江 蕾 ,鄧湘雯 ,2,黃小健 ,劉豪健 ,彭長(zhǎng)輝 ,4
(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410004;3. 邵陽(yáng)縣林業(yè)局,湖南 邵陽(yáng) 422100;4. Institute of Environment Sciences, University of Quebec at Montreal, Montreal H3C 3P8, Canada)
邵陽(yáng)縣石漠化植被恢復(fù)濕地松人工林林分結(jié)構(gòu)的研究
江 蕾1,鄧湘雯1,2,黃小健3,劉豪健3,彭長(zhǎng)輝1,4
(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410004;3. 邵陽(yáng)縣林業(yè)局,湖南 邵陽(yáng) 422100;4. Institute of Environment Sciences, University of Quebec at Montreal, Montreal H3C 3P8, Canada)
石漠化植被恢復(fù)已受到人們的廣泛關(guān)注。濕地松前期生長(zhǎng)快,是湘西南石漠化植被恢復(fù)的首選樹(shù)種之一。以邵陽(yáng)縣石漠化植被恢復(fù)濕地松人工林為研究對(duì)象,采用隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)地法對(duì)濕地松林分進(jìn)行調(diào)查,分別研究了不同石漠化程度下濕地松人工林的群落結(jié)構(gòu)、胸徑和樹(shù)高結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:濕地松人工林林下植被共有21科27種,其中灌木6科,6種,草本15科,21種;3類(lèi)石漠化程度下濕地松林下植被種類(lèi)從高到低排序?yàn)椋狠p度(59.0%)>中度(37.0%)>重度(25.9%)。輕度石漠化濕地松林直徑分布呈正態(tài)分布,生長(zhǎng)狀況良好,其余兩個(gè)立地條件下的直徑分布不規(guī)則,不符合一般人工林徑級(jí)分布規(guī)律。樹(shù)高分布中,輕度石漠化人工林分布曲線呈正態(tài)分布,長(zhǎng)勢(shì)良好;中度石漠化林分樹(shù)高分布較集中,主要在6~7 m,小樹(shù)較少;重度石漠化樹(shù)高分布范圍廣,且尖峭,樹(shù)高生長(zhǎng)主要受土壤等立地條件的影響,受林分密度的影響較??;中度和重度樹(shù)高生長(zhǎng)呈現(xiàn)散生木的生長(zhǎng)特征;立地條件的優(yōu)劣決定了整個(gè)林分的樹(shù)高和胸徑結(jié)構(gòu)。
石漠化;植被恢復(fù);群落結(jié)構(gòu);直徑結(jié)構(gòu);樹(shù)高結(jié)構(gòu);邵陽(yáng)縣
喀斯特石漠化是土地荒漠化的主要類(lèi)型之一[1],全球現(xiàn)有石漠化土地面積約3600萬(wàn)km2,占陸地總面積的四分之一,遍布全球六大洲的110個(gè)國(guó)家,10億多人口面臨荒漠化災(zāi)害的威脅。我國(guó)是世界上荒漠化程度最嚴(yán)重的國(guó)家之一,西南地區(qū)的石漠化程度尤為嚴(yán)重[2]。石漠化不僅破壞了人類(lèi)社會(huì)的生存和發(fā)展,而且威脅喀斯特山區(qū)人們賴以生存的自然環(huán)境,并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。尤其是近幾十年來(lái),由于氣候的變化、人類(lèi)活動(dòng)影響的加劇,土地資源的不合理利用和過(guò)度開(kāi)發(fā),森林植被破壞,更是嚴(yán)重制約了石漠化地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。在自然界中森林植被是維護(hù)生態(tài)平衡的主體,具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土等巨大的功能和作用[4]。因此,對(duì)石漠化地區(qū)植被恢復(fù)情況的研究,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
由于石漠化地區(qū)植被恢復(fù)難度大,樹(shù)木成活率低,石漠化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)演替方向和進(jìn)度不同于一般的生態(tài)系統(tǒng)。如果采用的方法和手段不正確,常常會(huì)出現(xiàn)逆行演替[5]。解決喀斯特石漠化地區(qū)突出生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,最直接的方式便是選擇適應(yīng)性強(qiáng)、水土保持效果較好且又具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的樹(shù)種。通過(guò)前期的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)濕地松是石漠化治理工作中的先鋒樹(shù)種。具有早期生長(zhǎng)迅速快,干形通直,木材質(zhì)量好,含脂量高、適生區(qū)域廣等特點(diǎn)[6]。