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      浙江中部地區(qū)公益林的群落結(jié)構(gòu)

      2013-12-05 02:49:40錢逸凡韓冰園伊力塔余樹全鄭超超
      關(guān)鍵詞:齡級闊葉林毛竹林

      錢逸凡 ,韓冰園,伊力塔 ,張 超,余樹全 ,鄭超超

      (1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江 臨安 311300;2.國家林業(yè)局 華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310019;3.敦化林業(yè)有限公司,吉林 敦化 133700;4.浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,浙江 臨安 311300)

      森林群落結(jié)構(gòu)是群落生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)[1],是指群落中的所有種類及其個體在時間和空間上的配置狀況[2-4]。種群是群落的組成部分,其結(jié)構(gòu)不僅對群落結(jié)構(gòu)有直接影響,而且能客觀地體現(xiàn)群落的發(fā)展趨勢[5-8]。因而種群結(jié)構(gòu)的研究對闡明群落的形成及其穩(wěn)定性與演替規(guī)律等都具有重要意義[8-9]。亞熱帶地區(qū)的森林群落有其獨(dú)特特點(diǎn),群落類型多樣、物種豐富、生產(chǎn)力高,一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[10-13]。由于人類的過度利用,浙江省典型的亞熱帶森林群落遭到了巨大的破壞,帶來了許多生態(tài)問題。為此,浙江省于2001年起全面啟動實(shí)施 “200×104hm2生態(tài)公益林”計(jì)劃,隨后關(guān)于浙江省公益林的研究也逐漸增多[14-16],但由于浙江省的地貌為 “七山一水二分田”,立地類型多樣、生境復(fù)雜,在省級尺度上的研究普遍存在樣本少,缺乏系統(tǒng)性等問題。尤其是浙江省中部地區(qū)承接南北、區(qū)域面積大,且原始植被破壞早而劇烈,但目前尚無針對該區(qū)域公益林群落的專項(xiàng)研究。因此,在分析浙江省中部主要優(yōu)勢種群的基礎(chǔ)上,探求公益林群落的組成和結(jié)構(gòu)特征,對指導(dǎo)該地區(qū)植被恢復(fù)和公益林的經(jīng)營管理具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

      1 研究區(qū)概況

      浙江省位于中國長江中下游東南沿海地區(qū),長江三角洲南翼,27°06′~31°31′N,118°01′~123°10′E。浙江省中部面積廣闊,包括金華市的全境以及紹興市、衢州市、臺州市和麗水市的絕大部分地區(qū)。該地區(qū)開發(fā)歷史悠久,經(jīng)歷了幾千年人類活動和干擾,原生森林植被大多已破壞無遺,特別是近百年來幾乎完全毀壞。20世紀(jì)50年代經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人為活動頻繁,環(huán)境再一次被破壞。20世紀(jì)90年代開始重視環(huán)境保護(hù),森林恢復(fù)迅速,其公益林面積達(dá)165.46萬hm2,占浙江省總面積 260.70萬hm2的63.47%,是浙江省的生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域(表1)。在林齡結(jié)構(gòu)上,浙江中部地區(qū)公益林相比全省的平均水平,幼齡林的比例更低為26.58%(圖1)。在公益林群落的結(jié)構(gòu)上,中部地區(qū)仍以針葉林為主,松林、杉木Cunninghamia lanceolata林比例分別為37.58%和15.29%,高于全省整體水平;此外,其闊葉林比例偏小,為24.65%,小于全省的28.48%,而針闊混交林具有較高的比例,為14.76%。

      表1 浙江中部公益林面積統(tǒng)計(jì)Table 1 Area central statistics of public welfare forest in the central Zhejiang

      2 研究方法

      2.1 樣地的選取與設(shè)置

      2.1.1 樣地的選取 由于浙江中部面積廣大,要使分布樣地均勻困難較大。本研究根據(jù)浙江省行政區(qū)劃,選取可代表中部5市平均質(zhì)量的縣市進(jìn)行重點(diǎn)觀測,設(shè)置包括嵊州市(紹興地區(qū))、東陽市(臺州地區(qū))、仙居縣(臺州地區(qū))、縉云縣(麗水地區(qū))、江山市(衢州地區(qū))在內(nèi)的公益林固定監(jiān)測小班。在獲取公益林二類資源清查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用兩階抽樣法。第1階以各縣公益林小班為抽樣的基本單元,以全部公益林的小班為總抽樣總體,按分層抽樣抽取監(jiān)測小班[14],共設(shè)監(jiān)測小班517個,其中嵊州市96個,東陽市121個,仙居縣103個,縉云縣117個,江山市80個;第2階在全面踏查小班的基礎(chǔ)上,對每個抽樣小班設(shè)置1個典型樣地。

