連栽桉樹人工林植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、桉樹是桃金娘科(Theaceae)桉屬(Eucalyptus)樹種總稱，有795種(其中變種和亞種114種)，它具有種類多、干形好、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、耐瘠薄、抗性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、用途多、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等優(yōu)良特性，至今有96個(gè)國(guó)家引種桉樹，桉樹人工林面積已突破2000萬(wàn)hm<'2>，成為熱帶亞熱帶地區(qū)極為重要的速生造林樹種。 中國(guó)引種桉樹有110多年的歷史，全國(guó)種植桉樹的省(區(qū))有17個(gè)，涉及600多個(gè)縣，成為我國(guó)南方最重要的速生造林樹種

2、之一。全國(guó)桉樹人工林面積在200萬(wàn)hm<'2>以上，在華南地區(qū)，有60-70％的桉樹人工林屬于短周期人工林，其中50-60％的林地采取連栽方式。隨著桉樹人工林的大發(fā)展和連栽制度的全面推行，桉樹人工林的生態(tài)脆弱性進(jìn)一步凸現(xiàn)，“桉樹爭(zhēng)論”愈演愈烈，桉樹發(fā)展已成為社會(huì)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。要做到人工林既有高生產(chǎn)力，又維持生物多樣性，是當(dāng)代生態(tài)學(xué)所要解決的迫切任務(wù)，也是一個(gè)重大的科學(xué)難題。 生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能是國(guó)際生態(tài)學(xué)界關(guān)注的重大科學(xué)

3、問題，也是桉樹人工林發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的突出問題中的核心和關(guān)鍵，至關(guān)桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。國(guó)際國(guó)內(nèi)林學(xué)和生態(tài)學(xué)界對(duì)此開展了大量的研究，然而，對(duì)于桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系尚缺乏長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究。本項(xiàng)目從1998年開始立項(xiàng)研究，旨在通過(guò)對(duì)尾巨桉不同連栽代數(shù)的林地上開展生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究，揭示桉樹人工林植物物種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)中林木生長(zhǎng)、生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)、養(yǎng)分利用效率、地力保持、群落

4、穩(wěn)定性和可持續(xù)性之間的關(guān)系，為解決桉樹人工林高生產(chǎn)力與高多樣性維持之間的矛盾提供科學(xué)理論依據(jù)，為桉樹人工林持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供指導(dǎo)。毫無(wú)疑問，本項(xiàng)目的開展對(duì)推動(dòng)我國(guó)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系研究的發(fā)展以及桉樹人工林基地的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)從理論和生產(chǎn)實(shí)踐上均有重要的指導(dǎo)作用；對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展亦有重要的意義。在1998至2005的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本研究的主要結(jié)果和結(jié)論如下： 采用長(zhǎng)期定位研究方法，對(duì)不同連栽代數(shù)尾巨桉人工林的生長(zhǎng)

5、發(fā)育規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了8年的研究，結(jié)果表明：在一個(gè)經(jīng)營(yíng)周期內(nèi)(1-7年)，尾巨桉林木胸徑生長(zhǎng)和材積生長(zhǎng)具有兩次生長(zhǎng)高峰，第1次高峰出現(xiàn)在第2年，第2次高峰出現(xiàn)在第5年，胸徑生長(zhǎng)以第1峰為主，而材積卻以第2峰為主，胸徑生長(zhǎng)和材積生長(zhǎng)存在明顯的"峰-峪"變化；樹高生長(zhǎng)僅表現(xiàn)出一次生長(zhǎng)高峰(在第2年)；材積的平均生長(zhǎng)量與連年生長(zhǎng)量曲線相交于第5年。提出了將尾巨桉人工林分為幼樹階段、幼齡林階段、中齡林階段和成熟林階段共四個(gè)發(fā)育階段的理論和標(biāo)準(zhǔn)

