天山云杉動態(tài)

Spatial distribution pattern of tree individuals in the Schrenk spruce forest,northwest China

<<生態(tài)學報 >>2005年05期

李明輝 , 何風華 , 劉云 , 潘存德 , LI Ming-Hui , HE Feng-Hua , LIU Yun , PAN Cun-De

天山云杉(Picea schrenkiana)林是天山林區(qū)的重要針葉林.研究調(diào)查了兩塊分別代表天山云杉不同演替階段的標準地,應(yīng)用Ripley's K系數(shù)法研究了天山云杉種群空間格局與動態(tài).結(jié)果表明:天山云杉是聚集型種群,天山云杉活立木、枯死木、天山樺(Betula tianschanica Rupr.)和天山柳(Salix tianschanica Rgl.)的空間格局均為聚集型;天山云杉枯死木的聚集強度大于天山云杉活立木的聚集強度;天山樺和天山柳的聚集強度大于天山云杉枯死木的聚集強度;天山樺和天山柳的空間格局隨種群所處的演替階段不同而不同,增長型種群在所有尺度上其空間格局都為聚集型,在大于70 m尺度上表現(xiàn)為均勻格局,而天山云杉成熟林中的天山樺和天山柳只在小尺度(0~40 m)上表現(xiàn)為聚集.隨著天山云杉的生長,其聚集強度逐漸減小,聚集半徑不斷增大.從50a以下天山云杉到50~100a的天山云杉其聚集強度急速減小,這有利于天山云杉幼樹獲得足夠的資源,是天山云杉幼樹的一種生存策略或適應(yīng)機制.150a以上天山云杉的聚集強度增加,這是由于天山云杉生長到150a左右時開始出現(xiàn)成熟后死亡,形成林窗有利于天山云杉林的更新.研究還對Rip1ey's K系數(shù)法和頻次檢驗法進行了比較,Ripley's K系數(shù)法能夠分析各種尺度下的種群空間格局,且不受樣方大小的影響,結(jié)果清楚、直觀.

研究結(jié)果表明,該植物區(qū)系地理成分復雜。天山云杉群落有維管束植物401種,其中,種子植物47科, 194屬,393種。菊科、禾本科、唇形科、薔薇科和毛茛科是該研究區(qū)的優(yōu)勢科,占總種數(shù)的47.58%。少屬科和單屬科較多,占總科數(shù)的89.36%。溫帶成分占總科數(shù)的44.68%,在區(qū)系組成和植被構(gòu)成中占主導地位。這與本地區(qū)所處的氣候帶、地理位置及地史變遷相一致。干旱荒漠氣候使溫帶的許多成分雖在本區(qū)多有分布,卻難以形成優(yōu)勢,唯有廣布性的大科能以其龐大的種系和適應(yīng)能力在這種生境惡劣的地域取得優(yōu)勢。天山云杉群落物種豐富度和多樣性指數(shù)較低,均勻度、優(yōu)勢度指數(shù)較大,其中,喬木層豐富度指數(shù)僅為3,而優(yōu)勢度指數(shù)達0.6073最大。天山山地天然次生林群落,經(jīng)過多年競爭、演替,闊葉樹被取代,逐步形成了天山云杉地帶性頂極群落。一般情況下,海拔2000m以上地區(qū),如沒有外因破壞,天山云杉林不易為其他樹種所更替。草本植物的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù),在海拔梯度上的變化沒有顯著變化。 天山云杉種群大小級結(jié)構(gòu)呈正金字塔型,各級均有分布,幼苗占25.37%,儲備量豐富。天山云杉存活曲線屬Deevey-Ⅲ型,即增長種群。前期死亡率較高,后期較穩(wěn)定。天山云杉種群表現(xiàn)為聚集型分布格局,但各生長階段聚集強度略有不同。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級的負二項指數(shù)K值均小于1,聚集強度較高。其中,Ⅰ級幼苗K值為0.104最小,表現(xiàn)為強聚集分布。Ⅴ級大樹的K值為1.105>1,聚集強度急劇降低。Ⅰ級幼苗到Ⅴ級大樹聚塊性指標M~*/M值由10.619逐級遞減為1.905,種群表現(xiàn)為逐級擴敞趨勢。并且Ⅰ級幼苗→Ⅱ級幼苗→Ⅲ幼樹的擴散趨勢較強。研究結(jié)果證實,天山云杉幼苗階段,受種群繁殖特征和生境異質(zhì)性的影響,表現(xiàn)為強聚集分布。隨樹木個體生長,自疏作用和它疏作用不斷加強,導致大量林木死亡,聚集強度逐漸減弱,到大樹階段已有向輕度聚集和隨機分布發(fā)展的趨勢。天山云杉幼苗期需要適度的庇蔭才能存活,隨幼苗的不斷生長,對于光照的需求也逐漸增強,到大樹階段,基本需要全光照,若一直處于郁閉林冠下,生長將停滯,甚至死亡。郁閉度大的云杉純林林冠下更新較差或無法更新,在林窗、云杉疏林地和部分林緣地帶天然更新較好。天然更新受多種因素影響,尤其以牲畜的影響較大,造成天然更新能力下降,林分的脆弱性加大,穩(wěn)定性降低。