      圖1 公益林群落類型與林齡分布Figure 1 Community types and stand age of public welfare forest

      2.1.2 樣地的設(shè)置 在對固定監(jiān)測小班全面踏查的基礎(chǔ)上,選取典型地段內(nèi)設(shè)置面積為20 m×20 m的固定樣地,詳細(xì)記錄樣地基本信息,包括經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、郁閉度、土壤等環(huán)境因子;樣地內(nèi)喬木層(胸徑大于5.0 cm)采用每木調(diào)查(包括測定樹高、胸徑、冠幅和枝下高等),同時在每塊樣地對角線上均勻設(shè)置3個2 m×2 m的灌草固定小樣方(圖2),詳細(xì)記錄灌木種類、株數(shù)、蓋度、高度以及草本種類、株數(shù)、蓋度等指標(biāo),所有調(diào)查均在2010-2011年完成。

      圖2 樣方設(shè)置示意圖Figure 2 Setting and investigating in sampling site

      2.2 數(shù)據(jù)處理

      2.2.1 重要值 在群落的分析中,重要值的數(shù)值大小可作為群落中植物種優(yōu)勢度的一個度量標(biāo)志,并可以體現(xiàn)群落中每種植物的相對重要性及植物的最適生境,其計(jì)算公式為:①喬木層重要值(%)=(相對高度+相對顯著度+相對多度)/3。其中,相對高度(%)=(某個種的高度/所有種個體高度之和)×100;相對顯著度(%)=(某個種的基徑斷面積/所有種的基徑斷面積之和)×100;相對多度(%)=(某個種的株數(shù)/所有種的總株數(shù))×100。②灌木層、草本層重要值(%)=(相對蓋度+相對多度)/2。其中:相對蓋度(%)=(某個種的蓋度/所有種的總蓋度)×100;相對多度(%)=(某個種的株數(shù)/所有種的總株數(shù))×100。

      2.2.2 靜態(tài)生命表 對樹木種群年齡結(jié)構(gòu)的研究多采用空間代替時間的方法,即以胸徑級代替年齡進(jìn)行分析[17-19]。對于亞熱帶樹種,目前尚無統(tǒng)一的徑級結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn),常以 2~5 cm 劃分為一個徑級[3,20-21],因此,本研究按5 cm為一個徑級統(tǒng)計(jì)各徑級內(nèi)的株數(shù),編制主要優(yōu)勢種群靜態(tài)生命表。靜態(tài)生命表包括如下參數(shù):nx,在x期開始時的存活數(shù);lx,x期開始時的存活率;dx,從x到x+1的死亡數(shù);qx,從x到x+1的死亡率;Lx,從x到x+1期的平均存活數(shù),即Lx=(nx+nx+1)/2;Tx,進(jìn)入x期的全部個體在進(jìn)入x期以后的存活個體總年數(shù),即Tx=∑Lx;ex,x開始時的生命期望或平均余年;Kx,環(huán)境阻力或消失率,表示種群從x期到x+1期間受到的阻力,Kx=ln lx-ln lx+1。

      3 結(jié)果與分析

      3.1 公益林的組成

      將樣地分成浙江省常見的松林、杉木林、針闊混交林、闊葉林、毛竹林和灌木林六大類型[14-15]。本次調(diào)查喬木層樹種共52科103屬263種,灌木層植物59科125屬449種,草本層植物36科56屬286種;群落物種數(shù)依次為針闊混交林>闊葉林>松林>灌木林>毛竹林>杉木林(表2)。多為人工構(gòu)建的杉木林雖然在喬木層密度、平均胸徑和平均樹高上占據(jù)優(yōu)勢,但是植物種單一,群落結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定,物種保育能力也往往不高;而松林多為天然次生林,喬木密度低,林下光照條件好,易于物種的入侵和定居,因此灌木層物種豐富,為向針闊混交林演替儲存了物質(zhì)基礎(chǔ);對于闊葉林而言,由于建國初期的過度利用,其典型的群落已所剩無幾,故在發(fā)育上多為天然次生而來,目前在平均胸徑和平均樹高上均不占優(yōu)勢。

