农田背景下景观结构对半自然生境生物多样性的多尺度影响王玉婷.docx
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农田背景下景观结构对半自然生境生物多样性的多尺度影响王玉婷
网络出版时间:
2014-12-3010:
40
第33卷第12期2014年12月
地理科学进展
Vol.33,No.12Dec.2014
农田背景下景观结构对半自然生境
生物多样性的多尺度影响
22
王玉婷1,2,丁圣彦1,,梁国付1,
(1.教育部黄河中下游数字地理技术重点实验室,河南开封475004;
2.河南大学环境与规划学院,河南开封475004
摘要:
以黄河下游典型农区封丘县为研究区,调查比较了农业景观中半自然生境(包括人工林、树篱和沟渠与农
中图分类号:
Q14
文献标识码:
A
1引言
土地利用变化导致的生境丧失、孤立和退化是生物多样性在地方、区域和全球水平上(Ewersetal,2006;Kuussaarietal,2009下降的主要原因,最严重
的是20世纪末由传统低密度农业向高密度农业的转换,这些变化严重威胁了生物多样性(Bentonetal,2003;Billeteretal,2008。
自20世纪80年代以来,中国农业耕作方式的集约化程度不断增加,由此带来的土地利用均质化、化学肥料与杀虫剂、除草剂的过量施用等均已加速了生物多样性的下降(Bentonetal,2003;Billeteretal,2008。
其中土地的集约利用使广阔的农田景观中仅遗存较少的自然或半自然生境(Tscharntkeetal,2012。
这些不断
收稿日期:
2014-11;修订日期:
2014-12。
基金项目:
国家自然科学基金项目(41071118,41371195。
变化的农业景观对其中残存的半自然生境中的生物多样性究竟是如何影响的?
植物物种丰富度和景观空间异质性关系的研究,在自然林景观(Zel-enýetal,2010、农业景观(Fahrigetal,2011和其他类别的景观中(Alloucheetal,2012都有所涉及,但植物和地表节肢动物多样性对景观格局的尺度效应分析很少。
景观结构是地区和景观水平上主导生物多样性格局的重要因子(Fahrigetal,2011。
景观组成及其周围的半自然生境都可能影响物种丰富度和多度(Ricketts,2001;Cooketal,2002;Debin-ski,2006;Öckingeretal,2012。
因此,在复杂的景观结构中,半自然生境要比周围的景观基质具有更高的物种多样性(Tscharntkeetal,2012。
在保护区之外的边缘生境栖息地,如公路绿化带上的树篱,
1704-1716页
孤立的“岛屿”(片林,农田边缘可能都会对生物多样性产生非常重要的影响(Kleijnetal,2005;Tscharntkeetal,2005;Cousins,2006,这些生境栖息地可作为物种散布的源地或物种遗存库(Dor-roughetal,2007;Cousinsetal,2008;Auffretetal,2011。
一些新的生境类型,如树篱和沟渠,可以像生态过渡带一样成为自然或半自然生境类型的补充(Tattersalletal,2002;Macdonaldetal,2007。
地表节肢动物由于数量大,种类多,并且作为食物链
的初级营养级,经常被认为是复杂食物网和捕食者物种多样性的关键因子(Salamolardetal,2000;Bu-tetetal,2010。
景观格局特征的尺度依赖性特别明显。
一些研究表明,在较大尺度范围内景观结构会影响复合种群的动态演变和物种丰富度(Gurretal,2003;吕一河等,2007;傅伯杰等,2011。
景观异质性在不同尺度上对生物多样性的影响引起了国内外学者的广泛关注,从样地、生境、景观到区域都有相关的比较研究(高俊峰等,2006;Billeteretal,2008;Ekroosetal,2013。
近年来,区域的景观格局类型发生了
很大变化,部分学者从尺度和生物多样性角度研究了封丘县景观异质性动态变化和植物多样性(朱珠,2012;卢训令等,2014,但从不同尺度上对农田
背景下的景观结构与植物和地表节肢动物多样性关系的相关研究还比较少。
本文在对河南省封丘县半自然生境林地、树篱、沟渠的动植物多样性和农田的地表节肢动物多样性分析比较基础上,从不同尺度上探讨农田背景下景观结构对半自然生境
中生物多样性的影响,在分析节肢动物对景观结构的尺度效应时,以农田为比较样地,更直观地反映出半自然生境对保持和提高农业景观生物多样性的作用,为该区域可持续性农业景观的构建提供科学依据和技术支撑,对区域尺度上农业生产和生物多样性与生态系统服务价值的提高具有重要的理论意义和实践价值。
2材料与方法
2.1研究区概况
本文的研究区域(图1封丘县位于河南省东北部黄河北岸,是黄河下游平原典型的农业景观之一(朱珠,2012;卢训令等,2014,地处34°53′~35°14′N,114°14′~114°46′E之间,属暖温带大陆性季风气候,年平均气温在13.5~14.5℃之间,年平均降水量615.1mm,土壤类型以潮土为主。
该区地貌为黄河冲积平原,形态复杂,沙岗、平原、洼地兼有。
农田
图1研究区及样点示意图
Fig.1Distributionofsamplingsitesintheresearcharea
是该县最主要的景观类型,约占全县总面积的66.4%,其中半自然生境面积为8%。
研究区典型样带(图1选择的依据主要基于以下3个原因:
景观类型比较全面;交通便利,距中国科学院封丘生态试验站较近;从南到北是个干扰逐步增强的梯度样带。
样带中间有一些人工林、树篱、沟渠等半自然生境斑块散布在大面积的农业景观中,样带内半自然生境比例为13%。
