彭舜磊,呂建華,陳昌東,齊 光,趙干卿

1 平頂山學(xué)院低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 平頂山 467000 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要森林類型自然度評(píng)價(jià)

彭舜磊1,2,*,呂建華1,陳昌東1,齊 光1,趙干卿1

1 平頂山學(xué)院低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 平頂山 467000 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

自然度評(píng)價(jià)對(duì)于自然保護(hù)區(qū)生物多樣性保護(hù)和森林管理具有重要意義。以寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要林型35個(gè)樣地為研究對(duì)象,對(duì)27個(gè)群落指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,計(jì)算自然度指數(shù)值(N),對(duì)N值進(jìn)行Ward聚類,劃分自然度等級(jí)。結(jié)果表明：寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要林型的自然度可劃分為5個(gè)等級(jí)組,自然度高的樣地：N值在2.18—1.13之間,平均林齡94a,占調(diào)查樣地總數(shù)的20.0%；自然度較高的樣地：N值在1.01—0.34之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的34.3%,平均林齡80a；自然度中等的樣地：N值在0.01— -0.47之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的17.1%,平均林齡為47a；自然度較低的樣地：N值在-0.92—-1.60之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%,平均林齡為26a；自然度低的樣地,N值在-1.98—-2.54之間,占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%,平均林齡為21a。前3個(gè)主成分中土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、林齡、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種平均胸徑、喬木層、灌木層和草本層的多樣性指數(shù)荷載較大,是影響森林自然度的主要因子。N值與林齡、喬木層和灌木層的Shannon-Wiener指數(shù)、海拔、土壤容重的線性擬合均達(dá)到極顯著水平(P<0.001),與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的關(guān)系符合對(duì)數(shù)曲線(R2>0.794,R2=0.815,P<0.0001)。在海拔1118—1863m區(qū)域,森林自然度較高,海拔970m以下區(qū)域,森林自然度較低。針對(duì)不同自然度等級(jí)的森林,分別提出了相應(yīng)的保護(hù)和經(jīng)營(yíng)措施。

寶天曼自然保護(hù)區(qū)；自然度；植被特征；土壤質(zhì)量；主成分分析；Ward 聚類

過(guò)去幾百年來(lái),由于人類活動(dòng)的過(guò)度干擾,全球森林面積在以每年9.4×106hm2速度急劇減少[1],天然林遭到巨大破壞,現(xiàn)存的森林處于不同的退化狀態(tài),生物多樣性銳減[2]?，F(xiàn)實(shí)森林群落與原始森林群落物種豐富度、空間分布、更新?tīng)顩r及其生境的對(duì)比研究是進(jìn)行森林恢復(fù)的前提和基礎(chǔ)[2]。因此,現(xiàn)實(shí)森林的自然度評(píng)價(jià)對(duì)于退化森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與生物多樣性保護(hù)尤為重要[3- 5]。

