文章信息
- 黄志伟, 余树全, 胡庭兴, 应尚蛟.
- Huang Zhiwei, Yu Shuquan, Hu Tingxing, Ying Shangjiao
- 不同木荷防火林带建设模式群落学特征比较
- Community Characteristics in Different Patterns of Schima superba Biological Fire-Protection Forest Belts
- 林业科学, 2008, 44(1): 101-106.
- Scientia Silvae Sinicae, 2008, 44(1): 101-106.
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文章历史
- 收稿日期:2006-09-07
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作者相关文章
2. 西藏自治区昌都地区林业局 昌都 854000;
3. 四川农业大学林学园艺学院 雅安 625014;
4. 浙江省永康市林业局 永康 321300
2. Changdu Forestry Bureau of Autonomous Region of Tibet Changdu 854000;
3. College of Forestry and Horticulture, Sichuan Agricultural University Ya'an 625014;
4. Yongkang Forestry Bureau of Zhejiang Province Yongkang 321300
森林火灾被认为是21世纪最严重的自然灾害之一。火灾后, 如果不能及时恢复植被, 就会引起山洪暴发、山体滑坡、水土流失、土壤贫瘠化、地下水位降低等自然灾害的发生。在森林火灾多发地区建立生物防火林带, 利用生物之间的差异性降低森林自身的燃烧性, 提高森林阻火能力, 改变火环境, 从而达到阻火、隔火和断火的作用, 对于减少森林火灾损失具有十分重要的意义和作用。木荷(Schima superba)生物防火林带的营建在我国已经开展多年, 对树种的防火性能、营造模式、林带防火机理和应用效益等方面开展了大量的研究(舒立福等, 1999; 田晓瑞等, 2001; 杨建生等, 2005; 李振问, 1997; 阮传成等, 1995; 刘爱荣等, 1994; 林中大等, 2006), 但有关群落动态、群落学特征的研究报道甚少, 仅对原生木荷群落的种群动态规律和林分特征做了初步研究(程煜等, 2006; 俞益武等, 1999; 蔡飞等, 1997)。为正确认识防火树种在生物防火林带建设中的地位和作用, 本研究以人工木荷生物防火林带为研究对象, 对林带群落学特征开展了一系列的研究, 试图揭示现有的营造措施对木荷生物防火林带群落学特征的影响规律, 为客观评价和合理地改革防火林带建设技术, 建立科学的生物防火林带建设管理体系提供理论依据。
1 研究区概况研究区位于浙江永康、建德2市。2地以低山丘陵为主, 属中亚热带湿润季风气候, 受大陆东岸季风影响明显, 温暖湿润, 阳光充足, 四季分明。年平均温度为17 ℃左右, 最热月(7月)平均气温29 ℃, 最冷月(1月)平均气温4.3 ℃, 无霜期平均245~254 d, 年平均降水量1 450~1 500 mm, 年平均相对湿度77%, 全年日照1 941 h。大部分土壤为发育较典型的红壤, 部分为山地型黄壤, 土壤呈酸性反应, 有机质含量中等偏下。主要植被有马尾松(Pinus massoniana)针叶林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林、木荷常绿阔叶林等。
