群落生态学-野外植物群落取样和调查和方法.ppt

野外植物群落取样和调查方法 邵小明 一 取样 1 基本原理在群落调查时 由于人力 物力和时间的限制 一般只能抽取其中的一部分作为样本来获取数据并进行分析 进而推断群落总体的特征 这个过程称为取样 为了既保证取样研究的结果能够反映群落总体的特征 又使取样所花费的人力 物力和时间尽可能少 选择合适的取样方法是至关重要的 取样 2 取样方法主观取样 依据主观判断人为地选择取样地段优点 简便迅速 省时省力 缺点 1 主观和随机性强 2 无法确定取样数目 面积 取样位置的合理性和预测可靠性程度 适用范围 仅适用于大范围描述性路线调查 客观取样 依据样地被抽取的客观概率进行取样 又叫概率取样法 适用于绝大多数群落调查优点 客观 科学 可靠性强 缺点 1 需事先确定每个样地被抽取的概率 2 需事先确定取样数目 面积和取样位置等 总体 容量 要调查群落或植被总体的 个体数 样本 容量 某次取样的 个体数 个体 样本和总体中单个独立的最小单位 客观取样的分类1 随机取样 randomsampling 2 系统取样 systematicsampling 也叫规则取样 regularsampling 3 限定随机取样 strainedrandomsampling 也叫做系统 随机取样 systematic randomsampling 4 分层取样 stratifiedsampling 5 集群取样 clustersampling 6 环境因子取样 samplingforenvironment 1 随机取样定义 设一个总体的个体数为N 有限性 若通过逐个不放回抽取的方法从中抽取n n N 个个体作为样本 且每个体被抽到的机会相等的抽样方法 适用范围 总体容量小 样本容量也小 对总体中的个体分布样式无要求 2 系统取样定义 当总体的个体数较多时 这时先根据一定规则将总体分成均衡的部分 然后按照预先定出的规则 从每一部分中抽取1个个体 得到所需要样本的取样方法 特点 先根据一定规则对总体样本分类 后再根据一定规则在每类样本中取样 适用范围 总体容量大 样本容量也大 总体中的个体分布式样随机排列或连续渐变排列 五点取样法和等距取样法均是系统取样 3 系统 随机取样定义 当总体的个体数较多时 这时将总体按一定规则分成均衡的部分 然后再随机从每一部分中抽取1个个体 得到所需要样本的取样方法 特点 均衡部分的划分和每部分内的取样一项随机 一项按规则 适用范围 总体容量大或者不能确定其大小 样本容量也较大 总体中的个体分布式样随机排列 如右图表示 将研究地段规则地分成9个面积相等的小区 在每一个小区内随机地设置一个样方 xi和yi代表第个随机取样点的坐标 4 分层取样定义 当总体的个体数较多且个体分布成间断或聚集排列 这时可依自然的界线或生态学的标准将总体分为确定的层 类 然后从每一层中抽取若干个个体 得到所需要样本的取样方法 特点 总体中个体分布成间断或聚集排列 方法上是先分层 类 然后再根据每层个体数量与总体容量比例抽样 适用范围 总体容量大且可分为几个部分 每个部分个体间差异小且分布样式随机 分层抽样流程 5 集群取样是一种二水平取样 即首先随机选取样点 在每一个样点取一些样方 而不是1个样方 这在特殊调查 如森林群落不同植被层调查 动物群落大型脊椎动物和小型昆虫的联合调查等 中更有效 集群取样可有多种设计方案 根据所研究的对象的不同而有差异 如 假定一位调查者在一块面积大约为30km 50km的森林中用10m 10m的样方计数蕨类植物 因为森林面积大 需要较长的时间走到随机设的样方地点但是在每一样方中计数蕨类植物所需的时间较短 如果在每一个样方点取一些样方 比如可能计数一个40m 40m的网格中的每一个10m 10m样方 这样可能工作效率更高 6 依据 环境因子取样群落的分布与某些环境因子有关 比如海拔高度 坡度 坡向和小地形变化等 因此 该方法要先依某一环境因子设置环境梯度 沿环境梯度分层 类 后在每层中抽取若干个个体 得到所需要样本的取样方法 适用范围 总体中个体的分布样式与环境因子有关 3 取样单位和大小 取样单位 samplingunit 方形取样 即样方 quadrat 是最常用的是最小的样地取样单位 统计学中作为个体处理 方形样方的周长与面积比较小 因而边际影响的误差较小 圆形样方 即样圆 的周长与面积比更小 但因其形状在实际操作中不方便 且在森林和灌丛中设置圆形样方困难 一般应用性不大 样方的类型记名样方 listquadrat 