張維偉 趙 忠 劉金良 鄧 平
(西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院 陜西省林業(yè)綜合重點(diǎn)實驗室 國家林業(yè)和草原局黃土高原林木培育重點(diǎn)開放實驗室 楊凌 712100)
種群是特定時空內(nèi)某一種生物個體的集合,是群落構(gòu)成和物種進(jìn)化的基本單位(張文輝等,1999;金慧等,2017)。種群結(jié)構(gòu)研究是種群生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ),不僅有助于了解種群生理特性及其與環(huán)境的互作關(guān)系,而且對探究群落物種共存和演替規(guī)律具有重要意義(吳月淼等,2017)。靜態(tài)生命表與存活曲線能夠反映種群目前的存活狀態(tài)、明確種群的生存策略和生殖策略,還能夠反映植物與環(huán)境之間的適合度(Holeksaetal.,2007;Armestoetal.,1992;Hareombe,1987),可用來預(yù)測群落未來發(fā)展趨勢(陳倩等,2017)。
幼苗期作為植物生活史中最脆弱的階段,其生長狀況直接影響種群發(fā)育(徐文秀等,2017)。林木幼苗的生長規(guī)律及不同器官生物量分配,反映了天然狀態(tài)下林木對外界環(huán)境的適應(yīng)能力(舒文將等,2017)。不同年齡幼苗的數(shù)量動態(tài)、形態(tài)特征(如平均高度、基徑)以及不同器官生物量分配規(guī)律均能反映幼苗對林下環(huán)境的適應(yīng)能力及其更新潛力。
麻櫟(Quercusacutissima)屬殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)喬木,在我國主要分布在華北、西北、華南和西南22個省(區(qū))。在黃土高原南部橋山林區(qū),麻櫟常以純林、麻櫟闊葉混交林、麻櫟油松(Pinustabulaeformis)混交林形式構(gòu)成當(dāng)?shù)氐貛陨志坝^(張維偉等,2019),對水土保持、生態(tài)區(qū)域安全、碳匯儲備具有重要作用(葉權(quán)平等,2018)。然而,多年來的粗放式森林經(jīng)營方式加上管理缺失,導(dǎo)致當(dāng)?shù)囟鄶?shù)櫟林林分功能被破壞,主要建群種種群結(jié)構(gòu)特征不明確,逐漸退化為殘敗天然次生林(王蘇良等,2017)。為提升橋山林區(qū)森林質(zhì)量,實現(xiàn)林分可持續(xù)發(fā)育,需要清楚該地區(qū)3種林分類型麻櫟群落的種群結(jié)構(gòu)特征與幼苗生物量分配;但迄今為止,尚未見到有關(guān)橋山林區(qū)3種類型麻櫟種群結(jié)構(gòu)特征與幼苗生長狀況的研究,而這些正是阻礙麻櫟天然次生林合理經(jīng)營及可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。
鑒于此,本研究選擇典型樣地,對3種林分類型麻櫟種群結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及植株生長、構(gòu)件生物量的變化進(jìn)行調(diào)查,通過編制靜態(tài)生命表、繪制存活曲線,對比分析黃土高原南部橋山林區(qū)3種林分類型麻櫟群落的種群結(jié)構(gòu)與幼苗生長過程,闡明麻櫟種群在不同群落類型下的數(shù)量和結(jié)構(gòu)動態(tài),以期為該地區(qū)麻櫟林科學(xué)經(jīng)營和恢復(fù)提供依據(jù)。
