网络优先数字出版时间:2014—10-24 网络优先数字出版地址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13656/j.cnki.gxkx.20141024.007.html 广西科学Guangxi Sciences 2014,21(5):447 ̄453 南亚热带山地常绿阔叶林林隙及其自然干扰特征研究 * Gaps and Their natural Disturbance Regimes in the South Subtropical Montane Evergreen Broadleaved For。_ est 温远光一,林建 勇,朱宏光,周晓果,叶 铎,王 磊 WEN Yuan—guang,LIN Jian—yong,ZHU Hong—guang,ZHOU Xiao—guo,YE Duo, WANG Lei (广西大学林学院,亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室,广西南宁 530004) (State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro—bioresources,For estry College,Guangxi University,Nanning,Guangxi,5 30004,China) 摘要:【目的】通过对大明山南亚热带山地常绿阔叶林85个林隙的调查,了解南亚热带山地常绿阔叶林林隙的基 本特征和自然干扰规律。【方法】在大明山3.2hm。永久样地内仔细寻找每一个林隙,记录林隙形成木的种类,测 量其胸径和高度,判断林隙形成木和林隙的年龄,绘制树冠投影图。【结果】扩展林隙(EG)和冠空隙(cG)在南亚 热带山地常绿阔叶林中的面积比例分别为71.7O 和52.90%,干扰频率分别为1.793 ・a-1和1.323 ・a_。, 林隙干扰的返回间隔期约为76a。南亚热带山地常绿阔叶林中,由树木翻蔸形成的林隙最为普遍,占51.88 , 其次是干中折断而形成的,占37.88%。林隙大多由O~1株树木形成,平均每个林隙拥有形成木3.45株。EG 的大小多在200 600m ,其中以200 300m。者所占的面积比例最大(占56.47%);CG的大小多在200m 以下, 以1OO~200mz者所占的面积比例最大(占37.65 )。大部分林隙是在2年前形成的,占68.4O%。林隙形成木 种类超过42种,主要是云贵山茉莉(Huodendron biaristatum)、罗浮槭(Acer bri)、栓皮木姜子(Litsea suberosa)、百色猴欢喜(Sloa71ea chingiana)、刨花润楠(Machilus pauhoi)、天目紫茎(Stewartia gemmata)、 糙皮桦(Betul口“tilis)和罗浮柿(Diospyros morrisiana),占形成木个体数的68.51 。林隙形成木分布最多 的径级在l5~20cm。【结论】南亚热带山地常绿阔叶林林隙特征不同于热带山地雨林,也与南亚热带低地的常 绿阔叶林存在显著区别。2008年特大冰冻干扰是造成大明山山地常绿阔叶林林隙分异的主要因素。 关键词:南亚热带 山地常绿阔叶林林隙 自然干扰 冰冻灾害 大明山 中图分类号:Q145 文献标识码:A 文章编号:1005—9164(2014)05—0447—07 Abstract:[Objective]Through field investigation of 85 gaps in 3.2hm permanent plots of the south subtropica】montane evergreen broadleaved forest in Damingshan Nature Reserve O Guangxi Province。this paper deals with gap characteristics and their natural disturbance re— gimes in south subtropical montane evergreen broadleaved forest of Guangxi Province.