西洞庭湖區(qū)杉木林與松類景觀斑塊間的邊緣效應(yīng)分析

趙春燕，李際平，袁曉紅 ，易 章

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.五星花卉公司，湖南 株洲 412007)

西洞庭湖區(qū)杉木林與松類景觀斑塊間的邊緣效應(yīng)分析

趙春燕1，李際平1，袁曉紅1，易 章2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.五星花卉公司，湖南 株洲 412007)

邊緣效應(yīng)是通過生物的和非生物因子作為條件載體或直接影響兩個(gè)相鄰生態(tài)系統(tǒng)。以西洞庭湖區(qū)作為研究區(qū)域，以杉木林和松類景觀為研究對(duì)象，設(shè)置核心區(qū)和邊緣區(qū)，通過生產(chǎn)力和物種多樣性測(cè)算邊緣效應(yīng)。結(jié)果表明：兩相鄰斑塊邊緣區(qū)比核心區(qū)平均胸徑、平均樹高和蓄積均有增大趨勢(shì)，而且幼齡林和中齡林比成熟林趨勢(shì)明顯，平均胸徑比平均樹高變化幅度大。從物種多樣性分析，現(xiàn)存杉木林和松木類核心區(qū)灌木層和草本層物種種類明顯多。

杉木林；松類；景觀斑塊；邊緣效應(yīng)；西洞庭湖區(qū)

邊緣效應(yīng)是通過生物的和非生物因子作為條件載體或直接影響將兩個(gè)相鄰生態(tài)系統(tǒng)相互耦合作用結(jié)果。近年來，邊緣效應(yīng)與生態(tài)環(huán)境及物種保護(hù)等人類參與自然活動(dòng)的關(guān)系十分密切[1]，邊緣效應(yīng)越來越受重視。周婷[2]等提出了邊緣效應(yīng)的3個(gè)空間尺度。在全球尺度水平,區(qū)分對(duì)象單元的要素是氣候[3]，生物群區(qū)的交錯(cuò)區(qū)體現(xiàn)大尺度水平上的邊緣效應(yīng)，生態(tài)交錯(cuò)區(qū)屬于中尺度類型，它是相對(duì)均質(zhì)的兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)相互過渡耦合構(gòu)成轉(zhuǎn)換區(qū)域[4]，顯著特征為生境的異質(zhì)化[5]。相對(duì)均質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部存在不同斑塊[6-7]，如森林生態(tài)景觀中的杉木林和松類，由于不同群落的相互滲透[8-9]，它們之間存在邊緣效應(yīng)稱為小尺度水平上邊緣效應(yīng)[10]。文章以杉木林和松類為例，旨在研究小尺度水平上的邊緣效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

西洞庭湖區(qū)位于湖南省北部，包括常德桃源縣、安鄉(xiāng)縣、漢壽縣、臨澧縣、澧縣、津市市、等地域，總面積為142.2萬hm2。地勢(shì)位于云貴高原、湘西山地向洞庭湖平原的過渡地帶。氣候?qū)贊駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，有濱湖氣候和山地森林氣候特征，年平均氣溫16.7 ℃，降水充沛，四季分明。

西洞庭湖區(qū)林業(yè)用地面積為513 115.31 hm2，占景觀總面積的36.24%，按景觀類型劃分為杉木林景觀、松類景觀、闊葉類景觀、經(jīng)濟(jì)林景觀、灌木類景觀、柏木類景觀和竹類景觀，其面積比分 別 為：13.49%、17.74%、27.10%、24.37%、7.23%、0.003%、10.07%。非林地主要是指林地以外的耕地、牧草地、水域、未利用地和建設(shè)用地。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)以該區(qū)域2007年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為主。在ArcGIS系統(tǒng)的支持下，將1∶10 000地形圖配準(zhǔn)，并與小班區(qū)劃數(shù)據(jù)建立地理空間數(shù)據(jù)，每一個(gè)小班區(qū)劃單元通過ID標(biāo)識(shí)關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)，生成林相圖。小班屬性數(shù)據(jù)包括小班號(hào)、地類、優(yōu)勢(shì)樹種、齡組、郁閉度、土壤類型、坡度、坡向、坡位、海拔等20多個(gè)屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)。

