岷江上游茂县退化生态系统及人工恢复植被地上生物量及净初级生产力_孔维静.doc

岷江上游茂县退化生态系统及人工恢复植被地上生物量及净初级生产力_孔维静 DOI:10.16089/j.cnki.1008-2786.2004.04.011 22卷4期445450页 2004年7月 山地学报 JOURNALOFMOUNTAINSCIENCE Vol.22,No.4pp445450 July,2004 文章编号:1008-2786(2004)04-0445-06 岷江上游茂县退化生态系统及人工恢复植被地上 生物量及净初级生产力 孔维静 1,2 ,郑征 1 (1.中国科学院西双版纳热带植物园昆明分部,云南昆明650223;2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:测定了岷江上游四川茂县退化灌丛和退化草丛及5种人工恢复植被(连香树林、油松林、华山松林、日本落叶林和云南松林)的地上生物量和生产力。灌、草丛生物量生产力采用样方收获法测定,人工林采用生物量回归模型和生产力方程。地上生物量与胸径关系模型的相关性都达到极显著。退化灌丛和草丛的生物量分别为51.06t/hm2和5.76t/hm2,5种人工林的地上生物量在75.8150.55t/hm2,地上生产力在10.3618.17t/hm2·a-1。人工恢复植被比退化植被的生物量增加,生产力显著提高。5种恢复模式中云南松、华山松和日本落叶松在当地显示了良好的生长特性,适合在当地退化生态系统恢复中推广。关键词:纵向岭谷区;岷江上游;恢复;生物量;生产力中图分类号:X171.4 文献标识码:A 人类活动正在对生态系统产生巨大影响,生态系统的退化已经成为当前的一个严重的环境问题1。岷江上游位于青藏高原东缘纵向岭谷区高山峡谷地带,是我国具有国际意义的生物多样性中 心川西高山峡谷区的核心部分,近几十年来的人类活动导致了该区生态系统的严重退化,森林覆盖率已由解放初的30%下降到1980年代的18%,形成了大面积的采伐迹地和退化灌丛,环境恶化2。丛1980年代起,中国科学院成都生物研究所和当地政府开始在当地以多种恢复模式进行植被恢复试验,经过20a的生长,各种恢复植被已经显示了一定的生态效益,然而生态过程是非常复杂的,哪种恢复模式对生态系统的恢复更有利呢?这对恢复工作顺利进行和恢复模式推广来说是非常重要的。植物群落的生物量生产力是研究森林物质生产和群落养分动态的基础,自20世纪60年代开始实行国际生物学计划(IBP)以来,生态系统生物量生 产力的研究一直是生态学研究的一个重要方向3-5。对于退化生态系统恢复成功的标准,生物量、生产力是其中一个非常重要的评价指标6。我国对退化生态系统恢复的研究最早在是在广东小良 热带北缘进行的,植被恢复发现,退化生态系统恢复后,其生物量与生产力均有较大的增加7。岷江上游退化生态系统的恢复开始于1980年代,但对恢复植被的评价工作并没有开展。本研究通过对5种人工恢复群落生物量生产力的研究为评价不同恢复模式的恢复效应提供依据。 1试验点自然概况 试验点位于岷江上游左岸一级支流大沟流域中段,海拔15003090m。据中国科学院成都生物研究所茂县生态站(103°51E,31°37N)多年气象观测资料,该地区年均温8.9,10积温为 收稿日期(Receiveddate):2004-02-11;改回日期(Accepted):2004-05-20。 基金项目(Foundationitem):中国科学院重大项目(KSCX1-07-03)、国家重点基础研究发展计划(973)(2003CB415100)和国家自然科学 基金项目(30170168)。FoundedbykeyprojectofCAS(KSCX1-07-03)andtheNationalKeyProjectforBasicResearch(No.2003CB415100)andtheChineseNaturalSciencesFoundation(No.30170168). 作者简介(Biography):孔维静(1978-),男,山东人,中国科学院西双版纳热带植物园在读硕士研究生,主要从事恢复生态学研究。Kong Weijing(1978-),male,BorninShandongProvince,graduatestudentofXishuangbannanTropicalBotanicalGarden.Mainresearchfield:restorationecology.Phone:0871-5142055.通讯作者(Authorforcorrespondence),E-mail:Zhengzxtbg.ac.cn 446山地学报22卷 2690.8度,年降雨量900mm,年蒸发量795.8mm,属暖温带气候。该区海拔17502400m的地带性植被为暖温带的辽东栎(QuercusliaotungensisKoidz.)林,常与油松(PinustabulaeformisCarri.)、糙皮桦(BetulautilisD.don)、红桦(Betu-laalbo-sinensisBurkill)、山杨(PopulasdavidianaDode.)