生态交错带植被动态监测与评估研究进展

马溪平，段琤烜，刘 丽，汪 杰，秦 帅，徐成斌*

(1.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.沈阳市环境技术评估中心，辽宁 沈阳 110000)

1 前言

生态交错带是生态实体(如生态系统、群落等)之间在特定尺度下的过渡地带，由于它是相邻生态系统物种分布的限界，因此在生态上表现出脆弱性和敏感性[1-3].在生态交错带中，生态环境的基本特点和功能可以通过植被的特征、结构和功能综合表征，因此植被成为生态交错带中不可或缺的组成成分[4].研究生态交错带的特征和更替规律，对于改善环境、保护物种多样性、推动生态学的发展等具有重要意义.

2 生态交错带概述

2.1 生态交错带历史回顾

生态交错带是景观生态学的重要概念，并且是景观学中的一个基本单位，逐渐发展成为研究生态系统领域的重要基础[5].生态交错带作为独特的环境单元[6]，20世纪初，由Clements第一次将生态交错带(ecotone)的概念引入到生态学中，他将生态交错带看作是“相邻两个群落的应力带”[7].在此之后，对于生态交错带的概念，在不同的时间段，不同学者都有其不同的认识.Leopold[8]提出了“边缘效应”的思想，即景观边缘的物种丰富度要比相邻系统的高，并论证了生态交错带其实就是一个过渡带，其物种的种类和数量要比相邻两个系统丰富.Anderson J M[9]认为生态交错带是两个相异生态系统交接地方的过渡带.20世纪80年代以来，等级理论[10]和景观生态学的斑块理论[11]的发展进一步推动了生态交错带的研究，为人们认识和理解生态交错带提供了理论支撑[12].1987年，SCOPE会议在法国巴黎举行，会议上通过对生态交错带概念的商讨，最终将其定义为“相邻两生态系统间的过渡区域，由于这两个相邻的生态系统之间彼此紧密联系并相互作用，因此它们相互作用的时间、空间和强度决定了生态交错带的特征”[5]，这也是现在普遍公认的概念.相比以往的概念，这次定义更加丰富了生态交错带的内涵.即便如此，关于概念的争论一直在持续，典型的就是由Lloyd在借鉴许多定义后将生态交错带归纳为“生态交错带是植被空间变化比相邻区域更迅速的区域”[13].

2.2 国内生态交错带研究进程

20世纪50年代，我国对生态交错带才开始较为系统的研究[14].1987年，在法国巴黎举行的SCOPE会议将生态交错带的概念界定和阐述之后，我国学者对生态交错带这一热点话题加以关注，并展开对其研究工作[12].对于交错带的研究，国内的学者之间存在的主要差异是对交错带的研究尺度不同.周婷、彭少麟将生态交错的尺度类型分为大中小3个，即大尺度的生物群区交错带、中尺度的景观类型间的生态交错带和小尺度的斑块间的群落交错区[15].朱芬萌[16]等将生态交错带与生态边界层、生态过渡带、边缘及环境梯度带等常见术语的定义进行了区分，进一步明确了生态交错带的概念，并简述了其基本属性与理论.欧晓昆[17]等阐述了生态交错带的功能和结构特征，用以深刻理解景观功能和过程，将生态交错带作为景观格局和过程有那就得一个重要切入点，为生态交错带理论的完善和生态学的深入探究提供理论支撑.

我国对于生态环境的监测才刚起步，由于在这方面的基础较差、底子较薄，且相对落后，因此还没有形成统一的国家标准和技术规范，对于生态交错带的研究工作更是微乎其微.另一面，我国在生态环境方面的监测远远落后于对环境污染的监测，中科院、环保、农业、国土、水利等部门都有自己的监测方式，各部门按照本单位的角度进行监测，之后的监测数据很少共享.基于这一现状，中科院于1988年着手建立中国生态系统研究网络，各地区中科院承担对生态环境的监测任务；环保部门对生态环境的监测和评价主要基于遥感所获取的数据.近年来，中科院所属的53个生态定位站虽然进行了大量的生态研究工作，成果引起世界各国的关注，但大多数工作是研究性的，环境监测意义上的常规生态监测工作还处于起步和酝酿阶段，有待研究和开发.

