城市森林中火炬樹的更新特性

李茗蕊, 莫訓(xùn)強(qiáng), 崔 爽, 李 萍

(1.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部, 遼寧 撫順 113001; 2.天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 天津 300387)

生物入侵是一個(gè)全球廣泛關(guān)注的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)問題，警惕生物入侵是保護(hù)生物多樣性的首要前提。目前，盡管存在爭(zhēng)議，但主流學(xué)界仍然認(rèn)同入侵對(duì)生物多樣性有直接的危害，尤其是城市化進(jìn)程的加速將入侵的風(fēng)險(xiǎn)和負(fù)面效應(yīng)進(jìn)一步放大，這一點(diǎn)在城市森林中體現(xiàn)得尤為明顯[1-2]，城市森林的生態(tài)入侵和生態(tài)恢復(fù)研究具有重大意義。目前，對(duì)城市森林生態(tài)入侵研究主要為預(yù)防性內(nèi)容[3-5]，然而對(duì)于城市森林環(huán)境下已經(jīng)存在的物種入侵的后續(xù)跟蹤研究還很匱乏。

漆樹科鹽膚木屬的火炬樹(Rhustyphina)原產(chǎn)自北美洲，于1959年作為特種經(jīng)濟(jì)植物引入中國，其適生區(qū)在34°—42°N，106°—123°E之間，且有向中國北方移動(dòng)的趨勢(shì)[6]?；鹁鏄湓谕嘶车闹脖换謴?fù)、園林及公路兩旁綠化方面具有優(yōu)良的特性，但也因超強(qiáng)的萌蘗繁殖和適應(yīng)能力而被列為外來風(fēng)險(xiǎn)物種之一[7]。然而對(duì)其入侵性的討論始終存在爭(zhēng)議，許多學(xué)者通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方法判定火炬樹具有中高入侵風(fēng)險(xiǎn)，建議從中國的主要造林樹種中刪除此樹[8]，但也有不少研究表明，火炬樹對(duì)自然、半自然森林生態(tài)系統(tǒng)沒有產(chǎn)生入侵危害[9]，或者在生長季后期才表現(xiàn)出一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[10]，因此評(píng)估火炬樹的侵入潛力需充分考慮環(huán)境因素和人為干預(yù)。目前暫無足夠的針對(duì)火炬樹更新苗特性研究，尚不明確在城市森林的管理模式下能否控制住火炬樹的入侵態(tài)勢(shì)。因此本文擬采用樣方調(diào)查法，選取代表性區(qū)域，對(duì)天津市城市森林管理下火炬樹的更新特性進(jìn)行年際調(diào)查，并與已有的火炬樹天然更新研究數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[11]，輔以聚集強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算、線性回歸分析等方法，對(duì)其入侵性進(jìn)行探究，以期為城市森林生態(tài)入侵及生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

城市森林的范圍同城市行政管轄范圍不一致，主要包括城區(qū)的綠化、近郊的風(fēng)景游憩林、防護(hù)林和遠(yuǎn)郊的森林公園、環(huán)城帶等[12]。本文研究區(qū)設(shè)在天津師范大學(xué)主校區(qū)(117°6′44″—117°7′34″E，39°3′6″—39°4′15″N)和天津市南翠屏公園(117°8′37″—117°9′6″E，39°4′21″—39°4′43″N)，分別代表城區(qū)綠化和近郊風(fēng)景游憩林。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，其特征是四季分明，春季干旱少雨，有時(shí)會(huì)有春旱，夏季高溫雨水集中，秋季短暫溫度適中，冬季寒冷干燥。本區(qū)植被以華北植物區(qū)系成分為主，混有東北植物區(qū)系成分[13]。其中南翠屏公園為天津市1986年規(guī)劃建設(shè)的堆山造景工程，于采土深坑、蘆葦?shù)亍壷玫氐戎弦越ㄖ鵀橹饕畛湮锒逊e起來，是天津市生態(tài)工程成功的典范。堆山山體占地約12.1 hm2，堆山高約52 m，環(huán)山水體約8.5 hm2。

