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THE STRUCTURAL CHANGES OF CUNNINGHAMIA LANCEOLATA HOOK. COMMUNITY EXPOSED IN COMPOUND-POLLUTED ENVIRONMENT FOR A LONG TERM

长期复合污染胁迫下杉木林分结构变化研究



全 文 :武汉植物学研究 1999, 17 (1) : 34~ 40
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
长期复合污染胁迫下杉木
林分结构变化研究Ξ
包维楷
(中国科学院成都生物研究所 成都 610041)
提 要 对长期复合污染胁迫下杉木林分进行了群落调查, 采用比较方法着重分析了群落结
构和物种组成结构等方面的变化。结果表明: 长期复合污染胁迫下, 杉木林分空间结构矮小
化。其中乔木群体平均高度降低 4114 m , 平均胸高直径降低 3169 cm ; 杉木种群生长衰弱, 密
度降低 7 株ö100 m 2, 盖度减小 25%。乔木群体的不良变化为林床植物的发展创造了有利的条
件。灌木层密度和盖度分别增加 43 株ö100 m 2 和 35%。草本层变化不大, 这主要是乔灌木层
盖度消长的变化。大量落叶阔叶树种侵入并成功定居, 导致污染胁迫下杉木林已由同龄纯针
叶林演变为异龄针阔混交林, 也正在向阔叶林变化。暗示这些阔叶树种是该污染区森林恢复
和重建的理想树种。总体而言, 长期的污染胁迫引起群落各层片物种多样性和均匀度增加, 生
态优势度降低, 群落向着复杂化变化, 表明该区长期污染胁迫有效促进了杉木林沿正向演替
顺利发展。
关键词 杉木林, 污染胁迫, 森林退化, 结构变化
自 50 年代在瑞典南部首次发现大面积森林黄化、落叶的衰退现象, 通过定位研究证实其与空气污
染有关以来, 欧美等工业发达国家都相继发现森林的严重衰退现象。据世界野生动植物基金会 (WW F )
1985 年统计, 欧洲有 600 万 hm 2 森林在衰退, 有近 40 亿m 3 活立木蓄积量受空气污染损害。其它国家如
美国、加拿大、日本等也都发现了类似的大面积森林衰退〔1~ 5〕。我国在 1985 年首次发现重庆南山马尾松
森林衰退, 随后相继在四川其它地区, 贵州、广西和湖南等地发现成片与空气污染有关的森林衰退〔4~ 6〕。
目前至少也有 20 000 hm 2 的亚热带针叶林因空气污染而严重衰退。空气污染导致森林退化已是不争的
事实〔1, 3~ 6〕, 并已成为世界林业持续发展普遍面临的突出问题。欧美各国从森林营养及其养分循环角度
开展了大量的研究工作, 主要涉及不同污染物 (SO 2、NO x、O 3、酸性物质等)在森林生态系统内的转移、积
累、反应和伤害的生态学过程及其对林木个体生长发育的危害机制〔1, 3, 6~ 9〕, 但较少涉及森林群落和种
群〔10, 11〕。我国该方面的研究起步较晚, 尚处于退化森林的调查及其污染原因探讨阶段〔12~ 14〕, 最近也进行
了一些较深入的个体生态学实验研究〔15~ 20〕, 但污染胁迫下森林退化的种群和群落响应变化研究还未见
报道。森林是一个系统, 从种群、群落和生态系统角度研究污染胁迫下森林退化变化, 有助于整体把握和
揭示森林退化特征, 为这类退化森林生态系统的恢复和重建提供种群和群落衰退信息和重建依据。加紧
对污染胁迫下的森林生态系统研究已成为现代生态学近期和今后的迫切任务之一。Ξ 收稿日: 1997211218, 修回日: 1998202224。作者: 男, 30 岁, 助研, 在职博士生, 主要从事生态系统退化及其恢复重建与农林复合经营的研究。得到中国科学院成都地奥科学基金 (CD SF)资助。
1 研究地自然概况和污染状况  
湖南冷水江市郊区禾青镇大嵊山, 地处 27°42′N , 111°35′S, 东临资江, 海拔在 200~ 600 m 之间, 坡
度 5~ 15°。属中亚热带季风气候区, 年均气温 1618℃, 年降雨量 1 400 mm 左右, 全年主导风向为东北
向。土壤为红壤, 呈酸性, 有机质和N 含量中等, P、K 严重缺乏。植被以马尾松 (P inus m asson iana)林、杉