研究區(qū)位于黃土高原南部麻櫟林分布最集中、群落類型最豐富的橋山林區(qū)。該區(qū)隸屬于陜西省延安市黃陵縣雙龍林場(108°91′—109°12′E,35°64′—35°72′N),屬典型暖溫帶半濕潤氣候,降雨集中在7—9月(占全年降水量的51%),一年中最熱月7月平均氣溫21.9 ℃,最冷月1月平均氣溫-4.7 ℃。研究區(qū)海拔900~1 500 m,土壤類型以灰褐土和森林褐土為主。
麻櫟林是橋山林區(qū)的地帶性植被類型,占整個林區(qū)森林類型的60%,主要以3種形式成林:麻櫟純林(PFQ),麻櫟個體數(shù)占喬木個體總數(shù)的90%以上;麻櫟與遼東櫟(Q.wutaishansea)、槲櫟(Q.aliena)、茶條槭(Acerginnala)等闊葉樹混交,形成麻櫟闊葉混交林(MFQB);麻櫟和油松混交,形成麻櫟油松混交林(MFQP)。麻櫟純林主要灌木為狼牙刺(Sophoradavidii),麻櫟闊葉混交林主要灌木為胡枝子(Lespedezabicolor),麻櫟油松混交林主要灌木為南蛇藤(Celastrusorbiculatus)。3種林分類型中最主要的林下草本均為針葉薹草(Carexonoei)。
在對橋山林區(qū)不同類型麻櫟林充分踏查的基礎(chǔ)上,2018年7—8月,在麻櫟林分布較為集中的陰坡選擇典型樣地,每種林分類型設(shè)置4塊20 m×30 m樣地,共計12塊。各樣地立地條件基本一致(表1)。參考張維偉等(2019)方法,每塊樣地設(shè)置3個5 m×5 m灌木樣方、3個1 m×1 m草本樣方和1條1 m×20 m頻度帶。
表1 樣地基本特征①Tab.1 Basic characteristics of the sample plots
根據(jù)造林手冊,該區(qū)最初規(guī)劃為薪炭林,但由于多年亂砍濫伐,20世紀(jì)中期已退化為殘敗次生林,林木分布稀疏,林分平均胸徑僅7~8 cm。為了恢復(fù)林地生態(tài)功能,1965年開始實施封禁,之后僅在20世紀(jì)80年代中期進(jìn)行過1次砍灌及強(qiáng)度為20%的撫育間伐。
對12塊樣地內(nèi)所有胸徑大于4 cm(DBH>4 cm)的喬木進(jìn)行每木檢尺,記錄樹種名稱、胸徑、樹高、冠幅和樹冠高度。
測定并記錄灌木和單本樣方中所有灌木和草本的種名、個體數(shù)、蓋度、最大高度及平均高度、最大地徑及平均地徑、最大冠幅及平均冠幅。
沿頻度帶,記錄喬木、灌木和草本的頻數(shù),計算各物種頻度。
上述樣地調(diào)查均在野外原位完成。使用布魯萊斯測高儀或鋼卷尺測量高度,鋼卷尺或皮尺測量南北和東西2個方向樹冠垂直投影寬度,游標(biāo)卡尺測量地徑,胸徑尺測量胸徑。
麻櫟木材密度較大,野外難以獲取完整樹芯,尤其對于年齡較大的個體,一般不采用鉆取樹芯的方法確定其年齡(高賢明等,2001);而且在幼樹幼草階段,萌生苗相比實生苗在空間分布、生長速度和對空間資源的利用等方面均占有明顯優(yōu)勢,以實際年齡劃分齡級不夠合理(張文輝等,2008)。根據(jù)以往研究,以更容易測量的個體外部特征(高度H或胸徑DBH)代替年齡結(jié)構(gòu)可有效反映種群結(jié)構(gòu)動態(tài)(陳科屹等,2018),因此,本研究以徑級結(jié)構(gòu)和高度級結(jié)構(gòu)代替年齡結(jié)構(gòu),探究林分類型對麻櫟種群結(jié)構(gòu)和動態(tài)的影響。將麻櫟種群劃分為4個生長階段:幼苗(Ⅰ級)、幼樹(Ⅱ~Ⅲ級)、小樹(Ⅳ~Ⅶ級)和大樹(Ⅷ~Ⅹ級)。幼苗幼樹齡級劃分標(biāo)準(zhǔn)為:Ⅰ級(H≤50 cm)、Ⅱ級(50 cm
麻櫟個體依據(jù)高度(苗期)和胸徑分級后,分別統(tǒng)計Ⅰ~Ⅹ齡級各種群存活量,并以此為依據(jù)編制不同林分類型麻櫟種群靜態(tài)生命表(江洪,1992;張文輝,1998)。計算公式如下:
