森林生態(tài)系統(tǒng)大樣地定位研究綜述

羅 佳， 張燦明， 牛艷東， 姚 敏

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

森林生態(tài)系統(tǒng)大樣地定位研究綜述

羅 佳1,2， 張燦明1*， 牛艷東1， 姚 敏1

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

通過(guò)對(duì)碳循環(huán)、生物多樣性、全球氣候變化等大樣地定位研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，以及國(guó)內(nèi)外森林大樣地定位研究進(jìn)展的概述，為我國(guó)開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)大樣地定位研究提供可借鑒的理論依據(jù)。

森林； 大樣地； 定位研究； 生態(tài)系統(tǒng)

森林生態(tài)系統(tǒng)大樣地定位研究是通過(guò)在具代表性的自然或人工生態(tài)系統(tǒng)地段建立長(zhǎng)期定位觀測(cè)設(shè)施，對(duì)該固定大樣地森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、動(dòng)植物生產(chǎn)力、能量平衡和水循環(huán)等在人為干涉、自然條件下或自然干擾下的動(dòng)態(tài)變化情況與過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以闡明生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律和變化機(jī)制。它是國(guó)際科研領(lǐng)域研究和揭示生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能變化規(guī)律而采用的最重要和最有效的手段，是認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)物質(zhì)循環(huán)和能量平衡過(guò)程不可替代的研究方法[1-3]。我國(guó)具有熱帶、亞熱帶、暖溫帶、溫帶和寒溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)，也是生物物種資源最豐富、最多樣的系統(tǒng)[4]，對(duì)于維持物種多樣性、增強(qiáng)碳儲(chǔ)量和穩(wěn)定氣候環(huán)境以及保證自然資源的健康可持續(xù)發(fā)展與利用具有獨(dú)一無(wú)二的作用[5]。但是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化的逐步推進(jìn)，森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞、物種的消失、水土流失以及世界大環(huán)境下的全球變暖等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已引起人們的普遍關(guān)注。為解決這些問(wèn)題，需要對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析和研究，這就需要大量科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而通過(guò)在森林內(nèi)設(shè)置生態(tài)系統(tǒng)固定大樣地，定期調(diào)查與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可以有效地解決這些問(wèn)題。

森林生態(tài)系統(tǒng)大樣地定位研究主要在于了解森林的物種多樣性，以及在人類利用的情況下，對(duì)森林物種多樣性的影響，可以解決如何可持續(xù)利用森林資源等問(wèn)題[6-7]。同時(shí)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)大樣地定位研究，也可以闡明森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與水熱條件，生物量與生產(chǎn)力，不同樹(shù)種的種內(nèi)和種間以及物質(zhì)與能量循環(huán)的關(guān)系，為森林資源的合理經(jīng)營(yíng)利用提供理論依據(jù)，也為國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。本文概述了目前森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究熱點(diǎn)問(wèn)題及其國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，旨在促進(jìn)我國(guó)森林大樣地定位研究的科學(xué)健康發(fā)展。

1 森林大樣地定位研究熱點(diǎn)內(nèi)容

1.1 碳循環(huán)研究

森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中起著不可替代的作用。森林貯存和固定大氣中CO2的匯量最大，但是在森林遭到破壞后又是大氣中CO2的重要釋放源。森林碳儲(chǔ)量和釋放兩者之間的關(guān)系是森林大樣地定位研究的熱點(diǎn)。

西雙版納熱帶雨林20ha監(jiān)測(cè)樣地通過(guò)靜態(tài)箱式以及微氣象這兩種方法研究熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)碳通量[3]。長(zhǎng)白山闊葉紅松林25hm2監(jiān)測(cè)樣地對(duì)溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行碳循環(huán)過(guò)程研究[3]。周國(guó)逸等對(duì)鼎湖山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)固定大樣地進(jìn)行南亞熱帶常綠闊葉林碳素分配和積累特征研究，并開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)碳通量微氣象法觀測(cè)，通過(guò)對(duì)400多年的成熟林森林土壤(古老林地)的觀測(cè)，25年連續(xù)數(shù)據(jù)表明：在該森林0～20cm的土壤層中的有機(jī)碳貯存量正在以0.61tC/(hm2·a)的平均速度增加[8]。因此，成熟森林地下土壤可以持續(xù)積累有機(jī)碳，發(fā)揮著巨大的“碳匯”作用，雖然地上部分的生產(chǎn)力幾乎為零。