      表2 浙江中部地區(qū)各公益林群落基本情況Table 2 Basic information of public welfare forest community

      對本次調(diào)查中株數(shù)占樣地總株數(shù)1%以上的植物中進(jìn)行重要值分析(表3),喬木層中,馬尾松Pinus massoniana(35.97)為最高;其次為杉木(15.64)和毛竹 Phyllostachys edulis(12.40);木荷 Schima superba,青岡Cyclobalanopsis glauca,黃山松Pinus taiwanensis和楓香Liquidambar formosana等也都有較高的重要值。灌木層中,檵木Loropetalum chinensis(11.84)重要值最高,其次為映山紅 Rhododendron simsii(8.86);此外,柃木Eurya japonica,楓香,箬竹 Indocalamus tessellatus,白櫟 Quercus fabri等也有較高的重要值。草本層中,大葉狼衣 Osmunda japonica(11.84)具有最高的重要值,其次為香附子Cyperus rotundus(15.23)和歐洲蕨 Pteridium aquilinum(8.31),芒 Miscanthus sinensis(4.19),千金子 Leptochloa chinensis(4.15)等。通過比較不同公益林群落植物種的重要值,發(fā)現(xiàn)各個群落在不同層次中的植物種類與組成,普遍具有建群樹種少,樹種構(gòu)成相對集中等特點(diǎn),在灌木層和草本層中尤為明顯,各群落灌木層以檵木、柃木、杜鵑等小喬木為主,而草本層重要值最大均為強(qiáng)陽性的大葉狼衣。各群落喬木層的優(yōu)勢種差異較大,松林和針闊混交林喬木層中的重要值最大的均為馬尾松,分別為83.07和39.80,杉木林則以杉木(73.39)重要值最大,闊葉林以木荷(19.21)和青岡(10.73)共優(yōu),毛竹林以毛竹(93.34)占絕對優(yōu)勢,灌木林則主要由經(jīng)濟(jì)樹種楊梅Myrica rubra(38.99)組成。

      3.2 公益林群落的結(jié)構(gòu)

      3.2.1 徑級結(jié)構(gòu) 中部地區(qū)各公益林群落喬木密度大小不一,因此采用百分比表示各徑級水平上的分布情況更為直觀,中部地區(qū)喬木的平均胸徑為10.2 cm。由圖3A可知:喬木樹種主要分布于5 cm≤胸徑<10 cm徑級,平均為60.53%,徑級分布于10 cm≤胸徑<15 cm的平均為26.39%,徑級分布于15 cm≤胸徑<20 cm的平均為8.62%;徑級分布于20 cm≤胸徑<25 cm的平均為3.01%;徑級分布于胸徑≥25 cm的平均為1.45%。在各群落中徑級為5 cm≤胸徑<10 cm的以闊葉林的比例最高,達(dá)到73.96%,徑級分布于10 cm≤胸徑<15 cm的以闊葉林最低16.48%。因此,群落平均胸徑表現(xiàn)為杉木林(11.2 cm)>松林(10.6 cm)>針闊混交林(10.2 cm)>毛竹林(9.3 cm)>闊葉林(9.0 cm)>灌木林(8.9 cm)。各公益林群落徑級結(jié)構(gòu)雖有不同,卻表現(xiàn)一致的趨勢,均呈現(xiàn)逆 “J”型,即隨著胸徑的增大,喬木樹種數(shù)量的比例逐漸減小。這是由于人類對中部地區(qū)森林資源的過度利用,原始的森林植被遭到巨大的破壞,僅留下少量大徑級的樹木。

      3.2.2 垂直結(jié)構(gòu) 中部地區(qū)公益林的平均高度H為7.3 m,其高度在6 m≤H<10 m的占主要部分,平均為58.58%,其次為高度在2 m≤H<6 m的占30.34%,高度在10 m≤H<14 m的占18.28%,高度在14 m≤H<18 m的占2.67%,高度在10 m≤H<14 m的占0.13%。各公益林群落中,高度在2 m≤H<6 m的以灌木林最高,占81.92%,高度在2 m≤H<6 m的以松林最高,占53.38%,高度在6 m≤H<10

      m和10 m≤H<14 m的均以毛竹林最高,分別占60.02%和8.44%(圖3B)。因此,群落平均樹高表現(xiàn)為毛竹林(10.6 m)>杉木林(7.5 m)=松林(7.5 m)>針闊混交林(7.1 m)>闊葉林(6.4 m)>灌木林(4.3 m),松林、杉木林、針闊混交林、闊葉林等4種公益林群落垂直結(jié)構(gòu)差異不大,毛竹林高度分布呈紡錘型,其高度分布較為合理。

