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        深圳東涌紅樹林生態(tài)位和空間結(jié)構(gòu)二元分布研究

        2021-01-05 14:59:54丘建煌許恒濤王章芬張紅潔韓維棟
        林業(yè)科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:生態(tài)位空間結(jié)構(gòu)紅樹林

        丘建煌 許恒濤 王章芬 張紅潔 韓維棟

        摘要: ?以深圳東涌紅樹林群落為研究對象,運用重要值、生態(tài)位寬度及生態(tài)位指數(shù)對深圳東涌紅樹林不同群落中主要種群的生態(tài)位特征進行分析,同時采用空間結(jié)構(gòu)指數(shù)交互分析的方法探討了各種群空間結(jié)構(gòu)的二元分布特征。結(jié)果表明:(1)各種群的生態(tài)位寬度排序為桐花>秋茄>海漆>黃瑾,說明各種群對環(huán)境各有各自的適應(yīng)能力。(2)總體上各種群間的生態(tài)位重疊值并不大,最大的桐花和秋茄生態(tài)位重疊值也值為0.04~0.05。兩者處于動態(tài)平衡的關(guān)系,說明東涌紅樹林各種群間有對資源的競爭,但競爭力度較小,有比較明顯的分布區(qū)域和界限。(3)從空間結(jié)構(gòu)一元分布來看,該地紅樹林群落總體上處于中度混交狀態(tài),且隨機分布,大多林木處于中庸?fàn)顟B(tài)。(4)從空間二元分布來看,群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ總體上處于中度混交且隨機分布,大多林木處于中庸?fàn)顟B(tài);群落Ⅳ則總體上處于零度混交且劣勢,大多處于不均勻分布。

        關(guān)鍵詞: ?深圳東涌; ?紅樹林; ?生態(tài)位; ?空間結(jié)構(gòu); ?二元分布

        中圖分類號: ? S 718. 54 + 2 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: ? A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1001 - 9499(2021)04 - 0043 - 06

        紅樹林是低緯度熱帶、亞熱帶地區(qū)特有的植物群落[ 1 ],在沿海海岸中發(fā)揮著防風(fēng)減災(zāi),加固海岸,凈化海洋、維護海洋生態(tài)平衡等重要作用[ 2 ]。深圳市也是我國紅樹林主要分布區(qū)域,主要呈帶狀分布于沿海地帶。近年來,隨著國家對紅樹林保護的重視以及深圳致力于打造園林城市,在紅樹林的保護和恢復(fù)方面開始重視起來,使得紅樹林的面積得到了一定的恢復(fù)。國內(nèi)對紅樹林物種多樣性的研究較多,大多對中國紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的植物種類、植物多洋性、功能及其保護的研究[ 3 ],但是對紅樹林的空間結(jié)構(gòu)的研究還比較少。因此,本文采用廣泛應(yīng)用的生態(tài)位原理以及林木空間結(jié)構(gòu)參數(shù),分析了解東涌紅樹林區(qū)種群的組成結(jié)構(gòu)、內(nèi)部關(guān)系以及與其他種之間的關(guān)系,揭示各個種的生態(tài)適應(yīng)機理,以期為后續(xù)的紅樹林保育提供可行性指導(dǎo)。

        1 場地概況

        深圳市大鵬新區(qū)東涌紅樹林濕地地處深圳東南大鵬半島的最南端,位于大鵬半島自然保護區(qū)試驗區(qū)范圍內(nèi),同時也在深圳市基本生態(tài)控制線范圍內(nèi),沿海岸風(fēng)景優(yōu)美。這是我國面積最大的紅樹林自然保護區(qū),區(qū)內(nèi)物種繁多,是鳥類的天堂,有著豐富的淺海生物資源。該保護區(qū)內(nèi)紅樹、半紅樹樹種豐富,主要包括秋茄(Kandelia obvata),桐花樹(Aegiceras corniculatum)、白骨壤(Avicennia marina)、木欖(Bruguiera ?gymnorrhiza)、海漆(Excoecaria ?agallocha )等十余種主要紅樹樹種。