根据木荷生物防火林带起源的不同, 将建设模式分为以下3种。从火烧迹地开始的新建模式:该类型主要是对山脚田边、城镇周边的火烧迹地。此类型地处火灾频发区域, 造林树种选择低矮的经济林木, 如油茶(Camellia oleifera)、茶树(C.sinensis), 高密度种植形成紧密结构林墙。也可选用常绿的木荷、乳源木莲(Manglietia yuyuanensis)、秃瓣杜英(Elaeocarpus glabripetalus)等树种, 种植点的配置有行列状、梅花型和混合型等几种方式, 乔木树种的株行距以2 m×2 m或2 m×3 m为宜, 具体应视树种特性和立地条件而异。
从木荷幼林开始的改建模式:此类林分主要是木荷林被火烧或人工砍伐后的萌生而成, 建设措施以除萌抚育和斑块补植相结合为主。采取“去密留疏”、“去小留大”、“去弱留强”、“去弯留直”等抚育手段, 保持适当的种群密度以降低群落的郁闭度, 促使群落尽快成林。对存在斑块裸地的木荷幼林, 引入其他耐荫常绿阔叶树种, 造林苗木宜以2~3年生容器壮苗为好, 确保苗木定植后在短期内快速生长, 避免杂草的强烈竞争和干扰。
从马尾松针叶林开始的改建模式:对乔木层郁闭度0.4以下、层次单一, 灌木盖度20%、草本盖度50%以下的马尾松林, 可选用香樟(Cinnamomum camphora)、甜槠(Castanopsis eyrei)、苦槠(Castanopsis sclerophylla)、石栎(Lithocarpus glaber)、木荷等地带性常绿阔叶树种直接林下补植。对林分密度较大、树冠狭小, 林下几乎无灌木或草本的马尾松林可采取间伐补种的办法, 主要伐除病木、老木和其他衰退木, 改善林下光照条件和林分结构。补种树种仍以木荷、杜英等树种为主。间伐方式可采用小面积间隔皆伐或间伐, 小面积间隔皆伐的程度应控制在不破坏森林植被的前提下进行, 间伐强度以20%~30%为宜。对于林下有大量的阳生性灌木和木荷等常绿阔叶树种的马尾松针阔叶混交林可采取抚育改造的办法, 间伐强度可以达到30%~50%, 去除大量阳生性灌木, 保留木荷等近演替顶极(或演替顶极)的常绿阔叶树种, 减少竞争, 使木荷等目标树种尽快形成常绿乔木层, 创造常绿阔叶林的群落内环境, 然后引入顶极群落的其他种源或种苗, 使其快速全面恢复为地带性植被。
2 研究方法 2.1 样地设置及群落调查以恢复时间均在8~10年左右的3种木荷生物防火林带为研究对象, 在生境条件基本相同的典型地段, 分别对3种建设模式进行群落调查。每种类型分别设置5~9个标准样方, 样地面积20 m×20 m。在标准地内以“十字交叉”法设5个5 m×5 m灌木层样方, 草本层在上述灌木样方内设1 m×1 m小样方。对每块样地记载地理位置、地形、地貌、土壤状况、植物种类组成、群落结构层次, 调查内容包括:1)乔木层。测定树高>4 m, 胸径>2.5 cm的所有木本植株, 包括大型的木质藤本, 记录树种名、胸径、树高、郁闭度; 2)灌木层。测定树高 < 4 m的所有植株, 包括乔木幼苗幼树、灌木及藤本植物, 记录种类、个体数(丛数)、高度及覆盖度; 3)草本层。记录种类、丛数、高度和覆盖度。对于缺乏乔木层的群落, 按照森林中灌木层、草本层的调查内容和方法进行调查和统计。
2.2 生活型、叶性质等的统计应用Raunkiaer分类系统制定植物生活型谱和叶级谱, 采用Paijmans叶质等级分类系统, 制定研究区植物叶型谱(Mueller-Dombois et al., 1986)。
2.3 分析方法1) 物种多样性。选用Simpson指数(DS)和Shannon-Wiener指数(H)多样性指数对不同生物防火林带群落物种多样性进行定量测度。
Simpson指数:DS=1-Σ[Ni(Ni-1)/N(N-1)]; Shannon-Wiener指数:H=-ΣPilog2Pi, Pi=Ni/N。式中:N为物种个体总数, Ni为第i种的个体总数, Pi为第i个种的个体数占样地中所有种的总个体数的比例。
