中亚热带木荷马尾松林恢复过程的群落及凋落物特征研究

摘要

以福州市国家森林公园内木荷马尾松林为研究对象，围绕群落特征与凋落物动态两条主线，探讨中亚热带不同恢复类型木荷马尾松林的群落动态变化与凋落物的养分循环机制，为人工生态林的恢复与重建，森林资源科学管理与可持续经营提供理论支撑。 以空间代替时间方法进行典型样地调查，根据乔木种的重要值，将木荷马尾松林划分为4个恢复类型并分析了不同恢复类型的群落结构特征；应用多种数学模型进行物种多度、生物多样性、生态位、空间分布格局及生物量的分析，研究结果表明，群落垂直结构简单、物种多度和多样性低、人工干扰对各种群的生态位和空间分布格局的影响仍较强，群落目前正处于中亚热带植被演替系列的中期，生态位重叠较大，存在着激烈的种内种间竞争，群落结构较脆弱。经过了几十年的封禁保育和自然恢复，群落的结构和环境已有了一定的改善，逐渐从以木荷马尾松为主的针阔混交林向地带性常绿阔叶林演替，并为其它中亚热带地带性植物类群的生长创造了条件。由于木荷具有很好的速生特性，木荷已成为群落中的绝对优势种，其生产力已较为可观，并具有较大的潜力。 群落凋落物平均现存量为9.209t/hm2，其中各组分的比例顺序为叶＞枝＞杂物＞花果。群落凋落物的年均凋落量为7.080t/hm2，各组分的月凋落比例为落叶＞落枝＞花及杂物＞落果＞落皮，符合中亚热带东部常绿阔叶林的凋落规律。林地内凋落物现存量/年凋量的比值大于1，凋落量较大而分解量较少，表现为林地上凋落物存留量较大。气候的变化和群落组成树种的生物生态学特性是决定中亚热带木荷马尾松林凋落节律的主要原因，其季节动态为不规则的双峰型，叶月凋落量的变化趋势基本上决定了总凋落物量的季节变化模式，其凋落量在一定程度上主导着群落的凋落总量，同时，树枝的凋落季节变化对总量有较大影响，果、花及杂物的季节凋落动态分别在不同时期对总凋落量的节律也有明显影响。 群落通过枯枝落叶形式向林地的养分年归还总量为4252.1kg/bm2。以有机C的归还量最大，在养分年归还总量中所占比例高达94.89％；其次为N，占年归还量的3.05％；6种大量元素的年归还量的顺序为C＞N＞Ca＞K＞Mg＞P，4种微量元素的年归还量均不大，大小顺序为Fe＞Mn＞Zn＞Cu。木荷叶主导了中亚热带木荷马尾松林凋落物的年凋落量及养分归还量。凋落物养分总归还量中10种营养元素的含量在不同月份变化很大，养分总量的年动态变化主要受凋落物中有机C量的年变化趋势支配，同时受N、K、Ca等的影响较大，在凋落物的4种组分中，落叶内除Cu的利用效率在四者中最高外，N、K、Mg、Mn的利用效率都最低，对群落养分年归还的贡献最大；落枝则对C、Ca、Cu、Zn的年归还贡献最大，养分利用效率都最低；落果对P的年归还贡献最大，而花及杂物对Fe的年归还贡献最大，对维持林地土壤肥力具有重大作用。 木荷与马尾松枯枝落叶的分解速率由大到小依次为：木荷叶＞马尾松叶＞木荷枝＞马尾松枝，而且在分解过程中都表现出快一慢一快的节奏，快慢的转化与当时环境的水热条件的配合密切相关，木荷和马尾松叶凋落后分解高峰都出现在高温高湿的季节，而两种枝条分解高峰的出现稍滞后于落叶，凋落物自身质量和外形特征是造成它们间分解速率差异的主要原因。用分解指数k来估算群落中4种主要凋落物分解95％所需的时间，分别为3.6832a、4.7531a、4.6002a和5.3128a，与国内同类研究的结果有一些差异。因为本研究所用落枝均为新凋落的树枝，它们在凋落前已开始分解，所以表现为木荷落枝的分解速率与马尾松叶相差不大，使落枝分解速率的测定结果可能偏大。 分解场海拔位置不同，凋落物的年残留量间都存在一定差异，但都未达到显著水平。在年分解过程中，海拔75m处木荷叶的分解指数k大于433m处，置于433m处马尾松枝的分解指数k值(1.0212)比同一分解场中木荷叶的(0.8442)大，用k值预测其马尾松枝分解95％需要的时间为2.934a，比分解速率最快的75m处木荷叶的(2.466a)略高，造成马尾松枝快速分解的主要原因是白蚁对马尾松枝大量取食。 分解场所处坡向不同，两种落枝及马尾松叶的年残留量都较高，相同林龄分解场中两样地间木荷枝和马尾松叶年残留量都相差不大，而置于1号样地与2号样地的马尾松枝年残留量间的差别较大(达11.180g)，但未达到显著水平。木荷叶的分解速度比其它3种凋落物的快得多，但不同坡向对它们造成差异也都不显著。比较而言，同处于35a木荷马尾松林下时，东南坡向稍利于木荷和马尾松枯枝落叶的分解；而在50a木荷马尾松林下，则以东坡的小环境稍利于木荷叶与马尾松枝的分解，而南坡对木荷枝和马尾松叶分解也较有利。 分解场处于不同坡位时，不同分解环境下4种凋落物年残留量差别较大，但除置于下坡的马尾松叶年残留量与沟谷间的差别达到显著水平外，其它样地间各样品残留量的差异都不显著，组内的波动掩盖了它们组间的差异。