李茗蕊, 莫訓(xùn)強, 崔 爽, 李 萍

(1.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部, 遼寧 撫順 113001; 2.天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 天津 300387)

生物入侵是一個全球廣泛關(guān)注的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)問題，警惕生物入侵是保護(hù)生物多樣性的首要前提。目前，盡管存在爭議，但主流學(xué)界仍然認(rèn)同入侵對生物多樣性有直接的危害，尤其是城市化進(jìn)程的加速將入侵的風(fēng)險和負(fù)面效應(yīng)進(jìn)一步放大，這一點在城市森林中體現(xiàn)得尤為明顯[1-2]，城市森林的生態(tài)入侵和生態(tài)恢復(fù)研究具有重大意義。目前，對城市森林生態(tài)入侵研究主要為預(yù)防性內(nèi)容[3-5]，然而對于城市森林環(huán)境下已經(jīng)存在的物種入侵的后續(xù)跟蹤研究還很匱乏。

漆樹科鹽膚木屬的火炬樹(Rhustyphina)原產(chǎn)自北美洲，于1959年作為特種經(jīng)濟(jì)植物引入中國，其適生區(qū)在34°—42°N，106°—123°E之間，且有向中國北方移動的趨勢[6]?；鹁鏄湓谕嘶车闹脖换謴?fù)、園林及公路兩旁綠化方面具有優(yōu)良的特性，但也因超強的萌蘗繁殖和適應(yīng)能力而被列為外來風(fēng)險物種之一[7]。然而對其入侵性的討論始終存在爭議，許多學(xué)者通過風(fēng)險評估等方法判定火炬樹具有中高入侵風(fēng)險，建議從中國的主要造林樹種中刪除此樹[8]，但也有不少研究表明，火炬樹對自然、半自然森林生態(tài)系統(tǒng)沒有產(chǎn)生入侵危害[9]，或者在生長季后期才表現(xiàn)出一定的競爭優(yōu)勢[10]，因此評估火炬樹的侵入潛力需充分考慮環(huán)境因素和人為干預(yù)。目前暫無足夠的針對火炬樹更新苗特性研究，尚不明確在城市森林的管理模式下能否控制住火炬樹的入侵態(tài)勢。因此本文擬采用樣方調(diào)查法，選取代表性區(qū)域，對天津市城市森林管理下火炬樹的更新特性進(jìn)行年際調(diào)查，并與已有的火炬樹天然更新研究數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[11]，輔以聚集強度指數(shù)計算、線性回歸分析等方法，對其入侵性進(jìn)行探究，以期為城市森林生態(tài)入侵及生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

城市森林的范圍同城市行政管轄范圍不一致，主要包括城區(qū)的綠化、近郊的風(fēng)景游憩林、防護(hù)林和遠(yuǎn)郊的森林公園、環(huán)城帶等[12]。本文研究區(qū)設(shè)在天津師范大學(xué)主校區(qū)(117°6′44″—117°7′34″E，39°3′6″—39°4′15″N)和天津市南翠屏公園(117°8′37″—117°9′6″E，39°4′21″—39°4′43″N)，分別代表城區(qū)綠化和近郊風(fēng)景游憩林。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，其特征是四季分明，春季干旱少雨，有時會有春旱，夏季高溫雨水集中，秋季短暫溫度適中，冬季寒冷干燥。本區(qū)植被以華北植物區(qū)系成分為主，混有東北植物區(qū)系成分[13]。其中南翠屏公園為天津市1986年規(guī)劃建設(shè)的堆山造景工程，于采土深坑、蘆葦?shù)?、棄置地等之上以建筑垃圾為主要填充物堆積起來，是天津市生態(tài)工程成功的典范。堆山山體占地約12.1 hm2，堆山高約52 m，環(huán)山水體約8.5 hm2。

研究區(qū)內(nèi)校園地勢平坦，坡度普遍在15°以下，南翠屏公園堆山部分坡度在0°～40°之間；兩處城市森林的修剪強度不同，校園內(nèi)局部的小型修剪為主，修剪頻率較高，南翠屏公園內(nèi)全園大型修剪頻率在一年1～2次。兩處樣地互為對照參考，每個樣地各選出8個樣點進(jìn)行調(diào)查，取樣原則是避開大的林隙、在面積較大的分布區(qū)內(nèi)取樣、不取過于稀疏和高密度的。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方調(diào)查 調(diào)查時間為2015年，每個季度各調(diào)查一次，取樣對象為1～3年生的火炬樹更新苗，采用樣方法對種群數(shù)量、地徑、冠幅、高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在天津師范大學(xué)主校區(qū)內(nèi)和南翠屏公園小山上隨機各取8個5 m×5 m的樣方，取樣原則是避開大的林隙，在面積較大的分布區(qū)內(nèi)取樣，不取過于稀疏和高密度的。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 將更新苗地徑、高度劃分等級如表1所示。