2) 物种丰富度。本文采用Margalef指数:R1=(S-1)/lnN。式中:S为群落中物种的种数即丰富度; N为观察到的个体总数。
3) 群落均匀度。选用Simpson均匀度指数:E=H/Hmax; Hmax=log2S。式中:H为物种多样性Simpson指数, Hmax为最高多样性指数, S为物种数目。
4) 重要值的计算。重要值=(相对多度+相对频度+相对优势度)/3。其中:相对多度(%)=100×某个种的株数/所有种的株数; 相对频度(%)=100×某个种在样方中出现的次数/所有种出现的总次数; 相对优势度(%)=100×某个种的优势度/所有种的优势度之和。
优势度在不同的生长型植物中有不同的内涵, 乔木个体的优势度为林木的胸高断面积; 灌木和草本植物的优势度为覆盖度(胡正华等, 2003)。
3 结果与分析 3.1 群落的外貌特征 3.1.1 生活型谱根据Raunkiaer生活型谱, 在木荷所在群落中, 高位芽植物占绝对优势(表 1), 分别为85.7%、84.2%、82.8%, 地上芽植物和1年生植物种类较少, 符合亚热带地区以高位芽植物为优势生活型, 地面芽植物次之, 地上芽植物、地下芽植物和1年生植物较少的基本特征。与浙江木荷常绿阔叶林相比(胡正华等, 2003), 高位芽植物比例接近, 但构成有所不同, 虽都以小高位芽植物种类为主, 但大、中、小高位芽植物比例较后者都有所上升, 偶见矮高位芽和藤本高位芽植物存在, 这与木荷生物防火林带的群落功能所要求条件是符合的。综上所述, 常绿高位芽植物是木荷群落的主要组成成分, 决定着群落的外貌特征。
根据Raunkiaer分类系统, 本群落组成植物的叶级以中、小型叶占多数(表 2), 分别占总数的21.4%~41.4%和41.4%~64.3%, 大型和微型叶只占很小一部分, 分别占3.4%~7.1%和14.3%~17.2%, 未见巨型叶; 这种叶谱反映了本群落地处中亚热带的气候特点, 反映出与木荷天然林基本一致的规律。叶型以单叶为主; 叶质以革质叶为主, 草质叶次之; 非全缘叶与全缘叶比例差异不大。因此, 小型和中型叶、单叶、革质和草质的种类是木荷群落的主要成员。
成年木荷生物防火林带群落树冠层波浪起伏, 林相终年常绿, 外观呈深绿色, 多数木荷的主干低矮, 分枝密集, 树冠为半球形或顺坡稍有偏斜, 同一植株向阳和背阴面的长势差别不大, 林地枯枝落叶层较厚, 林冠透光度小。火烧迹地新建和木荷幼林改建初期的木荷防火林带, 林地光照强烈, 林相单一, 植物分布均匀, 高度较一致, 以灌木和草本为主, 入秋后出现黄褐色斑块。
3.2 群落多样性群落在组成和结构上表现出的多样性是认识群落的组织水平和功能状态的基础, 也是生物多样性研究中至关重要的方面, 对于揭示群落与环境的关系有着十分重要的作用。
3.2.1 物种多样性变化物种多样性是物种丰富度和均匀度的积, 是物种均匀度加权了的物种丰富度, 是群落的种数、个体总数及均匀度的综合概念, Simpson指数是对集中性度量的反面而产生的多样性测度; Shannon-Wiener指数是将丰富度和均匀度综合起来的一个量, 二者均能较好的测度物种多样性。根据样地调查资料, 进行计算, 结果列于表 3。
表 3表明:火烧迹地新建模式由于恢复时间短, 尚未形成乔木层; 木荷幼林和马尾松针叶林2种建设模式, 乔木层的物种多样性并没有明显的差异, 与木荷天然林相比, 物种多样性也明显偏低; 灌木层的物种多样性以马尾松针叶林改建模式和火烧迹地新建模式为高, 由于群落郁闭度低, 林下光照充足, 所以灌木层发育良好, 植物种类和个体数较多, 并且从分布上看也比较均匀, 所以物种多样性较高, Shannon-Wiener指数分别为2.342 4, 2.749 3, 同木荷天然林相比较, 多样性指数差异不大, 但均匀度较木荷天然林有所降低, 不如木荷天然林稳定。而木荷幼林改建模式由于乔木层郁闭度大, 林下光照不足, 个体数较多, 所以灌木层的物种多样性偏低, Shannon-Wiener指数仅为1.347 0。