主要用来计算一定面积中植物的多度 个体数等等 比较一定面积中各种植物的多少 精确地测定每个物种的多度 重量样方 weightquadrat 主要是测定一定面积样方内群落的生物量 将样方中地上和地下部分进行收获称重 研究其中种类植物的地下和地上生物量 该方法适应于草本植物群落 对于森林群落 多采用体积测定法 永久样方 permanentquadrat 为了进行追踪研究 可以将样方外围明显的标记进行固定 从而便于以后再在该样方中进行调查 面积样方和基面积样方 basalareaquadrat 主要是测定植物群落所占生境面积的大小及各种植物所占整个群落面积的大小 这主要是用在比较稀疏的群落里 一般是按照比例把样方中植物分类标记到坐标纸上 然后再用求积仪计算 有时根据需要 分别测定整个样方中全部植物所占的面积 面积样方 以及植物基部所占的面积 基面样方 图解样方 chartquadrat 原理同面积样方 用于稍稠密的群落里 区别在于图形上物种及其所占面积不再是现实的投影面积 而是用符号及其大小和数量表示 持续放牧下美国亚利桑那州草地群落的变化 最小样方面积的确定样方大小的确定 首先需要考虑群落的类型 优势种的生活型以及植被种类组成的均匀性等 一般应略大于群落最小面积即群落中大多数种类都能出现的最小样方面积 常由种 面积曲线来确定群落最小面积 常用的判断方法有3种 将曲线由陡变缓的转折点所对应的样方面积视为最小群落面积 由于转折点的位置与两个坐标轴刻度的比例大小有关 因此有学者提出应将样方面积扩大10 而种数不超过10 作为确定最小样方面积的标准 而当面积增加10 而种类仅增加5 时 可获得最小面积的较保守值 将包含群落总种数某一百分比 如80 的面积作为群落最小面积 样方面积的扩大最常用的是巢式样方法 图2巢式样方法 法国学者在研究草本植物群落时 所用样方面积最初为1 64m2 之后依次为1 32 1 16 1 8 1 4 1 2 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512m2 依次记录相应面积中物种的数量 把含样地总和数84 的面积作为群落最小面积 不同群落类型最小面积经验值 最小样方面积与种群分布类型有关 样方数 平均数曲线法 4 样方的数目 方差法方差法是根据所研究的来决定取样数目 一般方差大 取样数目就要多 若方差小 取样数目则可以少 在随机分布的情况下 取样数目N与总体方差S2有如下关系 式中t是显著性水准值 比如在95 置信区间t 1 96 2 L为研究允许误差 这是已知数 方差法要求取样不能少于30 Wratten和Fry1980 总体方差可以用前30个样方来估计 面积比法面积比法是在知道研究地段总面积的情况下 事先决定要选择研究面积的百分之几作为样地 比如说5 或10 的研究面积作为样地 这样在样方大小已经确定的情况下 样方数目便可算出来 比如我们研究地面积为10000 样方大小为5 5 要求抽取研究面积的5 作为样地 即样方总面积应为500 则样方数为500 25 20 5 无样地取样 无样地取样 plotlesssampling 主要用于森林群落的研究 它一般用于测定树种的密度 在样树选定之后 也可得到基面积 频度等数据 无样地取样主要是测两株树之间的平均距离 由距离可以得到每个树所占的平均面积 因而换算出密度值 无样地取样产生的原因是树木个体及所占面积大且形状不规则导致的 此时如设立样方 如样方面积过小 增大了取样测量的误差 如样方过大 工作量则太大 四种无样地取样方法A 最近个体法 Closestindividualmethod 图 a 距离定义为随机样点与最近一株个体间的距离B 最近邻体法 Nearstneighbormethod 图 b 距离定义为最近个体与距它最近的邻株之间的距离C 随机对法 Randompairsmethod 图 c 先通过随机样点划分界线 使得该线与最近个体和随机样点间的连线垂直 距离定义为最近个体与位于分界线另一侧最近一株间的距离D 中点四分法 Point centredquartermethod 图 d 距离定义为随机样点与每一象限中最近一株间距离的平均值 对于一个样点要测定四个距离 中点四分法被认为是较理想的方法 其原因为 在每个样点可测得4个距离 减少总的取样点数与实际最吻合 而其它三种方法一般都有偏差其它方法的矫正系数分别为 最近个体法为2 最近邻体法为1 67 随机对法为0 8 6 方格调查法 50m 50m 方格调查法特点A 