[Meth- ods]Every gap in 3.2hm permanent plots of the south subtropical montane evergreen broad- leaved forest was carefully investigated.Tree species,DBH(diameter at breast height)and height were recorded in the gaps,and then the age was determined for both the trees growing in gaps and the gap—formation.Finally,the canopy coverage picture was drawn.[Results]The area percentage of expanded gap(EG)and canopy gap(CG)in the forest landscape is 71.70 .04 and 52.9O ,respectively.The natural disturbance frequency for EG and CG is 1.793 收稿日期:2014—07—20 ・a_。and 1. 作者简介:温远光(1957一),男,博士,教授,主要从事生态和森林 323%・a_。,respectively,and the return interval of canopy gaps is about 76a.The most popular manner of gap formation in the forest was up— 培育研究。 *国家自然科学基金项目(39460022,3086005,9),国家科技支撑 计划项目(2011BAC09B02)和广西重大专项计划项目(1222005) 资助。 **通讯作者。 roots(51.88%of the tota1),and the second one was breakage on trunk(37.88 ).Most gaps were formed by zero and one tree,averaging 3. 45 trees per gap.The size of most EG was in the 447 广西科学 2014年10月 第21卷第5期 range of 200 ̄600m。,and the gaps of 200 ̄300m occupied the biggest percentage in area(56. 47 9/6 of the tota1).The size of most CG was under 200m ,and the gaps of 100~200m。had the biggest percentage in area(37.65 of the tota1).Most of the gaps were formed 2 years ago bri,Litsea suberosa,Sloanea chingiana,Machilus (68.40 of the tota1).Over 42 wood species were found in gaps,of which dominant species were Huodendron biaristaturn,Acer pauhoi,Stewartia gemmata,Betula utilis and Diospyros morrisiana,and their individuals OC— cupied 68.51 of the total ones.The DBH of most trees growing in gaps was 15~20cm.[Con- clusion]The gap characteristics and their natural disturbance regimes in south subtropical mon— tane evergreen broadleaved forest in Damingshan Nature Reserve revealed significant difference with those in tropical montane rain forest of Hainan Island and the south subtropical evergreen broadleaved forest in Heishiding Reserve of Guangdong Province。and a severe ice storm dam— age in 2008 was a main cause. Key, ̄ords:south subtropical,montane evergreen broadleaved forest,gaps,natural disturbance, ice storm damage,Darning Mountain 【研究意义】林隙是森林中由于林冠层树木的死 亡导致森林中出现的森林空隙_1]。