分2次進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)調(diào)查，第1次2010年8月在常德桃源的龍?zhí)舵?zhèn)、黃石鎮(zhèn)和牯牛山鎮(zhèn)進(jìn)行，以外業(yè)調(diào)查時(shí)間先后編號(hào)，為Ql，Q2，Q3，…，Q24，第2次2011年8月在常德河洑林場(chǎng)、常德林場(chǎng)和常德桃源的佘家坪鎮(zhèn)，以外業(yè)調(diào)查時(shí)間先后編號(hào)，為Tl，T2，T3，…，T43。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地設(shè)置方法

“斑塊對(duì)”的邊緣區(qū)選取一條樣地設(shè)置線，樣線上的樣地排列設(shè)置垂直“斑塊對(duì)”鄰接線的邊緣線。在樣線上，以斑塊對(duì)的相鄰段為中心設(shè)置1塊樣地，然后沿樣線分別向2個(gè)斑塊中心方向選取樣地，“斑塊對(duì)”中每一個(gè)斑塊的核心區(qū)，選取1塊核心區(qū)樣地作為對(duì)照樣地，圖1為不同類型相鄰兩個(gè)斑塊，其中A為其中一斑塊核心區(qū)，B為另一斑塊核心區(qū)，C為兩相鄰斑塊邊緣區(qū)。

圖1 樣地設(shè)置Fig.1 Sample plots setting

2.2.2 樣地調(diào)查方法

設(shè)置投影面積為10 m×10 m的正方形調(diào)查樣地，均采用羅盤儀定向，皮尺量距，測(cè)設(shè)境界線，對(duì)每塊樣地記錄經(jīng)緯度、海拔高度、坡度、坡向、土層厚度、腐殖質(zhì)厚度等立地因子。

2.2.3 生產(chǎn)力測(cè)算方法

森林景觀斑塊核心區(qū)以及相鄰斑塊邊緣區(qū)生產(chǎn)力存在差異，一般邊緣區(qū)生產(chǎn)力高于核心區(qū)，表現(xiàn)為邊緣效應(yīng)。本研究以杉木景觀斑塊和馬尾松景觀斑塊作為研究對(duì)象，通過分析相鄰斑塊的平均胸徑、平均高和蓄積反映生產(chǎn)力情況。

表1 數(shù)據(jù)調(diào)查內(nèi)容Table 1 Forest survey contents

森林景觀斑塊的平均胸徑(D)采用林木胸高斷面積加權(quán)平均直徑。計(jì)算公式為：

式中di為第i株林木的段面積和胸徑，N為林木總株數(shù)。

森林景觀斑塊的平均高(H)采用林木加權(quán)平均高的測(cè)算方法，依各徑級(jí)林木的算術(shù)平均高與其對(duì)應(yīng)徑級(jí)林木胸高斷面積的加權(quán)平均數(shù)，計(jì)算公式為：

式中hi為第i徑級(jí)林木的算術(shù)平均高，Gi為第i徑級(jí)林木的胸高斷面積，K為徑級(jí)個(gè)數(shù)。

森林景觀斑塊的樣地蓄積(M)采用二元材積表法估測(cè)。根據(jù)《湖南省森林資源調(diào)查常用數(shù)表》，杉木的二元材積表方程為：

松木的二元材積表方程為：

2.2.4 物種多樣性測(cè)算方法

生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)采用Simpson指數(shù)[11](C)：

多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener[12]指數(shù)(D)：

3 結(jié)果與分析

3.1 生產(chǎn)力分析

研究區(qū)域內(nèi)人工林主要樹種為杉木和馬尾松，另外有以樟樹、楓香、油茶等為優(yōu)勢(shì)樹種的闊葉類。因此，以杉木林核心區(qū)以及杉木林與松木林邊緣區(qū)的平均胸徑、平均樹高和蓄積來分析邊緣效應(yīng)影響下生產(chǎn)力差異（見表2）。