将一个样地平分成多个小样方B 研究方法可繁可简C 既可研究群落面貌 也可分析微生境对群落的影响D 利于控制影响因子E 特别适用于物种多度或盖度不易测的群落F 特别适用于植物种群聚集分布的群落 7 样条取样 样条 transect 法是采用长方形的条带状样地 即样带 belttransect 或一条线 即样线 linetransect 来代表群落分布的调查方法 样条多用于环境变化性很大的地方 如两个群落的的交界处 或地形复杂 山上山下生境多变 再或土壤多变化的地方 以观察环境变化对于植物种类和密度的影响 造成种类分布不均匀或规则的逐渐过渡现象 样条法是系统取样和环境因子取样法的结合 50m 5m 样带法和样线法 二 植物群落的数量特征 1 多度 Abundance 2 密度 Density D N A其中 D为密度 N为样方内某种植物个体的全部数目 A指样方面积 Am 1 DAm表示每个植株所占的平均面积 几种常用的多度等级 3 距离 距离 Distance 指的是某种植物的两个植株之间的平均距离密度和距离的平方存在一定的关系 建议用平均株距来估计密度 而省去采用样方的麻烦 主要用于林木调查在测得数个样点后 我们可以得到平均株距 平均株距 得到平均株距后可以换算出每株所占的面积 因此可得到密度值 4 盖度 Cover或Coverage 的测量盖度指生活植物及 或 其垂直投影在地面的覆盖程度 对木本和茎生或茎顶生叶草本植物 盖度用垂直投影投影法测量 对其它草本植物 盖度用生活植物地面覆盖法测量总盖度 层盖度和种盖度指一定样地面积内所有植物 分层植物和单个物种覆盖地面的百分率种盖度之和 层盖度之和 总盖度 相对盖度 盖度比 冠幅 径 和基盖度相对盖度 群落中某一物种的分盖度所占所有分盖度之和的百分比盖度比 某一物种的盖度占盖度最大物种的的盖度的百分比基盖度 也叫真盖度 植物基部的覆盖面积 对于草原和基叶型矮灌植物群落 常常以离地面一英寸 2 54cm 高度的断面积计算冠幅 径 也叫顶盖度 指乔木 多数灌木和茎生或茎顶生叶草本植物 在地面的垂直向投影面积 郁闭度 如果百分比盖度除以100 即用小数表示 就相当于林学上的郁闭度 1 0 0 9 高度郁闭0 8 0 7 中度郁闭0 6 0 5 弱度郁闭0 4 0 3 极弱度郁闭0 2 0 1 疏林 5 胸径 茎径和显著度 dominance 胸径指树木的胸高直径 dbh 大约指距地面1 3米处的树干直径 常用大卡尺测树干长短茎后取均值或卷尺绕茎测量后除 茎径指灌木和高大草本主茎直径 多在茎距地1 3处用游标卡尺测量显著度指一块森林群落样地中 某一树种所有个体胸径之和与样地中所有树种的所有个体胸径之和的比值 胸径和冠幅 径 的测量 6 多优度多优度又叫盖度 多度级 是一种以盖度为主又考虑多度的主观观测分级的方法 多优度非常适合大规模群落泛察 但不适合小范围精察 多优度非常适合不同植物群落类型之间的比较 多优度分类系统主要有Braun Blanquet等级 5或6级 和Domin等级 10级 主要多优度分类系统等级表 7 叶面积指数 leaveareaindex 指单位土地面积上植物物种或群落叶片总面积占土地面积的倍数 其计算公式为 叶面积指数种 某个种的叶面积值 样方面积叶面积指数群落 所有种的叶面积之和 样方面积叶面积指数是生态学研究的一个重要参数 用来反映植物叶面数量 冠层结构变化 植物群落生命活力及其环境效应 为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息 并在生态系统碳积累 植被生产力和土壤 植物 大气间相互作用的能量平衡 植被遥感等方面起重要作用 7 群集度 sociability gregariousness 定义 实际是分布格局的一种粗略估计 它是衡量某种植物群集程度的指标 Braun Blanquet 1932 建议用5级制描述种的群集度 群集度1 单株生长 群集度2 少数植株成小群或小丛生长 群集度3 生长成小斑块 垫状或大丛 群集度4 生长成大斑块 地毯状 群集度5 生长成大群或大片 覆盖着整个样方 通常是单一的种群 群集度在传统的调查研究中是一个重要的数量指标 但在现代的数量分析中 其只在大范围植被群落粗查时与多优度联合使用反映群落内物种分布格局 8 叶面积指数 leaveareaindex 指单位土地面积上植物物种或群落叶片总面积占土地面积的倍数 其计算公式为 叶面积指数种 某个种的叶面积值 样方面积叶面积指数群落 所有种的叶面积之和 