子午岭辽东栎种群更新机制研究

论文摘要

黄土高原子午岭林区的人工林存在物种组成单一、自然更新差、乡土树种难以自然侵入等生态学问题,影响着该地区植被的正常恢复和物种多样性的维持以及森林生态系统服务功能。如何促进乡土树种向人工林入侵,以改善人工林群落结构,加速其演替进程,是植被恢复工作亟待解决的课题。因此深入研究乡土树种的更新机制,尤其是在人工林下定居过程中的限制因素则显得必要而迫切。辽东栎（Quercus wutaishanica）是暖温带落叶阔叶林地带性植被类型的主要树种,作为子午岭林区的主要乡土树种和气候顶极群落的建群种,其幼苗的补充更新影响着森林群落的结构及物种组成,对该地区的人工林改造意义重大。本研究将群落学调查、野外控制性播种实验和室内栽培实验相结合,通过对幼苗空间分布、生长状况及微生境指标的监测,对辽东栎在不同生境（油松（Pinus tabulaeformis）林、辽东栎林、撂荒地）中的幼苗补充过程展开研究,旨在确定其在不同生境中的补充限制类型,筛选幼苗定居过程中的关键生态因子,进而揭示辽东栎在本地区的更新机理,探讨黄土高原人工林向气候顶极群落演替的可能性,从而为“补充限制理论”提供新的实验证据,为黄土高原人工林的合理化改造提供科学理论依据。本文围绕辽东栎种群的更新问题,对不同生境中辽东栎实生幼苗及微生境的空间异质性、幼苗在不同生境及不同生态因子作用下的定居过程、生物量分配、生化它感作用等进行了研究,得到以下结果：1)辽东栎幼苗为子午岭林区乔木更新层中的优势物种。通过对子午岭林区植被的全面普查,发现在本地区所有乔木树种中,辽东栎幼苗出现频率较高,在全区各种森林群落中均有分布,但其密度在不同群落中存在较大变异性。2)在辽东栎林和人工油松林林下,辽东栎幼苗空间分布格局均呈聚集型,但聚集尺度和相关微生境因子存在较大差异。应用变异函数分析辽东栎林及人工油松林中的辽东栎幼苗空间分布数据,结果显示：在辽东栎林中,幼苗在1-5.94 m范围内存在空间自相关性;人工油松林中,幼苗在1-1.94m范围内存在空间自相关性。应用前向选择法、DCCA排序等方法筛选14个环境因子,结果表明：栎林下,对辽东栎幼苗空间分布贡献较大的为枯落物厚度（LT）、土壤速效钾（K）含量、土壤温度（T）；油松林下,对辽东栎幼苗空间分布贡献较大的为土壤湿度（H）、土壤酸碱度（pH）、土壤有机质（O）。3)通过对野外播种实验建立的辽东栎幼苗同生群为期三年的监测,编制了动态生命表并进行了生存分析。结果表明：①在三种生境（辽东栎林、人工油松林、灌草丛）中,辽东栎幼苗存活曲线大致呈Deevey-Ⅱ型,幼苗在郁闭的森林生境中存活率显著高于灌草丛群落。②森林生境中,辽东栎幼苗在出苗后第三年春季出现死亡高峰期,幼苗平均生命期望值为23个月。③灌草丛生境中,辽东栎幼苗在出苗后第二年春季出现死亡高峰期,幼苗平均生命期望值为15个月。4)在三种典型生境（辽东栎林、人工油松林、灌草丛）中,设置3因素（种子、干扰、遮荫）两水平的播种实验。结果表明：①辽东栎种群的补充更新受到了种子可用性和微生境可用性的双重限制；②郁闭林冠下,枯落物是导致微生境限制的主要因素之,灌木对辽东栎幼苗的补充无显著影响；③灌草丛生境中各种处理方式均不能增加幼苗的补充量,表明辽东栎无法在开阔生境（强光照、干旱）中定居。④根据幼苗生长指标判断,在三种生境中,人工油松林林下是辽东栎幼苗早期生长的最佳场所。5)室内栽培实验显示：①在第一生长季中,辽东栎根系的生长分为两个主要阶段,播种后60-90 d内是其快速生长期。②子叶干重随幼苗发育持续下降,出苗90 d后,子叶干重不再下降；③叶干重在出苗后持续增长,而茎干重在出苗90 d后不再增长。④光合作用固定的能量在出苗后第一年8、9月份开始向地下根系转移。⑤枯落物厚度对辽东栎出苗量产生显著影响,3 cm枯落物覆盖厚度为最佳条件；5 cm厚度将对出苗量产生明显抑制作用,在此条件下最终成活幼苗的子叶干重明显下降,可能对后期幼苗定居过程产生不利影响。⑥高浓度（1：10）的油松林林下枯落物浸提液对辽东栎幼苗建成有不利影响,主要表现在对幼苗高度和地上、地下生物量的抑制效应,但对整体出苗量并无显著影响。综上所述,辽东栎作为子午岭林区乡土树种中的优势物种,其实生幼苗具备在人工油松林等郁闭森林生境中成功定居的能力,且在油松林下表现出了较好的生长状态。人工油松林生境中,辽东栎种群的更新受到种子和微生境可用性的双重限制,缺乏种源和较厚的枯落层是造成其在此生境中更新困难的主要限制因素。建议在人工油松林改造时,对林下枯落层进行扰动,并保留林中灌木层和下木层保持生境具备一定的遮荫条件,以促进辽东栎种群的实生更新。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 森林更新研究的基本模式
• 1.3 研究综述
• 1.3.1 验证补充限制的客观存在性
• 1.3.2 补充限制与群落多样性
• 1.3.3 补充限制类型
• 1.3.4 种子限制
• 1.3.5 微生境限制因子
• 1.4 特色与创新
• 第2章 区域概况及样地设置
• 2.1 区域概况
• 2.2 样地概况
• 2.3 样地设置
• 第3章 辽东栎幼苗及微生境的空间格局特征
• 3.1 引言
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 森林群落更新层基本特征调查
• 3.2.2 空间分布格局数据采集
• 3.2.3 幼苗空间格局及自相关性分析
• 3.2.4 微生境因子与幼苗格局的相关性分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 乔木更新层基本特征
• 3.3.2 辽东栎幼苗空间分布特征
• 3.3.3 微生境异质性
• 3.3.4 微生境异质性与幼苗空间格局的关系
• 3.4 讨论
• 3.4.1 乔木更新层
• 3.4.2 幼苗空间格局
• 3.4.3 微生境
• 3.5 小结
• 第4章 不同生境下辽东栎幼苗定居限制
• 4.1 引言
• 4.2 研究方法
• 4.2.1 样地设置
• 4.2.2 实验设计
• 4.2.3 数据分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 幼苗存活及生长
• 4.3.2 三种因素对出苗及幼苗补充的影响
• 4.3.3 补充限制
• 4.4 讨论
• 4.4.1 幼苗生长及死亡
• 4.4.2 枯落物及灌丛对幼苗的影响
• 4.4.3 补充限制
• 4.4.4 森林抚育
• 4.5 小结
• 第5章 幼苗生长特性及其对环境因子的响应
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 辽东栎幼苗特征
• 5.3.2 生物量分配
• 5.3.3 枯落物厚度
• 5.3.4 针叶浸提液
• 5.4 讨论
• 5.4.1 生物量分配
• 5.4.2 枯落物厚度对幼苗的影响
• 5.4.3 它感作用对幼苗的影响
• 5.5 小结
• 第6章 主要结论
• 参考文献
• 在学期间研究成果
• 研究项目经历
• 致谢