中国三明地区天然林林窗大小对环境异质性和格氏栲更新的影响

中国三明地区天然林林窗大小对环境异质性和格氏栲更新的影响林窗是由老树死亡、昆虫、某些疾病或雷电袭击、风或风暴吹倒、或其他倒下的树木击倒的区域。林窗的出现提高了森林动态。因此,林窗对维持森林生态系统很重要。当林冠层开阔形成林窗时,影响小气候、光照强度、土壤温度、气温和土壤水分的改变。中国福建三明的格氏栲天然林是以过熟的格氏栲(平均年龄超过100年)、米槠、马尾松与木荷为优势的亚热带常绿阔叶林,也是面积最大纯度最高的格氏栲天然林。许多研究人员都在研究这个物种。关于格氏栲天然林林窗的研究表明不同大小林窗和林窗内位置具有不同的土壤-空气温度、相对湿度和土壤含水量。那些环境条件也受季节影响。不同微地形的环境条件下可能影响格氏栲种子萌发和幼苗定居。之前的研究关注于林窗微气候研究。目前,由于格氏栲幼苗和幼树减少,使格氏栲种群不断下降,种群年龄结构不可持续,主要原因是种子萌发和幼苗定居不足和人为干扰的影响。承前所述,林窗能够影响物种更新,但目前发现多数研究这关注于林窗微环境研究。林窗环境的空间异质性和林窗大小影响微环境仍未知,关于幼苗更新机制和其对微环境的响应也未知。为此,探索了林窗影响微环境及环境因子影响叶片性状和林窗内格氏栲幼苗对微环境的响应。研究目的:1)调查林窗对白天时间的微环境动态的影响;2)揭示林窗大小对土壤化学-物理性质的影响;3)调查光照强度对微环境和叶片性状的影响;4)调查更新层叶片性状对林窗微环境的响应;5)调查林窗大小和林窗内不同位置对格氏栲更新的影响。结果表明:通过鱼眼镜头在每个林窗中心拍两张照片,采用半球面影像法计算林窗面积。测量了9个林窗,其中,最大的林窗面积为216.72m2,最小的林窗面积为30.28m2。根据林窗面积大小,将9个林窗分为3类不同大小的林窗(小(30-50m2)、中(50-100m2)、大林窗(>150m2)),小林窗由树枝折断产生,大中型林窗由树倒产生,同时,设置15m×15m的非林窗为对照。在整个林窗和非林窗内设置3m×3m的网格作为取样点。在整个林窗内从早晨8点到下午6点,每2h记录一次微环境因子变化,微环境因子包括土壤表层温度(ST0)、土壤深度为5cm的温度(ST5)、土壤深度为10cm的温度(ST10)、空气温湿度(AT)、光照强度(LI)和相对湿度(RH)等,数据从2014年6月15-25日和2015年1月5-15日。采用地统计分析法,阐述了9个林窗和非林窗土壤物理-化学性质和土壤酶活性的空间模型,调查林窗大小和微环境对林窗内叶片性状的影响。在林窗和非林窗内的5个方向设置5m×5m样方收集叶片样本。于冬季和夏季收集更新层叶片(<2cmDBH,高度2-5m.)测定叶片性状。选择的叶片性状包括:叶面积(LA)、叶干物重量(LDM)、比叶面积(SLA)、叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、总叶绿素含量(TChl)、类胡萝卜素(CAR)、可溶性糖含量、淀粉含量、氮含量(N)、碳含量(C)、磷含量(P)、钾含量(K)与叶片酶活性。对物种管理和保护,探讨了林窗是否有可能促进格氏栲幼苗更新,并调查了林窗内幼苗更新的最佳位置。在夏季林窗(中心、南方、东方、北方和西方)的五个方向调查格氏栲四个阶段(树木,树苗,灌木和幼苗)的基径、高度和数量。研究结果如下:微环境随时间而变化。在每个林窗内,从早晨10点到下午2点,林窗中心LI最强。除大林窗的北方向外,其他林窗均表现为北和西方向高于南和东方向。非林窗内,LI与ST呈显著正相关关系。不像中小型林窗,表现为随早晨到下午的时间增加,大林窗ST最高的时间为12点到下午2点,在林窗与非林窗中,AT与RH呈显著负相关关系。因此,不同大小林窗显著影响微环境因子,且LI对5个方向的环境因子影响较大。结果发现土壤物理性质除SCP和STP外,其他土壤物理性质与林窗大小具有显著性差异。