表2 不同齡組杉木生長(zhǎng)情況?Table 2 Chinese fir growth in different age groups

杉木林與松木林邊緣區(qū)的平均胸徑和平均樹高與核心區(qū)樣地相比，均有增大趨勢(shì)，其中樣地T23平均胸徑增幅最大，為36.0%，其平均高增幅相對(duì)較小，為9.8%，樣地杉木林和松木林均為林齡為30多年的成熟林，邊緣效應(yīng)強(qiáng)度最大，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，樣地Q15平均樹高的增幅最大，為11.4%，其杉木林為林齡為5～6年的幼齡，樹高為6.0～7.8 cm，松木林齡為25年左右，樹高為8.9～11.6 cm，相鄰斑塊的樹高變化有利于邊緣帶喬木往高生長(zhǎng)。由于環(huán)境因子和優(yōu)勢(shì)樹種與齡組的差異，出現(xiàn)邊緣區(qū)平均胸徑和平均樹高比核心區(qū)小，共有Q21、T10和T39三組樣地，其中樣地Q21邊緣區(qū)平均胸徑和平均樹高比核心區(qū)分別小0.7%，5.4%,樣地T10分別小3.7%，12.1%，樣地T39分別小0.8%，8.1%，這3組樣地杉木林核心區(qū)位于下坡，邊緣區(qū)為中坡，坡位對(duì)杉木林的影響比較大，而且對(duì)樹高的影響大于對(duì)胸徑的影響。

平均胸徑與平均樹高的變化幅度相比較，平均胸徑＞平均樹高，平均胸徑變化幅度為-3.7%～36.0%，平均樹高變化幅度為-12.1%～12.1%，變化幅度最大是樣地T10，該樣地杉木林和松木林的林齡為成熟林，喬木的生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，樹高和胸徑受地理環(huán)境、土壤等影響較大。從樣地蓄積上看，由于邊緣區(qū)樣地有相鄰斑塊多個(gè)物種出現(xiàn)，在杉木林與松木邊緣區(qū)，杉木林和松葉林并存，還有少量闊葉林樹種存在，相比較杉木林的蓄積，由于核心區(qū)杉木林的數(shù)量明顯多，核心區(qū)的杉木林蓄積與邊緣區(qū)要高，但樣地總蓄積，除了T10樣地，邊緣區(qū)高于杉木林核心區(qū)。

杉木林劃分為幼齡林、中齡林和成熟林3個(gè)不同齡組，中齡林樣地?cái)?shù)量最多，有7組樣地，其中邊緣區(qū)比核心區(qū)平均高增大的有5組，平均胸徑增大有3組，平均高相比于平均胸徑，邊緣區(qū)與杉木林核心區(qū)增大趨勢(shì)更明顯，成熟林2組樣地中，一組樣地邊緣區(qū)比核心區(qū)平均胸徑和平均樹高增大明顯，松木林屬于近熟林，另外一組平均胸徑和平均樹高相差不大。樣地Q17和T22邊緣區(qū)平均胸徑比杉木核心區(qū)減小，但平均樹高增大，但增大和減小的變化幅度都很小。從杉木林與松木林所有樣地情況來看，邊緣效應(yīng)對(duì)杉木林的生長(zhǎng)具有正效應(yīng)。

從調(diào)查數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分析，杉木林與松木林邊緣區(qū)的平均胸徑和平均樹高標(biāo)準(zhǔn)差高于核心區(qū)，說明邊緣樣地胸徑和樹高分布不均勻，有小徑級(jí)林木，也有較大徑級(jí)林木，核心區(qū)樣地杉木胸徑分布比較均勻，多集中在平均胸徑大小，實(shí)質(zhì)是邊緣效應(yīng)作用下林木不斷競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

表3 杉木林與松木類景觀斑塊對(duì)的物種多樣性情況Table 3 Species diversity of landscape patch pairs of Chinese fir and conifer

