中國三明地區(qū)天然林林窗大小對(duì)環(huán)境異質(zhì)性和格氏栲更新的影響

中國三明地區(qū)天然林林窗大小對(duì)環(huán)境異質(zhì)性和格氏栲更新的影響林窗是由老樹死亡、昆蟲、某些疾病或雷電襲擊、風(fēng)或風(fēng)暴吹倒、或其他倒下的樹木擊倒的區(qū)域。林窗的出現(xiàn)提高了森林動(dòng)態(tài)。因此,林窗對(duì)維持森林生態(tài)系統(tǒng)很重要。當(dāng)林冠層開闊形成林窗時(shí),影響小氣候、光照強(qiáng)度、土壤溫度、氣溫和土壤水分的改變。中國福建三明的格氏栲天然林是以過熟的格氏栲(平均年齡超過100年)、米櫧、馬尾松與木荷為優(yōu)勢(shì)的亞熱帶常綠闊葉林,也是面積最大純度最高的格氏栲天然林。許多研究人員都在研究這個(gè)物種。關(guān)于格氏栲天然林林窗的研究表明不同大小林窗和林窗內(nèi)位置具有不同的土壤-空氣溫度、相對(duì)濕度和土壤含水量。那些環(huán)境條件也受季節(jié)影響。不同微地形的環(huán)境條件下可能影響格氏栲種子萌發(fā)和幼苗定居。之前的研究關(guān)注于林窗微氣候研究。目前,由于格氏栲幼苗和幼樹減少,使格氏栲種群不斷下降,種群年齡結(jié)構(gòu)不可持續(xù),主要原因是種子萌發(fā)和幼苗定居不足和人為干擾的影響。承前所述,林窗能夠影響物種更新,但目前發(fā)現(xiàn)多數(shù)研究這關(guān)注于林窗微環(huán)境研究。林窗環(huán)境的空間異質(zhì)性和林窗大小影響微環(huán)境仍未知,關(guān)于幼苗更新機(jī)制和其對(duì)微環(huán)境的響應(yīng)也未知。為此,探索了林窗影響微環(huán)境及環(huán)境因子影響葉片性狀和林窗內(nèi)格氏栲幼苗對(duì)微環(huán)境的響應(yīng)。研究目的:1)調(diào)查林窗對(duì)白天時(shí)間的微環(huán)境動(dòng)態(tài)的影響;2)揭示林窗大小對(duì)土壤化學(xué)-物理性質(zhì)的影響;3)調(diào)查光照強(qiáng)度對(duì)微環(huán)境和葉片性狀的影響;4)調(diào)查更新層葉片性狀對(duì)林窗微環(huán)境的響應(yīng);5)調(diào)查林窗大小和林窗內(nèi)不同位置對(duì)格氏栲更新的影響。結(jié)果表明:通過魚眼鏡頭在每個(gè)林窗中心拍兩張照片,采用半球面影像法計(jì)算林窗面積。測(cè)量了9個(gè)林窗,其中,最大的林窗面積為216.72m2,最小的林窗面積為30.28m2。根據(jù)林窗面積大小,將9個(gè)林窗分為3類不同大小的林窗(小(30-50m2)、中(50-100m2)、大林窗(>150m2)),小林窗由樹枝折斷產(chǎn)生,大中型林窗由樹倒產(chǎn)生,同時(shí),設(shè)置15m×15m的非林窗為對(duì)照。在整個(gè)林窗和非林窗內(nèi)設(shè)置3m×3m的網(wǎng)格作為取樣點(diǎn)。在整個(gè)林窗內(nèi)從早晨8點(diǎn)到下午6點(diǎn),每2h記錄一次微環(huán)境因子變化,微環(huán)境因子包括土壤表層溫度(ST0)、土壤深度為5cm的溫度(ST5)、土壤深度為10cm的溫度(ST10)、空氣溫濕度(AT)、光照強(qiáng)度(LI)和相對(duì)濕度(RH)等,數(shù)據(jù)從2014年6月15-25日和2015年1月5-15日。采用地統(tǒng)計(jì)分析法,闡述了9個(gè)林窗和非林窗土壤物理-化學(xué)性質(zhì)和土壤酶活性的空間模型,調(diào)查林窗大小和微環(huán)境對(duì)林窗內(nèi)葉片性狀的影響。在林窗和非林窗內(nèi)的5個(gè)方向設(shè)置5m×5m樣方收集葉片樣本。于冬季和夏季收集更新層葉片(<2cmDBH,高度2-5m.)