黔中传统村落植物群落景观空间形态结构及物种竞争特征.pdf
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1、命科学版),2 0 2 3,44(4):137-146.引文格式:成凯,黄宗胜.黔中传统村落植物群落景观空间形态结构及物种竞争特征J.扬州大学学报(农业与生DOI:10.1687-4652.2023.04.018Jul.2023Journal of Yangzhou Universi(Agriculturaland LifeScienceEdition)2023年7 月Vol.44 No.4扬州大学学报生命科学版)第44卷第4期黔中传统村落植物群落景观空间形态结构及物种竞争特征成凯,黄宗胜(贵州大学林学院,贵阳550 0 2 5)摘要:黔中地区为我国喀斯特发育最典型的地区之一,其传统村落植物景
2、观形态结构肌理及其植物群落物种竞争强度具有特殊性和代表性。采用分形、竞争指数方法,探究黔中传统村落植物群落景观空间形态结构及物种竞争特征。结果表明:总体上各群落植物呈均匀性分布,其中庭院植物景观间隙度值较大,菜地、房前屋后、道路居中,风水林、防护林较小,分维数反之;竞争指数值高的优势树种为喜树(Camptothecaacuminata),居中的为香椿(Toona sinensis)、栗(Cas-taneamollissima),部分优势树种在群落中保持较强的竞争力,也有部分优势树种竞争力微弱;竞争强度与分形维数无显著相关性,但两者能较好地表现群落植物空间结构复杂程度。传统村落植物造景与城市差异
3、巨大,村落植物空间形态结构与其衍生分布肌理并不是简单的聚集。综上,研究传统村落空间形态演变和物种竞争趋势对喀斯特传统村落植物景观保护规划具有重要的意义。关键词:传统村落;空间形态结构;种内竞争;竞争指数;竞争强度中图分类号:S718.5文献标志码:A文章编号:16 7 1-46 52(2 0 2 3)0 4-0 137-10Landscape spatial structure and species competition characteristics ofplant communities in traditional villages in central GuizhouCHENG K
4、ai,HUANG Zongsheng(College of Forestry,Guizhou University,Guiyang 550025,China)ABSTRACT:Qianzhong region is one of the most typical karst development areas in China,and its traditional village plantlandscape morphology and structure texture and the intensity of species competition of its plant commu
5、nities have specialcharacteristics and representativeness.This study employed fractal and competition index methods to investigate the land-scape spatial morphological structure and species competition characteristics of plant communities in these traditional villa-ges.The results showed that plants
6、 in each community were generally uniformly distributed.Among them,the gardenplant landscape had a larger gap value,while vegetable plots,areas in front of and behind houses,roads,fengshui for-ests,and shelterbelts had smaller gap values,and the fractal dimension was the opposite.The dominant tree s
