天目山不同海拔柳杉群落特征與空氣負(fù)離子效應(yīng)分析

唐呂君，趙明水，李 靜，蔣文偉

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 臨安311311）

天目山不同海拔柳杉群落特征與空氣負(fù)離子效應(yīng)分析

唐呂君1，趙明水2，李 靜1，蔣文偉1

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 臨安311311）

選擇天目山國(guó)家森林公園不同海拔高度的9個(gè)古柳杉群落為研究對(duì)象，調(diào)查柳杉群落種類(lèi)組成、結(jié)構(gòu)、外貌特征，實(shí)測(cè)春夏秋三季不同柳杉生境小氣候、空氣負(fù)離子濃度的瞬時(shí)值，并評(píng)價(jià)其空氣清潔度。結(jié)果表明：在生長(zhǎng)季節(jié)，隨著海拔高度增加柳杉群落Simpson、Shannon-Wienner及Pielou等多樣性指數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，大小排序?yàn)樯巾敚?.918 2；4.345 9；0.805 9）＞山麓（0.895 9；4.116 0；0.781 1）＞山中（0.890 9；3.999 6；0.747 3），而植物群落物種豐富度指數(shù)則表現(xiàn)不同特點(diǎn)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)為山中（37）＞山頂（33）＞山麓（31）；春夏季節(jié)空氣負(fù)離子濃度日變化呈雙峰曲線，而秋季空氣負(fù)離子濃度則呈單峰曲線。隨著海拔高度增加空氣負(fù)離子濃度呈上升趨勢(shì)，且山頂、山中較高海拔的柳杉群落空氣負(fù)離子濃度顯著高于山麓，其CI值（空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)）也高于山麓。

柳杉；群落特征；海拔高度；空氣負(fù)離子效應(yīng)；天目山

植物群落種類(lèi)組成、多樣性及群落結(jié)構(gòu)是群落對(duì)生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)，也是植物生物學(xué)特征和生態(tài)學(xué)特性的綜合表現(xiàn)[1]，研究物種多樣性的梯度格局以及控制這些格局的生態(tài)因子，是保護(hù)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)[2]。垂直海拔梯度包含了溫度、濕度和光照等多種環(huán)境因子而成為生物多樣性梯度格局研究的重要方面[3]，由于空氣負(fù)離子與溫度、濕度等環(huán)境因子關(guān)系密切[4]，從而使其在影響物種多樣性與群落生境功能等方面發(fā)揮著重要的作用。在山地植物群落研究中，物種多樣性沿海拔梯度的變化規(guī)律一直是生態(tài)學(xué)家十分感興趣的問(wèn)題[5]。Lomonlino認(rèn)為多樣性與海拔梯度格局的關(guān)系（正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或單峰分布格局）在很大程度上依賴于環(huán)境變量之間的協(xié)變與互作[6]，而Rey Benayas研究表明植物群落不同層次的多樣性對(duì)環(huán)境響應(yīng)不盡一致[7]。國(guó)內(nèi)近年有些學(xué)者研究了不同山地植物群落物種多樣性的垂直分布格局，朱彪[8]等對(duì)亞熱帶南嶺東段的莽山和西段的貓兒山植物群落喬木層物種多樣性的垂直分布格局進(jìn)行了比較研究，唐志堯[9]等則對(duì)秦嶺太白山木本植物多樣性的梯度格局研究，并結(jié)合環(huán)境因子進(jìn)行解釋，但對(duì)于亞熱帶常綠闊葉林物種多樣性與空氣負(fù)離子沿海拔梯度變化的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本項(xiàng)研究以天目山9個(gè)柳杉群落樣地為對(duì)象，分析不同海拔高度天目山植物群落物種多樣性梯度變化，結(jié)合空氣負(fù)離子效應(yīng)變化，探討不同海拔高度柳杉群落物種多樣性與空氣負(fù)離子效應(yīng)關(guān)系，為自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和森林資源的保護(hù)和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于浙江省臨安市，距省會(huì)杭州市71 km，屬中亞熱帶北緣向北亞熱帶的過(guò)渡地帶，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨水充沛。天目山海拔范圍300 ～1 556 m，具有典型的中亞熱帶的森林生態(tài)系統(tǒng)。境域獨(dú)特的山體影響，形成冬暖夏涼的小氣候，主峰仙人頂及山麓等生境氣候類(lèi)型多樣。境域年平均氣溫8.8～14.8 ℃，最冷月平均氣溫-2.6～3.4 ℃，最熱月平均氣溫19.9～28.1 ℃，≥10 ℃積溫2 500～5 100 ℃，無(wú)霜期209～235 d，年均降水量1 390～1 870 mm。土壤厚度約為50 cm，多為黃壤土、棕黃壤土[10]。天目山被譽(yù)為“大樹(shù)華蓋聞九州”的天然植物園，森林覆蓋率達(dá)95%以上。天然植被垂直分布明顯：海拔1 100 m以下為常綠闊葉林，1 100～1 400 m為落葉、常綠闊葉和針葉混交林；1 400 m以上為稀疏灌木。保護(hù)區(qū)內(nèi)植物區(qū)系古老，有蕨類(lèi)植物171種，種子植物1 641種（包括亞種、變型）[11]，柳杉Cryptomeria fortunei，銀杏Ginkgo biloba，紫楠Pheareri sheareri和毛竹Phyllostachys pubescens等是天目山主要特色植物群落。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