表1 研究區(qū)更新苗地徑、高度等級

對更新苗密度變化及數(shù)量結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，并與張明如等[11]學(xué)者研究的火炬樹天然更新數(shù)據(jù)作對照，將屬于不同地徑級和高度級的更新苗分別計數(shù)，作頻率分布圖，同時用SPSS進(jìn)行回歸分析。

更新樹種的空間格局動態(tài)將對森林未來的群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[13]，本文應(yīng)用偏離指數(shù)C，負(fù)二項式參數(shù)K，平均擁擠度m*，聚塊性指數(shù)Cx，Morisita指數(shù)IΔ這5種指數(shù)對本研究中的火炬樹更新苗的空間分布格局進(jìn)行描述。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：m——樣本平均數(shù)。下同。

(4)

若Cx=1，種群呈隨機分布，若Cx>1，種群呈聚集分布，若Cx<1，種群呈均勻分布。

(5)

式中：Xi——第i個樣方中的樣本數(shù)；n——樣方數(shù)。若IΔ=1，種群呈隨機分布，若IΔ>1，種群呈聚集分布，若IΔ<1，種群呈均勻分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 更新苗數(shù)量特征

計算不同季度更新苗平均密度，并做更新苗密度的年度變化如表2。

表2 火炬樹更新苗的密度變化株/m2

如表2所示，校園內(nèi)夏季火炬樹更新速率最快，更新苗密度為7.46株/m2；秋季最慢，更新苗密度為3.84株/m2；南翠屏公園內(nèi)火炬樹的更新速率與校園基本一致，更新苗密度在3～4株/m2之間。冬季時，南翠屏公園進(jìn)行了一次大規(guī)模的修剪導(dǎo)致種群數(shù)量急劇下降，更新苗密度為0.92株/m2。

校園樣方A，B，C內(nèi)全年火炬樹種群一年生幼苗個體數(shù)最多，且在上半年達(dá)到峰值，于下半年不同程度的減少。校園樣方E，F(xiàn)，G，H內(nèi)2年生、3年生幼樹一年內(nèi)數(shù)量變化不明顯(圖1)。由圖1可知，校園G，H樣方一年生幼苗基數(shù)小(小于10株)，且年內(nèi)并無增長，變化率小；校園E，F(xiàn)樣方1年生幼苗基數(shù)大(大于20小于40)，年內(nèi)變化率也較大。南翠屏公園于2015年11月份前后對園內(nèi)綠地進(jìn)行了一次整體修剪，除去樣方D的地理位置偏僻，數(shù)據(jù)較清晰完整以外，其余樣方冬季數(shù)據(jù)均有嚴(yán)重缺失(圖2)。

圖1 校園內(nèi)樣方更新苗數(shù)量隨季節(jié)變化

由圖1校園樣方數(shù)據(jù)可知，從齡級組成的角度來說，在城市森林內(nèi)，火炬樹種群屬于典型的增長型；1年生更新苗年內(nèi)個體數(shù)變化(減少)率最大值為66.7%，2年生為54.5%，3年生為14.6%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象，或與1年生幼苗和2年生幼樹植株矮小，更易受到自然和人為干擾等因素有關(guān)，但因火炬樹是典型的萌蘗繁殖植物，且結(jié)實量大、發(fā)芽率高，因此剩余量大。

圖2 南翠屏更新苗數(shù)量隨季節(jié)變化

由圖2南翠屏公園樣方數(shù)據(jù)可知，更新苗組成結(jié)構(gòu)具有一致性，總體而言，1年生幼苗數(shù)量最多，達(dá)到種群數(shù)量的72.6%～97.1%(春)，75.0%～97.7%(夏)，62.2%～88.6%(秋)，即火炬樹種群的更新活力旺盛；除去G，H樣方，其余樣方內(nèi)更新苗結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)典型金字塔型。

2.2 火炬樹更新苗徑級特征

如圖3所示，校園內(nèi)春秋兩季更新苗地徑處于2級(0.6～1.0 cm)的數(shù)量最多，分別達(dá)到種群數(shù)量的54.2%和65.4%，其次是處于4級地徑級(1.6～2.0 cm)的數(shù)量最多，分別占總體的15.7%和11.7%；夏冬兩季更新苗處于2級(0.6～1.0 cm)、3級(1.1～1.5 cm)的數(shù)量最多，分別占種群數(shù)量的70.4%和78.7%?？傮w而言，樣方內(nèi)更新苗地徑較小，在0.6～2.0 cm范圍之內(nèi)，偶有4.0 cm以上地徑的更新苗。這一結(jié)果也同火炬樹天然更新研究結(jié)果保持一致[20]。

圖4顯示，校園更新苗個體的高度峰值出現(xiàn)在1，2級(1～100 cm)。偶有400 cm以上，更新苗最大高度為有585 cm。使用SPSS對地徑和高度進(jìn)行線性回歸分析，秋季數(shù)據(jù)擬合度最好，R2=0.978，滿足F檢驗，sig=0.000<0.005，說明具有顯著性，即校園秋季火炬樹地徑和高度級呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系。