自然度(Naturalness)是指現(xiàn)實(shí)植被離開(kāi)原始植被的距離[6-7]。由于完全沒(méi)有受到人為干擾的原始森林參照系難以尋覓,20世紀(jì)90年代以前,國(guó)外主要通過(guò)生態(tài)干擾度或演替階段等級(jí)劃分,確定自然度評(píng)價(jià)等級(jí)序列,對(duì)自然度進(jìn)行定性評(píng)價(jià)[6,8-9],國(guó)內(nèi)也常借鑒該方法對(duì)森林自然度進(jìn)行評(píng)價(jià)[10-13],該方法簡(jiǎn)單易行,但生態(tài)干擾度的劃分主觀性強(qiáng),完整的演替序列在同一地區(qū)很難找到,影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性[7,14]。有些學(xué)者用潛在植被或歷史植被作為參照系,對(duì)森林自然度進(jìn)行評(píng)價(jià)[15-16],潛在植被是人們假想的參照系,歷史植被的信息在很多地區(qū)沒(méi)有完整記錄,其評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性尚待驗(yàn)證[4, 14]。20世紀(jì)90年代之后,國(guó)外學(xué)者利用森林群落的物種豐富度、林齡、植被的水平和垂直結(jié)構(gòu)、枯死木的數(shù)量、物種更新?tīng)顩r、鄉(xiāng)土樹(shù)種所占的比例等指標(biāo),構(gòu)建自然度評(píng)價(jià)體系,結(jié)合生態(tài)干擾度,對(duì)自然度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[15- 20]。一些研究表明,林下植被物種多樣性、枯死木和土壤性質(zhì)等群落指標(biāo)對(duì)自然度有很好的指示作用[20-23]。在國(guó)內(nèi),很多學(xué)者借鑒國(guó)外自然度評(píng)價(jià)體系,采用層次分析法[24- 27]或灰色關(guān)聯(lián)度[28- 30]對(duì)不同區(qū)域森林的自然度進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。定量評(píng)價(jià)的指標(biāo)通過(guò)森林群落調(diào)查直接獲取,更為客觀,但也存在指標(biāo)體系不完善、權(quán)重賦值和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)受人為因素影響大的不足。

綜上所述,目前,森林自然度評(píng)價(jià)尚未有統(tǒng)一的方法[14],在自然度評(píng)價(jià)過(guò)程中,國(guó)內(nèi)外的研究多關(guān)注植被指標(biāo),忽視土壤指標(biāo),評(píng)價(jià)指標(biāo)體系尚需完善,而且森林自然度與群落主要特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性研究尚存在不足。本文以寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要森林類型為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)森林群落植被和土壤指標(biāo)全面調(diào)查,構(gòu)建科學(xué)合理的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,對(duì)其自然度進(jìn)行評(píng)價(jià),探討林齡、物種多樣性、土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)對(duì)森林自然度的影響,為寶天曼自然保護(hù)區(qū)退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和生物多樣性保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

寶天曼國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為世界生物圈保護(hù)區(qū),位于河南省西南部秦嶺東段,伏牛山南坡的內(nèi)鄉(xiāng)和南召兩縣境內(nèi)(111°47′—112°04′E, 33°25′—33°33′N),海拔高度600—1863m,年平均氣溫15.1℃,年降水量855.6 mm。地貌以切割程度不同的中山為主,低山為輔,主要巖石是花崗巖、石灰?guī)r和砂巖,區(qū)內(nèi)土壤劃分3個(gè)土類：海拔1300 m以上為山地棕壤土類,海拔800—1300 m為山地黃棕壤土類,海拔800 m以下為山地褐土。植被區(qū)劃屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū),垂直分布明顯,海拔600—1200 m,以栓皮櫟(Quercusvariabilis)林為主；海拔1100—1300 m以短柄枹櫟(Quercusserratavar.brevipetiolata)林為主；海拔1300—1600 m以銳齒櫟(Quercusalienavar.acutiserrata)林為主；海拔1600—1750 m為由華山松(Pinusarmandii)、銳齒櫟組成的針闊混交林；海拔1700 m以上有銳齒櫟、堅(jiān)樺(Betulachinensis)組成的山頂矮曲林,局部地段有山楊(Populusdavidiana)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、化香(Platycaryastrobilacea)、槭類(Acer)林等[31]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2013年7月,在河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣寶天曼國(guó)家自然保護(hù)區(qū)及周邊區(qū)域,從海拔271 m的馬山岈到海拔1863 m最高峰曼頂,根據(jù)主要分布的林型,在有代表性的地段按照海拔、林分起源、林齡、坡度、坡向等因子梯度分別設(shè)置樣地35個(gè),其中自然保護(hù)區(qū)內(nèi)28個(gè),周邊區(qū)域?qū)φ?個(gè)。用GPS記錄每個(gè)樣地的經(jīng)緯度和海拔,用羅盤儀記錄樣地的坡向和坡度(表1)。每個(gè)喬木的樣地面積為20 m×20 m,在每個(gè)喬木樣地內(nèi)的四周和中心分別設(shè)置5 m×5 m 的灌木樣方和1 m×1 m的草本樣方各5個(gè)。把喬木樣地劃分為16個(gè)5 m×5 m 的小樣方,對(duì)喬木進(jìn)行每木調(diào)查,用胸徑圍尺測(cè)胸徑(游標(biāo)卡尺測(cè)幼樹(shù)的地徑),劃分主林層優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的徑級(jí),每徑級(jí)選擇1株標(biāo)準(zhǔn)木,用生長(zhǎng)錐測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)木的樹(shù)齡,各標(biāo)準(zhǔn)木樹(shù)齡的平均值作為林分的年齡。以樣地的西南角為坐標(biāo)原點(diǎn),東西向?yàn)閤軸,南北向?yàn)閥軸,對(duì)每株喬木進(jìn)行坐標(biāo)定位。記錄林分年齡、喬木樹(shù)種名稱、胸徑、樹(shù)高、冠幅、郁閉度、坐標(biāo)等； 灌木和草本分別記錄其種名、株數(shù)、多度、頻度、蓋度等。物種豐富度指數(shù)(S)、Simpson指數(shù) (D) 、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(Jsw)的計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[32]。