样方面积叶面积指数是生态学研究的一个重要参数 用来反映植物叶面数量 冠层结构变化 植物群落生命活力及其环境效应 为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息 并在生态系统碳积累 植被生产力和土壤 植物 大气间相互作用的能量平衡 植被遥感等方面起重要作用 叶面积指数与植物群落生产 叶面积指数是群落生产力的重要指标 群落的生产力随叶面积指数的增大而提高 当叶面积指数增加到一定的限度后 群落郁闭 光照不足 光合效率减弱 生产力反而下降 以前 因为叶面积值的测定比较费时 相关研究并不多 现在有一些简单的便携式电子仪器可以在野外测定叶面积值 这样大大方便了叶面积的研究和应用 手持式叶面积指数仪 9 频度 Frequency 10 高度 height 反映植物光竞争能力11 根深 depthofroot 或根长 lengthofroot 反映植物土壤水分和养分的竞争能力12 生物量 Biomass 和产量 yield 最能反映一个种在群落中功能和作用大小的指标 因为一个种的资源利用能力 竞争能力 生态位占有 优势程度等最终都表现在它对群落有机物质的占有上13 体积 Volume 森林群落使用 作为生物量的替代物 14 存在度 Presence 和恒有度 Constance 存在度 法瑞学派提出的 指某种植物在属于同一群落类型且空间上彼此分隔的各个群落中出现的百分率 恒有度 英美学派提出的 指在样地面积大小相同时某一种出现的样地占全部样地的百分率 研究方法 一般采用代表样地 releves 法 样地大小要求代表所在的群落 一个群落只取一个样地 因此 在植被表中 存在度和恒有度就等于某种植物所出现的样地数与样地总数的比值 以百分比表示 存在度和恒有度是进行群落排表分类的基础 它们可以分为五个等级 20 以下的恒有度称为稀少 20 1 40 的恒有度称为低恒有度 40 1 60 的恒有度称为中等恒有度 60 1 80 的恒有度称为较高恒有度 80 1 100 的恒有度称为高恒有度 存在度 恒有度和频度间的比较 三者都以物种分布概率为统计指标 都反映物种分布的均匀度 频度测量的是植物物种在单一群落内不同样方内的分布概率 存在度和恒有度测量的是植物物种在同一类型植被不同群落内的分布概率 恒有度强调调查群落的面积相同 存在度强调不同群落间的自然地理隔绝 15 确限度 Fidelity 定义 某种植物局限于某一植物群落类型的程度 其可分为三种类型5个等级 1 特征种 确限度5 确限种指完全或几乎完全地出现在某一群落类型中的种 确限度4 偏宜种指特别偏爱某一群落 但也可在其它群落中发现 确限度3 适宜种指在若干群落中出现 但在其中一个群落中生长最好 成为优势种或主要种 2 伴生种 确限度2 伴生种指对任何群落都没有明显选择的种 可出现在任一群落中 3 偶见种 确限度1 外来种指偶然发现的或是从其它群落侵入的种 或是演替中残留下来的种 16 生活力 Vitality 和繁殖力 Reproductivity 长势强 良好发育 有规律地完成生活周期 可进行营养繁殖 但不能完成生活周期 有性生殖不完全 长势弱 营养繁殖微弱 不能完成生活周期 偶然发芽 但不是营养繁殖 17 生活型 lifeform 18 物候 phonologicalphenomenon 19 生长型 Growthform 定义 植物在生长季节枝叶在空间的配置情况 生长型与生活型有联系 但二者是不同的 生长型主要反映了植物种类在空间资源和光能资源利用上的差异 而生活型主要反映是植物对所在环境综合条件长期适应而表现在生活和外貌上的类型 生长型通用分级 I级 阔叶乔木 主干上部分枝多 枝叶开散 树冠呈扇状 占较大的空间 大部分叶片可获得充足的阳光 II级 阔叶乔木 主干上部分枝较多 枝叶较集中 树冠呈圆形或椭圆形 占空间小于上一级 上部叶片可获得充足的阳光 III级 针叶乔木 枝叶开散 透光性好 叶针可获得较充足的阳光 IV级 针叶乔木 枝叶紧密 树冠呈密塔形 透光性差 仅外围叶针可获得较充足的阳光 V级 阔叶灌木 枝叶开散 透光性好 VI级 阔叶灌木 丛生 枝叶密集 VII级 针叶灌木 VIII级 草本植物 单株生长 IX级 草本植物 丛生 生长型简便分级为 乔木 3M以上的木本植物 包括各种树木 灌木 3M以下的木本植物 藤本植物 攀援植物 直立草本植物 无多年生木质茎 包括禾叶草本 阔叶草本和多数蕨类植物 附生植物 完全依附在其他植物体上的植物 地表植物 地衣 苔藓等