海南热带低地雨林次生演替过程中植被群落及土壤养分变化特征

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研究热带地区不同演替阶段次生林的植被特征和土壤环境对缓解气候变化、保护生物多样性以及珍稀物种的恢复与保护具有重要的科学意义。海南甘什岭地区是典型的以珍稀物种无翼坡垒为优势种的热带低地雨林,植物种类和分布具有其特殊性,为研究热带植被提供了有利的条件。但在过去由于气候变化和人类活动的影响,使得大面积的保护区内热带低地雨林遭到了不同程度的采伐和破坏,濒危物种受到严重威胁,生物多样性面临严峻的考验。为了能够更好的促进保护区内植被的恢复和珍稀物种的保护,拟选取中国最南端的甘什岭生态站的4个演替阶段的植被(草本群落、灌木群落、恢复40a次生林和恢复60a次生林)为研究对象,通过野外植被调查、不同深度根系生物量(0~100 cm)和土壤样品(0~60 cm)的采集,室内分析土壤理化性质以及土壤酶活性等指标,采用空间代替时间的方法,主要研究了:(1)人为干扰后不同演替阶段物种组成、物种多样性变化特征及其对珍稀保护物种的影响;(2)不同演替阶段热带低地雨林根系生物量变化特征;(3)热带低地雨林次生演替过程中土壤理化性质与微生物变化特征及其影响因素。旨在为保护区内雨林生态系统和珍稀物种的保护与恢复,以及今后科学管理提供重要依据。主要研究结果如下:(1)研究区共发现维管植物205种,隶属于93科176属,森林演替显著改变了群落的物种组成和植被特征。演替前期主要由多年生草本和蕨类植物组成,而演替后期主要由乔木组成,优势种在群落内的重要值逐渐降低,物种分布更加均匀,群落间也由演替前期的极不相似发展为后期的中等相似,群落结构趋于稳定。另外,不同演替阶段优势种明显,随着群落的正向演替,群落内物种数量、群落的生物多样性指数呈上升趋势,且不同演替阶段差异显著。物种多样性(α)与珍稀保护物种多度之间存在正相关关系,珍稀保护物种一般分布在生物多样性较高的演替中后期阶段,珍稀保护物种对生物多样性也有较高的贡献。(2)甘什岭热带低地雨林不同演替阶段0~100 cm土壤根系生物总量在5.23~28.98 t·hm-2,植被恢复演替(正向)显著地增加了根系生物量且改变了根系的结构组成。在0~100 cm土壤剖面上,随着深度的增加,根系生物量大幅度减少,草本群落根系生物量在土壤剖面中的垂直变化规律呈指数回归,其余各恢复演替阶段呈幂函数回归;根系生物量模型中树高和D~2H与根系生物量拟合程度较高,胸径和树高是影响根系生物量的主要因素,在实践应用中可依据林木树高和D~2H估测甘什岭地区植被根系生物量,为不同演替阶段群落的生态恢复及区内珍稀保护物种的发展变化及保护提供地下数据支持(3)甘什岭热带低地雨林的恢复演替显著地影响着表层土壤(0~10cm)的土壤有机碳(SOC),全氮(TN)、全磷(TP)含量、土壤胞外酶活性及其化学计量特征。随着演替的进行(正向),各演替阶段不同土层深度的SOC,TN总体呈上升趋势,TP呈下降趋势。土壤胞外酶AP和NAG+LAP也呈上升趋势,BG则呈现出先减小后增大的趋势。土壤化学计量比总体呈上升趋势,并在演替后期达到最大值,且随着土层的加深,0~60cm土壤碳氮磷含量及化学计量比皆呈下降趋势,且各演替阶段之间的差异逐渐减小。另外研究表明根系生物量和土层深度是调控该区域不同深度土壤碳、氮、磷及化学计量特征的主要因素。土壤胞外酶活性及其化学计量的变化主要受到演替带来的生物因素和非生物因素变化的共同影响,其中土壤C:P、N:P、含水量、根系生物量、胸径、凋落物是影响不同演替阶段土壤酶活性的主要影响因子。非生物因素综合贡献率大于生物因素,不同演替阶段土壤胞外酶活性及化学计量特征的变化更容易解释为由非生物因素直接引起的。(4)土壤化学计量特征表明甘什岭热带低地雨林生态系统土壤表层(0~10cm)主要受N、P的共同限制,限制性因子会随着演替的进行发生改变。热带森林的演替进一步加剧了表层土壤P限制,但在一定程度上缓解了N限制。演替前中期主要受到N限制,但随着演替的进行,N限制逐渐减小,P限制逐渐增强,P最终成为演替后期的主要限制性因子。另外,土壤胞外酶化学计量比总体呈下降趋势,且Ln(BG):Ln(NAG+LAP):Ln(AP)平均比值为1:1.25:1.05,与全球及中国森林生态系统均值1:1:1有所偏离,资源供给和生产之间存在不平衡,土壤微生物受到明显的N、P限制,其中N限制大于P限制,是主要的限制因子,演替减轻了微生物C、N限制,但加剧了P限制,与土壤化学计量特征所表现出来的养分限制情况基本一致。
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