Application of self-organizing neural networks to classification of plant communities in Pangquangou Nature Reserve, North China

Vegetation classification is an important topic in plant ecology and many quantitative techniques for classification have been developed in the field. The artificial neural network is a comparatively new tool for data analysis. The self-organizing feature map (SOFM) is powerful tool for clustering analysis. SOFM has been applied to many research fields and it was applied to the classification of plant communities in the Pangquangou Nature Reserve in the present work. Pangquangou Nature Reserve, located at 37°20′–38°20′ N, 110°18′–111°18′ E, is a part of the Luliang Mountain range. Eighty-nine samples (quadrats) of 10m × 10m for forest, 4m × 4 m for shrubland and 1m × 1m for grassland along an elevation gradient, were set up and species data was recorded in each sample. After discussion of the mathematical algorism, clustering technique and the procedure of SOFM, the classification was carried out by using NNTool box in MATLAB (6.5). As a result, the 89 samples were clustered into 13 groups representing 13 types of plant communities. The characteristics of each community were described. The result of SOFM classification was identical to the result of fuzzy c-mean clustering and consistent with the distribution patterns of vegetation in the study area and shows significant ecological meanings. This suggests that SOFM may clearly describe the ecological relationships between plant communities and it is a very effective quantitative technique in plant ecology research. __________ Translated from Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(3): 1005–1010 [译自: 生态学报]     

庞泉沟自然保护区华北落叶松林的自组织特征映射网络分类与排序

自组织特征映射网络（SOM）是新近引入植物生态学的分析方法,对复杂问题和非线性问题具有较强的分析和求解功能。本研究应用SOM分类和排序研究了庞泉沟自然保护区华北落叶松林。研究结果表明,SOM将120个样方分为7个植物群落类型,分类结果具有明确的生态意义;样方和物种在SOM训练图上呈现一定规律的分布;7个群落类型各有其分布范围和界限,揭示了群落间的生态关系。在此基础上,通过引入一种在SOM训练图上可视化环境因子梯度的方法,能够较好地完成样方、物种和环境因子相互关系的分析,揭示了海拔是影响该区华北落叶松林生长和分布的最主要因子。生态分析表明SOM分类和排序是一种有效的梯度分析方法,适用于表征生态特征和探索群落和环境相互关系的研究。     

庞泉沟自然保护区寒温性针叶林演替优势种格局动态分析

以华北落叶松和青杆为主的寒温性针叶林是庞泉沟自然保护区的重要林型,也是主要保护对象之一。通过空间代时间构建庞泉沟自然保护区寒温性针叶林演替的时间序列,序列1是华北落叶松单优群落稳定发展的过程,序列2是从华北落叶松单优群落演替至华北落叶松-青杆共优群落再到青杆单优群落的过程,采用点格局分析法和与Monte-Carlo拟合检验对演替过程中华北落叶松和青杆的分布格局及其相互关系进行了研究。结果表明:(1)序列1在华北落叶松单优群落稳定发展过程中,华北落叶松的分布格局由集群分布趋向于随机分布,甚至在0—2.5 m上表现为均匀分布,驱动力是种内竞争引起的自疏现象。序列2从华北落叶松单优群落演替至青杆单优群落过程中,华北落叶松的分布格局同样是由集群分布趋向于随机分布,驱动力主要来自于由于青杄侵入扩散而形成的种间竞争;青杄集群的尺度逐步增大,驱动力主要是种群拓殖和种内竞争。(2)二者种间关系,在华北落叶松单优群落阶段无明显相关,共优阶段由于竞争在0—6.5 m尺度上呈显著正相关,在青杄单优群落,青杄竞争获胜,在0—2.5 m尺度上无明显相关,二者种间关系的变化主要来自于群落剩余资源驱动下的种内种间竞争。     

The use of structural species size classes in the description of the woody vegetation of a nature reserve

The need for a scientifically based wildlife management plan and more knowledge on the vegetation ecology of the Borakalalo Nature Reserve prompted an ecological investigation of the Reserve. One of the aims was to develop a structural classification of the woody component using species size (SPIZE) classes. A further aim was to compare the various structural classes identified with the recognized floristically derived plant communities of the Reserve. The frequency, density, percentage crown cover and importance value for each woody species were calculated. A classification of the woody component was done using a TWINSPAN classification algorithm on this structural density data. Fifteen structural SPIZE classes were identified, described and compared with the described plant communities. The results of this study indicate that structural SPIZE classes could also be used to explain the spatial distribution of woody species within and between various plant communities.     