木 (Cunning ham ia lanceola ta)林、麻栎 (Q uerus acustissim a)、栓皮栎 (Q. variabilis) 和楠木 (P hoebe sp. ) 为
主的混交林为主。
污染源为毗邻的资江氮肥厂, 其 SO 2 排放量 7021576 T öa, 烟尘排放量 2 3871994 T öa, 周围大气质
量评价为严重污染1) , 近期监测显示大嵊山大气质量仍然差, 污染严重〔19〕, 主要污染物有 SO 2、NO x、N H 3
和粉尘。该厂自 1975 年投产以来, 一直未采取有效的防治措施。曾屡发氨气严重泄漏事件, 使周围林木、
果树、作物等严重受害1)。该区污染具有历史长、污染物种类多、污染过程复杂、污染程度严重的特点。
2 研究内容和方法
在污染区大嵊山海拔 400 m 处选择典型污染林分样方A , 位于污染源下风 (东北向)方向 800 m 处;
在双星村选择同样立地条件下相同林龄 (20 a)、相同营造方式和密度的对照林分样方 CK, 位于污染源
的上风方向 2 500 m 处。采用比较方法, 探讨长期复合污染胁迫下杉木林分群落结构方面的变化。样方
面积 400 m 2, 每木检尺测定树高 (H )、胸径 (DBH ) 和冠面积 (CS) , 记载生活力, 按 K raft 方法进行林木分
级〔22〕; 以 3 个 2 m ×2 m 样方分别调查灌木、草本层的物种及其高度、盖度、多度, 最后综合分析。林分组
成结构的测定采用已被证明是有效的物种丰富度指数 (S ) 和 Shannon2W iener 指数 (H ′) 度量物种多样
性指数〔20, 21〕, 采用O dum 建议的 Simp son 指数来度量生态优势度 (SN )〔20~ 22〕, 林分均匀度 (E I) 采用 PW
指标测度〔21〕; 采用相似性系数和相异性系数〔21〕测度林分A 和CK 之间的相似程度。
3 结果与分析
311 林分空间结构的变化
3. 1. 1 垂直结构
对照清洁区为杉木同龄林, 其乔木个体平均高度为 11145 m , 8 m 以下几乎无个体分布。长期污染环
境中的杉木林分乔木个体平均高度仅 7131 m , 10 m 以上无个体分布 (图 1)。结果表明, 污染长期胁迫导
致林分群体高度降低, 林木高度生长严重衰退, 抑制了杉木林分垂直空间结构的发展。
图 1 湖南冷水江市大嵊山杉木群落的高度级分布
F ig11 H eigh t class distribu tion of trees in
Cunn ing ham ia lanceola ta comm unity at
D asheng H ill of L enshu ijiang C ity, H unan P rovince
图 2 湖南冷水江市大嵊山杉木林乔木胸高直径分布
F ig12 D istribu tion of DBH class of
Cunn ing ham ia lanceola ta comm unity at
D asheng H ill of L enshu ijiang C ity, H unan P rovince
1) 湖南冷水江市农业区划委员会。湖南冷水江市农业区划报告集。1987: 265~ 274, 291~ 294。
53 第 1 期            包维楷: 长期复合污染胁迫下杉木林分结构变化研究
3. 1. 2 水平结构
长期污染胁迫下, 杉木林分乔木密度和盖度下降 7 株ö100 m 2 和 25% (表 1) , 主要林木杉木的生活
表 1 湖南冷水江市大嵊山杉木林分各层
个体密度和盖度差异
T able 1 Changes of individual density and
comm unity coverage of differen t layers in
Cunning ham ia lanceola ta comm unity at D asheng
H ill of L enshu ijiang C ity, H unan P rovince
群落
Comm unity
层次
L ayer
密度 (Stem sö100 m 2)
D ensity
盖度 (% )
Coverage
乔木层 18 50
A 灌木层 110 60
草本层 - 35
乔木层 25 75
CK 灌木层 67 25
草本层 - 40
力弱, 冠型不良, 枯梢的林木占 80% , 表明污染对
