連栽桉樹人工林植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的長期實驗研究.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、生長快、產(chǎn)量高、耐瘠薄、抗性強、適應(yīng)性廣、用途多、經(jīng)濟價值高等優(yōu)良特性，至今有96個國家引種桉樹，桉樹人工林面積已突破2000萬hm<'2>，成為熱帶亞熱帶地區(qū)極為重要的速生造林樹種。 中國引種桉樹有110多年的歷史，全國種植桉樹的省(區(qū))有17個，涉及600多個縣，成為我國南方最重要的速生造林樹種

2、之一。全國桉樹人工林面積在200萬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)，“桉樹爭論”愈演愈烈，桉樹發(fā)展已成為社會廣泛關(guān)注的焦點。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)，也是一個重大的科學(xué)難題。 生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能是國際生態(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)營和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。國際國內(nèi)林學(xué)和生態(tài)學(xué)界對此開展了大量的研究，然而，對于桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系尚缺乏長期實驗研究。本項目從1998年開始立項研究，旨在通過對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)功能的長期實驗研究，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、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)營提供指導(dǎo)。毫無疑問，本項目的開展對推動我國生物多樣性與生態(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)營從理論和生產(chǎn)實踐上均有重要的指導(dǎo)作用；對生態(tài)環(huán)境建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展亦有重要的意義。在1998至2005的長期實驗研究的基礎(chǔ)上，本研究的主要結(jié)果和結(jié)論如下： 采用長期定位研究方法，對不同連栽代數(shù)尾巨桉人工林的生長

5、發(fā)育規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了8年的研究，結(jié)果表明：在一個經(jīng)營周期內(nèi)(1-7年)，尾巨桉林木胸徑生長和材積生長具有兩次生長高峰，第1次高峰出現(xiàn)在第2年，第2次高峰出現(xiàn)在第5年，胸徑生長以第1峰為主，而材積卻以第2峰為主，胸徑生長和材積生長存在明顯的"峰-峪"變化；樹高生長僅表現(xiàn)出一次生長高峰(在第2年)；材積的平均生長量與連年生長量曲線相交于第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)對實驗結(jié)果的差異顯著性分析，得出1代林和2代林的直徑生長、樹高生長和材積生長均無顯著差異而樹冠結(jié)構(gòu)存在顯著差異的結(jié)論。連栽對尾巨桉2代林生長無顯著影響。 長期定位實驗研究表明，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)行差異顯著性檢驗表明，連栽對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。林分生長后期，根系和樹葉生物量增長緩慢甚至出現(xiàn)負(fù)增長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。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)增長趨勢，而2代林卻表現(xiàn)為逐漸遞減趨勢。 采用長期定位實驗研究方法，對不同連栽代數(shù)桉樹人工林的物種多樣性、土壤種子庫及物種多樣性維持機制進(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-對策種和卜對策種分別

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-對策種的數(shù)量增加，木本植物和k-對策種的數(shù)量減少。對土壤種子庫的研究表明，不同連栽代數(shù)土壤種子庫儲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。土壤中種子庫和營養(yǎng)體對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制的初始植物繁殖體組成假說。在一個經(jīng)營周期內(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，高強度干擾(如煉山和機耕全墾整地)的連栽制度使某些高競爭力的物種或僅以種子(果實)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。土壤種子庫的研究結(jié)果支持了這一假說。采用長期實驗和常規(guī)養(yǎng)分分析相結(jié)合的研究方法，對不同連栽代數(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，5種營養(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)性使得它對林地土壤養(yǎng)分的利用和消耗又是巨大的。連栽對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36塊100m<'2>實驗樣地中植物組成、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，增強穩(wěn)定性。由于連栽制度采取的強度干擾方式對群落的穩(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，實現(xiàn)人工林高生產(chǎn)力與高多樣性的統(tǒng)一。