寶天曼自然保護區(qū)主要森林類型自然度評價

彭舜磊,呂建華,陳昌東,齊 光,趙干卿

1 平頂山學(xué)院低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)重點實驗室, 平頂山 467000 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101

寶天曼自然保護區(qū)主要森林類型自然度評價

彭舜磊1,2,*,呂建華1,陳昌東1,齊 光1,趙干卿1

1 平頂山學(xué)院低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)重點實驗室, 平頂山 467000 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101

自然度評價對于自然保護區(qū)生物多樣性保護和森林管理具有重要意義。以寶天曼自然保護區(qū)主要林型35個樣地為研究對象,對27個群落指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,計算自然度指數(shù)值(N),對N值進(jìn)行Ward聚類,劃分自然度等級。結(jié)果表明：寶天曼自然保護區(qū)主要林型的自然度可劃分為5個等級組,自然度高的樣地：N值在2.18—1.13之間,平均林齡94a,占調(diào)查樣地總數(shù)的20.0%；自然度較高的樣地：N值在1.01—0.34之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的34.3%,平均林齡80a；自然度中等的樣地：N值在0.01— -0.47之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的17.1%,平均林齡為47a；自然度較低的樣地：N值在-0.92—-1.60之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%,平均林齡為26a；自然度低的樣地,N值在-1.98—-2.54之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%,平均林齡為21a。前3個主成分中土壤容重、有機質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、林齡、優(yōu)勢樹種平均胸徑、喬木層、灌木層和草本層的多樣性指數(shù)荷載較大,是影響森林自然度的主要因子。N值與林齡、喬木層和灌木層的Shannon-Wiener指數(shù)、海拔、土壤容重的線性擬合均達(dá)到極顯著水平(P<0.001),與土壤有機質(zhì)和全氮的關(guān)系符合對數(shù)曲線(R2>0.794,R2=0.815,P<0.0001)。在海拔1118—1863m區(qū)域,森林自然度較高,海拔970m以下區(qū)域,森林自然度較低。針對不同自然度等級的森林,分別提出了相應(yīng)的保護和經(jīng)營措施。

寶天曼自然保護區(qū)；自然度；植被特征；土壤質(zhì)量；主成分分析；Ward 聚類

過去幾百年來,由于人類活動的過度干擾,全球森林面積在以每年9.4×106hm2速度急劇減少[1],天然林遭到巨大破壞,現(xiàn)存的森林處于不同的退化狀態(tài),生物多樣性銳減[2]?，F(xiàn)實森林群落與原始森林群落物種豐富度、空間分布、更新狀況及其生境的對比研究是進(jìn)行森林恢復(fù)的前提和基礎(chǔ)[2]。因此,現(xiàn)實森林的自然度評價對于退化森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與生物多樣性保護尤為重要[3- 5]。

自然度(Naturalness)是指現(xiàn)實植被離開原始植被的距離[6-7]。由于完全沒有受到人為干擾的原始森林參照系難以尋覓,20世紀(jì)90年代以前,國外主要通過生態(tài)干擾度或演替階段等級劃分,確定自然度評價等級序列,對自然度進(jìn)行定性評價[6,8-9],國內(nèi)也常借鑒該方法對森林自然度進(jìn)行評價[10-13],該方法簡單易行,但生態(tài)干擾度的劃分主觀性強,完整的演替序列在同一地區(qū)很難找到,影響評價結(jié)果的可靠性[7,14]。有些學(xué)者用潛在植被或歷史植被作為參照系,對森林自然度進(jìn)行評價[15-16],潛在植被是人們假想的參照系,歷史植被的信息在很多地區(qū)沒有完整記錄,其評價結(jié)果的可靠性尚待驗證[4, 14]。20世紀(jì)90年代之后,國外學(xué)者利用森林群落的物種豐富度、林齡、植被的水平和垂直結(jié)構(gòu)、枯死木的數(shù)量、物種更新狀況、鄉(xiāng)土樹種所占的比例等指標(biāo),構(gòu)建自然度評價體系,結(jié)合生態(tài)干擾度,對自然度進(jìn)行定量評價[15- 20]。一些研究表明,林下植被物種多樣性、枯死木和土壤性質(zhì)等群落指標(biāo)對自然度有很好的指示作用[20-23]。在國內(nèi),很多學(xué)者借鑒國外自然度評價體系,采用層次分析法[24- 27]或灰色關(guān)聯(lián)度[28- 30]對不同區(qū)域森林的自然度進(jìn)行了定量評價。定量評價的指標(biāo)通過森林群落調(diào)查直接獲取,更為客觀,但也存在指標(biāo)體系不完善、權(quán)重賦值和分級標(biāo)準(zhǔn)受人為因素影響大的不足。

