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香榧Torreya grandis ‘Merrillii’是中国特有的珍贵多用途经济干果树种,其发源地和主产区在浙江省会稽山区[1]。香榧营养丰富,风味独特,为干果中的珍品[2]。由于资源少,产品供不应求,成为目前经济价值和栽培效益最高的树种之一。矿质营养对植物生长发育、果实产量的形成和品质的改善有重大影响[3-4],营养与施肥作为生产上的调控手段,已成为改善果树产量和品质的主要途径之一[5-6]。叶片元素分析作为对植物体进行矿质营养研究的一种基本手段[7-8],也是一种较为成熟的果树营养诊断法[9],目前,对香榧叶片营养及林地土壤养分变化已有研究[10-12],但针对香榧种子速生期和充实期(5-9月),香榧叶片及种子中矿质元素动态变化的研究尚无报道,生产管理中的施肥环节也缺乏理论基础,普遍存在盲目施肥的现象。本研究通过测定香榧种子速生期和充实期内叶片及种子中矿物质元素的动态变化,了解香榧种子发育期内矿质元素变化情况,为香榧科学施肥提供理论依据。
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试验于2012年在香榧主产区浙江省嵊州市谷来镇进行。谷来镇位于浙江省嵊州市西北部,是典型的山区小镇,全镇拥有735 hm2省级香榧森林食品基地,地理坐标为29°35′N,120°49′ E,亚热带海洋性季风气候,年平均气温为16.4 ℃,7月最热(平均所温为28.6 ℃),1月最冷(平均温度为4.2 ℃),年平均降水量为1 446.8 mm,年平均日照时数1 988 h,无霜期为235 d。土壤类型为不同母质的红黄壤,缓坡地带多为次生黄壤。林地肥料以复合肥为主,配施农家肥。研究的香榧树龄(2+10)a(砧木为2年生榧树,嫁接后生长10 a),树体生长正常,并已进入结果期。
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试验采用随机区组设计,5株·小区-1,重复3次。从2012年5月15日开始,1个月采样1次,至2012年12月20日止,共取8次样。随机摘取香榧树冠中部东、南、西、北方向1年生枝条1~2个,采枝条4~8个·株-1,剪下枝条上的叶片装袋带回实验室。种子采集在种子完全从苞片先端伸出(5月中下旬)开始,15 d采集1次,共采集7次。
样品带回实验室后依次用自来水和蒸馏水冲洗干净,再用去离子水冲洗,并用滤纸干燥。105 ℃杀青30 min,并于65 ℃烘干至恒量。将样品粉碎并混合均匀后备用。待测样品用硫酸-过氧化氢(H2SO4-H2O2)联合消煮液进行消煮。氮用凯氏定氮法测定;磷用钼蓝比色法测定;钾、钙、镁、铜、锰、锌等用原子吸收分光光度法测定[13]。所得数据用SAS 9.2进行简单相关分析和单因素方差分析,采用最小显著差数法(LSD法)进行平均数间的多重比较,Excel 2007作图。
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香榧生长期叶片中氮、磷、钾元素变化见图 1。3种元素均在5月份最高,然后呈现出不同的动态变化,其变化与香榧种子的生长发育(5-9月)及雌花芽分化(9月以后)的周期有关。氮元素在5-12月下降幅度为21.4%,而5-6月下降幅度为26.5%。这是因为6月香榧种子开始生长膨大,叶片中氮质量分数在种子膨大初期有所下降,供应给种子生长;7-8月种子充实后处于内部物质旺盛转化期,直至9月种子成熟及后续3个月,叶片中的氮质量分数相对稳定。磷元素从种子膨大初期至12月一直呈现下降趋势,总的下降幅度为52.4%,其中5-6月下降23.1%。种子充实及物质转化期至种子成熟,叶片中磷元素相对稳定,种子成熟后叶片中磷元素又呈现下降趋势,至12月降为最低点。叶片中钾在5-6月下降幅度为36.2%,6-7月叶片中的钾有所增加;7-12月,叶片钾有所波动,但相对稳定,变幅不大。从5月中旬至12月,叶片中的钾下降幅度为29.6%。9月种子采收后,氮元素变化不大,磷、钾元素均有下降,尤其是钾元素。在植物的幼嫩部分或旺盛生长部分,如芽、幼叶、根尖都含有大量钾,而雌球花冬季分化[2],叶片中流失的钾元素主要供应雌花芽的分化。
