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植物群落的空间(地带性)特征和时间(演替动态)特征都会反映在物种多样性这一重要的群落信息上[1]。森林群落的物种组成与结构是生态系统功能和过程的基础,既能反映群落的种间关系,也可表现环境对物种的影响,同时也是衡量植物群落稳定的重要尺度和方式[2]。物种多样性是物种丰富度和分布均匀性的综合反映,体现了群落的结构类型、组织水平、发展阶段、稳定程度和生境差异[3-4],分析植物群落的结构和物种多样性,对揭示群落的更新、稳定性与演替规律具有重要的意义[5]。稳定性是群落内部各个植物种群、动物种群、微生物种群、土壤环境、气候等相互作用和生物运动的结果,是在群落演替进化过程中形成和表现的[6]。稳定性是植物群落结构与功能的综合特征,是生态系统存在的必要条件和重要功能表现[7]。物种多样性和稳定性是植物群落的2个属性,它们之间的相互关系和相互影响一直受到生态学家的关注[8]。火山喷发为研究植被演替尤其是原生演替提供了难得的条件[9]。五大连池火山处于大小兴安岭和松嫩平原的交错地带,至今历经了7次火山喷发,形成了14座火山,拥有大陆上保存完整、分布集中、形态典型、种类最齐全的新老期火山地质地貌[10]。五大连池火山区生态条件独特复杂,由熔岩裸地到演化中的不同生境内可见低等植物和高等植物(演替中的不同植被生态系列)[11]。五大连池完好的内陆单成因火山地貌,原生而完整的植被演替过程,且地处植被交错区(大小兴安岭植被交错带),是研究火山干扰和植被演替与生物多样性系统发育等的理想场所[12]。近年来,对火山森林群落的物种多样性有大量研究。如牟长城等[13]研究了长白山林区森林/沼泽交错群落的植物多样性,郝占庆等[14-17]研究了长白山北坡植物群落物种多样性,姜萍等[18]研究了长白山南坡森林群落组成-结构以及树种多样性。然而,对五大连池火山森林群落的多样性和稳定性研究尚未有报道。本研究以五大连池4座老期火山为研究对象,从森林群落多样性指数、年龄结构和优势树种的存活曲线入手,分析森林群落多样性与稳定性,为五大连池火山森林植被的演替、恢复与可持续发展提供科学依据。
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从表1可见:乔木树种北坡最多的山体为10种,南坡最多的山体为6种,群落树种组成简单。研究区南北坡向上森林群落在结构数量上都有差异,北坡各山体间乔木层和草本层的物种数目相差较大,而南坡各山体间森林群落各层次在结构数量上差异不明显(东焦得布山草本层除外)。
研究区 喷发时间/万a 海拔/m 坡向 乔木层 灌木层 草本层 盖度/% 种数 盖度/% 种数 盖度/% 种数 东焦得布山 17~19 531.9 北 60±13 10±1 50±16 12±1 20±4 24±3 南 70±13 6±1 15±6 6±1 30±3 37±2 小孤山 28~34 453.5 北 70±7 5±1 25±2 9±1 5±2 11±1 南 80±2 5±1 10±4 5±1 15±5 23±1 尾山 40~50 516.6 北 75±4 8±1 45±12 7±1 25±12 28±7 南 80±0 4±1 20±6 5±0 20±3 17±3 南格拉球山 70~80 596.9 北 65±0 10±1 40±12 7±1 20±3 14±3 南 60±6 3±1 10±3 4±1 30±9 23±1 说明:盖度和种数为群落内各样方的平均值±标准差 Table 1. Characteristics of the quantitative and environment of forest communities in Wudalianchi Volcanoes
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从图1可见:4座火山北坡森林群落的各层次物种多样性指数有差异。Margalef指数和Shannon-Wiener指数从大到小依次为乔木层、草本层、灌木层,乔木层最大值分别为东焦得布山和尾山,最小值都为小孤山;灌木层最大值都为东焦得布山,最小值分别为南格拉球山和尾山;草本层最大值都为尾山,最小值都为南格拉球山。Simpson指数和Pielou指数从大到小依次为乔木层、灌木层、草本层,乔木层最大值都为尾山,最小值分别为小孤山和东焦得布山;灌木层最大值都为东焦得布山,最小值都为尾山;草本层最大值分别为尾山和东焦得布山,最小值都为南格拉球山。可见,4座火山北坡森林群落物种多样性主要受乔木层的影响;乔木层尾山的多样性指数、优势度指数和均匀度指数都最高,而小孤山的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最低;灌木层东焦得布山4种多样性测度指标都最大,而尾山多样性指数、优势度指数和均匀度都最小;草本层尾山物种的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最高,而南格拉球山4种多样性测度指标都最低。方差分析表明:4座火山北坡间,Margalef在乔木层是极显著差异(P<0.01),在草本层是显著差异(P<0.05);Shannon-Wiener指数在乔木层是显著差异外(P<0.05),其余群落内各层次的各种多样性指数均无显著差异(表2)。
