论文部分内容阅读
原始林的大规模破坏正引发席卷全球的生态危机,产生诸如全球变暖、生物多样性锐减、水土流失、荒漠化等生态问题,对社会和经济的发展也带来灾难性后果。为保护生态环境、遏制自然灾害频发,促进社会经济的可持续发展,2000年中国实施天然森林资源保护工程(简称天保工程)。这对实现中国森林资源保护、促进可持续资源管理具有重要意义。东北林区作为天保工程实施的重点地区,恢复破坏殆尽的原始红松林势在必行,提出有效的恢复评价体系尤为必要。近自然度作为评价退化森林恢复进程和程度的指标,对其的研究正成为一项全球优先事项。但近自然度在评价方法的复杂性和适用性之间,以及在评价的精确性和成本之间一直存在难以调和的矛盾,迫切需要一种简单、精确、经济、通用的近自然度评价方法。原始红松林主要分布在中国东北的小兴安岭和长白山地区。相比长白山地区南部亚带和小兴安岭北坡的北部亚带,小兴安岭南坡中部亚带的原始红松林最为典型、也最具代表性,被称为典型红松林。本研究立足于小兴安岭南坡,研究尺度从植物个体,到典型样地,并拓展至森林景观。在个体水平,测算了1344株共计134种的乔木、灌木和草本植物的CSR生态策略,并将其运用于植被(乔木层)、林下灌木层和草本层CSR生态策略的评价上。在典型样地尺度上,在丰林国家级自然保护区和凉水国家级自然保护区内及周边,8个林型24个不同恢复阶段的典型林分被选择,分别属于旱生演替系列和中生演替系列。前者演替序列为蒙古栎中龄林、蒙古栎成熟林和蒙古栎红松林;后者演替序列为榛子灌丛、杨桦幼龄林、杨桦成熟林、杂木林和椴树红松林。在景观尺度上,选择了丰林国家级自然保护区,凉水国家级自然保护区和丽林实验林场,代表森林景观恢复的不同梯度,总计32,690公顷,1,306个林分。本研究通过线性混合模型(LMM)、冗余分析(RDA)、主成分分析(PCA)和结构方程(SEM)等统计手段,采用经典统计和贝叶斯统计等统计方法,逐步分析退化森林恢复进程中植被生态策略和过程的变化,筛选敏感指标,最终构建的近自然度评价方法准确、实用。本研究主要结论如下:(1)区域年平均温度的升高降低了低温胁迫和霜冻害的干扰,进而使得植物S策略和R策略降低,温度的增加有助于提高植物的竞争能力,促使植物C策略的增加;这种变异对草本植物更明显,而相对乔木更新方式及木本个体发育所导致的变异,则可忽略。萌生更新和更年轻的植物种具有更高的R策略和更低的S策略,以适应其所面临的高干扰。(2)CSR策略,尤其是植被的CSR策略在退化林分恢复演替过程中具有明显的变化趋势。随着退化林分的恢复,植被的S策略增加而C、R策略减少,可作为相应的评价指标。植被的CSR策略在量化恢复进度上会存在较大的误差;不同立地条件下也无法进行横向比较,同为演替顶级的椴树红松林的S策略明显低于蒙古栎红松林。(3)生境持久程度的增加,以及干扰难度(以坡位定义)的增加均会增加林分的近自然度,但使用R、S策略评价林分的近自然度存在工作量大以及指标本身具有局限性。物种丰富度受干扰程度(R)及其调控的近自然度共同影响,并受限于资源环境条件的胁迫。土壤养分的有效性随着退化森林的恢复而降低,并出现磷限制。(4)林分年龄、林分蓄积、林分平均高、植被顶级适应指数(本研究定义的,详见方法)、演替林龄指数(本研究定义的,详见方法)可以很好的代表林分恢复演替过程中自然属性的积累过程。将其通过PCA降纬的方法构建一个综合近自然度评价方法,可很好地实现近自然度的定量准确评价。单一的运用这些指标均无法准确量化林分的近自然度,会产生很大的误差。(5)通过PCA构建的综合近自然度评价方法具有成本效益,解决了当前近自然度评估中方法的复杂性和方法的适用性、以及精度和成本之间的矛盾权衡。空间尺度上,可以极低花费实现定量化评估景观乃至更大尺度的森林恢复程度,基本可直接适用于中国东北;通过适当调整主成分分析的指标,也能很容易地扩展至整个中国,乃至世界上开展森林资源清查的国家。时间尺度上,利用不同时间的森林资源清查数据,可以定量化评估在此时间尺度上的森林经营及保护的效果。与林相图相结合,可直观展示恢复进度和程度。理论上,本研究完善拓展了CSR理论。CSR理论在长达50年的发展历程中,一直未能对萌生更新进行论述。而萌生与干扰相关,当干扰频繁发生时,植物种在种子更新和萌生更新之间会更多地向后者权衡,即干扰频率高的生境中,往往具有更高比例的萌生树种。此外,萌生更新主要出现在植被恢复演替前期乃至中期,在演替后期逐渐被种子更新所取代。本研究首次在CSR理论框架下,研究同种萌生和种子更新的种群的CSR策略值,更好地理解植物的适应策略,以及诸如恢复演替等生态过程,这点研究得到Pierce S(其于2017年构建了全球CSR策略测算方法)肯定。另外,在全球变暖的大背景下,凉水、丰林两地的温度差异与该区域近30年来的区域温度升高大致相等。本研究发现区域温度升高,虽未对木本植物生态策略产生显著影响,但却使草本植物的生态策略产生显著的改变。实践上,本研究构建的近自然度评价方法更加实用、简单、精确、有效、通用。充分利用已有的森林资源清查数据,较当前能够适用大尺度(景观、区域)又精确的机载激光扫描评估森林近自然度的方法更具成本优势;也很好地解决了典型样地尺度中所使用的树木年轮、枯木、附生植物等较为准确的指标但难以在景观区域尺度应用的难题;具有在大尺度定性评价森林近自然度方法所不能比拟的优势,可以纵向检验一段时间内的森林经营保护的成效。未来,随着小班区划细致程度的增加和森林清查工作先进方法和手段的应用,通过适当的筛选指标再用PCA降纬可以进一步提高本方法的精确性。