表1 寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要林型樣地概況

槲櫟Quercusaliena,側(cè)柏Platycladusorientalis,茅栗Castaneaseguinii,血皮槭Acergriseum,楊樹(shù)Populus×euramericana

1.2.2 土壤調(diào)查及測(cè)試

在每個(gè)喬木樣地內(nèi)隨機(jī)選取樣點(diǎn)3個(gè),用土鉆每10 cm 為一層進(jìn)行分層取樣,共取3層(至30 cm處)。所取土樣裝入對(duì)應(yīng)標(biāo)記的采樣袋內(nèi),備測(cè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)。同時(shí)在每個(gè)樣點(diǎn)挖取0—30 cm土壤剖面,用環(huán)刀按0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm土層取土樣,備測(cè)土壤容重。土壤測(cè)定指標(biāo)包括：土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮、全磷和全鉀。土壤容重采用環(huán)刀烘干法,土壤有機(jī)質(zhì)采用TOC分析儀,土壤全磷和速效磷采用鉬銻抗比色法,全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用凱氏定氮法,速效鉀和全鉀-火焰光度計(jì)法。

1.3 寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要林型自然度評(píng)價(jià)方法

1.3.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為了全面、客觀地評(píng)價(jià)森林自然度,選擇27個(gè)反映森林群落植被和土壤特征的調(diào)查指標(biāo)(林齡,喬木層、灌木層、草本層物種豐富度、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener、Pielou均勻度指數(shù),郁閉度,幼苗更新個(gè)數(shù),林分密度,優(yōu)勢(shì)木平均胸徑,優(yōu)勢(shì)木平均樹(shù)高,土壤容重,土壤有機(jī)質(zhì),速效鉀,速效磷,硝態(tài)氮,銨態(tài)氮,全氮,全磷,全鉀)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)該指標(biāo)體系進(jìn)行主成分分析。

1.3.2 自然度主成分分析方法

采用主成分分析法對(duì)群落的自然度進(jìn)行分析,以特征根的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上為參考值,確定主成分個(gè)數(shù)m。對(duì)m個(gè)主成分得分(F1,F2,F3,…,Fm)進(jìn)行加權(quán)求和,得到各個(gè)樣地的主成分綜合得分值F,本文F值越負(fù),排名越靠前,為了便于分析,我們定義自然度指數(shù)N=-F,但不改變排名。

