徐靜靜,艾訓(xùn)儒,2*,蒲 鑫,朱 江

(1.湖北民族學(xué)院 林學(xué)園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000; 2.生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室(湖北民族學(xué)院)，湖北 恩施 445000)

清江流域生態(tài)系統(tǒng)植被不同林分因子隨海拔梯度的變化

徐靜靜1,艾訓(xùn)儒1,2*,蒲 鑫1,朱 江1

(1.湖北民族學(xué)院 林學(xué)園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000; 2.生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室(湖北民族學(xué)院)，湖北 恩施 445000)

選擇清江流域的南部和北部進(jìn)行垂直樣帶調(diào)查，將2個調(diào)查地段分別等距離劃分為高 、中和低3個海拔區(qū)域，研究林分因子在不同海拔范圍內(nèi)的差異，并比較2個地段林分因子隨海拔梯度變化的總體趨勢.結(jié)果表明：2個地段的林分因子隨海拔梯度的變化呈現(xiàn)不同的變化格局.在南部，林分因子(平均胸徑、最大胸徑、平均樹高、最大樹高、胸高斷面積和蓄積量)隨海拔的增加逐漸下降；在北部，林分因子(平均胸徑、最大胸徑、平均樹高、最大樹高、胸高斷面積和蓄積量)隨海拔梯度的變化呈單峰型變化趨勢.盡管相同的林分因子在兩個地段呈現(xiàn)不同的變化格局，但兩個地段林分因子的變化都可以用二次曲線方程y=ax2+bx+c(a、b、c為常數(shù))進(jìn)行描述.

清江流域；林分因子；海拔梯度

植被沿海拔梯度的變化規(guī)律是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點問題之一.研究植被林分因子隨海拔梯度變化的格局對揭示森林群落特征時空變化的驅(qū)動因素，從而合理調(diào)控植被群落分布具有重要意義.有研究結(jié)果表明，物種豐富度隨海拔梯度的變化一般有5種變化規(guī)律，分別為隨著海拔的增加呈單峰格局、單調(diào)下降、先下降后上升、單調(diào)上升和沒有明顯變化的格局[1-5].一般認(rèn)為，前兩種的林分因子隨海拔梯度的變化格局是比較普遍的[6-9].研究表明，環(huán)境因子隨海拔梯度的差異也發(fā)生相應(yīng)的變化[10-13]，林分因子的變化趨勢受環(huán)境因素的影響[5,14-15]；不同方式的干擾也可直接導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)以及植被林分因子的變化[8,16-18].因此林分因子隨海拔梯度的變化格局可能來源于環(huán)境因子和干擾等因素的影響.

清江流域地處湖北省西南部，位于東經(jīng)108°35′～111°35′，北緯29°33′～30°50′，是長江在湖北省境內(nèi)的第二大支流，發(fā)源于湖北省利川市齊岳山，流經(jīng)利川、咸豐、恩施、宣恩、建始、巴東、鶴峰、五峰、長陽、宜都等10個縣市，干流全長約423 km，流域面積達(dá)17000平方公里.清江流域的森林資源十分豐富，是省內(nèi)第二大用材基地，育林面積達(dá)到93.3萬hm2.目前對清江流域的研究多集中在清江流域的地質(zhì)、文化或植被分子水平等方面[19-21]，對清江流域生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性垂直梯度格局的研究報道較少.本研究選擇在清江流域的南部和北部進(jìn)行植物多樣性的垂直樣地調(diào)查，分析清江流域不同地段的生態(tài)系統(tǒng)植被林分因子在不同海拔范圍內(nèi)的變化規(guī)律，為了解清江流域植物多樣性隨海拔梯度變化的規(guī)律以及對生態(tài)系統(tǒng)群落的經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù).

表1 研究區(qū)概況

1 研究區(qū)概況

選擇位于我國湖北境內(nèi)清江流域的南部和北部兩個地段垂直群落學(xué)調(diào)查，在清江源的南部還包含有國家一級自然保護(hù)區(qū)星斗山自然保護(hù)區(qū)，研究地段的基本概況見表1.