綜上所述,目前,森林自然度評價尚未有統(tǒng)一的方法[14],在自然度評價過程中,國內(nèi)外的研究多關(guān)注植被指標(biāo),忽視土壤指標(biāo),評價指標(biāo)體系尚需完善,而且森林自然度與群落主要特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性研究尚存在不足。本文以寶天曼自然保護區(qū)主要森林類型為研究對象,通過對森林群落植被和土壤指標(biāo)全面調(diào)查,構(gòu)建科學(xué)合理的指標(biāo)評價體系,對其自然度進(jìn)行評價,探討林齡、物種多樣性、土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)對森林自然度的影響,為寶天曼自然保護區(qū)退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和生物多樣性保護提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

寶天曼國家級自然保護區(qū)為世界生物圈保護區(qū),位于河南省西南部秦嶺東段,伏牛山南坡的內(nèi)鄉(xiāng)和南召兩縣境內(nèi)(111°47′—112°04′E, 33°25′—33°33′N),海拔高度600—1863m,年平均氣溫15.1℃,年降水量855.6 mm。地貌以切割程度不同的中山為主,低山為輔,主要巖石是花崗巖、石灰?guī)r和砂巖,區(qū)內(nèi)土壤劃分3個土類：海拔1300 m以上為山地棕壤土類,海拔800—1300 m為山地黃棕壤土類,海拔800 m以下為山地褐土。植被區(qū)劃屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū),垂直分布明顯,海拔600—1200 m,以栓皮櫟(Quercusvariabilis)林為主；海拔1100—1300 m以短柄枹櫟(Quercusserratavar.brevipetiolata)林為主；海拔1300—1600 m以銳齒櫟(Quercusalienavar.acutiserrata)林為主；海拔1600—1750 m為由華山松(Pinusarmandii)、銳齒櫟組成的針闊混交林；海拔1700 m以上有銳齒櫟、堅樺(Betulachinensis)組成的山頂矮曲林,局部地段有山楊(Populusdavidiana)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、化香(Platycaryastrobilacea)、槭類(Acer)林等[31]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2013年7月,在河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣寶天曼國家自然保護區(qū)及周邊區(qū)域,從海拔271 m的馬山岈到海拔1863 m最高峰曼頂,根據(jù)主要分布的林型,在有代表性的地段按照海拔、林分起源、林齡、坡度、坡向等因子梯度分別設(shè)置樣地35個,其中自然保護區(qū)內(nèi)28個,周邊區(qū)域?qū)φ?個。用GPS記錄每個樣地的經(jīng)緯度和海拔,用羅盤儀記錄樣地的坡向和坡度(表1)。每個喬木的樣地面積為20 m×20 m,在每個喬木樣地內(nèi)的四周和中心分別設(shè)置5 m×5 m 的灌木樣方和1 m×1 m的草本樣方各5個。把喬木樣地劃分為16個5 m×5 m 的小樣方,對喬木進(jìn)行每木調(diào)查,用胸徑圍尺測胸徑(游標(biāo)卡尺測幼樹的地徑),劃分主林層優(yōu)勢樹種的徑級,每徑級選擇1株標(biāo)準(zhǔn)木,用生長錐測試標(biāo)準(zhǔn)木的樹齡,各標(biāo)準(zhǔn)木樹齡的平均值作為林分的年齡。以樣地的西南角為坐標(biāo)原點,東西向為x軸,南北向為y軸,對每株喬木進(jìn)行坐標(biāo)定位。記錄林分年齡、喬木樹種名稱、胸徑、樹高、冠幅、郁閉度、坐標(biāo)等； 灌木和草本分別記錄其種名、株數(shù)、多度、頻度、蓋度等。物種豐富度指數(shù)(S)、Simpson指數(shù) (D) 、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(Jsw)的計算方法參見文獻(xiàn)[32]。