1.3.3 自然度高低等級(jí)劃分方法

對(duì)35個(gè)樣地的自然度指數(shù)值N進(jìn)行Ward聚類,依據(jù)聚類族數(shù),劃分自然度等級(jí)。然后,依據(jù)自然度等級(jí)對(duì)各樣地的自然度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3.4 群落自然度與群落主要指標(biāo)的關(guān)系分析

選擇海拔和第一主成分中荷載較大的指標(biāo)：林齡、喬灌層Shannon-Wiener指數(shù)、土壤容重、有機(jī)質(zhì)和全氮含量與自然度指數(shù)N分別建立回歸方程,探討這些指標(biāo)與自然度的關(guān)系。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

用R軟件(Version 3.2.2,R Core Team)中的scale函數(shù)對(duì)35個(gè)樣地的27個(gè)參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,用princomp函數(shù)進(jìn)行主成分分析(PCA),計(jì)算自然度指數(shù)(N),用hclust函數(shù)對(duì)N進(jìn)行Ward聚類,劃分自然度等級(jí)；用Sigmaplot軟件(Version 12.5,Systat Software Inc)對(duì)自然度指數(shù)(N)與群落主要指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林自然度因子主成分分析

對(duì)27個(gè)森林群落指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表2),前8個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為86.92%,超過(guò)了85%,解釋率已極為顯著,包含了27個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息量。7個(gè)主成分中,前3個(gè)特征根和貢獻(xiàn)率較大,其中第一主成分的特征根為9.35,貢獻(xiàn)率最大。

表2 寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要林型自然度評(píng)價(jià)因子的特征根、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率

Table 2 Initial Eigenvalues, contribution rate, and cumulative contribution rate for naturalness assessment factors of the main forest types in Baotianman National Nature Reserve

主成分Components特征根InitialEigenvalues合計(jì)Total貢獻(xiàn)率/%Contributionrate累積貢獻(xiàn)率/%Cumulativecontributionrate19．3534．6334．6323．4512．7947．4233．1611．6959．1242．017．4466．5651．776．5673．1261．495．5178．6471．264．6583．2980．983．6386．92

主成分荷載分析表明：第一主成分中土壤容重、全氮和有機(jī)質(zhì)的荷載最大,分別為-0.89、0.88和0.86,其次是灌木層和喬木層的物種豐富度、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)以及林齡和優(yōu)勢(shì)木平均胸徑,優(yōu)勢(shì)木平均胸徑與林分生物量密切相關(guān),第一主成分體現(xiàn)了土壤質(zhì)量、林齡和喬、灌層多樣性指數(shù)信息和林分生物量信息；第二主成分中,草本層4個(gè)多樣性指數(shù)的荷載系數(shù)較大,分別為0.66、0.75、0.78和0.64,反映了林下草本層物種多樣性狀況；第三主成分喬木層Pielou均勻度指數(shù)的荷載較大；第四主成分林分密度的荷載系數(shù)最大,體現(xiàn)了林分密度；第五主成分土壤全鉀的荷載最大,體現(xiàn)鉀素含量信息；第六主成分中郁閉度和幼苗更新數(shù)量荷載較大,體現(xiàn)了林分郁閉度和幼苗更新潛力；第七主成分中土壤全磷含量荷載最大,反映了土壤磷素狀況；第八主成分中幼苗更新數(shù)量和硝態(tài)氮的荷載較大,體現(xiàn)了幼苗更新潛力和土壤肥力。

35個(gè)樣地主成分得分和自然度指數(shù)N計(jì)算結(jié)果及排序如表4所示：35個(gè)樣地的N值隨機(jī)分布在2.18到-2.54之間, 排名前3位分別是33、32和18號(hào)樣地,排名后3位的為11、2和8號(hào)樣地。33號(hào)樣地N值最大(2.18),11號(hào)樣地N值最小(-2.54)。

表3 寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要林型自然度評(píng)價(jià)因子主成分荷載矩陣

