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森林是陆地生态系统的主要组成成分之一(约占陆地面积的33.67%),对维持全球大、小循环起着重要作用。研究森林群落结构和机能以及演化规律是当前生态系统研究的核心问题之一,对于揭示森林生态系统的功能及其与环境之间的关系,对生态恢复、人工群落的构建及保护等都具有重要意义。
目前关于森林群落结构的研究,大多数都是针对群落的组成结构,对群落中种群的密度、重要值、多样性等指标量化分析,对群落空间结构研究较少,且多为对林窗结构的研究,少有在层次水平上对群落结构进行分析。利用景观生态学格局分析和尺度分析技术,深入分析群落的空间结构,能更全面地揭示群落的结构特征。
本文首先回顾了森林群落结构的类型、影响因子和研究进展,介绍了景观生念学格局分析方法在森林群落结构研究中的应用,着重介绍了小波分析技术及其原理与方法。之后以紫金山森林群落为研究对象,利用小波分析方法,对其群落层次的特征尺度、格局相关性等空间结构特征进行了分析。本研究以05、06年紫金山森林样带数据为基础,对该森林群落各层次的空间结构特征进行了研究。首先对05年样带的群落盖度数据采用不同的基小波函数进行分析,讨论三种常见基小波函数(Haar小波、Mexhat小波、Morlet小波)分析结果的差异,结果表明,Morlet基小波更适合用于对森林群落空间格局的分析。
利用Morlet小波对样带林冠层、灌木层、乔木层盖度数据进行小波分析,结果表明,在群落水平结构上,林冠层、灌木层、乔木层有多个不同的特征尺度,在较大尺度存在尺度耦合现象。同一层次的特征尺度问存在倍数关系,显示群落层次内存在某种形式的嵌套等级结构。在群落垂直结构上,林冠层和灌木层特征尺度相同,在相同检测尺度下小波系数曲线波形间波幅变化和周期长度的吻合,两个层次间异质性水平与粒级结构沿样带变化具有同步性。林冠层与灌木层间空间格局关联性较大,某种程度上显示冠层结构对林下灌木层的格局特征存在格局控制作用。相对而言,乔木层基部盖度的分析结果与其他层次分析结果的相关性不明显,推测森林群落冠层结构比立木着生位置更能影响群落中灌木层的格局特征。
06年调查的五条样带数据分析结果表明,森林群落内林冠层、乔木层、灌木层普遍存在多个特征尺度,在水平结构上都呈现斑块状分布特征。显示某些特征尺度(域)普遍存在于群落中。林冠层、灌木层、乔木层各自的普遍特征尺度(域),相互间存在近似整数倍的比例关系,表明群落中嵌套等级结构也是普遍存在的。在垂直结构上,三个层次的特征尺度位序曲线都有56m特征尺度对应的阶梯结构,表明56m的尺度特征普遍存在于群落的各个层次中。群落内各层次在空间格局上有普遍的相关性。尺度耦合现象也是普遍存在的。
森林群落是一个成分组成复杂的生态系统,它的空间格局更是复杂多样。由于受到微地形、外部干扰等因素的影响,在小尺度上空间格局会形成各自不同的“特殊性”结构,呈现斑块状分布特征。但在同一个群落中,受到相同的气候、土壤、地形等因素影响,群落各层次内也会存在“普遍性”结构特征。森林群落水平结构的斑块性、镶嵌性和等级结构特征,以及垂直结构的尺度耦合和结构相关性等规律,是森林群落空间结构的普遍特征,与样带设置无关。