等组成混交林(四川森林编辑委员会,1990)。该区域在19501960年代尚存有辽东栎萌生林,经近30a的砍伐,森林覆盖率由60%下降到1985年的14.4%。破坏后的植被退化为次生的以辽东栎、榛等落叶阔叶树为主的灌丛 17 样木为各群落的主要种类即连香树、油松、华山松、日本落叶松和云南松。由于各林中径级差异不大,分别选取57株样木用于建模。为了保护样地,不直接砍伐样木,测量每株样木在0.3m,1.3m,2m及每隔1m处的直径,分段计算出各样木树干体积,根据各树种的基本密度,换算出树干生物量9-11。同时,观测每株样木的枝数,选取10条样枝,伐下分别称量枝、叶鲜重,取样烘干,计算每一样木10个枝条的枝和叶的平均干重。各样木的枝数乘以样枝平均干重、叶平均干重得到各样木的枝、叶生物量。分别建立5种树种干、枝、叶生物量与胸径的关系。各 人工林树木处于速生期,花果质量很小,在此忽略。根据生物量模型和样地调查数据,计算样地中每株乔木生物量,加总得出各样地乔木地上总生物量。观测期:20012003年每年生长季结束的9月。 下层(灌木层和草本)生物量测定,设3×3(m2)样方3个,收获法测定下层生物量。连香树、油松、华山松等3种林下层灌木、草本数量极其稀少,没有测定。各林地上生物量等于乔木层和下层地上生物量之和。 2.1.2退化灌丛、草丛生物量测定 选择有代表性的退化灌丛、草丛,分别设3×3(m2)和2×2(m2)的样方9个。收获法测定其地上、地下生物量。2.1.3凋落量 在5种人工群落样地中分别设置面积0.25m2 的凋落物收集框12个,编号。于每月底收取凋落物一次,分别装入编号的布袋。每袋分为叶、枝、花、果和杂物(碎屑),105下烘干,称重,计算凋落量。观测期从2001-092003-09。2.2生产力测定2.2.1人工林乔木层生产力 按照生产力方程:NPP=B+L+G,用样地2001至2003年连续2a的平均生物量增量(B)、 3平均凋落量(L),计算乔木净初级生产量(NP)。 ,主要种类有辽东 栎、毛榛(CorylusmandshuricaMaxim)、川榛(C.heterophyllavar.szechuenensisFranch.)、喜阴悬钩子(RubusmesogaeusFocke.)、小果蔷薇(Rosacy-mosaTratt.)、绢毛蔷薇(RosasericeaLindl.)、匍匐 子(CotoneasteradpressusBios)、箭竹(Sinarundi-narianitida(Mitford)nakai)等,以毛榛、川榛、辽东栎为主,与其他灌木种类形成不同群落,群落年龄一般59a,高度1.52.5m,盖度约70%80%。退化草丛只在局部存在,主要种类有香青(AnaphalissinicaHance)、酸模(RumexacetosaL.)水杨梅(GeumaloppicumJacq.)、天名精(Carpe-siumabrotanoidesL.)、大蓟(Cephalanoplossetosum(willd.)Kitam.)、密花香薷(E.DensaBenth.)、多花落新妇(AstilbemyrianthaDiels)等,以香青、天名精、酸模为主,与其他草本种类形成群落,群落高度一般0.20.5m,盖度约50%70%,草本多为一年生。为改善当地生态环境,近20a来当地政府营建了一些人工纯林和混交林,如连香树(Cercidi-phyllumjaponicumSieb.etZucc.)、油松、日本落叶松(larixkaempferiLamb.)、云南松(Pinusyunna-nensisFranch.)、华山松(PinusarmandiFranch.)林等。 2研究方法 2.1生物量测定 2.1.1人工林地上生物量测定 2001-09,在5种恢复植被即连香树林、油松林、华山松林、日本落叶松林和云南松林有代表性的地区设置面积20×20(m)的观测样地,样地基本情况见表1。对样地内胸径5cm的树木进行每木检尺2 G为叶虫食量,没有观测。2.2.2人工林下层生产力 对2001年测定人工林灌丛生物量时砍伐的样方作标记,2002、2003年每年9月生长季末皆伐该样方,测定样方内新生长的地上生物量。人工林下层生产力为测定的2002、2003年2a新生长的地上生物量的平均。 4期孔维静,郑征:岷江上游茂县退化生态系统及人工恢复植被地上生物量及净初级生产力 447 乔木层、下木层(灌木、草本层)生产力之和为人工林净初级生产力。 2.2.4退化灌木、草本净初级生产力 测定灌木生物量时,统计各株灌木的年轮,计算 平均年龄。用其生物量除以平均年龄得灌木生物量的年平均增量,以此作为灌木的年生产量和生产力。草本多为一年生,其生物量作为其生产力。 表15种人工林样地基本情况 Table1Thebasicinformationoffiveartificialforests 项目海拔(m)坡度坡向林龄(a)密度(株/hm2)树种组成郁闭度平均胸径(cm)平均树高(m)材积(m3/hm2)林下植被 连香树林205014°西北192425连华=82 0.59.48.2102.2 林下无灌木,草本少量盖度约5%。 