測(cè)定葉片性狀。選擇的葉片性狀包括:葉面積(LA)、葉干物重量(LDM)、比葉面積(SLA)、葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、總?cè)~綠素含量(TChl)、類胡蘿卜素(CAR)、可溶性糖含量、淀粉含量、氮含量(N)、碳含量(C)、磷含量(P)、鉀含量(K)與葉片酶活性。對(duì)物種管理和保護(hù),探討了林窗是否有可能促進(jìn)格氏栲幼苗更新,并調(diào)查了林窗內(nèi)幼苗更新的最佳位置。在夏季林窗(中心、南方、東方、北方和西方)的五個(gè)方向調(diào)查格氏栲四個(gè)階段(樹木,樹苗,灌木和幼苗)的基徑、高度和數(shù)量。研究結(jié)果如下:微環(huán)境隨時(shí)間而變化。在每個(gè)林窗內(nèi),從早晨10點(diǎn)到下午2點(diǎn),林窗中心LI最強(qiáng)。除大林窗的北方向外,其他林窗均表現(xiàn)為北和西方向高于南和東方向。非林窗內(nèi),LI與ST呈顯著正相關(guān)關(guān)系。不像中小型林窗,表現(xiàn)為隨早晨到下午的時(shí)間增加,大林窗ST最高的時(shí)間為12點(diǎn)到下午2點(diǎn),在林窗與非林窗中,AT與RH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,不同大小林窗顯著影響微環(huán)境因子,且LI對(duì)5個(gè)方向的環(huán)境因子影響較大。結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤物理性質(zhì)除SCP和STP外,其他土壤物理性質(zhì)與林窗大小具有顯著性差異。林窗大小通常能夠提高土壤物理性質(zhì),尤其是小和大林窗,表明林窗土壤比非林窗更適合植物生長。因此,大林窗顯著影響林窗多數(shù)土壤物理性質(zhì)的空間異質(zhì)性。隨不同大小林窗和不同季節(jié)變化,多數(shù)土壤化學(xué)性質(zhì)有所不同。林窗大小影響土壤化學(xué)性質(zhì),與冬季相比,夏季對(duì)林窗土壤化學(xué)性質(zhì)影響更大。研究表明林窗可能影響土壤化學(xué)性質(zhì)但不同大小林窗具有不規(guī)則的響應(yīng)。小林窗的土壤pH值顯著低于中林窗,而中林窗土壤OM、TN、TC和C/N比最低,大林窗最高。小林窗的土壤pH值顯著低于中林窗,而中林窗土壤OM、TN、TC和C/N比最低,大林窗最高。不同大小林窗土壤TP和TK具有相同變化模式,表現(xiàn)為隨林窗增大而增大。與其他林窗相比,小林窗土壤AP和AK最高。冬季土壤OM、TP、TK、AP、UA、CA、TN、TC和C/N比的平均值高于夏季。土壤全氮、全碳、C/N比和土壤有機(jī)質(zhì)具有顯著相關(guān)性。大林窗內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量最高,表明大林窗土壤對(duì)植物生長具有較高的養(yǎng)分供給潛力。此外,土壤有機(jī)質(zhì)與土壤pH值具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。而在研究區(qū)內(nèi)土壤pH的范圍屬于強(qiáng)酸性可能影響植物對(duì)養(yǎng)分的有效利用。土壤化學(xué)性質(zhì)的空間異質(zhì)性隨季節(jié)變化。土壤pH變化較小,而林窗和非林窗內(nèi)土壤OM含量適中。土壤TN和TC具有相同的變異值,但土壤C/N比的變異值差異較小。在林窗和非林窗內(nèi)土壤TP、TK、AP、AK和HN的變異性適中。每個(gè)土壤化學(xué)性質(zhì)的空間異質(zhì)性具有不同的模式,主要取決于林窗特性和其影響因素。