北京森林公园柳杉群落结构与空气清洁度研究

北京森林公园柳杉群落结构与空气清洁度研究

植物群落的组成、多样性和群落结构是群落对生态环境的响应，也是植物生物学特征和生态特征的综合体现。生物多样性的梯度模型和这些模型的生态因素是生物保护研究的基础。垂直海拔梯度包含了温度、湿度和光照等多种环境因子而成为生物多样性梯度格局研究的重要方面,由于空气负离子与温度、湿度等环境因子关系密切,从而使其在影响物种多样性与群落生境功能等方面发挥着重要的作用。在山地植物群落研究中,物种多样性沿海拔梯度的变化规律一直是生态学家十分感兴趣的问题。Lomonlino认为多样性与海拔梯度格局的关系(正相关、负相关或单峰分布格局)在很大程度上依赖于环境变量之间的协变与互作,而ReyBenayas研究表明植物群落不同层次的多样性对环境响应不尽一致。国内近年有些学者研究了不同山地植物群落物种多样性的垂直分布格局,朱彪等对亚热带南岭东段的莽山和西段的猫儿山植物群落乔木层物种多样性的垂直分布格局进行了比较研究,唐志尧等则对秦岭太白山木本植物多样性的梯度格局研究,并结合环境因子进行解释,但对于亚热带常绿阔叶林物种多样性与空气负离子沿海拔梯度变化的研究还未见报道。本项研究以天目山9个柳杉群落样地为对象,分析不同海拔高度天目山植物群落物种多样性梯度变化,结合空气负离子效应变化,探讨不同海拔高度柳杉群落物种多样性与空气负离子效应关系,为自然保护区建设和森林资源的保护和利用提供科学依据。1自然旅游环境天目山国家级自然保护区位于浙江省临安市,距省会杭州市71km,属中亚热带北缘向北亚热带的过渡地带,气候温暖湿润,雨水充沛。天目山海拔范围300~1556m,具有典型的中亚热带的森林生态系统。境域独特的山体影响,形成冬暖夏凉的小气候,主峰仙人顶及山麓等生境气候类型多样。境域年平均气温8.8~14.8℃,最冷月平均气温-2.6~3.4℃,最热月平均气温19.9~28.1℃,≥10℃积温2500~5100℃,无霜期209~235d,年均降水量1390~1870mm。土壤厚度约为50cm,多为黄壤土、棕黄壤土。天目山被誉为“大树华盖闻九州”的天然植物园,森林覆盖率达95%以上。天然植被垂直分布明显:海拔1100m以下为常绿阔叶林,1100~1400m为落叶、常绿阔叶和针叶混交林;1400m以上为稀疏灌木。保护区内植物区系古老,有蕨类植物171种,种子植物1641种(包括亚种、变型),柳杉Cryptomeriafortunei,银杏Ginkgobiloba,紫楠Phearerisheareri和毛竹Phyllostachyspubescens等是天目山主要特色植物群落。2学习方法2.1样地的选取在全面踏查天目山森林资源分布的基础上,根据海拔高度差异、植被类型均一、样点分布均匀等原则,采用典型抽样方法在天目山不同海拔高度山麓、山中及山顶(海拔高度360m、820m及1060m)柳杉群落分布地段选取20m×20m的样地,每一海拔高度有3个样地,记录海拔、坡向、坡度等。在样地内对乔木进行每木调查,记录种类、胸径、树高、冠幅等。在样地中央及对角线设置5个4m×4m的灌木样地,记录植物的种名、地径、高度及盖度等,并在样地内随机设置5个lm×lm的草本样方,记录种名、高度及盖度等。2.2空气清洁度测定采用美国产ACI-1000空气负离子测定仪,选择晴朗天气对确定的9个柳杉群落样地进行同步观测,时间为8:00~17:00,每2小时观测1次,以4个方向的平均值为观测值,并记录各方向的最大值、最小值。采用目前应用广泛的单极系数(q)和安培空气质量评价指数(CI)的空气负离子评价指标,计算各测点的空气清洁度。按照空气质量评价指数可将空气质量划分为5个等级:CI≥1.00,最清洁(A级);0.70≤CI<1.00,一般清洁(B级);0.50≤CI<0.69,中等清洁(C级);0.30≤CI<0.49,允许(D级);CI=0.29时为临界值,E级。2.3处理数据根据野外调查相关数据,对植物重要值、植物生活型、物种多样性等3个方面进行数据统计与计算。3结果分析3.1种常见芽植物的组成根据Raunkiaer生活型分类系统,天目山柳杉群落中高位芽植物共有140种,可分为中高位芽植物、小高位芽植物和矮高位芽植物,占群落总种数的61.14%,其中以小高位芽植物最多,共87种,占37.99%,是群落的重要组成成分;矮高位芽植物的种次之,有49种,占21.39%,其比较适应天目山生境气候环境,具有很强的适应能力;中高位芽植物种类稀少,主要以柳杉为主,共4种,占1.75%。