浙江不同类型沿海防护林生态系统结构与功能研究

摘要

沿海防护林生态系统在保障沿海地区经济、社会发展，改善人居环境方面起着极其重要的作用，同时还丰富了区域林业资源和生物多样性。中国的沿海防护林工程己实施三十多年，在取得重大建设成就的同时，也面临着经营和管理方面的挑战，例如由纯林连载引起的林分衰退和土壤退化问题日益突出，而混交林的整体比例偏低，树种、林种配置缺乏科学依据等，这些都影响着沿海防护林生态系统功能的发挥，而目前对不同类型沿海防护林生态系统功能的研究还显不足。　　本研究以浙江省4种不同类型的沿海防护林为研究对象，它们均为12年生基干林带，分别以黄山栾树(Koelreuteria bipinnata)、落羽杉(Taxodium districhum)、黑杨(Populus nigra)和大叶女贞(Ligustrum compactum)为主导树种，同时有其它两种树种伴生，同时以林带间同质性无林地为对照，每种林分类型设置6个乔木样方(20m×30m)和30个草本样方(1m×1m)进行林分、植物调查和土壤、植物样品采集，采用野外调查和实验室测定相结合的方法探究不同类型沿海防护林的林分生长特征以及地力提升、自然更新等生态系统功能，并比较它们的生态系统多功能性(Ecosytem multifunctionality)差异。　　结果表明：黑杨混交林生态系统多功能性最高，而黄山栾树混交林最低，这可能与其受到加拿大一枝黄花(Solidago canadensis)入侵有关，因此本研究进一步在不同样点设置了两种尺度的样方来研究加拿大一枝黄花入侵对黄山栾树混交林有关生态系统功能的影响。此外在试验期间，浙江省遭遇的极端低温天气对试验区内的沿海防护林产生了不同程度的破坏，乌桕(Triadica sebifera)作为实验区光合能力最强的防护林树种，其在受极端低温影响后的恢复能力如何，本研究也进行了相应分析。以上研究得出的主要结果如下：　　(1)四种不同类型的沿海防护林在个体生长和林带结构上存在显著性差异，其中黑杨混交林和大叶女贞混交林的林分生长更好，而落羽杉混交林和大叶女贞混交林的林带结构更为紧密。黑杨混交林和大叶女贞混交林的树木存活率、健康率、冠幅、树高、胸径和胸高断面积均显著性高于其它两种林分，而大叶女贞混交林的透风系数和疏透度则显著低于其它林分。　　(2)在地力提升功能方面，混交林明显地改善了土壤的化学性质和水分物理特性，而以落羽杉混交林的地力提升效果最好。黑杨混交林的土壤毛管孔隙度和最大持水量最高，而自然含水量最低，黄山栾树混交林土壤渗透系数(O.29mm.min-1)大幅度的显著高于其它林分类型。落羽杉混交林土壤有机质、全氮、全钾、水解性氮含量和土壤阳离子交换量在O-20cm和20.40cm土层中均为最高，而黄山栾树混交林土壤全磷和有效磷含量最高。　　(3)大叶女贞混交林草本植物多样性更高，而黄山栾树混交林和落羽杉混交林乔木幼苗更新能力更强。大叶女贞混交林草本植物丰富度和生物量最高，而落羽杉混交林的草本植物均匀度指数最高。黄山栾树混交林和落羽杉混交林乔木幼苗丰富度最高，落羽杉混交林和大叶女贞混交林乔木幼苗盖度、高度和生物量均显著高于其它两种混交林分，乔木幼苗密度则显著低于其它两种混交林分。各树种中，香花槐(Robinia pseudoacacia)幼苗的盖度、高度和生物量均显著高于其它树种。土壤有机质、全氮和全钾对于乔木幼苗更新起直接的促进作用，而土壤水解性氮、速效钾和阳离子交换量的作用较弱。林带的郁闭度、疏透度、透风系数和林带高度多对乔木幼苗盖度、高度和生物量起直接的抑制作用，而对密度作用相对较弱。　　(4)在本文研究的6种单项生态系统功能中，除养分循环和转化功能外，不同类型的沿海防护林在其余5种单项生态系统功能上均有显著性差异。其中，黑杨混交林的防风功能和固碳释氧能力最好，落羽杉混交林的土壤保育功能和水源涵养功能最强。对各林分类型生态系统多功能性的量化评估表明，黑杨混交林具有最高的生态系统多功能性，随后依次是大叶女贞混交林、落羽杉混交林和黄山栾树混交林，而无林地的生态系统多功能性最低。沿海防护林生态系统多功能性随着林带疏透度和高度的增加而增加，与物种丰富度也有极其显著的线性正相关关系。　　(5)黄山栾树混交林生态系统多功能性较低与受到加拿大一枝黄花入侵有关，入侵降低了植物多样性和土壤养分转化循环功能。无论是受到中度还是严重入侵，入侵样方的物种丰富度和Margalef指数总是低于未受入侵的样方，但当样方受到中等程度的入侵时，物种多样性降低得最多。土壤碳氮比(C∶N)和通气孔隙度的增加以及土壤全磷的降低都与加拿大一枝黄花入侵程度增加有关。土壤盐分含量和湿度均与入侵程度呈正相关关系，而冠层覆盖度与入侵严重程度呈显著负相关关系。　　(6)乌桕防护林(Triadica sebifera)个体生长和光合能力都显著地受到了极端低温的抑制，而且一年后仍没有恢复。与低温受损区的乌桕相比，对照区的幼林和中龄乌桕有更快的高度和胸径生长，幼苗和幼龄乌桕有更大的叶面积和叶片重量，而对中龄乌桕的叶形特征没有显著性影响。同时，极端低温显著降低了各个林龄乌桕叶片的净光合速率，同时显著降低了幼龄和中龄乌桕叶片的气孔导度。极端低温还显著降低了幼龄乌桕叶片的蒸腾速率以及幼龄和中龄乌桕的水分利用效率。随着林龄增加，乌桕叶片的叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率增加，而叶片胞间CO2浓度和压力降低。受低温影响后，乌桕叶片光合受有效辐射和空气CO2浓度的影响减弱(环境因子解释量由73.4％下降到18.6％)，而主要受到相对空气湿度的影响。　　本研究通过对浙江省不同类型沿海防护林生态系统结构和功能的比较，明确了各混交防护林在结构、单项生态系统功能以及生态系统多功能性的差异，并探究了沿海防护林这一特殊生境中生态系统多功能性与林分结构和植物多样性的关系。此外，本研究还进一步分析了沿海防护林在受到植物入侵和极端低温两种自然干扰下的生态系统功能响应，这些研究结果可以为中国华东地区沿海防护林的林分结构调整以及实现沿海防护林多功能经营和管理提供借鉴。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1．1研究背景

