趙欣鑫, 巨天珍, 王 爽, 盧秀娟, 王 菁, 謝順濤, 張宋智
(1.西北師范大學(xué),甘肅蘭州 730070; 2.天水小隴山林業(yè)科學(xué)研究所,甘肅天水 741022)
種群是物種存在和生物群落組成的基本單位[1-3]。種群結(jié)構(gòu)可在一定程度上反映出種群個體在空間上的組配方式和發(fā)展趨勢,是植物種群的重要屬性之一[2];種群空間分布格局是指種群個體在水平空間的分布狀態(tài)或配置狀況,其既可對種群的水平結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述,也可闡明種群與環(huán)境的互作過程[4]。研究種群結(jié)構(gòu)和空間分布格局,有助于了解種群的生物學(xué)特征,利于預(yù)測群落的演替規(guī)律及發(fā)展方向,對種群合理保護(hù)、恢復(fù)及利用具有重要意義[5-7]。
水楸(FraxinusplatypodaOliv.)為木犀科白蠟屬喬木,主要分布于我國東北長白山、小興安嶺、華北闊葉林地區(qū)。其喜生于濕潤肥沃的土壤,樹皮灰白色,鱗狀裂,種子繁殖或萌芽更新繁殖,樹體高大,材質(zhì)優(yōu)良,紋理細(xì)密,韌性大,廣泛使用于室內(nèi)裝修、機(jī)械制造、家具、造船等方面[8]。該樹種在甘肅小隴山林區(qū)的絕大多數(shù)林場均有分布,生長于海拔 1 600 m 以上的溝谷,是林區(qū)的主要成林樹種之一。目前,國內(nèi)學(xué)者對于林木種群結(jié)構(gòu)與空間分布格局已有較多研究,如李榮等研究了天山北坡天山云杉的種群結(jié)構(gòu)特征和空間分布格局,認(rèn)為天山北坡云杉種群處于生命力旺盛的中齡期,格局呈聚集分布[5];潘霞等對百山祖北坡常綠闊葉林多脈青岡種群結(jié)構(gòu)和分布格局進(jìn)行了研究,認(rèn)為多脈青岡種群結(jié)構(gòu)屬于穩(wěn)定型,分布格局主要呈聚集分布[9];董秋蓮等研究了甘肅省張掖市龍首山紅砂種群結(jié)構(gòu)和分布格局,認(rèn)為紅砂種群自然更新狀況良好,格局為聚集分布[10]。但是,我國關(guān)于水楸種群的研究目前主要集中在水楸的繁育和造林技術(shù)等方面[11-13],有關(guān)小隴山水楸種群結(jié)構(gòu)及分布格局方面的研究還未見報道。鑒于此,在甘肅省小隴山水楸林野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,從徑級結(jié)構(gòu)、靜態(tài)生命表、存活曲線、生存函數(shù)曲線和空間分布格局等方面探討水楸種群結(jié)構(gòu)特征和分布格局的特點,并分析水楸種群動態(tài)和分布格局的相互關(guān)系,旨在為小隴山林區(qū)水楸種群的穩(wěn)定性維持機(jī)制及可持續(xù)經(jīng)營等提供理論依據(jù)。
甘肅小隴山林區(qū)為國家級自然保護(hù)區(qū),位于105°30′~106°30′E、34°0′~34°40′N的秦嶺西段,東西長212.5 km,南北寬146.5 km,海拔700~2 500 m,相對高差500~1 100 m,總面積31 938 hm2[14]。地處我國暖溫帶南緣與北亞熱帶的過渡地帶,兼有我國南北方氣候特點,氣候溫暖濕潤,年均氣溫7~12 ℃,年降水量460~800 mm,年蒸發(fā)量989~1 658 mm,年日照時數(shù)1 520~2 313 h,相對濕度68%~78%,無霜期120~218 d,干燥度0.89~1.29,屬濕潤和半濕潤類型區(qū)[15]。