（森林经理学专业论文）辽东山区森林生态自我修复效果的研究.pdf

辽东山区森林生态自我修复效果的研究 杨波 指导教师：孙学刚 摘要 针对辽东山区的新宾县、桓仁县和宽甸县水土流失现状及特点，确定了辽东山区水土 保持林生态自我修复的指导原则和修复途径，提出了退化农业尘态系统的修复对策。并运 用生态学、十壤学、植物学、水土保持学等多学科原理和方法，采用定位观测与室内分析 桐结合的方法，测度了落叶松人t ：林、红松人1 ：林、撂荒地、低效天然次隹林和沙化蚕场 等不同修复年限的恢复效果以及上壤恢复与植被恢复之问的关系，试图为辽东山区的水十 保持生态自我修复工程实践提供科学依据。研究结果如下： 1 在辽东山区，封育措施是生态修复的种有效途径，在不同的封育方式下，其乍 态环境均有明显的改善。在落叶松人工林中，随着修复时间的延长，随着林龄的增加，落 1 1 i 。松人工林的凋落物晟和持水总量表现出明显的增加趋势。红松人t 林巾，随着修复时间 的延长逐渐提高，凋落物蓄积量和持水总量增加，森林涵养水源和水土保持功能增强。天然 栎林盔修复期问，植物多样性和群落均匀度、林下植被生物量增加。随着撂荒时间的增加， 撂荒地的林下植被生物量逐渐增加，凋落物层量与持水总量增加。退化严重的三类蚕场修复 l5a 后，群落植物多样性、林下植被生物量和密度均接近一类蚕场。 2 在修复时间相同的情况下，不同寸：地利刚方式的修复效果不同。当修复时f 司同为1 5 a 时，在撂荒地、落叶松人工林和修复蚕场中，以撂荒地的植物恢复效果为最好。落叶松 人【：林的林卜- 植被生物量、物种多样性低于修复蚕场。 凋落物蓄积量表现为落叶松人工林( 1 1 08 2x1 0 3 k g h m 2 ) 撂荒地1 5a ( 3 45 7x 1 0 3 k g h m 2 ) 蚕场1 5a ( 1 93 3 x1 0 3 k g h m 2 ) 。持水总量为撂荒地( 8 8 8 4 t 0 3 k g h m 2 ) 蚕场( 3 83 3x1 0 3 k g h m 2 ) 落叶松( 1 7 48 8 1 0 3 k g h m 2 ) 。当修复时间为3 5a 时，落 叶松人一林、红松人1 二林和天然栎林三种类型的森林生态系统中，以天然栎林的恢复顿果 为最优。落叶松人工林的植被物种多样陛指数、林f 植被生物量、土壤有机质含量比红松 人i 林筒，凋落物蓄积量依次为落叶松人r 林( 6 64 8 1 0 3 k g h m 2 ) 天然栎林( 6 0 1 8x 1 0 3 k g h m 2 ) 红松人l ：林( 5 24 6x 1 0 3 k g h m 2 ) 。持水总黾为天然栎林( 1 6 99 1x 1 0 3 k g h m 2 ) 红松( 1 1 52 0 x1 0 3 k g h m 2 ) 落叶松( 1 0 65 8 1 0 3 k g h m 2 ) 。 3 窿辽东山区的森林生态系统的生态自我修复的众多恢复变量【f 】，森林植被的群落 物种多样性指数、林f 植被生物量和土壤有机质占重要地位，是水土保持生态自我修复的 土导敬应变量。生态优势度、土壤速效氮、为中等主导效应变量。退化生态系统的修复依 次受到植物、土壤及凋落物因子的影响。不同修复，j i 式卜生态系统恢复效果依次为天然栎 林 撂荒地 蚕场 红松人工林 落叶松人工林。在人上林中，生态系统恢复的限制冈子主要 为植被因素，包括植物多样性和林卜- 植被生物量。 关键词：辽东e l f 区；生态修复；退化生态系统；植被恢复 s t u d yo nt h ee f f e c t so fe c o l o g i c a ls e l f - r e h a b i l i t a t i o no ff o r e s t s i nt h ee a s t e r nl i a o n i n gm o u n t a i n o u sr e g i o n y a n g b o t u t o r ：s u nx u e - g a n g s u m m a r y a i m i n ga tp r e s e n tc o n d i t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs o i la n dw a t e rl o s so fx i n b i n ，h u a n r e n a n dk u a n d i a nc o u n t yi nt h ee a s t e r nl i a o n i n gm o u n t a i nr e g i o n s ，i n s t r u c t i n gp r i n c i p l e sa n d m e t h o d so f e c o l o g i c a ls e l f - r e h a b i l i t a t i o nw e r ec o n f i r m e d ，p r o v i d i n gt h er e h a b i l i t a t i o ns t r a t e g yo f d e g r a d a t i o no fa g r o s y s t e ma p p l y i