2 研究方法

2.1樣地設(shè)置

采用樣方法進(jìn)行群落調(diào)查，在清江流域的南部和北部(海拔815～1 753 m)兩個地段進(jìn)行布設(shè)樣方，根據(jù)群落結(jié)構(gòu)的相對完整性在每個地段的不同海拔高度隨機(jī)選擇樣地及樣方的個數(shù)，利用全站儀設(shè)置面積為20 m×20 m的樣方，共計調(diào)查的樣方為39個.

2.2調(diào)查與分析內(nèi)容

將清江源的南部和北部的海拔分別盡量等間距劃分為高、中和低3個海拔范圍，分析清江流域植被群落的主要林分因子(平均胸徑、最大胸徑、平均樹高、最大樹高、林分密度、胸高斷面積和蓄積量)隨海拔梯度變化的不同規(guī)律.采用不同的函數(shù)對主要林分因子隨海拔梯度變化的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，所有的數(shù)據(jù)處理在Excel和Origin7.5軟件中進(jìn)行.

樣方調(diào)查時，將每個樣地劃分為4塊10 m×10 m的小樣地，并對其中的喬木、灌木和草本進(jìn)行調(diào)查，分別記錄喬木活立木的種類、叢樹、樹高以及胸徑；記錄灌木的種名、叢樹、樹高以及基徑；草本層調(diào)查記錄植物的種類、叢數(shù)，并估測其蓋度等指標(biāo).在上述樣方指標(biāo)調(diào)查完成后通過手持GPS測量樣方的經(jīng)緯度、海拔、坡向等地形因子，并記錄群落的人為干擾、群落成熟狀況等.調(diào)查樣地的工作在2012年6～9月進(jìn)行并完成.

2.3 蓄積量的計算方法

根據(jù)調(diào)查林分因子(樹高、胸徑)的數(shù)據(jù)計算每個樣方內(nèi)喬木和灌木胸徑或基徑>6 cm植被的材積；林分蓄積量是按照湖北省一元立木材積表[22]的經(jīng)驗公式計算每塊樣地內(nèi)不同樹種的材積.

鄂西南不同樹種材積的計算公式：

D輪=A+B×D圍

V=aD輪bHc

式中：D輪為植被在樹高1.3 m處的輪徑，D圍為植被調(diào)查時喬木或灌木在樹高1.3 m處的胸徑或基徑，V和H分別為每株喬木或灌木的材積和樹高，A、B、a、b、c為常數(shù)，不同樹種的A、B、a、b、c參考湖北省一元立木材積表取值不同.

3 結(jié)果與分析

3.1 林分概況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在清江源南部植被群落在低海拔處以針葉林為主，中海拔處為常綠闊葉混交林，在高海拔處則為常綠闊葉林，植物群落的發(fā)育狀況主要為成熟型群落，恢復(fù)型群落占有少數(shù).在清江源北部植被群落隨海拔梯度的增加依次為針葉林、落葉闊葉林和針闊混交林，植物群落的發(fā)育狀況以恢復(fù)型群落為主.調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，清江源南部不同海拔處的植物群落類型有所差異，海拔810～1 110 m處主要混生有杉木、禿杉(Taiwaniacryptomerioides)、毛竹、鉤栲(CastanopsistibetanaHance)、絲栗栲(Castanopsisfargesii)、楓香(LiquidambarformosanaHance)等；海拔1 110～1 420 m處主要混生有有珙桐(DavidiainvolucrataBaill)、楠木(PhoebezhennanS. Lee et F. N. Wei)等；海拔1 420～1 760 m處主要混生有鵝耳櫪(CarpinusturczaninowiiHance)、青岡(Cyclobalanopsisglauca(Thunberg) Oersted)、水青岡(FaguslongipetiolataSeem)等.在北部不同海拔處均混生有馬尾松(PinusmassonianaLamb)和杉木(Cunninghamialanceolata)，此外海拔1 130～1 240 m處還混生有的植被有毛竹(ph.edulis(carr)h.de)、貓兒屎(Decaisneainsignis)；海拔1 240～1 350 m處混生有柳杉(CryptomeriafortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr)、錐栗(Castaneahenryi(Skam) Rehd. et Wils.)；海拔1 240～1 350 m處混生有錐栗、香椿(Toonasinensis)、鹽膚木(Rhuschinensis)等.