        2 調(diào)查與研究方法

        2. 1 調(diào)查方法

        在深圳東涌紅樹林濕地中選擇海漆+秋茄+桐花樹(群落Ⅰ)、桐花樹+海漆+秋茄+黃瑾(群落Ⅱ)、桐花樹+秋茄(群落Ⅲ)、海漆+桐花樹(群落Ⅳ)4種不同的群落類型分別取20 m2的樣方,根據(jù)地塊的實際情況,群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別設(shè)置4塊面積為5 m×5 m的樣地,群落Ⅳ設(shè)置2塊10 m×10 m的樣地,各樣地之間除樹種組成不同外,其他立地條件基本一致。調(diào)查每個樣方內(nèi)喬木樹種的種類、數(shù)量、相對位置(x,y)以及胸徑、樹高、冠幅等生長因子。

        2. 2 研究方法

        2. 2. 1 生態(tài)位計算

        (1)喬木層重要值=(相對密度+相對頻度+相對顯著度)/3×100%(1)

        式中:相對密度 R=ni/N×100%;ni為某種植物的個體數(shù),N為全部植物個體數(shù);相對頻 度 R= ? Fi/F×100%,F(xiàn)i=ni/N×100%;ni為某一物種出現(xiàn)的樣方數(shù),N為樣方總數(shù)。Fi為某一物種的頻度,F(xiàn)為所有物種的頻度和。相對顯著度R=Gi/G×100%;Gi為某個樹種的胸高斷面積,G為全部樹種的總胸高斷面積[ 5 - 6 ]。

        (2)生態(tài)位寬度計算方法

        Levins 生態(tài)位寬度計算式、Shannon-Wiener生態(tài)位寬度指數(shù)進行測度:

        式中:B(sw)i為物種i的Shannon-Wiener指數(shù)計算的生態(tài)位寬度;B(L)i為物種i的Levins指數(shù)計算的生態(tài)位寬度;Pij是物種i在第j資源位上的重要值之比,r為樣方數(shù)。其中nij為物種i在第j樣方的重要值[ 4 - 5 ]。

        (3)Levins生態(tài)位重疊指數(shù)計測:

        式中:Lih為物種i重疊物種h的生態(tài)位重疊指數(shù);Lhi為物種h重疊物種i的生態(tài)位重疊指數(shù);B(L)i為物種i的Levins生態(tài)位寬度指數(shù)[ 4 - 5 ]。

        2. 2. 2 空間結(jié)構(gòu)計算方法

        (1)混交度(林種空間隔離指數(shù))[ 6 ]

        混交度(Mi)是用來說明混交林中樹種空間隔離的程度。它被定義為參照樹i的n株最近相鄰木中與參照樹不屬同種的個體所占的比例,用公式表示為[ 8 - 9 ]:

        式中:Vij是一個離散型的變量,其值定義為:當(dāng)參照樹i與第j株相鄰木非同種時Vij=1,反之,Vij=0。根據(jù)惠剛盈的研究[ 7 - 8 ],n取為4時,Mi較能準(zhǔn)確反映林木不同樹木在林地空間的分布,本研究取n=4。其中M為0.00(零度混交)、0.25(弱度混交)、0.50(中度混交)、0.75(強度混交)、1.00(極強度混交)。

        (2)大小比數(shù)(林木競爭指數(shù))[ 9 ]

        樹木成林郁閉后,林木之間形成競爭,產(chǎn)生林木大小的分化。大小比數(shù)(Ui)被定義為大于參照樹的相鄰木所考察的全部最近相鄰木的比例,用公式表示為[ 8 - 9 ]:

        式中:若參照樹比相鄰木小,Kij=1,否則Kij=0[ 8 - 9 ]。其中U為1.00(絕對劣勢)、0.75(劣勢)、0.50(中庸)、0.25(亞優(yōu)勢)、0.00(優(yōu)勢)。

        (3)角尺度(林木空間分布格局指數(shù))[ 10 ]

        角尺度是反映樹木分布狀況的一種空間指標(biāo),是描述林木個體分布格局的結(jié)構(gòu)參數(shù),它反映了相鄰木圍繞參照樹的均勻性。其計算公式為[ 7 - 8 ]:

        式中:n 為相鄰木株數(shù);Zij為角度尺取值變量,它是離散型的,當(dāng) ai小于標(biāo)準(zhǔn)角a0=72時, Zij=1,否則 Zij=0[ 7 - 8 ]。其中W為0.00(絕對均勻)、0.25(均勻)、0.50(隨機)、0.75(不均勻)、1.00(集聚)。