3.2 物種多樣性分析

按照公式5和6計(jì)算杉木林與松類不同齡組灌木與草本層的Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)，分析比較杉木林與松木類斑塊林下灌木層和草本層的Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)，數(shù)據(jù)顯示，杉木林核心區(qū)、松木類核心區(qū)和邊緣區(qū)的灌木層Simpson指數(shù)變化范圍分別為0.14～ 0.51，0.11～ 0.78，0.14～ 0.41，在草本層Simpson指數(shù)變化范圍分別為0.10～0.80，0.08～0.52，0.11～0.77。杉木林核心區(qū)、松木類核心區(qū)和邊緣區(qū)的灌木層Shannon-Wiener指數(shù)變化范圍分別為0.80～2.14，0.36～2.17，0.99～2.17，在草本層Shannon-Wiener指數(shù)變化范圍分別為0.11～0.77，0.35～2.07，0.08～0.52。

灌木層Shannon-Wiener指數(shù)最大值出現(xiàn)在Q6樣地，在杉木林核心區(qū)、松木類核心區(qū)、邊緣區(qū)依次為2.14，2.17，2.17。最小值出現(xiàn)在T22樣地，依次為0.80，0.36，0.99。草本層Shannon-Wiener指數(shù)最大值出現(xiàn)在杉木林核心區(qū)Q6樣地，但松木類核心區(qū)和邊緣區(qū)指數(shù)數(shù)值最大值出現(xiàn)在Q15樣地，最小值出現(xiàn)在Q21樣地，指數(shù)數(shù)值為0.35，0.67，0.39。

4 結(jié)論與討論

(1)不同樹種兩相鄰斑塊存在邊緣效應(yīng)，首先體現(xiàn)在林木的平均胸徑、平均樹高和蓄積反應(yīng)的生長(zhǎng)情況，一般情況，兩相鄰斑塊邊緣區(qū)比核心區(qū)平均胸徑、平均樹高和蓄積均有增大趨勢(shì)，而且幼齡林和中齡林比成熟林趨勢(shì)明顯，平均胸徑比平均樹高變化幅度大，從外業(yè)調(diào)查樣地平均胸徑、平均樹高的標(biāo)準(zhǔn)差分析，邊緣區(qū)樣地平均胸徑、平均樹高的標(biāo)準(zhǔn)差比杉木林核心區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差高，說明邊緣區(qū)樣地的杉木胸徑分布不均勻，有小徑級(jí)林木，也有較大徑級(jí)林木，核心區(qū)樣地杉木胸徑分布比較均勻，多集中在平均胸徑大小。

(2)從森林景觀斑塊物種多樣性分析，存現(xiàn)杉木林核心區(qū)大于邊緣區(qū)，且杉木林核心區(qū)灌木層和草本層物種種類明顯多。

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Analysis edge effect between fir and pine landscape in West Dongting Lake

ZHAO Chun-yan1, LI Ji-ping1, YUAN Xiao-hong1, YI Zhang2
(1.Central South University of Forestry &Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Five-star Flower Company, Zhuzhou 412007,Hunan, China)

Edge effect is achieved by biotic and abiotic factors as condition carrier or directly influences two adjacent ecosystems. By taking West Dongting Lake Region as the studied site, Chinese fir and conifer landscape as the studied objects, the core zone and fringe zone have been set, thus the fringe effect was measured and calculated by the productivity and species diversity of the studied area. The results show that the average DBH, mean tree height and volume in the fringe zone of two adjacent patches increased than those in the two core zones, this tendency was more obvious in the young forest and middle-aged forest than in the mature forest, and the average DBH changed greater than the average tree height. From the perspective of species diversity, in the current existing Chinese fir and conifer forests of the core zones, the species numbers in the shrub layer and herb layer significantly increaesd.

Chinese fir forest; conifer; landscape patches; fringe effect; West Dongting Lake Region

S791.27；S791.24

A

1673-923X(2013)09-0022-05

2013-02-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30972362)

趙春燕（1976-），女，湖南澧縣人，博士，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程研究

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程教學(xué)與科研工作

[本文編校：吳 毅]