鸡公山毛竹扩张对植物多样性的影响及控制措施初探

1 鸡公山毛竹扩张对植物多样性的影响及控制措施初探鸡公山毛竹扩张对植物多样性的影响及控制措施初探 杨怀 李培学 戴慧堂 河南鸡公山国家级自然保护区管理局 河南 信阳 464133 摘要 摘要 以生物多样性研究的理论为基础 通过对不同类型毛竹林植物物种组成和生物多样性的研究 并与 2 个天然植被类 型进行对比分析 结果表明 物种丰富度和 Simpson 指数 Shannon Wiener 指数和 Pielou 均匀度指数都随毛竹的出现呈现明显 的下降趋势 反映出毛竹林在扩张过程中 对生物多样性的影响不仅表现在使物种丰富度的迅速下降和层次结构的逐渐简单化 而且使群落的物种组成也发生发生显著变化 基于竹鞭的特点 提出了使用挖坑灌水等方法来抑制毛竹林的扩张 关键词 关键词 鸡公山 毛竹 扩张 生物多样性 控制措施 中图分类号 中图分类号 S795 7 文献标志码 文献标志码 A Effects of Phyllostachys pubescens Expand on Plant Species Diversity in Jigongshan and Discussion of Control Measures YANG Huai LI Pei xue DAI Hui tang Henan Jigongshan National Nature Reserve Xinyang464133 China Abstract The theory of biological diversity based on different types of bamboo forest plant species composition and biodiversity research and with two types of natural vegetation were compared The results showed that species richness and Simpson index Shannon Wiener index and Pielou evenness index were presented with the appearance of bamboo significant downward trend Reflects the bamboo forest in the expansion process the impact on biological diversity not only in making the rapid decline of species richness and the gradual simplification of the hierarchy but also the species composition is also a significant change occurs Based on the characteristics of rhizome proposed the use of methods such as digging irrigation to suppress the expansion of Phyllostachys pubescens Key words Jigongshan bamboo expansion biodiversity control measures 引言 毛竹 Phyllostachys pubescens 原产我国亚热带地区 属典型的无性系植物 为单轴型散生竹类 毛竹具有生 长快 产量高 用途广 可持续性强的特点 由于其产量高 材质好 分布广 是我国南方林区十分重要的经济林 种之一 具有上千年的栽培历史 自 1957 年以来 鸡公山自然保护区为了解决职工的经济来源问题 在保护区的实验区内引种栽培毛竹 由于 毛竹强大的扩鞭能力 近年来鸡公山的毛竹林不断扩张和扩散 逐年蚕食常绿落叶阔叶混交林 针阔混交林等天 然植被 从而影响保护区丰富的生物多样性 长期下去 保护区最具特点的过渡带典型植被和其内丰富的生物多 样性将消失 这与鸡公山作为森林生态类型自然保护区以保护生物多样性 保护健康稳定森林生态系统的保护目 的是相背离的 