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香榧生长期叶片中钙质量分数变化见图 2。因为钙是较难移动的元素[14],所以随着时间推移,钙质量分数不断升高。香榧叶片中的钙质量分数从2012年5-11月大致呈上升趋势,5月中旬叶片中钙处于整个年周期的最低水平;11-12月有小幅下降,此时是花芽分化期及根系旺盛生长期。叶片中镁质量分数在整个生长周期有小幅波动,总体呈下降趋势(图 2)。种子采收后是香榧的花芽分化期,9月种子采后1个月叶片中镁元素下降明显,随后缓慢下降,此时叶片中的镁有可能供应花芽分化。
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叶片中锰元素的变化(图 3),5月初较低(55.41 mg·kg-1),6月中旬开始快速上升,至11月中旬达到最大值(126.04 mg·kg-1),随后有所回落。叶片中铜元素的变化在种子体积速生期至种子发育成熟期总体上先呈现上升趋势,后又急剧下降,种子采摘后10-12月叶片中铜质量分数保持相对稳定。叶片中锌质量分数从5-6月,由26.02 mg·kg-1下降为17.15 mg·kg-1,降幅为34.1%,随后叶片中锌质量分数至10月中旬呈现上升趋势。
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香榧种子大量元素中钾质量分数最高,其次为氮和磷(图 4)。钾元素在种子的速生期和充实期一直处于积累状态,而氮元素在速生期出现流失现象,后又不断积累,磷元素在种子的速生期和充实期始终处于一个较为平缓的过程,前后变化不明显。
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香榧种子中钙、镁质量分数在速生期和充实期变化趋势相似(图 5),5-7月均呈现下降趋势,钙元素在7月降为最低点,降幅为64.4%,8月后达到平稳状态;镁元素至8月降为最低点,降幅为37.9%,后又有所回升,在整个过程中镁质量分数一直高于钙元质量分数。
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香榧种子中锌质量分数显著高于铜、锰(图 6),锌质量分数在种子充实期呈现下降趋势,与叶片中锌元素的积累趋势,从一个方面说明种子中锌的主要积累时期在缓生期(第1年4月至第2年5月),锰质量分数在种子整个充实期呈现下降趋势,降幅为77.3%,铜质量分数则前后变化不明显。
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在种子的速生期和充实期的5个月中,香榧叶片和种子中矿质元素之间的相关分析见表 1。相关分析结果显示:叶子和果实中的相同元素之间虽然存在一定的相关性,但并不显著,而叶子中磷元素与果实中钙、镁、锰存在着显著的相关性(P < 0.05)。叶子中铜元素与果实中锌、锰也存在着显著的相关性(P < 0.05)。
表 1 香榧叶片和种子中矿质元素之间的相关系数
Table 1. Correlation of mineral elements between leaves and fruits in Torreya grandis ‘Merrillii'
种子矿质元素 叶片矿质元素 氮 憐 钾 钙 镁 锌 铜 锰 N 0.521 0.729 0.456 -0.422 -0.127 0.018 -0.721 -0.272 P 0.546 0.802 0.533 -0.960** 0.378 -0.547 -0.875 -0.922* K -0.148 -0.292 -0.159 0.704 -0.313 0.644 0.383 0.787 Ca 0.713 0.906* 0.646 -0.678 0.012 -0.085 -0.892* -0.523 Mg 0.553 0.835 0.551 -0.924* 0.434 -0.493 -0.910* -0.866 Zn 0.656 0.924* 0.655 -0.812 0.446 -0.264 -0.965** -0.686 Cu 0.563 0.769 0.480 -0.528 -0.195 -0.068 -0.763 -0.391 Mn 0.662 0.924* 0.645 -0.933* 0.379 -0.403 -0.974** -0.840 说明:**表示相关系数在0:01水平极显著相关;*表示相关系数在0.05水平显著相关。 -