林窗大小通常能够提高土壤物理性质,尤其是小和大林窗,表明林窗土壤比非林窗更适合植物生长。因此,大林窗显著影响林窗多数土壤物理性质的空间异质性。随不同大小林窗和不同季节变化,多数土壤化学性质有所不同。林窗大小影响土壤化学性质,与冬季相比,夏季对林窗土壤化学性质影响更大。研究表明林窗可能影响土壤化学性质但不同大小林窗具有不规则的响应。小林窗的土壤pH值显著低于中林窗,而中林窗土壤OM、TN、TC和C/N比最低,大林窗最高。小林窗的土壤pH值显著低于中林窗,而中林窗土壤OM、TN、TC和C/N比最低,大林窗最高。不同大小林窗土壤TP和TK具有相同变化模式,表现为随林窗增大而增大。与其他林窗相比,小林窗土壤AP和AK最高。冬季土壤OM、TP、TK、AP、UA、CA、TN、TC和C/N比的平均值高于夏季。土壤全氮、全碳、C/N比和土壤有机质具有显著相关性。大林窗内土壤有机质含量最高,表明大林窗土壤对植物生长具有较高的养分供给潜力。此外,土壤有机质与土壤pH值具有显著负相关关系。而在研究区内土壤pH的范围属于强酸性可能影响植物对养分的有效利用。土壤化学性质的空间异质性随季节变化。土壤pH变化较小,而林窗和非林窗内土壤OM含量适中。土壤TN和TC具有相同的变异值,但土壤C/N比的变异值差异较小。在林窗和非林窗内土壤TP、TK、AP、AK和HN的变异性适中。每个土壤化学性质的空间异质性具有不同的模式,主要取决于林窗特性和其影响因素。研究林窗土壤化学性质的空间异质性为林窗管理和物种保护提供基础数据。每个林窗都有其特定的微环境进而影响物种生长。当林窗形成后光照产生变化。结果发现,林窗内LI与ST、AT显著正相关,与RH呈显著负相关,而非林窗则相反。不同大小林窗的LI具有显著性差异,大林窗内LI均值最高,同时小林窗内LI均值最低。每个林窗LI的空间异质性不同,取决于地形、坡向和每个方向树木生长的位置。在大中型林窗内,LI与SLA具有显著负相关关系(r=-0.248,p=0.04和r=-0.264,p=0.008)。在所有的方向上,SLA随LI增加而增加。林窗大小影响Chla、Chlb、TChl和CAR平均值随季节变化。夏季叶绿素含量最高值出现于小林窗,叶绿素含量最低值出现于非林窗,而冬季叶绿素最高值出现于中林窗。此外,夏季对中林窗不同方向的Chla和TChl具有一定影响。由于可溶性糖和淀粉是十分灵敏的参数,因此未发现不同大小林窗影响物种可溶性糖和淀粉。不同大小林窗K含量受夏季和冬季影响,而P含量受冬季影响。不同大小林窗对C和N含量无影响。夏季影响可溶性蛋白的平均值,冬季影响SOD(U/g)酶活性,而林窗大小对其他酶活性无显著影响。运用RDA分析夏季和冬季叶片性状和环境变化表明夏季叶片性状与环境的相关性强于冬季。结果表明,与冬季相比,夏季环境对叶片性状的影响更大。p值表明夏季土壤化学性质与叶片性状的关系强于土壤物理性质。此外,夏季土壤化学性质的p值比冬季更显著。本研究区中夏季是植物生长的季节,可能植物对环境因子的响应强于冬季。结果发现格氏栲数量与林窗面积呈显著正相关关系(=0.815,p=0.007)。格氏栲数量估计使用线性回归模型为:格氏栲数量=0.124×林窗面积+10.597(R2=0.664,p=0.007)。大林窗内格氏栲数量高于小林窗(p=0.031)。林窗中心的幼苗数量和大小与其他方位具有显著性差异(p=0.041和p=0.017)。然而,格氏栲与环境的相互作用十分复杂,主要取决于物种生态位转化。在格氏栲自然保护区内,与非林窗相比,林窗能够促进物种多样性和改变环境。林窗能够影响微环境,对季节具有持续波动和变化。林窗影响土壤物理-化学性质。林窗土壤组成比非林窗更好。林窗比非林窗具有更高的土壤土壤蓄水能力。土壤物理-化学性质的空间异质性为林窗管理提供基础数据。不同大小林窗的方位内,与非林窗相比,LI影响微环境和SLA。此外,叶片SLA与N、P含量具有显著正效应。研究结果表明林窗中心SLA的均值最低。林窗大小对叶片性状具有不同影响。每个叶片性状受物种、年龄、季节与环境