研究區(qū)內(nèi)土壤大多為褐土和棕壤,土層厚度30~60 cm,較濕潤,有機(jī)質(zhì)及礦物質(zhì)含量高,pH值6.5~7.5[16]。小隴山保護(hù)區(qū)現(xiàn)有林地面積28 723.2 m2,森林覆蓋率高達(dá)80%,植被帶譜完整,植物資源豐富,包括5個植被型組11個植被型53個群系,有草本植物1 900多種,木本植物800多種(不包括引種栽培),其中喬木層312種,灌木層512種,木質(zhì)藤本層85種,以溫帶科屬為主,熱帶、亞熱帶屬種相對較少[14-15]。
基于實地勘察,針對林木不同生境、群落類型,在小隴山調(diào)查區(qū)選取5個20 m×20 m樣方作為典型調(diào)查樣地,采用典型樣方法進(jìn)行野外調(diào)查。在每個樣地內(nèi)采用每木調(diào)查法,記錄所有個體的種名、樹高、胸徑、冠幅、樹枝下高和各樹種的密度、蓋度等;利用GPS、海拔表、羅盤分別測定樣方的地理坐標(biāo)、海拔高度、坡向、坡度、坡位等生境因子(圖1、表1)。
表1 調(diào)查區(qū)的群落環(huán)境
采用徑級結(jié)構(gòu)代替年齡結(jié)構(gòu)的方法分析種群動態(tài)特征[17-18]。依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù),結(jié)合水楸種群生長規(guī)律和生活史特點,按胸徑(diameter at breast height,DBH)每增加4 cm為1個徑級,將所有水楸個體分為11個徑級:D<4 cm為Ⅰ級,4 cm≤D<8 cm為Ⅱ級,8 cm≤D<12 cm為Ⅲ級,12 cm≤D<16 cm為Ⅳ級,16 cm≤D<20 cm為Ⅴ級,20 cm≤D<24 cm 為Ⅵ級,24 cm≤D<28 cm為Ⅶ級,28 cm≤D<32 cm為Ⅷ級,32 cm≤D<36 cm為Ⅸ級,36 cm≤D<40 cm為Ⅹ級,D≧40 cm為Ⅺ級(上限排除法)[17]。參照水楸的徑級將其種群劃分為幼苗幼樹(Ⅰ級)、小樹(Ⅱ級)、中樹(Ⅲ-Ⅵ級)、大樹(Ⅶ級-Ⅺ級)4個生長階段[18]。
2.3.1生命表編制根據(jù)基本數(shù)據(jù),編制種群靜態(tài)生命表,并繪制存活曲線,進(jìn)而分析其種群動態(tài)變化[19]。由于在靜態(tài)生命表的編制中,有時會出現(xiàn)死亡率為負(fù)的情況,故通常采取分段勻滑技術(shù)進(jìn)行處理[20]。水楸種群靜態(tài)生命表各指標(biāo)計算公式[21]如下:
lx=ax/a0×1 000;
(1)
dx=lx-lx+1;
(2)
qx=dx/lx×100%;
(3)
Lx=(lx+lx+1)/2;
(4)
Tx=∑Lx;
(5)
ex=Tx/lx;
(6)
Kx=lnlx-lnlx+1。
(7)
式中:ax為x齡級內(nèi)的現(xiàn)有存活數(shù);lx是在x齡級開始時的標(biāo)準(zhǔn)化存活數(shù);dx是從x~x+1齡級間隔期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化死亡數(shù);qx是從x~x+1齡級間隔期間死亡率;Lx是從x~x+1齡級間隔期間還存活的區(qū)間壽命或個體數(shù);Tx是從x齡級到超過x齡級的個體總數(shù)或總壽命;ex是進(jìn)入x齡級個體的生命期望或平均壽命期望;Kx是為消失率(損失度)。