比较而言，处于下坡的木荷林下分解环境对木荷叶和马尾松枝、叶的分解较适宜，而上坡木荷林下的分解环境较利于木荷枝的分解。 同样的凋落物置于不同海拔位置、不同坡向、不同坡位中相似林分下分解时，它们的有机C含量随分解时间都逐渐减少，但不同种类凋落物的年降幅有差异，以马尾松枝年减少量最少，木荷枝和叶的较多。分解场海拔位置、坡向、坡位的不同，在年分解前期(0～121d)，对有的机C分解释放速率快慢产生较明显差异，在随后的时期中则快慢交替，不同分解场地间凋落物分解速率差别较小。 分解场海拔位置、坡向、不同，对4种凋落物N的分解速率影响差异较明显，不同凋落物N残留率在不同分解时段变动较大，分解释放与富集交替，N残留率波动幅度较大。在一年的分解时间里，除马尾松叶的P含量总体上有一定量的分解释放外，木荷叶、枝和马尾松枝中P含量都出现了不同程度的富集，分解小环境不同，4种凋落物受其影响较大，P的释放与富集交替，波动较大。两种落叶中K的年残留率曲线随时间都呈单调递减变化，因海拔位置、坡向、坡位而造成分解环境的不同，对它们分解速率的影响较小，样地间差异较不明显。两种落枝在年分解过程中均出现了不同程度的富集，分解环境不同差异较明显，海拔位置、坡向、坡位不同对落枝K分解速率的影响大于落叶。 因海拔位置或坡位的不同而造成分解环境条件的差异对4种凋落物中Ca的释放速率影响较大，凋落物中Ca含量的年变化趋势总体上都是随时间释放减少的，但残留率波动较大，分解环境条件的差异对4种凋落物(特别是木荷叶和马尾松枝)Ca释放速率的阶段性影响较明显；4种凋落物Ca含量都出现了快速大量的释放，随时间基本上逐渐减少，且样地间差异较小，因坡向不同造成分解小环境不同，对凋落物Ca的释放速率的影响较小，样地间无明显差异。 随着分解程度的加深，木荷叶和枝中的Mg含量都出现了较大幅度富集，而马尾松叶和枝中Mg含量在前期(0～62d)快速释放后，虽然也出现了不同程度的富集和波动，但总体上残留率年变化都表现为降低。因分解环境的海拔位置、坡向或坡位的不同而对不同凋落物分解速率的影响差异较大，样地间差异较明显，但总体上对马尾松叶、枝的影响都不如对木荷叶和枝大。 凋落物中Fe、Mn、Cu、Zn4种微量元素分解速率在不同分解时段对海拔位置、坡向或坡位不同造成分解环境条件差异的影响较敏感，样地间的差异和波动均较大，变化较复杂。落叶(尤其是木荷叶)中Fe、Mn、Cu、Zn都出现了不同程度的富集，两种落枝(尤其是马尾松枝)中4种微量元素的富集量要小的多。 从重量残留率的实际观察值与预测值的比较结果来看，木荷与马尾松落叶混合分解时，分解速率在一定程度上能得以促进。对于马尾松叶凋落物，与木荷叶混合分解都能明显提高其分解速率，在5种配比中，木荷叶所占比重越大促进作用越明显。其中以混合比为3∶1时促进作用表现的最明显，能明显促进彼此的分解，以自然比例混合分解时残留率观察值的变动最大。分解时间和混合比例不同，凋落物干重残留率间差异极显著。纯马尾松叶凋落物的分解残留率与其它6种处理之间有极显著的差异，混合比为1∶1、自然比例及纯木荷落叶凋落物残留率与混合比为3∶1的混合物间的差异都达到了极显著水平。对于木荷叶凋落物，当它与马尾松落叶以3∶1的比例混合分解时，能显著提高它们的分解速率，半衰期能缩短0.0687a，当混合比为2∶1及自然比时，对其分解速率影响不大，而当混合比为1∶1或1∶2时，会明显抑制其分解，使半衰期延长。 混合比例不同，对凋落物有机C释放速率的影响较不明显，但能明显提高凋落物的N含量，在实验结束时以混合比为3∶1的N残留量最高，这有益于加速凋落物的分解。当以2∶1、3∶1或自然配比混合分解时，能明显提高木荷与马尾松叶凋落物的P含量。因混合比例不同会对凋落物K残留率造成一定差异，但差异不明显。可能是受木荷叶凋落物中Ca含量较高的影响，在分解过程中，5种混合物Ca的残留量都明显高于纯马尾松落叶的，且以混合比为3∶1及自然比的差异最明显。木荷叶在分解过程中Mg含量会升高，可能是受其影响，以2∶1和3∶1混合分解的凋落物Mg的残留率都明显高于纯马尾松落叶的。随着分解的进行，凋落物中Fe、Mn、Cu、Zn等4种重金属元素都出现了不同程度的富集，以Cu残留率的上升幅度最大，不同的混合比例对凋落物中4种微量元素的影响复杂多变。 将木荷马尾松叶凋落物置于水分、pH及外源N胁迫下进行模拟分解实验，旨在探明森林凋落物在分解过程中对极端的降水和干旱、酸沉降及氮沉降等环境因子的响应。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及论文使用授权的说明

1文献综述

2研究区域概况、研究意义、研究材料与技术路线

3不同恢复类型木荷马尾松林群落动态及生物量

4木荷马尾松林年凋落物及养分回归动态研究

5群落枯枝落叶年分解动态及其养分释放规律的研究

6不同立地条件及不同混合比例对凋落物分解特征的影响

7胁迫条件下木荷马尾松叶凋落物的分解动态

8结论与讨论

参考文献

致谢