n gt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fe c o l o g y , p e d o l o g y , b o t a n y a n dw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o na n da d o p t i n gt h em e t h o do fc o m b i n a t i o no ff i e l ds u r v e ya n d a n a l y s i so fi n t e r i o ra r e a ，t h er e h a b i l i t a t i o ne f f e c t so fd i f f e r e n tt i m es t a g e sa n dr e l a t i o nb e t w e e n v e g e t a t i o na n ds o i ld u r i n gt h er e h a b i l i t a t i o nc o u r s eo fl a r c hp l a n t a t i o n ，k o r e a np i n ep l a n t a t i o n ， n a t u r a lo a kf o r e s t ，c u l t i v a t e dl a n d ，d e r e l i c tf i e l da n ds i l k w o r mr e a r i n gy a r dw e r em e a s u r e dt ot r y t op r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rs e l f - r e h a b i l i t a t i o ni nt h ee a s t e r nl i a o n i n gm o u n t a i nr e g i o nt h e r e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： 1 i tw a st h o u g h tt h a te x c l u s i o nw a sa ne f f e c t i v em e t h o do fe c o l o g i c a lr e h a b i l i t a t i o n t h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yu n d e rd i f f e r e n tm e t h o d s i nm a n u a ll a r c hf o r e s t ， w i t he x t e n d i n gt i m eo fr e s t o r i n ga n dt h ea g ei n c r e a m e n to ft h e s et r e e s ，i n c r e a s i n gt r e n do ft h e c o n t e n to fc o n g l o m e r a t i o ni nt h ef i e l do ff o r e s ta n dc a p a c i t yo fl a n g u i s ha c c u m u l a t i o na n d h o l d i n gw a t e ra p p e a r e d i nm a n u a lr e dp i n et r e ef o r e s t ，w i t he x t e n d i n gt i m eo fr e s t o r i n g ，t h e o r g a n i s mi nt h es o i li n c r e a s e sa n dc a p a c i t yo fl a n g u i s ha c c u m u l a t i o na n dh o l d i n gw a t e rr i s e s s e l f - r e s t r a i n to fw a t e ra n dn a t u r a le n v i r o n m e n tm a i n t a i n i n gf u n c t i o na r ei m p r o v e dd u r i n gt h e r e s t o r i n gp e r i o do fs a v a g e o a kf o r e s t ，d i v e r s i t yo ff o l i a g e ，u n i f o r m i t yo fc o m m u n i t ya n d u n d e r - f o r e s tv e g e t a t i o ni n c r e a s e dt h ec o n t e n to fc o n g l o m e r a t i o na n do r g a n i s mi nt h es o f ti s r a i s