从本研究结果来看:氮、磷2种元素,无论叶子还是种子在5-6月均呈现下降趋势,且叶子中下降更为明显,这与张春苗[10]研究结果一致。叶片中氮、磷2种元素在果实膨大期下降后又呈现上升趋势。而钾元素,叶子中下降幅度较大,但在种子中呈现上升趋势,说明在种子速生期开始之前,3-4月应该相应追施氮、磷、钾肥料,特别是氮、磷2种肥料。
随着种子体积膨大的结束,果壳的逐渐形成,种子进入内部充实期,7月中旬后种子中钾元素增加速率变大,而叶子中钾元素继续呈现下降趋势,说明在7月应适当补充钾肥,以保证叶子和种子对钾肥的需求。
杨光等[15]报道:木瓜Chaenomeles sinensis叶片中钙、镁质量分数变化很相似,即都在波动中呈上升趋势。解红恩[16]研究表明:山核桃Carya cathayensis果叶中钙、镁质量分数变化规律相似。本研究表明:香榧叶片和种子中镁质量分数均呈现下降趋势,说明在种子速生期和充实期无需施入镁肥,但按照“归还学说”,应考虑在种子采摘后,增加镁肥,保证幼果在缓生期对镁肥的需求。与叶片中钙质量分数一直呈上升的趋势相反,种子中钙质量分数在8月中旬前一直呈下降趋势,后期略有上升,说明在种子进入速生期,应该适当增施钙肥。
对于锰元素,仅香榧林地土壤研究有所报道,香榧林地不缺锰[17],其他尚未见报道,而且叶片中锰质量分数较高,铜、锌质量分数较低。但在种子中锌质量分数较高,铜、锰质量分数较低,说明叶片中锌、锰质量分数与种子中锌、锰质量分数无直接相关性,在进行叶营养诊断时应加以考虑。
相关分析的结果表明:香榧叶片中磷质量分数与种子中钙、锌和锰质量分数均存在显著的正相关关系;叶片中钙质量分数与种子中磷质量分数存在极显著的负相关关系,与镁、锰存在显著的负相关关系;叶片中的铜质量分数与种子中锌、锰质量分数呈极显著的负相关关系,与钙和镁存在着显著的负相关关系;同样叶片中锰元素质量分数与种子中磷元素质量分数存在着显著的负相关关系。鉴于香榧叶片与种子中不同元素间的协同或者拮抗作用,特别是磷肥与微量元素锌、锰之间存在显著的正相关,在施肥时应该注意各种矿质元素用量的协调,保证香榧树体营养均衡,植株健康,提高产量的同时,避免香榧种子中重金属超标。由此推断:种子进入速生期前应适当增施氮肥、磷肥和钙肥,7月中旬适当补施钾肥,种子采收后补施镁肥,并重视磷肥和微肥的配合施用,对香榧产量和质量会产生积极影响。
Mineral elements in leaves and seeds of Torreya grandis ‘Merrillii’ during seed development
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摘要: 为了探讨香榧Torreya grandis ‘Merrillii’生长期叶片营养状况与果实营养状况的关系, 对香榧在种子速生期和充实期叶片和种子中8种矿质元素进行动态分析。结果表明:①香榧叶片中氮、磷、钾在种子膨大初期下降幅度较大, 分别为26.5%, 23.1%和36.2%;种子中氮、磷的下降幅度分别为15.4%和8.3%, 钾元素呈现上升趋势。②叶片中钙、锰、铜在整个实验过程中均呈现上升趋势, 香榧叶片中镁元素一直呈现下降趋势; 在种子中这4种元素呈现先下降后上升的趋势。③叶片中磷质量分数与种子中钙、锌和锰质量分数均存在显著的正相关关系(P < 0.05), 而叶片中钙质量分数与种子中磷质量分数存在极显著的负相关关系(P < 0.01)。由此推断:种子进入速生期前应适当增施氮肥、磷肥和钙肥, 7月中旬适当补施钾肥, 种子采收后补施镁肥, 并重视磷肥和微肥的配合施用, 对香榧产量和质量会产生积极影响。