表中下劃線數(shù)字表示荷載較大的因子

表4 寶天曼自然保護(hù)區(qū)35個(gè)森林樣地自然度評(píng)價(jià)因子主成分得分、自然度指數(shù)值及排名

Table 4 Principal components scores, naturalness index assessment values and ranks for 35 forest plots in Baotianman National Nature Reserve

樣地號(hào)No．F1F2F3F4F5F6F7F8綜合得分值Fscores自然度指數(shù)值NaturalnessindexN排名Rank12．59-2．73-0．30-0．67-2．45-0．141．770．010．43-0．432424．730．573．121．050．53-2．490．210．732．40-2．403432．991．683．74-0．691．27-1．210．161．761．98-1．983146．77-2．620．890．83-1．15-2．57-1．27-1．882．11-2．113252．15-0．902．23-0．330．441．681．42-0．401．19-1．192761．812．812．24-0．082．94-0．37-0．49-0．081．60-1．603072．97-0．15-0．850．570．34-0．63-2．50-0．580．92-0．922684．093．04-2．111．540．021．991．87-0．082．15-2．153394．320．35-2．76-0．170．96-0．071．51-1．241．48-1．4829101．560．07-0．18-3．31-0．300．37-0．04-0．030．32-0．3223115．621．60-0．101．81-2．763．00-2．521．902．54-2．5435120．73-2．13-0．230．720．94-0．500．13-0．580．03-0．032113-1．83-1．110．44-0．631．231．41-0．840．32-0．740．7414140．17-3．29-1．261．241．580．16-1．00-0．06-0．410．411815-3．08-0．640．53-0．181．260．74-2．15-1．59-1．311．31416-0．06-1．67-1．880．670．320．100．871．21-0．340．341917-0．81-0．39-2．64-0．63-1．03-0．81-0．211．12-0．880．881018-4．152．27-1．71-1．191．35-2．42-0．061．02-1．661．66319-3．052．56-2．573．000．96-0．82-0．28-0．27-0．940．94920-2．090．73-0．861．080．76-0．330．501．68-0．610．6117210．510．09-1．290．61-1．02-1．200．97-0．23-0．010．012022-0．73-0．403．721．090．821．592．14-1．380．47-0．472523-5．102．33-0．111．96-1．560．07-0．06-2．50-1．761．76224-1．50-3．07-0．300．971．860．78-0．470．85-0．800．801225-1．64-1．27-0．820．570．511．200．280．18-0．770．771326-0．08-2．87-0．92-1．300．310．61-0．130．41-0．620．621627-1．80-1．68-0．90-1．09-0．78-0．891．10-0．33-1．251．25528-1．090．66-1．89-1．490．520．290．490．18-0．630．631529-2．91-0．981．53-1．38-0．241．33-0．810．01-1．191．19630-3．630．351．720．11-0．530．040．850．42-1．131．13731-2．08-0．221．051．07-2．97-1．220．620．99-0．850．851132-3．651．192．81-0．69-1．020．270．090．21-1．011．01833-5．390．001．590．33-2．16-0．57-1．19-0．16-2．182．181342．534．10-0．91-1．02-0．260．57-0．26-0．871．37-1．3728351．131．75-1．02-4．37-0．690．04-0．71-0．770．08-0．0822

2.2 森林自然度等級(jí)評(píng)價(jià)