lx=(ax/a1)×1 000;
dx=lx-lx+1;
qx=(dx/lx)×1 000;
Lx=(lx+lx+1)/2;
ex=Tx/lx;
Kx=lnlx-lnlx+1。
式中:x為根據(jù)徑級結(jié)構(gòu)劃分的齡級;ax為第x齡級內(nèi)現(xiàn)有麻櫟存活量;lx為第x齡級標(biāo)準(zhǔn)化個體存活數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為1 000);dx為標(biāo)準(zhǔn)化死亡數(shù),表示第x齡級標(biāo)準(zhǔn)化個體存活數(shù)與第x+1齡級標(biāo)準(zhǔn)化個體存活數(shù)間的差值;qx為第x齡級與第x+1齡級間的標(biāo)準(zhǔn)化死亡率;Lx為區(qū)間壽命,即第x齡級到第x+1齡級間存活的個體數(shù);Tx為總壽命,即種群中活到x齡級所有個體的剩余總壽命;ex為第x齡級內(nèi)所有個體的期望壽命,表示總壽命與該齡級標(biāo)準(zhǔn)化存活個體數(shù)間的比值;Kx為第x齡級到第x+1齡級間的消失率(損失度)。
種群靜態(tài)生命表以種群在特定時段的徑級(高度級)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)編制,目的是反映世代重疊木本植物在該時段內(nèi)所有個體的生長動態(tài),并非追蹤該種群全部生活史,且實地調(diào)查中的系統(tǒng)誤差通常難以避免,因此在編制生命表時,死亡數(shù)dx會出現(xiàn)小于0的情況。盡管與數(shù)學(xué)假設(shè)條件不符,但其仍有明確的生態(tài)學(xué)意義,即表明種群是動態(tài)變化的,可呈進(jìn)展型或衰退型。
以齡級為自變量、標(biāo)準(zhǔn)化的個體存活量為因變量繪制存活曲線。
測定并記錄灌木樣方中所有麻櫟幼苗幼樹的高度、地徑、冠幅和蓋度。利用樣方中測定的幼苗幼樹個體數(shù)等比例換算得到樣地中幼苗幼樹個體數(shù)。
根據(jù)上述齡級劃分標(biāo)準(zhǔn),對于Ⅰ齡級幼苗(H≤50 cm),通過調(diào)查幼苗主莖上的芽鱗痕并結(jié)合莖干顏色確定其年齡;對于Ⅱ齡級幼樹(50 cm
為了比較不同林分類型麻櫟幼苗的生物量分配差異,采用典型抽樣法,在每個灌木樣方中按苗齡選取1~10年生麻櫟幼苗或幼樹各2~6株作為標(biāo)準(zhǔn)株。麻櫟純林樣方獲得實生苗176株,麻櫟闊葉混交林樣方171株,麻櫟油松混交林樣方162株。將所有標(biāo)準(zhǔn)株整株挖出,分葉、枝、干、根取樣,野外測定各構(gòu)件鮮質(zhì)量;帶回實驗室烘干(80 ℃)至恒質(zhì)量,測定各構(gòu)件干質(zhì)量。
以樣地為單位統(tǒng)計群落結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和幼苗生物量,同一林分類型4塊樣地參數(shù)合并后取平均值。采用Excel 2013軟件統(tǒng)計并計算麻櫟年齡結(jié)構(gòu)和靜態(tài)生命表,SPSS 19.0軟件的單因素方差分析判斷不同林分類型麻櫟幼苗生長指標(biāo)及生物量分配差異,顯著性水平α設(shè)為0.05,差異顯著時,進(jìn)行多重比較。所有圖形均在ORIGIN 9.1軟件中繪制。