        在紅樹林將角尺度、混合度以及大小比數(shù)兩兩聯(lián)合(分別是角尺度和混交度、混交度和大小比數(shù)、 角尺度和大小比數(shù)三種),分別計算出一個參數(shù)在另一個參數(shù)上的對應(yīng)取值(共 25 種組合),將其除以樣地中林木的數(shù)量即可獲得2個參數(shù)的組合頻率值,從而形成二進分布[ 11 - 13 ]。

        計算每棵樹的角尺度、大小比數(shù)和混交度,使用 Excel 透視表計算群落的單向和雙向分布頻率,并使用 Excel 繪制 X-Y 雙向分布圖[ 14 ]。

        3 結(jié)果與分析

        3. 1 紅樹林種群中各種群的重要值

        根據(jù)深圳市東涌紅樹林群落實地調(diào)查資料,得到各群落樹種位置圖并計算出主要樹種的重要值(表1),群落Ⅰ中黃瑾重要值最大;群落Ⅱ中的桐花樹重要值最大;群落Ⅲ中的秋茄重要值最大;群落Ⅳ中海漆重要值最大,說明它們在各資源位中具有一定的優(yōu)勢。各物種重要值因資源位不同而不同,如桐花樹在群落Ⅰ為0.260 2,而在群落Ⅱ為0.402 5。

        3. 2 紅樹林種群中各種群的生態(tài)位寬度分析

        從表2和表3可見,雖然 Levins 和Shannon-Wiener 生態(tài)位寬度公式計算出的數(shù)值結(jié)果存在差異,但它們的規(guī)律是一樣的[ 15 ]。不管是生態(tài)位寬度還是BSW、BL都顯示種群的生態(tài)位寬度值為桐花>秋茄>海漆>黃瑾。從總體上看,桐花樹、秋茄、海漆分布都較廣,生態(tài)位寬度相差不大且各有各的分布特點。主要呈現(xiàn)由灘涂到陸地:桐花樹←秋茄←海漆。桐花樹主要分布于灘涂沿岸,且樹高較低,主要是為了與秋茄競爭光照,秋茄則與桐花樹處于相鄰的位置,也有相互重疊,總體而言兩者處于相互競爭的關(guān)系;海漆屬于大型的喬木類型,在資源的利用上明顯相對于秋茄和桐花樹有很大的優(yōu)勢。這三種紅樹林植物在每個資源位中都有出現(xiàn),表明其在林分內(nèi)利用資源位較為充分,對資源的利用能力較強;黃瑾生態(tài)位寬度值相對于其他三種來說生態(tài)位寬度值較小,說明它們分布點較少,利用資源的能力較弱。

        3. 3 紅樹林種群中各種群的生態(tài)位重疊分析

        如表4所示,種群之間共有6對生態(tài)位重疊,各種群間的生態(tài)位重疊值Lih、Lhi分別為0~0.041 7、0~0.049 1。各種群間的生態(tài)位重疊值不大,均在0.01~0.05,說明它們利用生境的模式有相似之處。生態(tài)位重疊最大的是桐花—秋茄種群,重疊值為0.04~0.05,重疊程度適中,說明該種群比較穩(wěn)定[ 18 ]。結(jié)合生態(tài)位寬度可以看出,生態(tài)位重疊較大的物種生態(tài)位寬度值也較大。從整體上看,紅樹林種群生態(tài)位重疊值較小,說明各種間對資源的競爭較小,各種群間有較為明顯的分布區(qū)域和分界線。

        3. 4 不同紅樹林群落空間結(jié)構(gòu)的一元分布

        3. 4. 1 桐花樹+秋茄+海漆+黃瑾種群結(jié)構(gòu)參數(shù)的一元分布

        由圖1可以看出,群落Ⅰ的混交度為0.53,總體上處于中度混交狀態(tài),但是各等級分布差距并不是很大,黃瑾樹決定了整個林分的混交程度,樹種主要呈現(xiàn)出單種樹種的聚集。角尺度的各等級分布差距較為明顯,呈先上升后下降再上升的趨勢,平均角尺度為0.62,該群落近乎是隨機分布。林分的大小比數(shù)規(guī)律比較明顯,各等級的分布頻度相差不大,平均大小比數(shù)為0.49,說明該群落多數(shù)林木處于中庸?fàn)顟B(tài)。

