*1山西植被多样性空间动态研究

邱丽氚,王尚义

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)



*1山西植被多样性空间动态研究

邱丽氚,王尚义

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)

〔摘要〕文章采用Shannon-Wiener指数、Pielou指数及Simpson指数研究山西植被多样性空间变化。在ArcGIS软件将山西县市地图与群系图进行叠置，统计群系数目及面积，计算多样性指数及制作其空间分布图.植被的Shannon-Wiener指数和Simpson指数增加的县要比减少的县多，而Pielou指数则相反.栽培植被的Shannon-Wiener指数和Pielou指数增加的县要比减少的县多，但Simpson指数却相反.其他植被的三个指数增加的县均比减少的县多.植被的三个指数均没有不变的县，栽培植被的Shannon-Wiener指数和Pielou指数不变的县最多，但Simpson指数却无不变的县.森林的三个指数不变的县较多，而灌丛、草本植被则较少不变的县.

〔关键词〕Shannon-Wiener指数；Pielou指数；Simpson指数；群系；空间分布

生物多样性动态有物种多样性动态、生物群落多样性动态和景观多样性动态，物种多样性动态和生物群落动态研究范围较小[1-5]，而景观多样性动态研究范围较大，采用遥感及地理信息系统技术研究植被、森林等空间变化较多[6-9]，而针对景观多样性动态研究较少[10]，有必要研究植被景观多样性的空间动态.植被分布和多样性在生态系统中非常重要，植物优势种使生态系统稳定，土地利用变化影响生物多样性[11-12]，如当森林变为栽培植被时，可使蚂蚁多样性减少[13]，森林的乔木层种的丰富度对其下草本植物种的丰富度有影响，需要研究植被多样性变化及空间分布的特点.

山西年平均气温4 ℃～14 ℃，年降水量一般400～600 mm，属温带大陆性季风气候，半干旱地区占山西大部分地区.山西中南部为落叶阔叶林，恒山以北地区为草原，属温带植被[14].所跨纬度较大，有森林草原交错带，选择这样的区域研究生物多样性有价值[15]，本文以山西为研究区域，按各县市分区，以群系为研究对象，探讨山西植被空间多样性动态，为生物多样性的保护、生态环境评价、植物群落多样性研究等提供依据.

1数据与方法

1.1数据

数据来源于较早和近期的山西植被[14,16]中的植被类型，比例尺分别是1∶2×106，1∶1.65×106，时间分别为1984年、2005年.山西县市矢量地图比例尺1∶1×106.

1.2方法

将两个地图集中的植被类型图都用300DPI分辨率扫描，然后将图像导入ArcGIS9.2中进行配准后再矢量化每个植被图斑，输入群系代码，建立群系数据.将群系数据与县市矢量地图叠置以后，统计山西每个县(市)的群系数目及每个群系面积，然后再按植被、森林、灌丛、草本植被、栽培植被将群系进行分类后计算每个县的多样性指标.

多样性的三个指标计算方法如下：

Shannon-Wiener指数:H=-∑PilnPi(Pi=第i个群系的面积/所有群系面积)

Pielou指数:E=H/lnS(S：群系的数目)

Simpson指数:D=1-∑Pi2.

在ArcGIS软件中计算多样性指数，用近期植被的多样性指数减去较早植被的多样性指数，得到多样性指数的变化值，然后制作多样性指数空间分布图.

2结果分析

2.1Shannon-Wiener指数的空间分布变化

植被Shannon-Wiener指数增加的县主要分布在山西中北部，Shannon-Wiener指数减少集中连片分布的县主要在山西南部(图1).在草本植被中绝大多数县是Shannon-Wiener指数增加，但在灌丛中许多县是Shannon-Wiener指数减少，在山西中南部其连片面积较大，而在栽培植被中一些县是Shannon-Wiener指数不变，在山西连片分布，但各片之间较为分散，森林的Shannon-Wiener指数变化界于灌丛和栽培植被之间(图1).

图1　Shannon-Wiener指数空间分布图

植被中绝大多数县Shannon-Wiener指数增加，只有少数县减少(图1).Shannon-Wiener指数增加的原因是许多县的群系数目增加在一倍以上；如果群系数目增加在一倍以下时，一些县的群系最大斑块面积减少，或者是一些县的群系最大斑块面积增加，但最大斑块面积不到县面积的一半或刚过一半.Shannon-Wiener指数减少的主要原因是一些县的群系数目减少；如果群系数目增加时，一些县的群系最大斑块面积超过其所在县面积的2/3.

