鄭素珊，張育松，高 琛，劉甲午，黃龍生

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000；2河北大學(xué)，河北 保定 071000）

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在大氣水分循環(huán)等過(guò)程中具有巨大的調(diào)節(jié)作用[1]。而林下枯落物及土壤理化性質(zhì)是森林生態(tài)系統(tǒng)固有的組成結(jié)構(gòu)，對(duì)森林水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)氣候、減洪滯洪、保持水土等有巨大的社會(huì)效能和獨(dú)特的生態(tài)作用。不同林地生境邊緣的形成可導(dǎo)致森林邊緣的群落特征發(fā)生巨大的變化，森林邊緣附近的這種效應(yīng)甚至可能造成森林景觀上的改變[2]。因此，邊緣效應(yīng)對(duì)森林枯落物層、森林土壤層物理和化學(xué)性質(zhì)及土壤微生物效應(yīng)等森林生態(tài)系統(tǒng)方面具有重要影響。

1 邊緣效應(yīng)的概念

邊緣效應(yīng)本質(zhì)是一種普遍的自然現(xiàn)象，許多學(xué)者并未重視這一普遍存在的現(xiàn)象，直到上世紀(jì)30年代，美國(guó)著名學(xué)者Leopold[3]根據(jù)生態(tài)交錯(cuò)地帶內(nèi)野生動(dòng)植物的種群特征與鄰近生態(tài)系統(tǒng)存在明顯差異的這一現(xiàn)象稱(chēng)之為邊緣效應(yīng)。這一初步概念的提出引起了當(dāng)時(shí)不少學(xué)者對(duì)邊緣效應(yīng)的關(guān)注。之后的數(shù)十年內(nèi)，邊緣效應(yīng)逐步被人們所重視，上世界40年代初，Beecher[4]發(fā)現(xiàn)種群的邊緣效應(yīng)與鳥(niǎo)類(lèi)種群密度存在一定的聯(lián)系，他從邊緣效應(yīng)的現(xiàn)象及產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，并由此將不同地貌邊緣交界處種群變化較大，物種生產(chǎn)力水平較其他地帶較高的現(xiàn)象稱(chēng)為邊緣效應(yīng)。此后，邊緣效應(yīng)的研究迅速發(fā)展起來(lái)，許多生態(tài)學(xué)家根據(jù)自己所研究的對(duì)象，從不同角度、不同研究目的出發(fā)，分別對(duì)邊緣效應(yīng)這一概念進(jìn)行歸納總結(jié)。

我國(guó)學(xué)者對(duì)邊緣效應(yīng)的研究起步較晚，但發(fā)展快。上世紀(jì)80年代，著名學(xué)者王如松[5]等從單純地域考慮，將在兩個(gè)或多個(gè)不同性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)（或其他系統(tǒng)）交互作用處，由于某些生態(tài)因子（可能是物種、能量、信息、時(shí)機(jī)或地域）或系統(tǒng)屬性的差異和協(xié)同作用而引起系統(tǒng)某些組分及行為（如種群密度、生產(chǎn)力、多樣性等）不同于系統(tǒng)內(nèi)部的較大變化稱(chēng)為邊緣效應(yīng)。這一概念即包含邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因，又闡述了邊緣效應(yīng)的出現(xiàn)可能產(chǎn)生的后果，由于其概念的全面性，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被國(guó)內(nèi)學(xué)者所認(rèn)可。而本世紀(jì)初，肖篤寧等[6]在研究景觀斑塊時(shí)，從斑塊角度提出了由于遭受外界環(huán)境、氣象等的影響使得斑塊邊緣與內(nèi)部存在明顯不同生態(tài)特征的這一現(xiàn)象稱(chēng)之為邊緣效應(yīng)。