      表3 浙江中部地區(qū)公益林主要植物種重要值Table 3 Important values of main plant species in the central Zhejiang

      圖3 浙江中部地區(qū)公益林徑級(A),垂直結(jié)構(gòu)(B)和林齡結(jié)構(gòu)(C)Figure 3 Structure of diameter(A),vertical(B)and age(C)in the central Zhejiang

      3.2.3 林齡結(jié)構(gòu) 群落的年齡結(jié)構(gòu)決定著群落的徑級和垂直結(jié)構(gòu)。本研究公益林的林齡A為小班內(nèi)優(yōu)勢樹種的平均年齡,取3棵優(yōu)勢樹種的平均木,用生長錐測量,輔以公益林二類資源清查數(shù)據(jù)對照,結(jié)果較為一致。由圖3C可知:毛竹林的林齡均小于10年生,這是由于毛竹林在經(jīng)營上多為隔年留養(yǎng)新竹,隔年采伐老竹。一般6年生老竹就采伐,因而現(xiàn)存毛竹林常是1,3,5年生類型或2,4,6年生類型。除毛竹林外,林齡(A)在A<10 a和10 a≤A<20 a比例以灌木林最大,分別為47.62%和35.71%。林齡在20 a≤A<30 a之間的以針闊混交林最大,分別為 49.43%和林齡在30≤A<40的以松林最大,為29.27%,在40 a≤A<50 a的以闊葉林最大,為13.24%。因此平均林齡依次為闊葉林(26.1 a)=針闊混交林(26.1 a)>松林(24.0 a)>杉木林(23.3 a)>灌木林(12.1 a)>毛竹林(4.4 a),松林、 杉木林、 針闊混交林、闊葉林4種公益林群落年齡結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)紡錘型分布,且差異不大,表明樣方的選擇在林齡上較為一致。

      3.3 優(yōu)勢種群靜態(tài)生命表

      喬木層的優(yōu)勢種往往是群落的建群種,其種群結(jié)構(gòu)直接影響著群落的結(jié)構(gòu)。為此,本研究對中部地區(qū)各公益林群落主要有優(yōu)勢種馬尾松、杉木(演替初期先鋒種)、木荷(演替中期優(yōu)勢種)、青岡(演替后期優(yōu)勢種)[22]編制靜態(tài)生命表(表4),4 個種群密度分別為 476 株·hm-2,260 株·hm-2,102 株·hm-2和 34株·hm-2(毛竹徑生長在1 a內(nèi)完成,楊梅為經(jīng)濟(jì)樹種,故在此不作分析)。從各齡級的存活數(shù)和存活率上看,優(yōu)勢種群隨齡級的增大,其存活數(shù)和存活率均依次減少,種群在齡級Ⅰ和Ⅱ個體數(shù)量豐富,齡級Ⅲ個體數(shù)較多,而齡級Ⅳ和Ⅴ個體數(shù)量下降迅速,為典型的增長型結(jié)構(gòu);從生命期望來看,在齡級Ⅰ~Ⅴ范圍內(nèi),馬尾松、杉木作為演替初期的先鋒種群其生命期逐漸下降,其中木荷作為演替中期優(yōu)勢種群其生命期望先增后減;青岡的生命期望持續(xù)上升,這表明青岡種群作為演替后期優(yōu)勢種更具有保持種群增長的趨勢。浙江中部的杉木林多由人工營建而來,少數(shù)經(jīng)砍伐后萌條更新而成。對于杉木各齡級的生命期望,在齡級Ⅲ和Ⅳ略有上升,為波動式的下降,這與杉木個體壽命較長,同時也與杉木萌條的繁殖方式有關(guān),利于保持杉木種群的穩(wěn)定性。