e dw i t ht h ep r o l o n g i n go fr e s t o r i n gt i m ea n dt h et o t a lc a p a c i t yo fl a n g u i s ha c c u m u l a t i o na n d h o l d i n gw a t e ri n c r e a s e a f t e r15 ar e s t o r i n go ft h r e ek i n d so fs e v e r ed e g e n e r a t e ds i l k w o r mf i e l d ， c a p a c i t yo f u n d e r - f o r e s tv e g e t a t i o na n dd e n s i t yg o tc l o s et ot h ef i r s t c l a s s & s i l k w o r mf i e l d 2 u n d e rt h es a m et i m eo fr e h a b i l i t a t i o n ，d i f f e r e n tm e t h o d so fl a n du t i l i z a t i o nh a dd i f f e r e n t e f f e c ta f t e r15 ar e s t o r i n g ，t h ee f f e c to fd e r e l i c tf i e l dw a st h eb e s tt h eu n d e r - f o r e s tb i o m a s sa n d s p e c i e sd i v e r s i t yo fm a n u a ll a r c hf o r e s tw e r el o w e rt h a nt h eo n e so f s i l k w o r mf i e l d c a p a c i t yo fl a n g u i s ha c c u m u l a t i o nr e p r e s e n t a t i o n i sm a n u a ll a r c hf o r e s t ( 1108 2t - h m 。) l e f t d e s o l a t i o n f i e l d1 5a ( 3 45 7 t h m 2 ) s i l k w o r m f i e l d1 5a ( 1 93 3 t - h m 。) , t h eo r d e r o f c a p a c i t y o f h o l d i n gw a t e ri sl e f t d e s o l a t i o nf i e l d ( 8 88 4t _ h m 2 ) s i l k w o r mf i e l d ( 3 83 3t h m 一2 ) l a r c h f o r e s t ( 17 4 8 8t h m 一2 ) w h e nt h er e s t o r i n gt i m ei s35 a 、a m o n gt h et h r e ek i n d so ff o r e s tz o o l o g y s y s t e mo fm a n u a ll a r c hf o r e s t ，m a n u a lr e dp i n ef o r e s ta n dn a t u r a lo a kf o r e s t ，t h ee f f e c to f r e s t o r i n go fn a t u r a lo a kf o r e s tw a st h eb e s te x p o n e n to fv e g e t a t i o na n ds p e c i e sd i v e r s i t y , t h e a m o u n to fv e g e t a t i o nu n d e rf o r e s ta n dt h ea m o u n to fo r g a n i s mi nt h es o i lo fm a n u a ll a r c hf o r e s t w a sh i g h e rt h a nt h a to fm a n u a lr e dp i n ef o r e s tt h eo r d e ro ft o t a lc a p a c i t yo fl a n g u i s h a c c u m u l a t i o ni sm a n u a ll a r c hf o r e s t ( 6 64 8t h m 一2 ) n a t u r a lo a kf o r e s t ( 6 018tr h m - 2 ) m a n u a lr e dp i n ef o r e s t ( 5 24 6t h m 一2 ) 3 a m o n gt h eag r e a ta m o u n to fr e s t o r i n gv a r i a b l e