3.2 林分因子隨海拔梯度的變化規(guī)律

不同海拔高度的林分因子如表2所示.

表2 不同海拔高度的林分因子

圖1 平均樹高隨海拔梯度的變化Fig.1 Mean tree height along an altitudinal gradient changes

圖2 最大樹高隨海拔梯度的變化Fig.2 The maximum height along an altitudinal gradient changes

從表2中看出不同的林分因子的變化規(guī)律隨著海拔高度的變化存在差異.在清江源南部，林分平均胸徑在低海拔處最大，高海拔處最小，在清江源北部則是中海拔處最大，低海拔出最小.林分最大胸徑在南部和北部的低、中海拔處相同，但在南部高海拔處林分最大胸徑的值較小，在北部的高海拔處林分最大胸徑的值較大.林分平均樹高在2個地段呈現(xiàn)出不同的變化趨勢：在南部，林分平均樹高隨著海拔梯度的增加逐漸減小；在北部，林分平均樹高在中海拔處最大，低海拔處最小.林分最大樹高在南部的變化趨勢為中海拔>低海拔>高海拔，在北部林分最大樹高在中、高海拔處相同且大于低海拔處.林分密度在南部和北部的變化呈相反的趨勢，在南部林分密度隨著海拔的增加逐漸減小，在北部林分密度隨著海拔的增加逐漸增加.2個地段的林分胸高斷面積變化趨勢也較為復(fù)雜，在南部的低、中海拔處較為接近，高海拔處最小，在北部，林分胸高斷面積與林分平均胸徑的變化趨勢表現(xiàn)出一致性，即為中海拔>高海拔>低海拔.在南部，林分蓄積量與林分胸高斷面積的變化趨勢相似，均是在低、中海拔處變化不大，高海拔處最小，在北部，林分蓄積量在中海拔處取得最大值，高海拔處次之，低海拔處最小.

3.3林分因子隨海拔梯度的變化

3.3.1 平均樹高隨海拔梯度的變化 從圖1中可以看出，清江源南部和北部林分平均樹高隨海拔梯度的變化呈現(xiàn)出不同的變化格局，在南部林分平均樹高隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，在北部林分平均樹高隨海拔的增加呈現(xiàn)單峰型變化格局，但在清江源的南部P=0.022和北部P=0.024都達(dá)到了顯著相關(guān)水平.

3.3.2 最大樹高隨海拔梯度的變化 從圖2中可以看出，在清江源南部林分最大樹高隨海拔的變化呈下降的趨勢，P=0.014達(dá)到了顯著相關(guān)水平.在清江源北部林分最大樹高隨海拔梯度的增加呈現(xiàn)單峰型的變化格局，P=0.000達(dá)到了極顯著相關(guān)水平.

3.3.3 平均胸徑隨海拔梯度的變化 從圖3中可以看出，在清江源南部林分平均胸徑隨海拔梯度的變化呈現(xiàn)下降的趨勢，達(dá)到了極顯著相關(guān)水平P=0.004.在清江源北部林分平均胸徑隨海拔梯度的增加呈現(xiàn)單峰型變化格局，達(dá)到了極顯著相關(guān)水平P=0.002.

圖3 平均胸徑隨海拔梯度的變化Fig.3 The average DBH with elevation gradient

圖4 最大胸徑隨海拔梯度的變化Fig.4 The maximum DBH with elevation gradient

圖5 胸高斷面積隨海拔梯度的變化Fig.5 Total basal area with elevation gradient

圖6 林分密度隨海拔梯度的變化Fig.6 Stand density with altitude gradient

圖7 蓄積量隨海拔梯度的變化Fig.7 Volume with an altitudinal gradient

3.3.4 最大胸徑隨海拔梯度的變化 從圖4中可以看出，在清江源南部林分最大胸徑隨著海拔梯度的變化呈下降的趨勢，在清江源北部林分最大胸徑隨海拔的增加呈現(xiàn)單峰型變化格局，在南部P=0.02則達(dá)到了顯著相關(guān)水平,在北部P=0.000達(dá)到了極顯著相關(guān)水平.