杉木的胁迫作用大, 伤害重。灌木层密度和盖度明
显增加 (表 1) , 也进一步说明乔木的衰退。草本层
的密度和盖度变化不大 (表 1) , 这是灌木层变化
的结果。值得注意的是, 污染区杉木林分已由同龄
纯林, 发展为异龄针阔混交林。
3. 1. 3 林分乔木胸高直径 (DBH )分布
污染区林分平均胸高直径仅 7186 cm , 较对
照林降低 3196 cm。从图 2 也可看出, 污染区林分
平均胸高直径仅 6 个径阶 (1 cm 为一径阶) , 在
5~ 10 cm 范围内: CK 林分为 9 个径阶, 在 9~
16 cm 之间。表明污染区林分粗生长也退化严重。
312 林分的物种组成结构变化
3. 2. 1 林分内物种的消长变化
杉木林分在长期的污染环境中乔、灌、草物种的消长变化分别如表 2, 表 3 所示。从表 2 可知, 污染区
乔木层物种组成发生了很大变化。杉木的数量和优势度大大降低, 且幼苗和幼树仅 2 株; 已有较多的次
生阔叶树 (7 种)侵入, 如檫木、栓皮栎等。原来下木层的冬青得到进一步的发展壮大, 它们不仅占乔木层
重要值的一半, 而且也有较多的幼年个体。这标志着在近 20 年的污染干扰下, 杉木林已经演变成针阔混
交林, 正在向阔叶林转变。从侵入的时间来看, 大多数种是在 10~ 15 a 前侵入。但山胡椒最大树龄为 22
a, 与杉木林分年龄相当, 表明山胡椒不是侵入种而是原来造林地中的种苗长成的。
表 2 长期污染环境中杉木林的乔、灌木物种变化
T able 2 Species changes of tree and sh rub layers in Cunning ham ia lanceola ta comm unity
in the environm ent po llu ted fo r long term
种  名
Species nam e
污染区群落 Comm unity in po llu ted area
多度
A bundance
重要值
Impo rtance value
对照区群落 Comm. in CK area
多度
A bundance
重要值
Impo rtance value
乔木层 T rees layer (H≥3 m )
 杉木 Cunn ing ham ia lanceola ta 47 146. 10 87 300. 00
 檫木 S assf ras tsum u 3 27. 62 0 0. 00
 山胡椒 L ind era g lauca 7 48. 58 0 0. 00
 响叶杨 P op olus sp. 2 12. 23 0 0. 00
 冬青 S ymp locos sp. 3 16. 62 0 0. 00
 栓皮栎Q uercus variabilis 6 34. 71 0 0. 00
 光皮桦 B etu la lum in if era 2 14. 15 0 0. 00
合计 Sum of the first layer 70 (7 种) 300. 00 87 (1 种) 300. 00
灌木层 Sh rub layer
 杉木 Cunn ing ham ia lanceola ta 3 (萌生) 8. 24 0 0. 00
 檫木 S assf ras tsum u 3 6. 39 0 0. 00
 山胡椒 L ind era g lauca 5 12. 56 0 0. 00
 响叶杨 P op olus sp. 3 7. 57 0 0. 00
 冬青 S ymp locos sp. 3 10. 37 4 21. 41
 柃木 E u ry a a la ta 10 丛 47. 83 6 38. 36
 栓皮栎Q uercus variabilis 2 8. 45 1 +
 光皮桦 B etu la lum in if era 4 11. 40 0 0. 00
 算盘子 G loch id ium p uberum 5 14. 57 5 19. 03
 红紫珠 Callica rp a rubella 10 19. 76 6 35. 89
 白栎Q uercus f abri 12 22. 46 5 18. 68
63 武 汉 植 物 学 研 究               第 17 卷  
  续表 2
种  名
Species nam e
