杉木老龄林群落的空间异质性与空间结构特征研究

摘要

空间异质性对生态学系统的过程和功能影响重大。近年来人们非常重视对于空间异质性的研究，这也成为生态学家研究不同尺度上生态学过程和功能最感兴趣的话题之一。地统计学和分形理论已经被证实为是研究空间变异的有效合理的研究方法，在农田、土壤等领域的应用都取得了令人满意的成果，但在中国林业领域的研究与应用还处在探索阶段。近年来，森林空间结构的研究也受到广泛的关注，三个空间结构参数——角尺度，混交度和大小比数，对林分结构具有良好的分析能力，已被应用于许多森林类型。生物多样性保护是森林可持续经营的重要目标。提高林分结构的复杂性和多样性是现代森林群落经营方法的基础，即通过维持某种林分结构而达到维持和提高森林生态系统生物多样性的目的。
　　杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方最重要的速生用材树种，由于老龄林仅存的很少，导致有关老龄林的研究也相对较少。以往对于杉木林的研究往往在杉木的生长、植被组成等方面研究的较多，而在空间结构及空间异质性等方面研究相对薄弱，研究资料较少。有鉴于此，本研究选择福建省南平市西芹教学林场内已建立的老龄林群落系统作为研究对象，通过野外样地调查，结合运用地统计学、GIS技术、分形几何学等研究方法和技术，全面深入地研究老龄林群落的空间异质性和空间结构特征，更好地揭示老龄林群落内部的结构特征、演替机制，为杉木人工林生态系统的恢复、重建及可持续经营提供科学的理论依据和实际应用上的指导。本文主要的研究结论如下：
　　（1）老龄林群落中，土壤有机质、氮素含量丰富，而钾素和磷素缺乏。土壤pH的变异系数为2.58％，属弱变异，土壤有机质、全氮、水解性氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾的变异系数在19.62%≤Cv≤33.83%之间，属于中等变异。土壤有机质、pH值、全氮、水解性氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾在研究尺度上主要受结构性因素影响。在老龄林群落中，研究区北部的有机质含量要明显高于南部。土壤有机质与全氮相关性高，因此全氮含量在西南和东北保持较高水平。pH呈条带状分布，且西部和中部各有一条狭长的高值区，与研究区地形趋势吻合。全氮的分布由于受到有机质分布的影响，大体趋势接近有机质，在东北角和中北部各有一个高值区；总体来看，由南到北呈递增趋势。水解性氮总体呈条带状分布，在中部和东北部各有一个高值区，且从高值区向外呈逐渐递减趋势。全磷在近西南角、近西北角各有一个高值区，研究区中部数值较低。有效磷在中间偏西的地方存在一个狭长的高值区，从总体来看呈条带状分布。全钾在研究区北部有一个高值区，且由北到南呈递减趋势。速效钾分布较为零碎，但总体上北部的含量高，南部含量较少。
　　（2）在老龄林群落中，丰富度指数、Shannon-Wiener物种多样性指数、密度、平均冠幅、盖度、显著度、平均高这7个指标的变异系数在32.16%~87.51%之间，属于中等变异。其中， Shannon-Wiener物种多样性指数的变异系数最低，盖度的变异系数最高。丰富度指数、Shannon-Wiener物种多样性指数、密度的Moran’ s I系数均随尺度的增大空间自相关性呈减弱趋势，而平均冠幅、盖度、显著度以及平均高的Moran’ s I系数随尺度的增大其空间自相关呈正负交替现象，表明其结构较为复杂。树木各属性变量的块基比C0/C0+C差异较大，在43.94%~100%之间，其中平均冠幅、盖度、平均高、显著度的块基比最大，说明空间自相关性较弱，受人为干扰等因素影响较大，尤其是显著度的块基比达到100%，说明显著度呈随机分布，在该采样尺度内没有表现出空间相关性，分布均一，空间异质程度低；丰富度指数、Shannon-Wiener物种多样性指数和密度的块基比属于中等自相关。在5个群落结构属性指标以及2个多样性指标中，丰富度指数、Shannon-wiener指数、密度、盖度的分布格局相似，自北向南呈逐渐降低趋势；平均冠幅和平均高的分布格局较相似，在林区的东北、东南、西南以及中西部均出现高值区；显著度的空间分布格局大致表现为由中心向四周逐渐降低。总体来看，各个指标的空间连续范围较大，格局相对明显。
　　（3）在老龄林群落中，杉木、丝栗栲、刨花楠、木荷、细齿柃木5个主要树种的基台值差异较大，表明在研究尺度上空间异质性程度的差异。具体表现为：丝栗栲＞杉木＞木荷＞刨花楠＞细齿铃木。5个主要树种分形维数值在1.77~1.99之间。细齿柃木的D值最大，为1.99，表明其由随机性因素引起的空间变异较大，分布较复杂；刨花楠的D值最小，为1.77，表明由随机性因素引起的空间异质性较小，其结构分布较简单。杉木、木荷以及细齿铃木由随机部分引起的空间异质性要大于自相关部分引起的空间变异；而对于丝栗栲和刨花楠而言，由自相关部分引起的变异占主要部分。在老龄林群落中，刨花楠格局较明显，空间异质性程度较高，在样地西部有一个高值区；丝栗栲斑块边缘较柔和，西南部的生长状况好于东北部；木荷、细齿柃木的斑块边缘形状较为复杂，各向异性结构明显，木荷在中部和东部的生长状况要好于研究区的其他地方，细齿柃木的生长优劣度由西南向东北呈递减趋势；杉木的空间异质性程度较低，在研究区内东北部的生长状况要差于西南部。
　　（4）凋落物现存量的这些异质性特征在不同系统间表现有差异：老龄林中，凋落物现存量的异质性组成既有随机因素，也有结构性因素，两者比例相当。凋落物现存量异质性强度的排序为93人工林<老龄林<萌芽林。其空间异质性组成表现为：老龄林和萌芽林自相关变异和随机变异差别并不大，而93人工林以随机变异为主。在老龄林、萌芽林、93人工林3个系统中，3个系统凋落物现存量的分布状况相差较大。老龄林凋落物现存量由南到北逐渐减小，呈现规则条带及斑块状分布，干重在454~546g占多数；萌芽林凋落物现存量分布以WN-ES为分界线，西南部量较小，东北部量较大，干重以389~645g为主；93人工林凋落物现存量大致由西南向东北逐渐减小，干重主要在176~255g之间。
　　（5）从林分平均混交度方面来看，老龄林的平均混交度高于91人工林和93人工林，但低于天然林和萌芽林。具体来说，老龄林、91人工林属中度混交；天然林、萌芽林属强度混交；93人工林属弱度混交。从各系统平均大小比数来看，老龄林的平均胸径大小比数高于91人工林、93人工林和天然林，但低于萌芽林。各系统的平均大小比数取值为0.44~0.50，表明各系统内树种在胸径优势上比较平均。从各系统的平均角尺度分析可见，各样地平均角尺度均取值为0.44~0.51；老龄林、93人工林和91人工林趋向于均匀分布，而天然林、萌芽林趋向于随机分布。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