Abstract: To explore the relationship between leaf and seed nutrients of Torreya grandis ‘Merrillii', eight mineral elements (N, P, K, Ca, Mn, Cu, Mg, and Zn) were quantified. Then, analysis of their dynamic changes during fast growth and seed filling was conducted using a correlation analysis. Results at the early stage when seeds enlarged showed 1) decreases in the leaves for N (26.5%), P (23.1%), and K (36.2%); decreases in the seeds for N (15.4%) and P (8.3%); and an increase in the seeds for K. 2) In leaves, Ca, Mn, and Cu increased, but Mg decreased; whereas in the seeds at first they decreased but later increased. 3) In fruits, Ca, Zn, and Mn were significantly and positively correlated (r=0.906, 0.924, 0.924, P < 0.05) to P in leaves; whereas, P in seeds was significantly and negatively correlated (r=-0.960, P < 0.01) to Ca in leaves. Therefore, to have a positive impact on yield and quality of T. grandis ‘Merrillii', before the fast growth of seeds, more N, P, and Ca fertilizer should be applied; in mid-July, K fertilizer should be added; post-harvest, Mg fertilizer should be applied; and a combined application of microelements and P fertilizer should be added during seed development.
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Key words:
- cash forestry /
- Torreya grandis ‘Merrillii' /
- leaf /
- seed /
- mineral element /
- dynamic variation
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森林群落的物种多样性和垂直、径阶结构反映了森林群落的形成、稳定性及演替规律[1-2]。开展濒危植物群落结构及物种多样性的研究,可以了解种群的数量动态及演变趋势,揭示珍稀植物的濒危过程及濒危机理[3],为濒危植物的就地和迁地保护提供理论基础。多脉铁木Ostrya multinervis属桦木科Betulaceae铁木属Ostrya植物,分布于湖北利川、湖南紫云山、四川东南部和贵州等地,分布区孤立局限,为中国特有种,具有树体高大,干形通直圆满,材质优良等特点[4]。浙江仅在文成县石垟林场和龙泉市凤阳山有记载,是《浙江珍稀濒危植物》收录的162种浙江省珍稀濒危的野生植物之一[5]。前人对多脉铁木的播种、扦插及嫁接繁育实验[4]和林分基本结构进行了初步研究[6],而对群落中不同植物的重要值、植物多样性指数、乔木层树种的垂直和径阶结构等方面尚未有报道。本研究采用标准样地法对浙江省文成石垟林场多脉铁木群落的区系组成、结构和演替规律等进行了研究,为该树种的就地和迁地保护提供理论基础。
1. 研究地区与方法
1.1 研究区概况