林分直徑株數(shù)分布規(guī)律及林下植物群落特征是林分結(jié)構(gòu)的基本特征,是樹(shù)種生長(zhǎng)環(huán)境條件及經(jīng)營(yíng)措施長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果[7],對(duì)闡明森林生態(tài)系統(tǒng)的形成與維持、群落的穩(wěn)定性與演替規(guī)律、種群的生態(tài)特征和更新、適地適樹(shù)、科學(xué)經(jīng)營(yíng)管理具有重要的意義[8-11]。本文通過(guò)對(duì)濕地松人工林的調(diào)查分析,研究石漠化地區(qū)林分結(jié)構(gòu)特征及林下植被特征,探索已退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)途徑,為石漠化地區(qū)植被恢復(fù)模式的構(gòu)建和人工林群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)選在湘西南石漠化比較嚴(yán)重的湖南省邵陽(yáng)縣谷洲鎮(zhèn),位于湘中偏西南,地理位置為東經(jīng) 111°29′,北緯 27°5′,海拔 200 ~ 1 454.9 m。邵陽(yáng)縣喀斯特面積占全縣面積74.9%,地處丘陵盆地西南邊緣向山地過(guò)渡地帶,是巖溶丘陵地帶。屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)侯,年平均氣溫16℃~17.8℃,晝夜溫差大,年平均無(wú)霜期288天,年平均降水量1 255 mm,年平均蒸發(fā)量1 180 mm,具有溫和濕潤(rùn)、陽(yáng)光充足、雨量充沛、無(wú)霜期長(zhǎng)、冰凍期短的特點(diǎn)。調(diào)節(jié)氣候的能力差,地下水位低,地下水蓄量少,既不能承受干旱,也不能抵抗洪澇,對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)和承受能力差。土壤以紅色石灰土為主。
采取隨機(jī)取樣的方法在不同立地條件和密度的濕地松人工林中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地。根據(jù)石漠化程度(輕度、中度、重度),在每種石漠化類(lèi)型中設(shè)置一個(gè)面積為20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地。在所選標(biāo)準(zhǔn)地中對(duì)喬木層逐株調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括植物組成、胸徑、樹(shù)高、枝下高、株數(shù)、冠幅等;林下植物調(diào)查分灌木層和草本層進(jìn)行樣方調(diào)查,在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各設(shè)3個(gè)灌木樣方(2 m×2 m)和3個(gè)草本植物樣方(l m×l m),灌木層主要調(diào)查植物組成、株數(shù)、高度、蓋度,草本層主要調(diào)查植物組成、高度、蓋度、多度。
表1 3種濕地松人工林的測(cè)樹(shù)因子Table 1 Investigated factors of three different stands of P. elliottii plantation
采用徑階整化來(lái)統(tǒng)計(jì)樹(shù)高和直徑徑階分布。即采用上限排外法,直徑以每 2 cm為1個(gè)徑階,樹(shù)高以1 m為一個(gè)徑階進(jìn)行整化,以組中值表示該徑階。并根據(jù)濕地松人工林林分調(diào)查的數(shù)據(jù),計(jì)算各徑階平均胸徑、平均樹(shù)高及相應(yīng)株數(shù)、建立樹(shù)高-胸徑關(guān)系模型。應(yīng)用Excel軟件包中的均數(shù)比較分析、方差分析、相關(guān)分析等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與處理。
3.1.1 組成結(jié)構(gòu)
谷洲鎮(zhèn)濕地松人工林多為較純的濕地松林,也有伴有少量的側(cè)柏Platycladus orientalis、楓香Liquidambar formosana Hance等。人工林為2003年造,屬于同齡林,林相比較整齊,結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。從垂直結(jié)構(gòu)上看,可分為喬、灌、草三層。喬木層平均樹(shù)高為6.1 m ,胸徑為11.6 cm。灌木層種類(lèi)較少。第三層草本層的種類(lèi)較多,優(yōu)勢(shì)種明顯。
3.1.2 林下植被分布
林下植物的多少影響林下天然更新、林地水源涵養(yǎng)與水土保持等生態(tài)功能,反映了立地條件的狀況[11]。而灌木生長(zhǎng)的多少與好壞說(shuō)明了土壤條件的好與差,即土壤條件越好,灌木種越多,生長(zhǎng)也越好。從表2中可以看出:林下灌層種類(lèi)較少,共有6科,6種。輕度石漠化濕地松林的土壤條件要優(yōu)于中度和重度石漠化程度下林下土壤條件。輕度石漠化濕地松林分灌木種類(lèi)最多,有胡頹子Eleagnus pungens、構(gòu)骨llex cornuta Thunb、粗葉懸鉤子Rubus alceaefolius、野漆樹(shù)Toxicodendron succedaneum;其次是中度石漠化,有柚子樹(shù)Citrus maxima、假煙葉樹(shù)Solanum erianthum、粗葉懸鉤子3種;重度石漠化濕地松林下灌木層只有粗葉懸鉤子Rubus alceaefolius一種。