3 生态交错带监测与评估

3.1 生态交错带监测方法

生态交错带对周围的环境和气候相当敏感，因此生态交错带对其周围环境变化具有提前指示作用[18].物种的组成和植被结构的变化是交错带变化最为显著特征，但多数学者对于交错带位置和宽度的测定研究主要集中于利用植物多样性来计算说明[19-21].交错带位置和宽度的判定已成为定量研究交错带生态过程的基础[22]，尤其在群落群统计、斑块尺度和动态等研究中，交错带位置和宽度的判定在其中发挥着重要作用[23].

20世纪80年代，随着人们对于植被数量生态方法的不断深入研究以及生态学界对交错带的不断关注，推动了对交错带定量判定技术的发展，逐渐形成了包括群落结构分析[24]、分类排序技术[25]、环境梯度上的多样性研究[26]、主成分分析法[27]、梯度分析[28]及游动分割窗技术等成熟的判定方法.与此同时，证明了游动分割窗技术是一种简单而可靠的判定交错带位置的方法，而且这种方法在任何类型的反应变量中都适用[29].

3.1.1 样带的设置

样带的设置采用的是梯度样带法，这种方法与非梯度样带法相比较而言，在实践中的应用效果更好[30].样带的设置要垂直于样地的边界，一般设置2～3条平行样带，间距为20 m.以边界为起点分别向两个相反的方向设置样方，由于被研究地区不同，样方的大小、间距、个数不同.一般情况下，两个相反方向的样方大小分别为5 m×5 m、1 m×1 m，样方间距为1 m.

3.1.2 分析方法

对于交错带宽度的测定，目前使用最多而且效果较好的方法莫过于游动分割窗技术[31].它是利用多个(偶数)样方组成的窗体沿样带逐个样方滑动，计算2个1/2窗体间的相异系数，将所得的距离(相异)系数沿样带序列作图，根据陡峭峰值区间判定交错带的一种技术[32].一般情况下，最适窗口宽度为6-8个样方[18，33].

李海涛，刘小丹，张克斌等人[17]选取干旱、半干旱区的典型内陆湿地——四儿滩湿地作为研究区，利用游动分割窗技术对研究区进行交错带定量判定，将其分为旱生带、交错带、湿生带，并表明游动分割窗技术能够准确的表明交错带的位置.

王晓，张克斌，杨晓辉等人[33]首先判断游动分割窗技术对半干旱区湿地-干草原交错带边界的确定是否可行，其次对该交错带的宽度和边界进行了判定，最终得出交错带宽度为50 m，并通过研究表明：适宜窗口宽度的大小由研究的尺度大小和交错带过渡性是否明显决定.

王婷，欧晓昆，张志明等人[34]利用移动分割窗技术，选取物种丰富度、群落相异性系数Jaccard指数(βJ)和Sorenson指数(βS)作为指标以及平方欧式距离(SED)作为距离系数，对退耕还林后的生态交错带宽度进行了测定，最终得出交错带的位置大约在样带序列25～36 m处，宽度为9 m.

熊丹，欧晓昆，黄文君等人[35]通过对土壤养分含量的测定，同样用平方欧式距离作为系数，利用移动分割窗技术对农林生态系统生态交错带的位置和宽度进行了测定，最终计算出生态交错带宽度为11m，表明与之前利用物种多样性测量出的结果一致.

3.2 生态交错带的评估方法

植被动态一直以来是生态科学研究的核心内容之一[36].随着社会的不断发展，不适当的经济活动和土地利用现象日益增多，导致植被退化越来越严重，严重影响到人类的健康生活和社会的可持续发展.植被的变化，尤其是植物的种类和植被结构的变化，是交错带变化最为显著的特征[31].目前，人类的紧迫任务是如何恢复和重建已经被破坏的植被，而植被动态正是可以深入探究、了解、掌握植被的变化动因、特点、模式和机制，因此为解决这类问题提供了科学的依据[37].

王聪[38]通过传统样方法对长白山西坡暗针叶林-岳桦林交错带的岳桦林和云冷杉两种主要植被进行取样，分析了交错带植被随海拔梯度变化的规律，阐述了交错带逐渐消失，岳桦林逐渐从中退出，云冷杉成为主要树种的未来演替方向.白文娟[39]选取黄土高原水蚀风蚀交错带为研究对象，采用野外调查和室内分析相结合的方法，研究了植被与土壤之间的相互关系.即：1)随着植被演替进展，群落的组成结构趋向均匀和稳定；2)土壤种子库在植被演替过程中，前期的作用比后期大；3)拥有较低渗透势的植物在植被演替的物种竞争中具有一定的优势，植被演替后期物种对研究区干旱环境具有较强适应性.何勇，董文杰，严晓瑜[40]通过MODIS对北方农牧交错带的植被生长特征进行了研究，结果表明：气温是影响植被生长的主要气候因素，其次是降水.张艳萍，张晓萍等人[41]利用遥感数据对交错带的植被覆盖动态变化进行了研究，发现植被覆盖度整体呈增加趋势，中低植被覆盖度所占比重最大.