研究区位于浙江省文成县石垟林场猴王谷景区倒臼源,多脉铁木分布中心的地理位置为27°50′N,119°50′E。该区属中亚热带季风性气候,年平均气温为12.8 ℃,最冷月(1月)平均气温为4.0 ℃,极端最低气温为-14.0 ℃,最热月(7月)平均气温为23.6 ℃,极端最高气温为37.3 ℃,年降水量为1 604 mm,年均相对湿度为84.0%,年日照时数为1 755 h,全年无霜期为288 d[7]。该区属天然常绿阔叶林,森林覆盖率达90%以上。多脉铁木群落分布区域的海拔为500~700 m,坡度为30°~35°,南坡,坡中部,地表有石块层覆盖,厚度为20~30 cm,石块大小为20~40 cm。土壤为发育于花岗岩的红壤土类,表层土壤(0~20 cm)理化性质为pH 4.6,有机碳为63.2 g·kg-1,碱解氮、有效磷、速效钾分别为145.2,21.8,187.0 mg·kg-1。
1.2 研究方法
1.2.1 调查方法
2017年8月上旬对多脉铁木群落进行全面调查。采用典型抽样法,以多脉铁木分布中心为起点,沿坡向在山体上坡至下坡地段,布设4个20 m × 20 m的样地,将每个样地划分为16个5 m× 5 m的小样方,开展分层调查。乔木层、灌木层和草本层的调查指标参见王丽敏等[2]方法。
1.2.2 垂直结构和径阶结构划分
根据多脉铁木群落的株高(H)特点,将乔木层的垂直结构划分为6个等级,间隔5 m,分别为3 m≤H<8 m,8 m≤H<13 m,13 m≤H<18 m,18 m≤H<23 m,23 m≤H<28 m,H≥28 m。乔木层径阶(D)结构划分为7个等级,相隔5 cm,分别为5 cm≤D<10 cm,10 cm≤D<15 cm,15 cm≤D<20 cm,20 cm≤D<25 cm,25 cm≤D<30 cm,30 cm≤D<35 cm,D≥35 cm。
1.2.3 数据分析
不同植物的重要值、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数计算按郑昌龙等[8]方法进行;植物生活型谱统计参考高贤明等[9]方法进行;种子植物地理成分根据吴征镒等[10]的方法进行统计分析。
2. 结果与分析
2.1 群落种类组成
多脉铁木群落中共有维管束植物60种,隶属于40科52属。其中蕨类植物6科7属8种,裸子植物1科1属1种,被子植物33科44属51种。种类数量占优势的科由大到小依次为百合科Liliaceae(5属6种),壳斗科Fagaceae(4属4种),山茶科Theaceae(3属3种),槭树科(1属3种);大戟科Euphorbiaceae(2属2种),木通科Lardizabalaceae(2属2种),樟科Lauraceae(2属2种),鼠李科Rhamnaceae(2属2种),冬青科Aquifoliaceae(1属2种),莎草科Cyperaceae(1属2种),水龙骨科Polypodiaceae(1属2种),鳞毛蕨科Dryopteridaceae(1属2种)。含有单种的属占绝对优势,有28属,占总属数的53.8%。可见,多脉铁木群落科属组成复杂,植物种类丰富。
2.2 植物生活型谱
图 1表明:多脉铁木群落中,不同生活型植物种类所占比例依次为高位芽植物(41.7%)>地上芽植物(26.7%)>隐芽植物(20.0%)>地面芽植物(10.0%)>1年生植物(1.6%)。
2.3 种子植物地理成分
从表 1可知:多脉铁木群落中种子植物属泛热带分布的类型有9属,占总属数的20.0%,如菝葜属Smilax,紫金牛属Ardisia和冬青属Ilex等。其他依次为东亚分布类型有8属,占总属数的17.8%,如山麦冬属Liriope,木通属Akebia,和沿阶草属Ophiopogon等。北温带、东亚和北美洲间断分布类型均为7属,均占总属数的15.6%。该群落中没有植物分布的类型区有旧世界热带、热带亚洲至热带非洲、温带亚洲、地中海地区、西亚至中亚、中亚及中国特有等6个。
表 1 多脉铁木群落种子植物属的分布区Table 1. Genera distribution types of seed plants in O. multinervis community分布区类型 属数/个 占比/% 1 广布 2 4.4 2 泛热带 9 20.0 3 东亚及热带南美间断 4 8.9 4 旧世界热带 0 0.0 5 热带亚洲至热带大洋洲 1 2.2 6 热带亚洲至热带非洲 0 0.0 7 热带亚洲 6 13.3 8 北温带 7 15.6 9 东亚和北美洲间断 7 15.6 10 旧世界温带 1 2.2 11 温带亚洲 0 0.0 12 地中海地区、西亚至中亚 0 0.0 13 中亚 0 0.0 14 东亚 8 17.8 15 中国特有 0 0 合计 45 100 2.4 群落数量特征