研究林窗土壤化學(xué)性質(zhì)的空間異質(zhì)性為林窗管理和物種保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)林窗都有其特定的微環(huán)境進(jìn)而影響物種生長。當(dāng)林窗形成后光照產(chǎn)生變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),林窗內(nèi)LI與ST、AT顯著正相關(guān),與RH呈顯著負(fù)相關(guān),而非林窗則相反。不同大小林窗的LI具有顯著性差異,大林窗內(nèi)LI均值最高,同時(shí)小林窗內(nèi)LI均值最低。每個(gè)林窗LI的空間異質(zhì)性不同,取決于地形、坡向和每個(gè)方向樹木生長的位置。在大中型林窗內(nèi),LI與SLA具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.248,p=0.04和r=-0.264,p=0.008)。在所有的方向上,SLA隨LI增加而增加。林窗大小影響Chla、Chlb、TChl和CAR平均值隨季節(jié)變化。夏季葉綠素含量最高值出現(xiàn)于小林窗,葉綠素含量最低值出現(xiàn)于非林窗,而冬季葉綠素最高值出現(xiàn)于中林窗。此外,夏季對(duì)中林窗不同方向的Chla和TChl具有一定影響。由于可溶性糖和淀粉是十分靈敏的參數(shù),因此未發(fā)現(xiàn)不同大小林窗影響物種可溶性糖和淀粉。不同大小林窗K含量受夏季和冬季影響,而P含量受冬季影響。不同大小林窗對(duì)C和N含量無影響。夏季影響可溶性蛋白的平均值,冬季影響SOD(U/g)酶活性,而林窗大小對(duì)其他酶活性無顯著影響。運(yùn)用RDA分析夏季和冬季葉片性狀和環(huán)境變化表明夏季葉片性狀與環(huán)境的相關(guān)性強(qiáng)于冬季。結(jié)果表明,與冬季相比,夏季環(huán)境對(duì)葉片性狀的影響更大。p值表明夏季土壤化學(xué)性質(zhì)與葉片性狀的關(guān)系強(qiáng)于土壤物理性質(zhì)。此外,夏季土壤化學(xué)性質(zhì)的p值比冬季更顯著。本研究區(qū)中夏季是植物生長的季節(jié),可能植物對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)強(qiáng)于冬季。結(jié)果發(fā)現(xiàn)格氏栲數(shù)量與林窗面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系(=0.815,p=0.007)。格氏栲數(shù)量估計(jì)使用線性回歸模型為:格氏栲數(shù)量=0.124×林窗面積+10.597(R2=0.664,p=0.007)。大林窗內(nèi)格氏栲數(shù)量高于小林窗(p=0.031)。林窗中心的幼苗數(shù)量和大小與其他方位具有顯著性差異(p=0.041和p=0.017)。然而,格氏栲與環(huán)境的相互作用十分復(fù)雜,主要取決于物種生態(tài)位轉(zhuǎn)化。在格氏栲自然保護(hù)區(qū)內(nèi),與非林窗相比,林窗能夠促進(jìn)物種多樣性和改變環(huán)境。林窗能夠影響微環(huán)境,對(duì)季節(jié)具有持續(xù)波動(dòng)和變化。林窗影響土壤物理-化學(xué)性質(zhì)。林窗土壤組成比非林窗更好。林窗比非林窗具有更高的土壤土壤蓄水能力。土壤物理-化學(xué)性質(zhì)的空間異質(zhì)性為林窗管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不同大小林窗的方位內(nèi),與非林窗相比,LI影響微環(huán)境和SLA。此外,葉片SLA與N、P含量具有顯著正效應(yīng)。研究結(jié)果表明林窗中心SLA的均值最低。林窗大小對(duì)葉片性狀具有不同影響。每個(gè)葉片性狀受物種、年齡、季節(jié)與環(huán)境