在對南翠屏公園全年的樣方調(diào)查中，無高度級在8級以上的更新苗個體。如圖4，全年的高度級分布總體趨勢呈現(xiàn)一致性，1級高度級(0～50 cm)的個體最多，2(51～100 cm)，3(101～150 cm)，4級(151～200 cm)逐級遞減，5級及5級以上個體數(shù)稀少。以上結(jié)果也同火炬樹天然更新數(shù)據(jù)基本一致[11]。對更新苗地徑級和高度級頻數(shù)分布做回歸分析，結(jié)果顯示擬合度較差，二者相關(guān)性不高。

圖4 研究區(qū)內(nèi)火炬樹更新苗高度級分布及年內(nèi)變化

2.3 火炬樹更新苗的空間分布

然而，使用SPSS對m*與m的線性擬合結(jié)果為m*=0.956m+7.186，其中β值為0.956，小于1，表明呈均勻分布，與上述數(shù)據(jù)結(jié)果有悖，亦與同類研究結(jié)果(小尺度上，植物更新苗一般呈現(xiàn)聚集分布)有矛盾。

表3 火炬樹的更新苗分布格局

注：C為方差均值比率；t為t檢驗值；K為負(fù)二項式參數(shù)；χ2為對負(fù)二項式參數(shù)的檢驗值；m*為平均擁擠度；Cx為聚塊指數(shù)；IΔ為morisita指數(shù)。

3 討論與結(jié)論

火炬樹既是觀賞綠化優(yōu)良樹種，也是水土保持的優(yōu)良樹種，在護(hù)坡、尾礦及荒地造林等方面發(fā)揮著重要作用[14]，對嚴(yán)重退化的生態(tài)環(huán)境有改善土壤物理性質(zhì)的效果[15]。但生態(tài)入侵的現(xiàn)象在高強度的人為管護(hù)下依然存在，樹種入侵嚴(yán)重影響了城市森林的結(jié)構(gòu)和功能，大大增加了城市森林生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[16]。若在規(guī)劃和管理中缺乏考慮和重視，將帶來不必要的生態(tài)成本及社會成本的損失。

本文從種群生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行分析，研究區(qū)內(nèi)火炬樹更新苗密度在3～8株/m2之間，年齡組成呈典型金字塔，處于低地徑級和低高度級的更新苗占絕對優(yōu)勢，空間分布格局表現(xiàn)為明顯的聚集分布，更新能力旺盛。類似研究在北華大學(xué)東校區(qū)展開，結(jié)果顯示僅僅2 a時間，火炬樹冠下植物蓋度下降了1.25～1.45倍，而火炬樹的種群數(shù)量增加了1.35倍，加之多數(shù)學(xué)生對火炬樹分泌物有過敏反應(yīng)[17]。在幾乎沒有天然林的存在、現(xiàn)存森林多為人工林或次生林的北京，火炬樹作為北京入侵植物水平上的廣布種對破碎化程度較高的地區(qū)表現(xiàn)出很好的適應(yīng)能力，對其他本地樹種及草本植物生存構(gòu)成生態(tài)威脅[18]。有學(xué)者提醒，資源供應(yīng)的時間異質(zhì)性可能會對外來植物物種與本地植物物種之間的相互作用及其潛在入侵性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，將火炬樹引入非本土地區(qū)時仍需謹(jǐn)慎。隨著全球氣候變化，降水模式可能會發(fā)生變化并導(dǎo)致供水異質(zhì)性增加，火炬樹的優(yōu)勢主要在于其較大的生物量和有效的葉片生理調(diào)節(jié)，這將可能導(dǎo)致田間種子的更新以及對低矮灌木林和草本植物產(chǎn)生危害[19]。因此在高度破碎化、人為干擾程度高的城市森林環(huán)境，應(yīng)當(dāng)要加大對火炬樹控制力度，進(jìn)一步探究適合城市森林的生態(tài)防治問題，這也與本文的結(jié)論相一致。

研究區(qū)很好地展示了城區(qū)的綠化、近郊的風(fēng)景游憩林中有無大面積修剪時火炬樹的更新情況，填補了相關(guān)研究領(lǐng)域的空白，結(jié)果表明有效監(jiān)察并及時去除更新苗，可大大降低入侵造成的危害，不足之處在于并未在遠(yuǎn)郊的森林公園、環(huán)城帶等開展相關(guān)調(diào)查研究，所得結(jié)論僅能代表一部分城市森林中的情況。在控制火炬樹的具體措施方面，已有研究表明，環(huán)剝對一年生火炬樹克隆分株的抑制作用是暫時的[20]，這說明平茬、修剪等處理方法可行性較差，因此控制火炬樹入侵風(fēng)險可從植物生長激素抑制劑等方面入手；此外，火炬樹雌雄異株，可通過引種單性植株并控制根蘗繁殖的方式加以管理。