庞泉沟自然保护区植物群落分类学多样性

为了研究庞泉沟自然保护区植物群落分类学多样性及其与环境因子间的关系,收集了33块样地的植物群落数据及样地环境信息,计算了分类差异变异指数(Λ⁺)和平均分类差异指数(Δ⁺),分析了Λ⁺和Δ⁺与环境因子的相关性.结果表明: Λ⁺和Δ⁺的平均值分别为270和76.5;Λ⁺与海拔和坡向均呈显著负相关;Δ⁺与纬度呈显著正相关,与坡向呈显著负相关.从33个样地在置信漏斗的位置来看,庞泉沟自然保护区植物群落有较高的分类学多样性,主要原因是保护区建立30多年来,生态环境和植物资源得到有效保护,人类活动干扰影响轻微.
     

山西五鹿山保护区褐马鸡种群密度调查

1997年12月－1998年3月对山西五鹿山保护区的褐马鸡种群密度进行了调查。越冬期和繁殖期的种群密度分别为12．67只／km^2和7．39只／km^2。通过对三个地区繁殖密度的比较,发现五鹿山地区繁殖种群密度偏低。这可能与该地区栖息地的质量日益恶化有关。     

神农架国家级自然保护区川金丝猴栖息地的植物群落分类及特征

采用植物社会学调查方法,对神农架国家级自然保护区川金丝猴栖息地植物群落进行了调查,并对127个植物样方调查资料进行了聚类分析。综合数量分类及植物社会学的分类标准,将神农架川金丝猴栖息地植被划分为13个群丛和4个群落;分析了各群丛的结构特征、地理分布特征(海拔、地形等)以及不同群丛的植物组成和食源植物状况,同时对各群丛乔木层的胸径等级和高度进行了分析。结果表明:群丛Ⅰ(华山松-金佛山箬竹-湖北大戟)、群丛Ⅵ(巴山冷杉+红桦-箭竹+兴山五味子-抱茎风毛菊)、群丛Ⅸ(华山松-鄂西绣线菊-中日金星蕨)以及群丛Ⅻ(巴山冷杉+华山松-鞘柄菝葜+鄂西绣线菊-中日金星蕨)4个群丛所含物种数最多,其中群丛Ⅰ、Ⅵ、Ⅸ所含食源植物种数也最多;群丛Ⅳ(红桦-湖北花楸-离舌橐吾)胸径大于30 cm的树木所占比例及乔木层平均高度均最大;这5个群丛是神农架国家级自然保护区川金丝猴栖息地的主要植被类型。该研究可为神农架国家级自然保护区川金丝猴栖息地的植被保护与恢复提供重要参考。     

Quantitative classification and ordination of forest communities in Pangquangou National Nature Reserve

Quantitative analysis of ecological relationships between vegetation and the environment has become an essential means in the field of research of modern vegetation ecology. In this article, based on data from 84 quadrates, forest communities in this reserve were investigated using TWINSPAN, DCA and DCCA. The results will be helpful in the construction and development of Pangquangou National Nature Reserve. Using TWINSPAN, the forest communities were classified into seven types. The distribution pattern of vegetation reflects the comprehensive influence of environments. The results of DCA and DCCA clearly reflect the relationship between the pattern of forest communities and environmental gradients. The ordination result of DCCA indicates that altitude is more important than other environmental factors because the change of altitude gradient will lead to changes in the temperature and humidity gradients. The first of the DCA ordination axes indicates the humidity gradient, and the second indicates the temperature gradient. All these results show that the main factors restricting the distribution of communities in this reserve are temperature and humidity. The ecological meaning of the ordination axis in DCCA is much clearer than that in DCA, and the species-environment correlation of DCCA is more obvious than DCA. The first DCCA axis indicates the altitude gradient among the communities, while the second is the gradient in aspect and slope among the communities. DCCA ordination can simultaneously express similarities of species and environment. Therefore, the quadrat location in the DCCA ordination figure is much closer than in the DCA.     