研究區(qū)內(nèi)校園地勢(shì)平坦，坡度普遍在15°以下，南翠屏公園堆山部分坡度在0°～40°之間；兩處城市森林的修剪強(qiáng)度不同，校園內(nèi)局部的小型修剪為主，修剪頻率較高，南翠屏公園內(nèi)全園大型修剪頻率在一年1～2次。兩處樣地互為對(duì)照參考，每個(gè)樣地各選出8個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，取樣原則是避開大的林隙、在面積較大的分布區(qū)內(nèi)取樣、不取過于稀疏和高密度的。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方調(diào)查 調(diào)查時(shí)間為2015年，每個(gè)季度各調(diào)查一次，取樣對(duì)象為1～3年生的火炬樹更新苗，采用樣方法對(duì)種群數(shù)量、地徑、冠幅、高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在天津師范大學(xué)主校區(qū)內(nèi)和南翠屏公園小山上隨機(jī)各取8個(gè)5 m×5 m的樣方，取樣原則是避開大的林隙，在面積較大的分布區(qū)內(nèi)取樣，不取過于稀疏和高密度的。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 將更新苗地徑、高度劃分等級(jí)如表1所示。

表1 研究區(qū)更新苗地徑、高度等級(jí)

對(duì)更新苗密度變化及數(shù)量結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，并與張明如等[11]學(xué)者研究的火炬樹天然更新數(shù)據(jù)作對(duì)照，將屬于不同地徑級(jí)和高度級(jí)的更新苗分別計(jì)數(shù)，作頻率分布圖，同時(shí)用SPSS進(jìn)行回歸分析。

更新樹種的空間格局動(dòng)態(tài)將對(duì)森林未來的群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[13]，本文應(yīng)用偏離指數(shù)C，負(fù)二項(xiàng)式參數(shù)K，平均擁擠度m*，聚塊性指數(shù)Cx，Morisita指數(shù)IΔ這5種指數(shù)對(duì)本研究中的火炬樹更新苗的空間分布格局進(jìn)行描述。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：m——樣本平均數(shù)。下同。

(4)

若Cx=1，種群呈隨機(jī)分布，若Cx>1，種群呈聚集分布，若Cx<1，種群呈均勻分布。

(5)

式中：Xi——第i個(gè)樣方中的樣本數(shù)；n——樣方數(shù)。若IΔ=1，種群呈隨機(jī)分布，若IΔ>1，種群呈聚集分布，若IΔ<1，種群呈均勻分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 更新苗數(shù)量特征

計(jì)算不同季度更新苗平均密度，并做更新苗密度的年度變化如表2。

表2 火炬樹更新苗的密度變化株/m2

如表2所示，校園內(nèi)夏季火炬樹更新速率最快，更新苗密度為7.46株/m2；秋季最慢，更新苗密度為3.84株/m2；南翠屏公園內(nèi)火炬樹的更新速率與校園基本一致，更新苗密度在3～4株/m2之間。冬季時(shí)，南翠屏公園進(jìn)行了一次大規(guī)模的修剪導(dǎo)致種群數(shù)量急劇下降，更新苗密度為0.92株/m2。

校園樣方A，B，C內(nèi)全年火炬樹種群一年生幼苗個(gè)體數(shù)最多，且在上半年達(dá)到峰值，于下半年不同程度的減少。校園樣方E，F(xiàn)，G，H內(nèi)2年生、3年生幼樹一年內(nèi)數(shù)量變化不明顯(圖1)。由圖1可知，校園G，H樣方一年生幼苗基數(shù)小(小于10株)，且年內(nèi)并無增長，變化率小；校園E，F(xiàn)樣方1年生幼苗基數(shù)大(大于20小于40)，年內(nèi)變化率也較大。南翠屏公園于2015年11月份前后對(duì)園內(nèi)綠地進(jìn)行了一次整體修剪，除去樣方D的地理位置偏僻，數(shù)據(jù)較清晰完整以外，其余樣方冬季數(shù)據(jù)均有嚴(yán)重缺失(圖2)。

