長白山退化闊葉紅松林的演替狀態(tài)及退化機制研究

摘要：闊葉紅松林區(qū)作為我國東北地區(qū)木材主要產(chǎn)地，主要分布于吉林長白山、小興安嶺和完達山地區(qū)。林區(qū)植被資源豐富，不僅經(jīng)濟價值巨大，而且具有重要的生物學(xué)研究意義。本文以長白山退化闊葉紅松林為研究對象，通過選擇研究區(qū)域、建立相關(guān)模型和數(shù)據(jù)計算與分析來對其演替狀態(tài)及退化機制進行研究，以期能夠讓更多的學(xué)者進一步了解闊葉紅松林的演替狀態(tài)與退化機制。

關(guān)鍵詞：長白山；退化闊葉紅松林；演替狀態(tài)；退化機制

項目基金：長白山退化闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)關(guān)鍵性技術(shù)試驗示范（編號：20130206001SF）

中圖分類號：S714文獻標識碼：ADOI編號：10.14025/j.cnki.jlny.2016.05.059

闊葉紅松林是我國東北地區(qū)典型森林植被類型之一，分布東經(jīng)在125度～134度范圍內(nèi)，分布北緯在40度～49度范圍內(nèi)，海拔高度最低300米，最高1100米，氣候條件溫暖潮濕。目前，我國已對闊葉紅松林進行了大量的研究，并積累了大量的經(jīng)驗與數(shù)據(jù)資料。如楊晗熙通過馬爾科夫數(shù)學(xué)模型對長白山闊葉紅松林演替狀態(tài)進行了相關(guān)研究等。這為人們后續(xù)對長白山退化闊葉紅松林演替狀態(tài)與退化機制的研究提供了寶貴的資料參考。

1長白山退化闊葉紅松林的演替狀態(tài)

1.1研究區(qū)域概況

對于研究區(qū)域的選擇以1945年～1960年闊葉紅松林破壞較嚴重的地區(qū)為研究對象，包括長白山天池西坡路邊、北坡公路邊、鴨綠江邊和長白山保護區(qū)。這些地區(qū)交通便利，便于現(xiàn)場觀察與取材[1]。對于樣區(qū)大小的設(shè)定將其設(shè)置成50×20米規(guī)格，并對其地理位置及其他相關(guān)條件進行記錄，如海拔、經(jīng)緯度等。同時，還要按照株高在1米以上的標準記錄樣區(qū)內(nèi)7種樹木的數(shù)量。最后，將其他幾個樣區(qū)與保護區(qū)進行對比分析。

1.2模型構(gòu)建

在參考現(xiàn)有研究資料的基礎(chǔ)上，通過建立馬爾科夫數(shù)學(xué)模型來將研究區(qū)內(nèi)不同樹種作為描述長白山退化闊葉紅松林演替狀態(tài)的基本數(shù)據(jù)，然后通過對數(shù)據(jù)的計算與分析，最終得出長白山退化闊葉紅松林的演替狀態(tài)[2]。假設(shè)這7種不同樹種分別為紅松、白樺、水曲柳、紫椴木、山楊、春榆、蒙古櫟，數(shù)量分別記為n1、n2、n3、n4、n5、n6和n7，總數(shù)量記為N，將這些數(shù)據(jù)構(gòu)成一個狀態(tài)向量，記為A。算出每種樹木在總數(shù)中的比率，構(gòu)成一個狀態(tài)分配比率向量，記為L。這兩種向量是用于分析和描述闊葉林植被群落的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且向量中的各個分量均隨著時間的演變而按照一定規(guī)律進行轉(zhuǎn)移。利用馬爾科夫數(shù)學(xué)模型可以實現(xiàn)對這些分量轉(zhuǎn)移的定量分析。

根據(jù)各樹種分量，構(gòu)建一個7階轉(zhuǎn)移矩陣，假設(shè)周期為40年，以松樹分配比率向量來對退化闊葉紅松林的演替狀態(tài)進行描述[3]。若當前闊葉林樹種分配比率為L，則經(jīng)過一個周期后新的闊葉林樹種分配比率將為L與轉(zhuǎn)移矩陣的乘積，而經(jīng)過k個周期后的闊葉林樹種分配比率則為L與K次冪轉(zhuǎn)移矩陣的乘積。這說明當周期趨于無窮大時，植被群落樹種的分配比率向量將趨于平衡狀態(tài)，即群落演替將達到頂峰狀態(tài)。