3.2.1 植被动态研究方法

对生态交错带植被动态的研究，首要的是对所选的研究区域进行本底调查，然后根据本底调查得到的数据进行多样性计算，从而分析研究区域的植被动态变化.调查数据主要是通过GIS和野外调查的方法获取，采集的数据主要是针对乔木层植物、灌木层植物和草本层植物.对于乔木层的植物，所需的数据内容包括植物的名称、株数、高度、胸径、冠幅、密度、多度、盖度等；而对于灌木层植物和草本层植物，主要采集其植物的种类、株数、高度、盖度等数据.在野外调查中，由于交错带尺度大小的不同，因此对乔木层植物、灌木层植物和草本层植物设置样地的数量和大小也不尽相同[8].通常情况下，乔木样方大小为10 m×10 m，灌木样方大小为5 m×5 m，草本样方的大小为1 m×1 m；而灌木和草本的样方数通常为5个，位于乔木样方的中心和四周，此称之为5点取样法.

研究植被的动态变化，必然要与所处的环境生境联系在一起.在众多的研究当中，探讨土壤与植被的相互影响关系成为研究的主要内容.因此，需要对土壤的有机质及养分、pH、总磷、速效磷、速效钾、全氮等生境因子进行测定，进而分析土壤的理化性质与植被动态变化的联系.在对土壤样品的采集当中，遵循“随机、均匀、多点混合”的原则，一般采取“S”形选点采样的方法进行取样，取样点深度一般为20 cm[42].

3.2.2 植被动态变化分析指标

分析植被的动态变化，主要是通过植被的物种多样性进行反应，而所选取的物种多样性指标主要有2个空间尺度，分别是α多样性和β多样性.α多样性被称为生境内的多样性，它主要研究的是均匀生境下的物种数目；β多样性指的是沿环境梯度不同生境群落之间物种组成的的相异性或物种沿环境梯度的更替速率[42]，因此，β多样性也被称为生境间的多样性.通常情况下，α多样性主要通过物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数进行反映.而β多样性主要通过Whittaker指数(BW)、Wilson和Shmida指数(BT)和Cody 指数(Bc)等指数进行表征，β多样性主要受土壤、地貌及干扰等生态因子控制.

人类活动对自然景观格局产生了深远的影响，引起生态交错带的变化和物种多样性降低，加强生态交错带的管理和物种多样性保护非常重要.随着对生态保护的不断重视，生态交错带的研究和监测方法也在不断推陈出新.

4 研究展望

1.生态交错带植被动态变化除了受气候、降水等环境因子的影响外，还有一个关键的影响因素，那就是人类活动的干扰.不适当的人类活动，如人类的乱砍乱伐、过渡放牧等使得生态交错带发生强烈变化；而另一方面，人类的合理维护又将提高生态交错带的物种多样性.那么，生态交错带受到人类不适当活动的影响究竟有多大，交错带内的物种多样性是否增加或减少，这方面还尚未有明确的判断，需要我们在以后的研究工作中进一步探讨.

2.目前，我国对生态交错带的研究地区主要集中在北方，而且主要是对农牧、农林交错带的研究.随着西部的快速发展，其生态问题日益凸显，植被破坏严重，物种多样性逐年降低.因此，在以后的研究工作中应加大对西部区域生态交错带的研究力度；同时，也应该扩宽研究类型，加强对林草、水陆、山地平原、荒漠绿洲、草原沙漠等交错带的研究.在研究对象方面，目前的研究工作主要集中在植物多样性上，而对动物和微生物的研究甚少；为了可以更加全面地认识生态交错带的物种组成，今后应将植物和动物、微生物综合起来研究，深入领会生态交错带的机制并发掘其功能，从而更加全面地发挥生态交错带在生态环境研究中的关键作用.

3.在日后的研究中，建议应将二者结合起来，以研究更大尺度的生态交错带，进而更加全面地掌握不同尺度交错带的信息，从而为日后的生态环境研究服务.