污染区群落 Comm unity in po llu ted area
多度
A bundance
重要值
Impo rtance value
对照区群落 Comm. in CK area
多度
A bundance
重要值
Impo rtance value
 茶 Cam ellia sinensis 4 16. 25 0 0. 00
 满树星 I lex cu leola ta 0 0. 00 3 10. 25
 华白檀 S ymp locos p an icu la ta 2 5. 00 1 +
 乌药 L ind era ag g reg a ta 17 32. 76 6 33. 77
  木 L orop eta lum ch inensis 26 64. 27 5 31. 50
 南烛 L y on ia ova lif olia 3 5. 20 0 0. 00
 荚  V ibu rnum sp. 2 + 4 27. 34
 金樱子 R osa lav ig a ta 6 21. 04 2 8. 33
 悬钩子 R ubus sp. 4 13. 17 4 21. 21
 胡枝子 L esp ed ez a sp. 2 + 2 6. 24
 山莓 R ubus cochorif olius 2 4. 70 4 20. 00
合计 Sum of sh rub layer (22 种) 300. 00 15 种 300. 00
从表 2 灌木层的比较来看, 长期污染胁迫下, 其种类增加了 7 种, 各种群个体数量和作用也已发生
变化。长期污染导致 木已经成为优势种。这与该区顶极常绿阔叶林下木层更接近〔30〕; 草本层种类组成
和各种群个体均发生了较大变化。喜阳喜酸性土壤的种类, 如狗脊种群扩大, 而马兰减小。藤本植物基本
无变化 (表 3)。群落乔、灌、草层的变化是相互关联的。污染区由于杉木的衰退, 为喜光的、附近有种源
的、能抗污染的阔叶树侵入创造了条件, 而灌木种群发展壮大可归结于污染区林分密度下降, 乔木盖度
减小, 林地透光增大的结果。
表 3 长期污染环境中杉木林的草、藤本物种变化
T able 3 Species changes of herb and lianas layers in Cunning ham ia lanceola ta comm unity
in the environm ent po llu ted fo r long term
种  名
Species nam e
污染区群落 Comm unity in po llu ted area
多度3
A bundance
盖度3 3
Coverage
对照区群落 Comm. in CK area
多度3
A bundance
盖度3 3
Coverage
草本层 H erb layer
 野古草 A rund inella h irta Cop. 1 Grade 3 Sp. +
 芒M iscan thus sinensis Sp. +
 黄背草 T hem ed a triand ra
var. jap on ica Sp. +
 苔草 Carex sp. Cop. 1 Grade 1 Cop. 1 Grade 1
 马兰 A sterom aea ind ica So l. + Cop. 1 +
 淡竹叶 L op hu therum g racile Sp. Grade 1 Cop. 1 Grade 1
 狗脊W ood nard ia jap on ica Cop. 2 Grade 3 Sp. Grade 1
 耳草 H edy otis sp. Cop. 1 + Cop. 1 +
 知风草 E rag rostis d istichum So l. + So l. +
 蕨 P terid ium aqu itinum Sp. Grade 1 Sp. +
 金星蕨 P ara thelyp teris
g land u lid eria Sp. Grade 1 Sp. Grade 2
 海金沙 L y g od ium jap on ica Sp. Grade 1 Sp. Grade 1
 乌蕨 S tenolom a chusanum So l. Grade 1 Sp. Grade 2
藤本植物 L ianas p lan ts
 鸡血藤M illett ia dielsiana So l. U n.
