生物多样性评估

#11051生物多样性评估摘要生物多样性由遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个部分组成。由于物种多样性是生物多样性各层次中研究最成熟的层次，故我们将物种多样性作为研究的重点。通过传统生物多样性的度量模型，我们知道有两个评估生物多样性的指标，即物种的丰富度指数和均匀度指数。考虑到传统度量模型在使用时，多以物种相对多度作为群落多样性测度的变量，因而其计算结果在某种程度上就不可避免的存在着某种不合理性。为此我们引进改进后的DIV多样性指数模型，该模型是对物种丰富度指数的推广，着重强调个体数量对群落多样性贡献的差异。在此基础上，我们根据指标构建原则和层次分析法，特别针对森林生态系统并在原有评价指标的基础上，又用层次分析法给出了两个评价指标，即森林物种多样性综合指数和森林濒危植物多样性综合指数，以此扩大评价指标的范围，使对生物多样性的评价更加全面有效。关键词：生物多样性、丰富度指数、均匀度指数、层次分析法一、问题重述2010年是联合国大会确定的国际生物多样性年。保护地球上的生物多样性已经越来越被人类社会关注，相关的大规模科研和考察计划也层出不穷。但迄今为止，几乎所有的考察计划都面临着一个基本的问题：如何评价被考察区域的生物多样性。针对这一问题，许多专家学者提出了不同的评价方法，但现在还缺少一种能全面考虑不同因素对生物多样性进行测定的方法。于是在此背景下，本文要求建立一种合理的数学模型，设计一个全面而有效的评价生物多样性的指标，以利于今后考察和科研工作。二、问题分析在全面分析问题的基础上，我们首先对生物的多样性的概念有了一个清晰的认识。生物的多样性就是所有生物种类、种内遗传变异和他们生存环境的总称，具体包括遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性三个层次]1[。生物的多样性是可持续发展的前提，由于考虑到物种多样性指标体系的研究是生物多样性综合管理的重要内容。并且在具体的实施过程中，植物的物种多样性相对比较容易测定，因此本文我们着种通过分析植物多样性的评价指标来间接给出评价生物多样性的指标]2[。#11052在模型1中，我们主要采用传统生物多样性的度量模型]17,16,3[来计算生物的多样性，但我们通过例子发现它们都存在着缺陷，具体体现在它们对种间的个体数分布过于敏感，即各物种在群落多样性检测中所起的作用不是相互独立的，因此应用起来就会产生一些模糊性的结论。于是在此基础上我们引进模型2—新型DIV多样性指数模型]4[。模型2作为对模型1的一个改进模型，与模型1相比其优势主要体现在：它将物种的数目作为主要的测度指标，并且每个物种的作用是彼此独立的，在此基础上考虑各物种个体数量对群落多样性贡献的差异，以及均匀度的影响。通过模型1、模型2我们可以得到评价生物多样性的指标包括物种的丰富度和物种的均匀度。但但是随着林业的发展，物种的濒危状况、更新幼苗、林分内枯木等也成为物种多样性的重要内容]7,5[，而这些内容并没有包含在两类指标中，因此有必要对物种的多样性指标作进一步的研究。于是在此背景下，我们建立了模型3，进一步利用层次分析法研究物种多样性的指标。通过本模型，我们在原有两个评价生物多样性指标的基础上又给出了两个在评价森林生态系统生物多样性的指标：森林物种多样性综合指数和森林濒危植物多样性综合指数。三、模型假设1、假设所研究的地域不仅自然状况保持良好，而且景观层次分明、物种资源丰富；2、假设所研究的生态系统自我调节机制运转正常，外界干扰没有超过其限度，即生态系统没有遭到破坏；3、假设所研究的生态系统不包括人工生态系统（如植物院、种植园或牧场、农田、菜地、果园等），但包括大面积的人工林和防护林；4、假设我们在研究生物的多样性时主要研究森林生态系统中植被的物种多样性；5、假设在调查植物多样性时，抽样面积不能小于12hm。