2014, Vol. 50
文章信息
- 宋启亮, 董希斌
- Song Qiliang, Dong Xibin
- 大兴安岭不同类型低质林群落稳定性的综合评价
- Comprehensive Evaluation of Forest Community Stability of Different Types of Low-Quality Forest Stands in the Greater Higgnan Mountains
- 林业科学, 2014, 50(6): 10-17
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(6): 10-17.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140602
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文章历史
- 收稿日期：2013-03-27
- 修回日期：2014-05-10
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作者相关文章
稳定性是植物群落结构与功能的一个综合性特征，植物群落的稳定性研究在理论和实践中均有重要意义(冶民生等，2009)。森林生态系统稳定性 涉及到森林生态系统的构成成分、森林生态系统的生态功能和对森林生态系统的所有干预因子(丁惠萍等，2006)。以前国内外大多研究关注物种多样性对生态系统结构稳定性的影响(朱秀红，2007；Tilman et al.，2001；Huston et al.，2000)，而对功能稳定性的研究较少(刘增文等，2006)。有研究指出较高的多样性可以增加植物群落的生产力、生态系统营养的保持力和生态系统的稳定性(Tilman，2000)，也有研究认为在森林群落物种多样性的基础上，还应该综合考虑森林群落优势树种的年龄结构，才可以更加全面客观地评价森林生态系统的稳定性(安丽娟等，2007)。很多研究选取物种多样性、M.Godron稳定性值、演替现状、干扰强度、优势种年龄结构、更新潜力、林地生产力、土壤肥力、植被生物量等多项指标(吴志文等，2010；李荣等，2011；安云等，2012)，运用不同的数学分析方法对森林群落稳定性进行定量研究与评价(马姜明等，2004)。其中主成分分析法可考察多个不同评价指标的相关性，用较少的新指标代替原有的较多的旧指标，通过计算综合得分评价森林群落的稳定性(闫东锋等，2011)。层次分析法可确定各个评价指标权重，通过计算得出的综合评价指数来评价森林群落的稳定性。隶属函数法基于模糊综合评判理论，利用计算出的隶属函数值综合评价森林群落的稳定性(郭其强等，2009)。本研究以大兴安岭针阔混交林、山杨(Populus davidiana)林、蒙古栎(Quercus mongolica)林、白桦(Betula platyphylla)林和阔叶混交林5种典型低质林群落为研究对象，选取物种多样性、土壤物理性质、土壤化学性质、枯落物特性和土壤碳通量5项指标，通过模糊数学中隶属函数的方法评价各森林群落稳定性，为大兴安岭低质林森林生态系统的恢复提供理论参考。
1 研究区概况研究区位于大兴安岭地区加格达奇林业局跃进林场和翠峰林场，地形地貌为低山丘陵，海拔429～521 m，坡度不超过10°。林地土壤多为暗棕壤，厚10～25 cm。全年无霜期80～110天，年平均降水量在500 mm以上，属于寒温带大陆性季风气候，冬季漫长而且寒冷，夏季很短，但日照时间很长，昼夜温差很大，年平均气温-1.2 ℃(宋启亮，2012)。在跃进林场51林班选取针阔混交低质林(124°14′44.4″—124°15′35.5″E，50°30′45.3″—50°31′17.4″N)，在跃进林场54林班选取山杨低质林(124°14′9.5″—124°15′54.5″E，50°27′37.85″—50°28′66.5″N)，在翠峰林场174林班选取蒙古栎低质林、白桦低质林和阔叶混交低质林(124°23′47.8″—124°24′35.1″E，50°34′9.17″—50°34′32.0″N)。5种类型低质林的立地条件和林分概况见表 1。