多样性指数 层次 北坡 南坡 南北坡间 平均值 F P 变异系数 平均值 F P 变异系数 F P 变异系数 Margalef指数 乔木层 1.087±0.076 8.436 0.007** 0.234 0.443±0.080 0.235 0.869 0.188 34.135 0.000** 0.505 灌木层 0.588±0.039 0.871 0.495 0.125 0.196±0.058 0.472 0.711 0.455 32.885 0.000** 0.579 草本层 0.644±0.181 4.220 0.046* 0.843 0.899±0.117 3.369 0.084 0.354 1.347 0.259 0.563 Simpson指数 乔木层 0.688±0.027 2.639 0.121 0.107 0.212±0.048 0.097 0.959 0.160 78.882 0.000** 0.573 灌木层 0.432±0.041 1.155 0.385 0.200 0.160±0.049 0.701 0.581 0.562 18.448 0.000** 0.577 草本层 0.409±0.070 3.849 0.057 0.506 0.611±0.038 2.252 0.170 0.154 6.020 0.023* 0.359 Shannon-
Wiener指数乔木层 1.342±0.074 4.687 0.036* 0.168 0.391±0.077 0.080 0.969 0.127 79.321 0.000** 0.611 灌木层 0.716±0.073 1.156 0.384 0.216 0.244±0.073 0.616 0.626 0.526 20.742 0.000** 0.609 草本层 0.750±0.160 3.306 0.078 0.605 1.193±0.110 4.108 0.056 0.264 5.020 0.036* 0.443 Pielou指数 乔木层 0.834±0.026 0.987 0.447 0.063 0.353±0.057 0.116 0.948 0.121 62.497 0.000** 0.443 灌木层 0.728±0.049 1.204 0.369 0.147 0.306±0.091 0.746 0.558 0.582 17.356 0.000** 0.527 草本层 0.615±0.087 3.958 0.053 0.418 0.809±0.026 0.446 0.727 0.044 4.234 0.052 0.280 说明:*表示差异显著(P<0.05);**表示差异极显著(P<0.01) Table 2. One-way ANOVA and variation coefficient of the diversity index of forest communities in Wudalianchi Volcanoes
4座火山北坡间,群落内各层次的物种多样性指数呈不同变化。本研究用变异系数定量表示群落物种多样性指数空间变化程度的差异(表2)。草本层的各种多样性指数变化最大,乔木层的Simpson指数和Pielou指数变化最小。因此,乔木层在物种多样性指数的空间变化上比灌木层和草本层更稳定,草本层表现出最大的空间差异。
对4座火山北坡森林群落内各层次物种多样性指数进行相关分析(表3)表明:乔木层与草本层的各指数均呈正相关性,而乔木层与灌木层、灌木层与草本层之间仅丰富度指数呈正相关性,其他各指数间均呈负相关。说明4座火山北坡森林群落物种多样性主要受乔木层和草本层的影响。
坡向 Margalef指数 Simpson指数 Shannon-Wiener 指数 Pielou指数 乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层乔木层-
灌木层乔木层-
草本层灌木层-
草本层北 0.493 0.312 0.117 −0.146 0.462 −0.342 −0.112 0.552 −0.404 −0.410 0.114 −0.334 南 0.162 0.298 0.222 0.049 −0.243 0.275 0.124 −0.103 0.261 0.128 −0.264 0.476 Table 3. Correlation coefficients of the diversity index between forest community layers in Wudalianchi Volcanoes
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从图2可见:4座火山南坡森林群落中的各层次物种多样性有差异。Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数从大到小依次为草本层、乔木层、灌木层。乔木层Margalef指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数最大值都是东焦得布山,最小值都是南格拉球山;乔木层Pielou指数最大值为小孤山,最小值为东焦得布山。灌木层4种多样性指数最大值都为南格拉球山,最小值都为尾山;草本层Margalef指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数最大值都是东焦得布山,草本层Pielou指数最大值为小孤山,草本层4种多样性指数最小值都为南格拉球山。可见,4座火山南坡森林群落物种多样性主要受草本层和乔木层的影响。乔木层东焦得布山的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最大,而南格拉球山4种多样性指数都最小;灌木层南格拉球4种多样性指数都最大,而尾山4种指数都最小;草本层东焦得布山的丰富度指数、多样性指数和优势度指数都最大,而南格拉球山4种多样性指数都最小。
