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《山西农业大学》 2018年
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关帝山寒温性云杉次生林树种空间分布格局及其与生境相关性

闫海冰  
【摘要】:树木空间分布格局是森林生态系统多种机制交互作用的结果,与树木生态过程密切相关。生境异质性驱动作用对树木分布格局的形成有重要影响。定量分析树木空间分布格局及其与生境相关性,对探索树木格局形成的过程和深入认识种群、群落结构及其生态学机制,以及为科学解释森林生态系统生物多样性形成和维持机制具有重要意义。本文以关帝山4 hm2(200 m × 200 m)云杉次生林固定样地为平台,在样地群落学本底调查基础上,结合样地连续复查监测和实验室取样测定,主要研究了云杉次生林样地树种组成与结构、树种空间分布格局和种间空间关联、样地物种分布与生境相关性。研究分4部分进行,第一部分运用经典统计学方法进行样地物种多样性组成、物种多度、优势度和径级分布等树种组成与结构分析;第二部分运用点格局分析方法O-ring统计的成对相关g(r)函数分析样地主要乔、灌木树种的空间分布格局及其关联性,探测生境异质性对树木空间分布格局的影响;第三部分在运用地统计学的变异函数理论、RDA排序和方差分解分析土壤空间异质性及其与地形相关性的基础上,进一步运用PCA和广义可加模型(GAM)进行样地不同生活型物种分布与生境相关性分析;第四部分选取关帝山3个卫星样地(云杉次生林、杨桦林、华北落叶松林)以及长白山(温带阔叶红松林)、黑石顶(亚热带常绿阔叶林)2个大样地,补充分析比较了区域内和区域间典型森林树种的空间分布格局。主要研究结论如下:(1)云杉次生林树种组成与结构:样地内胸径≥1cm的木本植物共30种,隶属于11科22属,活个体数为26218,其中独立个体数为10266,分枝数为15952。不同树种个体数、平均胸径和胸高断面积差异较大,导致群落成层分明,各层优势种明显。乔木层第一亚层树种(包括青杆和华北落叶松)径级结构呈双峰偏正态分布,乔木层第二亚层树种(以红桦、白桦、辽东栎和花楸为主)径级呈近似正态分布,灌木层树种(以金花忍冬、毛榛、山刺玫、灰枸子、土庄绣线菊和四川忍冬为主)径级呈“L”型分布。群落结构较为稳定,林下植物更新良好。(2)主要树种的空间分布格局:完全随机条件下,青杆、华北落叶松和红桦在整个研究尺度上(0~50 m)均表现为聚集分布;白桦和辽东栎分别在0~40 m和0~42 m的尺度上呈聚集分布;花楸在0~13 m的尺度上为聚集分布;灌木树种都在大于28 m的尺度范围内呈聚集分布。这与大部分森林群落优势种群或主要种群在一定尺度呈聚集分布的规律一致。剔除生境异质性后各主要乔木及灌木树种呈聚集分布的尺度范围减小,主要呈随机或均匀分布,表现在研究的更大尺度上。可以推测,生境异质性对树种的分布格局有明显影响。(3)主要树种的种间关联性:青杆和华北落叶松这两个树种分别与红桦、白桦、辽东栎、花楸、金花忍冬、毛榛、土庄绣线菊几乎在整个研究尺度上表现为空间负关联,有利于物种更新,促进物种多样性形成。但华北落叶松与青杆,红桦与白桦、花楸和金花忍冬,青杆与四川忍冬,辽东栎与山刺玫、灰枸子和四川忍冬这些树种俩俩间彼此呈正相互作用,有利于相互促进和充分利用资源,从而保持物种稳定共存。(4)不同生活型物种与生境相关性:190个采样点的土壤因子以及海拔、坡度、凹凸度等地形因子的测定分析表明,土壤pH值、有效氮、有效磷、有效钾和有机质呈明显的空间自相关变异和空间斑块状分布格局。其中pH值、有效氮和有效磷受海拔影响较大(海拔与pH值、有效磷呈正相关,而与有效氮呈负相关),凹凸度对有效钾和有机质的影响较大(均呈负相关),地形对土壤性质空间变异的总解释量达44.79%,地形成为土壤空间变异的重要因素。地形和土壤共解释了乔木、小乔木、灌木分布的53.34%、55.65%和45.83%,其中地形因子独立解释了 8.36%、5.06%和5.48%,土壤因子独立解释了 31.12%、44.22%和32.04%,两因子共同解释的部分为13.86%、6.37%和8.31%。海拔、坡向、有效K、有效N、有效Mg对样地物种分布具有重要作用。地形、土壤等生境因子对不同物种以及不同生活型物种分布的影响有差异,这种差异有利于关帝山云杉次生林物种共存和多样性维持。(5)典型森林树种空间分布格局的比较研究:区域内种水平上的分析表明,关帝山云杉次生林树种在空间上呈现出与其在其他林型中不同的分布格局,云杉(青杆、白杆)为优势种群,呈明显聚集分布,红桦和白桦为伴生树种,呈完全随机分布;杨桦林中,青杆、白杆以伴生树种存在,以随机分布为主,优势种群红桦和白桦表现为强烈聚集分布;华北落叶松在云杉林中以小径级为主,表现为聚集分布,在落叶松林中以大径级居多,呈均匀和随机分布。区域间科水平上的分析表明,关帝山样地呈均匀分布的松科大径级个体在黑石顶样地则呈聚集分布;壳斗科在关帝山样地以中、小径级为主,呈聚集分布,在长白山样地以大径级为主,呈近似随机分布;中、小径级的壳斗科与松科在关帝山样地为空间负相关,但在黑石顶样地为正相关。综上,关帝山寒温性云杉次生林树种空间分布格局和种间关联性与生境相关,并随群落和径级结构,以及区域尺度上环境-树木生长供求关系而变化。
【学位授予单位】:山西农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S718.5

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