不同立地类型巨桉人工林生物多样性特征

论文摘要

人工林在为人类提供木材、减缓大气CO2浓度上升、增加陆地森林覆盖率和减少人类对天然林依赖的同时,也带来了生物多样性下降、土地退化、生产力降低、地下水位下降等人类普遍关注的林业生态问题,其核心是生物多样性问题。如何使人工林在满足人类对木材的需求、增加经济效益的同时,发挥其应有的生态功能,实现可持续发展是人工林生态研究的焦点之一。现在的科学问题是:尽管迄今已有大量的桉树人工林生物多样性研究,但有关桉树人工林经营管理是否导致其生态系统生物多样性的降低还存在很大的争议。这是否与桉树人工林的立地条件有关?目前尚无深入系统的研究。因此,本研究采用野外调查和室内分析相结合的研究方法,深入系统地研究了不同立地类型的巨桉人工林生态系统地上/地下生物多样性特征,探讨了立地对巨桉人工林生态系统生物多样性的影响,以期为巨桉人工林的立地选择和生物多样性保育提供理论依据,研究结果对于指导巨桉人工林的可持续经营与管理具有重要的科学意义。研究结果如下:（1）巨桉人工林林下植物种类丰富,调查林分共有维管束植物71科,158属,193种,双子叶植物占有绝对优势。阶地立地类型林分有维管束植物45科,81属,90种;丘坡中厚土有维管束植物61科,111属,132种;丘坡薄土有维管束植物52科,99属,118种,丘坡中厚土林下植物科属种的组成最为丰富,其次为丘坡薄土,阶地林分最少。造林前土地利用属性影响林下植物种类成分,现有植物也在一定程度上反映了林分的起源,如茶（Camellia sinensis）、柑桔（Citrus reticulata）、杉木（Cunninghamialanceolata）等具有明显栽培性质的种类。阶地类型林分多起源于农耕地,物种构成主要以草本为主;丘坡两种类型的林分起源较为一致,主要是荒山迹地、林地和茶园遗弃地等,物种组成上灌木和草本比例都接近1:1。在科、属、种的相似性上,两种丘坡立地类型的林分相似程度最大,而最不相似的则是丘坡中厚土林分与阶地林分。区系分析表明,各立地类型林分林下植物科、属的分布类型一致。从属的水平上进行地理成分分析,能更好地揭示出植物区系的实质,巨桉人工林林下植物属的地理分布以热带性质为主兼具温带性质,属的间断分布类型比较丰富。各立地类型共有种比例少,物种没有表现出趋同性,并非只有特定的植物才能存留于巨桉人工林。（2）巨桉人工林林下植被可划分为14个群落类型,基本反映了调查区域内巨桉人工林林下植被的主要类型。根据分类结果,巨桉人工林群落层次结构包括三种类型:“巨桉+灌木+草本”型,占所有样方的74.1%;“巨桉+草本”型,占所有样方的22.2%;“巨桉”型,占所有样方的3.7%。阶地类型的林分群落结构特征主要为“巨桉+草本”型,丘坡两种类型的林分群落结构主要为“巨桉+灌木+草本”型。（3）同一立地类型不同样地之间物种组成相似性也较低,反映了林地起源的多样性与复杂性。巨桉人工林的物种主要来源于原立地保留下来的物种及繁殖体,以及从系统外特别是毗邻生态系统通过风、动物、人等途径传播和扩散进来的繁殖材料。由于丘陵地貌特点,林地多呈块状与农业耕作区镶嵌分布,物种多样性特征在很大程度上受制于立地原土地利用状况。三种立地类型物种构成均以偶见种多,非优势种群占据了物种丰富度的主体,物种分布不均匀,暗示了植被分化和演替的趋势。阶地立地类型林下植物出现频率最高的有空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）和野塘蒿（Conyza bonariensis）,丘坡中厚土有里白（Hicriopteris glauca）、毛桐（Mallotus barbatus）和宜昌悬钩子（Rubus ichangensis）,丘坡薄土有野牡丹（Melastoma normale）。在现行巨桉人工林栽培制度下,大部分种易丢失,物种组成还会发生变化。（4）总体上,不同立地类型的巨桉人工林林下植物的物种均匀度差异不显著,丘坡薄土与阶地林分之间的物种丰富度差异也不显著,但丘坡中厚土物种丰富度显著高于丘坡薄土和阶地林分。丘坡中厚土林分的多样性指数显著高于阶地林分,但丘坡中厚土林分与丘坡薄土林分之间以及丘坡薄土林分与阶地林分之间的多样性指数差异不显著。阶地立地类型的灌木层物种丰富度和多样性指数显著低于草本层,而丘坡中厚土和丘坡薄土林分的灌木层和草本层物种丰富度和多样性指数差异不显著,三种立地类型林分的灌木层与草本层物种的均匀度均较高,且层次之间差异不显著。不同立地类型之间的草本层物种丰富度、均匀度和多样性指数差异均不显著（P＞0.05）。立地类型之间的灌木层物种均匀度差异不显著,但物种丰富度存在显著差异,以丘坡中厚土最高,其次为丘坡薄土,最少为阶地林分。此外,丘坡中厚土与丘坡薄土灌木层之间的植物多样性指数差异不显著,但二者均显著高于阶地林分。（5）巨桉人工林林下植被的种间关系联结性不强,呈负联接的趋势,表明林下物种种间关系还比较松散,物种趋向于随机性,现阶段植被稳定性还不高,预示着林下物种的组成还会发生变化,种间关系还会受到立地综合因子以及上层乔木巨桉双重影响而发生变化。草本层的稳定性低于灌木层。依据χ2检验和Spearman秩相关分析的结果,灌木层植物可划分为4个生态种组,草本层植物可划分为3个生态种组。（6）巨桉人工林生态位较宽的物种灌木层有野牡丹、宜昌悬钩子、盐肤木（Rhuschinensis）等,草本层有里白、芒（Miscanthus sinensis）、艾蒿（Artemisia argyi）等。这些种群具有相对较宽的资源利用谱,具有较强的生态适应性,因而生存机会多,分布范围也较广,成为巨桉人工林林下植被的主要种群。