多脉铁木群落具有完整的垂直结构,具有乔木层、灌木层、草本层和层间植物。乔木层共有9种植物(表 2),多脉铁木的重要值最大,达62.158 6,是该群落的建群种,控制着整个群落的组成、结构和生境,依次分别是褐叶青冈Cyclobalanopsis stewardiana,小叶栎Quercus chenii,四照花Dendrobenthamia japonica var. chinensis,缺萼枫香Liquidambar acalycina,短尾柯Lithocarpus brevicaudatus,钩栲Castanopsis tibetana,尾叶冬青Ilex wilsonii,麂角杜鹃Rhododendron latoucheae。
表 2 多脉铁木群落主要植物的重要值Table 2. Importance values of tree populations in Ostrya multinervis community乔木层 重要值 灌木层 重要值 草本层 重要值 多脉铁木 62.158 6 披针叶茴香 15.673 5 里白 21.161 2 褐叶青冈 14.517 1 毛花连蕊茶 7.607 3 黑足鳞毛蕨 16.001 8 小叶栎 5.929 1 光叶石楠 6.849 2 麦冬 13.2102 四照花 4.000 7 长裂葛萝槭 5.129 1 求米草 6.789 8 缺萼枫香 3.169 7 红楠 4.786 1 三穗薹草 6.621 1 短尾柯 2.913 7 三尖杉 4.759 9 瘤足蕨 5.926 4 钩栲 2.567 6 猴欢喜 2.301 2 江南卷柏 5.479 5 尾叶冬青 0.980 9 大叶冬青 2.854 5 毛叶腹水草 4.588 5 麂角杜鹃 0.797 1 秀丽槭 1.865 6 大叶唐松草 3.942 2 青榨槭 1.857 1 延羽卵果蕨 3.168 9 灌木层发达,生长良好,平均高为1.5 m,盖度为40%。重要值排名前10位的优势植物如表 2所示。重要值最大的是披针叶茴香Illicium lanceolatum,其值为15.673 5,其次分别为毛花连蕊茶Chandleri elagans,光叶石楠Photinia glabra,长裂葛萝槭Acer grosseri,红楠Machilus thunbergii,三尖杉Cephalotaxus fortunei,猴欢喜Sloanea sinensis,大叶冬青Ilex latifolia,秀丽槭Acer elegantulum,青榨槭Acer davidii。
草本层平均高为0.4 m,盖度为20%。重要值排名前10位的优势草本植物见表 2。从表 2可知:重要值大小分别为里白Diplopterygium glaucum,黑足鳞毛蕨Dryopteris fuscipes,麦冬Ophiopogon japonicus,求米草Oplismenus undulatifolius,三穗薹草Carex tristachya,瘤足蕨Plagiogyria adnata,江南卷柏Selaginella moellendorfii,毛叶腹水草Veronicastrum villosulum,大叶唐松草Thalictrum faberi,延羽卵果蕨Phegopteris decursive-pinnata。
层间植物重要值排名前5位的有攀援星蕨Microsorum brachylepis,香花崖豆藤Callerya dielsiana,爬藤榕Ficus sarmentosa var. impressa,光叶菝葜Smilax glabra,络石Trachelospermum jasminoides。
2.5 群落的物种多样性