四、符号说明及名词解释)0(a：表示为对个体数敏感程度的控制参数；1、遗传多样性：指地球上生物个体中所包含的遗传信息的总和。2、物种多样性：是地球上生物有机体变异的一个概念，他是用一定空间范围内物种数量和分布的频率来恒量的。3、生态系统多样性：它涉及的是生物圈中生物群落、生境与生态过程的多样化，它即与生境的变化有关，业与物种本省的多样性有关。4、物种的丰富度：所谓物种的丰富度是指一定空间范围内物种的总和。5、物种的均匀度：所谓物种的均匀度是指各物种在一定的区域或一个生态系统中分布多少的程度。6、盖度（coverdegree，或coverage）：指的是植物地上部分垂直投影面#11053积占样地面积的百分比，即投影盖度。7、多度（abundance）：多度是对物种个体数目多少的一种估测指标，多用于群落野外调查。8、物种的丰富度指数：指的是物种水平上的生物多样性测度。9、多样性：将沿着一个环境梯度两个相邻群落之间组成的变化成为多样性，因此也称其为生境间的多样性，控制多样性的主要生态因子有土壤、地貌以及干扰等。10、多样性：多样性主要关注局域均质生境下的物种数目，因此也被称为生境内的多样性。11、相对频度：相对频度=100×某个种在统计样方中出现的次数/所有种出现的总次数。12、相对优势度：相对优势度=100×某个种的胸高断面积/所有种的胸高断面积之和。13、相对多度：相对多度=100×某个种的株数/所有种的总株数。14、重要值)(IV：重要值=(相对多度+相对优势度+相对频度)/3。五、模型的建立与求解模型1：传统生物多样性的度量模型]17,16,3[我们假设随机调查两个完全相同的森林群落样方，发现样方1共有乔木10种，且每种乔木共有10株，样方2也同样有10种乔木，但每种乔木均有100株，利用当前常用的物种多样性指数（包括丰富度）计算公式可以算的两个样方中乔木的物种多样性指数（见表1）表1常见物种多样性（丰富度）指数计算公式及样方实例计算结果物种多样性名称指数名称计算公式样方1样方2#11054结果表明，无论采用哪种计算方法，样方1的物种多样性均大于或等于样方2的物种多样性，从保护生物多样性的角度看，意味着样方1的生物多样性的现状是由于样方2的。同样也可以理解，如果将样方2中的每种乔木砍掉90株，即保留10株，则从理论上，这一行为不但对该群落的物种没有影响，反而还有可能有正的作用，显然这是与事实不相符的。我们通过上面的列子可以形象、直观地发现这些传统模型计算生物多样性的测度方法存在的缺陷。我们认为出现上述结果的原因是由于上述传统计算方法均没有考虑群落中各种群在个体数量上的绝对差异，忽略了种群大小在维持生物多样性中所作的贡献。因此并不能客观地反映群落生物多样性的现状。因此，要科学地量化物种的多样性，势必将群落中各种群的个体数量的绝对差异考虑进去。由于上述多样性测度模型在使用时，在原有取样的基础上逐渐扩大取样面积时，物种数目和各物种的个体数都是单调增加的，但Shannon指数却经常出现降低的情况，表明使用物种的相对多度作为群落多样性测度的变量，其计算结果在某种程度上具有不合理性。为此，我们在结合传统经典模型的基础上提出了一种新的群落多样性测度指数模型，以克服测度模型的缺陷。WienerShannon指数模型)(HswniiippHsw1ln1.001.00Simpson指数模型)(HsniipHs1210.900.90种间相遇几率模型)(PIEniiiNNNNNPIE110.910.90alefMarg指数模型mDNnDmln11.951.30Menhinick指数模型MDNsqrtnDM1.000.32Sheldon指数模型SJnppJniiiS1lnexp0.270.27toshMcln指数模型MJnNNNsqrtNJniiM120.760.71#11055模型2：DIV多样性指数模型DIV多样性指数模型又称作多样性测度指标模型。