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在针阔混交林乔木层，兴安落叶松(Larix gmelinii)、白桦、黑桦(Betula dahurica)和蒙古栎混交均匀。灌木生长良好，主要包括胡枝子(Lespedeza bicolor)、榛子(Corylus chinensis)、柳叶绣线菊(Spiraea salicifolia)、水杨梅( Geum aleppicum)、蓝莓(Vaccinium spp.)和杜香(Ledum palustre)。草本层有羊胡子苔草(Carex callitrichos)、小玉竹(Polygonatum humile)、铃兰(Convallaria majalis)、鸢尾(Iris tectorum)、地榆(Garden burnet)、唐松草(Thalictrum aquilegifolium)、老鹤草(Geranium wilfordii)、东方草莓(Fragaria orientalis)、贝加尔野豌豆(Vicia baicalensis)、走马芹(Cicuta virosa)和土三七(Sedum aizoon)。
山杨林乔木层以山杨为主，林内散生有黑桦和蒙古栎；灌木主要有胡枝子、榛子、柳叶绣线菊；草本层有铃兰、轮叶沙参(Adenophora tetraphylla)、苍术(Atractylodes lancea)、羊胡子苔草和小黄花(Hemerocallis minor)。
蒙古栎林乔木层以蒙古栎为主，林下更新差，林内散生有山杨、白桦等伴生树种；灌木层有胡枝子、兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)、蓝莓、刺蔷薇(Rosa acicularis)；草本层有苍术、羊胡子苔草、地榆、老鹤草、东方草莓、野豌豆、还阳参(Crepis rigescens)、白鲜(Dictamnus dasycarpus)、芍药(Paeonia lactiflora)和黄瓜香(Matteuccia struthiopteris)。
白桦林乔木层以白桦为主，林内散生有山杨、黑桦；灌木层有兴安杜鹃、旱柳(Salix matsudana)、越橘(Vaccinium vitis-idaea)、刺蔷薇；草本层有苍术、羊胡子苔草、野火球( Trifolium lupinaster)、鹿蹄草(Pyrola dahurica)、蒙古蒿(Artemisia mongolica)、山尖子(Parasenecio hastatus)、轮叶婆婆纳(Veronica spuria)、平贝母(Fritillaria ussuriensis)、柳兰(Epilobium angustifolium)和藜芦(Veratrum nigrum)。
阔叶混交林乔木层白桦、黑桦、蒙古栎混交均匀；灌木层主要有兴安杜鹃、胡枝子、榛子；草本生长茂盛，主要有莎草(Cyperus rotundus)、轮叶沙参、苍术、铃兰、羊胡子苔草、鸢尾、野豌豆、唐松草、东方草莓、蕨(Pteridium aquilinum)、小叶樟(Deyeuxia langsdorffii)和北重楼(Paris verticillata)。
2 研究方法 2.1 样地设置与调查分别在5种类型低质林群落中设置3块20 m×20 m 典型样地，共15块样地，于2012年6月进行调查和取样。
1)植被调查 测定每一株乔木树种的胸径(幼苗测量地径)、树高和冠幅；在每块样地内沿对角线布设5个3 m×3 m 的灌木样方，调查灌木层不同物种的盖度；在每个灌木样方的中心布设1个1 m×1 m的草本样方，调查草本层不同物种的盖度(宋启亮等，2010b)。
