大青沟森林群落演替预测研究.doc
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1、林业科学SCIENTIA SILVAE SINICAE1999年第期No.1999大青沟森林群落演替预测研究郑元润摘要:依据38个样地的演替资料,采用母树树冠下各物种幼苗、幼树及小径木的胸高断面积比例作为转移概率,用马尔可夫链描述了群落的演替过程,预测了达到平衡状态时各群落的组成状况,并运用30年前后植物种盖度资料的对比,在较大的时空范围内阐明了大青沟残遗森林植物群落演替的动态过程与趋势。结果表明,在环境条件不发生较大变化的情况下,以水曲柳、蒙古栎为主的群落是较为稳定的群落,而为大果榆为主的群落波动较大。各个不同的群落在达到平衡状态时,其种类组成的数量关系将会发生不同程度的变化。关键词:森林群
2、落, 演替预测, 大青沟SUCCISSION PREDICTION OF THE FOREST COMMUNITYIN DAQINGGOU,INNER MONGOLIAZheng Yuanrun(Institute of Botany, Academia Sinica Beijing 100093)Abstract: On the basis of survey materials from 38 sample plots, the author regarded the basal area of breast height ratio of saplings and young trees
3、 under the mother trees as the transition probobility, predicated not only the composition of tree species on balance status, but also the dynamic process and trends of survived forest community in Daqinggou in longer periods and larger scales through the data comparison between present and 30 years
4、 ago, by means of the Markov succession model. The results show, if the environmental conditions keeping smoothly, the community which Quercus mongolica, Fraxinus mandshurica are main species are more stable, while the community which Ulmus macrocarpa is main species fluctuated greatly. The quantita
5、tive correlation of species composition in different communities in balance stutus will be changed variously.Key words: Forest community, Succession prediction, Daqinggou植物群落是一个动态系统。植物群落间的演替是群落动态变化的重要表现形式。探讨植物群落演替的规律,揭示影响演替过程的主要因子,控制演替的进程或方向,使其最大限度地满足人类的需求,在当前全球气候发生较大变化,原始植被大面积消失的情况下,有着更加重要的作用。大青沟残遗
6、森林植物群落是经过长期的环境变迁后遗留下来的特殊群落类型,其分布区内植物种类丰富,群落类型多样。因此,通过对不同群落类型演替规律进行研究,揭示其动态规律,并预测其发展趋势,这对森林群落的经营管理,探讨全球变化条件下植被的动态规律具有特殊的意义。1研究地区与方法1.1研究地区大青沟国家自然保护区位于哲里木盟科尔沁左翼后旗甘旗卡西南24km处,南面与辽宁省彰武县接壤。地理位置东经1221312215。北纬42454248。保护区内有大小两条深沟,大青沟长20km,沟深4050m,沟宽平均250m,沟坡平均36。小青沟长10km,沟深5070m,沟宽平均200300m,坡度平均28。两沟汇合后流入柳
7、河(辽河的支流)。水面宽24m,水深不超过1m。海拔高度沟上225253m,沟下173200m,为该区海拔最低的地方。沟外为一望无际,此起彼伏的沙丘,沙丘一般高度在10m以下。大青沟周围地区在“中国气候区划”中属东北温带半湿润气候区向内蒙古温带半干旱气候区过渡的地带。年降水量500mm左右,主要集中在68月,约占全年降水量总量的70%以上。沟内年平均相对湿度比沟外大20%25%左右。降水年变率也较大。本区热力资源丰富,日照时数在2800h以上,年总辐射130140Kkal/cm2.a。最高气温29,最低气温-30,年平均气温6左右。日平均气温稳定超过10的年积温在3200以上,无霜期150天左
8、右。由于森林的影响,大青沟内外小气候差异显著,夏季沟内比沟外温度低,变辐较小,湿度较高;冬季则较温和,流水不冻;夏末秋初,沟外天空晴朗,而沟内泉水则经常“冒烟”,形成浓雾。大青沟地区主要以固定沙丘为主,沟坡个别地段存在风积沙、冲积沙和淋溶现象。大小青沟沟底的土壤不是地带性土壤,且有潜育层。由于森林植被枯枝落叶的积累而土壤色泽变深,腐殖土层变厚。1.2野外调查方法在大青沟森林植物群落分布的代表性地段设置20m40m的样带36个,在每个样地内找出各树种进入主林层及主要伴生种进入其最高层次的植株,将林冠大小的投影用小绳圈出其范围,两树冠联接处间隙小于10m2,则平分归入其相邻林冠,大于10m2就作为
9、林间空地处理。记录项目:林木种名、胸径、树高;用生长锥钻取不同种、不同径级的样木,计算树木年龄;按逐个林冠投影范围记录下层木(DBH7.5cm)、幼树(DBH2.57.5cm)、幼苗(DBH2.5cm)的种名、高度、胸径。1.3演替研究方法简述近年来演替模型已成为探讨群落基本动态机制的有效工具,尤其是在森林演替方面发展了许多模型。更新概率模型(Renewel probility model)是把演替看作一个马尔柯夫过程,提出一张图表,以表示一些植物在一个特定时间内,将特定的另一些个体或另一些种更替的概率。借助这个图表,根据一个群落现在的成分,就可设想到将来。Horn(1975)1计算了一个森林