在全面踏查天目山森林資源分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)海拔高度差異、植被類(lèi)型均一、樣點(diǎn)分布均勻等原則，采用典型抽樣方法[12-14]在天目山不同海拔高度山麓、山中及山頂（海拔高度360 m、820 m及1 060 m）柳杉群落分布地段選取20 m×20 m的樣地，每一海拔高度有3個(gè)樣地，記錄海拔、坡向、坡度等。在樣地內(nèi)對(duì)喬木進(jìn)行每木調(diào)查，記錄種類(lèi)、胸徑、樹(shù)高、冠幅等。在樣地中央及對(duì)角線設(shè)置5個(gè)4 m×4 m的灌木樣地，記錄植物的種名、地徑、高度及蓋度等，并在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)l m×l m的草本樣方，記錄種名、高度及蓋度等。

2.2 空氣負(fù)離子測(cè)定

采用美國(guó)產(chǎn)ACI-1000空氣負(fù)離子測(cè)定儀，選擇晴朗天氣對(duì)確定的9個(gè)柳杉群落樣地進(jìn)行同步觀測(cè)，時(shí)間為8:00～17:00，每2小時(shí)觀測(cè)1次，以4個(gè)方向的平均值為觀測(cè)值，并記錄各方向的最大值、最小值。采用目前應(yīng)用廣泛的單極系數(shù)（q）和安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)(CI)的空氣負(fù)離子評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的空氣清潔度[15-16]。按照空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)可將空氣質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)：CI≥1.00，最清潔（A級(jí)）；0.70≤CI＜1.00，一般清潔（B級(jí)）；0.50≤CI＜0.69，中等清潔（C級(jí)）；0.30≤CI＜0.49，允許（D級(jí)）；CI=0.29時(shí)為臨界值，E級(jí)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)野外調(diào)查相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)植物重要值[17]、植物生活型[18]、物種多樣性[19]等3個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。

3 結(jié)果分析

3.1 天目山柳杉群落植物生活型

根據(jù)Raunkiaer 生活型分類(lèi)系統(tǒng)[20-21]，天目山柳杉群落中高位芽植物共有140種，可分為中高位芽植物、小高位芽植物和矮高位芽植物，占群落總種數(shù)的61.14%，其中以小高位芽植物最多，共87種，占37.99%，是群落的重要組成成分；矮高位芽植物的種次之，有49種，占21.39%，其比較適應(yīng)天目山生境氣候環(huán)境，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力；中高位芽植物種類(lèi)稀少，主要以柳杉為主，共4種，占1.75%。地上芽植物、地面芽植物、隱芽植物和一年生植物共89種，占38.86%，其中以地上芽植物灌木、半灌木最為豐富。由此發(fā)現(xiàn)高位芽植物占優(yōu)勢(shì)的群落生活型譜特征，反映了天目山溫暖、濕潤(rùn)的中亞熱帶氣候特點(diǎn)，植物群落則表現(xiàn)出以中高位芽植物、小高位芽植物及矮高位芽植物為主的常綠落葉闊葉林。

3.2 不同海拔高度柳杉群落喬灌草各層重要值分析

柳杉群落分層明顯，按植物生長(zhǎng)型可劃分為喬木層、灌木層、草本層和地被層，此次調(diào)查重點(diǎn)主要集中在喬木層、灌木層及草本層的現(xiàn)狀。重要值反映植物種類(lèi)的重要程度，從表1可知，不同海拔柳杉群落中植物種的重要值不同，優(yōu)勢(shì)種均有差異，但是柳杉在不同海拔高度的喬木層中都處于優(yōu)勢(shì)種地位，而且山頂柳杉重要值為38.52，比山中、山麓要大，同時(shí)也大于其他優(yōu)勢(shì)種：交讓木（16.47）、紫楠（13.07）、楓香（12.37）等；灌木層植物種類(lèi)豐富，優(yōu)勢(shì)種為日本常山（18.65）、紫金牛（15.65）等，同時(shí)部分喬木幼苗生長(zhǎng)也具一定優(yōu)勢(shì)，植物群落的自然更替較頻繁；草本層植物種類(lèi)相對(duì)較少，但植物覆蓋度較大，優(yōu)勢(shì)種主要為吉祥草（36.85）、箬竹（22.34）等。

