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海南岛热带森林植物功能性状及其多样性研究

姜勇  
【摘要】:植物功能性状是指影响植物存活、生长、繁殖速率和最终适合度的形态、生理和物候等特征,而植物功能多样性是指植物功能性状的数值和变化范围。近年来,基于功能性状的分析逐渐成为群落生态学研究的新趋势,并有力的推动了群落组配规律和物种多样性维持机制的研究。通过分析植物功能性状及其多样性能够了解植被中物种之间及其与环境的关系,从而揭示生态系统功能和生态系统服务的变化趋势。热带森林作为物种最为丰富、结构最为复杂的陆地生态系统,在维持全球生物多样性、养分循环和调节气候等生态系统服务方面具有非常重要的作用。同时,热带森林由于其复杂性和多样性也被认为是研究生物多样性维持机制的理想场所。海南岛是我国热带天然林分布面积最大的区域,具有多种独特的热带植被类型和丰富多样的森林植物种类。了解海南岛热带森林植物功能性状及其多样性的时空变化规律,不仅具有重要的生态学理论意义,而且对于海南岛的生物多样性保育和生态环境恢复也具有重要的实践意义。本文首先以海南岛主要的木本植物为对象,通过查阅国内外植物功能性状库并结合10多年野外调查数据,初步构建海南岛木本植物功能性状库,并分析各个功能性状的数值范围及其随分类单位(属及科)的变化。其次,以海南岛典型热带天然林区(霸王岭林区)的六个典型热带森林植被的老龄林为对象,在固定样地建立、植被调查及主要环境因子和植物功能性状测定的基础上,分析了群落结构、物种多样性和群落水平植物功能性状随植被类型及相应环境因子的变化规律。最后,以植物的功能性状为基础,计算了不同植被类型的功能多样性及谱系多样性指数,并分析了其与不同环境因子的相关性。主要研究结果如下:1.通过对海南岛2281个木本植物的10个功能性状的统计分析表明:海南岛森林植物的生长型以乔木为主,其次是灌木和木质藤本,生活型以高位芽植物占优势。在所有及不同生长型的植物中叶型均体现阔叶物种显著高于针叶;叶质以革质和纸质为主;光合途径均体现C3物种数显著高于C4和CAM物种;浆果和核果物种数显著高于其它果实类型;传播方式主要以动物取食传播为主,其次为风传播,利用水传播的物种则最少;ii有刺物种显著低于无刺物种;板根性状仅存在高大乔木物种中。不同植物的功能性状类型可能与其所分布的生境条件有关。2.通过对六种森林植被类型的群落结构与多样性特征对比分析表明:六种森林植被类型的种-面积和种-多度累积曲线均表现为热带山地雨林和热带低地雨林的物种丰富度最高,其次是热带落叶季雨林和热带针叶林,热带山地常绿林和热带山顶矮林最低,这一变化规律符合“中间高度膨胀”现象。物种丰富度与9个环境因子之间关系随不同植被类型的变化:热带落叶季雨林、热带针叶林和热带低地雨林的物种组成主要与土壤ph值、日平均空气温度和土壤氮相关;热带山地雨林、热带山地常绿林和热带山顶矮林的物种组成主要与冠层开阔度、土壤有机质和土壤有效磷相关。物种丰富度及多度随径级和高度级的分布均表现为倒―j‖型,表明六种植被类型当中拥有较多小树,较少大树。3.通过对六种森林植被类型的9个环境因子的测定与分析表明:热带落叶季雨林的日平均空气温度、土壤有机质、土壤有效磷、冠层开阔度较高,但土壤含水量较低;热带针叶林的日平均空气温度、冠层开阔度、土壤酸碱度较高,但土壤含水量及土壤养分含量较低;热带低地雨林的土壤含水量和土壤养分含量均较低;热带山地雨林的土壤含水量较高,冠层开阔度较低,土壤养分含量和土壤ph居中;热带云雾林(热带山地常绿林和热带山顶矮林)的的冠层开阔度及土壤磷(全磷和有效磷)较低,土壤有机质较高,土壤含水量居中,但土壤氮(全氮和有效氮)及日平均空气温度较低。通过对环境因子的cca分析表明,第一轴主要反映ph值、日平均空气温度的变化,第二轴反映了冠层开阔度、土壤有机质、全氮和有效磷的变化。4.通过对六种森林植被类型群落水平植物功能性状及其与环境因子的相关性分析表明:比叶面积在热带落叶季雨林中最高,叶绿素在热带低地雨林和热带山地雨林中最高,叶氮和叶磷含量均在热带落叶季雨林中最高。木材密度在热带落叶季雨林、热带山地雨林、热带山地常绿林相对较高。多元逐步回归分析表明:同一功能性状在不同的植被类型与不同的环境因子组合相关。热带落叶季雨林中比叶面积与土壤水分正相关,与土壤有效氮和冠层开阔度负相关;叶绿素含量与土壤有效氮正相关,与冠层开阔度负相关;木材密度与土壤有效氮正相关。热带针叶林中,叶绿素含量与冠层开阔度及有效氮正相关。热带低地雨林中,比叶面积、叶氮含量和叶磷含量与土壤有效磷正相关。热带山地雨林中,比叶面积和叶磷含量与土壤全磷正相关,与冠层开阔度负相关。热带山地常绿林中,比叶面积和叶氮含量均与土壤全磷和有机质正相关;叶磷含量和土壤有机质正相关,与土壤pH负相关。热带山顶矮林中,比叶面积与土壤全氮和全磷正相关;叶氮含量与土壤全氮正相关;叶磷含量与土壤水分正相关,与土壤pH负相关。5.通过对六种森林植被类型的功能多样性及其环境因子的相关性分析表明:功能丰富度和功能均匀度在六种森林植被中的变化规律与物种丰富度存在一定的正相关。多元逐步回归分析表明:在热带落叶季雨林中,冠层开阔度、土壤水分含量和土壤全磷对功能多样性产生显著的影响。在热带针叶林中,土壤水分含量、土壤有机质和有效磷对功能多样性产生显著的影响。在热带低地雨林中,土壤有机质、土壤全磷和有效氮对功能多样性产生显著的影响。在热带山地雨林中,土壤全磷对功能多样性产生显著的影响。在热带山地常绿林中,土壤pH和土壤全磷对功能多样性产生显著的影响。在热带山顶矮林中土壤有机质和土壤全磷对功能多样性产生显著的影响。6.通过对六种森林植被类型谱系多样性及其与环境因子的相关性分析表明:六种森林植被系统发育均表现出谱系聚集格局,表明环境筛发挥主导作用。谱系多样性(PD)随着海拔的升高呈现出先上升后下降的趋势。多元逐步回归结果表明仅在热带落叶季雨林、热带山地常绿林和热带山顶矮林谱系多样性指标对环境因子产生显著地响应,其它三个植被类型中,谱系多样性指标与环境因子相关性不显著。影响植物群落谱系关系的关键环境因子依次是冠层开阔度、土壤含水量、土壤pH、土壤有机质、全磷和有效氮。


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