s ，e x p o n e n to fv e g e t a t i o nd i v e r s i t y , t h e a m o u n to fv e g e t a t i o nu n d e rf o r e s ta n dt h ea m o u n to fo r g a n i s mi nt h es o i la r et h em o s ti m p o r t a n t f i g u r e sa n da r et h el e a d i n ge f f e c t i v ev a r i a b l e s o ft h es e l f - r e s t o r i n go fn a t u r a le n v i r o n m e n t e c o l o g i c a ld o m i n a n c ea n dq u i c k - c o m e o u tn i t r o g e ni nt h es o i la r et h em i d d l el e a d i n ge f f e c t i v e v a r i a b l e s t h er e s t o r i n go fd e g e n e r a t i o ne c o s y s t e mi sa f f e c t e db yp l a n t s ，s o i la n dl a n g u i s hf a c t o r i nt u r ni nd i f f e r e n tm e t h o d so fr e s t o r i n g ，t h er e s t o r i n ge f f e c to fz o o l o g ys y s t e mi si nt h eo r d e ro f n a t u r a lo a kf o r e s t l e f t d e s o l a t i o nf i e l d s i l k w o r m m a n u a lr e dp i n ef o r e s t m a n u a ll a r c h f o r e s ta m o n gt h em a n u a lf o r e s t s ，t h em a i nr e s t r i c tf a c t o r so fr e s t o r i n gn a t u r a le n v i r o n m e n tw a s v e g e t a t i o nf a c t o r , i n c l u d i n gp l a n td i v e r s i t ya n dt h ea m o u n to fv e g e t a t i o nu n d e r t h ef o l e s t k e yw o r d s ：t h em o u n t a i n o u sa r e a o ft h ee a s to fl i a o n i n gp r o v i n c e ：s e l f - r e s t o r a t i o n ； d e g e n e r a t i o no fe c o s y s t e m ；v e g e t a t i o n a lr e s t o r a t i o n 胃l j 舌 生态环境的日益破坏已经严重影响了国民经济和社会的发展，成为目前全球雨i 临的最 为严峻的环境问题之利制约社会发展的重要因素之。其中，水 ：流失是生态退化的 要形式和直接后果。，由于大嘶积植被破坏而产乍的水土流失及其造成的土壤养分流失、十 地贫瘠化、水源枯竭，不仅严重降低了当地的生态环境质量，还常常给下游地区的经济、 社会牛活造成更大的危害。令世界现有水土流失面积2 5 x 1 0 s k m 2 ，占伞球陆地面积的1 6 8 。每年流失土壤高达2 5 7 亿t ，因水土流失造成的贫瘠化土地已达3 3 5 x 1 0 0 k m 2 。仅美 国每年因水土流失氮、磷、钾就分别达到8 2 0 万t 、6 万t 和2 0 0 万t ，因此造成的经济损 失达到5 0 亿美元( 刘双进，1 9 9 0 ) 。中国是世界上水上流失最为严重的国家之一，2 0 0 2 公布 的全国第：次遥感调查结果表明，巾国水土流失面积已达3 5 6 万k m 2 ，a - 国上面积的3 7 。 由于水土流失、生态系统结构与功能退化所引发的一系列环境阿题对人类社会的持续乍 存、困民经济和社会的可持续发展所构成的严重威胁和制约，恢复已退化的生态系统己成 为当代人类社会普遍关注并亟待解决的重要课题之。人类社会越来越深刻认识到恢复植 被、保持水土、改善生态环境的重要性，而植被恢复是水土保持t 程最为有效的技术途径， 同时也是退化生态系统结构与功能得以全面恢复的前提。 1 文献综述 1 1 恢复生态学的基本概念与原理 生态恢复( e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ) 中的恢复，是指某类退化生态系统( 受损生态系统) 在结构变化或损害未超过一定阂值的情况卜i ，解除十扰和压力后，恢复到原有的群落结构、 自然物种的组合及e 态功能的过程或人类为此所作出的努力。