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冀北山地典型森林植被与土壤成分的空间异质性关系研究

邵方丽  
【摘要】:森林作为人类生产、生活资源的重要供给,随人类需求量的不断增加而遭受越来越多地破坏性干扰,部分原始林逐渐退化成为次生林。在中国,次生林已经成为森林资源的主体,占据近一半的森林总面积。在冀北山地,以温带落叶阔叶林为主的地带性植被受到人为或自然的干扰,形成了大面积以杨、桦为主的次生林。本研究以自然恢复形成的天然杨桦次生林为对象,在群落特征分析的基础上,对次生林的植被、土壤的空间异质性以及二者空间异质性的关系进行量化分析,揭示出天然次生林植被和土壤的空间分布特征、变异规律及空间异质性间的关系,对格局与过程的深入理解具有重要意义,为次生林的人工抚育、改造及管理等提供依据。主要研究结果如下: 1.天然杨桦次生林的群落特征 该天然次生林群落共有乔木16种,灌木18种,草本71种,优势种主要有山杨、白桦、华北落叶松、毛榛和细叶苔草等。先锋树种山杨、白桦的径级结构显示其种群幼树缺乏,种群呈现衰退趋势;树高分布显示出林分乔木的分层不明显,垂直结构复杂。灌木径级结构呈近似反“J”型分布,树高分布显示林下灌木没有明显的垂直结构。群落物种间的总体关联表现为显著正相关;群落物种间的联结系数(AC)显示乔木种对间存在较强的正联结,乔木和灌木种对间大多存在较强的负联结。 物种多样性显示草本的物种丰富度最大,乔木的多样性指数和均匀度则最高。乔木物种生态位宽度指数从大到小依次是华北五角枫,华北落叶松,花楸,白桦等。灌木和草本物种中,生态位宽度指数最大的分别是毛榛和细叶苔草。生态位重叠指数较大的物种对主要有白桦和蒙古栎、青杆,华北落叶松和华北五角枫、花楸,毛榛和沙株、锦带花,细叶苔草和舞鹤草、歪头菜、风毛菊等。 乔木总体上呈弱度混交、处于中庸状态,随起测直径的增大,团状分布的结构单元逐渐减小。灌木的混交度很低,处于中庸向劣态过渡状态,以团状分布为主。乔、灌树种在本研究尺度上大多呈现聚集分布的格局。主要物种间的相关关系显示,白桦与山杨、落叶松、毛榛在大部分尺度上以负关联为主,落叶松、山杨以及毛榛的种间关系在大部分尺度上为正关联。 2.植被的空间异质性特征 乔木、灌木及枯落物的空间异质性均以指数模型的拟合效果较好,叶面积指数和草本以球形模型的拟合效果较好。乔、灌、草、叶面积指数以及枯落物未分解、半分解和已分解层的变程(描述空间异质性尺度的有效参数)分别为11.4 m、5.7m、8.7m、73.1m、31.5m、27.9m和41.4m。结构比(空间自相关引起的变异占总变异的百分比)显示,乔、灌、草、枯落物未分解和半分解层均具有强烈的空间相关性,结构比分别为0.92,0.89,0.92,0.89和0.87:叶面积指数和己分解层具有中等强度的空间相关性,结构比分别为0.52和0.72。从空间分布格局来看,乔、灌、草均呈现出明显的斑块状空间分布格局;其中,乔木以3×103cm2以下的断面积占据很大的比例。灌木的斑块化程度明显高于乔木,在15 cm2以下的斑块最多。草本的空间格局较复杂,盖度30%-60%的斑块占据较大比例。叶面积指数的空间分布格局较简单,0.8-1.2的斑块所占比例最大。枯落物半分解层现存量的呈明显的斑块状分布,未分解层和已分解层呈较为的连续分布,各分解程度的枯落物现存量均以0.1-0.2 kg的斑块占据最大比例。 3.土壤的空问异质性特征 表层土壤含水量的空间格局以指数模型拟合较好,变程为40.2 m,结构比为0.94,具有强烈的空间相关性。土壤pH值和养分的空间分布格局在垂直方向上具有一定的延续性,以0-20 cm和20-40 cm土壤层的分布格局最为相似。对于土壤pH值,其变程随深度增加而减小,由浅到深依次为46.1 m、37.1 m、27.4 m。不同土壤层养分的变程有较大差异,0-20 cm变程为36-164 m,20-40 cm的变程为53-115 m,40-60 cm的变程为36-108 m。从不同指标来看,全氮在各土壤层中的变程最小,土壤有机质的变程最大,磷元素的变程较氮、钾元素大。在空间结构比上,各土层的氮、磷、钾全量呈强烈的空间相关;而速效磷、速效钾和有机质为中等强度的空间相关。从空间分布格局来看,表层土壤含水量以15%-30%的斑块面积为最大;随土壤深度的增加,pH值5.9-6.1、5.9-6.1、6.1-6.3的斑块,有机质60-80 g/kg、40-60 g/kg、20-40 g/kg的斑块,速效磷6 mg/kg以下的斑块,速效钾200-250 mg/kg、150-200 mg/kg、100-150 mg/kg的斑块,全磷4-6 g/kg、2-4 g/kg、4-6 g/kg的斑块,全钾16-18 g/kg、16-18 g/kg、18-20 g/kg的斑块,全氮2-3 g/kg、1-2 g/kg、1-2 g/kg的斑块在各土壤层中的面积均为最大。 4.植被与土壤空间异质性的关系 在该天然杨桦次生林中,15%-30%的土壤含水量较适于乔、灌的生长,且对叶面积指数的影响较大;25%-30%的土壤含水量较适于草本的生长,且与枯落物现存量的联系最为紧密。5.9-6.3的pH值较适于乔木的生长;5.9-6.1的pH值较适于灌木和草本的生长,且与叶面积指数和枯落物现存量的联系最紧密。40-60 g/kg的有机质较适于乔、灌、草的生长,且对叶面积指数的影响较大;40-50 g/kg的土壤有机质与枯落物现存量的联系最紧密。6-12 mg/kg的速效磷适于乔、灌的生长,且对叶面积指数的影响较大;6-8 mg/kg的速效磷较适于草本生长,且与枯落物现存量的联系最紧密。100-250 mg/kg速效钾较适于乔木的生长;150-200 mg/kg速效钾适于灌木、草本的生长,且与叶面积指数、枯落物现存量的联系最紧密。0.3-0.5 g/kg全磷较适于乔木的生长;0.3-0.4 g/kg的全磷适于灌木、草本的生长,且与叶面积指数和枯落物现存量的联系最紧密。16-20g/kg全钾较适于乔、灌、草的生长,且与叶面积指数和枯落物现存量的联系最紧密。1.5-2.5g/kg全氮较适于乔木、草本的生长;1.5-2.0g/kg全氮适于灌木生长,且与叶面积指数和枯落物现存量的联系最紧密。


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