為說明林分類型對麻櫟種群年齡結(jié)構(gòu)的影響,將3種林分類型麻櫟種群按齡級統(tǒng)計株數(shù),并編制年齡結(jié)構(gòu)圖(圖1)??梢钥闯觯?種林分類型麻櫟個體數(shù)均隨年齡增加呈減小趨勢,但個體數(shù)降幅受林分類型影響。PFQ的Ⅰ齡級個體數(shù)共計350株,Ⅹ齡級個體數(shù)僅為2株;MFQB和MFQP的Ⅰ齡級個體數(shù)皆為224株,Ⅹ齡級個體數(shù)分別降至2.75和4株??傮w來看,橋山地區(qū)麻櫟種群年齡結(jié)構(gòu)呈進(jìn)展型,低齡級個體存活量占據(jù)絕對優(yōu)勢,種群維持具有足夠的后續(xù)資源。
圖1 不同林分類型麻櫟種群年齡結(jié)構(gòu)Fig.1 Age class of Q. acutissima in different forest types
不同林分類型麻櫟種群靜態(tài)生命表(表2)表明,麻櫟種群存活量隨年齡增加呈降低趨勢。PFQ中的麻櫟種群在Ⅰ、Ⅱ齡級總死亡率為85.7%,死亡個體數(shù)為300株,進(jìn)入成熟林期(Ⅷ~Ⅹ齡級)時,種群存活量僅為2.25株。MFQB和MFQP中的麻櫟種群在Ⅰ、Ⅱ齡級總死亡率分別為96.9%和92.9%,死亡個體數(shù)分別為217和208株,進(jìn)入成熟林期時,種群存活量分別為5.75和6.75株,說明種群個體數(shù)越多,密度越大,種間競爭越激烈,種群死亡率越高。在Ⅲ~Ⅶ齡級,MFQB和MFQP中的麻櫟種群死亡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PFQ,說明混交林中的麻櫟種群進(jìn)入幼樹期后,其種群穩(wěn)定程度優(yōu)于純林。
表2 不同林分類型麻櫟種群靜態(tài)生命表Tab.2 Static life table of Q. acutissima population in different forest types
種群期望壽命(ex)可以反映個體生存質(zhì)量。PFQ中的麻櫟種群在Ⅲ、Ⅳ齡級時期望壽命分別為1.75和3.87,MFQB和MFQP中的麻櫟種群則分別為6.32、4.44和2.94、5.50。MFQB和MFQP中的麻櫟種群在Ⅲ、Ⅳ齡級時的平均期望壽命高于PFQ,說明此階段麻櫟種群在混交林中生存質(zhì)量更高,生理活動更旺盛。
麻櫟種群數(shù)量動態(tài)是種群與不同林分類型環(huán)境相互作用的結(jié)果。根據(jù)3種林分類型麻櫟種群標(biāo)準(zhǔn)化個體存活量繪制的存活曲線皆呈Deevey-Ⅲ型,即低齡級種群受環(huán)境篩選及種間、種內(nèi)的競爭壓力最大,死亡率最高,個體數(shù)減少最多;達(dá)到一定年齡后,種群與環(huán)境相互適應(yīng),死亡率維持在一個較低水平,此時種群規(guī)模趨于穩(wěn)定,直至種群生理衰退(圖2)。
圖2 不同林分類型麻櫟種群存活曲線Fig.2 Survival curve of Q. acutissima population in different forest types
不同林分類型麻櫟種群的存活曲線略有差異,MFQP中麻櫟種群的死亡率幼年期最高,但隨年齡增加呈逐漸降低趨勢,在Ⅵ~Ⅹ齡級時其個體存活數(shù)在3種林分類型中最高,說明該種群不適宜麻櫟種群更新但適宜培育大徑級樹木。PFQ中麻櫟種群的死亡率幼年期最低。
不同林分類型麻櫟群落林內(nèi)環(huán)境不同,光照、降雨量、土壤溫濕度等小氣候存在差異,進(jìn)而導(dǎo)致林內(nèi)實生苗生長特性不同。在PFQ、MFQB和MFQP 3種林分類型中,麻櫟實生苗基徑、高度和冠幅均隨年齡增加有不同程度增長。1~5年生實生苗基徑表現(xiàn)為純林>混交林,隨著年齡增加,MFQP實生苗基徑略高于其他2種林分類型,但3種林分類型間差異不顯著;除1~2年生外,實生苗高度均表現(xiàn)為MFQP最高而PFQ最低,5年后實生苗高度在3種林分類型間出現(xiàn)顯著差異(P<0.05);實生苗冠幅表現(xiàn)為混交林>純林(1年生幼苗除外),4年后實生苗冠幅在3種林分類型間出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)(圖3)。從上述幼苗生長特性可看出,MFQP較PFQ和MFQB更利于麻櫟實生苗生長。