综合看来, 在一定条件下, 中度的人为干扰有可能增加群落水平的生物多样性, 如马尾松针叶林改建模式, 通过间伐、补植等手段, 可以提高灌木层的物种多样性; 而重度干扰则会破坏到群落在自然状态下达到的各种类之间的平衡关系, 改变了群落的结构和组成, 使一些自然状态下能够生长在该群落内的植物物种不再出现。如天然木荷林被火烧或人工砍伐后, 形成的木荷纯林, 使其他物种难以入侵。3种建设模式中, 木荷作为建群种或优势种的作用十分明显, 极易形成单一型群落, 这种由单一物种或者少数物种组建的群落表现为极不稳定, 如果优势种群受到损伤或者从群落中消失, 对整个生态系统来说, 将是毁灭性的打击。
3.2.2 物种丰富度变化Margalef指数表示的群落丰富度作为表征群落中物种个数的量度是非常直观的。从表 3可以看出:火烧迹地新建模式、木荷幼林改建模式、马尾松针叶林改建模式3种营造模式的物种丰富度无论是乔木层还是灌木层都存在明显的差异, 木荷幼林改建模式远低于其他模式。马尾松针叶林改建模式, 多是将现有的火灾频发地段的马尾松林采取30%~50%间伐、补种措施, 除去林内不耐火的马尾松幼树和落叶乔灌树种及草本, 人工栽植木荷、杜英等树种, 由于生境条件变化不大, 光照条件的改善有利于其他物种的侵入, 因此, 马尾松改建的防火林带群落丰富度明显好于新建林带, 但乔木层的物种丰富度尚待提高。从3种建设模式的物种丰富度变化可以看出, 营造适合树种生长的生境, 保护原有林分的常绿的乔木和灌木, 引入速生、耐火的常绿阔叶树种搭配木荷造林, 这样既可以提高群落的物种丰富度, 也有利于保持系统的稳定性。3种模式比较木荷天然林丰富度明显偏低, 原生的木荷甜槠林物种数分别是火烧模式的3.9倍, 木荷幼林改建模式的5.7和8.3倍, 马尾松改建模式的3.8和3.77倍。分析原因, 主要是由于3种建设模式改造前受自然和人为干扰较大, 造成生境条件的急速改变、乔灌树种缺失, 改造后由于木荷的强竞争力, 使其能在短期内使林分达到郁闭状态, 从而限制了其他先锋树种的侵入, 因此群落的优势种发展了, 丰富度却无明显变化。
3.2.3 物种均匀度变化根据表 3, 木荷生物防火林带乔木层的物种均匀度仅为0.357 6和0.435 6, 由于短期内乔木层树种组成难以发生太大变化, 均匀度也不会有大的变化, 随着人工引入的幼苗、幼树逐渐长大, 物种组成结构不断发生改变, 但幼树能否进入乔木层还取决于树种的特性和人为措施的影响, 如何提高木荷生物防火林带群落的均匀度, 提高群落的稳定性还有待进一步研究。
3.3 物种组成及其特征变化随群落的演替发展, 植物物种不断变化, 其变化的模式由于原始林相、火烧程度及立地条件的不同而有所差异, 由于3种建设模式乔木层和草本层在不同程度上缺失无法对比, 本文主要以灌木层的植被调查说明物种组成及其特征变化情况, 结果列于表 4。
从表 4中列出的各种营建模式灌木层重要值可知, 研究区3种建设模式样地内灌木种分别是13、19、32个。其中新建模式与木荷幼林改建模式的公有种只有5个, 即木荷、赤楠、杜鹃、NFDA1木、马尾松, 相异率达69%;木荷幼林改建模式与马尾松改建模式的公有种是8个, 即木荷、马尾松、NFDA1木、栀子、杉木、杜鹃、甜槠、格药柃(Eurva muricata), 相异率达68.6%。从火烧迹地新建的防火林带, 火灾将灌木层和草本层全部烧失, 恢复过程中灌木层的优势种比较明显, 新建模式重要值大于100的有1个, 大于10的有9个种, 人工引入的木荷构成优势种, 油茶、赤楠等为次优势种; 木荷幼林改建模式仍是木荷为优势种, 重要值达到80.68%;马尾松改建的防火林带, 木荷作为优势种, 但重要值有所下降, 为61.23, 马尾松、NFDA1木、栀子居次, 分别是28.85、27.54和19.77。总的来看, 灌木层树种组成较为丰富, 优势种明显。