庞泉沟国家级自然保护区苔藓植物区系分析

庞泉沟自然保护区共计有苔藓植物29科63属192种（包括12变种1亚种）。其中苔类植物8科9属14种;藓类植物21科54属178种。其区系的基本特征是：地理成分多样,区系联系广;区系成分以北温带成分为主,兼有较明显的东亚色彩;隶属于华北植物区系。     

Quantitative classification and ordination of forest communities in Pangquangou National Nature Reserve

Quantitative analysis of ecological relationships between vegetation and the environment has become an essential means in the field of research of modern vegetation ecology. In this article, based on data from 84 quadrates, forest communities in this reserve were investigated using TWINSPAN, DCA and DCCA. The results will be helpful in the construction and development of Pangquangou National Nature Reserve. Using TWINSPAN, the forest communities were classified into seven types. The distribution pattern of vegetation reflects the comprehensive influence of environments. The results of DCA and DCCA clearly reflect the relationship between the pattern of forest communities and environmental gradients. The ordination result of DCCA indicates that altitude is more important than other environmental factors because the change of altitude gradient will lead to changes in the temperature and humidity gradients. The first of the DCA ordination axes indicates the humidity gradient, and the second indicates the temperature gradient. All these results show that the main factors restricting the distribution of communities in this reserve are temperature and humidity. The ecological meaning of the ordination axis in DCCA is much clearer than that in DCA, and the species-environment correlation of DCCA is more obvious than DCA. The first DCCA axis indicates the altitude gradient among the communities, while the second is the gradient in aspect and slope among the communities. DCCA ordination can simultaneously express similarities of species and environment. Therefore, the quadrat location in the DCCA ordination figure is much closer than in the DCA.     

山西云顶山自然保护区野生种子植物区系研究

山西云顶山自然保护区位于吕梁山脉中段,有野生种子植物926种,隶属于391属、85科,其中裸子植物2科、4属、6种,被子植物83科、387属、920种(其中双子叶植物72科、311属、756种;单子叶植物11科、76属、164种).种子植物属的区系成分复杂多样,以温带成分占绝对优势,温带属共275属,占总属数的82.08％.种子植物种的区系成分中,温带分布占绝对优势,达566种,占总种数的62.61％,中国特有分布次之,有306种,它们是构成云顶山自然保护区森林植被和灌丛植被的建群种和优势种的主要成分.经与有关山地植物区系和植被组成比较后得出,云顶山自然保护区与庞泉沟自然保护区具有较高的同质性和密切的联系,与五台山次之,而与中条山具有明显的差异.云顶山自然保护区有国家二级保护植物野大豆,还有山西省重点保护植物山西乌头、红景天和党参3种.     

车八岭保护区及其邻近地区的木兰科植物种群及其保护现状

报道了广东省始兴县车八岭国家级自然保护区及其邻近地区木兰科植物种群特点及保护现状。木兰科植物通常位于人为破坏较轻 ,林相保存较好 ,以壳斗科、樟科、茶科为主要建群种的中亚热带常绿阔叶林中。共设置了 9个面积为 4 0 0 m2的样方。在样方中共记录了 3种木兰科植物 :观光木 ( Tsoongiodendron odor-um Chun)、深山含笑 ( Michelia maudiae Dunn)和金叶含笑 ( M.foveolata Merr.ex Dandy)。其中 ,深山含笑的种群较大 ,呈稳定结构 ,但主要局限于保护区内保护较好的地域 ;金叶含笑种群面临濒危 ,种群小 ,在保护区呈零星分布 ;观光木的分布区域相对较广 ,在保护区内外均见分布 ,但种群较小 ,特别是在保护区外的种群 ,由于人为的干扰 ,种群在急剧减少。大多数木兰科植物的种群在原生境均表现出自然更新不良 ,必须加以保护。分析了影响车八岭及其邻近地区木兰科植物种群及其群落发展的主要限制因素 ,建议加强自然保护知识的宣传和木兰科植物的人工保育 ,促进该区域木兰科植物资源的管理和发展     