10、群落更替的概率。线性模型(Liner model)类似于更新概率模型,用马尔柯夫链来描述,其基本特征是在足够的时间以后,它收敛在一个稳定的组成中。在这个稳定的组成中,种的比例不取决于群落的初期成分,而只取决于更替概率矩阵。非线性模型(Nonliner model)认为相隔长期的演替可以用森林初期的成分乘以SSASSSBSSSSASCSS状的矩阵来表示,许多演替矩阵(S)的积相间着不同破坏的矩阵(A.B.C)。这样的演替可能由破坏的格局起作用,或者由近乎稳定的群落占优势。演替研究的主要方法可以从不同的时间跨度来考虑。时间跨度的研究包括永久样地的观察、现存植被与昔日记录的比较。基于对残遗物种的性质
11、与存在与否的研究,基于化石孢粉资料及地质历史资料的研究。时间跨度较小的研究方法有植物群落中龄级分配的研究,不同演替系列的对比分析研究及利用各种演替模型进行现状分析及预测。本文的野外调查方法采用阳含熙(1988)2提出的方法,演替模型采用马尔科夫链模型。达到目前状态与历史无关的称为无后效的过程,达到这个状态与时间无关的过程称为时齐性,无后效的、时齐性的随机过程称为马尔柯夫过程。时间和状态离散的马尔柯夫过程称为马尔柯夫链。马尔柯夫链的无后效性应用于森林生态系统特别合适。天然林的演替是长期的变化过程,是时间上大尺度的变化。经过数十年或千百年这样漫长的时间变化积累的信息,在达到某一阶段时已经得到充分体
12、现。因而下一阶段的状况可以由现阶段推断。马尔柯夫链在植被演替上的应用,一个关键步骤就是转移概率的确定。本文用下述公式确定转移概率(阳含熙等,1988)2。对于线性演替,转移概率确定以后,就需求出马尔柯夫链的不动点向量,也即平衡时的物种组成比例。对于正则马尔柯夫链的转移矩阵P有如下性质:(1)t时,Pt趋向于随机矩阵W,(2)W矩阵的每一行向量都相同,W称为P矩阵的不动点向量,(3)对于任何随机向量X,X.PtW,上述3条性质适合于植物群落的研究,在没有太大干扰的情况下群落都会向稳定的顶极群落发展。按照上述算法,用Quick Basic编制了计算程序,模拟大青沟各类型群落的规律,结果见表1。表1
13、大青沟植物群落演替预测结果Tab.1 Results of communities succession in Daqinggou群落类型Type of communities树种、平衡与现状树种组成Species,propotion of species at balance and present time金银忍冬-水曲柳群落Lonicera maackii-Fraxinus mandshurica community树种Species水曲柳A朝鲜柳B春榆C茶条槭D平衡Balance0.42030.10640.18320.2887现状Present0.45830.08330.17420.2
14、841变豆菜+野大豆-短梗五加-水曲柳群落Sanicula chinensi+Glycine soja -Acanthopanax sessiliflorus-F.mandshurica community树种Speices朝鲜柳B水曲柳A春榆C平衡Balance0.21540.58110.2029现状Present0.22340.60640.1702苔草-忍冬-水曲柳+春榆群落Cares spp.-Lonicera maackii-U. japonica+Salix Koreensis community树种Species春榆C黄菠萝E水曲柳A稠李F平衡Balance0.00010.9986
15、0.00020.0002现状Present0.22730.40910.34090.0227苔草-金银忍冬-春榆+朝鲜柳群落Cares spp.-Lonicera maackii-Salix Koreensis community树种Species水曲柳A黄菠萝E朝鲜柳B春榆C平衡Balance0.03530.14440.46570.3126现状Present0.02630.19740.30260.4079羊草-苔草-金银忍冬-春榆+水曲柳群落Leymus chinensis+Carex spp.-Lonicera maackii-U.japonica+F.mandshurica communi
16、ty树种Species春榆C水曲柳A黄菠萝E平衡Balance0.79320.14650.0570现状Present0.53730.28360.1791苔草-胡枝子-蒙古栎+色木槭群落Carex spp.-Lespedeza bicolor-Ouercus mongolicus+Acer mono community树种Species蒙古栎G色木槭H大果榆I平衡Balance0.71490.09230.1916现状Present0.27590.43350.2906苔草-铁杆蒿-山里红+胡枝子-蒙古栎群落Carex spp.+Artemisia sacrorum-Crataegus pinnat
17、ifida+Lespedeza bicolor-Q.mongolicus community树种Species蒙古栎G色木槭H大果榆I平衡Balance0.67640.21220.1106现状Present0.66670.20630.1269苔草-山里红-大果榆群落Carex spp.-Crataegus pinnatifida-U.macrocarpa community树种Species蒙古栎G色木槭H大果榆I平衡Balance0.52400.29990.1752现状Present0.13100.17930.6897苔草-山杏-大果榆群落Carex spp.-Armeniaca sibir
18、ica-U.macrocarpacommunity树种Species蒙古栎G大果榆I色木槭H平衡Balance0.91300.07510.0075现状Present0.02480.81370.11615铁杆蒿-胡枝子-大果榆+蒙古栎群落Artemisia sacrorum-Lespedeza bicolo-U.macrocarpa+Q.mongolicus community树种Species蒙古栎G大果榆I色木槭H平衡Balance0.74580.09410.1587现状Present0.35460.60990.0355铁杆蒿-羊草-山里红-大果榆群落Artemisia sacrorum+L
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