植物物种多样性体现了某一区域的植物资源丰富程度,常用Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数来表征[11]。从表 3可知:Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数在各层的排列顺序均表现为灌木层>乔木层>草本层。灌木层物种数量相比乔木层更为丰富,主要原因是该层树种除了灌木外,还包括了乔木层树种中的幼苗、幼树等,如褐叶青冈、尾叶冬青。
表 3 群落乔木层、灌木层和草本层的物种多样性Table 3. Community species diversity indices of layers in tree, shrub and herb层次 Shannon-Wiener多样性指数 Simpson优势度指数 Pielou均匀度指数 乔木层 1.366 6 0.583 9 0.593 5 灌木层 3.002 3 0.929 7 0.844 4 草本层 2.245 5 0.846 9 0.749 5 2.6 群落垂直结构
森林群落中多脉铁木的株数占整个乔木层树种总株数的50.9%,因此,将整个乔木层植物划分为两大类群:多脉铁木(1种)和其他植物(8种)。从图 2可知:建群种多脉铁木呈近正态分布的垂直结构,多集中于23 m≤H<28 m的高度范围内,占整个乔木层的20.0%;其他植物的树高低于多脉铁木的高度,多集中于8 m≤H<13 m的高度范围内,占整个乔木层的25.5%,呈明显的偏峰型结构。整个乔木层树高分布规律相对平均,6个高度层各自所占比例均超过10.0%,其中在8 m≤H<13 m和23 m≤H<28 m出现了2个高峰,分别占立木株数的29.1%和20.0%。
2.7 群落的径阶结构
与群落的垂直结构相似,多脉铁木的径阶结构呈现出近正态分布的特点(图 3),植物个体数的径阶(D)大多集中在20 cm≤D<25 cm,占整个乔木层的12.7%,其次是30 cm≤D<35 cm,占乔木层的10.9%;而其他植物和整个乔木层树种的径阶分布均为逆J字型,其形状与倒逆放置的J字相似。随着径阶的增大,其个体数量相对减少,即表现为小径阶的大峰和大径阶的小峰,以径阶为5 cm≤D<10 cm为最多,除多脉铁木外的其他树种占乔木层的27.3%,整个乔木层在该径阶所占的比例则高达30.9%;其次为10 cm≤D<15 cm的径阶,其他树种和整个乔木层的比例分别为21.8%和16.4%。
3. 结论与讨论
森林群落的垂直结构体现了不同树种的高度,反映了不同植物在群落中的分层结构和生态位[12]。多脉铁木群落是以多脉铁木为建群种组成的稳定性较高的森林群落,具有完整的乔木层、灌木层和草本层,共有维管植物60种,隶属于40科52属。乔木层为复层林,又可分为主林冠层、次林冠层和亚林冠层等3个层次。多脉铁木为阳性树种,居于林冠层之首,树高大于23 m的主林冠层,均以该树种为主,占乔木层总株数的34.5%;次林冠层株高为13~23 m,由多脉铁木、褐叶青冈、缺萼枫香、钩栲组成,占乔木层总株数的20.0%;株高小于13 m的亚林冠层,主要由褐叶青冈、多脉铁木、四照花、披针叶茴香等组成,占乔木层株数的45.5%。从图 4A可知:整个林分平均树高为15.1 m,其中多脉铁木平均树高为23.0 m,与1994年相比[6],整个乔木层和多脉铁木的树高分别增高了5.5,3.0 m,分别增加了57.8%和15.2%。
群落的径阶分布主要有单峰型、间歇性、逆J字型3种类型[11],其中逆J字型是一种成熟稳定的群落结构[13]。该群落的特点是由不同物种一步步从原始生境演化更替而形成[14]。从图 3可知:多脉铁木群落径阶分布为逆J字型,从种群的发展趋势来看,该群落属于成熟稳定的发展阶段,林分平均胸径为16.5 cm,其中多脉铁木平均胸径25.5 cm,与1994年相比[6],整个乔木层和多脉铁木的胸径分别增粗了2.7,3.0 cm,分别增加了19.2%和13.1%(图 4B)。某一树种胸径大小可以反映其年龄水平[15],可以用径阶结构代替时间顺序关系,反映种群动态变化[16]。本研究表明:多脉铁木群落是由不同年龄大小的个体组成的异龄林,种群的年龄结构金字塔基本呈纺锤形(图 3),近似于正态分布,即中龄个体数量占种群总体数量的比例较高,而幼龄和老龄个体较少,表现为稳定的结构特征。相关研究也表明:年龄金字塔呈纺锤形的种群为稳定的群落结构[3]。