為實現(xiàn)利用平衡狀態(tài)向量對退化闊葉林破壞程度進行評價，需要引入表示平衡向量與當前向量差異程度變量———演替系數(shù)。若退化闊葉林樹種分配比率向量與平衡向量越接近，則說明闊葉林所在植被群落受破壞程度越小。因此，可以通過演替系數(shù)來對闊葉林隨著退化的不斷進行演替所達到的狀態(tài)程度進行評價。

1.3數(shù)據(jù)計算與分析

依據(jù)馬爾科夫數(shù)學(xué)模型，利用相關(guān)計算方法對得出的轉(zhuǎn)移矩陣平衡向量進行計算，可以得出較為精確的計算結(jié)果。按照這一方法對7種不同樹種的狀態(tài)向量、分配比率狀態(tài)向量、平衡狀態(tài)向量進行計算，并對計算過程和所得出的數(shù)據(jù)進行分析可知，隨著時間的流逝，樣區(qū)演替系數(shù)逐漸接近0，這意味著樣區(qū)演替狀態(tài)逐漸與群落頂峰狀態(tài)接近[4]。通過將其他樣區(qū)與保護區(qū)樹種分配比率的對比得知，長白山保護區(qū)闊葉紅松林沒有遭到破壞，且一開始紅松占有率就較高，但并沒有達到頂峰狀態(tài)，而是基本上趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2長白山退化闊葉紅松林的退化機制

現(xiàn)有長白山闊葉紅松林退化生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用研究表明，退化闊葉紅松林的退化機制與氣候、溫度、光照、季節(jié)變化、降水、土壤濕度等有著密切的聯(lián)系。即溫度、氣候等各種因素通過作用于土壤之上，而對土壤呼吸作用產(chǎn)生影響，進而影響闊葉林的生長狀態(tài)。另外，長白山闊葉林的退化主要是因為其組成與結(jié)構(gòu)發(fā)生不良變化，進而導(dǎo)致闊葉林生態(tài)系統(tǒng)功能退化所致，且不同演替階段所表現(xiàn)出的退化程度存在一定差異。在闊葉林退化過程中，會形成一個植被、環(huán)境、土壤系統(tǒng)，處于不同演替階段，土壤呼吸作用的過程與機理不盡相同，進而對闊葉林退化影響程度也不相同。在自然演替情況下，土壤呼吸作用會逐漸增加，當演替達到頂峰狀態(tài)時，土壤呼吸作用趨于穩(wěn)定，即闊葉林退化開始處于自然狀態(tài)。

3結(jié)語

從上述內(nèi)容分析可知，長白山天池西坡、北坡、南坡等闊葉紅松林均遭到了嚴重的破壞，而保護區(qū)則沒有受到破壞。闊葉紅松林區(qū)作為我國東北主要木材產(chǎn)地，對我國房屋建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要的作用。因此，在長白山退化闊葉紅松林演替狀態(tài)與退化機制的長期研究過程中，積極采取相應(yīng)措施對林區(qū)植被進行保護，對促進地域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻

[1]梁宇，許嘉巍，胡遠滿，常禹，布仁倉.長白山闊葉紅松林退化生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸作用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2010，（05）：1097-1104.

[2]杜志.長白山退化云冷杉林不同演替階段的林分結(jié)構(gòu)研究[D].北京林業(yè)大學(xué)，2013.

[3]陳列.長白山闊葉紅松林主要樹種種群結(jié)構(gòu)及其林木徑向生長對氣候響應(yīng)[D].北京林業(yè)大學(xué)，2014.

[4]汲常萍.長白山闊葉紅松林和楊樺林不同土壤組分碳氮相關(guān)指標及差異研究[D].東北林業(yè)大學(xué)，2014.

作者簡介：劉麗杰，本科學(xué)歷，長白山科學(xué)研究院，研究方向：野生植物保護。