6、。尾巨桉人工林的直徑和樹高結(jié)構(gòu)隨年齡的變化遵循人工純林的一般規(guī)律，但其幼齡林的直徑和樹高分布曲線的偏度存在明顯的右偏，表明尾巨桉具有顯著的早期速生特性；尾巨桉人工林冠層結(jié)構(gòu)單一，葉面積指數(shù)低，1代林低于2代林。經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異顯著性分析，得出1代林和2代林的直徑生長(zhǎng)、樹高生長(zhǎng)和材積生長(zhǎng)均無(wú)顯著差異而樹冠結(jié)構(gòu)存在顯著差異的結(jié)論。連栽對(duì)尾巨桉2代林生長(zhǎng)無(wú)顯著影響。 長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)研究表明，尾巨桉成熟林分(7.3年)的蓄積生產(chǎn)力水平為

7、20-21m<'3>/hm<'2>·a，生物生產(chǎn)力水平約為19t/hm<'2>·a。對(duì)1代林和2代林的生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)表明，連栽對(duì)2代林的生物量和生產(chǎn)力沒有顯著影響。樹干、樹皮、樹枝和根系的生物量和生產(chǎn)力均隨著林分年齡的增長(zhǎng)而增加，只有樹葉的生物量和生產(chǎn)力表現(xiàn)為先增加后減少的規(guī)律。林分生長(zhǎng)后期，根系和樹葉生物量增長(zhǎng)緩慢甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)影響了林分后期生產(chǎn)力的持續(xù)性。連栽具有增加樹皮、樹枝和樹葉生物量比例的趨勢(shì)。連栽導(dǎo)致林下植

8、被生物量和生產(chǎn)力的顯著下降，2代成熟林下植被生物量和生產(chǎn)力比1代林下降70％；從幼齡林(2-3年)到成熟林(6-7年)，1代林下植被的生物量和生產(chǎn)力表現(xiàn)為緩慢的持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而2代林卻表現(xiàn)為逐漸遞減趨勢(shì)。 采用長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)研究方法，對(duì)不同連栽代數(shù)桉樹人工林的物種多樣性、土壤種子庫(kù)及物種多樣性維持機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，桉樹連栽導(dǎo)致人工林植物多樣性減少，2代林的物種豐富度和Shannon-Wiener指數(shù)分別比1代林減少39.3

9、9％和17.76％。群落的β多樣性中，1代林的Jaccard系數(shù)和Cody指數(shù)均顯著高于2代林；代內(nèi)群落的相似性系數(shù)高，為60％左右，而代間群落的相似性系數(shù)低，為30％左右，表明連栽引起大量物種丟失。桉樹人工林連栽不僅導(dǎo)致群落物種多樣性降低，而且改變了群落的物種組成及特征。對(duì)成熟林比較，不同連栽代數(shù)群落的生活型譜存在明顯差異，第1代林以藤本高位芽和矮高位芽植物為主，2代林則以地上芽植物和矮高位芽植物為多；1代林的k-對(duì)策種和卜對(duì)策種分別

10、為64.79％和35.21％，2代林則分別是51.02％和49.98％，連栽使草本植物、地上芽植物和r-對(duì)策種的數(shù)量增加，木本植物和k-對(duì)策種的數(shù)量減少。對(duì)土壤種子庫(kù)的研究表明，不同連栽代數(shù)土壤種子庫(kù)儲(chǔ)量及多樣性變化與地上植物多樣性的變化規(guī)律基本一致。土壤中種子庫(kù)和營(yíng)養(yǎng)體對(duì)物種多樣性維持有重要作用，提出了桉樹人工林群落物種多樣性維持機(jī)制的初始植物繁殖體組成假說(shuō)。在一個(gè)經(jīng)營(yíng)周期內(nèi)(6-7年)，桉樹人工林維持的植物多樣性的高低取決于初始植物

11、繁殖體組成的豐富程度，高強(qiáng)度干擾(如煉山和機(jī)耕全墾整地)的連栽制度使某些高競(jìng)爭(zhēng)力的物種或僅以種子(果實(shí))傳播的物種喪失，造成下一代林地初始植物繁殖體組成多樣性的降低，從而使連栽林地的物種多樣性逐代減少。土壤種子庫(kù)的研究結(jié)果支持了這一假說(shuō)。采用長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)和常規(guī)養(yǎng)分分析相結(jié)合的研究方法，對(duì)不同連栽代數(shù)尾巨桉人工林的植物養(yǎng)分元素含量、積累、分配、養(yǎng)分循環(huán)及地力效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，尾巨桉屬于Ca>N>K>Mg>P型樹種，有強(qiáng)烈的聚集Ca的作