7、pecies withhigh competition index values were Camptotheca acuminata,Toona sinensis and Castanea mollissima.Some dominanttree species maintained strong competitiveness within the community,while others exhibited weak competitiveness.Thecompetition intensity was not significantly correlated with the f
8、ractal dimension,but both factors effectively representedthe complexity of the plant communitys spatial structure.The traditional village plant landscaping and urban differenceswere significant,and the village plant spatial morphological structure and its derived distribution texture were not simply
9、aggregated.Studying the spatial morphological evolution and species competition trends of traditional villages is of greatsignificance for the protection planning of plant landscapes in traditional karst villages.KEY WORDS:traditional village;spatial morphology and structure;intraspecific competitio
10、n;competition index;compe-tition intensity收稿日期:2 0 2 2-0 6-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(518 6 8 0 0 8)作者简介:成凯(1994一),男,重庆人,贵州大学硕士研究生,主要从事地景规划与生态修复研究。*通信作者,黄宗胜,贵州大学教授、硕导,主要从事退化生态系统恢复、景观规划设计研究;E-mail:h z s x j h 12 6.c o m。138第44卷扬州大学学报(农业商生命科学版)我国传统村落分布较为密集,而作为体制特殊的乡村,承载着丰富的物质文化。从“社会主义新农村”到“乡村振兴战略”,“绿水青山就是金山银
11、山”成为乡村宜居环境不可或缺的一环。近年来,随着城市化的推进,传统村落植物景观也逐渐同质化。植物景观作为“绿水青山”的重要组成部分,应受到足够的重视。植物群落空间形态结构及物种竞争也是乡村植物景观构成和演替的一种表现,群落空间形态结构由物种间竞争关系及其生态位所处空间组成,而物种竞争则是影响物种成长、群落结构形态的关键因素,也左右着物种生长、种群动态及演替,物种竞争关系及其空间形态结构耦合机制一直是生态学重要的研究对象1。因此,研究传统村落植物景观空间形态结构及物种竞争特征,对揭示乡村植物群落空间结构规律、营造科学乡村植物景观配置以及保护古村落风貌具有重要的意义。目前群落空间形态结构研究主要集
12、中在空间结构变化规律2 、物种组成特点3、物种多样性及空间单元结构4、林分结构特征5 等方面,物种竞争则主要聚焦于森林群落生态6、人工生态系统7 、林木种群保育8 、次生林树种调查9 等方面,对乡村植物景观空间结构及物种竞争特征研究较少。而群落空间形态结构和物种竞争方面的研究主要侧重于森林管理、地带性顶级群落、天然次生林等尺度较大区域10 。对于尺度较小,如传统村落植物群落研究就较为薄弱,尤其是其空间形态结构及物种竞争特征方面研究较为匮乏。近年来,传统村落“空心”化加剧,如多民族聚居的黔中传统村落,其承载独特地域文化的植物景观开始变得“千村一面”,失去独有的农耕特色。目前乡村植物景观营建依据于