表1 寶天曼自然保護區(qū)主要林型樣地概況

槲櫟Quercusaliena,側(cè)柏Platycladusorientalis,茅栗Castaneaseguinii,血皮槭Acergriseum,楊樹Populus×euramericana

1.2.2 土壤調(diào)查及測試

在每個喬木樣地內(nèi)隨機選取樣點3個,用土鉆每10 cm 為一層進(jìn)行分層取樣,共取3層(至30 cm處)。所取土樣裝入對應(yīng)標(biāo)記的采樣袋內(nèi),備測土壤養(yǎng)分指標(biāo)。同時在每個樣點挖取0—30 cm土壤剖面,用環(huán)刀按0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm土層取土樣,備測土壤容重。土壤測定指標(biāo)包括：土壤容重、土壤有機質(zhì)、速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮、全磷和全鉀。土壤容重采用環(huán)刀烘干法,土壤有機質(zhì)采用TOC分析儀,土壤全磷和速效磷采用鉬銻抗比色法,全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用凱氏定氮法,速效鉀和全鉀-火焰光度計法。

1.3 寶天曼自然保護區(qū)主要林型自然度評價方法

1.3.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

為了全面、客觀地評價森林自然度,選擇27個反映森林群落植被和土壤特征的調(diào)查指標(biāo)(林齡,喬木層、灌木層、草本層物種豐富度、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener、Pielou均勻度指數(shù),郁閉度,幼苗更新個數(shù),林分密度,優(yōu)勢木平均胸徑,優(yōu)勢木平均樹高,土壤容重,土壤有機質(zhì),速效鉀,速效磷,硝態(tài)氮,銨態(tài)氮,全氮,全磷,全鉀)建立評價指標(biāo)體系,對該指標(biāo)體系進(jìn)行主成分分析。

1.3.2 自然度主成分分析方法

采用主成分分析法對群落的自然度進(jìn)行分析,以特征根的累計貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上為參考值,確定主成分個數(shù)m。對m個主成分得分(F1,F2,F3,…,Fm)進(jìn)行加權(quán)求和,得到各個樣地的主成分綜合得分值F,本文F值越負(fù),排名越靠前,為了便于分析,我們定義自然度指數(shù)N=-F,但不改變排名。

1.3.3 自然度高低等級劃分方法

對35個樣地的自然度指數(shù)值N進(jìn)行Ward聚類,依據(jù)聚類族數(shù),劃分自然度等級。然后,依據(jù)自然度等級對各樣地的自然度進(jìn)行評價。

1.3.4 群落自然度與群落主要指標(biāo)的關(guān)系分析

選擇海拔和第一主成分中荷載較大的指標(biāo)：林齡、喬灌層Shannon-Wiener指數(shù)、土壤容重、有機質(zhì)和全氮含量與自然度指數(shù)N分別建立回歸方程,探討這些指標(biāo)與自然度的關(guān)系。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

用R軟件(Version 3.2.2,R Core Team)中的scale函數(shù)對35個樣地的27個參評指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,用princomp函數(shù)進(jìn)行主成分分析(PCA),計算自然度指數(shù)(N),用hclust函數(shù)對N進(jìn)行Ward聚類,劃分自然度等級；用Sigmaplot軟件(Version 12.5,Systat Software Inc)對自然度指數(shù)(N)與群落主要指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林自然度因子主成分分析

對27個森林群落指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表2),前8個主成分的累積貢獻(xiàn)率為86.92%,超過了85%,解釋率已極為顯著,包含了27個指標(biāo)的絕大部分信息量。7個主成分中,前3個特征根和貢獻(xiàn)率較大,其中第一主成分的特征根為9.35,貢獻(xiàn)率最大。

表2 寶天曼自然保護區(qū)主要林型自然度評價因子的特征根、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率

Table 2 Initial Eigenvalues, contribution rate, and cumulative contribution rate for naturalness assessment factors of the main forest types in Baotianman National Nature Reserve

主成分Components特征根InitialEigenvalues合計Total貢獻(xiàn)率/%Contributionrate累積貢獻(xiàn)率/%Cumulativecontributionrate19．3534．6334．6323．4512．7947．4233．1611．6959．1242．017．4466．5651．776．5673．1261．495．5178．6471．264．6583．2980．983．6386．92