2)土壤样品采集与制备在每个草本样方内按“Z”型混合取样法取5个表层(0～10 cm)土样，每个土样取1 kg带回实验室，同时用容积100 cm3的环刀在土壤表层取样。鲜土自然风干并研磨过筛后，进行土壤化学性质的测定，环刀样品采用土壤环刀法测定土壤物理性质(宋启亮等，2010a)。采用森林土壤分析方法对土壤的化学性质进行测定： 土壤有机质含量采用酸溶、重铬酸钾氧化法测定；全氮含量采用全自动凯氏定氮仪测定；水解氮含量采用碱解-扩散法测定；全磷含量采用酸溶、钼锑抗比色法测定；有效磷含量采用双酸浸提、钼锑抗比色法测定；全钾含量采用酸溶、火焰光度法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提、火焰光度法测定(国家林业局，1999)。
3)枯落物采集与处理 在每个草本样方中选择3个30 cm×30 cm样方，并且按照未分解层和半分解层逐层采集样方内的枯枝落叶。将带回实验室的枯落物在85 ℃下烘干8 h后称其干质量，并推算出枯落物的蓄积量。枯落物最大持水量和最大持水率采用室内浸泡法测定。
4)土壤呼吸测定 在每个草本样方中选取1个观测点，在观测的24 h前将内径为20 cm的PVC土壤环插入土壤中，保证土壤环露出地面2～3 cm的高度，并保持PVC土壤环内原有枯落物的自然状态(孟春等，2008)。采用LI-8150多通道土壤碳通量自动测量系统测定土壤表面CO2通量，每个观测点隔0.5 h测定1次，持续观测24 h(李勇等，2011)。
2.2 评价指标及其因子1)物种多样性 参与评价因子为乔木层、灌木层和草本层物种丰富度指数(S)、Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)。物种丰富度为调查样方内所有物种数的和，其余指标按以下公式计算：
$\begin{array}{l} H' = - \sum\limits_{i = 1}^s {{p_i}\ln {p_i}} ;\\ J = H'/\ln S \end{array}$
式中：pi=ni/N，表示第i个物种的相对多度，ni表示物种i的个体数或盖度，N表示物种i所在群落所有物种的个体数或盖度之和。
2)土壤物理性质 参与评价因子为最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度。
3)土壤化学性质 参与评价因子为土壤有机质含量、全氮含量、水解氮含量、全磷含量、有效磷含量、全钾含量和速效钾含量。
4)枯落物特性 参与评价因子为未分解层枯落物和半分解层枯落物的蓄积量、最大持水率、最大持水量，枯落物总蓄积量和总最大持水量。
5)土壤碳通量 参与评价因子为林地土壤的呼吸速率，以各个观测点全天重复测量48次数据的平均值作为样方的土壤呼吸速率。
2.3 评价方法本研究采用模糊数学中隶属函数法对各类型低质林群落稳定性进行综合评价，由于本方法要求每个参与评价因子的权重都相同，同时为了消除数量级和量纲对评价结果的影响，首先对原始数据进行标准化处理，运用公式：
$X_{jk}^* = \frac{{{X_{jk}}}}{{{X_{k\max }}}} \times 1\;000$
式中： Xjk*为Xjk的标准化数据，Xjk为第j项指标第k个评价因子的实测值，Xkmax为第k个评价因子的最大值。
通过计算隶属函数的隶属函数值，综合评价各类型低质林群落稳定性，采用公式：
$U\left({{X_{ij}}} \right)= \frac{{\overline {X_{ij}^*} - {{\overline {X_i^*} }_{\min }}}}{{{{\overline {X_j^*} }_{\max }} - {{\overline {X_j^*} }_{\min }}}}$
式中： U(Xij)为第i个低质林群落类型第j项指标的隶属函数值，且U(Xij)∈[0，1]；${\overline {X_{ij}^*} }$为第i个低质林群落类型第j项指标标准化数据的平均值；${{{\overline {X_j^*} }_{\min }}}$为所有参与评价的低质林群落中第j项指标标准化数据平均值的最小值；${{{\overline {X_j^*} }_{\max }}}$为所有参与评价的低质林群落中第j项指标标准化数据平均值的最大值。
