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急尖长苞冷杉Abies georgei var. smithii属于耐荫性植物,特别是在幼苗期,温凉和寒冷的气候区域比较适宜其生长。常在高海拔地区至低海拔的亚高山与高山地带的谷地、阴坡及半阴坡处形成纯林,与喜冷湿的云杉Picea aspereta,落叶松Larix gmelinii,铁杉Tsuga chinensis,松树Pinus及阔叶树形成针叶或针阔混交林。急尖长苞冷杉是西藏东南部阴坡高山林线森林群落的主要建群树种之一,在色季拉山,主要分布在海拔3 300~4 300 m,分布范围比较广泛[1]。但是由于长期过度采伐,林地生态环境恶化,天然更新比较困难,其自然分布区急剧缩小,种群数量逐渐减少[2]。在实地调查中,西藏色季拉山急尖长苞冷杉幼苗很丰富,但是幼苗向幼树过渡期间死亡率比较高,导致其天然更新效果不理想。目前,国内对于冷杉天然更新影响因素方面的研究比较多,主要集中在不同采伐方式[3-5]、生态学特性[6-7]、海拔与坡向[8-9]、土壤种子库[10-11]及地被物[9, 12-15]等。对于西藏高寒环境下急尖长苞冷杉天然更新影响因素的研究还比较少,主要为林隙对其天然更新的影响[16-17]。本研究通过海拔、坡向、种子大小、林隙等方面展开色季拉山急尖长苞冷杉天然更新影响因素的初步研究,为进一步认识色季拉山原始暗针叶林的天然更新,特别是如何采取措施促进其更新具有重要的实践意义。
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海拔与坡向作为重要的环境因子,其对温度、湿度、光照等诸多环境因子产生直接的影响。这些因子对急尖长苞冷杉种子去翅长度、带翅长度、宽度及厚度均产生影响。对色季拉山种子特征研究表明:在阴坡,种子带翅长度、种子去翅长度、种子宽度、种子厚度在海拔3 800或3 900 m处达到最大值,最大值分别为16.87,10.54,3.85,2.31 mm,最小值分别为8.03,4.27,1.69,0.85 mm;在阳坡,种子带翅长度、种子去翅长度、种子宽度、种子厚度亦是在海拔3 800或3 900 m达最大,最大值分别为17.44,11.52,4.18,2.93 mm,最小值分别为8.79,4.85,1.81,0.72 mm;阳坡种子带翅长度、种子去翅长度、种子宽度、种子厚度要略好于阴坡。由表 1可以得出:在阴坡,急尖长苞冷杉种子去翅长度、宽度、厚度均表现为差异不显著,但是种子带翅长度表现为差异显著(P<0.05,F=2.467);在阳坡,种子去翅长度、种子宽度、种子厚度表现为差异性不显著(P>0.05),而种子带翅长度表现为差异显著(P<0.05,F=2.527)。由表 2可以得出:种子特征均表现为差异不显著。可见,色季拉山急尖长苞冷杉种子形状相对稳定,同一坡向不同海拔对种子形状影响较小,同一海拔不同坡向对种子形状影响不明显。
坡向 带翅长度/mm 去翅长度/mm 厚度/mm 宽度/mm 均值 P 均值 P 均值 P 均值 P 阴坡 11.780 ± 1.569 0.039* 6.950 ± 1.668 0.414 1.558 ± 0.508 0.444 2.484 ± 0.614 0.844 阳坡 11.965 ± 1.943 0.047* 7.085 ± 1.728 0.372 1.626 ± 0.542 0.906 2.574 ± 0.609 0.906 说明:*表示在0.05水平差异显著 Table 1. Difference analysis of seeds characteristic on different elevations