因此开展毛竹林扩张对生物多样性的影响及控制技术研究 为我国自然保护区建设和天然林保护 提供依据 进而使我省和我国的生物多样性保护工作更上一层楼 收稿日期 收稿日期 2010 06 18 通讯联系人 通讯联系人 E mail jgsyanghuai 项目简介 项目简介 河南鸡公山国家级自然保护区与中国科学院地理科学与资源研究所横向合作项目 河南鸡公山国家级自然保护 区森林生态系统定位研究 资助 ALM 803 作者简介 作者简介 杨怀 1977 男 河南光山人 助理工程师 主要从事生物多样性调查 森林生态监测和保护区科研工作 2 1 研究区自然概况 鸡公山国家级自然保护区位于河南省信阳市南部的豫鄂两省交界处 地理坐标为北纬 31 46 31 52 东经 114 01 114 06 面积 2917 hm2 属森林生态系统类型自然保护区 以过渡带森林生态系统为主要保护目标 由 于地处北亚热带的边缘 淮南大别山西端的浅山区 受东亚季风气候的影响 具有北亚热带向暖温带过渡的季风 气候和山地气候的特征 这里四季分明 光 热 水同期 鸡公山年平均太阳辐射 4928 70MJ cm2 年平均气温 15 2 极端最高气温 40 9 极端最低气温 20 0 日平均气温稳定 10 的活动积温 4881 0 无霜期 220d 年平均降水量 1118 7mm 空气干燥度 0 84 属北亚热带湿润气候区 该区植物种类丰富 森林植被明显呈 乔 灌 草三层结构 乔木层通常可分为两个亚层 建群种和共建种为栓皮栎 麻栎 马尾松 化香 枫香 黄 檀 五角枫等 林下灌木层优势树种有山胡椒 盐肤木 白鹃梅 映山红 胡枝子 黄荆等 草本层优势种有求 米草 大金鸡菊 羊胡子草 野苎麻 显子草等 2 研究方法 2 1 调查方法 野外调查采用固定样地调查方法 在鸡公山的典型植被 常绿落叶阔叶混交林 针阔混交林与有毛竹的植被 毛竹混交林和毛竹纯林中分别设置 20m 20m 的样地进行对比分析 并把每个样地细分成 4 个 10m 10m 的邻接 格子的小样方 随机选取 2 个对角 10m 10m 的格子作为灌木层调查小样方 在样方的四角和中心设置 5 个 2m 2m 作为草本层调查小样方 然后逐一测量 4 个 10m 10m 乔木层胸径 DBH 3 3 的所有植株胸径和树高 灌木层测量高度 H 0 3m 的灌木基径 盖度和高度 估测高度 H 0 3m 的灌木物多度 盖度和高度 草本层测 量物种的优势度 或盖度 多度和高度 2 2 多样性分析方法 根据马克平等 5 6 7 所评述的植物群落多样性测度方法 本文采用以下 3 种多样性指数进行了群落多样性的 分析 整个样地中每个样方分别计算乔木层 灌木层 草本层的 Simpson 和 Shannon Wiener 多样性指数及 Pielou Jsw 均匀度指标 揭示毛竹林扩张过程中植物群落多样性的水平空间分布格局 不同植被类型物种多样性采用如 下测度公式 1 多样性指数 Shannon Wiener 指数 1 s i ii PPH 1 2 log Simpson 多样性指数 2 s i i PD 1 2 1 式中 S 为物种数目 Pi为属于种i的个体在全部个体中的比例 2 Pielou Jsw 均匀度指数 Pielou Jsw 均匀度指数 E 3 SPiilg lgP 式中 S 为物种数目 Pi为属于种i的个体在全部个体中的比例 3 结果与分析 3 1 毛竹林面积变化 鸡公山自然保护区内毛竹林的扩张迅速 1994 年至 2007 年毛竹林总面积增加了 56 83hm2 年平均增长 4 37hm2 斑块也从 2 个增加到 4 个 而且最大斑块面积也是呈现大比例的增长趋势 2007 年最大斑块面积相对 1994 年增长了 28 26hm2 增长速度惊人 表表 1 毛竹林斑块面积变化 公顷 毛竹林斑块面积变化 公顷 Tab 1 Patch area change table of bamboo forest 地理位置地理位置1957 年年1994 年年2007 年年 3 斑块 1武胜关0 10 2 51 14 57 斑块 2九区0 20 8 18 38 73 斑块 3山上南岗0 00 1 68 12 10 斑块 4李家寨0 00 1 83 12 63 总面积 0 30 14 20 78 03 注 