表1 不同海拔高度群落喬木層、灌木層及草本層植物種類(lèi)重要值（前3位）Table 1 Importance values of plant species in tree, shrub and herb layers at different height (the first three)

3.3 不同海拔高度柳杉群落的物種多樣性

調(diào)查的9個(gè)樣地位于山頂、山中、山麓，每個(gè)海拔高度有3個(gè)樣地。根據(jù)植物群落組成調(diào)查，計(jì)算不同海拔高度的物種豐富度及多樣性指數(shù)（表2）。表2研究數(shù)據(jù)表明，位于山頂?shù)牧贾参锶郝鋯坦嗖萑龑哟钆浜侠恚L(zhǎng)趨勢(shì)良好，其Simpson指數(shù)為0.918 2，Shannon-Wienner指數(shù)為4.345 9，Pielou均勻度指數(shù)為0.805 9，均客觀反映了山頂柳杉群落物種多樣性高的特點(diǎn)；而山中、山麓的各項(xiàng)指數(shù)都比較接近，其灌木層、草本層生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)較喬木層明顯，在一定程度上抑制了喬木層植物的生長(zhǎng)，并且各項(xiàng)指數(shù)均低于山頂灌木層與草本層同類(lèi)物種指數(shù)數(shù)據(jù)，總體上呈現(xiàn)為山頂＞山麓＞山中的趨勢(shì)；研究也表明植物群落物種豐富度指數(shù)則表現(xiàn)為山中（37）＞山頂（33）＞山麓（31）。

表2 不同海拔高度植物群落的物種豐富度及多樣性指數(shù)Table 2 Species richness and diversity index of plant communities in different height

3.4 不同海拔高度柳杉群落空氣負(fù)離子效應(yīng)

于4月至11月，測(cè)定了天目山山頂、山中及山麓固定樣地生境空氣負(fù)離子，研究9個(gè)柳杉植物群落春季、夏季及秋季空氣負(fù)離子日變化（圖1、圖2、圖3）。根據(jù)天目山山頂、山中、山麓典型樣地空氣正負(fù)離子及環(huán)境因子調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合根據(jù)安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)所分的空氣質(zhì)量等級(jí)，計(jì)算出天目山春夏秋三個(gè)季節(jié)山頂、山中、山麓的空氣離子評(píng)價(jià)結(jié)果（表3）。從圖1～3中可看出春夏季空氣負(fù)離子日變化曲線基本上呈現(xiàn)雙峰型變化，秋季空氣負(fù)離子日變化則基本呈現(xiàn)單峰型變化；夏季空氣負(fù)離子濃度明顯高于春秋兩個(gè)季節(jié)空氣負(fù)離子濃度，結(jié)合表3研究結(jié)果，試驗(yàn)表明夏季空氣質(zhì)量等級(jí)明顯優(yōu)于春秋季。同時(shí)，表3中的數(shù)據(jù)還反映出山頂、山中的空氣質(zhì)量等級(jí)略優(yōu)于山麓。

圖1 春季空氣負(fù)離子日變化Fig. 1 Diurnal changes of air anion in spring

圖2 夏季空氣負(fù)離子日變化Fig.2 Diurnal changes of air anion in summer

圖3 秋季空氣負(fù)離子日變化Fig. 3 Diurnal changes of air anion in autumn

表3 天目山春夏秋季空氣離子評(píng)價(jià)Table 3 Air ion evaluation in spring, summer and autumn in Tianmu Mountain

4 結(jié)論與討論

（1）中亞熱帶森林群落中，生物量及所占空間均是喬木層最大，灌木層次之，草本層最小[2,22]。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，柳杉群落的物種豐富度指數(shù)是灌木層（11.1）＞喬木層（10）＞草本層（2.1），主要是由于灌木層中不僅包括自身的灌木樹(shù)種，還包括眾多的喬木樹(shù)種幼苗。山地分布區(qū)域的環(huán)境條件、山地的相對(duì)高度、人為干擾的程度、不同海拔的群落類(lèi)型等都有可能對(duì)植物群落的物種多樣性指數(shù)在海拔梯度上的分布產(chǎn)生影響[23]。天目山山麓區(qū)域植物群落距離村民居住點(diǎn)較近，受人為潛在干擾因素較大。從表2研究結(jié)果可以看出，天目山山頂及山中的植物群落豐富度、物種多樣性等相對(duì)于山麓均較高。