2.3.2生存分析方法為了更好地分析小隴山水楸種群結(jié)構(gòu),引入生存率函數(shù)(Sx)、積累死亡率函數(shù)(Fx)、死亡密度函數(shù)(fx)和危險率函數(shù)(λx)等4個生存分析函數(shù)于研究中,具體計算公式[21]如下:
Sx=P1P2…Px;
(8)
Fx=1-Sx;
(9)
fx=(Sx-1-Sx)/hx=Sx-1×qx/hx;
(10)
(11)
式中:x為齡級;Px為存活率,Px=1-qx;qx為死亡頻率;hx為區(qū)間長度。
2.3.3空間分布格局主要選用以下5個基礎(chǔ)指標(biāo),從不同的角度度量小隴山水楸種群的聚集特性,綜合分析水楸種群的空間分布格局[14,22]:(1)擴(kuò)散系數(shù)(C)。
(12)
(2)負(fù)二項分布參數(shù)(k)。此值與種群密度無關(guān),用于判別種群中植株的聚集程度。
(13)
式中:當(dāng)k<0時,為均勻分布;k>0時,為聚集分布;k值越接近于0,則聚集度越大;k值趨于無窮大(一般為8以上),為隨機(jī)分布。
(3)聚集度指數(shù)(I)。
(14)
式中:當(dāng)I<0時,為均勻分布;I=0時,為隨機(jī)分布;I>0時,為聚集分布。
(4)Cassie指數(shù)。
(15)
式中:當(dāng)Ca<0時,為均勻分布;Ca=0時,為隨機(jī)分布;Ca>0時,為聚集分布。
(5)聚塊性指標(biāo)(PAI)。該值不受空樣地的影響。
(16)
(17)
式中:當(dāng)PAI<1時,為均勻分布;PAI=1時,為隨機(jī)分布;PAI>1時,為聚集分布。
由小隴山水楸種群徑級結(jié)構(gòu)圖(圖2)可以看出,水楸的徑級結(jié)構(gòu)接近倒“J”形,屬于增長型結(jié)構(gòu)[14]。從水楸徑級分布來看,水楸種群在Ⅰ級分布最多,個體數(shù)為76株,Ⅱ級次之,為44株,在Ⅸ級分布最少,僅有5株;從水楸生長階段來看,幼苗幼樹(Ⅰ級)比例最高,占水楸總株數(shù)的33.78%,中樹(Ⅲ~Ⅵ級)次之,占總株數(shù)的24%,小樹(Ⅱ級)和大樹(Ⅶ~Ⅺ級)比例相對較低。由此可見,水楸種群幼苗幼樹充足,利于水楸進(jìn)行種群的更新,但大樹相對較缺乏,這可能與自然競爭、災(zāi)害、生理衰退、人為砍伐等因素有關(guān)??傮w上來看,小隴山水楸種群徑級結(jié)構(gòu)完整,目前群落處于穩(wěn)定發(fā)展中。
采用勻滑技術(shù)對調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,經(jīng)修正后得到ax*,據(jù)此編制出小隴山水楸種群的靜態(tài)生命表(表2),并繪制出水楸種群的死亡率、消失率曲線(圖3)和存活曲線(圖4)。由圖3可知,水楸種群的死亡率、消失率變化趨勢基本一致,并具有明顯波動變化。其中死亡率在Ⅱ級最高,為48%;Ⅰ級次之,為42%;Ⅲ級最低,為13%;之后隨著個體生長對資源需求的逐漸加大,致使其死亡率因種內(nèi)競爭的不斷加劇而隨之增高,并于Ⅷ級再次達(dá)到峰值,為38%。隨后水楸死亡率因自疏過程而在Ⅸ級有所降低,最后因生物學(xué)特征,種群個體達(dá)到其生理年齡,其死亡率再次升高。