1．1．2研究目的和意义

1．2国内外研究进展

1．2．1沿海防护林建设存在的主要问题

1．2．2沿海防护林的地力提升功能研究

1．2．3沿海防护林结构与生态系统功能研究

1．2．4沿海防护林自然更新研究

1．2．5沿海防护林对干扰的响应研究

1．3研究目标和研究内容

1．3．1研究目标

1．3．2主要研究内容

1．3．3重点解决的问题

1．4研究技术路线

第二章不同类型沿海防护林的林分生长特征

2．1材料与方法

2．1．1研究区域概况

2．1．2实验设计

2．1．3研究方法

2．2结果与分析

2．2．1不同类型沿海防护林的树木生长特征

2．2．2不同类型沿海防护林的林带结构特征

2．3讨论

2．4小结

第三章不同类型沿海防护林的地力提升功能

3．1材料与方法

3．1．1研究区域概况

3．1．2实验设计

3．1．3研究方法

3．2结果与分析

3．2．1不同类型沿海防护林的土壤物理性质

3．2．2不同类型沿海防护林土壤有机质含量

3．2．3不同类型沿海防护林土壤氮、磷、钾含量

3．2．4不同类型沿海防护林土壤pH和阳离子交换量

3．2．5沿海防护林土壤物理性质和化学性质的相关性

3．3讨论

3．4小结

第四章不同类型沿海防护林的自然更新能力

4．1材料与方法

4．1．1研究区域概况

4．1．2实验设计

4．1．3研究方法

4．2结果与分析

4．2．1不同类型沿海防护林的草本植物多样性

4．2．2不同乔木树种的幼苗更新能力

4．2．3不同类型沿海防护林的乔木幼苗更新差异

4．2．4土壤因子对乔木幼苗更新的影响

4．2．5林分结构对乔木幼苗更新的影响

4．3讨论

4．4小结

第五章不同类型沿海防护林的生态系统多功能性

5．1材料与方法

5．1．1研究区域概况

5．1．2实验设计

5．1．3研究方法

5．2结果与分析

5．2．1不同类型沿海防护林的单项生态系统功能

5．2．2不同类型沿海防护林的生态系统多功能性

5．2．3防护林结构和植物多样性对生态系统多功能性的影响

5．3讨论

5．4小结

第六章植物入侵对沿海防护林生态系统功能的影响

6．1材料与方法

6．1．1研究区域概况

6．1．2实验设计

6．1．3研究方法

6．1．4数据处理方法

6．2结果与分析

6．2．1入侵程度与植物多样性的关系

6．2．2入侵程度与土壤养分循环与转化的关系

6．2．3土壤各项指标的相关性

6．2．4入侵严重程度与样点环境因子的关系

6．3讨论

6．4小结

第七章极端低温对沿海防护林生态系统功能的影响

7．1材料与方法

7．1．1研究区域和背景

7．1．2实验设计

7．1．3数据处理方法

7．2结果与分析

7．2．1低温对树木生长和叶片特征的影响

7．2．2低温对叶片光合能力的影响

7．2．3温区和林龄对叶片光合能力的交互作用

7．3．4环境因子对乌桕光合作用的影响

7．3讨论

7．4小结

第八章结论与展望

8．1结论

8．2创新点

8．3研究展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