圖3 不同林分類型麻櫟實生苗基徑、高度和冠幅Fig.3 Ground diameter,height,and crown width of Q. acutissima seedlings in different forest types
植物生物量的累積與分配是由外部環(huán)境因子和植物自身生理特性共同調(diào)控的,不僅體現(xiàn)植物對外部環(huán)境因子的適應(yīng)性和利用策略,而且也體現(xiàn)外部環(huán)境因子對植物的影響和飾變程度。3種林分類型間,麻櫟實生苗葉、干、側(cè)枝和總生物量隨年齡增加均呈初期緩慢(1~5年)、后期快速(6~10年)的指數(shù)增長形式。3種林分類型間,實生苗葉生物量在1~6年無顯著差異,干生物量在1~4年差異不顯著;側(cè)枝生物量在1~2年差異不顯著;年齡越大,3種林分類型間葉、干、側(cè)枝生物量差異越顯著(P<0.05);根生物量則隨年齡變化沒有太大差異(P>0.05)(圖4)。
圖4 不同林分類型麻櫟實生苗各構(gòu)件生物量Fig.4 Modular biomass of Q. acutissima seedlings in different forest types
植物種群結(jié)構(gòu)特征不僅可以反映種群內(nèi)部現(xiàn)實狀態(tài)、種內(nèi)種間競爭關(guān)系以及物種所處自然環(huán)境的相互作用,同時也可以評價植物對外部環(huán)境的適應(yīng)性(羅世家等,1999;劉華等,2015)。年齡結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示,3種林分類型麻櫟種群具有不同的徑級(高度級)結(jié)構(gòu)。在PFQ中,Ⅰ~Ⅵ齡級麻櫟個體數(shù)大于麻櫟混交林,說明PFQ的麻櫟種子數(shù)量高于麻櫟混交林;但從Ⅵ齡級開始,PFQ中麻櫟個體數(shù)迅速下降,這可能是不同林分類型麻櫟種群受到的水熱、土壤條件不同所致。橋山林區(qū)低齡級麻櫟個體占絕對數(shù)量優(yōu)勢,中老齡級個體存活量較少,種群維持具有足夠的后續(xù)資源,整體呈進(jìn)展型。未來森林經(jīng)營實踐中,要繼續(xù)對現(xiàn)存麻櫟林實行封育保護(hù)措施,定期合理撫育,以盡快恢復(fù)麻櫟天然次生林種群數(shù)量和生態(tài)功能。
靜態(tài)生命表分析結(jié)果顯示,幼齡期麻櫟種群消失率和死亡率均顯著高于其他齡期,表明麻櫟從幼苗成長為幼樹的過程中受到一定程度的環(huán)境脅迫及種內(nèi)和種間競爭;成長為幼樹后,種群趨于穩(wěn)定,死亡率和消失率大幅降低,MFQB和MFQP中的麻櫟種群死亡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PFQ,說明幼樹期后麻櫟種群在混交林中的穩(wěn)定性高于純林;在Ⅲ、Ⅳ齡級時,MFQB和MFQP中的麻櫟種群期望壽命同樣高于PFQ,說明該階段麻櫟混交林幼樹的生存能力更強(qiáng)。盡管3種林分類型麻櫟種群的存活曲線皆呈Deevey-Ⅲ型,但PFQ中麻櫟種群的死亡率幼年期最低,隨著年齡增加,存活個體數(shù)減少,在Ⅵ~Ⅹ齡級時尤為明顯,說明該種群不適宜培育大徑級樹木,但適宜麻櫟種群更新。