3.3.5 胸高斷面積隨海拔梯度的變化 從圖5中可以看出，在清江源南部林分胸高斷面積隨著海拔的變化呈現(xiàn)出下降的趨勢，在清江源北部林分胸高斷面積隨海拔梯度的增加呈現(xiàn)單峰型變化格局，并且在南部P=0.04和北部P=0.04和都達(dá)到了顯著相關(guān)水平.

3.3.6 林分密度隨海拔梯度的變化 從圖6中可以看出，在清江源南部(P=0.838)和北部(P=0.473)林分密度隨海拔梯度梯度的變化沒有達(dá)到顯著相關(guān)水平，在南部林分密度隨著海拔的增加呈現(xiàn)單峰型的變化格局，但在北部林分密度隨著海拔梯度的變化呈現(xiàn)上升的趨勢.

3.3.7 蓄積量隨海拔梯度的變化 從圖7中可以看出，在南部林分蓄積量隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，在清江源北部林分蓄積量隨海拔的變化呈現(xiàn)單峰型變化格局，在南部P=0.045和北部P=0.04均達(dá)到了顯著相關(guān)水平.

4 小結(jié)

數(shù)據(jù)分析表明，清江源南部和北部生態(tài)系統(tǒng)植被不同林分因子(平均胸徑、最大胸徑、平均樹高、最大樹高、胸高斷面積和蓄積量)隨著海拔梯度的變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢，清江源南部林分因子隨著海拔的升高呈下降的趨勢，為負(fù)相關(guān)關(guān)系；在清江源北部，林分因子隨著海拔的增加呈現(xiàn)單峰型變化格局.在本研究中，清江流域氣候濕潤，雨量充沛，地形復(fù)雜，土壤厚度及養(yǎng)分狀況良好，光照強(qiáng)度由東北向西南逐漸遞減，降水和風(fēng)速隨著海拔的升高而逐漸加大，氣溫則隨海拔升高呈遞減的趨勢[22-23].樣方調(diào)查時，在清江源南部，樣地選擇為天然林群落，植被在受環(huán)境因素的影響較大的背景下，林分因子隨海拔梯度的升高而呈下降的趨勢；在清江源北部，低海拔區(qū)群落的選擇包含有成熟型和恢復(fù)型群落，受人為干擾和環(huán)境因素的影響[18]，林分因子隨海拔梯度的變化呈單峰型變化格局.因此，清江源林分因子的變化對該區(qū)域的環(huán)境梯度變化都有較好的指示作用.

研究結(jié)果顯示，雖然清江源的南部和北部兩個地段林分因子隨海拔梯度的變化呈現(xiàn)不同的變化格局，但清江源的林分因子平均胸徑、最大胸徑、平均樹高、最大樹高、林分密度和蓄積量(y)隨海拔高度(x)的變化可用方程y=ax2+bx+c(a、b、c為常數(shù))進(jìn)行描述.

[1] 朱源,康慕誼,江源,等,賀蘭山木本植物群落物種多樣性的海拔格局[J].植物生態(tài)學(xué)報,2008,32(3): 574-581.

[2] 劉興良,岳永杰,鄭紹偉,等.川滇高山櫟種群統(tǒng)計特征的海拔梯度變化[J].四川林業(yè)科技,2005, 26(4):9-15.

[3] 段敏杰,高清竹,郭亞奇,等.藏北高寒草地植物群落物種多樣性沿海拔梯度的分布格局[J].草業(yè)科學(xué),2011,28(10):1845-1850.

[4] 劉貴峰, 臧潤國,郭仲軍,等.不同經(jīng)度天山云杉群落物種豐富度隨海拔梯度變化[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2008,19(7):1407-1413.

[5] 劉貴峰, 臧潤國,張新平,等.不同經(jīng)度天山云杉林分因子隨海拔梯度的變化[J].林業(yè)科學(xué), 2009,45(8):9-13.

[6] 唐志堯,方精云.植物物種多樣性的垂直分布格局[J].生物多樣性,2004,12(1):20-28.

[7] 馮建孟,王襄平,徐成東,等.玉龍雪山植物物種多樣性和群落結(jié)構(gòu)沿海拔梯度的分布格局[J].山地學(xué)報,2006,24(1):110-116.