圖1 校園內(nèi)樣方更新苗數(shù)量隨季節(jié)變化

由圖1校園樣方數(shù)據(jù)可知，從齡級(jí)組成的角度來說，在城市森林內(nèi)，火炬樹種群屬于典型的增長型；1年生更新苗年內(nèi)個(gè)體數(shù)變化(減少)率最大值為66.7%，2年生為54.5%，3年生為14.6%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象，或與1年生幼苗和2年生幼樹植株矮小，更易受到自然和人為干擾等因素有關(guān)，但因火炬樹是典型的萌蘗繁殖植物，且結(jié)實(shí)量大、發(fā)芽率高，因此剩余量大。

圖2 南翠屏更新苗數(shù)量隨季節(jié)變化

由圖2南翠屏公園樣方數(shù)據(jù)可知，更新苗組成結(jié)構(gòu)具有一致性，總體而言，1年生幼苗數(shù)量最多，達(dá)到種群數(shù)量的72.6%～97.1%(春)，75.0%～97.7%(夏)，62.2%～88.6%(秋)，即火炬樹種群的更新活力旺盛；除去G，H樣方，其余樣方內(nèi)更新苗結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)典型金字塔型。

2.2 火炬樹更新苗徑級(jí)特征

如圖3所示，校園內(nèi)春秋兩季更新苗地徑處于2級(jí)(0.6～1.0 cm)的數(shù)量最多，分別達(dá)到種群數(shù)量的54.2%和65.4%，其次是處于4級(jí)地徑級(jí)(1.6～2.0 cm)的數(shù)量最多，分別占總體的15.7%和11.7%；夏冬兩季更新苗處于2級(jí)(0.6～1.0 cm)、3級(jí)(1.1～1.5 cm)的數(shù)量最多，分別占種群數(shù)量的70.4%和78.7%?？傮w而言，樣方內(nèi)更新苗地徑較小，在0.6～2.0 cm范圍之內(nèi)，偶有4.0 cm以上地徑的更新苗。這一結(jié)果也同火炬樹天然更新研究結(jié)果保持一致[20]。

圖4顯示，校園更新苗個(gè)體的高度峰值出現(xiàn)在1，2級(jí)(1～100 cm)。偶有400 cm以上，更新苗最大高度為有585 cm。使用SPSS對(duì)地徑和高度進(jìn)行線性回歸分析，秋季數(shù)據(jù)擬合度最好，R2=0.978，滿足F檢驗(yàn)，sig=0.000<0.005，說明具有顯著性，即校園秋季火炬樹地徑和高度級(jí)呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系。

在對(duì)南翠屏公園全年的樣方調(diào)查中，無高度級(jí)在8級(jí)以上的更新苗個(gè)體。如圖4，全年的高度級(jí)分布總體趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性，1級(jí)高度級(jí)(0～50 cm)的個(gè)體最多，2(51～100 cm)，3(101～150 cm)，4級(jí)(151～200 cm)逐級(jí)遞減，5級(jí)及5級(jí)以上個(gè)體數(shù)稀少。以上結(jié)果也同火炬樹天然更新數(shù)據(jù)基本一致[11]。對(duì)更新苗地徑級(jí)和高度級(jí)頻數(shù)分布做回歸分析，結(jié)果顯示擬合度較差，二者相關(guān)性不高。

圖4 研究區(qū)內(nèi)火炬樹更新苗高度級(jí)分布及年內(nèi)變化

2.3 火炬樹更新苗的空間分布

然而，使用SPSS對(duì)m*與m的線性擬合結(jié)果為m*=0.956m+7.186，其中β值為0.956，小于1，表明呈均勻分布，與上述數(shù)據(jù)結(jié)果有悖，亦與同類研究結(jié)果(小尺度上，植物更新苗一般呈現(xiàn)聚集分布)有矛盾。