天山云杉是中亞和亞洲中部山地的特有種,在中國僅見于新疆,其主要分布在天山北坡,天山南坡和昆侖山西部北坡也有少量分布,對天山的水源涵養(yǎng)、水土保持發(fā)揮著不可或缺的重要作用。隨著經(jīng)濟建設(shè)對森林物質(zhì)產(chǎn)品需求的增長和各類經(jīng)濟活動對森林生態(tài)系統(tǒng)干擾強度的加大,天山云杉的天然更新問題日顯突出?；谶@一問題,許多學者從幼樹所處的光照、水分和養(yǎng)分條件等方面進行了大量的研究,但從研究結(jié)果和所產(chǎn)生的效果來看,距離對這一問題的解決還有非常大的差距。為此,本研究基于"天山云杉天然更新故障的自毒作用"假設(shè),采用生物測定的方法,在人工氣候箱中模擬天山云杉種子萌發(fā)和幼苗生長條件,就針葉水浸提取液對天山云杉種子萌發(fā)和幼苗生長的影響進行了檢驗。在此基礎(chǔ)上,利用高效液相色譜分析方法進一步測定了經(jīng)針葉和凋落物水浸提取液處理后對天山云杉種子萌發(fā)和幼苗生長過程中內(nèi)源激素的變化情況。研究所得結(jié)果如下: 在自毒作用的生物鑒定方面,兩種溫度條件(①光周期20℃、16h,暗周期15℃、8h;②光周期15℃、16h,暗周期10℃、8h)的實驗表明,天山云杉針葉水浸提取液對其種子萌發(fā)和幼苗生長存在自毒作用。

不久前，中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所科技人員喻樹龍、崔宇等人，在天山北坡精河流域的原始森林采集樹輪標本時發(fā)現(xiàn)了它。經(jīng)過研究確定，這顆云杉已有737年的高齡。

不過，這棵天山云杉沒有大家想象的那么粗，因為它長在海拔2500多米高的石崖處，直徑僅有25厘米。年輪非常細密，但清晰明了。

據(jù)了解，這是迄今為止，在我國天山山脈發(fā)現(xiàn)的樹齡最長的天山云杉活樹。2002年10月，烏魯木齊沙漠氣象研究所科技人員曾采集到一棵651歲的天山云杉活樹樣本。

該所研究員袁玉江說，根據(jù)樹木年輪的疏密，可以研究當?shù)夭煌瑫r期的氣候變化，這次的發(fā)現(xiàn)對研究天山北坡氣候、水文的長期變化具有非常重要的意義。同時，也標志著新疆的樹木年輪氣候?qū)W研究取得了新的進展。

目前，研究人員正在利用各種先進的儀器設(shè)備進行樹樣的測量與分析，揭示天山精河流域過去700多年來氣候與水文的長期變化，以填補我國在該區(qū)域年輪研究的空白。

新華網(wǎng)烏魯木齊3月24日專電(記者毛詠)研究人員通過對新疆天山云杉年輪寬窄變化分析研究，再現(xiàn)了這一地區(qū)320多年來氣候的干濕變化狀況，其中最干旱期出現(xiàn)在1701年至1722年，最濕期出現(xiàn)在1961年至1981年。

中國氣象局烏魯木齊沙漠研究所研究員袁玉江介紹說，云杉直徑的生長主要集中在每年5至8月，其中5至6月份為輪寬形成最活躍的時期，可形成當年年輪的一半以上，"這一生長特性可以分析其生長年份的降水變化。"

研究人員據(jù)此發(fā)現(xiàn)了樹木年輪寬度指數(shù)與氣候要素之間的相關(guān)關(guān)系。大量天山云杉年輪的寬窄變化顯示，326年來的5月下旬新疆這一區(qū)域內(nèi)的降水出現(xiàn)了8個完整的干濕變化階段，1701年至1722年為最干旱期，1961年至1981年為最濕潤期，而在1719年至1959年的241年中明顯出現(xiàn)了緩慢變干的趨勢，1943到1945年的云杉甚至出現(xiàn)缺輪現(xiàn)象。

新疆5月下旬的天氣狀況主要是受大氣環(huán)流影響，由副熱帶西風急流向北推進的快慢和控制歐洲的高壓脊的雙重影響下，降水由南到北，自西向東開始迅速增加，并由此造成天山中部山區(qū)降水年際變化率加大。

云杉屬于喜陰樹種，年輪生長較快，7月以后，年輪基本不再生長，因此5月下旬的降水多寡將直接影響這一特殊區(qū)域里云杉年輪的生長。

研究人員還對目前及未來干濕變化趨勢進行分析預測:2001年至2007年為降水偏少期;2008年至2015年降水偏多，"這7年對新疆北部重要糧食作物冬小麥的長期產(chǎn)量預報及種植規(guī)劃布局具有重要意義。"

雪嶺云杉林在我國分布于新疆天山南北坡、昆侖山西部、準噶爾西部山地，東西綿延1800公里，向西延伸到吉爾吉斯斯坦的天山與阿賴山，是中亞荒漠帶最主要的山地常綠針葉林。在天山北坡，雪嶺云杉林分布于海拔1500~2800米的中低山--亞高山，構(gòu)成了斷斷續(xù)續(xù)連綿千里的山地森林垂直帶。在帶內(nèi)森林與山地草甸、草原、灌叢交錯分布。在 天山的云杉林中，除了雪嶺云杉外，還有天山云杉。天山云杉是雪 嶺云杉的變種。二者的區(qū)別很小，嶺云杉的當年生嫩枝為灰色，天山云杉的嫩枝淡黃色或姜黃色。它們常常在林分中混生，一般人很少注意到這一點，讀者也無須仔細辨認，變種是種以下的一個分類單位，把它們統(tǒng)稱為雪嶺云杉并沒有錯。