[8] 唐志堯,柯金虎.秦嶺牛背梁植物物種多樣性垂直分布格局[J].生物多樣性,2004,12(1):108-114.

[9] 沈澤昊,劉增力,方精云.貢嘎山海螺溝冷杉群落物種多樣性與群落結(jié)構(gòu)隨海拔的變化[J].生物多樣性,2004,12(2):237-244.

[10] Barry R G.Mountain Weather and Climate[M].England:Cambridge University Press,1981.

[11] Grytnes J A.Species-richness patterns of vascular plants along seven altitudinal transects in Norway[J].Ecography,2003,26:291-300.

[12] Carpenter C.The environmental control of plant species density on a Himalayan elevation gradient[J].Journal of Biogeography,2005,32:999-1018

[13] Bhattarai K R,Vetaas O R.Variation in plant species richness of different life forms along a subtropical elevation gradient in the Himalayas,east Nepal[J].Global Ecology and Biogeography,2003,12:327-340.

[14] 潘紅麗,李邁和,蔡小虎,等.海拔梯度上的植物生長與生理生態(tài)特性[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2009,18(2):722-730.

[15] Bergengren J,Thompson S,Pollard D,et al.Modeling global climate-vegetation interactions in a doubled CO2world[J].Netherlands,2001,50:31-75.

[16] 李新彬,王襄平,羅菊春,等.干擾對長白山北坡次生林群落結(jié)構(gòu)和樹種多樣性的影響[J].林業(yè)科學(xué)報, 2006,42(2):105-110.

[17] 王廣慧,烏蘭,于軍.干擾與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系[J].內(nèi)蒙古草業(yè),2007,19(1):15-18.

[18] 艾訓(xùn)儒.人為干擾對森林群落及生物多樣性的影響[J].福建林業(yè)科技,2006, 33(3):5-9.

[19] 吳茜.清江流域非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的類別、現(xiàn)狀及保護(hù)[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報:哲學(xué)社會科學(xué)版,2007,25(5):48-51.

[20] 畢慶文,于建軍,汪鍵,等.清江流域烤煙類胡蘿卜素降解產(chǎn)物的因子分析和綜合評價[J].中國煙草科學(xué),2009,30(6):25-29.

[21] 艾訓(xùn)儒.湖北省清江流域土家族生態(tài)學(xué)研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2006,1-202.

[22] 沈作奎.湖北省一元立木材積表[M].武漢：湖北省林業(yè)勘察設(shè)計院,1985.

[23] 羅書文,張遠(yuǎn)海,陳偉海,等.基于流域水文地貌系統(tǒng)的清江流域地貌研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(3):1646-1649

StandFactorsofQingjiangRiverBasinalongtheAltitudinalGradientinDifferentLongitudes

XU Jing-jing1,AI Xun-ru1,2*,PU Xin1,ZHU Jiang1

(1.School of Forestry and Horticulture,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.Key Laboratory of Biologieal Resources Protection and Utilization of Hubei Province, Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

The vertical sample strips of Southern and northern in Qingjiang River Basin were investigated.Each site was divided into three altitudinal ranges (high,middle and low) and the difference in stand factors within each site range was analyzed.The variation of main stand factors along the altitudinal gradient was investigated. The results showed that variation of different stand factors within each site presented different patterns.In the southern,the stand factors (mean and maximum DBH,mean and maximum tree height,total basal area and stand volume) gradually deereases with the increase of altitude;in the northern,the stand factors showed hump- shaped curves with increasing of the altitude.Although the same stand factors in the two areas present different change pattern, the stand factors in the two areas could be described by the quadratic curve equationsy=ax2+bx+c(a、b、c for constant).

Qingjiang river basin; stand factors; altitudinal gradient

2013-03-31.

湖北省教育科學(xué)技術(shù)研究計劃重點項目.

徐靜靜(1986- )，女，碩士生，主要從事民族植物與生態(tài)的研究;*

：艾訓(xùn)儒(1967- )，男，教授，博士，主要從事生態(tài)學(xué)與民族學(xué)研究.

S718.55

A

1008-8423(2013)02-0153-05