珠江三角洲主要森林林下植被和区域森林生物量的研究

摘要

生物量作为生态系统中积累的植物有机物总量，是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源。研究森林生物量是研究森林生态系统物质循环、能量流动和生态系统健康、平衡的重要基础。通常对森林生物量的研究大多数较为重视乔木层，对不同发育阶段森林林下植被的研究较少。森林林下植被是森林生态系统的一个组成部分，其在森林生态系统营养元素的积累和循环、维持森林的生物多样性以及森林的演替、发展等方面具有十分重要的生理生态作用。特别是在热带和亚热带，林下植被较为发达，其作用不可忽视。而对不同发育阶段林下植被生物量的研究是进一步深入研究林下植被在森林生态系统中的作用和功能的基础。区域森林生物量是森林固碳能力的重要指标，是评估区域森林碳平衡的重要参数，其变化能反映区域人类活动的强度。林下植被对不同发育阶段森林总生物量的贡献会在一定程度上影响区域森林生物量的估算。而选择不同龄级的森林组拟合的生物量与蓄积量的回归方程能提高区域森林生物量的估算精度。准确地估算区域森林的生物量对研究区域陆地生态系统的生产力、碳循环、营养元素格局和区域人类活动的强度有十分重要的意义。本文以珠江三角洲地区不同龄级的主要森林类型——马尾松林和常绿阔叶林为研究对象，探讨了森林林下植被生物量估算的样方收获技术，研究了不同龄级森林林下植被的生物量和碳、氮、磷的分布特征，分析了林下植被在森林不同发育阶段对森林总生物量的影响程度。然后，改进了区域森林生物量估算模型，提高了估算精度，并利用珠江三角洲3个时段的森林资源清查资料，估算了区域的森林生物量和碳储量及其动态变化。主要结论如下： (1)利用Wiegert的方法测定研究区林下植被生物量取样方案，得出0.25m2的小样方为最佳取样面积。但小样方受边界效应的影响很大，会产生过高的生物量估计。通过分析了边界效应的影响和生物量相对平均值的变化，得出2m×1m是本研究的最佳样方面积，而10个2m×1m的样方能把标准误差控制在生物量平均值的10％以内。灌木生物量回归方程所选取的3个自变量D2H、CH和PH中，CH与灌木生物量的相关性和以CH为自变量的线性回归方程的拟合度较其他2个变量好。而以PH为自变量的灌木生物量预测方程在实际操作中能提高研究的简便性和效率。以PH为自变量的林下草本层单位面积生物量的预测方程分别为Wu=11.65+4.25(PH)和WD=24.23+6.85(PH)。 (2)马尾松林和常绿阔叶林林下植被物种多样性和生物量的变化趋势均为中龄林＞成熟林＞幼龄林，中龄的马尾松林和常绿阔叶林的灌木层和草本层的物种多样性Gleason指数和Shannon-Wiener指数都最高。中龄林其林下植被生物量达到最大值，分别为24 t·hm-2和25 t·hm-2。森林林下植被生物量主要储存在灌木层中。而整个林下植被地上部生物量约占各类森林整个林下生物量的60％。处于中幼林阶段的马尾松林和常绿阔叶林其林下植被生物量占森林总生物量的比重较大，达13.5％～33.3％之间。森林枯枝落叶层的生物量随着森林龄级的增加呈现成熟林>中龄林>幼龄林的趋势。 (3)主要森林类型植被层碳、氮、磷的分布特征：①马尾松林和常绿阔叶林各器官的C含量一般为树干最高，树叶最低。各龄级常绿阔叶林各器官的平均C含量略高于马尾松林。而马尾松林和常绿阔叶林各器官的N、P含量一般为树叶最高，树干最低。②马尾松林和常绿阔叶林灌木层植物的枝茎、叶和根的平均含碳量相差不大。