油松林206017°西北233925油连华=721 0.78.06.497.4林下无灌草 华山松林20807°西北234950纯林0.99.17.83132.9林下无灌草 日本落叶松林 207017°西北191375纯林0.69.768.3255.3 灌木主要有川榛、喜阴悬钩子、辽东栎等。盖度70%.草本少 云南松林20605°西北231425云连=73 0.513.98.45177.6 灌木主要有喜阴悬钩子、川榛。草本几乎没有。 连:连香树华:华山松油:油松云:云南松。 占人工林地上总生物量的比例接近30%,云南松林 3结果分析 3.15种人工林生物量回归模型 单株木生物量常用W=aD或W=a(DH)进行估算3,由于胸径测量准确,树高测量误差大,所以用W=aDb对各人工林样木树干、枝、叶生物量与胸径进行回归,D为样木胸径,a,b为由标准木计算得的参数,H为树高。表2为各人工林主要树种树干、枝、叶器官的回归方程,各回归方程的相关系数都达到极显著水平(P<0.01),因此这些模型在估算中具有较高的可靠性。3.25种人工林及退化植被生物量 表3、表4分别为5种人工林乔木层地上生物量及人工林地上总生物量。人工林乔木层地上生物量存在差异:云南松>华山松>油松>连香树>日本落叶松;地上总生物量云南松>华山松>油松>日本落叶松>连香树。各人工林只有日本落叶松林和云南松林林下有下层,其生物量分别占地上总生物量的29.4%和4.2%,其他三种人工林都经过了人工抚育,灌木层、草本层不存在,生物量为0。落,b 2 b 林下只有少量灌木生长,下层占地上总生物量的比例小。 表25种人工林树干、枝、叶生物量回归模型 Table2Thetrunkandbranchandleavesbiomassregression modeloffiveartificialforests 树种连香树 径级范围(cm)器官5.116.4 干枝叶 油松 5.018.0 干枝叶 华山松 5.120.9 干枝叶 日本落叶松 5.517.6 干枝叶 云南松 5.921.8 干枝叶 P<0.01回归方程 2511 W树干=0.07D2. 相关系数0.954 5044W树枝=0.0022D3.0.9040482W树叶=0.0002D4.0.838126Ws=0.0967D2.1435Wb=0.0689D2.4283Wl=0.0133D2.8721Ws=0.2002D1.2039Wb=0.0833D2.2092Wl=0.3574D1.1991Ws=0.1052D2.1921Wb=0.0724D2.1658Wl=0.0018D3.0804Ws=0.1933D2.9034Wb=0.0077D2.3313Wl=0.0145D2. 0.9490.9240.9020.9210.8290.9660.9960.9650.9650.9090.9090.947 448山地学报22卷 地表枯落层占人工林地上总生物量的比例在8.27%14.35%间,针叶由于自身特性分解较慢,导致枯落物层积累量大,因此占总生物量的比例也较大,5种人工林中华山松林所占的比例最高,云南松林虽然占有的比例最小,但野外观测时发现样地内枯落层被当地居民取走积肥,因此测定值小于正常值,人为干扰仍在影响着当地的生态系统。 5种人工林乔木枝占地上总生物量的比例都超过了25%,这可能与各人工林林龄都较小有关。 由于林龄不同,各林乔木生物量必然存在差异。林龄相同的三种常绿针叶林林中,乔木地上生物量云南松林>华山松林>油松林,云南松林和华山松林乔木地上生物量分别比油松林乔木地上生物量高35.4%和27.6%。由于林龄和环境条件比较一致,因此油松的生长能力低于华山松和云南松。日本落叶松和连香树林龄相同,落叶松林地上总生物量比连香树林大26.1%,日本落叶松林是保留次生灌丛的造林方式,次生灌丛是当地原始植被破坏后,人为重复砍伐干扰形成的暂时相对稳定的植被,保留退化植被的造林方式对群落恢复的作用还需更深入的研究。 表5是退化灌丛和退化草丛的生物量。当地植被破坏后形成的退化灌木和退化草本总生物量分别仅为51.06t/hm和5.76t/hm,远小于各人工群落的地上生物量。如果按照根冠比0.2来估算各人工林地上地下生物量比例12,那么人工恢复植被生物量比退化灌丛生物量高89.9%253.8%,人工行为对当地退化生态系统生态恢复的作用是非常显著的。 退化灌丛和退化草丛的生物量地上/地下分别为2.26和0.25。当地农民冬季砍伐灌木烧火取暖,地下部分被保留,因此退化灌丛地下与地上生物量之比较大。 3.3人工林乔木地上生物量年增量与乔木地上净 初级生产力 表6是5种人工林乔木地上生物量年增量。5种人工林乔木地上生物量年增量,云南松>华山松>连香树>日本落叶松>油松。油松林乔木地上生物量年增量显著低于其他4种人工林,华山松、连香树和日本落叶松林地上年增量相近。 表7为5种人工林的乔木地上净初级生产力,云南松林>华山松林>日本落叶松林>连香树林>2 2 5.22t/hm2·a-1和4.17t/hm2·a-1,因此虽然连香树林乔木层地上生物量年增量大于日本落叶松林,而乔木层地上净初级生产力却小于日本落叶松林。