林隙包括冠空隙 (指直接处于林冠层空隙下的森林空间,canopy gap, CG)和扩展林隙(指由冠空隙边缘树木的树干所围成 的林地空间,expanded gap,EG)r2]。虽然林隙干扰 属于小尺度干扰,但在森林群落更新、演替和物种多 样性维持中具有重要的作用[3 ]。林隙及其干扰特 征是了解森林群落动态变化规律的第一步,也是合理 经营森林的重要理论基础_3]。【前人研究进展】自 1947年英国生态学家A.S.wATT提出“林隙”概念 以来,国外学者对不同类型森林生态系统的林隙特 征、动态和干扰体系开展了大量的研究_4川],逐步清 楚地认识到森林是一个动态的平衡系统,全球气候变 化正在加剧森林林隙的动态变化_8]。我国的林隙研 究工作起步较晚,但已经引起众多学者的广泛关注, 特别是近20a来,林隙研究已成为森林生态系统研究 与管理的热点。目前,在温带红松阔叶林和针阔混交 林 、亚高山暗针叶林L1 、南亚热带季风常绿阔叶 林l_1 、中亚热带常绿阔叶林[1a3、亚热带喀斯特森 林l1 、亚热带常绿落叶阔叶混交林口阳和热带山地雨 林l_1 等类型都有一些研究,但有关南亚热带山地常 绿阔叶林林隙干扰特征的研究尚未见报道。【本研究 切入点】在全球气候变化的背景下,林隙干扰的频率 和间隔期都将发生改变[1 。本文通过对大明山山 地常绿阔叶林3.2hm。永久样地的调查,了解此类森 林的自然变化规律,阐明百年不遇的特大冰冻干扰对 其林隙特征及自然干扰体系的影响。【拟解决的关键 问题】探讨南亚热带山地常绿阔叶林林隙特征和动态 变化规律及其对全球气候变化的响应。 1 研究地点概况及研究方法 1.1概况 调查地点设在大明山国家级自然保护区天坪站, 448 橄榄峡谷北坡的原生性常绿阔叶林内,样地位于23。 30 06”N,108。25 44”E,属南亚热带季风气候区。根 据大明山天坪气象观测站观测记录,其年均温度为 15.1℃,8月份平均气温最高,为21.9℃,1月份平均 气温最低,为5.8℃,极端高温为28.6℃,极端低温一 6.0 C;日均温大于等于10℃的积温为5047.7℃;年 均降水量为2630.3mm[1 。土壤为山地黄壤,坡度 在20 ̄45。,土层薄,地面覆盖大量的巨石和石块,估 计是1O0~200年前山体崩塌所致 。。。调查地点主 要以云贵山茉莉(Huodendron biaristatum)、罗浮 槭(Acer fabri)、栓皮木姜子(Litsea suberosa)、刨 花润楠(Machilus pauhoi)、天目紫茎(Stewartia gemrnata)、糙皮桦(Betula utilis)和罗浮柿 (Diospyros morrisiana)等为优势的南亚热带山地 常绿阔叶林群落。 1.2研究方法 1.2.1样地构建 2009年,按照大样地构建技术和中国生物多样 性监测网络统一的调查方法,在大明山国家级自然保 护区橄榄峡谷北坡采用全站仪将3.2hm 样地划分出 80个20m×20m的样方,再把每个20m×20m的样 方划分成4个10m×10m和16个5m×5m的小样 方,每个20m×20m或10m×10m的样方的4个角 用PVC管作永久标记。以5m×5m小样方为基本 测树单元,挂铝牌标记每个DBH≥1.0cm的木本 植物。 1.2.2林隙计算方法 2010年,在3.2hm 永久样地内仔细寻找每一个 林隙,记录林隙边界木的牌号,根据树木坐标在坐标 纸上作图,并对每棵树木做树冠投影图。辨认林隙形 成木的种类,测量其胸径和高度,估计林隙的年龄。 林隙年龄估计的依据是:20a来多次的样地调查资 Guangxi Sciences,Vo1.21 No.5,October 2014 料、林木采伐后树干的腐烂分解情况(一般40a能全 部分解)以及询问林区有经验的技术人员。林隙形成 的原因取决于林隙形成木发生的干扰类型,如冰冻灾 害、风灾、病虫害等,将林隙形成木死亡方式及划分标 准定义为:枯立(高度H ≥10m)、干基折断(H < 2m)、干中折断(2≤H <10m)和翻蔸(树木在倒下 后连根拔起)。根据样地内每棵树木的坐标和树冠投 影图,采用坐标方格纸绘制出扩展林隙的多边形平面 图,依据多边平面图和树冠投影图精确计算CG和 EG的面积,EG大小根据边界木基部围成的多边形 平面图计算,CG大小根据林隙边界木树冠投影图的 空隙计算。这样,在永久样地共调查到林隙85个。 根据这些数据就可以对山地常绿阔叶林的林隙干扰 规律进行分析。 