甘肃祁连山国家自然保护区植物群落分布格局及其与环境因子的关系

植物群落分布格局是环境因子和人类活动共同作用的结果,尤其是海拔梯度被认为是植物群落分布格局的决定性因子,为探求甘肃祁连山国家自然保护区植物群落分布格局与环境因子的关系及其驱动机制,该文在野外调查的基础上,运用数量分类和除趋势典范对应分析(DCCA)排序等方法,探讨了研究区内植物群落特征及其与环境因子的关系。结果表明：(1)88个样方共记录物种85种,隶属30科56属,利用双向指示种分析法(TWINSPAN)将其分为9个植物群落。(2)9个植物群落在DCCA排序图上聚集分布,呈现出较好的环境梯度,其中海拔对植物群落分布格局影响最大,其次为降水、温度、坡度、坡向和土壤腐殖质。(3)影响植物群落空间分布格局的变量中,环境因子占25.24%,空间因子占13.21%,空间因子和环境因子交叉作用占9.03%,群落分布格局未被空间因子和环境因子解释部分占52.52%,这部分主要反映了人类活动对研究区植物群落分布格局的影响。该研究成果对区域内植被的生态恢复和生物多样性的稳定维持具有重要意义。     

基于ISSR分子标记的褐马鸡亲缘关系分析

褐马鸡(Crossoptilon mantchuricum)是中国特有濒危鸟类,国家一级保护动物。为了保护褐马鸡种质资源,保障驯养繁育种群和再引入种群的遗传基因结构优化,采用ISSR分子标记技术,对山西庞泉沟国家自然保护区和太原动物园两个种群35个褐马鸡进行了亲缘关系分析。从20条ISSR引物中筛选出10条扩增条带清晰稳定、重复性好的引物,共扩增出65条DNA条带,其中77%呈多态性。两个种群各个体之间的Nei's无偏差遗传距离和遗传相似度分析表明:个体间遗传相似性的平均值分别为0.5061与0.7591,遗传距离的平均值分别为0.4939与0.2409。用组平均法对35个褐马鸡个体进行聚类分析,结果显示:大多数同一种群的个体首先聚在一起,显示出生态地理条件相似的种群亲缘关系较近。     

新疆卡山自然保护区典型水源地植物群落特征及其与土壤因子的关系

该研究通过样方调查法对卡拉麦里山有蹄类野生动物自然保护区(卡山自然保护区)水源地植物种类及数量进行统计,利用TWINSPAN和DCA进行植物群落数量分类和排序,并对保护区典型水源地土壤理化性质与植物群落物种多样性指数的相关关系进行CCA分析。结果表明:(1)卡山自然保护区32个典型水源地调查共记录到15科41属53种植物。(2)群落分类共分为7个群落,分别为:铃铛刺群落、沙拐枣-麻黄群落、白刺+柽柳-蛇麻黄+羽毛三芒草群落、芨芨草+白茎绢蒿群落、盐爪爪群落、白刺群落、柽柳+盐爪爪-芨芨草群落。(3)有机质、总氮对植物群落的分布影响较大。研究认为,典型水源地作为重要的功能区域,对其进行保护是维持卡山保护区生态平衡的一个重要环节。     

庞泉沟自然保护区常见禾本科植物内生真菌分布及其影响因素

以庞泉沟自然保护区4种不同群落类型林地和灌丛下的优势禾草为研究对象,调查不同禾草内生真菌感染率,研究内生真菌感染的禾草种群与原生生境的土壤理化性质、土壤酶活性及土壤微生物群落结构的相互关系。结果发现,影响紫羊茅、中亚薹草和野燕麦染菌率的主要因子是土壤水分含量和碳氮比,且土壤C、N、S以及土壤水分含量与紫羊茅的内生真菌染菌率成正相关,土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶与紫羊茅的感染率显著正相关,但中亚薹草与紫羊茅的结果相反。丝盖伞科是华北落叶松林和油松林土壤微生物群落的优势真菌,但不同染菌植被群落类型下的优势细菌微生物群落组成不同。总体看来,4种森林群落类型下禾草内生真菌染菌率与土壤理化性质相关性不同,且受到的生态因子影响大小也有差异,内生真菌感染导致各植被群落类型的土壤微生物群落结构具有差异,其优势土壤真菌和土壤细菌组成不同,这有助于进一步认识原生生境下不同感染率的禾草种群对土壤微生物群落结构的影响及其在生态系统中的各异生态学功能。     