所谓“原有”的特征是相对 而言的，即使在最为理想的条件下，完全恢复也是0 i 可能的：恢复的取向及兑难易程度则 取决于生态系统结构所发牛的变化幅度与其所能承受的变化限度。由于自然因素所造成的 生态系统暂时的、局部的损伤或退化，。般可以通过生态系统内部一系列自我调节过程复 原本来的生物类群、群落结构，甚至相同的物种组成。然而，这种自我复原能力非常有限： 那砦因为持续存在的人类活动干扰和破坏而导致严重损伤和退化的生态系统就难以复原， 其许多原有物干4 t 由于丧失r 赖以牛存的物理环境或营养米源，并在大尺度范同内消失，茈 失了物种繁殖体米源( 种源) ，这种情形f 的自然群落的恢复可能滞后数卜年甚至数阿年。 如果对生态系统现有状态进行改善，替换为另 种符合人类所期嘎的 三态系统类型，其结 果使生态系统进一步远离其初始状态，即所谓重建( r e h a n c e m e n t ) 。 答于匕述不同情形，恢复f 物群落和生态系统的主要途径可有四种选择：4 i 采取任何 行动，任其自我恢复到干扰、开发或破坏前的初始状态；人量引进原有物种，尤其是栽培 和种植原有的植物物种，恢复到原有的物种组合与结构；复原至少。部分生态系统功能以 及一部分原有物种；替换为另一种具有较高生产力的生态系统类型。此外，在实践上，生 态恢复i f 戈0 还必须考虑到恢复速度、所需费片j 、恢复结果的可靠性与持续性、技术要领以 及后期维护上的劳力、物力投入。生态恢复成功与否的关键因素之一是：这个计划是否既 满足当地社会群体的需要，又能满足生境恢复的需要。植物是陆地生物群落的主体，为其 它生物类群提供了多样化的栖息地和营养源，因此，植被恢复是陆地生态系统恢复的关键 举措。 森林植被的生态恢复，就是综合运用恢复生态学原理、生态系统工程与森林培育技术， 最大限度地减少或解除丁扰因素的强度、频率及持续时间，甚至解除干扰压力，保护并扩 大森林资源，保持森林生态系统健康。其基本内涵包括：充分遵循自然规律，挖掘现实森 林植被及潜在森林植被中所蕴藏的自我调节、自我更新的巨大潜力，充分体现树种与环境、 树种与树种之间互利共生原理，灵活运用森林抚育更新技术措施，建立树种间、树种与根 状真菌等其它生物组分问、树种与环境间、人与森林间的和谐关系；根据森林植物群落演 替的过程和阶段，将积极而有益的人为干预同充分发挥森林与环境的自然潜力紧密结合， 缩短森林植被恢复与重建周期，扩展森林生态系统尺度规模，优化森林生态系统结构，提 高森林生态系统自我维持能力、植被生产力和生态效能，保持森林生物多样性及正常的生 态过程。 1 2 恢复生态学的研究进展 恢复生态学扛要致力于那些在自然灾变和人类活动压力f 受到破坏的自然生态系统 的恢复与重建，研究生态系统退化的原因、退化生态系统恢复与重建的技术和方法及其生 态学过程和机理。它所应用的是生态学的基本原理，尤其是生态系统演替理论。恢复生态 学研究起源于1 0 0 多年前后山地、草原、森林和野生动物等自然资源的管理研究 f j o r d a n e t a l + 1 9 8 7 ) ，并于2 0 世纪8 0 年代迅速发展起来成为现代应用生态学的一个分支 最早开展恢复生态学实验研究的是l e o p o l d ，他于1 9 3 5 年在威斯康星大学植物园中恢 复了一个2 4 b m 2 的草场，并发现了火在维持及管理草场中的重要性( 任海等，2 0 0 1 ) 英， 美，澳大利亚等发达国家最初在恢复生态学方面的工作主要集中在开矿后废弃地植被的恢 复，“恢复一 三态学”一词最初源，二此其中水土保持、森林砍伐后再植的理论。j 方法在恢 复# 态学中一直沿用至今( j o r d a u c l d ，1 9 8 7 ) 。2 0 世纪8 0 年代以来，随着各类生态系统的日 益退化以及相继引起的环境问题的加剧，研究首们开始注重不同退化生态系统恢复重建的 研究和实践，并实施丁一系列大的生态恢复工程( 包括不同采矿废弃地、湿地、草地、森林 的生态恢复) ，在生态恢复的实践巾，开展r4 i 吲受害生态系统恢复与重建的研究。在日本， 宫胁昭教授从7 0 年代开始在日本些城市开展了建设环境保护林的研究，利用当地乡土 树种进行营养钵育苗，在较短时间内建立起适应当地气候的顶级群落类型，这一方法取得 了硅著成效，得到了世界公认( 钦佩，1 9 9 8 ) 。 8 0 年代以后，世界各国分别针对各种情况开展了系列生态恢复和重建工程，如美国 1 9 8 5 年成立的“恢复地理”组织，先后组织了一系列森林、草地、海岸带、流域、湿地等 生态系统的恢复实践活动；近年来，国外在有关土地利用及土壤恢复的研究较多，其次是 有关森林恢复和草地、河流、湖泊以及湿地恢复，采矿废弃地和特殊污染环境的生态恢复 也占较大比例，还包括关于灌丛、荒漠、海岸以及城市等生态恢复方面的研究。 在2 0 世纪5 0 年代末，我国有关专家开始注意到资源，= f i 合理利用及由此产生的生态 环境问题，但直到8 0 年代初，开始对资源质和量评价方面开展工作，也提出过有关退化 生态系统恢复方面的问题，井进行了零散的小规模的恢复试验。