2结果与分析 2.1 林隙在森林景观中所占比例及干扰频率 在大明山常绿阔叶林3.2hm 永久样地中,共出 现了85个林隙,由此可推算出山地常绿阔叶林中林 隙出现的密度为85/3.2—26.56个/hm。。样地内85 个林隙按EG计算的总面积为A 。一22947.5m。,按 CG计算的总面积为A 。一16940m ,由此推算出EG 和CG在山地常绿阔叶林景观中所占的面积比例分 别为71.7O 和52.9O 。无论是按扩展林隙还是冠 空隙的概念,林隙在大明山山地常绿阔叶林景观中均 占有半数以上的面积,表明林隙是山地常绿阔叶林重 要的组成部分。 在调查的85个林隙中,有79个林隙可以判断年 龄,另外6个林隙由于形成于岩石沟谷或裸露的巨石 上,难以确定林隙年龄。我们估计大明山山地常绿阔 叶林林隙最大的形成年龄在40a左右,如果以40a为 基准计算林隙的形成速率,则为85/3.2/40—0.66 个/hm ・a。从面积来看,EG的形成速率为 22947.5/(40×3.2)一179.28m。/hm ・a,CG的形 成速率为16940/(4O×3.2)一132.34m /hm ・a,即 在大明山山地常绿阔叶林中,每年每公顷森林中约有 179.28m。的土地面积变为EG,有132.34m。的林冠 变为CG。从面积的百分比来看,EG的形成速率为 R G一71.70 /4o一1.793 ・a,CG的形成速率 为R cG一52.90 /40—1.323 ・a_。。根据CG的 干扰频率,则可计算出大明山山地常绿阔叶林林隙的 周转率或返回间隔期为RI一1/R 。一1/1.323 ≈ 76a。也就是说大明山山地常绿阔叶林中的任何一点 大约76a经历一个次干扰。 广西科学 2014年10月 第21卷第5期 2.2林隙的大小结构 以所调查到的85个林隙为基础,统计出EG和 CG的大小结构如图1。从图1可以看出,在大明山 山地常绿阔叶林中,EG的变化范围在67~1149m。, 平均值为269.97m ,大多数EG的面积在200~ 300m2,占56.47 ,400~600m。的占22.35 ,< 100m 的EG占14.12 , ̄800m 的EG很少。调查 中我们发现一个特大型林隙,面积达1149m ,属于大 型干扰的范围I_2 。从CG来看,大明山山地常绿阔 叶林中有个别小于30m 的CG,缺乏1000m。以上的 CG,平均值为199.30m ,大多数的CG面积为 200m 以下,占68.24 。 35 导3O 25 6 20 蠡15 1o 葚5 0 : \ 霾 。y=O 2O56xL4.6563~ x+26.2 14 扩展林隙EG(m ) 蠡 \ \. 0 螽 . <100 200 300 400 500 600 >O00 冠空隙CG(m ) 图1 扩展林隙(EG)和冠空隙(cG)的大小结构 Fig.1 Size structure of expanded gap(EG)and canopy gap(CG) 2.3林隙的年龄结构 林隙的年龄是反映林隙动态和林隙更新的重要 参数 。在大明山3.2hm 样地内的85个林隙中, 有79个林隙可以判断年龄,其余6个林隙难以确定 林隙年龄。故按79个林隙分析林隙的年龄结构,结 果显示出,大明山山地常绿阔叶林林隙的年龄为1~ 40a,其中年龄小于2a的有54个林隙,占68.4 A;林 0隙年龄为2~10a的有11个,占13.92 ,林隙年龄 为10 ̄20a和20 ̄40a的均为7个,各占8.86 。由 此可见,2008年发生的特大冰冻灾害对大明山山地 常绿阔叶林林隙产生了极其严重的影响。 2.4林隙形成木的种类组成和数量 大明山3.2hm 样地林隙形成木的种类组成见表 1。由表1可知,在293个林隙形成木个体中,尚有 112个个体无法鉴定到种。在已鉴定的181个个体 中,形成木种类为42种,其中数量最多的是云贵山茉 莉,占已鉴定个体的24.86 ,其次为罗浮槭、栓皮木 449 姜子和百色猴欢喜,其比例分别为12.71%,7.71% 和6.08 ,这些物种都是群落中的优势种。林隙中 大多数种类仅有1~2株个体,这些种类共有26种, 占已鉴定种类数的61.9O%。 表1林隙形成木的种类组成和比例 Table 1 Number and percentage of wood species in gaps ∞ ∞J0.。z籁链纂 加 ∞5 O l,= l450 由图2可知,在大明山山地常绿阔叶林中,形成 或创造一个林隙的形成木数量变化在0~22株,以1 株形成木林隙最多,达21个,占调查林隙总数的 24.71 ;其次是由0个形成木创造的林隙(有16 个),占调查林隙总数的18.82 ;由2个和3个形成 木形成的林隙分别有9个和1O个,各占10.59 和 l1.76 ;由4个和5个形成木形成的林隙各有6个, 分别占7.O6 ;由6~9个形成木形成的林隙有12 个,占调查林隙总数的14.14 ;由1O个以上形成木 形成的林隙有5个,占5.88 。 - 0 2 4 6 8 l0 l2 14 16 l8 2O 2: 形成木数No ofgap makers 图2形成一个林隙的形成木数量分布 Fig.2 Distribution of gap makers forming a gap 2.5林隙形成木的径级结构 以5cm为一个径级分析林隙形成木的径级结构 (图3),结果表明,在293株林隙形成木中,胸径范围 为6.9~75.Ocm,以15~20cm径级的个体最多,占 总形成木数量的24.5 ,其次为10~15cm和2O~ 25cm,分别为18.5 和12.9 ,胸径大于40cm的大 径级形成木只占13.6 。 暑8o 藿60 拿 营 。 0 螽。。 。 .~. 5 1 5 25 35 45 5 — r 75 .2O 形成木径级DBH class ofgap makers 图3林隙形成木的径级分布 Fig.3 Distribution of DBH class of gap makers 2.6林隙形成木的死亡形式与林隙的形成方式 对调查到的293株林隙形成木的死亡形式进行 统计,结果如图4和图5。从图4和图5可以看出, 大明山山地常绿阔叶林林隙形成木以翻蔸最多,占形 成木总数的51.88%,其次为干中折断,占37.88%, 而干基折断和枯立很少,分别占3.75 和6.48 。 不同径级林隙形成木的死亡形式有所不同,DBH< 15cm的形成木为翻蔸(74.55 )>干中折断 (16.36%)>干基折断(7.27 )>枯立(1.82 ), DBH为15~30cm的中径木表现为干基折断 (50.00 )>翻蔸(44.44 )>枯立(4.17 )>干中 Guangxi Sciences,Vo1.21 No.5,October 2014 折断(1.39 ),而DBH>30cm的大径木则为翻蔸 (50.O0 )>干基折断(31.91一 一。 8 籁 皿 ∞ 如 如 加 m O )>枯立(12.77 )> 干中折断(5.32 )(图5)。 翻蔸UR 干中折断BB干基折断BT枯立SD 图4林隙形成木的死亡形式比较 、 .岂 8 裁 1皿 翻蔸UR 干中折断BB干基折断BT 枯立SD 图5不同径级林隙形成木的死亡形式比较 Fig.5 Comparison of death forms of gap makers in dif— ferent DBH class 调查表明,大明山山地常绿阔叶林林隙多由不同 形式死亡的混合形式形成。对所调查的85个林隙的 形成方式统计的结果表明,大明山山地常绿阔叶林的 林隙可由翻蔸、干中折断、干基折断和枯立4种形式 形成,也可由它们的不同组合而形成(表2),就其原 表2大明山森林林隙形成原因 Table 2 Formation reasons of gaps in Damingshan forest 注:I~Ⅳ表示林隙的形成原因:I.冰冻灾害导致的形成木,Ⅱ.冰冻 灾害边界木冠幅受损,Ⅲ.病虫害导致的形成木,Ⅳ.其它原因。 Notes:I~IV indicate the reasons for gap—formation.I,Ice storm damage;Ⅱ,Canopy damage at the edge of damage induced by the ice storm;llI,Damages induced by diseases and pests;Ⅳ,Other reasons. 广西科学 2014年1O月 第21卷第5期 因,冰冻灾害引起的翻蔸在林隙的形成中所占的比例 最大,占调查林隙数的56.47 ,其次是冰冻灾害中 边界木树冠受损,占14.12 ,病虫害引起的林隙比 例最小,只占5.88 ,其它原因(如林地上有巨石), 引起的林隙比例占23.53%。 3讨论 3.1 EG和CG的大小与比例 研究表明,广东黑石顶自然保护区南亚热带常绿 阔叶林中EG的平均值为192.13m ,而CG的平均 值为66.00m 口。 ;在海南岛热带山地雨林中,EG和 CG的平均值分别为160m。和80m。_1 。而本研究表 明,广西大明山南亚热带山地常绿阔叶林中EG的平 均值为269.97m ,CG的平均值为199.30m ,远大于 黑石顶常绿阔叶林和海南岛热带山地雨林,但居大多 数热带森林的CG平均范围(80~600m )内_2 。林 隙面积在大明山山地常绿阔叶林中占有很大的比例, 其EG和CG在山地常绿阔叶林景观中所占的面积 比例分别为71.7O 和52.9O ,CG和EG的面积比 例为73.82 ,也远高于海南岛热带山地雨林 (47.12 )的水平E¨]。