2 邊緣效應(yīng)對(duì)小生境影響的研究進(jìn)展

在全世界范圍森林片段化現(xiàn)象越來(lái)越普遍和嚴(yán)重的情況下，即使個(gè)別樹(shù)木引起的小響應(yīng)也可能對(duì)一個(gè)地區(qū)的碳通量和物種組成產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。尤其是處于邊緣區(qū)的林地，由于沒(méi)有像核心區(qū)那樣高大，密集的林木存在，缺乏了抵御風(fēng)沙、光照、雨水等外來(lái)環(huán)境因子的影響，使得林地邊緣諸如地溫、光照度、物種豐富度、氣溫、空氣濕度等自然生境遭到嚴(yán)重破壞，與林內(nèi)存在顯著差異。這一現(xiàn)象不僅加劇了森林片段化的形成，而且嚴(yán)重影響了該地區(qū)的物種豐富度和碳通量的變化。張一平[7]等在對(duì)熱帶雨林地區(qū)林緣效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，地表溫度從林內(nèi)到林分邊緣再到林外的水平分布表現(xiàn)出明顯的差異性。但該研究并未具體說(shuō)明林內(nèi)與林外和林緣處地表溫度的大小關(guān)系；郭萍[8]等在張一平的研究基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)熱帶雨林區(qū)葉片溫度的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，在林內(nèi)植物葉片溫度Tl小于氣溫Ta（即T1〈Ta），林緣處植物葉片溫度Tl等于氣溫Ta（即Ta=Tl），而在林外植物葉片溫度Tl大于氣溫Ta（即T1〉Ta）。這一研究較好的揭示了熱帶雨林區(qū)植物葉片在林內(nèi)外及林緣處的大小規(guī)律；祖元?jiǎng)俒9]等對(duì)紅松（Pinus koraiensis）幼林的研究中發(fā)現(xiàn)，林內(nèi)與林緣處光合有效輻射存在顯著差異，并指出光合有效輻射對(duì)林木生長(zhǎng)具有決定性作用；郭志華[10]等通過(guò)蒙古櫟（Quercus mongolica）林緣小生境的研究中發(fā)現(xiàn)樹(shù)冠的高低和林冠郁閉度的大小與林分邊緣處小氣候植物利用光能和水分的多少呈正比。由此表明，林木的生長(zhǎng)狀況、林分類(lèi)型和林齡等均對(duì)林緣處小生境有巨大的影響作用。因此，在林分邊緣處栽植林木時(shí)，應(yīng)盡量栽植在林分邊緣影響范圍內(nèi)，且要考慮栽植一些喜光，能抵御風(fēng)沙的樹(shù)種以達(dá)到保護(hù)林區(qū)的目的，進(jìn)而最大的發(fā)揮林木的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

3 邊緣效應(yīng)對(duì)土壤影響的研究進(jìn)展

由于森林邊緣的特殊小生境與林內(nèi)存在顯著差異，進(jìn)而導(dǎo)致林分邊緣處土壤有機(jī)質(zhì)含量、腐殖質(zhì)、微生物數(shù)量和活性等土壤養(yǎng)分存在顯著差異。2006年Marchand[11]在研究植物物種豐富度與空間格局關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，林分邊緣處部分土壤養(yǎng)分含量明顯高于林內(nèi)。這一結(jié)論與2008年Aceves[12]在墨西哥對(duì)林分邊緣處草場(chǎng)土壤中C、N、P的含量明顯低于林內(nèi)的研究結(jié)論相反，原因與林緣處植被類(lèi)型不同有關(guān)；Lamsa[13]等在對(duì)林緣處土壤微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，由于邊緣效應(yīng)而導(dǎo)致的林緣處光照強(qiáng)度高于林內(nèi)，風(fēng)沙量大于林內(nèi)的存在，使得林分邊緣土壤腐殖質(zhì)濕度和微生物數(shù)量明顯低于林內(nèi)，與林內(nèi)相比土壤微生物活性明顯降低；2009年Lin[14]等對(duì)我國(guó)云南亞熱帶土壤種子庫(kù)和森林植被邊緣效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，林分的邊緣效應(yīng)并未對(duì)外來(lái)種子進(jìn)入林下起到阻礙作用，而卻很好的抑制了外來(lái)種子在林內(nèi)土壤中的存活。這一研究結(jié)果表明改善森林的立地條件不僅能夠提高林木成活率，最大限度的實(shí)現(xiàn)其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)于阻止外來(lái)種子在林內(nèi)的存活，保證森林內(nèi)部生態(tài)安全具有重要意義。