草本植物共15科,21 種。其中,輕度石漠化中,草本植物有9科,11種;中度石漠化中,草本植物有5科,8種;重度石漠化中,草本植物有5科,6種。菊科Compositae植物共5種,為飛蓬Erigeron acer、野茼蒿Gynura crepidioides、蟛蜞菊Wedelia chinensis、 香 絲 草 Conyza bonariensis、 野菊花Dendranthema indicum,占林下草本植物種數(shù)的24%;禾本科Poaceae有芒Miscanthussinensis、白茅Imperata cylindrical、狗牙草Cynodondactylon占林下草本植物種數(shù)的14.3%;另外還有唇形科Labiatae的風(fēng)輪菜Clinopodium chinense、薔薇科Rosaceae的空心泡Rubus rosaefolius、旋花科Convolvulaceae的馬蹄金Dichondra repens forst、鴨跖科Commelinaceae的鴨趾草Commelina communis、海金沙科Lygodiaceae的海金沙Lygodium japomicum、烏毛蕨科Blechnaceae的烏Blechnum orientale、鐵線蕨科Adiantaceae的扇葉鐵線蕨Adiantum flabellulatum、毛茛科Ranunculaceae的 天 葵Semiaquilegia adoxoides、報(bào)春花科Primulaceae的珍珠菜Lysimachia clethroides、蕨科Pteridiaceae的新月蕨Pronephrium gymnopteridifrons、夾竹桃科Apocynaceae的絡(luò)石Trachelospermum jasminoides、蔥科Alliaceae的野蔥Allium chrysanthum Regel、薯蕷科Dioscoreaceae的薯蕷Dioscorea等13科的13種草本植物。
3類(lèi)石漠化樣地的濕地松林林下植被種類(lèi)從高到低排序?yàn)椋狠p度>中度>重度。隨著石漠化程度的加劇,濕地松林林下植被種類(lèi)逐漸減少。即: 輕度石漠化濕地松林林下灌木層和草本層種類(lèi)最多,占植被種數(shù)的59.0%,中度次之為37.0%,重度石漠化為25.9%,其中灌木僅一種。說(shuō)明輕度石漠化濕地松林下環(huán)境更有利于林下植物的生長(zhǎng)。
表2 不同石漠化程度濕地松人工林下植被物種組成結(jié)構(gòu)Table 2 Understory’s species structure of P. elliottii plantation forest with three different rock desertification degree
3.2.1 直徑結(jié)構(gòu)
林木個(gè)體大小的數(shù)量分布能反映出林分生長(zhǎng)狀況和林木之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,是林分結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)[12-13]。在不同石漠化和人類(lèi)活動(dòng)的干擾(砍伐、管理等)下,相同林齡的濕地松人工林直徑分布存在著顯著的差異[14]。從圖1和表3可以看出,輕度石漠化樣地徑階分布最廣,分布范圍在3.2~16.8 cm 之間,分布曲線向其兩端徑級(jí)逐漸減少的單峰左右似對(duì)稱(chēng)曲線,近似于正態(tài)分布(偏度0.481,峰度-0.716),10~14 cm徑階株數(shù)分布較多,占總數(shù)的75%左右,而在4 cm、6 cm、16 cm的徑階株數(shù)分布較少,這表明輕度石漠化樣地的人工林生長(zhǎng)情況比較良好,有待進(jìn)一步發(fā)育為成熟林分。中度石漠化濕地松樣地直徑分布范圍比較小,分布比較集中,僅有三個(gè)徑階,最大值為14.4 cm,最小值為9.8 cm。此立地條件下以孤立木為主,相比輕度石漠化樣地缺少小徑階的林木,樣地內(nèi)沒(méi)有自然更新。重度石漠化地區(qū)直徑分布范圍在5.8~14.7 cm之間,沒(méi)有的較大16 cm和較小徑階4 cm林木,直徑分布曲線比較平緩,分布比較均勻。輕度石漠化中濕地松人工林林木生長(zhǎng)較好,直徑結(jié)構(gòu)分布合理,而中、重度石漠化林分直徑結(jié)構(gòu)分布不規(guī)則,不符合人工林直徑結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律。造成這種情況的原因可能是因?yàn)橹小⒅囟仁斯ち謨?nèi)土壤表層較薄,土壤營(yíng)養(yǎng)流失較快,不利于林木的自然更新與發(fā)展。因此濕地松人工林直徑分布主要受立地條件(土壤)的影響,受密度影響甚小。
圖1 不同石漠化程度下濕地松人工林直徑結(jié)構(gòu)分布Fig.1 Diameter class distribution with different rock desertification degree of P. elliottii plantation forest
表3 不同石漠化程度徑階分布的峰值和偏斜度Table 3 Peak value and skewness of diameter distribution with different rock desertification
3.2.2 樹(shù)高結(jié)構(gòu)