對(duì)自然度指數(shù)N進(jìn)行Ward聚類,把35個(gè)樣地劃分為5個(gè)聚類組(圖1)。Ⅰ組包括7個(gè)樣地：33、23、18、15、27、29和30號(hào),N值在2.18—1.13之間,為自然度高的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的20%。該組樣地平均海拔1594 m,平均林齡94a,均為天然林；Ⅱ組包括12個(gè)樣地,N值在1.01—0.34之間,為自然度較高的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的34.3%。平均海拔1311 m,平均林齡80a,均為天然林；Ⅲ組包括6個(gè)樣地,N值在0.01— -0.47之間,為自然度中等的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的17.1%。平均海拔1009 m,平均林齡為47a,均為天然林；Ⅳ組包括5個(gè)樣地,N值在-0.92—-1.60之間,為自然度較低的樣地,占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%。平均海拔723 m,平均林齡為26a,除9和34號(hào)樣地為人工林,其余為天然林；Ⅴ組的N值在-1.98—-2.54之間,為自然度低的樣地,包括5個(gè)樣地：3、4、8、2和11號(hào),占調(diào)查樣地總數(shù)的14.3%。平均海拔453 m,平均林齡為21a,其中2、3、4號(hào)樣地為幼齡槲櫟林,8號(hào)樣地為栓皮櫟人工林,11號(hào)樣地為側(cè)柏人工林(圖1和表1)。

圖1 寶天曼自然保護(hù)區(qū)35個(gè)森林樣地自然度指數(shù)Ward聚類圖Fig.1 Ward cluster for naturalness index of 35 forest plots in Baotianman National Nature ReserveⅠ：自然度高的類群 group with highest naturalness；Ⅱ：自然度較高的類群group with higher naturalness；Ⅲ：自然度中等的類群 group with medium naturalness；Ⅳ、Ⅴ：自然度較低和最低的類群 groups with lower and lowest naturalness

2.3 森林自然度與森林群落主要指標(biāo)的關(guān)系

自然度指數(shù)N隨林齡、喬木層和灌木層的Shannon-Wiener指數(shù)增大而顯著增大(P<0.001)(圖2)；在群落環(huán)境和土壤主要指標(biāo)中,N隨海拔升高而顯著增大(R2=0.708,P<0.001),隨土壤容重的增加而顯著降低(R2=0.763,P<0.001),N隨土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的增加呈顯著的自然對(duì)數(shù)曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)(R2>0.794,R2=0.815,P<0.0001)(圖3)。7個(gè)指標(biāo)中,土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全氮和灌木層Shannon-Wiener指數(shù)對(duì)自然度指數(shù)解釋率較高。

圖2 自然度指數(shù)與林齡、喬木層和灌木層Shannon-Wiener指數(shù)的關(guān)系Fig.2 The relationships between naturalness index and forest age, shannon-wiener indexes in the arbor layer and shrub layer

圖3 自然度指數(shù)與海拔、土壤容重、土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系Fig.3 The relationships between naturalness index and altitude, soil bulk density, SOM, and soil total nitrogen

3 結(jié)論與討論

3.1 寶天曼自然保護(hù)區(qū)森林的自然度及主要影響因子分析

本文通過(guò)對(duì)寶天曼自然保護(hù)區(qū)35個(gè)森林樣地27個(gè)群落指標(biāo)的調(diào)查,構(gòu)建了比較全面的自然度評(píng)價(jià)體系,為了避免人為權(quán)重賦值的影響,采用主成分分析法(PCA)計(jì)算自然度指數(shù)值,較為客觀。然后,通過(guò)Ward聚類劃分自然度等級(jí),Ward聚類對(duì)所有樣地兩兩之間的自然度距離進(jìn)行計(jì)算,把自然度距離較近的樣地聚為一類,距離遠(yuǎn)的聚為另外一類,依此劃分自然度等級(jí),符合自然度的定義,比較合理。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：寶天曼自然度保護(hù)區(qū)森林自然度較高,自然度等級(jí)中等以上的樣地占調(diào)查總樣地的71.4%,主要分布保護(hù)區(qū)內(nèi)1000—1863 m的區(qū)域；自然度等級(jí)較低和最低的樣地占總樣地的28.6%,主要分布在970 m以下干擾嚴(yán)重的低海拔地段,評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際,說(shuō)明評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