8 0 年代以后，特别是近些 年来，生态退化、环境污染等问题已日益成为困扰我国农业持续发展的重要因素，山此引 起了有关政府部门和相关科学家的关注和重视最早进行的是有关农田生态系统的土地退 化和土壤退化研究，主要针对水土流失、风蚀沙化、草场退化及盐渍化对农林牧业的危害 进行，也包括岩化、裸土化、砾化、土地污染及肥力贫瘠化等问题( 金争平，1 9 9 2 ；赵桂久 等，1 9 9 3 ；吴孝钦等，1 9 9 8 ；史德明等，1 9 9 6 ) 。近期，有关生态系统退化及恢复的研究除 继承前期的研究内容外，重点逐渐转移到区域退化生态系统的形成机理、评价指标及恢复 重建的研究上( 赵其陶，1 9 9 5 ；章家恩，1 9 9 8 ) 。 草地生态系统的退化及恢复改良研究，5 0 年代以来，主要集中在有关的理论及防治退 化的措施和手段。真正把草地生态系统的退化与环境、生物多样性保护联系起来，进行专 业性的退化机理及其恢复机制的研究则是近些年才开始的。主要研究内容包括草地退化的 机理，各类退化草地恢复改良及优化生态经营模式的研究( 李建东，1 9 9 7 ) 。 此外，我国还在采矿废弃地、湿地的恢复重建方面开展了研究( 任海等，2 0 0 【) 。我国 已经在开展的许多重大生态工程，如水土流失综合治理、沙漠治理、生态脆弱带综合整治 及荒山绿化等都是生态恢复的l 作，这些生态工程的实施将促进我国生态恢复和重建理论 的总结和提高。 有关对退化森林生态系统的研究，在我国起步较早。从1 9 5 9 年开始，中国科学院华南 植物研究所组织多学科多专业的科研人员在“东沿海侵蚀地1 ：开展了热带、皿热带退化生 态系统恢复与重建的长期定位研究。总结出r 国内外先进的榘水区法、植被恢复三；= = 步法和 时空替代法等行之有效的方法：沦汪了热带极度退化生态系统经过人：r 启动得以恢复的可 行性：筛选了一批先锋树种和林分改造的优良品种：探讨了生物多样性与生态系统稳定性 的关系，论证了植物多样性是森林生态系统稳定性的基础。温带地区森林植被的恢复与重 建主要是工程性的，如大丽积人工防护林建设( 周跃，1 9 9 9 ：周跃等，2 0 0 0 ；吴孝钦等，1 9 9 8 ) 。 研究重点主要在荒漠区，目前在气候变迁过程中的森林消失问题、种质量资源、水分生态、 抗旱造林、灌木林固沙等方面开展了研究，在荒漠生态系统受损与恢复的动力学机制、沙 区引种樟子松和沙生灌木以及通过短期有限灌溉重建胡杨、红柳等绿洲植被的技术等方 面取得了重大进展( 黄培佑，1 9 8 6 ) 。 在生态系统退化导致的系统结构和功能的全面退化以及随之而来的系统环境的恶化 中，土壤退化是一个重要方面。土壤是陆地生态系统存在的基本条件，要构建和形成个 稳定平衡的生态系统，就必须拥有一个稳定、成熟的土壤环境。一旦生态系统受到干扰， 自我维持能力下降，就会出现不同程度的水土流失、养分淋溶、土地退化，严重时可导致 壤极度退化形成裸地而寸草不生。土壤退化不但是生态退化的直接结果，同时它又降低 了生态系统自我恢复和抵抗外来干扰的能力，加速生态退化速率。因此许多学者都认为抑 制土壤退化利促进土壤环境的恢复是实现生态恢复的关键之一( 岑慧贤等，1 9 9 9 ；彭少鳞， 1 9 9 6 ，余作岳等，1 9 9 6 ) 。 对于土壤退化的研究，主要集中在土壤的退化分类，各种退化类型面积的估算l 二( 赵其 国1 9 9 5 ) 。土壤环境质量的恢复研究主要集中在人工植被恢复与土壤恢复的双向互动关系 研究上，不同先锋恢复树种及人工林是研究较多的一个内容。国内外研究重点普遍是比较 不同人 林群落在土壤物理性质和化学性质的改良作用。如在澳洲进行桉树间的土壤改良 恢复效应( e v e re la l ，1 9 9 6 ) ，我国马尾松、桉树、马占相思、杉木等树种( 焦如珍等，1 9 9 7 ) 以及北方地区的油松、胡枝子、刺槐等对土壤恢复效应( 沈慧，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ，盛才余，2 0 0 0 ) ： 另一类研究则集中在不同植被类型对土壤某项肥力指标恢复的影响( 李贵才，2 0 0 1 ：杨万勤 等，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 。也有。些研究针对生物多样性对土壤性质的影响展开的( 杨小波等，2 0 0 2 ： 吴彦，2 0 0 1 ) 。以七这些研究表明，群落植被变化和土壤性质的变化，特别是与j i 壤肥力的 变化有着极其密切的关系。相对而言，从另个角度来研究植被与土壤互动关系，即t 壤 因子对植被恢复、群落演替以及群落生物多样性的影响的研究比较少。 综合国内外的研究工作可以发现，恢复生态学的研究领域广泛，但主要集中在人工修 复对退化生态系统的恢复上，如人工林的种植及先峰树种对生态环境的影响等，而对于生 态自行恢复的研究很少。对j 二植被恢复与十壤恢复的互动关系研究较少，并且丰要集中在 澳洲、北美以及我国的华南、华北等地开展的人工林，同时，这些研究大多数都集中在不 同植被对土壤物理和化学性质的改良效应【j ，很少从土壤、植被两个角度同时研究某一特 定地域内，在 个较长的恢复演替的时间尺度上的生态环境的变化。这样很难完全揭示在 自然状态下生态系统恢复过程及其变化规律。 