它是对物种丰富度指数的一个推广，并且它将物种的数目作为主要的测度指标，并且每个物种的作用是彼此独立的，在此基础上考虑各物种个体数量对群落多样性贡献的差异，以及均匀度的影响。一个包含n个物种，且种i有iN个个体的群落，其多样性可表示为：niainiiNnNDIV11212111，（0a）（1）上式即为群落多样性测度的DIV的指数。其中aiN)/1(1(1表示第i个种对种群多样性的贡献，1表示该物种对种群多样性的贡献为一个基本单位，aiN)/1(1(项为该物种的个体数量对群落多样性贡献的大小，a为对这个体数敏感程度的控制参数。显然当0a时，式（1）即为物种丰富度指数，当a值增加时，式（1）对个体的敏感性也增加，DIV指数值也随之增加。在具体的操作中，我们一般取a的值分别为：0,0.25,0.50,0.75,1,2,5,10。通过（1）式，可以发现DIV多样性指数具有如下一些性质：1）对于给定的物种数n及总体个数N，当各物种个体呈均匀分布，即nNNi时，DIV取极大值。证：令aniinNNNNf1211,,,，限制条件为0,,,2121NNNNNNNnn作拉格朗日（Lagrange）函数：NNNNNNNNNNNfNNNFnaniinnn2112121211,,,,,,,,,(2)令（2）的一阶偏导数为零，得0,,,0,,,0,,,1211221112121annNanNanNNaNNNFNaNNNFNaNNNFN（3）#11056与021NNNNn联立求解，得nNNNNn21即当各物种个体数相等时，nNNNf,,,21取极小值，所以DIV取极大值。证毕。由此可将群落的均匀度指数E定义为：aaaniiNnnNnE11212（4）2）在原有样本的基础上扩大取样尺度，此时物种数目n及各物种的个体数iN是单调增加的，则DIV值的大小与取样尺度有关。设r为取样尺度，有rrDIVrDIV（5）3）物种组成完全不同的群落，DIV指数具有叠加性。设nCCC,,,21是n个物种组成完全互不相同的群落，有：nnCDIVCDIVCDIVCCCDIV2121（6）生物多样性的研究沿环境梯度的变化规律是生物多样性研究的一个重要议题，物种多样性则是最简单有效的描述群落和区域多样性的方法，是生物多样性的本质内容。其中，物种沿环境梯度的生态位分化]9,8[与共存是一个最早而最基本的假设山地是地球表面最普遍存在的自然环境梯度之一。海拔梯度包含着温度、湿度、光照、土壤属性等直接生境因子的多尺度变化，复杂而活跃的山地环境过程对生物的选择性和进化压力也更强]10[，山地还保存着环境历史变迁对生物进化和生态适应影响的遗迹。由于复杂的影响因素和多尺度效应，生物多样性沿山地海拔梯度的变化特征、模式和机制一直是生态学和生物地理学的一个活跃的研究领域]11[。针对DIV多样性指数模型，以下我们以太白山北坡为例来研究生物多样性与环境梯度变化之间的规律，以说明该模型在实践应用中评价生物多样性的合理性。太白山位于东经107°41′23″—107°51′40″；北纬33°49′31″—34°08′11″。陕西境内秦岭的中部，是中国大陆东部的最高名山，海拔高达3767.2米，相对高度差3000余米，形成清晰的垂直气候分布带，土壤分布带和生物种群分布带。太白山自然地理位置特殊，居暖温带之南缘，亚热带之北界。同时太白山南北坡植被分布的差异较小，群落类型相似，南坡与北坡的差异主要表现在由于热量、降水等自然条件的变化而形成的植被在海拔分布上的上移，也就是说，主要群落分