1994 年数据为综合科学考察时所得数据 2007 年数据为二类资源调查时所得数据 3 2 物种丰富度变化 表表 2 2 不同植被类型的物种数量不同植被类型的物种数量 Tab 2 Species quantity of different vegetation types 序号序号植被类型植被类型乔木层物种种数乔木层物种种数灌木层物种种数灌木层物种种数草本层物种种数草本层物种种数物种种数合计物种种数合计 1 常绿落叶阔叶林 354727109 2 针阔混交林 283844110 3 毛竹混交林 13323782 4 毛竹纯林 5 23 20 48 从表 2 可知 从常绿落叶阔叶林转化成毛竹纯林的过程中 乔木物种数量大幅度减少 常绿落叶阔叶林样地 记录表明乔木树种从 35 种下降至毛竹纯林乔木树种 5 种 灌木和草本物种数也有所减少 这与物种间竞争和毛竹 生长特性有关 毛竹林平均高度约为 10 14 米 林冠茂密 交错重叠的竹叶遮挡了大部分阳光 使许多比它矮小 的植物或植物幼苗光合作用减弱 导致种群数量的逐渐减少 3 3 物种组成变化 表表 3 3 不同植被类型物种组成不同植被类型物种组成 Tab 3 Species composition of different vegetation types 序号序号植被类型植被类型群落结构群落结构主要物种主要物种 乔木层麻栎 栓皮栎 枫香 化香 黄檀 青冈 五角枫 1 常绿落叶阔叶林灌木层山胡椒 盐肤木 白鹃梅 鼠李 油桐 三叶槭 胡枝子 草本层求米草 荩草 贯众 悬钩子 野古草 乔木层麻栎 栓皮栎 槲栎 化香 山槐 马尾松 2 针阔混交林灌木层小叶女贞 山胡椒 茅栗 白背叶 胡枝子 草本层羊胡子草 求米草 荩草 菝葜 蛇葡萄 凤丫蕨 五味子 乔木层麻栎 毛竹 杉木 马尾松 落羽杉 3 毛竹混交林灌木层山胡椒 盐肤木 十大功劳 悬钩子 草本层野葱 贯众 石蒜 乔木层毛竹 野樱桃 杉木 柳杉 4 毛竹纯林灌木层山胡椒 悬钩子 野珠兰 草本层虎杖 络石 麦冬 绞股蓝 从表 3 可知 毛竹林在扩张过程中 对生物多样性的影响不仅表现在使物种丰富度的降低 而且使群落中乔 灌草各层次的物种组成也发生较大改变 天然植被中乔木层的主要树种有栓皮栎 麻栎 马尾松 化香 枫香 黄檀 五角枫等 30 余种 在毛竹纯林 化过程中 毛竹林内被保留下来的最常见针阔叶乔木树种主要有野樱桃 柳杉和马尾松等 灌木层的物种主要有山胡椒 盐肤木 白鹃梅 映山红 胡枝子 黄荆等 40 余种灌木和乔木树种的小树所构 成 在毛竹纯林化过程中 灌木层物种组成也相应发生变化 大部分的高大乔木幼树和灌木物种 如麻栎 栓皮 栎 油桐 胡枝子等随着纯林化过程逐渐消失或大量减少 取而代之的是野珠兰 悬钩子等 在毛竹林的纯林化过程中 草本层的物种组成变化也较大 由于草本生长受乔木层和灌木层控制影响很大 在常绿落叶阔叶混交林和针阔混交林中 常见的草本主要有求米草 荩草 羊胡子草 野苎麻等 随着毛竹种群 4 数量的增加 不同优势草本先后出现在毛竹林下 主要有虎杖 络石 麦冬 绞股蓝 南天竹等草本植物和一些 乔灌木树种的幼苗等 3 4 Simpson 多样性指数变化 表表 4 4 不同植被类型不同植被类型 SimpsonSimpson 多样性指数多样性指数 Tab 4 Simpson diversity index of different vegetation types 植被群落植被群落常绿落叶阔叶林常绿落叶阔叶林针阔混交林针阔混交林毛竹混交林毛竹混交林毛竹纯林毛竹纯林 乔木层 0 750 730 490 21 灌木层 0 770 710 680 66 草本层 0 580 64 0 610 59 不同植被类型 Simpson 指数的测度结果表明 群落的 Simpson 指数随毛竹的出现呈现明显的下降趋势 进一 步分析群落中乔木层 灌木层 草本层植物多样性的变化趋势 发现毛竹蔓延对乔木层植物多样性指数的影响最 大 灌木层和草本层植物的 Simpson 指数也有下降的趋势 但变化没有乔木层那么明显 不同植被类型 Simpson 指数的测度结果反映出 毛竹林向其他群落蔓延时群落中乔灌草各层的植物多样性都有下降的趋势 3 5 Shannon Wiener 多样性指数变化 表表 5 5 不同植被类型不同植被类型 