寶天曼自然保護區(qū)栓皮櫟林人工恢復(fù)與天然恢復(fù)效果比較

彭舜磊, 陳昌東, 李 磊, 廖秉華, 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, 河南 平頂山 46700;2.平頂山學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河南 平頂山 46700)

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寶天曼自然保護區(qū)栓皮櫟林人工恢復(fù)與天然恢復(fù)效果比較

彭舜磊1, 陳昌東1, 李 磊2, 廖秉華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, 河南 平頂山 46700;2.平頂山學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河南 平頂山 46700)

為比較寶天曼自然保護區(qū)內(nèi)栓皮櫟林人工恢復(fù)天然恢復(fù)的差異，采用樣地調(diào)查法對相同恢復(fù)年限的栓皮櫟人工林與天然次生林的物種組成、重要值、多樣性指數(shù)和土壤性質(zhì)等群落特征指標(biāo)進行了比較研究。結(jié)果表明：(1) 栓皮櫟人工林群落具有維管束植物12科18屬24種，次生林群落具有維管束植物27科40屬48種，兩個群落相似性較低(0.36)；(2) 栓皮櫟次生林喬木層和灌木層物種的重要值比人工林低，喬木層和灌木層的物種數(shù)較人工林多；(3) 栓皮櫟人工林與次生林群落的喬木層、灌木層和草本層的Maglef指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson和Pielou均勻度指數(shù)相比均較低，人工林的4個多樣性指數(shù)大小依次為灌木層、草本層、喬木層，天然次生林指數(shù)大小表現(xiàn)依次為灌木層、喬木層、草本層；(4) 栓皮櫟次生林的土壤全氮、全磷、有機質(zhì)含量比人工林均較高。研究表明在寶天曼自然保護區(qū)內(nèi)，相同恢復(fù)的年限，栓皮櫟天然次生林無論物種組成、多樣性指數(shù)、群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)均優(yōu)于栓皮櫟人工林，天然恢復(fù)比人工造林恢復(fù)效果好。

栓皮櫟; 人工林; 天然次生林; 重要值; 物種多樣性; 土壤理化性質(zhì)

目前，我國是世界上人工林面積最大的國家。但是，人工林的退化問題日益嚴(yán)峻。在區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和恢復(fù)過程中，究竟人工林恢復(fù)效果好或是天然恢復(fù)效果好，一直是森林恢復(fù)爭論的焦點問題。

前人對不同區(qū)域的天然次生林與人工林群落特征進行了比較研究，結(jié)論存在一些分歧。一些學(xué)者認(rèn)為人工林與天然次生林相比，生物多樣性較低，很難恢復(fù)到天然林的群落結(jié)構(gòu)[1-5]；但另外一些學(xué)者認(rèn)為人工林與天然次生林相比灌木層和草本層近似，二者差異主要是人工林喬木層樹種單一[6-9]；此外，有些學(xué)者針對人工林與天然次生林的土壤理化性質(zhì)特征和土壤有機質(zhì)的空間分布進行了研究，認(rèn)為人工林的土壤理化性質(zhì)較天然次生林差，有機質(zhì)含量較天然林低[10-13]。以前的研究多注重群落結(jié)構(gòu)比較，或單獨對土壤特征進行了比較，而對人工林和天然次生林群落結(jié)構(gòu)和土壤特征同時進行比較的研究尚比較少[14-15]，研究結(jié)論有分歧，而且不同地區(qū)人工林與天然次生林恢復(fù)程度也存在差異，需要針對不同區(qū)域人工林與天然次生林的群落結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)進行深入比較和探討，揭示其差異原因，為區(qū)域森林恢復(fù)途徑提供理論依據(jù)。