很多學(xué)者認(rèn)為森林自然度指標(biāo)不僅包括群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、演替階段等植被指標(biāo),而且包括土壤理化性質(zhì)指標(biāo),是多因子綜合作用的結(jié)果[6- 9, 14]。本研究表明：前8個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到86.92%,包含了27個(gè)指標(biāo)大部分信息,其中第一主成分的特征值和貢獻(xiàn)率最大,該主成分中,土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全氮荷載最大,其次是灌木層和喬木層的物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)以及林齡和優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的平均胸徑,這些指標(biāo)是評(píng)價(jià)森林自然度的重要指標(biāo)[17- 21, 23]。因?yàn)殡S林齡增加,喬木層和灌木層物種多樣性、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種胸徑和生物量增大,凋落物輸入增多,有利于土壤容重降低和有機(jī)質(zhì)及全氮增加,促進(jìn)森林發(fā)育和演替,提高森林自然度[2, 17- 19]。本研究表明自然度等級(jí)高的樣地組平均林齡為94a,自然度等級(jí)較高的樣地組平均林齡為80a,而自然度等級(jí)低的樣地組平均林齡僅21a。有些學(xué)者認(rèn)為林下土壤性質(zhì)、林下植被的物種多樣性和死木對(duì)森林自然度有指示作用[21- 23],與本研究結(jié)果一致,土壤容重、有機(jī)質(zhì)和全氮及灌木層的Shannon-Wiener指數(shù)對(duì)自然度指數(shù)解釋率較高,可以用來(lái)指示森林的自然度。本文沒(méi)有對(duì)死木進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查,今后應(yīng)加強(qiáng)死木對(duì)森林自然度的影響研究。

海拔對(duì)自然度的影響主要體現(xiàn)在對(duì)森林的干擾程度上,在低海拔地段,原始林破壞殆盡,轉(zhuǎn)化為林齡較小次生林和人工林,自然植被多處于演替的早期階段,自然度很低[2, 5-6]。比如2、3和4號(hào)樣地的槲櫟林,林齡僅為6—7a；另外,由于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮流失嚴(yán)重,人工純林即使恢復(fù)了幾十年,自然度仍然很低,比如11號(hào)樣地30a側(cè)柏林和8號(hào)樣地55a栓皮櫟人工林。原因是其灌木層和喬木層多樣性指數(shù)低,土壤容重大、有機(jī)質(zhì)和全氮含量低。在海拔較高地段,人類活動(dòng)干擾小,其自然度較高。比如自然度等級(jí)高的33號(hào)樣地銳齒櫟與血皮槭混交林和30號(hào)樣地銳齒櫟林,27號(hào)樣地短柄枹林及15號(hào)樣地栓皮櫟林,可以作為較為原始的森林群落,為今后該保護(hù)區(qū)相應(yīng)林型自然度評(píng)價(jià)提供參照系。

3.2 寶天曼自然保護(hù)區(qū)不同自然度等級(jí)森林的經(jīng)營(yíng)與保護(hù)措施

森林自然度等級(jí)評(píng)價(jià),可為自然保護(hù)區(qū)森林資源保護(hù)與經(jīng)營(yíng)提供參考[3- 5]。對(duì)自然度等級(jí)高和較高級(jí)別的森林,必須嚴(yán)格封育保護(hù),劃定旅游紅線,禁止一切人為活動(dòng)干擾,保護(hù)頂極群落,促進(jìn)較高自然度等級(jí)的森林向頂極群落演替；對(duì)中等自然度級(jí)別的森林,實(shí)行封山育林,保護(hù)好林窗,促進(jìn)次林層生態(tài)伴生樹(shù)種生長(zhǎng),增加喬木層和灌木層物種多樣性,保護(hù)林下枯枝落葉和粗木質(zhì)殘?bào)w,增加土壤有機(jī)質(zhì)和氮素輸入,促進(jìn)群落順利演替；對(duì)處于低海拔地段自然度較低和低等級(jí)的森林,分類進(jìn)行經(jīng)營(yíng)：對(duì)處于演替早期階段的森林,嚴(yán)格封育措施,防治人為干擾,促進(jìn)其自然演替；對(duì)地帶性樹(shù)種人工林,比如栓皮櫟人工林,可適當(dāng)擇伐,補(bǔ)種該地區(qū)演替前期天然林內(nèi)出現(xiàn)的混交樹(shù)種,比如山槐(Albizakalkora)、黃櫨(Cotinuscoggygria)等先鋒樹(shù)種,促進(jìn)林下灌木和草本層的發(fā)育,提高物種多樣性和土壤肥力,逐漸把人工林改造成近自然林。對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)低海拔地段村莊附近的楊樹(shù)人工林,應(yīng)改造成栓皮櫟人工林；對(duì)側(cè)柏人工林,進(jìn)行間伐,混交荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、連翹(Forsythiasuspensa)、胡枝子(Lespedezabicolor)等灌木,待生境條件改善后,混交栓皮櫟樹(shù)種,待栓皮櫟占優(yōu)勢(shì)后,逐步伐除側(cè)柏,改造成栓皮櫟近自然林。