4座火山南坡间,群落内各层次的各种物种多样性指数均无显著差异(表2)。4座火山南坡间,灌木层的各种多样性指数变化最大,乔木层的Simpson指数和Shannon-Wiener指数总体上变化最小,草本层的均匀度指数变化最小。因此,乔木层和草本层在物种多样性指数的空间变化上表现出比灌木层更稳定,灌木层表现出最大的空间差异。
对4座火山南坡森林群落内各层次物种多样性指数进行相关分析(表3)表明:乔木层与灌木层、灌木层与草本层各指数均呈正相关,而乔木层与草本层之间仅丰富度指数呈正相关,其他指数均呈负相关。说明4座火山南坡森林群落物种丰富度主要受草本层的影响。
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由表2可知:4种多样性指数都是乔木层和灌木层北坡高于南坡,草本层北坡低于南坡,说明北坡乔木层和灌木层的物种多样性指数高于南坡,而草本层低于南坡。同时,南北坡向间仅草本层的Margalef指数没有显著差异,其余物种多样性指数均呈极显著(P<0.01)或显著差异(P<0.05)。北坡乔木层和灌木层的Simpson指数和Pielou指数的变异系数都低于南坡,而北坡草本层物种多样性指数的变异系数均高于南坡。同时,南北坡向间物种多样性指数的变异系数都较大。
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从图3可见:4座火山北坡森林群落的年龄结构均为稳定型,群落表现稳定增长状态。小孤山Ⅱ~Ⅵ龄级(40~80 a)的乔木株数占个体总数的69.74%,且无Ⅰ龄级(0~20 a)个体,处于成熟树阶段,群落的稳定性较差,其余3座山Ⅱ~Ⅲ龄级(20~60 a)的乔木株数分别占总数的73.53%(东焦得布山)、56.56%(尾山)和75.90%(南格拉球山),处于中龄树阶段,群落的稳定性较好。
由表4可知:在北坡各山体的乔木层中,紫椴的重要值相对较高,其次为色木槭、山槐和黑桦,表明紫椴在北坡各山体的群落中重要性较大。为了更好地分析北坡群落的稳定情况,进一步对北坡乔木层中重要值最大的紫椴的年龄结构进行分析。
研究区 坡向 重要值 山槐 山杨 紫椴 黑桦 蒙古栎 色木槭 白桦 黄榆 春榆 裂叶榆 黄檗 东焦得布山 北 1.07 0.19 0.74 0.15 − 0.53 0.03 0.09 0.02 0.09 0.06 南 − 0.04 0.35 0.10 2.49 0.02 − − − − 0.01 小孤山 北 − 0.53 1.51 0.18 − 0.68 − − − 0.10 − 南 0.01 − 0.11 0.22 2.65 0.01 − − − − − 尾山 北 0.20 0.32 0.84 0.05 0.31 0.78 0.46 0.03 − − − 南 − − 0.01 0.01 1.67 0.31 − − − − − 南格拉球山 北 0.09 0.23 0.79 0.48 0.40 0.64 0.24 0.04 − 0.28 − 南 − − − 0.15 2.72 0.13 − − − − − 说明:山槐Maackia amurensis,山杨Populus davidiana,白桦Betula platyphylla,黄榆Ulmus macrocarpa,春榆Ulmus japonica, 裂叶榆Ulmus laciniata,黄檗Phellodendron amurense。–表示没有数值 Table 4. Tree species with importance value of forest communities in Wudalianchi Volcanoes
由图4可知:4座火山的紫椴年龄结构均呈稳定型,Ⅱ~Ⅲ龄级个体数分别占总数的80.49%(东焦得布山)、56.76%(小孤山)、78.79%(尾山)和62.22%(南格拉球山),都处于中龄树阶段,群落的稳定性都较好,为稳定增长种群。群落的发展变化是以各个体的变化以及增减来实现的,年龄结构正是变化的依据,说明4座火山北坡森林群落处于稳定增长型状态。
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由图5可知:4座火山南坡森林群落的年龄结构均为稳定型,群落处于稳定状态。小孤山Ⅱ~Ⅵ龄级的乔木株数占总数的85.62%,处于成熟树阶段,群落的稳定性较差,其余3座山Ⅱ~Ⅲ龄级的乔木株数分别占总数的80.18%(东焦得布山)、59.16%(尾山)和80.41%(南格拉球山),都处于中龄树阶段,群落的稳定性较好。
由表4可知:在南坡各山体的乔木层中蒙古栎的重要值较高,其次为紫椴和黑桦,表明蒙古栎在南坡各山体的群落中重要性较大。为了更好地分析南坡群落的稳定情况,进一步对南坡乔木层中重要值最大的蒙古栎的年龄结构进行分析。从图6可见:4座火山蒙古栎的年龄结构均呈稳定型,Ⅲ~Ⅵ龄级个体数分别占总株数的94.44%(东焦得布山)、86.82%(小孤山)、98.52%(尾山)和58.53%(南格拉球山),均处于成熟树阶段,群落的稳定性都较好,为稳定型种群,说明4座火山南坡森林群落处于稳定状态。
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由图3~6可知:4座火山Ⅱ~Ⅲ龄级(20~60 a)的乔木株数分别占总数的比例均是北坡低于南坡,且北坡的龄级明显多于南坡。同时,北坡重要值最大的树种紫椴的Ⅱ~Ⅲ龄级个体数分别占总数的比例大,而南坡4座火山重要值最大的树种蒙古栎的Ⅲ~Ⅵ龄级个体数分别占总数的比例高达94.44%(东焦得布山)、86.82%(小孤山)、98.52%(尾山)、58.53%(南格拉球山),且蒙古栎的龄级少于紫椴。综上可知,北坡森林群落的稳定性强于南坡。