栓皮櫟林(Quercusvariables)是寶天曼自然保護區(qū)低海拔地區(qū)主要的森林類型，對于該區(qū)域森林群落的建成和生物多樣性保護發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過相同年限的恢復(fù)，栓皮櫟人工林和天然次生林的群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)是否存在差異？本文選擇30 a林齡的栓皮櫟人工林和30 a林齡栓皮櫟次生林作為研究對象，通過比較兩個森林群落物種組成、物種多樣性和土壤理化性質(zhì)的差異，分析人工林與天然次生林的恢復(fù)效果，為寶天曼自然保護區(qū)人工林近自然經(jīng)營和天然林保護提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寶天曼國家級自然保護區(qū)為世界生物圈保護區(qū)之一，位于秦嶺東段伏牛山南坡的河南省南陽市內(nèi)鄉(xiāng)縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為33°25′—33°33′N，111°53′—112°17′E，海拔高度300～1 830 m，處于北亞熱帶向暖溫帶過渡地區(qū)，屬季風(fēng)型大陸性氣候，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1 300 m以上為山地棕壤土類，海拔800～1 300 m為山地黃棕壤土類，海拔800 m以下為山地褐土[5]。栓皮櫟林主要分布在海拔1 200 m以下的陽坡，為該地區(qū)低海拔的主要林分類型[5]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查 選擇生境條件基本相同的栓皮櫟人工林與天然次生林各5個樣地，林齡約為50 a的群落，在人工林和次生林典型群落內(nèi)，分別設(shè)置10個面積為20 m×20 m的樣方進行群落調(diào)查，樣地基本情況見表1。喬木調(diào)查樣方為20 m×20 m；在喬木樣方內(nèi)采用棋盤式布點，設(shè)置5 m×5 m的小樣方5個，進行灌木調(diào)查；設(shè)置5個1 m×1 m的草本樣方進行草本植物調(diào)查。喬木調(diào)查內(nèi)容包括：樹種、株數(shù)、胸徑、樹高、冠幅、郁閉度等，其中采用胸徑圍尺測量喬木胸徑，用樹木測高器測量樹高，用目測法估測郁閉度和冠幅的南北向和東西向直徑；灌木和草本植物調(diào)查內(nèi)容包括：種名、株數(shù)、多度、高度、蓋度、冠幅等[4]。同時，在栓皮櫟人工林與天然次生林每個樣方內(nèi)，挖取1個土壤剖面，用環(huán)刀分3個土層深度0—10，10—20，20—30 cm進行分別采樣，備測土壤容重；然后，在剖面附近，用土鉆分0—10，10—20，20—30 cm三個土層進行取樣，備測土壤有機質(zhì)含量、全磷和全氮等化學(xué)指標(biāo)。

1.2.2 土壤指標(biāo)的室內(nèi)測試方法 土壤容重采用環(huán)刀法；土壤有機質(zhì)采用TOC分析儀(TOC-L，日本島津)測試[16]；全磷采用鉬銻抗比色法；全氮采用凱氏定氮儀測試[17]。

1.2.3 群落結(jié)構(gòu)分析法 對群落內(nèi)物種的科屬種組成進行統(tǒng)計；用Jaccked相似性系數(shù)比較兩個群落的相似性；用重要值(IV)比較群落優(yōu)勢度，用物種Maglef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)比較群落的物種多樣性，各種群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)計算方法參考文獻[18]，同時比較兩個群落的土壤容重和土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)。

1.2.4 統(tǒng)計分析 用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件分別對人工恢復(fù)的栓皮櫟林和天然恢復(fù)的栓皮櫟的植物多樣性指數(shù)和土壤容重及養(yǎng)分指標(biāo)進行t檢驗，判斷兩種恢復(fù)模式是否存在差異。

表1 寶天曼自然保護區(qū)栓皮櫟人工林與栓皮櫟天然次生林樣地概況

2 結(jié)果與分析

2.1 群落物種組成比較分析

栓皮櫟人工林與次生林群落總共出現(xiàn)維管束植物31科37屬53種(表2)，其中人工林群落12科18屬24種，次生林群落27科40屬48種，兩個群落的相似性較低，相似性系數(shù)0.36。天然次生林和人工林灌木層物種分別為17屬22種和9屬10種，相似性系數(shù)0.33，草本層分別為13屬16種和10屬12種，相似性系數(shù)0.31，喬木層分別為11屬14種和3屬4種，相似性系數(shù)0.27。次生林群落內(nèi)，薔薇科植物最多(6種)，殼斗科植物(5種)、槭樹科植物(5種)；人工林群落內(nèi)，薔薇科植物(4種)，殼斗科植物(2種)、槭樹科植物(3種)(表3)。