 野葡萄 A mp elop sis
brev ip ed um cu la ta Sp. Sp.
 猕猴桃 A ctin id ia ch inensis So l. U n.
 3 多度采用德鲁德的等级标准估计。Soc. 极多; Cop. 3 很多; Cop. 2 多; Cop. 1 尚多; Sp. 少; So l. 稀少; U n. 个别。3 3 盖度采用布朗2布郎喹特的六级盖度级标准估计: 单位面积中覆盖 75% 以上, 50%~ 75% , 25%~ 50% , 5%~
25% , 5% 以下, 011% 分别记为盖度级 5, 4, 3, 2, 1, + 。
 3 T he A bundance determ in ing fo llow ed the D rude’s standard.3 3 T he Coverage estim ation fo llow ed B raun2B lanquet’s judgm ent: grade 5, 4, 3, 2, 1 and + indicated that the
p lan ts covered over 75% , 50%~ 75% , 25%~ 50% , 5%~ 25% , below 5% and abou t 0. 1% in un it area re2
spectively.
73 第 1 期            包维楷: 长期复合污染胁迫下杉木林分结构变化研究
3. 2. 2 林分演变过程的物种结构变幅
杉木林分各层演变过程是有差异的, 反映出不同层间的演变速度的差异。乔木层的相似性最小, 仅
为 01027, 其变化速度最大; 灌木层次之, 为 01243; 草本层相似性最大, 为 01329, 反映出草本层差异不
大, 变化速度主要是其各种群数量变化的贡献。
313 林分组织结构变化
如表 4 所示, 在长期复合污染干扰下, 杉木林分植物种类从 30 种增加至 45 种, 相应地杉木林分各
层片物种多样性和群落均匀度明显增加, 生态优势度显著降低。表明林分向着复杂化方向发展。
表 4 长期污染环境中杉木林的物种多样性、均匀度和生态优势度指数变化
T able 4 Changes of diversity evenness and eco logical dom inance of Cunning ham ia lanceola ta
comm unity in the environm ent po llu ted fo r long term
群落
Comm unity
层次
L ayer
种数
N um ber of species
个体数
Individuals
多样性指数
Shannon2W iner index 生态优势度Simp son index 均匀度指数Evenness index
乔木层  7 70 3. 103 0. 279 0. 651
A 灌木层3 25 - 4. 104 0. 193 0. 887
草本层  13 - 2. 953 0. 149 1. 062
乔木层  1 87 0 1. 00 -
CK 灌木层3 18 - 3. 425 0. 470 0. 509
草本层  11 - 2. 331 0. 208 0. 7943  包括 3 种藤本植物 ( Include th ree species of lianas)。
4 结论和讨论
在长期的复合污染胁迫下, 杉木林群体退化严重, 高度和直径生长明显衰退。乔木层的空间结构发
生了不良变化, 种群密度和盖度明显降低, 林内空间资源分配不仅有利于林床植物的发展, 也为一些演
替先锋植物的侵入创造了条件, 其侵入时间大约在 10~ 15 a 前。杉木林已由同龄针叶纯林变化为异龄
针阔混交林。由于杉木生长明显衰弱, 该杉木林也正在向阔叶林变化。
值得注意的是, 在这样的环境中, 侵入并定居成功的种类除满足正常自然演替所需条件外, 还必须
具备较强的抗污染能力。只有通过了污染胁迫的环境筛的侵入种才能定居成功。本研究表明, 污染区杉
木林分中的檫木、杨树、桦木、木姜子等已定居成功, 它们显然较杉木更能抗该复合污染。因此, 有理由认
为这些落叶阔叶树种是该污染区杉木林退化后理想的森林恢复和重建树种。
杉木人工林采伐后的二代、三代林是退化生态系统, 其采伐后正确的更新策略是顺应演替规律, 营
造杉阔混交林或阔叶林〔24〕。上述研究结果表明, 长期的污染胁迫导致了杉木人工林提前衰退, 促进了杉
阔混交林的自然形成。M cC lenahen 报道了O h io 河谷污染引起了与本文杉木林相似的种群衰退〔11〕,
M iller 在研究南加州光化学烟雾对林木的影响中也描述了类似的植物演替变化结果〔10〕。这暗示长期复
合污染胁迫, 作为人为的间接干扰, 能促进自然演替顺向进行, 并与杉木林、马尾松林自然恢复方向“不
谋而合”〔23〕。
过去, 人们对污染的认识主要是它的危害效应〔1~ 9, 12~ 19〕, 即对生态系统的负面影响, 却很少揭示它
也有可为人类利用的一面。本文结果也表明, 通过研究污染区植物种群、群落和生态系统对长期污染的
反应和变化, 能为进一步防治污染提供“现场”(而不是模拟和室内试验) 依据, 也能为恢复和重建污染导
致的退化群落和生态系统提供理论证据, 如树种选择、恢复和重建途径等。
致谢 本文得到吴宁研究员的帮助, 特此致谢。
83 武 汉 植 物 学 研 究               第 17 卷  
参 考 文 献
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93 第 1 期            包维楷: 长期复合污染胁迫下杉木林分结构变化研究