云南松林不仅具有最大的生物量,乔木层地上生物量年增量及地上净初级生产力也最大。 表35种人工林乔木不同器官及乔木层总生物量(t/hm2) Table3Theorgansandtotalbiomassoftreelayerinfive artificialforestcommunities 群落类型连香树林油松林华山松林日本落叶松林云南松林 干37.4547.1653.1929.0981.96 枝23.3735.0647.8319.6736.74 叶8.1413.9120.515.7213.08 地上总生物量 68.9596.13121.5354.47131.78 表45种人工林地上总生物量(t/hm2)与年均生长量(t/hm2) Table4Thetotalbiomassoffiveartificialforestcommunities andannualaveragebiomass 群落类型连香树林油松林华山松林 乔木层下层68.9596.13121.53 000 枯落层6.85(9.04) 群落生物量年均生产量75.80 3.994.836.175.036.55 15.04(13.53)111.1720.36(14.35)141.89 95.56 日本落叶松林54.4728.0613.03(13.6)云南松林 131.786.3212.45(8.27)150.55 ()内表示的值为枯落层占地上生物量的比例 表5退化灌草生物量(t/hm2) Table5Thebiomassofthesecondaryshrubandherbage(t/hm2)植被类型地上部分地下部分地下/地上退化灌木退化草本 15.684.62 35.381.14 2.250.25 总量 年均生长量 7.295.76 51.06±5.795.76±1.69 3.4人工林地上净初级生产力 生物量反映的是群落生长的积累量,与森林年龄有关,而净初级生产力表示生产速度,能衡量群落 生产能力的高低。表8是5种人工林的地上净初级生产力,云南松林>日本落叶松林>华山松林>连香树林>油松林;日本落叶松林和云南松林下层地上年净初级生产力分别为2.4t/hm2·a-1和0.7t/hm2·a-1,日本落叶松林由于下层存在,虽然其乔木层地上净初级生产力小于华山松林,而群落净初级 4期孔维静,郑征:岷江上游茂县退化生态系统及人工恢复植被地上生物量及净初级生产力 449 表65种人工林乔木生物量年增量(t/hm2·a-1) Table6Biomassandannualaccumulationoffiveartificial communities(t/hm2·a-1) 乔木层生物量年增量 群落类型 干 连香树林油松林华山松林日本落叶松林云南松林 4.023.414.134.666.02 枝3.743.014.373.143.87 叶1.471.031.031.221.18 总量9.247.459.539.0211.07 的恢复有利,适宜在当地推广种植。 4结语 1.5种人工林地上生物量在75.8t/hm2150.55t/hm2,与当地退化灌丛相比,人工恢复植被生物量比当地退化灌丛生物量高89.9%253.8%,人工恢复植被显著提高了退化生态系统的 生物量。在退化生态系统的恢复中人工干预对系统功能的尽快恢复起着重要的作用。 2.5种人工林的地上生物量:云南松林>华山松林>油松林>日本落叶松林>连香树林。地上净初级生产力:云南松林>日本落叶松林>华山松林>连香树林>油松林。华山松、云南松和日本落叶松在当地显示了良好的生长特性,具有高的生物量、生产力,适合在当地退化生态系统恢复中推广。参考文献(References): 1ChenLingzhi,ChenWeilie,HanXingguo,etal.Researchonde-gradedecosystemsofChinaM.Beijing:TheScienceandTe-chonologyPressofChina,1995.陈灵芝,陈伟烈,韩兴国,等.中国退化生态系统研究M.北京:中国科学技术出版社,1995.2LiuWensheng.Plantcommunitystructureofseveraldegradede-cosystemsduringtheirrestorationinupperreachesofMinjiangRiv-总量13.0310.3615.1516.2918.17 erD.Sichuan,China.2003,6.刘文胜.岷江上游退化生态系统恢复过程中植物群落结构的比较研究D.中国科学院西双版纳热带植物园,2003,6. 3FengZongwei,Wangxiaoke,WuGang.Biomassandproductivity 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果00.110.120.040.14 总量13.4110.4215.1514.2416.91 2-1 表85种人工林净初级生产力(t/hm·a) Table8Theannualnetprimaryproductionoffiveartificial communities(t/hm2·a-1) 群落类型连香树林油松林华山松林日本落叶松林云南松林 乔木层13.0310.3615.1513.8917.47 灌木层0002.40.7 2-1 如果按照0.2估算植被地下地上生产力之 12 比,则5种人工林生产力为12.421.8t/hm2·a。