主成分荷載分析表明：第一主成分中土壤容重、全氮和有機質(zhì)的荷載最大,分別為-0.89、0.88和0.86,其次是灌木層和喬木層的物種豐富度、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)以及林齡和優(yōu)勢木平均胸徑,優(yōu)勢木平均胸徑與林分生物量密切相關(guān),第一主成分體現(xiàn)了土壤質(zhì)量、林齡和喬、灌層多樣性指數(shù)信息和林分生物量信息；第二主成分中,草本層4個多樣性指數(shù)的荷載系數(shù)較大,分別為0.66、0.75、0.78和0.64,反映了林下草本層物種多樣性狀況；第三主成分喬木層Pielou均勻度指數(shù)的荷載較大；第四主成分林分密度的荷載系數(shù)最大,體現(xiàn)了林分密度；第五主成分土壤全鉀的荷載最大,體現(xiàn)鉀素含量信息；第六主成分中郁閉度和幼苗更新數(shù)量荷載較大,體現(xiàn)了林分郁閉度和幼苗更新潛力；第七主成分中土壤全磷含量荷載最大,反映了土壤磷素狀況；第八主成分中幼苗更新數(shù)量和硝態(tài)氮的荷載較大,體現(xiàn)了幼苗更新潛力和土壤肥力。

35個樣地主成分得分和自然度指數(shù)N計算結(jié)果及排序如表4所示：35個樣地的N值隨機分布在2.18到-2.54之間, 排名前3位分別是33、32和18號樣地,排名后3位的為11、2和8號樣地。33號樣地N值最大(2.18),11號樣地N值最小(-2.54)。

表3 寶天曼自然保護區(qū)主要林型自然度評價因子主成分荷載矩陣

表中下劃線數(shù)字表示荷載較大的因子

表4 寶天曼自然保護區(qū)35個森林樣地自然度評價因子主成分得分、自然度指數(shù)值及排名

Table 4 Principal components scores, naturalness index assessment values and ranks for 35 forest plots in Baotianman National Nature Reserve

樣地號No．F1F2F3F4F5F6F7F8綜合得分值Fscores自然度指數(shù)值NaturalnessindexN排名Rank12．59-2．73-0．30-0．67-2．45-0．141．770．010．43-0．432424．730．573．121．050．53-2．490．210．732．40-2．403432．991．683．74-0．691．27-1．210．161．761．98-1．983146．77-2．620．890．83-1．15-2．57-1．27-1．882．11-2．113252．15-0．902．23-0．330．441．681．42-0．401．19-1．192761．812．812．24-0．082．94-0．37-0．49-0．081．60-1．603072．97-0．15-0．850．570．34-0．63-2．50-0．580．92-0．922684．093．04-2．111．540．021．991．87-0．082．15-2．153394．320．35-2．76-0．170．96-0．071．51-1．241．48-1．4829101．560．07-0．18-3．31-0．300．37-0．04-0．030．32-0．3223115．621．60-0．101．81-2．763．00-2．521．902．54-2．5435120．73-2．13-0．230．720．94-0．500．13-0．580．03-0．032113-1．83-1．110．44-0．631．231．41-0．840．32-0．740．7414140．17-3．29-1．261．241．580．16-1．00-0．06-0．410．411815-3．08-0．640．53-0．181．260．74-2．15-1．59-1．311．31416-0．06-1．67-1．880．670．320．100．871．21-0．340．341917-0．81-0．39-2．64-0．63-1．03-0．81-0．211．12-0．880．881018-4．152．27-1．71-1．191．35-2．42-0．061．02-1．661．66319-3．052．56-2．573．000．96-0．82-0．28-0．27-0．940．94920-2．090．73-0．861．080．76-0．330．501．68-0．610．6117210．510．09-1．290．61-1．02-1．200．97-0．23-0．010．012022-0．73-0．403．721．090．821．592．14-1．380．47-0．472523-5．102．33-0．111．96-1．560．07-0．06-2．50-1．761．76224-1．50-3．07-0．300．971．860．78-0．470．85-0．800．801225-1．64-1．27-0．820．570．511．200．280．18-0．770．771326-0．08-2．87-0．92-1．300．310．61-0．130．41-0．620．621627-1．80-1．68-0．90-1．09-0．78-0．891．10-0．33-1．251．25528-1．090．66-1．89-1．490．520．290．490．18-0．630．631529-2．91-0．981．53-1．38-0．241．33-0．810．01-1．191．19630-3．630．351．720．11-0．530．040．850．42-1．131．13731-2．08-0．221．051．07-2．97-1．220．620．99-0．850．851132-3．651．192．81-0．69-1．020．270．090．21-1．011．01833-5．390．001．590．33-2．16-0．57-1．19-0．16-2．182．181342．534．10-0．91-1．02-0．260．57-0．26-0．871．37-1．3728351．131．75-1．02-4．37-0．690．04-0．71-0．770．08-0．0822