表3 火炬樹的更新苗分布格局

注：C為方差均值比率；t為t檢驗(yàn)值；K為負(fù)二項(xiàng)式參數(shù)；χ2為對(duì)負(fù)二項(xiàng)式參數(shù)的檢驗(yàn)值；m*為平均擁擠度；Cx為聚塊指數(shù)；IΔ為morisita指數(shù)。

3 討論與結(jié)論

火炬樹既是觀賞綠化優(yōu)良樹種，也是水土保持的優(yōu)良樹種，在護(hù)坡、尾礦及荒地造林等方面發(fā)揮著重要作用[14]，對(duì)嚴(yán)重退化的生態(tài)環(huán)境有改善土壤物理性質(zhì)的效果[15]。但生態(tài)入侵的現(xiàn)象在高強(qiáng)度的人為管護(hù)下依然存在，樹種入侵嚴(yán)重影響了城市森林的結(jié)構(gòu)和功能，大大增加了城市森林生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[16]。若在規(guī)劃和管理中缺乏考慮和重視，將帶來不必要的生態(tài)成本及社會(huì)成本的損失。

本文從種群生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行分析，研究區(qū)內(nèi)火炬樹更新苗密度在3～8株/m2之間，年齡組成呈典型金字塔，處于低地徑級(jí)和低高度級(jí)的更新苗占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，空間分布格局表現(xiàn)為明顯的聚集分布，更新能力旺盛。類似研究在北華大學(xué)東校區(qū)展開，結(jié)果顯示僅僅2 a時(shí)間，火炬樹冠下植物蓋度下降了1.25～1.45倍，而火炬樹的種群數(shù)量增加了1.35倍，加之多數(shù)學(xué)生對(duì)火炬樹分泌物有過敏反應(yīng)[17]。在幾乎沒有天然林的存在、現(xiàn)存森林多為人工林或次生林的北京，火炬樹作為北京入侵植物水平上的廣布種對(duì)破碎化程度較高的地區(qū)表現(xiàn)出很好的適應(yīng)能力，對(duì)其他本地樹種及草本植物生存構(gòu)成生態(tài)威脅[18]。有學(xué)者提醒，資源供應(yīng)的時(shí)間異質(zhì)性可能會(huì)對(duì)外來植物物種與本地植物物種之間的相互作用及其潛在入侵性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，將火炬樹引入非本土地區(qū)時(shí)仍需謹(jǐn)慎。隨著全球氣候變化，降水模式可能會(huì)發(fā)生變化并導(dǎo)致供水異質(zhì)性增加，火炬樹的優(yōu)勢(shì)主要在于其較大的生物量和有效的葉片生理調(diào)節(jié)，這將可能導(dǎo)致田間種子的更新以及對(duì)低矮灌木林和草本植物產(chǎn)生危害[19]。因此在高度破碎化、人為干擾程度高的城市森林環(huán)境，應(yīng)當(dāng)要加大對(duì)火炬樹控制力度，進(jìn)一步探究適合城市森林的生態(tài)防治問題，這也與本文的結(jié)論相一致。

研究區(qū)很好地展示了城區(qū)的綠化、近郊的風(fēng)景游憩林中有無大面積修剪時(shí)火炬樹的更新情況，填補(bǔ)了相關(guān)研究領(lǐng)域的空白，結(jié)果表明有效監(jiān)察并及時(shí)去除更新苗，可大大降低入侵造成的危害，不足之處在于并未在遠(yuǎn)郊的森林公園、環(huán)城帶等開展相關(guān)調(diào)查研究，所得結(jié)論僅能代表一部分城市森林中的情況。在控制火炬樹的具體措施方面，已有研究表明，環(huán)剝對(duì)一年生火炬樹克隆分株的抑制作用是暫時(shí)的[20]，這說明平茬、修剪等處理方法可行性較差，因此控制火炬樹入侵風(fēng)險(xiǎn)可從植物生長激素抑制劑等方面入手；此外，火炬樹雌雄異株，可通過引種單性植株并控制根蘗繁殖的方式加以管理。