2 研究区概况 21 自然概况 辽宁东部山区是指丹东一岫岩一大石桥以北，长春大连线以东广大地区，包括丹东， 抚顺，本溪三个市的全部，鞍山，铁岭，辽阳等3 市的部分地区，共计3 2 个县，土地面 积2 4 3 69 4 万亩，占全省土地面积的3 53 。 辽东山区属于低山丘陵，由几条n e s w 走向山脉构成，自北向南有大黑山，吉林哈 达岭山脉，千山山脉和老爷岭i h 脉，地势由北向南逐渐升高。大黑山山脉由吉林伸向昌图 与西丰之间，海拔一般在2 0 0 4 0 0 m ，吉林哈达岭位于西丰与清源之间，是清河，柴河等河 流的发源地，海拔一般在3 0 0 6 0 0 m ，个别t l i 峰达1 0 0 0 m 左右。大黑山山脉与吉林哈达岭 山脉之问古生代花岗岩出露广泛，形成缓坡低山宽谷丘陵。龙岗山脉分布在清源与新宾之 间，是苏子河与浑河的发源地，海拔3 0 0 8 0 0 m ，由太古代的变质岩，混全花岗岩和侏罗纪 的酸性火山岩无能成。最高峰钢山，海拔1 3 4 7 m ，为辽宁和吉林的界山，千山山脉北段近 东西走向延伸在本区中南部的桓仁一宽甸、本溪一风城等县的交界一带，山脊部多由燕山 期花岗岩构成，海拔一般在4 0 0 - - 9 0 0 m ，1 0 0 0 m 以上的中山有几十座，最高峰花脖山海拔 为1 3 3 6 m ，相对高度为6 0 0 - - 9 0 0 m ，山坡陡峭，河谷狭窄，属深切割的低中山地，是辽宁 省的屋脊，成为浑河、太子河与鸭绿江流域的分水岭。在千山山脉的北段，乱石窑地貌分 布广泛。 本区属j 二温带湿润的季风气候，年降水丰富，除西丰县年降水为7 5 0 m m 外，其它地 区在8 0 0 - - 1 2 0 0 m m 之问。年均气温5 - 8 c ，土壤多为暗棕壤和棕壤，还有少量草甸土。由 于该区以坡地为主，且地势陡峭，土层厚度普遍较薄。全区属长白植物区系，地带性植物 群落是以红松为主的针阔混交林。 本地【x 是辽宁中部地区内陆河流的发源地，是辽宁中部城市群和工农业基地的生态屏 障和丰要水源涵养区，全省8 3 的水资源f 1 这个地区供给。同时，咳区是辽宁省重要的木 材和多种林产m f l - t ：。产基地。冈此，本区对辽宁中部地区以至全省小仅发挥着非常重要的乍 态服务功能，而且肩负着协调和保障全省经济发展的双重使命。 2 2 社会经济概况 辽东山区2 0 0 0 年g d p 总值为5 4 13 1 亿元，占全省g d p f l 5 4 3 ，4 亿) 的3 50 7 ，可 见该区的经济发展对全省经济的可持续发展具有重要的决定作用。该区域具有丰富的自然 资源，包括林业资源、煤矿、铁矿、镁矿、金矿、玉石矿等多种矿产资源。然而该区经济 并不发达，2 0 0 0 年人均纯收入只达到2 8 9 5 元。目前该区经济结构以工业为主，农林业为 辅，但工业生产对资源、能源的依赖性过高，随着近年来资源趋于枯竭，经济发展也趋亍二 缓慢，许多资源型城市( 如抚顺、本溪) 迫切需要进行经济转型。而近年来依托独特的自 然景观不断壮大的旅游经济正在日益受到人们的关注，并成为辽东山区经济发展的一个新 的增长点。 3 研究内容与方法 31 研究内容 ( 1 ) 生态修复区不同修复方式f ( 人工落叶松林、人工红松林、撂荒地、大然次生 栎林及蚕场) 主要生态系统类型在生态修复过程中植被组成结构、林下生物量动态变化规 律： ( 2 ) 生态修复区不同修复方式下主要生态系统类型在生态修复过程中凋落物量及其 持水性能的动态变化规律； ( 3 ) 影响生态修复区退化生态系统在自然恢复过程的主导因子和限制因子。 ( 4 ) 生态自我修复过程中森林植被恢复效应和对策。 3 2 研究方法 3 21 植被调查 ( 1 ) 乔木层调查：选取1 0 m x l o m 样方测量树木的种数、株数、平均胸径，平均树高 和郁闭度。 ( 2 ) 灌木层调查：选取5 m x s m 样方调查灌木的种类、数目、高度、冠幅和盖度。 ( 3 ) 草本层调查：选取2 m 2 m 样方进行植被的种类、种数，每种个数和高度、盖度 等调查。 32 2 林下植被生物量测定 将草本植物齐地面剪下，1r n 以f 灌木采集地面部分，6 0 。c 下烘t - - 至恒重。 3 2 3 植物群落结构组成调查 ( 1 ) 物种多样性 采用s h a n n o n w i e n n e r 指数，它适用于面积相对较小的样方f 王献溥，1 9 9 4 ) 。 h = 一只1 0 9 ：只 j = 1 式中：p 为相对多度p i = ，j 。眺，n 为总个数，“为第i 种个体数。 ( 2 ) 生态优势度 生态优势度是群落水平的综合数值，它是把群落作为一个整体，而把各个种的重要值 综合为一个合适的度量值以表征群落的组成结构。 d = k “一1 ) n ( n 一1 ) ( 3 ) 群落均匀度 群落物种均匀度是表达群落稳定性的指标，是多样性表达的辅助指标。由于当群落中 种的数量和总个体数一定时，各种的个体数量均匀时具有最大的多样性，因此以 s h a m m o n w i e n n e r 指数为基础的物种均匀度指数用群落观察的多样性与群落可能的最高多 样性的比率来测定群落的均匀度。 j s = ( 1 0 9 n 一1 ，l o g n ，) l o g n 一1 n 。