大明山山地常绿阔叶林如此 高的CG与EG比例,其主要原因是2008年的特大 冰冻灾害使林隙边界木冠幅严重受损,导致冠空隙面 积增大。 3.2 EG和CG的形成速率与林隙的返回间隔期 国外学者对世界不同地区森林计算出林隙的干 扰频率大约是在0.5~2.0 ・a~,自然干扰的返回 间隔期为5O~300a,热带林中林隙干扰的返回间隔 期是60~416a_2 。本研究表明,大明山南亚热带山 地常绿阔叶林的EG的形成速率为1.793 ・a_。, CG的形成速率为1.323 ・a一,林隙的返回间隔期 约76a,这个干扰频率是长白山红松林区林隙干扰频 率的8.82倍[ 、热带山地雨林的2.1O倍[¨]。大明 山山地常绿阔叶林中较短的返回间隔期和较快的干 扰频率,说明山地常绿阔叶林中存在着快速的森林循 环过程,这可能与全球气候变化加剧,导致极端气候 事件频发多变影响有关。 3.3林隙的年龄结构与大小结构 大明山南亚热带山地常绿阔叶林林隙的年龄结 构呈现明显的年轻化,有68.4 的林隙年龄小于2a, 86.3 的林隙形成木产生于前两年(2008年)的特大 冰冻灾害。这比海南岛热带山地雨林的林隙年龄结 构偏小10~15倍E¨]。在大明山山地常绿阔叶林293 株林隙形成木中,以15~20cm径级的个体最多,比 南亚热带常绿阔叶林的偏小口 。大明山南亚热带山 451 地常绿阔叶林林隙的年龄结构和大小结构较小与 2OO8年特大冰冻灾害造成的大量中、小径级林木死 亡有关。 3.4林隙形成木的种类和数量 大明山山地常绿阔叶林中林隙形成木种类在42 种以上,其中数量较多的是云贵山茉莉、罗浮槭、栓皮 木姜子、百色猴欢喜、刨花润楠、天目紫茎、糙皮桦和 罗浮柿,这8个树种只占形成木种类数的19.05 , 但已占形成木个体数的68.51 。这些林隙形成木 种类都是当地森林的优势种,主要分布在森林的中上 层,受冰冻灾害影响最严重,更易成为林隙的形成木。 其它34个树种只是零星出现,其中22个树种只有1 个个体。这类形成木种类多属森林中、下层的树种, 这些树种的死亡原因可能是上层形成木倒伏或折干 的打压所致。大明山山地常绿阔叶林中,大多数的林 隙是由O~3株形成木所创造的。这与海南岛热带山 地雨林、南亚热带常绿阔叶林和东北阔叶红松林中都 是以2株形成木形成的林隙最多_g 。]的情况有所不 同。大明山山地常绿阔叶林中则以O~1株形成木形 成的林隙最多。这是由于大明山山地坡陡,以及 2008年特大冰冻干扰使许多林木的树冠损失严重, 从而形成了没有林隙形成木的林隙。 3.5林隙形成木的死亡形式与林隙成因 林隙形成木的死亡形式和致隙原因多种多样。 刘静艳等口。]的综合分析发现,从林隙的形成方式的 比例来看,热带和亚热带森林中以折干方式形成的林 隙最多,而在温带森林中则是以掘根方式形成的林隙 最多;而且从温带、亚热带到热带,干中折断的比例呈 增加的趋势,即由温带的1.6 9/6,亚热带的24.41 , 到热带的32.47 。他们认为,这种林隙形成方式的 地带性差异,可能主要与各森林所处的自然气候条件 有很大的关系,热带和亚热带大风,特别是台风出现 的频率和强度都远大于温带,所以树木被折断的比例 就增大,而其中热带大风的频率和强度又大于亚热 带,所以热带森林中折干的比例就更大_1 。这可能 是以风灾为主的地区表现出的规律。而在本研究中, 情况显有不同。大明山山地森林的林隙以翻蔸为主, 占形成木总数的51.88 ,其次为干中折断,占 37.88 ,而干基折断和枯立很少,分别占3.75 和 6.48 。大明山虽处南亚热带,但由于海拔较高,雾 淞形成的冰冻(结冰)干扰是促使树木死亡形成林隙 的重要自然因素。当冻雨和雾淞形成时,在树枝、树 干上结冰,并不断积累加厚、加重,最后导致树冠过 重,引起树枝、树干断裂或翻蔸等_2 。加之研究样地 位于橄榄河峡谷,坡度陡峭(20~45。),土层浅薄,植 452 物根系难以承受冰凌的重压,因此树木更容易发生翻 蔸。大明山森林木中折断的比例很高,也是树冠被冰 凌重压折断所致。因此,2008年的特大冰冻灾害是 导致林隙大量形成的最主要原因。随着全球气候变 化的加剧,极端气候事件的频发多变,南亚热带山地 常绿阔叶林林隙的动态变化将更加明显。 参考文献: [1]Watt A S.Pattern and process in the plant community [J].Journal of Ecology,1947,35:1-22. 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