海拔/m 带翅长度 去翅长度 宽度 厚度 均值/mm P 均值/mm P 均值/mm P 均值/mm P 3 700 12.254 ± 2.187 0.702 7.132 ± 1.930 0.814 2.564 ± 0.552 0.651 1.587 ± 0.582 0.784 3 800 12.204 ± 2.662 0.796 7.277 ± 2.422 0.977 2.661 ± 0.804 0.774 1.692 ± 0.431 0.750 3 900 13.005 ± 2.151 0.594 7.681 ± 1.678 0.620 2.605 ± 0.752 0.943 1.716 ± 0.580 0.958 4 000 11.523 ± 1.714 0.235 7.055 ± 1.370 0.367 2.484 ± 0.484 0.581 1.661 ± 0.587 0.883 4 100 11.354 ± 1.761 0.648 6.765 ± 1.026 0.084 2.534 ± 0.530 0.842 1.512 ± 0.463 0.834 4 200 10.893 ± 1.423 0.514 6.195 ± 1.128 0.933 2.324 ± 0.482 0.588 1.383 ± 0.465 0.345 Table 2. Difference analysis of seeds characteristic on different slopes
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种子是植物生活史中的一个重要环节,关系着种群未来的命运。种子千粒重在一定程度上可以预知种子的饱满度,同时也是衡量种子品质的重要指标,对种子萌发、休眠、出土、幼苗发育及幼苗生长产生影响,从而影响急尖长苞冷杉林的天然更新。急尖长苞冷杉种子带翅且比较小,主要靠重力扩散及借助风力,扩散能力比较强,扩散距离比较远,可以为急尖长苞冷杉提供更多的生长空间。武高林等[19]研究表明:较小的种子扩散能力强,有利于种群建植和天然更新,能减少动物捕食的数量,可形成持久土壤种子库。在色季拉山,阴坡种子千粒重分布范围为3.32~12.86 g,海拔3 900 m处种子千粒重达到最优值,平均为10.46 g;阳坡种子千粒重分布范围为3.72~14.68 g,在海拔3 800 m处最佳,平均为12.37 g;种子千粒重在阴坡与阳坡随着海拔的升高均呈先升高后下降的趋势;总体来看,阳坡种子质量要优于阴坡。由表 3可以得出:阴坡千粒重(P=0.008,F=3.500)和阳坡千粒重(P=0.003,F=4.217)均表现为差异显著;由表 4可以得出:在海拔3 800 m(P=0.038,F=5.043)和3 900 m(P=0.044,F=4.671)处种子千粒重表现为差异显著;3 700,4 000,4 100,4 200 m处均表现为差异不显著。
坡向 千粒重 均值/g P 阴坡 8.695 ± 2.789 0.008* 阳坡 10.05 ± 2.834 0.003* 说明:*表示在0.05水平差异显著 Table 3. Difference analysis of seeds weight on different slopes
海拔/m 千粒重 均值/g P 3 700 9.550 ± 2.937 0.218 3 800 11.370 ± 2.183 0.038* 3 900 10.850 ± 0.897 0.044* 4 000 9.001 ± 2.917 0.303 4 100 8.087 ± 2.778 0.426 4 200 7.374 ± 2.965 0.342 说明:*表示在0.05水平差异显著 Table 4. Difference analysis of seeds weight on different elevations
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由图 1可以得出:随着海拔的升高急尖长苞冷杉幼苗数量总体上呈现先增加后减少的趋势,在海拔3 900 m处达到最大值,阴坡为15.2株·m-2,阳坡为14.2株·m-2;在海拔4 000 m处,由于调查样地处于一乱石滩,水土流失严重,保水能力较差,因此,此处幼苗数量急剧下降;高海拔处幼苗数量递减,主要是由于海拔升高气温会逐渐降低,过低的温度致使土壤温度常处于冻结状态,幼苗根系很难从土壤中吸收水分,其根系的生长受到抑制,再加上光照强度增大,紫外线增强,水分散失比较多,易造成幼苗生理性干旱而死亡;在研究海拔范围内阴坡单位面积内幼苗数量均高于阳坡,主要原因为阳坡光照强烈、温度较高、土壤含水量较低,对耐荫性树种急尖长苞冷杉幼苗的发育不利。