表2 栓皮櫟人工林與天然次生林植被科屬種分布及其相似性

注：表內(nèi)括號中的數(shù)字為相似性系數(shù)。

表3 栓皮櫟人工林與天然次生林物種組成比較

2.2 重要值比較

喬木層無論人工林或天然次生林，優(yōu)勢樹種均為栓皮櫟(表4)。在喬木層，人工林內(nèi)栓皮櫟種群的重要值(2.817)大于次生林內(nèi)栓皮櫟種群的重要值(2.220)，樹種種類明顯少于天然次生林，次生林伴生樹種較多，比如短柄枹、四照花、茅栗，鵝耳櫪，化香、椴樹、白蠟等；人工林伴生種較少，僅見油桐和山槐等，人工林喬木層樹種結(jié)構(gòu)較次生林簡單。

灌木層栓皮櫟天然次生林桑和山梅花的重要值較大，分別為1.013，0.949，是灌木層的優(yōu)勢種，白檀、懸鉤子、四照花、短柄枹和連翹的重要值次之，是次優(yōu)勢種，其余種的重要值都較小；人工林灌木層栓皮櫟萌蘗幼苗和荊條的重要值較大，分別為1.145，1.092，為優(yōu)勢種，油桐的重要值次之，是次優(yōu)勢種，其他種的重要值較小。人工林灌木層樹種結(jié)構(gòu)較次生林簡單。

草本層次生林披針葉苔草的重要值最大(2.328)，人工林中大油芒的重要值最大(1.763)，是草本層的優(yōu)勢種，求米草在兩個群落草本層的重要值次之，為次優(yōu)勢種。其他種重要值較小，但次生林的草本植物種類明顯多于人工林。

表4 栓皮櫟人工林與天然次生林物種重要值比較

2.3 物種多樣性比較

栓皮櫟次生林喬木層的Maglef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分別為1.75，1.43，0.74，0.70，顯著高于人工林喬木層的4個多樣性指數(shù)0.12，0.07，0.27，0.47(p<0.05)。栓皮櫟次生林灌木層和草本層的4個物種多樣性指數(shù)次生林也顯著高于于人工林(p<0.05)。兩種林型的4個物種多樣性指數(shù)均是灌木層最高。次生林表現(xiàn)出灌木層>喬木層>草木層的規(guī)律，人工林表現(xiàn)出灌木層>草本層>喬木層的規(guī)律(表5)。

表5 栓皮櫟人工林與天然次生林物種多樣性比較

2.4 土壤特征比較

圖1表明：在0—30 cm不同土層深度，栓皮櫟人工林的土壤容重分別為1.30，1.33，1.39 g/cm3，顯著高于栓皮櫟次生林的土壤容重1.07，1.17，1.18 g/cm3(p<0.05)。相反，在0—30 cm不同土層深度，栓皮櫟天然次生林的有機質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量均顯著高于栓皮櫟人工林(p<0.05)。

圖1 栓皮櫟人工林與天然次生林土壤理化性質(zhì)比較

3 結(jié)論與討論

經(jīng)過50 a相同年限的恢復(fù)，栓皮櫟人工林與次生林群落相比，人工林物種的科屬種組成較天然次生林低，人工林結(jié)構(gòu)單一，兩者相似性系數(shù)很低，僅為0.36。這是因為栓皮櫟人工林喬木層樹種單一，50 a林分完全郁閉，冠層高度相近，林下光照條件差，灌木和草本植物發(fā)育不良；栓皮櫟天然次生林內(nèi)，由于種源豐富，喬木冠層樹種較人工林多，由于競爭關(guān)系，樹種的林冠高低錯落有致，林下透光較人工林好，因此，次生林下的灌木層和草本層植物比人工林較多[19]，這與前人的研究結(jié)論一致[2-4]。

栓皮櫟次生林喬木層的Maglef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分別為1.75，1.43，0.3，0.7，明顯高于人工林喬木層的4個多樣性指數(shù)0.12，0.07，0.27，0.47。栓皮櫟次生林灌木層和草本層的4個物種多樣性指數(shù)次生林也明顯高于于人工林。從物種多樣性的空間分布變化上進行比較看，兩個群落的4個物種多樣性指數(shù)均是灌木層最高。次生林表現(xiàn)出灌木層>喬木層>草木層的規(guī)律，人工林表現(xiàn)出灌木層>草本層>喬木層的規(guī)律，與前人的研究結(jié)果一致[8-10]。