      對中部地區(qū)公益林群落主要優(yōu)勢種群各齡級種群的死亡率與環(huán)境阻力之間的關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果表明:兩者相關(guān)性顯著,P值分別為馬尾松0.829,杉木0.867,木荷0.765,青岡0.950。曲線擬合結(jié)果如圖4。種群死亡率隨著環(huán)境阻力的增大而升高,環(huán)境阻力是導(dǎo)致個體死亡的主要原因,在齡級Ⅰ~Ⅳ范圍內(nèi),馬尾松種群隨著齡級的增加,其所遇到環(huán)境阻力持續(xù)增加,導(dǎo)致死亡率逐漸增大,個體數(shù)量也相應(yīng)減少;杉木種群則隨著齡級的增加,環(huán)境阻力先增后降,在齡級Ⅱ達(dá)到最大(Kx=1.32),在齡級Ⅰ為最低(Kx=0.51),死亡率也先增后減;木荷種群也表現(xiàn)出死亡率隨環(huán)境阻力先增后降的規(guī)律,環(huán)境阻力和死亡率在齡級Ⅱ達(dá)到最大(Kx=1.36,Dx=0.75),在齡級Ⅳ降到最低(Kx=0.82,Dx=0.22);青岡種群則隨著齡級的增加死亡率隨環(huán)境阻力持續(xù)減小。也就是說,馬尾松和杉木作為先鋒樹種在演替初期在群落中占有優(yōu)勢,在后期種群逐漸衰退,導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境的改變,為演替中期優(yōu)勢種木荷和后期優(yōu)勢種青岡種群的增長創(chuàng)造了條件,這符合正向演替的趨勢。

      表4 浙江中部地區(qū)公益林主要優(yōu)勢種靜態(tài)生命表Table 4 Static life of dominant species in central Zhejiang

      圖4 不同齡級優(yōu)勢種死亡率與環(huán)境阻力的關(guān)系Figure 4 Relationship between mortality and environmental resistance of dominant species in different age class

      4 討論

      中部地區(qū)是浙江省的生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域,其公益林質(zhì)量高于全省整體水平,但于人類對中部地區(qū)森林資源的過度利用,原始的森林植被遭到巨大的破壞,僅留下少量大徑級的樹木,且仍以松林、杉木林為主,2種群落占52.87%,因此,目前浙江中部地區(qū)的公益林在組成上具有優(yōu)勢種相對單一,喬木層建群樹種少、樹種構(gòu)成相對集中,下木層樹種豐富且構(gòu)成相對合理等特點(diǎn),物種保育能力和群落穩(wěn)定性都亟待提升。

      通過對主要優(yōu)勢種群靜態(tài)生命表的分析發(fā)現(xiàn),建群種在群落的構(gòu)建過程中具有控制作用,不同演替階段優(yōu)勢種群在生活史對策上存在差異,在齡級增加時對環(huán)境阻力諸如光照、水分、種間關(guān)系等因子以及這些因子隨群落正向演替而變化時表現(xiàn)出不同耐受能力。同時,中部地區(qū)頻繁的人為經(jīng)營,使得人工林、天然林、天然次生林混雜交錯,尤其是人工林往往經(jīng)歷了經(jīng)營(擇伐、皆伐、撫育等)—封育的過程。本研究中,馬尾松個體在松林、杉木林、針闊混交林、闊葉林、毛竹林、灌木林中的分布比例為48.19%,3.23%,46.59%,1.11%,0.40%,0.47%;而杉木在各群落中的分布比例為5.90%,41.69%,48.12%,2.14%,1.53%,0.63%。表明在人為和自然因子的干擾下,馬尾松和杉木2個種群均與其他樹種存在較高程度的混交。因此在齡級Ⅳ時,各種群的環(huán)境阻力為馬尾松>杉木>木荷>青岡。而這一過程的進(jìn)展,加速了群落結(jié)構(gòu)的變化,促進(jìn)了群落演替的發(fā)生,可見群落結(jié)構(gòu)的特征是優(yōu)勢種群生活史對策和群落結(jié)構(gòu)變化相互作用的結(jié)果。但由于闊葉林的建群種木荷、青岡等種群目前密度很低,且在齡級較低階段生命期望相比演替先鋒種群不占優(yōu)勢,在徑級和高度上與其他群落存在差距。因此在今后公益林的經(jīng)營中注重對優(yōu)勢種群的撫育,對改造和提升闊葉林的質(zhì)量,加速群落正向演替尤為重要。

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