水楸種群存活曲線采用2種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗,即指數(shù)函數(shù)(Nx=N0e-bx)用以描述Deevey-Ⅱ型存活曲線,冪函數(shù)(Nx=N0x-b)用以描述Deevey-Ⅲ型存活曲線[23]。結(jié)果顯示,Nx=7.184e-0.058x(r2=0.977 5,P<0.01),Nx=7.486x-0.246(r2=0.876 2,P<0.01)。2種數(shù)學(xué)模型中指數(shù)函數(shù)擬合方程相關(guān)系數(shù)更高, 故水楸種群的存活曲線更趨于Deevey-Ⅱ型(圖4)。由圖4可以看出,水楸種群各徑級的死亡率基本相同,局部稍有波動,在幼齡期死亡率較高,但仍可保證一定數(shù)量以確保種群穩(wěn)定地更新和發(fā)展,整體表明小隴山水楸種群目前處于穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。
表2 小隴山水楸種群的靜態(tài)生命
注:ax為存活數(shù);ax*為勻滑后存活數(shù);lx為標(biāo)準(zhǔn)化存活數(shù);dx為死亡數(shù);qx為死亡率;Lx為區(qū)間壽命;Tx為總壽命;ex為期望壽命;Kx為消失率。
基于水楸種群4個生存函數(shù)估計值,分別繪制水楸種群生存率(Sx)、積累死亡率函數(shù)(Fx)曲線圖(圖5)和死亡密度(fx)、危險率(λx)曲線圖(圖6)。由圖5可知,水楸種群生存率基本呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢,積累死亡率基本趨于單調(diào)遞增,兩者互補(bǔ),在Ⅰ~Ⅲ級變化幅度較大,后期變化相對平緩,并于Ⅹ級達(dá)到生理年齡,生存率低至5%,說明水楸種群在幼齡期死亡率較高,老齡樹稀少。由圖6可以看出,水楸種群的死亡密度曲線和危險率曲線變化趨勢差別較明顯,水楸林中幼苗幼樹(Ⅰ級)、小樹(Ⅱ級)死亡密度較高,大樹(Ⅶ~Ⅸ級)相對較低且基本持平,均在1%以下,而水楸種群危險率在小樹(Ⅱ級)最高,為16%,幼苗幼樹(Ⅰ級)次之,為13%。整體來看4個生存函數(shù)與種群存活曲線、死亡率曲線和消失率曲線分析結(jié)果一致,表明小隴山水楸種群具有前期增長,中期穩(wěn)定,后期衰退的特點。
典型樣地的種群格局動態(tài)趨勢可反映出整個水楸種群動態(tài)格局的大致趨勢,文中采用5種不同聚集度指標(biāo)對各樣地分布格局的判定結(jié)果基本一致(表3)。由表3可知,各樣地水楸種群均呈聚集分布,但聚集強(qiáng)度有所不同。根據(jù)負(fù)二項參數(shù)(k)和聚塊性指標(biāo)(PAI),可以看出,樣地4的k值最小,為0.28,PAI值最大,為4.63,說明該樣地的水楸種群聚集強(qiáng)度最大;其次為樣地1,k值為0.32,PAI值為4.14;樣地5的k值最大,為4.11,PAI值最小,為1.24,即該樣地聚集度最小。各樣地具體聚集度由大到小依次為:樣地4>樣地1>樣地3>樣地2>樣地5。結(jié)果表明,小隴山水楸種群空間分布格局呈聚集分布。
表3 水楸種群分布格局