        3. 4. 2 桐花樹+秋茄+海漆種群結(jié)構(gòu)參數(shù)的一元分布

        由圖2可以看出,群落Ⅱ的平均混交度為0.51,各等級間差異較為明顯,總體處于中度混交狀態(tài)。角尺度的規(guī)律較為明顯,呈先上升后下降的趨勢,平均角尺度為0.57,群落總體呈現(xiàn)出隨機分布的情況。大小比數(shù)各等級的差異不大,各等級的分布頻度約為20%,平均大小比數(shù)為0.47,說明該群落多數(shù)林木處于中庸?fàn)顟B(tài)。

        3. 4. 3 桐花樹+秋茄種群結(jié)構(gòu)參數(shù)的一元分布

        由圖3可以看出,群落Ⅲ混交度的規(guī)律較為明顯,大致呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,平均混交度為0.41,說明該群落處于中度混交程度。在角尺度中,隨機分布和不均勻分布比例較大,各占65%和26%,平均角尺度0.55,說明整個群落處于隨機分布。平均大小比數(shù)0.47,表明該群落多數(shù)樹木近乎處于中庸?fàn)顟B(tài)。

        3. 4. 4 桐花樹+海漆種群結(jié)構(gòu)參數(shù)的一元分布

        由圖4可以看出,群落Ⅳ零度混交和弱度混交比例較大,兩者總占92%。平均混交度為0.17,說明該群落處于弱度混交。林分優(yōu)勢樹種海漆的混交程度決定了整個群落的混交程度,群落呈現(xiàn)單一樹種的聚集。角尺度在各等級差異較為明顯,其中隨機分布和不均勻分布占比較大,分別為30%和42%,平均角尺度為0.62,表明整個群落處于隨機分布的狀態(tài)。平均大小比數(shù)為0.58,除了亞優(yōu)勢等級占比較小和絕對劣勢占比較大,其余等級均在20%左右,表明該群落近乎處于中庸?fàn)顟B(tài)。

        3. 5 不同紅樹林群落空間結(jié)構(gòu)的二元分布

        3. 5. 1 不同群落紅樹植物混交度-角尺度二元分布

        從圖5可以看出,在同一混交度下,除了群落Ⅳ外,相對頻度大體呈現(xiàn)先增后減的趨勢,且最大值均在W=0.5上,即群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在相同的混交條件下大多林木處于隨機分布;群落Ⅳ的最大值在W= ?0.75上,表明大多林木處于不隨機分布。在同一角尺度條件下,群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相對頻度同樣呈現(xiàn)先增后減的趨勢,且最大值M=0.5,即在相同的混交程度下,3個群落的大多樹林木處于中度混交。群落Ⅳ的變化趨勢呈逐漸下降趨勢,最大值M=0,即在相同角尺度等級的條件下,同一分布格局中林分個體大多處于零度混交。

        3. 5. 2 不同群落紅樹植物混交度-大小比數(shù)二元分布

        從圖6可以看出,在同一混交等級下,群落Ⅰ的相對頻度隨著大小比數(shù)的增加呈先增后減的趨勢,最大值在U=0.75上,即相同混交條件下,林木個體大多處于劣勢狀態(tài);群落Ⅱ、Ⅲ相對頻度同樣呈先增后減的趨勢,但最大值主要集中在U=0.25上,即在相同混交條件下,林分中樹木個體大多處于亞優(yōu)勢狀態(tài);群落Ⅳ的變化差異較大,最大值U=1,即在相同混交條件下,林分中樹木個體大多處于絕對劣勢狀態(tài)。在同一大小比數(shù)等級下,群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,相對頻度同樣呈現(xiàn)先增后減的趨勢,且最大值M=0.5,即在相同的混交程度下,3個群落的大多樹林木處于中度混交。群落Ⅳ的變化趨勢呈逐漸下降,最大值M=0,即在相同角尺度等級的條件下,同一分布格局中林分個體大多處于零度混交。