3.4 群落的结构新建和木荷幼林改建初期的木荷防火林带由于林火和人为干扰比较严重, 仅有灌木层和草本层, 通过引种、抚育、间伐等措施, 恢复8~11年后, 植被更新情况较好, 地面植被的覆盖率也高, 林地的湿度、温度等气候因子有所改善, 但普遍存在一个问题, 就是单位面积立木很多, 缺乏高大乔木, 群落乔、灌、草分层不明显, 不能充分利用空间。调查显示, 改建11年的样地内有100株高于2.5 m的立木, 其中高度小于4 m的植株有52株, 占52%, 大于8 m的仅有8株, 占群落总数的8, 林下灌木、草本层的种类不多, 盖度也很小, 多数仅为20~30, 有的甚至不足10。
而对马尾松改造的生物防火林带, 乔、灌、草分化明显, 较好地利用了空间。同时, 通过间伐、补种等措施, 一定能够程度上改善了原马尾松群落的龄级结构不合理的弊病, 即有利于改善林分结构, 也可以提高系统的抗干扰能力。
3.5 可燃物的空间分布生物防火林带中可燃物的空间分布直接影响林带的防火性能。各类蕨类, 如铁芒萁(Dicranopteris linearis)、狗脊(Woodwardia japonica)等在光照条件较好的区域分布较广, 每年都会产生大量的可燃物, 根据笔者的调查, 在马尾松较为稀疏的次生林地, 生物量累积达24 t·hm-2, 干物质也有4.8 t·hm-2。如何减少这类可燃物的积累是生物防火林带建设的重要内容之一。试验发现:马尾松针叶林改建的防火林带, 通过间伐和林下草本及枯枝落叶的清除, 使得地面和林冠的易燃物也出现不连续性, 达到控制林火蔓延的目的。对成林木荷生物防火林带, 其树冠全为难燃物, 且树冠浓密, 郁闭度较大, 林下植物较少, 难燃枯枝落叶直接凋落地面, 堆积较为密实不易失水, 而形成难燃的林分。由以上各类防火林带建设模式草本层的变化可见, 在营建初期草本层的比例随着群落的发育逐渐增大, 后来急速下降, 这是因为后期时耐荫性树种优势度增加并对草本层产生了抑制作用。因此, 适当选取一些大苗造林, 尽快使防火林带郁闭, 可以减少林下草本层积累, 有利于提高生物防火林带的防火效能。
4 讨论1) 3种木荷生物防火林带生活型谱无明显差异, 以中、小高位芽植物占优势, 叶级以中、小型叶占多数, 但与原生的亚热带湿性常绿阔叶林相比, 高位芽植物明显增多、地面芽和地下芽植物偏少。
2) 3种建设模式的Simpson指数和Shannon-Wiener指数与物种丰富度具有大体相似的规律, 乔木层和草本层物种丰富度低, 而灌木层的物种丰富度高, 多数森林物种多样性高低的垂直结构是:灌木层>乔木层>草本层。随着木荷的生长, 群落的优势度增加, 物种减少, 多样性减小, 群落稳定性降低, 因此建立木荷纯林的生物防火林带不利于群落防火功能的维持和生物多样性的保护。为了平衡二者之间的关系, 应尽量增加常绿灌木和乔木树种的种类, 构建适宜于防火的群落空间结构, 建立多树种混交、乔灌结合、抗防性强的生物防火林带。
3) 防火林带建设初期群落乔木层缺失, 木荷纯林构成的成年林带灌草层又缺失, 均不能充分利用空间, 也不利于发挥其防风阻火效能。
因此, 将不同生物学特性和防火性的树种进行组合, 营造不同方式和比例的木荷-针叶树、木荷-阔叶树混交林, 使木荷在林分中成为间歇式的限制性防火带, 改变木荷纯林在群落学特征上表现出来的弊端, 有利于增加群落稳定性, 也有利于提高林带的防火、阻火性能。
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