Shannon WienerShannon Wiener 多样性指数多样性指数 Tab 5 Shannon Wiener diversity index of different vegetation types 植被群落植被群落常绿落叶阔叶林常绿落叶阔叶林针阔混交林针阔混交林毛竹混交林毛竹混交林毛竹纯林毛竹纯林 乔木层 2 682 131 160 49 灌木层 2 592 141 932 07 草本层 1 030 970 950 89 从 Shannon Wiener 指数测度结果看 群落的 Shannon Wiener 指数随毛竹的出现呈现明显的下降趋势 对灌 木层和草本层来说植物多样性在毛竹纯林化过程中均有下降的趋势 说明毛竹扩张时 使群落中的乔木层树种减 少的同时 灌木层植物多样性也有下降的趋势 由此可见 Shannon Wiener 指数与用 Simpson 指数计算的结果基 本是一致的 3 6 Pielou Jsw 均匀度变化 表表 6 6 不同植被类型不同植被类型 PielouPielou JswJsw 均匀度均匀度 Tab 6 Pielou Jsw degree of uniformity of different vegetation types 植被群落植被群落常绿落叶阔叶林常绿落叶阔叶林针阔混交林针阔混交林毛竹混交林毛竹混交林毛竹纯林毛竹纯林 乔木层 0 640 71 0 660 6 灌木层 0 610 58 0 560 56 草本层 0 830 84 0 740 72 种类数目越多 多样性越大 同样 种类之间个体分配的均匀性增加 也会使多样性提高 由表 6 均匀度测 度结果可以看出 群落的均匀度指数都是随毛竹的出现而降低 这说明多样性的下降 既包括了物种数量的减少 同时个体分配的均匀性也减少 4 结论与建议 4 1 结论 通过计算各样方的物种多样性指数和均匀度指数可以看出 毛竹林扩张对周边植物群落的物种多样性有明显 的影响 生物多样性指数和均匀度指数从常绿落叶阔叶林到毛竹纯林呈现出规律性变化 即群落的多样性随毛竹 的出现均呈下降趋势 从表 3 可知 毛竹林在扩张过程中 对生物多样性的影响不仅表现在使物种丰富度的降低 而且使群落中乔 灌草各层次的物种组成也发生较大改变 群落物种的替代程度高 在由天然植被向毛竹混交林转变的过程中乔木 层物种已大部分被改造完成 灌木层和草本层的物种被替代主要发生在毛竹混交林向毛竹纯林转变的过程中 由 于乔木层在森林生态系统的功能和结构上起主导作用 灌木和草本的生长受乔木层控制影响较大 因此对保护区 来说 在常绿落叶阔叶林转变为毛竹混交林阶段加以控制才有实际意义 5 4 2 建议 为了更好地保护鸡公山自然保护区的生物多样性及维护鸡公山整个森林生态系统的安全 要贯彻自然保护区 的科学保护观 破除 绝对保护 的观点 对保护区相关区域采取一些 生态 手段来阻止毛竹林的继续扩张趋 势 以恢复原生性的生态系统 促进生物多样性安全 4 2 1 控制毛竹林面积扩张的措施 1 植被阻隔 有研究表明 2 各种环境阶跃条件对毛竹林的扩张起到了一定的阻碍作用 而其中的植被是最 常见的自然阻碍因子 强大的根系可以使竹鞭根本无用武之地 在无人为干预的情况下 毛竹并不能取代原有乔 木 取得统治地位 所以在保护区控制毛竹林扩散的首要措施就是保护竹林边界处的灌木及乔木 利用这些的植 物的根系及竞争作用阻止毛竹扩张 2 挖坑灌水 有研究表明 2 各种环境阶跃之处 如 断面 溪流 岩壁 是毛竹林扩张的天然阻隔因子 基 于对这些地带的竹鞭状态的分析 可以模仿自然隔离条件 以防止竹鞭扩散 如可以通过 挖坑灌水 的方法 人 为创造环境阶跃条件 限制毛竹林的扩散 在坡度低的毛竹林前沿 开挖 40 50cm 深度的土沟 可以设计相应的 专用工具 在沟底铺上农用塑料薄膜 加水至深度为 5cm 即可 这样的设计 可以使 90 以上的竹鞭出土 人为 造成 断层 的环境阶跃条件 水的存在加速了竹鞭的死亡 塑料薄膜可以阻止竹鞭的 下潜 薄膜有一定的韧 性 其存在使竹鞭无法入土而死亡 3 埋设混凝土件 在坡度高 不适宜采用 挖坑灌水 方法的毛竹林通过埋设混凝土件的方法来人为干预 但是考虑到成本的问题 10m 的成本在 200 元左右 不适合大面积地使用 因此只在坡度高的地段采用此