        3. 5. 3 不同群落紅樹植物角尺度-大小比數(shù)二元分布

        從圖7可以看出,同一角尺度等級下,群落Ⅰ的相對頻度隨著大小比數(shù)的增大呈先增后減的趨勢,最大值主要集中在U=0.75上,即相同混交條件下林木個體大多處于劣勢狀態(tài);群落Ⅱ、Ⅲ的相對頻度隨著大小比數(shù)的增大均呈先增后減的趨勢,且最大值均為U=0.25,分別占比43%和62%,表明相同角尺度條件下,同一分布格局中林分個體大多處于亞優(yōu)勢;群落Ⅳ的相對頻度隨著大小比數(shù)的增加大致呈先減少后遞增的趨勢,最大值主要在U=1上,占比28%,即在相同混交條件下,同一分布格局中樹木個體大多處于絕對劣勢的狀態(tài)。在同一大小比數(shù)等級下,群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的相對頻度隨著角尺度的增加,呈先增后減的趨勢,且最大值均在W=0.5,即在相同大小比數(shù)等級的條件下,同一分布格局中林分個體大多處于隨機分布;群落Ⅳ的相對頻度則為逐漸減少的趨勢,最大值在W=0.75,表明在相同大小等級的條件下,同一分布格局中林分個體大多處于不均勻分布。

        4 結(jié) 論

        4. 1 通過計算重要值以及各種群的資源位得出各種群的生態(tài)位寬度和生態(tài)位重疊[ 16 ],桐花樹、秋茄和海漆具有較大的生態(tài)寬度值,而黃瑾的生態(tài)位寬度值則比較小。有研究表明,生態(tài)寬度值越大,物種的特化程度就越小,說明該物種對生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力越強[ 17 ],其在群落里的分布范圍就越廣泛。從桐花樹的生態(tài)寬度值來看,其在各種群內(nèi)均有分布且分布規(guī)律較明顯,這與實地調(diào)查的結(jié)果相符,說明桐花樹的適應(yīng)能力較強。

        4. 2 從生態(tài)重疊值的情況來看,種群間的生態(tài)位重疊值并不大,最大的秋茄—桐花重疊值也值為0.04~0.05,這2個物種也只是出于動態(tài)平衡,即物種與物種之間有明顯的分布區(qū)域和界限[ 18 ]。秋茄-桐花2個物種的生態(tài)寬度也是最大的,正好對應(yīng)了生態(tài)寬度越大,生態(tài)位重疊就越大的研究結(jié)果[ 19 ]。

        4. 3 從空間的一元分布結(jié)構(gòu)結(jié)果來看,除群落Ⅳ為弱度混交外,群落Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均為中度混交,近乎隨機分布,大多林木屬于中庸?fàn)顟B(tài)。有研究表明,隨著自然的不斷演替更新,假如受到的外界干擾破壞比較少,群落的隨機分布狀態(tài)是群落分布格局的常態(tài)[ 20 - 21 ]。隨著時間的不斷推移變化,林分中的混交程度也會越來越大,在調(diào)整變更植物群落林分格局時,應(yīng)該對此進行調(diào)整[ 22 ]。從東涌研究地情況來看,整體上處于中度混交,且隨機分布,大多數(shù)林木處于中庸?fàn)顟B(tài),表明該地受到的外界干擾較少。

        4. 4 從空間的二元分布結(jié)構(gòu)結(jié)果來看,群落Ⅰ總體上處于中度混交且劣勢,大多林木屬于隨機分布,偏向聚集和高度混交的林木比較常見;群落Ⅱ總體上處于中度混交且偏優(yōu)勢,大多林木屬于隨機分布,偏向高度混交和優(yōu)勢林木較為常見;群落Ⅲ總體上處于中度混交劣勢,大多林木屬于隨機分布;群落Ⅳ總體上處于零度混交且劣勢,大多林木屬于不均勻分布。在這些林分空間中,高度混交且隨機分布的林木雖然占有一定比例,但與理想的林木空間結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)[ 23 ]。通過分析上述空間結(jié)構(gòu),不但可以改善現(xiàn)有紅樹的林分空間結(jié)構(gòu),也可以為東涌即將恢復(fù)的紅樹林生態(tài)結(jié)構(gòu)提供可行性的依據(jù)。

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        第1作者簡介: ?丘建煌(1995-), ?男, ?在讀研究生, ?主要從事植物資源利用與開發(fā)研究。

        通訊作者: ?韓維棟(1963-), ?男, ?教授, ?主要從事樹木學(xué)教學(xué)與林學(xué)研究工作。

        收稿日期: 2020 - 11 - ?20

        (責(zé)任編輯: ? 張亞楠)

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