1.2 生物多樣性研究

森林生態(tài)系統(tǒng)中孕育著主要的陸地生物多樣性，而古林地則是擁有豐富生物多樣性的生境[9]。森林一旦被破壞，生物多樣性將隨之受脅迫，直至瀕危、喪失。生物多樣性的研究及保護(hù)成為生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。以大型固定樣地為主的森林生物多樣性監(jiān)測(cè)能為了解生物多樣性的變化及其影響，理解物種共存機(jī)制等提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)。關(guān)于大樣地生物多樣性的研究，多集中在瀕危物種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、種群分布格局、種間關(guān)系等方面。自從1980年Robin Foster和Stephen Hubbell決定在巴拿馬Barro Colorado島建立第一個(gè)大型監(jiān)測(cè)樣地以來(lái)，相繼在15個(gè)國(guó)家及地區(qū)建立20個(gè)固定監(jiān)測(cè)樣地。樣地中定位和掛牌監(jiān)測(cè)的木本植物達(dá)到6500種，350萬(wàn)株[10]。其中，長(zhǎng)白山闊葉紅松林25hm2監(jiān)測(cè)樣地定位每個(gè)胸徑大于等于1cm的木本植物以確定每棵樹(shù)的空間分布，利用軟件在大樣地進(jìn)行模擬分析，克服以往小樣地取樣的主觀性，大的取樣面積保證了生物多樣性研究的準(zhǔn)確性[11]，研究了長(zhǎng)白山北坡植物群落多樣性及其隨海拔梯度變化。

1.3 全球氣候變化研究

CO2濃度增加、氣溫升高、降雨等環(huán)境因子會(huì)對(duì)森林產(chǎn)生巨大影響，例如，幾乎所有喜濕潤(rùn)樹(shù)種，都會(huì)由于降雨量減少或者旱期延長(zhǎng)，物種的多度降低。建立森林大樣地可大尺度地長(zhǎng)期定位研究森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與水熱條件關(guān)系。在長(zhǎng)白山闊葉紅松林25hm2監(jiān)測(cè)樣地建成了我國(guó)第一座森林水文模擬實(shí)驗(yàn)室，為研究森林降雨與徑流之間的相互關(guān)系提供了實(shí)驗(yàn)手段，并進(jìn)行了森林景觀邊界動(dòng)態(tài)變化研究。Condit[12]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)熱帶森林樹(shù)種豐富度受到氣候變化的影響，16種對(duì)水分有嚴(yán)格要求的小樹(shù)和灌木因?yàn)檫B續(xù)25年降雨量減少的原因在樣地內(nèi)趨于消失。

2 國(guó)內(nèi)外森林大樣地定位研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外森林大樣地定位研究進(jìn)展

早在19世紀(jì)中期，歐洲一些國(guó)家在農(nóng)林領(lǐng)域就開(kāi)展了生態(tài)系統(tǒng)定位研究。1843年，英國(guó)構(gòu)建了全球第一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)定位站——洛桑實(shí)驗(yàn)站(Rothamsted Expermient Station)，主要進(jìn)行土壤肥力研究以及肥料效益長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)70年代后期，美國(guó)提出偉大的長(zhǎng)期生態(tài)學(xué)研究Long-Term Ecological Research (LTER)項(xiàng)目。對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定位研究則晚近一個(gè)世紀(jì)，森林大樣地的定位研究最早是在1975年建立在哥斯達(dá)黎加的被火侵入或是荒廢的13hm2的干旱森林，1983年馬來(lái)西亞建立了一個(gè)50hm2的固定樣地[13]。 此后，世界各國(guó)科學(xué)家們圍繞著各種科學(xué)問(wèn)題在熱帶森林建立了各自的大樣地，從初期到90年代初發(fā)展到18個(gè)生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，其中涉及森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站8個(gè)。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)的觀點(diǎn)逐漸為全世界接受以后，很多有名的生態(tài)定位站又相繼建立。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)的觀點(diǎn)逐漸為全世界接受且生態(tài)定位觀測(cè)開(kāi)始趨于網(wǎng)絡(luò)化，各種生態(tài)定位站和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)相繼建立。近十年該網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)發(fā)展到從景觀水平到全球水平，成果頗盛。目前世界持續(xù)觀測(cè)60年以上的實(shí)驗(yàn)站已有30多個(gè)。主要集中在歐洲、前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本、印度等發(fā)達(dá)國(guó)家[6,14-16]。

