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谷城不同红椿天然群落α多样性分析

2015-12-28张琴琴程德华闫魁星

园艺与种苗 2015年10期
关键词:香农草本均匀度

汪 洋,陈 松 ,张琴琴,程德华,闫魁星*

(1.湖北生态工程职业技术学院,湖北武汉432200;2.湖北省谷城县林业局,湖北谷城441700 3.湘潭第一中学,湖北湘潭411100)

群落多样性是指生物群落在组成、结构、功能和动态方面表现出的丰富多彩的差异,是群落生态学乃至整个生态学研究中十分重要的课题,是生态系统多样性研究的核心内容[1],它体现了群落结构类型、组织水平、发展阶段、稳定程度和生境差异,可以反映生物群落在组成、结构、功能和动态方面表现出的异质性[2]。植物群落的α多样性是度量植物群落组成结构的重要指标[3]。探索植物群落α多样性与环境变化造成的多样性变化,对于认识群落结构的复杂性和群落演替的机理,无疑具有重要意义。

红椿是国家Ⅱ级重点保护野生植物,渐危种。分布虽较广,但由于过度砍伐,资源已日益减少,若不加以保护,将陷于濒临灭绝的境地。谷城县西南部紫金镇玛瑙观村生长着天然红椿群落,为湖北襄樊地区首次发现,是红椿在地理分布上的北限。通过对该地区红椿天然群落的调查,分析比较红椿群落不同因素α多样性指数关系,可以揭示群落内各林层和不同群落间各层次的物种多样性关系及其生态学意义,为红椿的保护和可持续利用提供理论依据,有助于红椿种群自然分布研究拓展。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

调查地点位于谷城县紫金镇玛瑙观村,与南河自然保护区相邻。该地位于 32°01′20″N,111°15′59″E,属北亚热带季风气候,雨量充沛、光照充足、气候温和、四季分明。年平均气温为15.4℃,年降雨量为354~1 254 mm[4]。地质结构为武当变质岩和石灰岩,土壤为黄棕壤。群落分布点周边山峦重叠,沟壑纵横,地势起伏多变。

研究样地内乔木丰富度较高,主要有红椿(Toona ciliate Roem)、宜昌润楠(Machilus ichangensis Rehd)等。灌木主要包含黄栌(Cotinus coggygria)、金花忍冬(Mallotus philippensis)、棠叶悬钩子(Rubus malifolius Focke)等。草本主要有大叶冷水花(Pilea hookeriana)、大叶贯众(Cyrtomium macrophyllum)等。群落内蕨类和藤本较为丰富,群落结构较为完整,群落优势种为红椿。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置。样地位于两条山沟之中,中间隔着一道山脊,样地选择受红椿种群自然分布和沟谷条件限制,为使得样地尽可能完全覆盖红椿群落,在一号样地三道沟(T1)分段划定1个20 m×10 m和1个10 m×10 m样地,共300 m2,采用相邻格子法设立12个5 m×5 m样方。在二号样地二道沟(T2)划定1个20 m×10 m、2个 10 m×10 m、1个 5 m×10 m 和 1个 5 m×5 m样地,共475 m2,采用相邻格子法设立19个5 m×5 m样方。对所有胸径(DBH)>5 cm的乔木进行每木调查,记录其胸径、树高、密度及枝下高等。

在2个样地的格子样方中随机分别设置6个2 m×2 m的灌木层样方和6个1 m×1 m的草本层样方。记录所有灌木及草本植物的种类、平均高度、株数等。同时记录样地的经纬度、海拔、坡度、坡向、郁闭度、土壤类型等(表1)。考虑到生物量的差异,将部分乔木植株(DBH<5 cm,高度<300 cm),按灌木统计。较大灌木(高度>300 cm),按乔木统计。已进入群落上层的大型藤本(如络石)的多样性归为乔木进行统计。

表1 红椿群落样地的环境特征及其物种丰富度

1.2.2 群落物种多样性分析方法。物种α多样性模型有多种[5-6]。笔者采用Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、丰富度指数,分别对乔、灌、草层进行分层统计计算[5-6]。

式中,S为物种数目。

式中,pi为第i种的相对重要值,即pi=Ni/N,Ni为第i个物种的重要值,N为群落样地所有种重要值之和。

差异显著性检验[6]:

2 结果与分析

2.1 群落不同层次α多样性分析

描述群落中物种丰富度和个体在各物种中分布均匀程度的指标称为α多样性。林下植被对于促进整个系统的物种多样性很重要[7]。表2、3、4分别从丰富度、多样性和均匀度3个方面表达了红椿2个群落草本层、灌木层、乔木层的α多样性。物种丰富度:草本﹥灌木﹥乔木,即草本物种种类最多,灌木其次,乔木最少。乔灌草不同样地香农指数均值分别为:草本﹥灌木﹥乔木,即草本层的α多样性最高,乔木层最低。香农指数对群落个体随机取样,样本包含群落内所有物种,和个体出现的机会。红椿为群落优势种和建群种,其种群数量接近或大于整个群落乔木层的半数,占据群落上层,因此其他乔木个体出现的概率必然下降,因此香农指数最低,2个群落分别为1.974和1.525。均匀度指数:灌木﹥草本﹥乔木,乔木的均匀度最低。乔、灌、草层的多样性共同构建了群落的多样性。