文成县石垟林场始建于1958年。20世纪60年代初,林场造林的树种仅仅局限于黄山松Pinus taiwanensis,柳杉Cryptomeria fortunei,杉木Cunninghamia lanceolata,木荷Schima superba,毛竹Phyllostachys edulis,而没有多脉铁木造林的记载[7]。选择的造林地往往是靠近村庄或林场周边土壤深厚、坡度平坦的低丘缓坡,因此在立地条件极差的猴王谷景区倒臼源的陡坡中是不可能营建人工林的,而且该区地表大量覆盖着20~30 cm厚度的大石块,土壤各层大石砾含量均超过50%。另外,限于当时的技术和交通条件,湖北、湖南、四川或贵州等地不可能生产多脉铁木,也不会将该苗木运输到文成县石垟林场进行营建。从多脉铁木的群落特征、物种的垂直和径阶结构、立地条件及科技水平等考虑,该群落并非于20世纪60年代初的人工造林而形成,而是以多脉铁木为建群种组成的阔叶混交林,是从原始生境演替而形成的稳定性较高的森林群落。
在自然条件下,种子向幼苗的转化是物种濒危的关键环节,没有足够数量的幼苗,种群就难以维持。种子产量低、品质差,种子向幼苗的转化率低,形成的幼苗数量少是频危植物存在的较普遍问题[17]。天目铁木Ostrya rehderiana,银杉Cathaya argyrophylla等珍稀濒危植物的种子不饱满、品质低,在野外环境下种子萌发率和成苗率均极低[18-19]。调查发现:研究区域内多脉铁木幼苗数量极少,仅在路边开阔地发现2株;多脉铁木种子的种皮坚硬、透水性差,吸水主要通过苞片网脉,种子不育、空瘪粒多,种子饱满率仅12%。因此种子品质差是多脉铁木走向濒危的内在因素。另外,林地表层有大量石块覆盖,种子较轻、有种翅,成熟后随风散布,很难进入土壤层,种子难以在土壤上着床,不能萌芽成苗,是造成多脉铁木濒危的关键外在因素。
针对多脉动铁木的濒危现状,可以从2个方面考虑该种群的保护和恢复策略:①从多脉铁木个体自身因素考虑,在加强对原生境及植株的保护与监测基础上,加大科研力度,开展多脉铁木生殖生态学研究,如种子萌发率、成苗率和高效繁育技术等,提高实生苗的数量,以扩大其种群分布范围。人工种植,引种栽培并加强推广,扩大其生态位。②从多脉铁木所处生境考虑,适度开展人为干预,搬动部分大石块,展露部分区域土壤,以保证多脉铁木种子顺利入土,促进种子萌发。在此基础上,间伐过密的非目标树种,适当扩大林窗,以降低森林郁闭度,增加林内光照,以利于幼苗的生长。另一方面应积极开展种子繁育、扦插育苗及快繁技术研究,扩大资源量,加强珍稀树种的保护。
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表 1 香榧叶片和种子中矿质元素之间的相关系数
Table 1. Correlation of mineral elements between leaves and fruits in Torreya grandis ‘Merrillii'
种子矿质元素 叶片矿质元素 氮 憐 钾 钙 镁 锌 铜 锰 N 0.521 0.729 0.456 -0.422 -0.127 0.018 -0.721 -0.272 P 0.546 0.802 0.533 -0.960** 0.378 -0.547 -0.875 -0.922* K -0.148 -0.292 -0.159 0.704 -0.313 0.644 0.383 0.787 Ca 0.713 0.906* 0.646 -0.678 0.012 -0.085 -0.892* -0.523 Mg 0.553 0.835 0.551 -0.924* 0.434 -0.493 -0.910* -0.866 Zn 0.656 0.924* 0.655 -0.812 0.446 -0.264 -0.965** -0.686 Cu 0.563 0.769 0.480 -0.528 -0.195 -0.068 -0.763 -0.391 Mn 0.662 0.924* 0.645 -0.933* 0.379 -0.403 -0.974** -0.840 说明:**表示相关系数在0:01水平极显著相关;*表示相关系数在0.05水平显著相关。 -
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