但与此同时,它们是以牺牲对有限资源的有效利用为代价的,这也预示着其它生态位较窄的物种容易丧失。可通过抑制生态位宽度较大物种的生长或改变环境资源状态,调整不同物种的现实生态位的方法实现资源的释放,从而增加生态位宽度较窄物种的生态位宽度,使其能够在巨桉人工林中存留下来。（7）丘坡中厚土和薄土两种立地类型巨桉人工林大型土壤动物和中小型干生土壤动物密度高于阶地类型林分,而中小型湿生土壤动物密度则是阶地类型大于丘坡类型。三种立地类型林分土壤动物同功能种团均以腐食性占绝对优势,植食性比例非常低,表明栽植巨桉以后立地仍处于一种良好的结构状态。以密度-类群指数衡量的土壤动物群落多样性特征与各立地类型林分实际情况相符,表现为丘坡中厚土型林分＞丘坡薄土型林分＞阶地型林分。（8）应用PCR-DGGE技术研究不同立地类型巨桉人工林土壤细菌群落的种群结构,结果表明不同立地类型的土壤细菌多样性存在差异,以阶地类型林分的土壤细菌多样性最高,其次为丘坡中厚土林分的,最少为丘坡薄土林分。这与不同立地类型土壤动物的多样性特征不一致。调查林分没有出现微生物结构趋同的情况,并非只有特定种类的微生物才能适生于巨桉人工林土壤中。综上所述,与土层厚度、土地利用历史等密切相关的立地条件调控着巨桉人工林生态系统地上/地下生物多样性特征。这意味着,为保育巨桉人工林发展区域的生物多样性,在发展短轮伐期巨桉工业原料林时,必需在巨桉人工林区域内保留一定面积和镶嵌结构合理的乡土植被,使短轮伐期巨桉工业原料林与乡土植被之间形成景观结构合理的镶嵌体,增加物种进入巨桉人工林生态系统的机会,防止巨桉工业原料林阻碍乡土植被之间的基因流通道。但有关乡土植被与巨桉工业原料林之间的镶嵌发展模式（如乡土植被保留的面积大小、乡土植被之间的廊道、巨桉工业原料林的面积与规模等）以及工业原料林经营管理方式与立地质量的耦合作用对乡土植被生物多样性的影响等研究尚未见报道,亟待深入研究。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1 研究背景与意义
• 2 文献综述
• 2.1 生物多样性与生态系统功能
• 2.2 桉树人工林生物多样性研究进展
• 2.3 巨桉生物学特性及其在四川引种栽培
• 3 研究目标、内容及技术路线
• 3.1 研究目标
• 3.2 研究内容
• 3.3 研究技术路线
• 4 研究区域及样地
• 4.1 研究区概况
• 4.2 总体设计
• 第二章 林下植物区系特征
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 样地设置与调查
• 2.3 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 科属种组成及其多样性
• 3.2 科、属、种相似性
• 3.3 种子植物地理成分
• 4 讨论与结论
• 第三章 林下植被的数量分类
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 样方设置与调查
• 2.3 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 TWINSPAN分类
• 3.2 巨桉人工林群落层次结构分析
• 4 讨论与结论
• 第四章 林下植物物种多样性
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 样方设置与调查
• 2.3 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 林下植物成分特征
• 3.2 物种多样性分析
• 3.3 多样性指数的比较
• 4 讨论与结论
• 第五章 林下植被优势种的种间关系及生态种组的划分
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 研究地概况
• 2.2 研究方法
• 3 结果与分析
• 3.1 方法的比较
• 3.2 联结性分析
• 4 讨论与结论
• 第六章 林下植被生态位研究
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 研究地概况
• 2.2 研究方法
• 3 结果与分析
• 3.1 生态位宽度
• 3.2 生态位重叠
• 4 讨论与结论
• 第七章 土壤动物群落结构特征
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 研究区概况
• 2.3 研究方法
• 3 结果与分析
• 3.1 土壤动物群落的数量及类群组成
• 3.2 土壤动物同功能团
• 3.3 土壤动物群落的土壤垂直分布
• 3.4 土壤动物群落多样性
• 3.5 土壤动物群落相似性
• 4 讨论与结论
• 第八章 土壤细菌多样性
• 1 引言
• 2 材料和方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 研究方法
• 2.3 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 DNA的提取与纯化
• 3.2 PCR扩增
• 3.3 土壤细菌16S rDNA多态性分析
• 4 讨论与结论
• 第九章 结论与展望
• 1 结论
• 2 创新点
• 3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附表 巨桉人工林林下植物名录
• 攻读学位期间发表学术论文目录