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林隙是指森林群落中1株以上林冠层树木死亡形成的将会由新个体占有与更新的空间[20]。罗大庆等[17]认为在亚高山急尖长苞冷杉林中,干基折断是形成林隙的主要方式,其次为干中折断与拔根风倒,枯立的较少,且风是形成林隙的主要外力。在色季拉山,急尖长苞冷杉林中林隙广泛分布且面积较大,四周可达10 m,是其天然更新的起点和自然演替的重要机制之一。由图 2得出:不同海拔单位面积幼苗数量均表现为林隙>林缘>林下,其中在海拔3 900 m处表现的最为突出,林隙、林缘、林下幼苗数量分别为12.7,8.0,7.5株·m-2;在林隙、林缘及林下均表现为随着海拔的升高急尖长苞冷杉幼苗数量呈现先增加后减少的趋势。
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苔藓层、凋落物层位于森林植被层与土壤层之间,是森林生态系统的重要组成部分,同时也是林地水汽交换的重要界面[21-24]。由表 5可以得出:苔藓层厚度、凋落物厚度均大于死亡幼苗根长,因此导致较多的幼苗死亡,达3.000株·m-2;不同海拔死亡幼苗根长差异性不显著,苔藓厚度、幼苗数量差异性显著,凋落物厚度、死亡幼苗数量差异性极显著。主要有以下原因:苔藓与凋落物具有遮光,减少光照的作用,有利于急尖长苞冷杉种子萌发、幼苗生长;苔藓、凋落物覆盖林地,可以减少动物对种子的觅食,且凋落物层的分解会增加林地养分,促进急尖长苞冷杉幼苗的生长;另外,苔藓层、凋落物层具有明显的持水功能,特别是在干旱胁迫条件下,苔藓层、凋落物层的水分可以暂时补给给幼苗;但是由于苔藓与凋落物的机械阻碍作用,使萌发种子根系在较短的时间很难扎进土壤,随着急尖长苞冷杉幼苗的生长,对水分、光照及其他营养元素的需求增多,使冷杉幼苗缺失水分及其他营养元素而死亡。
项目 苔藓厚度/
cm凋落物厚度/
cm幼苗数量/
(株·m-2)死亡幼苗根长/cm 死亡幼苗数量/(株·m-2) 均值 7.669 ± 4.529 6.953 ± 2.826 8.717 ± 5.768 4.267 ± 1.977 3.000 ± 1.777 F 2.724 3.067 2.522 0.840 5.006 P 0.011* 0.005** 0.017* 0.688 0.000** 说明:*表示在0.05水平差异显著;**表示在0.01水平差异极显著 Table 5. Difference analysis of thickness of moss layer, thickness of litter, length of death seeding and number of death seeding
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从相关性分析中可以得出(表 6):幼苗数量与林分郁闭度、带翅长度、千粒重、凋落物厚度均呈现显著正相关,与苔藓厚度呈现极显著正相关。这说明色季拉山急尖长苞冷杉林分郁闭度、带翅长度、千粒重、苔藓厚度、凋落物厚度可能有利于急尖长苞冷杉天然更新,苔藓厚度对其天然更新的影响最大。
项目 林分郁闭度 带翅长度 千粒重 苔藓厚度 凋落物厚度 幼苗数量 林分郁闭度 1.000 0.865* 0.808 0.904* 0.911* 0.773* 带翅长度 1.000 0.876* 0.979** 0.909* 0.860* 千粒重 1.000 0.864* 0.878* 0.643* 苔藓厚度 1.000 0.959** 0.919** 凋落物厚度 1.000 0.833* 说明:*表示在0.05水平差异显著;**表示在0.01水平差异极显著 Table 6. Correlation coefficients among factors influencing natural regeneration between each influencing factor and the number of seedlings of Abies georgei var. smithii