2.2 森林自然度等級評價

對自然度指數(shù)N進(jìn)行Ward聚類,把35個樣地劃分為5個聚類組(圖1)。Ⅰ組包括7個樣地：33、23、18、15、27、29和30號,N值在2.18—1.13之間,為自然度高的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的20%。該組樣地平均海拔1594 m,平均林齡94a,均為天然林；Ⅱ組包括12個樣地,N值在1.01—0.34之間,為自然度較高的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的34.3%。平均海拔1311 m,平均林齡80a,均為天然林；Ⅲ組包括6個樣地,N值在0.01— -0.47之間,為自然度中等的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的17.1%。平均海拔1009 m,平均林齡為47a,均為天然林；Ⅳ組包括5個樣地,N值在-0.92—-1.60之間,為自然度較低的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%。平均海拔723 m,平均林齡為26a,除9和34號樣地為人工林,其余為天然林；Ⅴ組的N值在-1.98—-2.54之間,為自然度低的樣地,包括5個樣地：3、4、8、2和11號,占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%。平均海拔453 m,平均林齡為21a,其中2、3、4號樣地為幼齡槲櫟林,8號樣地為栓皮櫟人工林,11號樣地為側(cè)柏人工林(圖1和表1)。

圖1 寶天曼自然保護區(qū)35個森林樣地自然度指數(shù)Ward聚類圖Fig.1 Ward cluster for naturalness index of 35 forest plots in Baotianman National Nature ReserveⅠ：自然度高的類群 group with highest naturalness；Ⅱ：自然度較高的類群group with higher naturalness；Ⅲ：自然度中等的類群 group with medium naturalness；Ⅳ、Ⅴ：自然度較低和最低的類群 groups with lower and lowest naturalness

2.3 森林自然度與森林群落主要指標(biāo)的關(guān)系

自然度指數(shù)N隨林齡、喬木層和灌木層的Shannon-Wiener指數(shù)增大而顯著增大(P<0.001)(圖2)；在群落環(huán)境和土壤主要指標(biāo)中,N隨海拔升高而顯著增大(R2=0.708,P<0.001),隨土壤容重的增加而顯著降低(R2=0.763,P<0.001),N隨土壤有機質(zhì)和全氮含量的增加呈顯著的自然對數(shù)曲線增長趨勢(R2>0.794,R2=0.815,P<0.0001)(圖3)。7個指標(biāo)中,土壤容重、有機質(zhì)、全氮和灌木層Shannon-Wiener指數(shù)對自然度指數(shù)解釋率較高。

圖2 自然度指數(shù)與林齡、喬木層和灌木層Shannon-Wiener指數(shù)的關(guān)系Fig.2 The relationships between naturalness index and forest age, shannon-wiener indexes in the arbor layer and shrub layer

圖3 自然度指數(shù)與海拔、土壤容重、土壤全氮和有機質(zhì)含量的關(guān)系Fig.3 The relationships between naturalness index and altitude, soil bulk density, SOM, and soil total nitrogen