THE STRUCTURAL CHANGES OF
CUNN IN GHAM IA LAN CEOLA TA HOOK.
COMM UN ITY EXPOSED IN COM POUND -POLL UTED
ENV IRONM ENT FOR A LONG TERM
Bao W eikai
(Cheng d u Institu te of B iology , T he Ch inese A cad emy of S ciences Chengdu 610041)
Abstract Cunning ham ia lanceola ta Hook. fo rest expo sed in compound2po llu ted environm ent fo r long
period w as investigated and its structu ral changes w ere analyzed by comparative study w ith the no rm al
fo rest in the sam e affo resta t ion site, techn ique and tim e in th is paper. Som e in terest ing conclusions w ere
drow n. U nder the compound2po llu t ing stress fo r a long term , tree layers of the fo rest occurred unfavo r2
ab le spatia l decline. Bo th the average heigh t and diam eter at b reast heigh t (DBH ) decreased 4. 14 m and
3. 96 cm respectively. T he density and coverage also reduced 7 stem sö100 m 2 and 25% respectively. Cun2
n ing ham ia lanceola ta populat ion grew w eak ly. A scrib ing to the tree popu lat ion declin ing, understo ry
hab ita ts w ere so p rofitab le fo r sh rubs that their density and coverage increased 43 stem sö100 m 2 and
35% respectively. H erbs kep t rela t ive stab le. To m ake in terest ing, species compo sit ions had obvious dif2
ferences, especia lly in tree layer. M any deciduous broadleaf trees imp lan ted and co lon ized successfu lly,
and th is changed Cunning ham ia lanceola ta fo rest in to uneven2aged, b road and con ifer leaves m ixed fo rest
from even2aged and con ifer pure fo rest, and being changed in to broad2leaf fo rest. It inferred that tho se
broad2leaf trees, including S assaf ras tsum u , L ind era g lauca,Q uercus variabilis, B etu la lum in if era , P op u2
lus sp. , S ym p locos sp. etc. ,m ay be the mo st su itab le species of resto ring and reconstructing fo rest after
Cunning ham ia lanceola ta fo rest degraded. To tally speak ing, the long2term stresses of compound2po llu2
t ion m ade Cunning ham ia lanceola ta fo rest have h igher species diversity index and comm unity evenness
and low er eco logical dom inance, imp lying the long2term stresses of compound po llu t ion gu ided Cunning 2
ham ia lanceola ta fo rest develop ing to comp licate direct ion and on no rm al succession’s w ay.
Key words Cunning ham ia lanceola ta Hook. fo rest, Structu ral change, Po llu t ion stress, Fo rest decline
04 武 汉 植 物 学 研 究               第 17 卷