栓皮櫟天然次生林容重低于人工林，說明天然次生林的土壤容重較為疏松，人工林土壤質(zhì)地粘重，反映出栓皮櫟次生林的土壤發(fā)育較好，有利于次生林群落植被根的吸收營養(yǎng)及改善了土壤微生物的生存條件，便于栓皮櫟次生林的發(fā)展及演替[11]；天然次生林的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷的含量均高于人工林。原因是栓皮櫟人工林樹種較少，林下植被稀少，凋落物歸還量小，土壤容重大，質(zhì)地粘重，保水保肥效果比天然次生林差；而次生林中含有樹種多木，如短柄枹、鵝耳櫪、茅栗等，林下灌木層和草本層發(fā)達，凋落物歸還量和積累大，粗木質(zhì)殘體多，枯枝落葉層厚，向土壤輸入的養(yǎng)分多,因此栓皮櫟次生林土壤的有機碳庫和營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富[12-14,20]，能夠有效的保證群落內(nèi)植被的營養(yǎng)供應(yīng)，促使其健康持續(xù)生長能力較強。

本研究表明寶天曼栓皮櫟人工林與天然次生林相似度較低，林分結(jié)構(gòu)單一，土壤理化性質(zhì)較天然次生林差，經(jīng)過50 a的植被恢復(fù)，天然次生林天然恢復(fù)效果明顯優(yōu)于人工林人工恢復(fù)。建議在寶天曼天然次生林面積較大的林區(qū)，對于退化的生態(tài)環(huán)境，采取封育保護的措施，通過天然恢復(fù)的途徑進行森林恢復(fù)；在保護區(qū)附近特別困難的立地，在不破壞原始生境、土壤和凋落物的情況下，可以原地人工播種栓皮櫟種子，用實生苗進行恢復(fù)，并按照栓皮櫟林的演替規(guī)律對幼林進行撫育管理，保護和補種伴生樹種，增加物種多樣性，改善土壤條件，模擬天然次生林群落結(jié)構(gòu)進行恢復(fù)。

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Comparison of Community Characteristics BetweenQuercusvariablesForests Through Artificial Restoration and Natural restoration in Baotianman Nature Reserve

PENG Shunlei1, CHEN Changdong1, LI Lei2, LIAO Binghua1, ZHAO Ganqing1

(1.KeyLaboratoryofEcologicalRestorationintheHillyArea,PingdingshanUniversity,Pingdingshan,He′nan467000,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,PingdingshanUniversity,Pingdingshan,He′nan467000,China)

To understand the difference of community characteristics between the plantedQuercusvariablesforest and secondary natural forest, and to provide reference for forest restoration, plot survey method was used to compare the community characteristics, such as species composition, important value, diversity indexes and soil properties ofQuercusvariablesplanted forest with secondary natural forest in the same age of 50 years in Baotianman Nature Reserve. The results showed as follows. (1)Quercusvariablessecondary natural forest consisted of 48 vascular species in 27 families and 40 genera, whereas the planted forest included 24 vascular species in 12 families and 18 genera, similarity index was very low with value of 0.36 between two communities. (2) important value in the arbor and shrub layers ofQuercusvariabilissecondary natural forest were lower than that of planted forest, which indicated that species richness in the arbor and shrub layers ofQuercusvariabilissecondary natural forest was greater than that of planted forest. (3) The Maglef index, Simpson index, Shannon-Weiner index and Pielou evenness index of arbor, shrub and herb ofQuercusvariablesplanted forest were lower than those of secondary natural forest. In the planted forest, the four diversity indexes were in the order: shrub layer>herb layer>arbor layer, while in secondary forest the indexes were in the order: shrub layer>arbor layer>herb layer. (4) Soil bulk density ofQuercusvariablesnatural secondary was lower than that of the planted forest, the TN, TP and SOM ofQuercusvariablesnatural secondary forest were greater than those of the planted forest. This study suggested that species composition, diversity index, community structure and soil properties ofQuercusvariablessecondary natural forest were better than plantedQuercusvariablesforest at the same restoration ages, and forest natural restoration was more superior than afforestation in Baotainman Nature Reserve.

Quercusvariables; planted forest; secondary natural forest; importance value; species diversity; soil physical and chemical property.

2016-02-29

2016-03-23

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(12B180023);河南省科技攻關(guān)計劃項目(162102310247)

彭舜磊(1974—),男,河南駐馬店人,副教授,博士,主要研究方向:森林生態(tài)學(xué)。E-mail:pengshunlei@163.com

Q948.1

A

1005-3409(2016)06-0265-06