3 結(jié)論與討論

3.1 寶天曼自然保護區(qū)森林的自然度及主要影響因子分析

本文通過對寶天曼自然保護區(qū)35個森林樣地27個群落指標(biāo)的調(diào)查,構(gòu)建了比較全面的自然度評價體系,為了避免人為權(quán)重賦值的影響,采用主成分分析法(PCA)計算自然度指數(shù)值,較為客觀。然后,通過Ward聚類劃分自然度等級,Ward聚類對所有樣地兩兩之間的自然度距離進(jìn)行計算,把自然度距離較近的樣地聚為一類,距離遠(yuǎn)的聚為另外一類,依此劃分自然度等級,符合自然度的定義,比較合理。評價結(jié)果表明：寶天曼自然度保護區(qū)森林自然度較高,自然度等級中等以上的樣地占調(diào)查總樣地的71.4%,主要分布保護區(qū)內(nèi)1000—1863 m的區(qū)域；自然度等級較低和最低的樣地占總樣地的28.6%,主要分布在970 m以下干擾嚴(yán)重的低海拔地段,評價結(jié)果符合實際,說明評價結(jié)果的可靠性。

很多學(xué)者認(rèn)為森林自然度指標(biāo)不僅包括群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、演替階段等植被指標(biāo),而且包括土壤理化性質(zhì)指標(biāo),是多因子綜合作用的結(jié)果[6- 9, 14]。本研究表明：前8個主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到86.92%,包含了27個指標(biāo)大部分信息,其中第一主成分的特征值和貢獻(xiàn)率最大,該主成分中,土壤容重、有機質(zhì)、全氮荷載最大,其次是灌木層和喬木層的物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)以及林齡和優(yōu)勢樹種的平均胸徑,這些指標(biāo)是評價森林自然度的重要指標(biāo)[17- 21, 23]。因為隨林齡增加,喬木層和灌木層物種多樣性、優(yōu)勢樹種胸徑和生物量增大,凋落物輸入增多,有利于土壤容重降低和有機質(zhì)及全氮增加,促進(jìn)森林發(fā)育和演替,提高森林自然度[2, 17- 19]。本研究表明自然度等級高的樣地組平均林齡為94a,自然度等級較高的樣地組平均林齡為80a,而自然度等級低的樣地組平均林齡僅21a。有些學(xué)者認(rèn)為林下土壤性質(zhì)、林下植被的物種多樣性和死木對森林自然度有指示作用[21- 23],與本研究結(jié)果一致,土壤容重、有機質(zhì)和全氮及灌木層的Shannon-Wiener指數(shù)對自然度指數(shù)解釋率較高,可以用來指示森林的自然度。本文沒有對死木進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查,今后應(yīng)加強死木對森林自然度的影響研究。

海拔對自然度的影響主要體現(xiàn)在對森林的干擾程度上,在低海拔地段,原始林破壞殆盡,轉(zhuǎn)化為林齡較小次生林和人工林,自然植被多處于演替的早期階段,自然度很低[2, 5-6]。比如2、3和4號樣地的槲櫟林,林齡僅為6—7a；另外,由于土壤有機質(zhì)和全氮流失嚴(yán)重,人工純林即使恢復(fù)了幾十年,自然度仍然很低,比如11號樣地30a側(cè)柏林和8號樣地55a栓皮櫟人工林。原因是其灌木層和喬木層多樣性指數(shù)低,土壤容重大、有機質(zhì)和全氮含量低。在海拔較高地段,人類活動干擾小,其自然度較高。比如自然度等級高的33號樣地銳齒櫟與血皮槭混交林和30號樣地銳齒櫟林,27號樣地短柄枹林及15號樣地栓皮櫟林,可以作為較為原始的森林群落,為今后該保護區(qū)相應(yīng)林型自然度評價提供參照系。