最后通过计算每个低质林群落类型的j项指标隶属函数值的平均值，得出各类型低质林群落稳定性的综合排名(郭其强等，2009)。
3 结果与分析 3.1 物种多样性5种类型低质林群落物种多样性指数存在一定的差异(表 2)。针阔混交林和白桦林乔木层物种丰富度指数及Shannon-Wiener指数较高，蒙古栎林乔木层多样性指数低于其他类型低质林，方差分析表明不同类型低质林乔木层均匀度指数差异不显著(P>0.05)；针阔混交林灌木层的Shannon-Wiener指数最高，山杨林灌木层物种丰富度指数和Shannon-Wiener指数最低，而且与其他4种类型低质林差异显著(P<0.05)，阔叶混交林灌木层均匀度指数最低；针阔混交林草本层丰富度指数和Shannon-Wiener指数较高，山杨林草本层物种丰富度指数和Shannon-Wiener指数最低，不同类型低质林草本层均匀度指数差异不显著(P>0.05)。从总体看，针阔混交林群落物种多样性指数高于其他4种林型，而山杨林群落物种多样性指数最低。
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从表 3可以看出，不同类型低质林土壤最大持水量经方差分析差异显著(P<0.05)，蒙古栎林土壤最大持水量明显高于其他类型森林群落，白桦林毛管持水量最高，而山杨林最大持水量和毛管持水量都最低，蒙古栎林土壤非毛管孔隙度最高，且与其他类型低质林差异显著，针阔混交林和白桦林土壤毛管孔隙度较高，针阔混交林、蒙古栎林和白桦林土壤总孔隙度经方差分析差异不显著(P>0.05)，高于山杨林和阔叶混交林的土壤总孔隙度。通过各个物理指标的比较发现，针阔混交林、蒙古栎林和白桦林土壤物理性质较好。
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土壤化学性质是影响森林生产力的主要因素，从表 4可以看出，针阔混交林土壤有机质含量最高，阔叶混交林的全氮含量和水解氮含量最高，且经方差分析与其他类型低质林差异显著(P<0.05)，不同类型低质林土壤全磷、有效磷和速效钾含量差异不显著(P>0.05)，其中针阔混交林全磷和速效钾含量最高，山杨林和白桦林的有效磷含量较高，蒙古栎林的土壤全钾含量高于其他4种类型低质林，且差异显著。综合比较土壤化学性质的各个指标，发现阔叶混交林的土壤化学性质较好。
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枯落物具有疏散地面径流、拦蓄降雨、改良土壤肥力等多种作用，并且对森林内植被水分的供给、森林土壤营养元素的循环和林地微生物数量产生重大影响(高人等，2002；刘少冲等，2005；郭辉等，2011)。从表 5可以看出，阔叶混交林的未分解层枯落物蓄积量最高，蒙古栎林半分解层枯落物蓄积量和总蓄积量高于其他类型低质林，且方差分析差异显著(P<0.05)，针阔混交林未分解层和半分解层枯落物最大持水率及最大持水量都高于其他4种林型，白桦林未分解层和半分解层枯落物最大持水率及最大持水量都较低，针阔混交林枯落物最大持水量最高，且与其他类型低质林差异显著。综合比较枯落物特性的各个指标，发现针阔混交林和蒙古栎林的枯落物蓄积量及最大持水量较高，有利于森林涵养水源和水土保持。
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土壤碳通量影响着土壤物理、化学和生物学性质，并且可以通过土壤碳通量的变化来预测不同类型森林生态系统的生产力以及相应的气候变化情况(Anderson，2003；王淑敏等，2007)，同时所有物理、化学和生物性质的改变都有可能影响土壤呼吸(郭辉等，2009)。研究表明，针阔混交林、山杨林、蒙古栎林、白桦林和阔叶混交林的土壤呼吸速率分别为(6.86±0.73)，(5.47±0.67)，(4.62±0.58)，(5.41±0.65)和(6.41±0.71)μmol·m-2s-1，针阔混交林和阔叶混交林土壤呼吸速率高于其他类型低质林，且经方差分析差异显著(P<0.05)，而蒙古栎林的土壤呼吸速率最低。
3.6 评价结果对5项指标30个因子的参数进行标准化处理，5项指标各因子的标准化平均值见表 6。