（2）天目山林特色植物群落是柳杉群落，柳杉群落的生態(tài)效應(yīng)大小可體現(xiàn)在天目山空氣負(fù)離子濃度方面[24]。本研究發(fā)現(xiàn)天目山山頂、山中及山麓的植物群落物種多樣性指數(shù)，山頂最大，山中、山麓指數(shù)較接近，總體呈山頂＞山麓＞山中的變化趨勢(shì)，而植物群落物種豐富度指數(shù)則呈現(xiàn)山中（37）＞山頂（33）＞山麓（31）的變化趨勢(shì)，山中的群落豐富度指數(shù)分別比山頂、山麓的群落物種豐富度指數(shù)高出4和6?？傮w比較可知山頂、山中的植物生態(tài)效應(yīng)優(yōu)于山麓，其原因可能與山頂、山中植物群落空氣濕度比山麓高等因素有關(guān)。從表3可知山頂及山中CI值（空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)）均比山麓要高，山頂、山中空氣質(zhì)量等級(jí)也優(yōu)于山麓。

（3）從圖1和圖2來(lái)看，春夏季空氣負(fù)離子日變化基本呈雙峰型曲線，其峰值處于上午10:00～11:00點(diǎn)及14:00～15:00。這與胡國(guó)長(zhǎng)所做的研究結(jié)果相似，其研究結(jié)果表明相同環(huán)境下林分4至9月空氣負(fù)離子濃度日變化基本呈雙峰型[15]。在14:00點(diǎn)左右，太陽(yáng)輻射達(dá)到最強(qiáng)，這時(shí)氣溫升高，植物光合作用也出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，再加上空氣濕度的降低，使得空氣負(fù)離子濃度降低，即空氣負(fù)離子濃度呈現(xiàn)的下降趨勢(shì)[25]。從圖3看，秋季空氣負(fù)離子日變化基本呈單峰型曲線。結(jié)合圖1、2、3及表3，可發(fā)現(xiàn)天目山柳杉群落夏季空氣負(fù)離子濃度明顯高于春秋兩季，因而夏季CI值（空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)）較高，其空氣質(zhì)量等級(jí)也較高。

（4）從圖1、圖2和圖3上也可發(fā)現(xiàn)，隨著海拔高度的增加，空氣負(fù)離子濃度即呈現(xiàn)上升變化趨勢(shì)，山頂與山中的空氣負(fù)離子濃度差別較小，而山麓的空氣負(fù)離子濃度明顯小于山頂和山麓。因而根據(jù)表3可發(fā)現(xiàn)，三個(gè)季節(jié)中，山頂、山中的CI值(空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù))均高于山麓，空氣質(zhì)量等級(jí)較高。

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Structure characteristics and air anion effect of Cryptomeria fortunei community at different altitude in Tianmu Mountain

TANG Lv-jun1, ZHAO Ming-shui2, LI Jing1, JIANG Wen-wei1
(1. School of Landscape and Architecture, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Lin’an 311300, Zhejiang, China;2. Administration Bureau for National Nature Reserve of Tianmu Mountain, Lin’an 311311, Zhejiang, China)

By taking nineCryptomeria fortuneicommunities at different altitude of National Forest Park in Tianmu Mountain as the studied objects, the community type composition, structure and appearance characteristics were investigated, the instantaneous values of habitat microclimate ofC. fortuneispecies in the spring, summer and autumn were measured in fi eld and the air cleanness degrees of differentC. fortuneihabitats in different seasons were evaluated. The results show that theC. fortuneicommunity type diversity such as Simpson, Shannon-Wienner and Pielou index increased with the increments of altitude height in the tree growing seasons, the sequence of them was: top of the mountain（0.918 2；4.345 9；0.805 9）＞ foot of the mountain（0.895 9；4.116 0；0.781 1）＞ half way up the mountain（0.890 9；3.999 6；0.747 3）; however the community species richness index were not similar, the sequence of them was: half way up the mountain（37）＞ top of the mountain（33）＞ foot of the mountain（31）; diurnal change of air anion concentration was bimodal type in spring and summer, but was unimodal type in autumn; with the increment of altitude height, air anion concentration increased and was more for the top of and half way up the mountain than for the foot of the mountain, and the air quality assessment index (CI) value (air quality evaluation index) showed the same trends.

Cryptomeria fortunei; community characteristics; altitude height; air anion effect; Tianmu Mountain

S791.31

A

1673-923X(2014)02-0085-05

2013-04-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30972342）

唐呂君（1988-），女，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事園林植物應(yīng)用與效益評(píng)估方面的研究

蔣文偉（1963-），男，浙江寧波人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事城市生態(tài)學(xué)與景觀生態(tài)學(xué)研究；

E-mail：wenweijiang@zafu.edu.cn

[本文編校：文鳳鳴]