2.2 國(guó)內(nèi)森林大樣地定位研究進(jìn)展

我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究及監(jiān)測(cè)開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，在云南和四川開(kāi)始了森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究，并且在云南西雙版納建立了我國(guó)第一個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)定位站，隨后在四川米亞羅建站。60～80年代，森林生態(tài)定位研究站規(guī)模不斷擴(kuò)大和完善，并逐漸向網(wǎng)絡(luò)化初期發(fā)展，到目前為止，我國(guó)已建成森林生態(tài)系統(tǒng)定位站26個(gè)，分別屬于中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家林業(yè)局及臺(tái)灣行政科學(xué)委員會(huì)。三者分別有7個(gè)、15個(gè)和4個(gè)[6,17-18]。在2004年，我國(guó)在中國(guó)云南的西雙版納開(kāi)始籌建我國(guó)大陸第一個(gè)熱帶森林定位觀測(cè)的大樣地，但取樣面積最大不過(guò)1hm2，其實(shí)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到所謂的最小面積。同時(shí)中國(guó)臺(tái)灣富山樣地已經(jīng)加入CTFS研究中心。隨后，在我國(guó)不同的氣候帶，中國(guó)森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了多個(gè)森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大樣地，其中包括鼎湖山南亞熱帶常綠闊葉林20hm2監(jiān)測(cè)大樣地、長(zhǎng)白山闊葉紅松林25hm2監(jiān)測(cè)大樣地等，這些大樣地逐漸成為我國(guó)生物多樣性監(jiān)測(cè)和研究的重要平臺(tái)。

3 展望

森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究熱點(diǎn)問(wèn)題包括[19]：碳循環(huán)、生物多樣性、全球氣候變化等?；诤鲜∩仲Y源的研究現(xiàn)狀及其資源多樣性，為了更好地保護(hù)和利用好森林資源，通過(guò)建立森林生態(tài)系統(tǒng)大樣地深入對(duì)我省生態(tài)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和發(fā)展規(guī)律等進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)研究，為湖南森林資源保護(hù)和利用政策提供科學(xué)保證。湖南省林業(yè)科學(xué)院生態(tài)研究所對(duì)在西歐尤其在英國(guó)備受重視的古林地進(jìn)行了研究，探討了英國(guó)制作古林地名錄清單的方法以及生物多樣性與古林地保護(hù)的關(guān)系[20]等方面的內(nèi)容。2012年，在八大公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)建立了面積25hm2以古林地為主要研究對(duì)象的大型固定樣地，作為全國(guó)林業(yè)系統(tǒng)建立的第一個(gè)古林地大樣地，建成及隨后的投入使用都將為亞熱帶古林地生態(tài)系統(tǒng)功能的評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐，同時(shí)為瀕危物種保護(hù)和提高自然保護(hù)區(qū)管理水平提供依據(jù)，為十八大提出的“美麗中國(guó)”保駕護(hù)航。

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(文字編校：楊 駿)

Theresearchreviewonlarge,long-termplotlocationofforestecosystem

LUO Jia1,2, ZHANG Canming1*, NIU Yandong1, YAO Min1

(1.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China； 2.Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, China)

This paper has overviewed the hot topics of large scale plot of forest ecosystem such as carbon cycling, biodiversity, climate change and so on，as well as positioning research progress at home and abroad.The paper aims to provide theoretical basis for further research on large scale plot location of forest ecosystem in our country.

forest; large, long-term plot; located research; ecosystem

2013 — 07 — 03

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2009-4-46)。

羅 佳(1983 — )，女，湖南省長(zhǎng)沙市人，博士生，主要從事生態(tài)學(xué)、水土保持學(xué)研究。

* 為通訊作者。

Q 948

A

1003 — 5710(2013)04 — 0079 — 03

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2013. 04. 020