灌木层植物叶的平均含氮量(0.978％)是枝茎平均含氮量的2.41倍，是根平均含氮量的2.79倍。灌木层叶的平均含磷量远远大于枝茎和根，分别为它们的1.68倍和1.73倍。草本层地上部分的平均含碳量和平均含氮量略大于地下部分。地上部分平均含磷量却小于地下部分。③马尾松林和常绿阔叶林的植被碳、氮主要储存在乔木层中。林下灌木和草本层的碳、氮贮量在森林的不同发育阶段所占的比例差异很大。而在幼龄的马尾松林和常绿阔叶林中，林下灌木、草本层的碳、氮贮量占整个森林植被碳、氮贮量的比例，分别为26.95％、31.43％和16.39％、17.78％。但灌木、草本层的磷贮量占整个森林植被磷贮量的23.71％～71.88％之间，变化趋势与氮贮量相似。从森林不同发育阶段来看，成熟的马尾松林和常绿阔叶林其碳、氮、磷的贮量大于其中幼林的贮量。④马尾松林的枯枝落叶层的碳、氮、磷的贮量都随龄级的增加而增加。常绿阔叶林的枯枝落叶层的碳、磷贮量也随着逐渐增加的趋势。而氮含量呈现中龄林＞成熟林的趋势。马尾松林对N的养分利用率(106.7)远远大于常绿阔叶林(58.56)。常绿阔叶林枯枝落叶层的平均C／N比(27.81)小于马尾松林(49.01)，有利于分解。⑤不同龄级的马尾松林和常绿阔叶林其土壤的碳、氮的含量都随着土层的增加而减少。常绿阔叶林表层土壤的C／N比明显低于马尾松林，表明其土壤富含有机质且分解较好。土壤的C／N比随着龄级的增加降低的趋势。 (4)珠江三角洲中幼林面积占森林总面积的80％以上，其林下植被生物量约占森林总生物量的33％左右，充分考虑林下植被生物量能提高区域森林生物量估算的精度。在1989-1993年、1994-1998年、1999-2003年3个研究时段间。珠江三角洲森林生物量共增加了14.67×106t。其中，马尾松林、常绿阔叶林和针阔混交林的生物量约占区域总生物量的80％，是区域森林生物量的主体;而中、幼林的生物量所占比例最大，达90％，但呈逐年下降趋势。珠江三角洲快速城市化和经济发展对区域森林生物量的积累并没有产生影响，区域森林面积基本保持不变，而区域森林生物量呈逐年增长趋势，年增长率为1.2％。随着珠江三角洲区域中、幼林不断发育成熟，区域森林的生物量将不断增加，其环境效应也将不断增强。 (5)在1989-2003年期间，珠江三角洲森林植被的碳储量共增加了16.14％。各个时间段中，马尾松林和常绿阔叶林对森林碳储量的贡献最大，分别占各个时间段森林总碳储量的60％左右。除疏林、灌木林的碳储量出现负增长外，其他类型的森林碳储量都呈现增长趋势。幼龄林的碳储量共下降了32.17N，而中龄林和成熟林的碳储量都呈现增加趋势，分别增加了21.16％和1.71倍。珠江三角洲森林碳储量主要储存在肇庆、惠州、江门和广州，其森林碳储量占整个地区森林林分碳储量的91.42％～91.83％。从各市区森林碳储量的总体变化趋势来看，3个时段期间都有不同程度的增加趋势。区域生态公益林的碳储量占森林总碳储量的33％左右，几乎未占到用材林碳储量的一半。但2类森林的碳储量都呈增加趋势。珠江三角洲地区在保持快速经济发展的同时，对现有森林植被进行了合理的保护，区域森林生物量和植被碳储量正在逐年增加，森林所提供的生态环境效益也在提高。应继续加强现有森林的抚育和管理，做到经济、环境和人口相互协调的可持续发展。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2森林群落生物量的研究动态