4 邊緣效應(yīng)在其他方面的應(yīng)用

在人類(lèi)和自然界生態(tài)環(huán)境中，邊緣效應(yīng)是普遍存在的自然規(guī)律，隨著全世界范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境不斷惡化，人類(lèi)在追求經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，科研工作者應(yīng)盡快找出邊緣效應(yīng)的作用機(jī)制，充分利用邊緣效應(yīng)這一普遍規(guī)律去修復(fù)嚴(yán)重惡化的生態(tài)系統(tǒng)，保證自然界生物圈的持續(xù)穩(wěn)定。例如，為降低自然界中物種滅絕可能性、保護(hù)瀕危物種，維持生物圈的穩(wěn)定，在自然保護(hù)區(qū)的建立或原始森林的管理中，應(yīng)充分考慮邊緣地區(qū)物種對(duì)森林和保護(hù)區(qū)內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)作用。同時(shí)，在森林片斷化嚴(yán)重的今天，破碎斑塊的邊緣效應(yīng)大幅度降低，正確重新確定斑塊的核心區(qū)范圍及空間分布對(duì)保護(hù)由于斑塊的破碎而造成物種離散具有重要意義。

隨著世界各國(guó)對(duì)邊緣效應(yīng)研究的不斷深入，已有的研究發(fā)現(xiàn)邊緣效應(yīng)在農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)的建立、防火、防風(fēng)林帶設(shè)計(jì)具有重要應(yīng)用。1997年我國(guó)學(xué)者楊延福[15]等通過(guò)分析側(cè)柏（Platycladus orientalis）林能阻隔地表以上火勢(shì)蔓延等在生態(tài)學(xué)上的特點(diǎn)，結(jié)合生物阻火的方法原理，提出了將側(cè)柏林林分邊緣建造成天然的防火林帶的觀點(diǎn)；國(guó)外學(xué)者Dalp[16]等在2009年利用流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)森林邊緣的氣流進(jìn)行模擬，并結(jié)合森林林分葉面積密度和阻力系數(shù)等原理提出了將自然界中林分邊緣風(fēng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)移并被人類(lèi)利用的理論。但這些研究?jī)H限于理論上的可行，目前并未有實(shí)際應(yīng)用。由此可見(jiàn)，將邊緣效應(yīng)應(yīng)用在農(nóng)田防護(hù)林、防火防風(fēng)林帶的設(shè)計(jì)等方面的研究還處于初級(jí)階段，未來(lái)數(shù)年內(nèi)邊緣效應(yīng)在這些方面的應(yīng)用必將有跨越性發(fā)展，屆時(shí)邊緣效應(yīng)將會(huì)更直接、全面地為人類(lèi)服務(wù)。