圖2和表4描述了不同石漠化程度濕地松人工林樹(shù)高分布狀況。從圖中可以看出林分內(nèi)最小樹(shù)高級(jí)為4 m,最大樹(shù)高級(jí)為10 m,樹(shù)高級(jí)數(shù)為2~7個(gè)。輕度石漠化樣地,樹(shù)高分布曲線呈正態(tài)分布,樹(shù)高分布范圍大,在3.3~8.7 m之間,但樹(shù)高主要集中在6 m、7 m的樹(shù)高級(jí)處,占總體株數(shù)的90%,在4 m、9 m的株數(shù)分布最少,占株數(shù)的5%左右。中度石漠化樣地內(nèi)樹(shù)高分布集中,只有6 m和7 m兩個(gè)樹(shù)高級(jí),各占總株數(shù)的71%和29%,林分內(nèi)缺少小樹(shù)。重度石漠化樣地的樹(shù)高分布比較離散且十分尖俏(峰度15.025),在6 m樹(shù)高級(jí)分布的株數(shù)最多為62%,7 m和10 m的樹(shù)高級(jí)分布最少。中度和重度樹(shù)高生長(zhǎng)均呈現(xiàn)散生木的生長(zhǎng)特征。3類(lèi)石漠化樣地的濕地松平均樹(shù)高按大小排序?yàn)椋狠p度(6.5 m) >中度>(6.1 m)>重度(5.7 m)。說(shuō)明樹(shù)高生長(zhǎng)受林分密度的影響較小,立地條件的優(yōu)劣程度決定了樹(shù)高生長(zhǎng)狀況。
圖2 不同石漠化程度下濕地松人工林樹(shù)高分布Fig. 2 Tree height distribution of P. elliottii plantation forest with different rock desertification degree
表4 不同樣地樹(shù)高分布的峰值和偏斜度Table 4 Peak value and skewness of tree high distribution with different rock desertification degree
(1)濕地松人工林林下植被共有27種,其中灌木7種,草本21種。灌木主要以粗葉懸鉤子和構(gòu)骨為主。草本以芒、白茅、飛蓬為主。3類(lèi)石漠化樣地的濕地松林林下植被種類(lèi)從高到低排序?yàn)椋狠p度>中度>重度。隨著石漠化程度的加劇,濕地松林林下植被種類(lèi)逐漸減少。輕度石漠化濕地松林的土壤條件要優(yōu)于中度和重度石漠化程度下林下土壤條件,更有利于林下植物的生長(zhǎng)。
(2)濕地松人工林在3種不同石漠化程度下,呈現(xiàn)出不同的直徑徑階分布規(guī)律。輕度石漠化濕地松人工林的徑階分布范圍最廣,且呈近似于正態(tài)分布,徑階分布合理。中度石漠化的林分直徑結(jié)構(gòu)分布集中,分布范圍主要集中在9.8~14.4 cm,缺少小徑階林木,以孤立木為主。重度石漠化地區(qū)徑階分布曲線比較平坦,分布比較均勻。一般情況下,密度小的林分比較有利于胸徑生長(zhǎng)這是因?yàn)闃?shù)木的生長(zhǎng)空間大,光照、養(yǎng)分等資源比較充分,有利于樹(shù)木橫向生長(zhǎng)[15],但從上述結(jié)果中可以看出,隨著石漠化程度的加劇,林分密度的減少,林分直徑徑階結(jié)構(gòu)反而越不合理。這說(shuō)明密度不是影響直徑徑階結(jié)構(gòu)的主要因素,石漠化程度是影響林木直徑生長(zhǎng)的主要因子。
(3)不同石漠化程度下樹(shù)高分布也明顯不同。輕度石漠化程度下林分的樹(shù)高分布呈現(xiàn)正態(tài)曲線分布,中度石漠化林木樹(shù)高分布集中在兩個(gè)樹(shù)高級(jí)范圍內(nèi),重度石漠化樹(shù)高分布比較尖峭且分布較廣。一般樹(shù)高和林分密度具有一定的關(guān)系性。密度越小,接受的光照越充分,樹(shù)木長(zhǎng)的越高。但是濕地松人工林并沒(méi)有隨著密度的減小,林木的長(zhǎng)勢(shì)越好。說(shuō)明樹(shù)高生長(zhǎng)受林分密度的影響較小,立地條件的優(yōu)劣決定了樹(shù)高分布情況。
(4)綜上所述,輕度石漠化濕地松人工林直徑、樹(shù)高結(jié)構(gòu)最接近正態(tài)分布,徑階分布合理,其余兩種立地條件下的林分胸徑、樹(shù)高分布不符合人工林一般分布規(guī)律。因此建議對(duì)濕地松人工林的中度和重度立地條件下人工林進(jìn)行林分小環(huán)境改善從而調(diào)控林分徑階結(jié)構(gòu)向正態(tài)型分布過(guò)渡,提高林分質(zhì)量。林下木本層、草本層植物以輕度石漠化的為好,因而,建議在中度、重度人工林內(nèi),改善土壤營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)林下植被更好的生長(zhǎng)以及增加林下植被多樣性,以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。但本研究只對(duì)植被恢復(fù)前期濕地松人工林的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,沒(méi)有對(duì)以后幾年的林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)研究。由于石漠化生境的特殊性,因此,應(yīng)當(dāng)通過(guò)長(zhǎng)期的更為細(xì)致的定位觀察,按年、月來(lái)評(píng)估石漠化地區(qū)的生態(tài)效益[16]。從而更好地為石漠化地區(qū)植被恢復(fù)、退耕還林提供完善的科學(xué)依據(jù)。
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Stand structure of Pinus elliottii plantation in rocky desertification area in Shaoyang county, Hunan province
JIANG Lei1, DENG Xiang-wen1,2, HUANG Xiao-jian3, LIU Hao-jian3, PENG Chang-hui1,4