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Naturalness assessment of the main forest types in the Baotianman National Nature Reserve

PENG Shunlei1,2,*, Lü Jianhua1, CHEN Changdong1, QI Guang1, ZHAO Ganqing1

1KeyLaboratoryofEcologicalRestorationintheHillyArea,PingdingshanUniversity,Pingdingshan467000,China2KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Assessment of forest naturalness plays an important role in biodiversity conservation and forest management. In the present study, we selected thirty-five plots from the main forest types, and investigated 30 indicators (three topographic indicators and 27 community indicators) in the Baotianman National Nature Reserve. Community indicators (27) were analyzed using the PCA method to determine forest naturalness index values (N).Nvalues were clustered using the Ward cluster method, and naturalness classes were classified according to those cluster groups. The results showed that: the degrees of forest naturalness were divided into five grades: highest naturalness plots: withNvalues ranging from 2.18 to 1.13, an average stand age of 94a, and total plots accounting for 20.0%; higher naturalness plots: withNvalues ranging from 1.01 to 0.34, an average stand age of 80a, and total plots accounting for 34.3%; medium naturalness plots: withNvalues ranging from 0.01 to -0.47, an average stand age of 47a, and total plots accounting for 17.1%; lower naturalness plots: withNvalues ranging from -0.92 to -1.60, an average stand age of 26a, and total plots accounting for 14.3%; and lowest naturalness plots: withNvalues ranging from -1.98 to -2.54, an average stand age of 21a, and total plots accounting for of 14.3%. Among the first three principal components, soil bulk density, soil organic matter, total nitrogen, nitrate nitrogen, stand age, mean diameter at breast height (DBH) of the dominant trees, and diversity indices of the arbor, shrub, and herb layers were all greater than the other indicators, and were key factors that influenced forest naturalness. TheNvalue was significantly negatively linear when fitted to soil bulk density (R2= 0.763,P< 0.0001), and significantly positively linear when fitted to stand age, and Shannon-Wiener indices of shrub and arbor layers and altitude, respectively (P< 0.001). Logarithmic curve fitting reached significant levels betweenNvalue and soil organic matter, and total nitrogen, respectively (R2> 0.794,R2= 0.815,P< 0.0001). Greater forest naturalness was observed at sites at an altitude of 1118—1863 m. At an altitude of <970 m, forest naturalness sharply decreased. Based on the different classes of forest naturalness, some corresponding measures for discussion and management were proposed.

Baotianman National Nature Reserve; naturalness; vegetation characteristics; soil quality; principal component analysis; Ward Cluster

中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014M561043)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(14A180011)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(14A180011, 162102310247)

2015- 05- 08;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505080947

*通訊作者Corresponding author.E-mail:pengshunlei@163.com

彭舜磊,呂建華,陳昌東,齊光,趙干卿.寶天曼自然保護(hù)區(qū)主要森林類型自然度評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(24):8164- 8173.

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