13、城市植物景观设计体系,为响应党中央“乡村振兴”战略,摆脱“千村一面”,探索乡村植物景观特色,本研究选择黔中传统村落为研究对象,基于园林植物群落学调查,采用分形理论、物种竞争指数对群落形态结构、物种竞争及两者关系进行研究,旨在揭示群落形态结构及物种竞争特征,并探索两者关系,以期为黔中传统村落植物景观科学适地营造、空间形态结构肌理及竞争强度调控提供实践借鉴及理论支撑,并为不同地域乡村植物景观建造提供理论支撑。1材料与方法1.1研究区概况研究区域位于黔中(2 2 2 5 N一2 8 2 0 N、10 547 E一10 8 41E),地处贵州省政治、经济、文化中心,且地形复杂、气候温和湿润,黔中地区为
14、喀斯特发育最典型的地区之一,因此黔中地区传统村落植物景观形态结构肌理及其植物群落物种竞争强度具有特殊性和代表性。黔中广大地区山原地貌海拔高1100130 0 m,属于中亚热带东部湿润季风气候,具有温和湿润的气候特点。年均气温15.3,年均降水量112 9.5mm,年均日照时数1148.3h,年均相对湿度7 7%,土壤为黄壤土,黑色石灰土和紫色土也有分布。乔木树种主要为榆树(Ulmuspumila)、栾树(Koelreuteriapaniculata)、香椿(Toonasinensis)、胡桃(Juglans regia)、构树(Broussonetia papyrifera)、梓(Catalp
15、a ovata)等。1.2研究方法1.2.1样本村落选择及依据以贵州省中部传统村落为研究对象,结合国家传统村落名录进行筛选,避选出具有黔中独特喀斯特石漠化类型、地形地貌、民族差异的传统村落,并以原生性、完整性、代表性3项原则最终选取云山屯、鲍家屯、油菜湖村、郭家屯、镇山村为样本村落。1.2.2样地选择及依据通过对各样本村落进行全面勘察,掌握各村落基本植物景观特色,结合文献资料将各传统村落植物景观分为道路、菜地、房前屋后、风水林、防护林、庭院6 种植物景观类型,采用主观抽样及随机抽样方法,在5个样本村落中选植物生长较好、特征突出同时能较好反映所处村落植物景观特色的植物群落为调查样地,并于2 0
16、2 0 年8 一10 月进行调研,1.2.3样地调查调查样地面积参考中亚热带常绿阔叶林原生植物群落研究中常用的样地面积11:本研究将乔木层的样地面积统一设置为10 0 0 m(样地面积均符合该尺度设置)。调查时首先记录样地的经纬度、海1139成凯等:黔中传统村落植物群落景观空间形态结构及物种竞争特征第4期拔高度、坡度、坡位、坡向,以及群落各层高度、盖度和土壤综合等信息;其次逐一记录样地中每个小样方内乔木层(H3m)树木的种名、株数、胸径、高度、冠幅,以及各样地藤本植物的盖度、长度及所属层次。1.2.4群落形态结构测定1)分形维数:它反映景观形状在空间尺度上的复杂程度和景观的稳定程度,当分维数处
17、于12 之间时,其值愈趋近1,斑块形状愈有规则,则所受干扰愈大,反之愈趋近2,形状愈复杂,则自然程度越强。因此,运用分维数来反映植物群落的自然程度与复杂程度。采用面积-周长法来测定分维数,计算公式如下:Dc(F)=limnln N(e)/ln(1/e)。式中,Dc为容量维数,为网格边长,N(e)为边长的网格覆盖时相应的非空格子数。2)间隙度:这是由Plotnick等12 引人景观生态学的研究中,该分析法是建立在格子图的基础上,具体计算方法如下:设一边长为M的景观图(格子图),组成景观的小格子边长为1个单位,然后将一个rXr单位的方格放在景观左上角,r为整数。当r=2时,在方格覆盖下的4个格子中
18、,记录所研究对象(斑块)占据格子的数量,记作S。然后将格子左右、上下移动,每次移动一格可得到一组随方格大小(r)变化的数值,记作n(S,r)。景观中可容纳边长为r的方格总数记作N(r),则有N(r)=(M-r+1)2。(2)将n(S,r)的频率分布转为概率分布Q(S,r),则Q(S,r)=n(S,r)/N(r)。(3)Q(S,r)的均方差和方差分别为Z1)=ZSQ(S,r)=S(r);(4)Z(2)=ZsQ(S,r)=Ss(r)+S(r)。(5)Mandelbrot等13 将间隙度A(r)定义为A(r)=Z(2)/(Z(1)=S(r)/S(r)+1。(6)由上述关系式可见,间隙度直接受方格大小
19、、景观斑块密度和形状的影响。间隙度指数与滑动箱大小间的函数图可反映研究对象肌理3种状态,即聚集、随机和均匀(图1)。1.2.5竞争指数测定1)优势树种确立:通过优势度分析法对植物群落内优势树种进行确立14,将群落乔木层根据胸高断面积对优势度进行排序,然后通过下式确定优势树种。本研究将胸高断面积等效替换为冠幅面积d(以下称之为相对胸高断面积):(a:-a)J+Zieui。iET式中,为排序较为靠前的上位种(T)的相对胸高断面积,为理想数量比例的优势树种,,为上位种外的剩余种(U)的相对胸高断面积,N为总种数。如果群落只有1个优势lnr图1间隙度指数与滑动箱大小间函数图Fig.1Functiong