土地开发利用强度的加剧,导致景观异质性趋向单一,生物多样性下降。
而这些
在研究区典型样带中选取有效样点林地49个,树篱样点47个,沟渠样点41个,农田样点49个。
在其周围分别定位人工片林、沟渠、树篱及农田作为比照样地。
半自然生境采用典型样地法进行植物群落调查,而对照样地农田的作物基本都是冬小麦和秋玉米,一年两熟制,作物比较单一,且近年来除草剂和杀虫剂的施用以及单一作物的种植模式使得农田里的半自然植物非常稀少,故在农田不再进行植物多样性的调查。
地表节肢动物的调查采用陷阱捕获法,每种半自然生境选取5个典型样方,农田对照样地考虑到可能因当地居民的灌溉或是其他人为干扰,造成实验误差加大,故选择两块试验田,每块选取5个小样方,小样方之间间隔不少于10m。
陷阱的具体布设为:
将PP塑料杯(口径7.8cm,底径6cm,深17.5cm,容积500ml)埋入土壤中,杯口与地表齐平,在杯中放置150~200ml20%浓度乙二醇和1滴洗涤剂。
取样时间为2013年4月底-5月初,在野外布设一个星期后收回,重复3次,取均值,
每次取完立即将各陷阱中捕获到的物种按对应样点编号,放入含75%酒精的10ml带盖离心管中保存,并尽快在实验室进行鉴定分类,物种的具体分类主要参照《中国土壤动物检索图鉴》(尹文英等,1998、《昆虫分类》等分类系统(郑乐怡,2010。
本文所用基础数据为2012年封丘县土地利用现状数据(1:
1万,结合遥感影像和野外调查获取景观数据。
数据的处理和分析主要采用ArcGIS10.0、CorelDRAW12.0等软件,景观指数的计算借助于Fragstats4.1软件。
依据研究区实际情况,在野外调查的基础上,将研究区分为:
林地、农田、草地、道路、建设用地、生态廊道(田间道路或树篱、水域坑塘、沟渠、其他未利用等9种景观类型。
以样点为中心做缓冲区,半径分别为100m、250m、400m、550m,在缓冲区内分析景观变量对植物群落结构的影响,找出最适合的尺度。
上述半径的选取是基于植物的扩散能力,对于描述生境景观已足够(Ozingaetal,2004;Ma,2008;Ernoultetal,2013。
每个空间尺度上选取以下7类景观空间格局指数进行景观分析:
景观水平上的香农多样性指数(Shannon'sdiversityindex,SHDI(Shannonetal,1949、欧几里得最近距离(EuclideanNearestNeighborDistance,ENN_MN、土地利用丰富度(Landuserichness,LUR(Hovdetal,2005;Ernoultetal,2013;边缘密度(EdgeDensity,ED(Shannonetal,1949、周长面积比(Perimeter-AreaRatio,PA-RA_MD(Forman,1995;Steckeletal,2014、散布与并列指数(Interspersion&Juxtapositionindex,IJI(Ernoultetal,2013、聚集度指数(Aggregationindex,AI(Ernoultetal,2013(表1。
对所有景观变量进行共线性分析发现,各景观变量之间的相关性在几个空间尺度上各不同:
如
表1研究选取的景观描述变量的平均值和标准差
Table.1Meanvaluesandstandarddeviationoflandscapedescriptorsvariablesselectedforthestudy
每个缓冲区变量的平均值(标准偏差)
半自然生境植物多样性的描述指标包括以下几种:
植物丰富度(Vegetationrichness,Sveg、植物
用物种丰富度(Speciesrichness,S、物种多样性指数(SpeciesShannon'sdiversityindex,H,物种均匀度指数(SpeciesShannon'sevennessindex,E、物种多度(Abundance,Abun(每个生境中的个体总数4个指标作为响应变量(表2。
每个样点5个典型样方
的节肢动物多样性求平均值合成一个典型样点值,以减少误差,农田中每个样点的样杯回收率在4~8个不等,每个样点取平均值合成一个样点值。
2.3数据分析方法
注:
因为所有的样点之间的距离都大于100m,所以没有必要检验100m半径尺度上的空间自相关性。
验后发现没有植物多样性参数变量自相关显著,没有冗余数据,可以进行下一步的分析。
在广义线性混合模型GLME中的ANOVA(单变量检验中,生境类型被认为是固量因子,重复样点位置是随机因子(图2-3。
广义线性模型主要是用来检测响应变量在半自然生境与农田之间的差异。
分别选取Jaccard相似性系数、Czekanowski相似性系数(又称Sørensen系数来直观反映生境间植
物和地表节肢动物群落的相似度,具体的计算公式分别如下:
×100%(1
ISC=×100%(2式中:
ISJ、ISC分别为Jaccard、Czekanowski相似性系
ISJ=
3结果与分析
3.1各生境中物种多样性特征分析
在所有半自然生境中,共记录植物153种,林地植物119种,树篱106种,沟渠112种,植物多样性特征明显(图2。
植物群落相似性指数表明,各指数的变化趋势基本一致,只是数值高低稍有不同(图4,但均显示:
人工林和沟渠之间的相似性系数最高,远高于树篱与沟渠之间。
这表明在黄河下游地区农业景观中,人工林和沟渠较少受人为干扰,保留了较高的植物多样性。
在所有调查的生境中,共记录地表节肢动物63科,林地49科,树篱46科,沟渠51科,
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