地上芽植物、地面芽植物、隐芽植物和一年生植物共89种,占38.86%,其中以地上芽植物灌木、半灌木最为丰富。由此发现高位芽植物占优势的群落生活型谱特征,反映了天目山温暖、湿润的中亚热带气候特点,植物群落则表现出以中高位芽植物、小高位芽植物及矮高位芽植物为主的常绿落叶阔叶林。3.2不同海拔高度的灌木层植物群落组成柳杉群落分层明显,按植物生长型可划分为乔木层、灌木层、草本层和地被层,此次调查重点主要集中在乔木层、灌木层及草本层的现状。重要值反映植物种类的重要程度,从表1可知,不同海拔柳杉群落中植物种的重要值不同,优势种均有差异,但是柳杉在不同海拔高度的乔木层中都处于优势种地位,而且山顶柳杉重要值为38.52,比山中、山麓要大,同时也大于其他优势种:交让木(16.47)、紫楠(13.07)、枫香(12.37)等;灌木层植物种类丰富,优势种为日本常山(18.65)、紫金牛(15.65)等,同时部分乔木幼苗生长也具一定优势,植物群落的自然更替较频繁;草本层植物种类相对较少,但植物覆盖度较大,优势种主要为吉祥草(36.85)、箬竹(22.34)等。3.3不同立地条件下柳杉群落物种多样性分析调查的9个样地位于山顶、山中、山麓,每个海拔高度有3个样地。根据植物群落组成调查,计算不同海拔高度的物种丰富度及多样性指数(表2)。表2研究数据表明,位于山顶的柳杉植物群落乔灌草三层搭配合理,生长趋势良好,其Simpson指数为0.9182,Shannon-Wienner指数为4.3459,Pielou均匀度指数为0.8059,均客观反映了山顶柳杉群落物种多样性高的特点;而山中、山麓的各项指数都比较接近,其灌木层、草本层生长优势较乔木层明显,在一定程度上抑制了乔木层植物的生长,并且各项指数均低于山顶灌木层与草本层同类物种指数数据,总体上呈现为山顶>山麓>山中的趋势;研究也表明植物群落物种丰富度指数则表现为山中(37)>山顶(33)>山麓(31)。3.4空气离子变化于4月至11月,测定了天目山山顶、山中及山麓固定样地生境空气负离子,研究9个柳杉植物群落春季、夏季及秋季空气负离子日变化(图1、图2、图3)。根据天目山山顶、山中、山麓典型样地空气正负离子及环境因子调查数据,结合根据安培空气质量评价指数所分的空气质量等级,计算出天目山春夏秋三个季节山顶、山中、山麓的空气离子评价结果(表3)。从图1~3中可看出春夏季空气负离子日变化曲线基本上呈现双峰型变化,秋季空气负离子日变化则基本呈现单峰型变化;夏季空气负离子浓度明显高于春秋两个季节空气负离子浓度,结合表3研究结果,试验表明夏季空气质量等级明显优于春秋季。同时,表3中的数据还反映出山顶、山中的空气质量等级略优于山麓。4空气负离子日变化(1)中亚热带森林群落中,生物量及所占空间均是乔木层最大,灌木层次之,草本层最小。根据调查研究发现,柳杉群落的物种丰富度指数是灌木层(11.1)>乔木层(10)>草本层(2.1),主要是由于灌木层中不仅包括自身的灌木树种,还包括众多的乔木树种幼苗。山地分布区域的环境条件、山地的相对高度、人为干扰的程度、不同海拔的群落类型等都有可能对植物群落的物种多样性指数在海拔梯度上的分布产生影响。天目山山麓区域植物群落距离村民居住点较近,受人为潜在干扰因素较大。从表2研究结果可以看出,天目山山顶及山中的植物群落丰富度、物种多样性等相对于山麓均较高。(2)天目山林特色植物群落是柳杉群落,柳杉群落的生态效应大小可体现在天目山空气负离子浓度方面。本研究发现天目山山顶、山中及山麓的植物群落物种多样性指数,山顶最大,山中、山麓指数较接近,总体呈山顶>山麓>山中的变化趋势,而植物群落物种丰富度指数则呈现山中(37)>山顶(33)>山麓(31)的变化趋势,山中的群落丰富度指数分别比山顶、山麓的群落物种丰富度指数高出4和6。总体比较可知山顶、山中的植物生态效应优于山麓,其原因可能与山顶、山中植物群落空气湿度比山麓高等因素有关。从表3可知山顶及山中CI值(空气质量评价指数)均比山麓要高,山顶、山中空气质量等级也优于山麓。(3)从图1和图2来看,春夏季空气负离子日变化基本呈双峰型曲线,其峰值处于上午10:00~11:00点及14:00~15:00。这与胡国长所做的研究结果相似,其研究结果表明相同环境下林分4至9月空气负离子浓度日变化基本呈双峰型。在14:00点左右,太阳辐射达到最强,这时气温升高,植物光合作用也出现“午休”现象,再加上空气湿度的降低,使得空气负离子浓度降低,即空气负离子浓度呈现的下降趋势。从图3看,秋季空气负离子日变化基本呈单峰型曲线。结合图1、2、3