1 研究综述

1.1关于空间异质性的研究

1.1.1空间异质性的概念

1.1.2森林土壤养分空间异质性研究进展

1.1.3森林植被空间异质性研究进展

1.1.4森林凋落物空间异质性研究进展

1.2关于林分空间结构的研究

1.2.1林分空间结构的概念

1.2.2林分空间结构的研究进展

1.3研究目的及意义

2 研究区自然概况

3研究方法

3.1空间异质性的研究方法

3.1.1调查方法

3.1.2计算方法

3.2林分空间结构的研究方法

3.2.1调查方法

3.2.2计算方法

3.3土壤养分的测定方法

3.4数据处理

4 结果分析

4.1老龄林土壤养分的空间异质性

4.1.1 土壤养分描述性统计特征

4.1.2 土壤养分空间变异及结构特征

4.1.4 土壤养分空间分布特征

4.2老龄林群落植被的空间异质性

4.2.1 经典统计描述

4.2.2 空间自相关分析

4.2.3 空间变异特征

4.2.4空间分布格局

4.3老龄林主要树种的空间异质性

4.3.1空间异质性程度

4.3.6空间分布格局

4.4老龄林林地现存凋落物的空间异质性

4.4.1凋落物现存量平均状况及总体变异

4.4.2凋落物现存量变异强度及空间结构特征

4.4.3凋落物现存量空间分布规律

4.5老龄林林分空间结构特征的研究

4.5.1混交度分析

4.5.2大小比数分析

4.5.3 角尺度分析

5结论与讨论

参考文献

致谢