神农架川金丝猴栖息地森林群落的数量分类与排序

在神农架川金丝猴生境典型地段设立样方58块,根据样方资料对神农架川金丝猴栖息地的森林群落用组平均法分类和DCA排序.用组平均法将58块样地分为9个群系,依据《中国植被》的分类原则和系统将研究区植物群落划归为7个植被型.样地的DCA排序较好地揭示了该区森林群落的分布格局与环境梯度的关系;DCA第二轴明显地反映出森林群落的海拔梯度变化,沿DCA第二轴从右到左,海拔逐渐升高;第一轴表现了各植物群落或植物种所在环境的坡度、坡向,即水分和光照因素,沿第一轴从下到上,坡度渐缓、坡向渐向阳.其中海拔梯度是环境因子中对森林群落起决定性作用的因子.研究表明,巴山冷杉+糙皮桦-大齿槭+尾萼蔷薇-高原露珠草+星果草群系发育较好,高大树木占有较大的比例,是神农架川金丝猴最适宜栖息地.7个植被型物种丰富度指数在群落梯度上呈规律性波动.其中针叶林和针叶-阔叶混交林中,物种丰富度指数在群落梯度上的总体趋势表现为灌木层＞草木层＞乔木层;在常绿阔叶林和常绿-落叶阔叶混交林中,该趋势为灌木层＞乔木层＞草本层;在落叶阔叶林中,其丰富度指数的趋势为灌木层＞草本层和乔木层.不同植被类型川金丝猴食源植物种类在群落梯度上的变化趋势与物种丰富度指数相同,但地衣类植物作为川金丝猴冬季的重要食物只在针叶林和针叶-阔叶混交林中生长.本研究为制定栖息地保护计划,更好地保护神农架川金丝猴提供了科学理论依据.     

高分辨率影像支持的群落尺度沼泽湿地分类制图

湿地作为众多野生动物和植物的栖息地,具有稳定环境及物种基因保护等重要功能.但是,湿地复杂的水陆交界生境特征及难以进入等客观条件限制给湿地研究造成了很大的困难.因此,遥感技术作为地表生态环境过程参量获取的重要工具,在当今湿地科学领域发挥着重要作用,特别是,当前高空间分辨率影像的性能与应用水平不断得到提高.以自然状态下的黑龙江三江平原洪河国家级自然保护区为研究对象,应用飞艇搭载的空间高分辨率摄像系统获取影像地面分辨率为0.13m的影像数据,主要结合面向对象分类方法,开展了基于湿地植物群落尺度的分类制图研究.结果表明:①因飞艇影像对植物形态、纹理等细致特征的刻画非常充分,沼泽植被型、草甸植被型和各种乔木、灌木植被型,都可以在合适的遥感分类方法下提取出来,总体分类精度能达到91.77％;②通过采用针对高分辨率影像面向对象的分类方法与传统的最大似然比遥感分类方法对比,前者达到很高的精度,而后者效果不理想,说明遥感分类方法的选择对于群落尺度湿地植物分类制图结果非常重要;③遥感分类制图的结果显示出研究区湿地植物群落分布格局受到水分环境梯度和微地貌的共同控制,呈现交替环带状分布规律.     

江西井冈山国家级自然保护区蜘蛛资源调查

江西井冈山国家级自然保护区地处114° 04′～114°16′E,26° 28′～26°40′N,位于江西省西南部,东边江西泰和、遂川两县,南邻湖南炎陵县,西靠湖南茶陵县,北接江西永新县.蜘蛛是农林生态系统害虫天敌的主要类群,也常作为生态系统稳定的指示生物.作者等人通过对井冈山白然保护区蜘蛛资源及区系分布进行野外调查、标本采集和分类鉴定等,发现该保护区有蜘蛛18科48属73种,其中6种为江西新记录种,18种为未确定种.     

小陇山国家级自然保护区次生林分类、排序及演替

在野外调查基础上,采用TWINSPAN和DCA对小陇山林区次生林群落进行了数量分类和排序,从植物群系组成、植物群落与环境的生态关系方面,研究小陇山植被群落的分布格局,用以确定该区次生林演替,并给予合理的环境解释。结果表明:采用TWINSPAN数量分类方法,将植被划分为12个群落类型;DCA排序图明显反映出排序轴的生态意义,第一轴基本上突出反映了湿度变化,沿第一轴从左到右,湿度逐渐增大;第二轴主要表现了温度梯度,沿第二轴从下到上,温度逐渐降低;次生林的演替序列为山杨林→山杨+白桦林→锐齿栎混交林及锐齿栎纯林,其自然恢复演替以锐齿栎林为顶极群落。