小隴山水楸種群的徑級結(jié)構(gòu)、生命表、存活曲線、生存分析曲線等均是水楸種群生物學(xué)特性與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。從小隴山水楸種群徑級結(jié)構(gòu)可以看出,水楸種群在幼苗幼樹(Ⅰ級)生長階段比例最高,大樹(Ⅶ~Ⅺ級)比例相對較低,其徑級結(jié)構(gòu)完整,總體分布接近倒“J”形,種群潛在的自然更新能力較強(qiáng),群落處于穩(wěn)定發(fā)展中。靜態(tài)生命表顯示,其存活曲線基本接近于Deevey-Ⅱ型,各徑級的死亡率基本相同,局部稍有波動。死亡率和消失率曲線以及4個生存函數(shù)均呈現(xiàn)出水楸幼苗死亡率較高的特征,在幼苗幼樹(Ⅰ級)死亡率為42%,表明林下水楸幼苗幼樹很豐富,但較難長成小樹,這可能由于單位面積承載力有限,隨著水楸分株的生長發(fā)育,其對環(huán)境資源需求加劇,特別是水分的爭奪加劇,從而造成自疏和它疏作用,致使個體大量死亡。此外,水楸種群死亡率在Ⅸ級后又再次升高,這是種群個體因生物學(xué)特征達(dá)到生理年齡所致。從小隴山水楸種群的動態(tài)演化趨勢看,水楸種群幼苗豐富,大樹較少,種群結(jié)構(gòu)屬于穩(wěn)定型,這與很多研究結(jié)果類似。柳新紅等研究了清涼峰自然保護(hù)區(qū)木荷的種群結(jié)構(gòu),得出木荷的種群結(jié)構(gòu)特征與小隴山水楸相似,即幼樹豐富,大樹較少,總體上有足夠的幼樹,能夠?qū)崿F(xiàn)自我更新,屬穩(wěn)定型種群[24];潘霞等研究了百山祖北坡常綠闊葉林多脈青岡種群,得出其種群結(jié)構(gòu)幼樹期豐富,衰退期個體數(shù)少[9],在幼苗期死亡率較高等分析結(jié)果均與小隴山水楸種群基本一致?;谝延醒芯砍晒?,小隴山國家級自然保護(hù)區(qū)水楸種群動態(tài)分析表明,水楸種群具有相對的穩(wěn)定性,但林下更新層仍存在不足,難以維持其長期穩(wěn)定,須對其進(jìn)行人工促進(jìn)天然更新,以實現(xiàn)小隴山林業(yè)的穩(wěn)定性維持機(jī)制和可持續(xù)經(jīng)營。
小隴山水楸種群空間分布格局的分析結(jié)果表明,水楸種群在總體上分布格局呈聚集分布,這是種群生存的策略或適應(yīng)機(jī)制,更有利于其獲取足夠的生存資源,是物種與環(huán)境長期相互作用的結(jié)果[23]。王曉雨等研究了長白山北坡林線岳樺種群空間分布格局,認(rèn)為岳樺種群總體空間分布格局呈聚集分布[25];劉貴峰等對天山云杉種群分布格局進(jìn)行了研究,認(rèn)為天山云杉種群格局整體上呈集群分布[26]。這些研究均與小隴山水楸種群研究結(jié)果一致,小隴山水楸種群的聚集分布格局,與其自身的環(huán)境因素和生物因素有關(guān)。水楸依靠種子或萌芽更新繁殖,這決定了水楸幼苗的生長多在母樹周圍。另外,格局呈聚集分布的種群,在環(huán)境中會比單獨個體具有更大的競爭優(yōu)勢,可大大提高物種個體的存活機(jī)會,能更好地發(fā)揮出群體效應(yīng)來維持自身的穩(wěn)定增長狀態(tài)[27]。因此,植物種群與環(huán)境的長期作用下形成的特定聚集分布格局[28],更有利于水楸的生長,也是小隴山水楸群落處于穩(wěn)定增長期特有的種群分布形式。
研究表明,小隴山水楸種群徑級結(jié)構(gòu)完整,屬于穩(wěn)定增長型,其空間分布格局總體上呈聚集分布,群落處于穩(wěn)定發(fā)展階段。自然水楸林種群結(jié)構(gòu)動態(tài)分析和空間分布格局研究,為小隴山林區(qū)水楸種群的維持機(jī)制、可持續(xù)經(jīng)營以及生態(tài)恢復(fù)植被的有效保護(hù)和利用提供了依據(jù)。
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