据文献综述,热带雨林净初级生产力为1035t/hm2,平均为20t/hm2,暖温带混交林的净初级生产力为625t/hm,平均为10t/hm。四川茂县5种人工恢复林的净初级生产力均高于暖温带混交林群落的平均值,其中云南松群落的地上年净初级生产力还稍高于热带雨林群落的平均值。 同样如果按照0.2估算植被地下地上生产力之比,各人工群落净初级生产力是当地退化灌丛生产力的1.712.99倍,人工恢复群落大大提高了当地植被的生产力。云南松、华山松、日本落叶松3种人,2 2 -1 13 450山地学报22卷 8ChengduInstituteofBiology,CAS.中科院成都生物研究所.岷 江上游半干旱区水源涵养林水土保持林营造技术与小流域综合治理专题研究R.1991. 9WangZhan,ZhangSongyun.ChinaLarchM.Beijing:China ForestryPublishingHouse.1982.王战,张颂云.中国落叶松M.北京:中国林业出版社.1992. 10ChenJunqing,YangJaju,LiuPeng.ChineseTimberChorogra-phyM.Beijing:ChinaForestryPublishingHouse.1992.陈俊卿,杨家驹,刘鹏.中国木材志M.北京:中国林业出版社.1992. 11TimberIndustryGraduateSchoolofChinaForestryScienceA- 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TheAbovegroundBiomassandNetPrimaryProductivity ofDegradedandArtificialCommunitiesinMaoxian, UpperReachofMinjiangRiver KONGWeijing,ZHENGZheng (KunmingBranchofXishuangbannaTropicalGarden,CAS,Kunmng,650223,China; Post-graduateSchool,ChineseAcaderyofScieace,Beijing100039) Abstract:Inthispaperdiscussedbiomassofdegradedshrubandherbageandabovegroundbiomass,netprimary productivity(NPP)offiveartificialforests,PinusyunnanensisandlarixkaempferiandPinusarmandiFranch.,CercidiphyllumjaponicumandPinusMandiiFranch.inMaoxian,upperreachofMinjiangRiverSichuan.BiomassandNPPofdegradedshrubandherbageweremeasuredinsamplemethod,andartificialforestsinregressionmodelandNPPequation.ThemodelbetweenabovegroundbiomassandDBHisfinebecauseofitshighsignificance.Biomassofdegradedshrubandherbageis51.06t/hm2and5.76t/hm2respectively.Re-sultsofbiomassandNPPareasfollows:abovegroundbiomassoffiveartificialforestvariesbetween75.8t/hm2150.55t/hm;andtheabovegroundNPPvariesbetween10.3618.17t/hm·a.Artificialforestsgreat-lyimprovethebiomassoflocalecosystem,andenhanceNPPmarkedly.ModelforestsofPinusyunnanensisandarixkaempferiandPinusarmandiFranch.arefittopopularizebecauseoftheirgrowthcharacteristicandhighprimaryproductivity. Keywords:LongitudinalRange-GorgeRegion;UpperReachofMinjiangRiver;restoration;biomas;netprimanyproductivity 2 2 -1