣(區、市)周圍多方向的植物多樣性隨距離改變而變化的趨勢，用表1至表4中的數據作散點圖并建立回歸直線，結果如圖5所示。從圖5可以看出，縣(區、市)周圍總體呈現為距離城區越遠，植物多樣性就越高。

圖5 縣(區、市)周圍多方向植物多樣性變化趨勢Fig.5 Gradient change tendency of plant diversity on multi-direction around county (district or city)

4 結論

首先，通過對6個縣(區、市)的東、南、西、北4個方向分別組成各自的樣本數據進行單方向植物多樣性分析，結果表明：在東方向上，最靠近城區的1#點的植物多樣性最低為17.39，離城區最遠的11#點的植物多樣性最高為29.14，相鄰調查點兩兩之間的平均梯度差為1.18；在南方向上，最靠近城區的1#點的植物多樣性最低為17.53，離城區最遠的11#點的植物多樣性最高為28.11，相鄰調查點兩兩之間的平均梯度差為1.06；在西方向上，最靠近城區的1#點的植物多樣性最低為17.33，離城區最遠的11#點的植物多樣性最高為26.78，相鄰調查點兩兩之間的平均梯度差為0.95；在北方向上，最靠近城區的1#點的植物多樣性最低為17.72，離城區最遠的11#點的植物多樣性最高為30.83，相鄰調查點兩兩之間的平均梯度差為1.31。由此可見，在晉中盆地內的縣(區、市)的東、南、西、北任何一個方向上，隨著距離縣(區、市)駐地距離的增加，植物多樣性也相應增高。

其次，用一元回歸方法為縣(區、市)東、南、西、北各個方向分別建立了一個植物多樣性梯度分布數學模型。從4個數學模型看，各個模型的斜率即a值均大于0.2368，并且截距即b值也都大于16.978。表明隨著距離縣(區、市)駐地的距離增加，植物多樣性也相應地呈現出線性增加趨勢。這些模型可分別用于對縣(區、市)東、南、西、北各個方向上任何一點的植物多樣性進行預測。

最后，對縣(區、市)周圍多方向植物多樣性梯度分布規律進行分析表明，在縣(區、市)周圍各個方向上，最靠近城區的1#點的植物多樣性最低為17.49，離城區最遠的11#點的植物多樣性最高為28.72，相鄰調查點兩兩之間的平均梯度差為1.12。由此可見，在晉中盆地內的縣(區、市)周圍的任何一個方向上隨著距離縣(區、市)駐地的距離越遠，植物多樣性也相應越高。此外，用一元回歸方法為縣(區、市)周圍多方向建立了一個植物多樣性梯度分布數學模型。從該數學模型看，模型的斜率即a值為0.3062，截距即b值為18.036。表明隨著距離縣(區、市)駐地的距離增加，植物多樣性也相應地呈現出線性增加。此模型可用于對縣(區、市)周圍任何方向上任何一點的植物多樣性進行預測。

[1] Chesson P. Mechanism of maintenance of species diversity[J]. Annual Review of Ecology and systematics, 2000, 31: 343- 366.

[2] 金慧, 趙瑩, 趙偉, 等. 長白山牛皮杜鵑群落物種多樣性的海拔梯度變化及相似性[J]. 生態學報, 2015, 35(1): 125- 133.

[3] 胡云鋒, 艷燕. 內蒙古東北-西南草地樣帶植物多樣性變化[J]. 資源科學, 2012, 34(6): 1024- 1031.

[4] 李昊民, 喻慶國, 王娟, 等. 云南生物多樣性分布格局的梯度分析[J]. 西部林業科學, 2013, 42(5): 24- 31.

[5] 蔡蕾, 潘遠智, 何飛, 等. 高寒草甸花卉生物多樣性與生物量海拔梯度特征研究動態[J]. 四川林業科技, 2011, 32(3): 60- 65.

[6] 孫榮, 袁興中, 劉紅, 等. 三峽水庫消落帶植物群落組成及物種多樣性[J]. 生態學雜志, 2011, 30(2): 208- 214.

Study on Gradient Distribution of Plant Diversity in Jinzhong Basin

LIU Bin1, WANG Ying-gang2

(1.Shanxi Academy of Social Sciences, Taiyuan 030006, China; 2.Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

The study of regional plant diversity distribution has great significance for the protection of ecological environment. This study selects Jinzhong basin as the research object. By setting the plot, this paper generates the distribution regularity of plant diversity along the urban-suburban-rural areas. The research finds that in any outward direction of counties (district or city) in the Jinzhong basin , as the distance from the county (district or city) center increases, the plant diversity also increases. The paper also establishes a model of plant diversity gradient distribution with regression which shows that as the distance from the county (district or city) center increases, the plant diversity also shows a linear increase.

Jinzhong basin; plant diversity; gradient; distribution pattern

10.14068/j.ceia.2017.05.015

X503.23

： A

： 2095-6444(2017)05-0069-06

2017-07-25

國家自然科學基金(31070424)

劉斌(1985—)，男，山西運城人，助理研究員，碩士，主要研究方向為生態學和社會影響評價，E-mail:543787381@qq.com