20、raphbetween Gapindexandslidingboxsize*顶部线表示其聚集的对象,中部线表示随机的对象,下部线表示均匀的空间对象。*Thetopline represents the clustered objects,the middleline represents the random objects,and thebottomline represents theuniformly spaced objects.树种,则优势树种的理想百分比为10 0%;如果有3个优势树种,那么优势树种的的理想百分比就根据其占总优势树种的数量之比来表示,也就是33.3%。以这个规则,对
21、d值进行计算,当d值处于函数图像拐点时,所对应上位种数为群落乔木层的优势树种。2)竞争单元:通过AutoCAD及Arcgis等软件对每个群落生成voronoi图。确定的对象木与竞争木形成竞争单元,对象木是样地里任意单株乔木,根据voronoi图特性,1个voronoi多边形中,仅有1株对象木,对象木所在的voronoi多边形的相邻voronoi多边形中的乔木便是竞争木,也就是,对象木所在voronoi多边形的边长数量就等于其竞争数量(图2)。140第44卷扬州大学学生命科学版)3)边缘矫正:竞争单元的组合并不一定完全处于样地范围以内,样地边缘的对象木,其竞争木可能会出现在样地范围以外,为消除边
22、缘对竞争指数的影响,须对样地边缘进行矫正。通过对原样地进行临域8 次平移复制形成共9个样地组成的大样地,即在原样地基础上进行上、下、左、右、左上、左下、右上、右下进行8次复制。以云山屯防护林为例,样地内有乔木层159株树木,边缘矫正后,大样地范围内有12 7 2 株树木。对竞争指数进行计算只包含原样地内的对象木。4)H e g y i 竞争指数:以林木坐标及其半径覆盖为基础建立了竞争单元方法15。传统的竞争单元方法是以对象木为中心采用固定半径圆,即以对象木为中心,再给定半径圆内的其他树视为竞争木,本研究主要探讨以3.0 5m16对Hegyi竞争指数进行计算:CI=Zf,d,/d;Li 图例竞争
23、木对象木图2 基于voronoi图的竞争单元Fig.2Competitive unit basedon the voronoi diagram图例legend,竞争木competitivetree,对象木objecttree。式中,CI为对象木i的竞争指数,d;为对象木i的胸径,d,为竞争木i的胸径,L为对象木i到i的距离,n为对象木i在3.0 5m半径范围中竞争木的株数。5)V_H e g y i 竞争指数:在植物群落竞争关系的研究中,无论是种内还是种间,根据有无距离影响可将指标分为2 类。使用较为普遍的是早期出现的Hegyi竞争指数法,通过测量竞争木与对象木之间的距离,并根据物种空间结构拟
24、定相应半径范围构造简单林木竞争指标,时至今日仍广泛应用。但Hegyi竞争指标依赖固定样圆的半径,而不同样地对其固定样圆半径存在较大差异,从而相同指标下得出的竞争指数结果也存在较大差异。在Hegyi法的基础上,汤孟平等17 通过voronoi图来确定竞争单元的V_Hegyi法对竞争指数进行研究,以Hegyi法对固定样圆法进行对比和矫正。其中,V_Hegyi计算公式与Hegyi一致。本研究对黔中传统村落植物群落以Hegyi、V_H e g y i、A PA 3种竞争指数进行分析。在计算Hegyi竞争指数时,以3.0 5m作为固定样圆半径,通过比较榆树(A)、栾树(B)、香椿(C)、胡桃(D)、樱桃
25、(E)、梓(F)、梨(G)、构树(H)、竹(I)、樟(J)、白蜡树(K)、栗(L)、喜树(M)、小叶杨(N)、银杏(O)、一球悬铃木(P)的竞争强度,探究竞争强度的差异。汤孟平等17 研究提出在计算Hegyi竞争指数时,不同固定样圆半径下对竞争指数计算结果均有较大影响。Hegyi法与VHegyi法在物种竞争指数对比中波动较小,可相互替代,V_Hegyi能较好地规避Hegyi及APA竞争指数计算方法的不稳定性和局限性,即固定样圆半径的选择及量纲差异化,因此,以下相关研究均基于V_Hegyi竞争指数对不同地形地貌优势树种竞争强度进行分析。1.3数据处理使用AutoCAD2020绘制分形维数与间隙度
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