i 矗g 一) l o g a + 芦缸+ 1 ) l o g ( a + 1 ) 】 式中口足n 被s 整除n a , 9 l - 的余数( 0 红松人工林( o8 7 ) 。 虽然耕地的土壤条件好于沙化蚕场，但撂荒1 5a 的多样性指数与修复蚕场( 修复1 5a ) 相近，这可能与蚕场处于天然林的包围之中，野生植物种源繁多，原有的植被环境为其它 植物的萌生和生长提供了良好的小气候在关。正是由于同样的道理，1 5a 的撂荒地多样性 指数低于修复1 2i t 的天然次生栎林。 另外，群落未退化前的生物多样性的高低与退化后群落的恢复速度关系很大。一个物 种稀少的系统将缺乏恢复力。生物多样性高的系统具有较强的恢复能力。其根本原因在于 这种系统中贮存了大量的遗传信息，通过这些信息可以在极其广泛的条件和环境范围内重 建生态系统。然而，各种物种和遗传信息并非同等重要。在任何一个生态系统中，必定有 某些物种处于不够适合的条件下，它们生活在那些最适合现存条件的物种之中，处于从属 的地位。一旦条件发生变化，其中一些物种将成为新的生态系统的创始种存在。 从两种坡耕地退耕后的修复方式比较来看，由于以纯林为主，辽东山区的人工林多样性 指数低，生态系统比较脆弱，抗逆性差，当受到过度干扰时( 如气候变化或病虫害等) ，将会 导致生态系统的退化。撂荒地的多样性指数较高，修复时间为1 5a 时，撂荒地( 30 3 ) 落 叶松人工林( o7 4 ) 。撂荒地的这一修复方式对于多样性的恢复优于人工林。但撂荒地在2a 到1 5a 之间多样性的变化较大，此时易受人为干扰的影响，必须加强封禁，若植被受到破坏， 将会导致生态系统的迅速退化，土壤侵蚀加重，表层土壤严重流失。 ( 2 ) 不同修复方式下生态优势度及种群均匀度 生态优势度的变化趋势与植被的物种多样性指数和群落均匀度相反。从图4 2 中可以看 出，在人丁林的生命周期中，随着修复时间的延长，生态优势度升高，群落均匀度降低。 在人i ：林生态系统中，人工抚育树种占绝对优势，使自己的优势树种地位越来越突出，进 而导致群落的发育很不均衡，群落结构越来越简单。无论是在落叶松人工林中，还是在红 松林中，生态优势度和群落均匀度的变化都是前修复前期快于后期，植物种的减少主要发 牛在幼林期和林水生长的中期，当林冠的郁闭到一定程度后，人j r ：林中群落结构的变化减 慢。 在天然栎林中，随着修复时间的延长，群落均匀度升高，优势度因逐渐被多个种群分 离而降低，天然次乍生态系统的结构变得相对复杂，植物群落向稳定阶段发展。天然次牛 栎林的生态优势度和群落均匀度的变化较落叶松人工林缓慢，但同样表现为修复时期( 6a 到1 2a ) 速度快于修复后期。在修复期前期的6 a 间，天然栎林的生态优势度指数下降了 5 87 ，在修复1 2a 到5 0a 这一阶段仅为2 82 ，明显比前期变化速度减小。随着向顶极群 落的靠近，次生林的演替速度逐渐降低。 由于乔灌草层次的彤成，撂荒地的生态优势度指数降低。修复初期，由于乔灌木生长 缓慢，撂荒地上的植被以草本为主，矮小的木本为辅。随着修复时间的延长，木本植物的 高度优势逐渐明显，同时种类增多，强阳性草本植被由于缺乏光照逐渐死亡，群落的均匀 度和稳定性降低。 虽然人工林与撂荒地均存在着生态优势度上升的趋势，原因却不尽相同。在撂荒地中， 优势度在灌木和草本间重新分配。人工林则主要由于是群落中林下植物种类的总体下降引 起人工种植树种的优势度增加。 蚕场修复促进了柞树林下植被的生长，使蚕场群落的柞树在数量上的相对优势减小， 生态优势度降低，种群均匀度提高。 1 08 0 6 彝04 塑02 0 51 0l j3 5 4 04 5 修复时间( a ) r 一 a 落叶松人工林 一 61 23 55 5 修复时间( a ) o8 糕0 6 颦04 o2 0 - 281 5 修复时间( a ) 1 03 55 5 修复时间( a ) b 红松人工林 沙化修复普通 类型 c 天然次生栎林d 撂荒地 e 蚕场 图2 不同修复方式下植物群落的生态优势度与群落均匀度 f i g 2c h a n g e so ft h ec o m m u n i t ye c o l o g i c a ld o m i n a n c ea n de v e n n e s si n d e x 4 14不同修复方式下林下植被生物量 企本研究中，生物鼍、j 盖度均呈现出极器著的正相关芙系( 相关系数为分别为08 8 7 和o7 6 2 ) ，所以仅选择林r 植被生物最和密度进行水土保持对林下植被恢复的影响研究。 图3a 为落叶松人工林林卜植被生物量变化。随着修复年限的延长，落叶松人工林中 地表植被在5 15a 急剧降低，从最初的1 5 8 9 m ”f 降到4 14 6g m 2 ，降低_ 厂7 37 6 ，在 3 5 4 5a ，植被生物量又再次发生同样的变化，从1 0 52 0g m 2 下降到3 71 2g m 2 ，降低了 6 47 l 。有这两个阶段，植被密度分别降低到原来的2 08 6 和1 22 8 。与修复前期( 5 1 5a ) 相比，落叶松修复后期( 3 5 4 5a ) 林f 植被稀疏且高度较低，但二者差异不显著。 从图a 中可以看出，落叶松林下植