麻櫟種子發(fā)育成幼苗的過程中死亡率高、受環(huán)境影響大,是生活史中最脆弱的階段。豐富的林下幼苗存活數(shù)量與合理的生物量分配是促進(jìn)森林更新和正向演替的基礎(chǔ)(鄧?yán)诘龋?010)。分析3種林分類型麻櫟種群實生苗生長特性可知,除1~5年生實生苗基徑外,MFQP中實生苗的各項生長指標(biāo)總體來看優(yōu)于PFQ和MFQB,這可能是不同林分類型凋落物成分和分解特性差異所致,如與PFQ和MFQB中櫟類植物葉片中的單寧有關(guān)(Henneronetal.,2017)。葉片凋落后形成地被物,地被物腐爛分解過程中產(chǎn)生的一系列有機(jī)化合物會影響麻櫟種子萌發(fā)和幼苗生長(Vanetal.,2017),同時地被物分解時微生物呼吸作用增強(qiáng),導(dǎo)致枯落物層溫度提高,有利于種子萌發(fā)(Zhangetal.,2017)。同時,也有可能是MFQP特殊的樹冠層所致,相比闊葉林,麻櫟油松混交林冠層異質(zhì)性增強(qiáng),林地可接收更多的光照和雨水(杜紀(jì)山,1991),從而促進(jìn)麻櫟幼苗生長。
在個體發(fā)育不同階段,植物各器官發(fā)揮的功能也不盡相同。為應(yīng)對這一差異,植物會改變其資源分配策略,以保證各器官功能最優(yōu)化和個體資源利用最大化(賀合亮等,2017;Sharmaetal.,1999)。此外,當(dāng)外部環(huán)境變化時,植物個體也會通過調(diào)節(jié)自身生物量將有限資源有規(guī)律地分配給相應(yīng)器官,以適應(yīng)不同的生境(王楊等,2017;胡曉靜等,2015)。在林下遮蔭環(huán)境中植物能否生長取決于其形態(tài)可塑性(殷東生等,2016;Valladaresetal.,2002),一般認(rèn)為,不同強(qiáng)度的光照條件可以導(dǎo)致植物各器官生物量分配的明顯差異(王俊峰等,2004)。本研究中3種林分類型麻櫟幼苗生物量分配存在一定程度差異。隨著年齡增加,林分類型對器官生物量的影響作用逐漸增強(qiáng),高年齡實生苗均表現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)。隨根生物量外,MFQP中的麻櫟幼苗在6年后與其他2種林分類型麻櫟幼苗各器官生物量差異顯著(P<0.05)。這進(jìn)一步說明,盡管MFQP中麻櫟種子數(shù)量不占優(yōu)勢,但其環(huán)境更適合麻櫟幼苗生長,有利于種群發(fā)展和穩(wěn)定。
1)橋山林區(qū)3種林分類型麻櫟種群發(fā)育良好,幼齡個體數(shù)量均多于成熟個體,種群具有足夠的幼苗幼樹資源,持續(xù)發(fā)育基礎(chǔ)穩(wěn)定。靜態(tài)生命表和存活曲線顯示,各種群Ⅰ、Ⅱ齡級死亡率最高,之后趨于穩(wěn)定。麻櫟油松混交林、麻櫟闊葉混交林與麻櫟純林相比,種群幼齡期死亡率低,期望壽命高,混交林(麻櫟闊葉混交林、麻櫟油松混交林)群落結(jié)構(gòu)更適合麻櫟種群生長發(fā)育。
2)3種林分類型中,混交林麻櫟種群實生苗個體的平均高度、基徑和冠幅等生長指標(biāo)在5年后均高于純林。不同林分類型麻櫟種群實生苗葉、干、側(cè)枝、根和總生物量均隨年齡增加呈初期緩慢、后期快速的指數(shù)增長形式,且混交林麻櫟實生苗葉、干、側(cè)枝、根和總生物量在生長后期均大于麻櫟純林。麻櫟油松混交林和麻櫟闊葉混交林更適合麻櫟幼苗生存。
3)在地理特征和人為干擾歷史相似的情況下,自1965年開始實施封禁后,麻櫟闊葉混交林、麻櫟油松混交林的平均胸徑、平均樹高明顯優(yōu)于麻櫟純林,混交林木材生產(chǎn)力更高,生態(tài)防護(hù)功能更強(qiáng),未來可將發(fā)展群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的混交林作為森林培育和經(jīng)營的主要方向。