3.2 寶天曼自然保護區(qū)不同自然度等級森林的經(jīng)營與保護措施

森林自然度等級評價,可為自然保護區(qū)森林資源保護與經(jīng)營提供參考[3- 5]。對自然度等級高和較高級別的森林,必須嚴(yán)格封育保護,劃定旅游紅線,禁止一切人為活動干擾,保護頂極群落,促進(jìn)較高自然度等級的森林向頂極群落演替；對中等自然度級別的森林,實行封山育林,保護好林窗,促進(jìn)次林層生態(tài)伴生樹種生長,增加喬木層和灌木層物種多樣性,保護林下枯枝落葉和粗木質(zhì)殘體,增加土壤有機質(zhì)和氮素輸入,促進(jìn)群落順利演替；對處于低海拔地段自然度較低和低等級的森林,分類進(jìn)行經(jīng)營：對處于演替早期階段的森林,嚴(yán)格封育措施,防治人為干擾,促進(jìn)其自然演替；對地帶性樹種人工林,比如栓皮櫟人工林,可適當(dāng)擇伐,補種該地區(qū)演替前期天然林內(nèi)出現(xiàn)的混交樹種,比如山槐(Albizakalkora)、黃櫨(Cotinuscoggygria)等先鋒樹種,促進(jìn)林下灌木和草本層的發(fā)育,提高物種多樣性和土壤肥力,逐漸把人工林改造成近自然林。對保護區(qū)內(nèi)低海拔地段村莊附近的楊樹人工林,應(yīng)改造成栓皮櫟人工林；對側(cè)柏人工林,進(jìn)行間伐,混交荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、連翹(Forsythiasuspensa)、胡枝子(Lespedezabicolor)等灌木,待生境條件改善后,混交栓皮櫟樹種,待栓皮櫟占優(yōu)勢后,逐步伐除側(cè)柏,改造成栓皮櫟近自然林。

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Naturalness assessment of the main forest types in the Baotianman National Nature Reserve

PENG Shunlei1,2,*, Lü Jianhua1, CHEN Changdong1, QI Guang1, ZHAO Ganqing1

1KeyLaboratoryofEcologicalRestorationintheHillyArea,PingdingshanUniversity,Pingdingshan467000,China2KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Assessment of forest naturalness plays an important role in biodiversity conservation and forest management. In the present study, we selected thirty-five plots from the main forest types, and investigated 30 indicators (three topographic indicators and 27 community indicators) in the Baotianman National Nature Reserve. Community indicators (27) were analyzed using the PCA method to determine forest naturalness index values (N).Nvalues were clustered using the Ward cluster method, and naturalness classes were classified according to those cluster groups. The results showed that: the degrees of forest naturalness were divided into five grades: highest naturalness plots: withNvalues ranging from 2.18 to 1.13, an average stand age of 94a, and total plots accounting for 20.0%; higher naturalness plots: withNvalues ranging from 1.01 to 0.34, an average stand age of 80a, and total plots accounting for 34.3%; medium naturalness plots: withNvalues ranging from 0.01 to -0.47, an average stand age of 47a, and total plots accounting for 17.1%; lower naturalness plots: withNvalues ranging from -0.92 to -1.60, an average stand age of 26a, and total plots accounting for 14.3%; and lowest naturalness plots: withNvalues ranging from -1.98 to -2.54, an average stand age of 21a, and total plots accounting for of 14.3%. Among the first three principal components, soil bulk density, soil organic matter, total nitrogen, nitrate nitrogen, stand age, mean diameter at breast height (DBH) of the dominant trees, and diversity indices of the arbor, shrub, and herb layers were all greater than the other indicators, and were key factors that influenced forest naturalness. TheNvalue was significantly negatively linear when fitted to soil bulk density (R2= 0.763,P< 0.0001), and significantly positively linear when fitted to stand age, and Shannon-Wiener indices of shrub and arbor layers and altitude, respectively (P< 0.001). Logarithmic curve fitting reached significant levels betweenNvalue and soil organic matter, and total nitrogen, respectively (R2> 0.794,R2= 0.815,P< 0.0001). Greater forest naturalness was observed at sites at an altitude of 1118—1863 m. At an altitude of <970 m, forest naturalness sharply decreased. Based on the different classes of forest naturalness, some corresponding measures for discussion and management were proposed.

Baotianman National Nature Reserve; naturalness; vegetation characteristics; soil quality; principal component analysis; Ward Cluster

中國博士后科學(xué)基金面上項目(2014M561043)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點研究項目(14A180011)；河南省科技攻關(guān)計劃資助項目(14A180011, 162102310247)

2015- 05- 08;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505080947

*通訊作者Corresponding author.E-mail:pengshunlei@163.com

彭舜磊,呂建華,陳昌東,齊光,趙干卿.寶天曼自然保護區(qū)主要森林類型自然度評價.生態(tài)學(xué)報,2016,36(24):8164- 8173.

Peng S L, Lü J H, Chen C D, Qi G, Zhao G Q.Naturalness assessment of the main forest types in the Baotianman National Nature Reserve.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):8164- 8173.