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用各类型低质林5项指标30个因子参数标准化后的平均值计算隶属函数值，然后再计算出各个类型低质林5项指标隶属函数值的平均值，通过比较各类型低质林隶属函数值平均值的大小，分析5种类型低质林群落的稳定性，计算结果见表 7。
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由评价结果可以知道，大兴安岭5种类型低质林群落稳定性表现为针阔混交林＞阔叶混交林＞蒙古栎林＞白桦林＞山杨林。
4 结论与讨论本研究采用模糊数学中隶属函数值的方法来综合评价低质林群落的稳定性，在研究区内的5种典型低质林群落中，由各群落因子的隶属函数值可知针阔混交低质林物种多样性指标、枯落物水文特性指标、土壤碳通量指标最高，且土壤物理性质指标相对较高，所以其群落稳定性的排名最高；阔叶混交低质林土壤化学性质指标最高，而且土壤碳通量指标也较高，其群落稳定性排名在第二位；蒙古栎低质林土壤物理性质指标最高，枯落物水文特性指标也较高，但土壤碳通量指标较低，使得其群落稳定性排名在第三位；白桦低质林物种多样性指标、土壤物理性质指标和土壤化学性质指标较高，但枯落物水文特性指标和土壤碳通量指标较低，使得其群落稳定性位居第四位；山杨低质林物种多样性指标、土壤物理性质指标、土壤化学性质指标和枯落物水文特性指标最低，其群落相对稳定性最差。
多样性高的森林群落，对外来物种及病虫害等的抵抗力强，而且在受到扰动后的恢复力强，由于多样性高的森林群落包含较多的、具有不同生态特性的种群，其抵抗波动的能力也强(丁惠萍等，2006)，大量的研究结果表明多样性与稳定性存在正相关关系，多样性较高的生态系统，有可能包括更多能抵抗干扰的物种，抗干扰性强，增加生态系统的稳定性。土壤物理性质是评价土壤水源涵养能力的重要指标，直接影响到林木的根系生长及其对水分和养分的吸收，针阔混交林、蒙古栎林、白桦林土壤物理性质好，地表水的渗透能力强，土壤的持水能力强，地表径流强度小，减小了水土流失和土壤侵蚀，林地土壤孔隙度大，土壤穿透阻力小，利于树木和树苗根部的延伸发展，同时有利于养分、空气及水分的运输，利于林地植被的生长和更新。土壤化学性质是影响森林生产力的最主要因素，影响并控制着林木的健康状况，土壤有机质含量会对土壤肥力和土壤的许多性质产生十分重要的影响，土壤中氮、磷、钾含量是土壤肥力的重要指标，是树木生长所需的3大养分。枯落物是森林生态系统的重要组成部分，森林枯落物层结构疏松，吸水能力和透水性强，减缓及减少地表径流(汪永英等，2008)，并且能够降低土壤的溅蚀，促进物质的循环，保持土壤肥力，本研究比较各类型低质林枯落物特性的各个指标，发现针阔混交林和蒙古栎林的枯落物蓄积量及最大持水量较高，有利于森林涵养水源和水土保持。土壤呼吸速率既是一个评价土壤质量和土壤肥力的重要的生物学指标，又是一个量度土壤微生物活性的指标。针阔混交林和阔叶混交林土壤呼吸速率相对较高，说明土壤物质的代谢强度较强，土壤有机质的转化和氧化能力较高，为植物下部冠层提供了更丰富的碳源(冯朝阳等，2008)，有利于保持森林群落的稳定性，而蒙古栎林的土壤呼吸速率较低。
以前的研究更注重于森林结构稳定性的评价，对森林功能稳定性的评价较少，对森林群落稳定性评价过程中，选取的森林功能评价因子较少，所以对森林群落稳定性的评价比较片面，本研究基于模糊综合评判理论，对5种类型低质林群落稳定性进行综合分析与评价，把反映森林群落稳定性的物种多样性、土壤物理性质、土壤化学性质、枯落物水文特性和土壤碳通量5项指标，共30个因子作为评价因子，重点是引进了以前很少纳入群落稳定性评价的枯落物特性和土壤碳通量作为评价指标，计算得到各个类型低质林森林群落的隶属函数值，即评价了各森林群落的结构稳定性，又评价了各森林群落的功能稳定性，使得森林群落稳定性的评价更加全面，为大兴安岭地区5种最典型低质林森林生态系统的恢复与重建提供了科学的理论基础。
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