1.2.1森林生物产量形成的生理生态学基础

1.2.2森林生物量的研究历史

1.2.3群落生物量的测定方法

1.3森林林下植被生物量的研究进展

1.4区域森林生物量的研究进展

1.4.1区域森林生物量的研究意义和动态

1.4.2区域森林生物量的估算方法

1.4.3区域森林生物量研究存在的问题

1.5植物群落的取样方法研究和生物量模型研究进展

1.5.1植物群落生物量估算的最佳取样研究

1.5.2植物生物量建模的研究

1.6立题依据

第二章研究区域和研究方法

2.1研究地区自然概况

2.1.1研究区地理环境基本特征

2.1.2研究区植被概况

2.2标准样地设置与调查

2.3群落生物量的研究方法

2.3.1林分乔木层生物量的测定

2.3.2林下灌木草本层生物量的测定

2.3.3枯枝落叶层生物量的测定

2.4林下植被物种多样性的研究

2.5植物和土壤样品的采集

2.5.1植物样品的采集

2.5.2土壤样品的采集

2.6实验室方法

2.6.1植物干重的测定和样品的预处理

2.6.2碳含量的测定

2.6.3氮含量的测定

2.6.4磷含量的测定

2.7区域森林生物量估算的研究资料

2.8区域森林生物量的估算方法

2.9研究内容和技术路线

2.9.1研究内容

2.9.2技术路线

第三章森林林下植被生物量收获的样方选择和模型

3.1样地概况

3.2林下灌木、草本层收获样方的选择

3.2.1样方大小的选择

3.2.2样方数目的选择

3.2.3林下灌木生物量回归模型自变量的选择

3.2.4林下灌木层生物量的建模

3.2.5林下草本层生物量的建模

3.3讨论

3.3.1最佳取样方法的选择

3.3.2林下植被生物量的建模

3.4 小结

第四章珠江三角洲不同龄级的森林林下植被生物量研究

4.1林下植被物种多样性与林分龄级的关系

4.2不同龄级森林林下植被生物量分布特征

4.2.1林下植被生物量在不同层次中的分布特征

4.2.2林下灌木生物量的分布特征

4.2.3林下植被地上部分与地下部分生物量的分布

4.2.4不同龄级森林林下植被生物量与森林总生物量的关系

4.2.5不同龄级森林枯枝落叶层的生物量

4.3讨论

4.3.1林下植被生物量与林分特征的关系

4.3.2林下植被物种多样性与林分特征的关系

4.3.3枯枝落叶层生物量与林分特征的关系

4.4 小结

第五章珠江三角洲主要森林类型植被层碳、氮、磷的分布特征

5.1碳、氮、磷在林分中的分布特征

5.2碳、氮、磷在乔木层不同植物中的分布特征

5.3灌木层、草本层主要植物器官碳、氮、磷含量

5.4植物叶片碳、氮、磷含量的层间比较

5.5森林不同层次植被碳、氮、磷的平均含量比较

5.6不同龄级森林林分和灌木、草本层碳、氮、磷的贮量

5.7不同龄级森林枯枝落叶层碳、氮、磷的含量和贮量特征

5.8群落的养分利用效率

5.9不同龄级森林土壤碳、氮、磷的含量

5.10讨论

5.10.1马尾松林和常绿阔叶林植被的碳含量与碳贮量

5.10.2马尾松林和常绿阔叶林的氮、磷含量和贮量

5.10.3枯枝落叶层的碳氮比和养分利用效率

5.10.4森林土壤性质的差异

5.11小结

第六章基于森林资源清查资料估算珠江三角洲主要森林生物量及其动态

6.1珠江三角洲主要森林的生物量分布特征

6.2珠江三角洲主要森林类型生物量与蓄积量的关系

6.3不同森林类型的生物量及其动态变化

6.4不同龄级森林的生物量及其动态变化

6.5区域平均生物量的分布

6.6区域森林生物量估算与建模的分析

6.7快速城市化区域森林生物量的影响因素

6.8 小结

第七章珠江三角洲森林植被碳储量和碳动态

7.1植被碳储量的估算

7.1.1主要森林的生物量和碳储量估算

7.1.2其它森林类型的生物量和碳储量的估算

7.2各类森林类型的总碳储量、碳密度及其动态变化

7.3不同龄级林分的碳储量、碳密度及其变化

7.4森林林分碳储量的空间分布格局

7.5不同功能森林林分的碳储量分布规律

7.6碳储量、碳密度与人口密度、经济增长(GDP)的关系

7.7 小结

第八章研究结论、创新点及展望

8.1研究结论

8.1.1森林林下植被生物量收获的最佳样方和模型研究

8.1.2不同龄级森林林下植被生物量的特征

8.1.3主要森林类型的碳、氮、磷分布特征

8.1.4珠江三角洲主要森林生物量及其动态

8.1.5珠江三角洲森林植被碳储量和碳动态

8.2特色与创新点

8.3展望

参考文献

附录攻读博士学位期间发表的论文

致谢