12、用。尾巨桉林分具有養(yǎng)分累積快速、養(yǎng)分循環(huán)存留率高(約占94％)、歸還率低(約占6％)的特點(diǎn)，5種營(yíng)養(yǎng)元素(N、P、K、Ca、Mg)的總循環(huán)率為40.40-41.81％；在元素的生物循環(huán)中，以N和P的生物循環(huán)率最高，其次是K和Mg，Ca的生物循環(huán)率最低。尾巨桉具有極低的養(yǎng)分消耗率，平均每生產(chǎn)1t干物質(zhì)所需5種養(yǎng)分的數(shù)量為5kg左右，生產(chǎn)1t干材只需要2kg養(yǎng)分，可是，由于它的高產(chǎn)性使得它對(duì)林地土壤養(yǎng)分的利用和消耗又是巨大的。連栽對(duì)2代林喬

13、木層養(yǎng)分的吸收和積累沒有構(gòu)成明顯影響。但是，連栽對(duì)林下植物的養(yǎng)分積累構(gòu)成顯著影響，使2代林下灌木層和草本層植物的養(yǎng)分積累量減少115％和85％，造成喬木層與林下植物的養(yǎng)分積累比例嚴(yán)重失衡。連栽具有降低土壤容重，提高土壤孔隙度和通氣度，增強(qiáng)土壤持水能力的作用，但這種作用并不能持續(xù)，一般只能維持3-4年；連栽對(duì)土壤養(yǎng)分存在著正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)，以負(fù)效應(yīng)為主；連栽導(dǎo)致0-20cm土層的土壤養(yǎng)分全面下降，其中Ca和Mg的下降最為明顯；連栽還使土壤的

14、pH值減少，導(dǎo)致土壤酸化。在對(duì)36塊100m<'2>實(shí)驗(yàn)樣地中植物組成、生物量、養(yǎng)分等進(jìn)行全面調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，采用3種多樣性指標(biāo)和4種生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)，對(duì)植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，物種多樣性與林木器官生物量關(guān)系較弱，只有吸收根特別例外，它與3種多樣性指標(biāo)均存在顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)，表明隨著林下植物多樣性的增加林木吸收根生物量顯著降低。和喬木層不同，植物多樣性有利于增加林下植物的生物量和生產(chǎn)力。植物多樣性對(duì)喬木層

15、、灌木層和草本層植物的5種養(yǎng)分元素(N、P、K、Ca和Mg)的利用效率具有顯著作用，3種多樣性指數(shù)與喬木層N、P、K和Ca的養(yǎng)分利用效率呈緊密或極緊密的正相關(guān)，而與Mg元素為顯著的負(fù)相關(guān)；多樣性有利于提高喬木層N、P、K和Ca的養(yǎng)分利用效率，而降低Mg的利用效率。物種豐富度與灌木層植物的養(yǎng)分利用效率存在極顯著的正相關(guān)，但在草本層只與K元素的養(yǎng)分利用效率相關(guān)緊密，與其它元素相關(guān)不緊密。物種豐富度增加養(yǎng)分利用效率。物種多樣性高的群落，林下物

16、種恢復(fù)力、植被蓋度恢復(fù)力、植被生物量恢復(fù)力和土壤養(yǎng)分恢復(fù)力均較高，物種多樣性有利于提高群落的抵抗力和恢復(fù)力，增強(qiáng)穩(wěn)定性。由于連栽制度采取的強(qiáng)度干擾方式對(duì)群落的穩(wěn)定性構(gòu)成顯著影響，直接威脅桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和土壤肥力的可持續(xù)性。在全面分析物種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了短周期工業(yè)人工林培育的一種新理論——資源空間分類經(jīng)營(yíng)理論，這將在理論上有效地解決人工林高生產(chǎn)力與高多樣性的矛盾，實(shí)現(xiàn)人工林高生產(chǎn)力與高多樣性的統(tǒng)一。