植物功能性状对森林生态系统服务功能的指示

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森林生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成的及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。近年来,生态系统服务功能的内涵和定量评价已成为当前生态学的前沿课题。植物功能性状是能够响应生存环境的变化并(或)对生态系统功能有一定影响的植物结构和生理特性,能够反映植物在表征生态系统结构和功能方面的指示作用,并有易于测量的特性。而森林生态系统服务功能正是由生态系统过程和功能产生和决定的,因此,可通过群落功能性状来直接指示和评价森林生态系统服务功能的特性。基于此,本研究以浙江宁波地区(天童、双峰、象山)13个不同类型森林群落(3个演替系列和4个自然防风带)的15余项功能性状为对象,以森林固碳、水源涵养和防风3项生态系统服务功能为例,揭示了森林固碳、水源涵养生态服务功能在不同演替阶段的变化规律、及防风服务功能在距海岸线不同距离群落上的变化规律,筛选出了分别指示森林固碳、涵养水源及防风3项服务功能的功能性状,验证了群落功能性状对森林生态系统服务功能的指示作用,并建立了以功能性状分别衡量森林防风、固碳、涵养水源3项服务功能的数学模型。在此基础上,以功能性状为评价指标,构建了海滨地区森林防风效能的评价体系以及丘陵地区森林固碳、涵养水源功能的生态系统服务功能评价体系。主要结论如下:1)以森林群落对风速的削减系数作为衡量森林防风生态服务功能的指标,运用叶稠密度(LI)、叶片大小(LS)、比叶面积(SLA)、干物质含量(LDMC)、叶片厚度(LT)、叶柄长度(PL)、叶柄直径(PT)、树高(H)、基径(BD)、干材密度(WD)、冠长比(CL/H)、冠径比(CD/均等12个植物枝叶特性作为所研究的功能性状,并利用各物种优势度计算出各功能性状的群落权重均值(考虑不同物种对群落功能性状值的不同贡献),在分析森林群落风速削减系数与群落功能性状间的关系后发现,树高、基径、叶片大小、比叶面积、叶柄厚度均与风速削减系数显著正相关(P<0.05);而叶片干物质含量、叶稠密度与风速削减系数显著负相关(P<0.0.9。因此,利用以上功能性状可较好地指示森林群落防风效能的大小。逐步回归拟合功能性状对森林群落防风效能(Y)的评价方程后可知:Y=0.987+0.037H+0.001SLA-0.008LDMC-0.118CL/H-0.0002LI(R2=0.99,P<0.001).2)森林固碳能力表现为植物通过光合作用吸收和固定二氧化碳的能力,采用群落潜在最大净光合速率(Pmax)作为衡量森林固碳服务功能的指标,以叶片大小(LS)、树高(H)、冠长比(CL/H)、蒸腾速率(Tr)、冠幅面积(CA)、气孔导度(Cond)等9个枝叶特性为所研究的功能性状并计算功能性状的群落权重均值,分析二者之间的关系发现,气孔导度、蒸腾速率与森林固碳能力均呈显著正相关关系(P<0.05),而冠幅面积与森林固碳能力显著负相关(P<0.05),因而筛选出以上3个功能性状作为指示森林固碳服务功能的功能标志。逐步回归拟合功能性状对森林群落固碳能力(Y)的评价方程后得到:Y:0.230+3.114Tr-0.049BD-1.609CL/H (R2=0.99,P<0.001).3)森林土壤蓄水量占森林水源涵养量的85%,土壤蓄水能力法是目前计算森林水源涵养量的主要方法之一。综合选用非毛管蓄水量和毛管蓄水量之和,即饱和蓄水量(Ws)作为本研究中衡量森林土壤涵养水源能力的指标,以群落树高(H)、基径(BD)、叶片大小(LS)、叶片干物质含量(LDMC)、蒸腾速率(Tr)、潜在最大净光合速率(Pmax)等10项枝叶特性为所研究的功能性状并计算功能性状的群落权重均值,分析二者间的关系得到,(a)对于表层土(0-20cm),土壤蓄水量与群落高度、冠幅面积、叶片干物质含量显著正相关(P<0.05),而与最大净光合速率、蒸腾速率显著负相关(P<0.05);(b)对于深层土(20-40cm),潜在最大净光合速率、气孔导度以及蒸腾速率与土壤蓄水量(Y)显著负相关(P<0.05),冠幅面积与其显著正相关(P<0.05)。因而森林涵养水源能力主要可由树高、冠幅面积、叶片干物质含量以及净光合速率、气孔导度、蒸腾速率指示。对应回归模型(a)0-20cm土层:Y=76.479+4.006H+4.378LDMC(R2=0.97,P<0.01);(b)20-40cm土层:Y=316.589一14.778Pmax(R2=0.93,P<0.01).4)防风、固碳和涵养水源作为亚热带常绿阔叶林生态系统服务功能的重要内容,基于1)-3)的结果,采用层次分析法(AHP-Dephi),以分别对3项服务功能有指示作用的功能性状为指标,建立针对海滨森林防风效能、丘陵地区森林固碳及涵养水源功能的评价体系,结果表明:a)对丘陵地区森林,天童样地森林固碳能力总体高于其它地点相同发育阶段的群落;双峰、天童样地森林涵养水源能力较高。b)对不同演替阶段的森林群落,演替中、后期森林涵养水源能力较大;演替前期森林的固碳能力较大。c)对海滨地区森林,距离海岸线最近的群落,其防风效能最小。5)生态系统服务功能在群落动态演替中,也呈现出规律性变化。演替前期、中期群落的固碳能力显著大于演替后期(P<0.05)。对于表层土,演替中、后期的蓄水能力显著大于演替前期(P<D.05);对于深层土,其涵养水源能力随演替而增大,但趋势不显著。6)海滨地区森林群落的发育阶段不明显,因而只在4个自然防风带上研究森林防风服务功能的变化,结果表明,随着样地距海岸线距离的增大,森林防风能效逐渐增强,这与群落功能性状在不同风胁迫强度下的变化格局有关。
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