除以上應(yīng)用外，邊緣效應(yīng)在提高植物的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益、改良林內(nèi)土壤酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量、土壤和地表水富營(yíng)養(yǎng)化程度等方面均具有不同程度的作用。例如我國(guó)學(xué)者丁宏[17]等在2008年通過(guò)對(duì)遼陽(yáng)地區(qū)楊樹(shù)（Populus tremula）林的研究發(fā)現(xiàn)，楊樹(shù)東部的林分邊緣效應(yīng)最明顯，該處的植物生長(zhǎng)量明顯大于其他三個(gè)方向。因此，在人工栽植楊樹(shù)人工林時(shí)可適當(dāng)增加南北長(zhǎng)度，以充分發(fā)揮邊緣效應(yīng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。Wuyts等[18]調(diào)查了歐洲白樺（Betula pendula Roth）、英國(guó)橡樹(shù)（Quercus robur）、歐洲黑松（Pinus nigra）距林緣128m內(nèi)凈降水量中NO3-、SO42-、Cl-等的離子含量。結(jié)果表明與其它兩種林分相比，黑松林緣因具有較多的穿透雨，降水中NO33-、SO42-含量較高，如果將黑松林轉(zhuǎn)栽成另外兩種闊葉林或混交林分，將會(huì)降低土壤酸化、氮飽和、地面或表層水富營(yíng)養(yǎng)化程度，并使生物多樣性增加。由此可知，目前所流行的混交林栽植方法間接地反映出邊緣效應(yīng)作用的結(jié)果，這種方式不僅可增加物種多樣性，促進(jìn)生態(tài)平衡，而且可最大程度去發(fā)揮林木的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。

5 展望

邊緣效應(yīng)作為一種普遍且客觀存在的現(xiàn)象，盡管在過(guò)去的幾十年中受到不少?lài)?guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)家的關(guān)注，但由于邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理和作用效果不同，在如何確定邊緣效應(yīng)的實(shí)際大小等問(wèn)題上還沒(méi)有科學(xué)可靠的方法，很多學(xué)者多通過(guò)具體實(shí)例加以研究，而在研究邊緣效應(yīng)模型模擬及預(yù)測(cè)邊緣效應(yīng)的影響范圍和強(qiáng)度等方面，不僅要依靠簡(jiǎn)單靜態(tài)的模擬和生態(tài)水平上的基本理論去探索，而且要依據(jù)不同的研究目的、不同的景觀格局和生境特征，進(jìn)而客觀準(zhǔn)確地分析邊緣特征[19]。在研究不同尺度水平上的邊緣效應(yīng)時(shí)，通常根據(jù)研究對(duì)象的范圍采用不同的方法（如：大尺度水平通過(guò)數(shù)量生態(tài)學(xué)方法研究；中尺度水平通過(guò)3s技術(shù)等；小尺度水平通過(guò)邊緣距離、種群特征和生物多樣性等研究），應(yīng)用一些相對(duì)成熟的模型去定量分析邊緣效應(yīng)的作用機(jī)理。但目前全世界內(nèi)缺乏較為準(zhǔn)確、有效和系統(tǒng)的對(duì)邊緣效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行定量的研究方法。因此，隨著科研工作對(duì)邊緣效應(yīng)的研究不斷深入，加之科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和在生態(tài)學(xué)中不斷的滲透和應(yīng)用，定量地對(duì)邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究必將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。此外，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，邊緣效應(yīng)的存在使林分內(nèi)部和外部的林木生長(zhǎng)情況有所差異，在某一范圍內(nèi)，存在著林木生長(zhǎng)的最佳環(huán)境。因此，建議利用邊緣這一空間優(yōu)勢(shì)，確定出最佳的林木經(jīng)營(yíng)密度，這也是短時(shí)間內(nèi)確定林木最佳經(jīng)營(yíng)密度的研究方法之一。

6 結(jié)論

目前，全世界內(nèi)有關(guān)邊緣效應(yīng)這一普遍存在的自然現(xiàn)象的研究還處于初級(jí)階段，很多邊緣優(yōu)勢(shì)（如邊緣效應(yīng)對(duì)土壤水、酶活性、微生物數(shù)量等）和產(chǎn)生最佳邊緣效應(yīng)的條件（如密度、林分高度、林齡等）并未被人們所掌握，所以合理利用邊緣效應(yīng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益進(jìn)而為人類(lèi)及整個(gè)生物圈服務(wù)是當(dāng)今生態(tài)學(xué)家們面臨的艱巨任務(wù)。

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