草本植被比其他植被有更多的Shannon-Wiener指数增加的县(图1)，主要原因是草本群系数目明显增加，但灌丛比其他植被有更多的Shannon-Wiener指数减少的县(图1)，其原因主要是灌丛的群系数目减少，其群系面积急剧下降.

在森林、灌丛、草本植被及栽培植被中都有一些县的Shannon-Wiener指数不变(图1)，体现出比较年份的群系数目都极少，只有1种或无，栽培植被比其他植被具有更多Shannon- Wiener指数不变的县，原因主要是许多县栽培植被的群系数目只有1个，比较单一.

2.2Pielou指数的空间分布变化

植被的Pielou指数减少的县多于指数增加的县，Pielou指数减少的县主要分布在山西盆地中，而指数增加的县主要分布在山西的山区(图2)，原因主要是山西盆地为人类居住区，人口数量逐渐增加，对植被的干扰较大，使得植被分布的均匀度下降，而山西山区受人类干扰较小，植被分布的均匀度较高.

森林、灌丛的Pielou指数增加的县多于指数减少的县，与植被的相比，森林增加的县在山西南部尤为明显，而灌丛则在山西北部较为明显，草本植被、栽培植被的Pielou指数增加的县占绝对优势，草本植被Pielou指数减少的县分布在山西北部，而栽培植被则分布在山西中部(图2).

图2　Pielou指数空间分布图

在森林、灌丛、草本植被及栽培植被中都有一些县的Pielou指数不变(图2)，其原因与Shannon-Wiener指数相同.森林和栽培植被的Pielou指数不变的县较多，而灌丛和草本植被的较少(图2).

2.3Simpson指数的空间分布变化

植被的Simpson指数增加的县多于指数减少的县(图3)，表明山西植被的优势现象更明显，植被的Simpson指数减少的县主要分布在山西盆地，栽培植被的Simpson指数减少占绝对优势(图3)，盆地为人类居住区，栽培植被是人工植被，人类对植被的影响较大，使得植被集群性下降.

森林和草本植被比灌丛和栽培植被的Simpson指数明显增加(图3)，表明山西森林和草本植被的优势现象比灌丛和栽培植被的更明显，更好地体现山西植被以森林、草本植被为主的特点.

图3　Simpson指数空间分布图

灌丛和草本植被的Simpson指数减少主要分布在山西南部，而森林却较分散(图3).森林、灌丛和草本植被都有Simpson指数不变的县，以森林最多，草本植被最少(图3)，其原因与Shannon-Wiener指数相同.

3讨论

Shannon-Wiener指数、Pielou指数及Simpson指数的空间分布变化有所不同(图1-3)，从不同角度探讨山西植被多样性空间动态.

植被的Shannon-Wiener指数和Simpson指数增加的县要比减少的县多，而Pielou指数则相反，说明山西植被的多样性、优势度越来越好，但均匀度越来越差，更突出山西植被中南部为落叶阔叶林，恒山以北地区为草原的特点.栽培植被的Shannon-Wiener指数和Pielou指数增加的县要比减少的县多，但Simpson指数却相反，显示出山西栽培植被的多样性、均匀度越来越好，但优势度越来越差，突出各地栽培植被的差异缩小.其他植被的三个指数增加的县均比减少的县多，体现出山西森林、灌丛和草本植被的多样性、均匀度、优势度均越来越好，人们保护自然植被(森林、灌丛、草本植被)的意识更强.

植被的三个指数均没有不变的县，说明山西植被多样性处于不断的变化之中.栽培植被的Shannon-Wiener指数和Pielou指数不变的县最多，但Simpson指数却无不变的县，显示出山西栽培植被在许多县中群系一直极少.森林的三个指数不变的县较多，而灌丛、草本植被则较少不变的县，体现出山西森林一直比灌丛、草本植被有更多的县群系极少.

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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

基金项目：国家自然科学基金(41071335，41171423).

作者简介：邱丽氚(1964-)，女，辽宁大连人,太原师范学院地理科学学院教授，主要从事植物地理学，主要从事地理信息系统研究.

〔文章编号〕1672-2027(2016)01-0082-05〔中图分类号〕Q948.2

〔文献标识码〕A