表2 红椿群落草本香农多样性指数

2.2 不同群落乔、灌、草层α多样性比较

以Hh1表示三道沟T1群落草本α多样性,Hh2表示二道沟T2群落α草本多样性;以Hs1表示三道沟T1群落灌木α多样性,Hs2表示二道沟T2群落α灌木多样性;以Ht1表示三道沟T1群落乔木α多样性,Ht2表示二道沟T2群落乔木α多样性。

根据差异显著性检验公式可得:

表3 红椿群落灌木香农多样性指数

表4 红椿群落乔木香农多样性指数

var Hh1=0.002 47 ,var Hh2=0.001 27,dfh=614.378,th=0.294

dfh取整数 614。当 df=614时,th=0.294< t(f=0.01)=2.584两群落草本α多样性差异不显著(P<0.01)。

var Hs1=0.002 138,var Hs2=0.006 159,dfs=148.626 ts=5.665

当df=148时,ts=5.665>t(f=0.01)=2.609,说明2个群落灌木层的α多样性差异极显著(P<0.01)。

var Ht1=0.012 145,var Ht2=0.013 616,dft=261.167 tt=2.797

当df=261时,tt=2.797>t(f=0.01)=2.595,说明2个群落乔木层的α多样性差异极为显著(P<0.01)。

3 结论与讨论

红椿为调查群落的优势种和建群种。红椿强阳性特征促成了其占据群落上层,形成竞争优势,其他乔木种的发展受到限制。红椿在数量上形成绝对优势,因此,乔木层的物种丰富度较低。而对植物的分布和生长起重要作用的地形因子、土壤理化性质以及植被类型,在2个群落中对于不同群落整体α多样性分布影响不大。谷城2个典型红椿天然群落的α多样性指数表现出一致性,即丰富度和香农指数同时表现为:草本﹥灌木﹥乔木。2个群落表现出中间层,即灌木层的物种均匀度最高,说明林层间耐阴灌木的分布,已经适应群落的发展,构成较为丰富的乔灌草层间结构。

2个不同红椿群落间的草本层α多样性无显著差异。灌木层和乔木层α多样性差异极为显著,说明不同群落的生境差异,会影响群落结构类型、组织水平、稳定程度和发展水平。这与人为干扰造成的生境差异一致。T1群落位于较高海拔,地势险峻,群落环境复杂,人迹罕至,因而群落结构稳定,逐渐向顶级群落发展。T2群落海拔较低,该地自然坡度较小,一条小道沿沟谷贯穿红椿群落,是村民进山的必经之路,人为砍伐较重。干扰已经造成群落乔木层和灌木层的破坏,乔灌层物种丰富度降低。因此,T2群落物种组成与T1群落差异较大,ST1>ST2。两群落共32种草本植物,但同有种仅21种,占比65.63%;共21种灌木种,同有种13,占比61.91%;19种乔木种,同有种仅9种,占比47.37%,说明两群落草灌乔的共享种逐渐降低。

地形等自然因子对谷城红椿群落间整体α多样性趋势特征影响不大,但对不同群落乔灌草之间的α多样性影响较大。可以认为,环境干扰使得红椿群落各层次间物种的多样性发生改变,使得群落物种均匀度下降,进而对整个群落的结构、组织、稳定和发展造成影响。

[1]陈廷贵,张金屯,上官铁梁.山西关帝山神尾沟植物群落多样性研究[J].西北植物学报,2000,20(4):638-646.

[2]兰思仁.武夷山国家级自然保护区植物物种多样性研究[J].林业科学,2003,39(1):36-43.

[3]王永繁,余世孝,刘蔚秋.物种多样性指数及其分形分析[J].植物生态学报,2002,26(4):391-395.

[4]李飚,蒲云海,陈芬,等.湖北南河省级自然保护区种子植物区系研究[J].湖北林业科技,2012(2):4-10.

[5]孟好军,刘建泉,刘贤德,等.祁连山青海云杉群落物种组成及α多样性垂直分布[J].生态环境学报,2011,20(3):435-440.

[6]孙振均.生态学实验与野外实习指导[M].北京:化学工业出版社,2010.

[7]周会萍,牛德奎,张继红,等.湿地松人工林群落林下植被物种多样性研究[J].江西农业大学学报,2006,28(1):78-83.

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