(1. School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004; 2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004; 3.Forestry Bureau of Shaoyang County,Shaoyang, 422100, Hunan, China; 4. Institute of Environmental Science, University of Quebec at Montreal, Montreal H3C 3P8, Canada)
Vegetation restoration in rock desertification land is attracting people’s widespread concern. As a pioneer tree species in the southwest of Hunan province, Pinus elliottii grows quickly in the early growth stage. Based on the of sample investigation in standard plots of different rocky desertification degree of P. elliottii forest, theirs community structure, DBH and tree height distribution were compared and analyzed. The results show that there were 27 species of 21 families in the understory vegetation, including 6 shrub species of 6 families and 21 herbaceous species of 15 families; The species of P. elliottii forests under three different rocky desertification degrees were: slight (59.0%)> moderate (37.0%)>intense desertification (25.9%); The diameter distribution of slight degree was close to normal distribution which indicated the trees grows well; The diameter distribution of the other two site distributed irregularly and were inconformity with the general diameter distribution of plantation; In the tree height structure, the distribution curve of stand of intense rock desertification was similar to diameter distribution;The H-distribution of moderate rocky intense desertification degree was relatively concentratedly and mainly distributed between 6 meters and 7 meters with less sapling; The range of H-distribution of moderate rocky desertification degree was widely and the curve was very sharp; Tree height was more affected by the site conditions(the soil) than stand density; Trees showed a scattered distribution in the moderate and intense desertification stands; Height and DBH distribution of the study stands were determined by the quality of site conditions.
rocky desertification; vegetation restoration; structure of community; DBH distribution; tree height distribution; Shaoyang county
S791.246
A
1673-923X(2013)04-0082-05
2013-01-05
國(guó)家林業(yè)局石漠化定位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(20110531);湖南省“芙蓉學(xué)者計(jì)劃”項(xiàng)目;中南林業(yè)科技大學(xué)引進(jìn)高層次人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(104-0081)
江 蕾(1987-),女,湖南懷化人,碩士研究生,主要從事城市生態(tài)學(xué)研究工作
鄧湘雯(1968-),男,湖南邵陽(yáng)人,博士,教授,主要從事森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究和林火生態(tài)學(xué)研究;E-mail:dxwfree@126.com
[本文編校:吳 彬]