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全球森林砍伐和退化导致了生物多样性的大量丧失和生态系统服务的下降,毁林和森林退化成为继化石燃料燃烧之后第二大温室气体排放源[1-2]。为了消除森林覆盖降低导致的不利后果,许多国家独自或联合起来,持续的进行森林恢复活动[3-11]。山区和农村是我国森林的重要分布区域,由于早期大量的毁林开荒、农业用地扩张和集约化经营、占用林地修建住宅以及畜禽圈舍等[12],导致农村森林植被受到严重损害,森林结构简化,大片森林被分割成更小的、孤立的块状,甚至消失[13]。我国早期通过人工造林和飞机播种的方式进行了大面积的森林恢复,但在森林面积扩张的同时却忽视了森林恢复活动的有效性[14-16],森林资源的质量较差,低于世界的平均水平 [17-18]。树种少、同龄纯林、连片面积过大、缺乏对本地原生植被的保护、缺乏对当地社区发展的关注等问题,使得大量人工林无法很好的发挥其生态经济效益[19-20],常常导致森林恢复活动的失败。探索农村地区科学的森林恢复方式,对恢复我国乃至世界人工林生态系统和森林生态系统具有借鉴意义。
森林景观是某一特定区域里在一定的位置、气候、土壤、生物和人类活动等多种因素长期综合作用下形成的数个异质森林群落或森林类型构成的复合森林生态系统的体现[21],植物多样性对林分的养分循环和能量流动有关键作用,林分结构是对林分发展过程如更新方式、竞争、自然稀疏和经历的干扰活动的综合反映[22-24],对于森林景观及森林群落,国内外已有大量的研究,但主要集中于流域[25-26]、县域及以上[27-28]、城市群[29]等较大尺度范围以及城市森林[30-32]、景区(点)森林[33-34]或者立地水平[35-36]等小尺度范围,鲜有在村域范围内开展相关研究的报道。农村是我国林业建设的重点地区,也是森林保育政策的基本实践层面,承载着居民对森林干扰行为的直接作用[37-38],因而,了解村域森林景观及植物群落特征,有助于进一步有效经营和调控群落,为恢复农村地区森林生态系统及森林生态系统功能提供科学依据。
浙江省杭州市临安区是我国南方典型集体林区,昔口村位于浙西山区於潜镇西部。本研究以昔口村主要森林植被为研究对象,对复合森林景观及主要林分类型植物群落特征进行调查分析,以探索适合当地的森林恢复方式,保障森林生态系统的可持续发展和森林资源的永续利用,为我国未来的森林恢复工作提供参考。
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样地设于临安区於潜镇昔口村,119°33′~119°38′ E,30°15′~30°19′ N,属中亚热带季风区,气候温暖湿润,光照充足,雨量丰沛,四季分明,海拔58~385 m,坡度0°~37°,土壤为红壤,土壤厚度50~85 cm。村域596 hm2,总人口1 318人,农户数418户。
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基础数据:2018年夏季的高分二号(GF-2)数据,为L1A级产品,包含1个全色波段(空间分辨率0.8 m),4个多光谱波段(空间分辨率4 m),坐标系统为全球横轴墨卡托(Universal Transverse Mercator, UTM)投影。
调研数据:2019年9月到样区进行外业调查。
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通过野外实地考察,根据研究区内植被的优势种群,结合实地调查土地覆盖情况和中国科学院土地利用遥感监测分类系统,将研究区土地覆盖分为建筑、道路、库塘、河流、农田、灌草丛、阔叶林、针阔混交林、马尾松林、杉木林、毛竹林、雷竹林、高节竹林、茶林、杨梅林、桑林、香榧林、香榧林套种茶、苗圃、其他等共20类地物(见表1)。对所用遥感图像进行大气校正、图像融合、配准、裁剪等预处理,以遥感影像和野外考察数据为数据源,结合面向对象分割、数据融合、随机森林方法对昔口村进行景观分类,运用随机点精度评价方法对遥感分类结果评价,分类精度达到0.80以上,符合研究要求[39]。采用FRAGSTATS 4.2.1软件,获取昔口村各类森林景观面积。
序号
Number分类
Type描述或说明
Description1 农田 以种植粮食、蔬菜为主,正在耕种或者暂时撂荒的农耕地 2 阔叶林 主要由阔叶树组成的次生林 3 针阔混交林 主要由针叶树和阔叶树组成的次生林 4 杉木林 杉木人工林 5 马尾松林 马尾松人工林 6 高节竹林 高节竹比例 > 65%的竹林 7 雷竹林 雷竹比例 > 65%的竹林 8 毛竹林 毛竹比例 > 65%的竹林 9 香榧林 香榧人工林 10 香榧林套种茶 林下套种茶经营的香榧林 11 杨梅林 杨梅人工林 12 灌草丛 生长灌木、草本植物为主的土地 13 茶林 种植茶的土地 14 桑林 种植桑的土地 15 苗圃 为移植或者出售而培育苗木的土地 16 河流 河流 17 库塘 水库、坑塘水面 18 建筑用地 建筑用地 19 道路交通用地 道路交通用地 20 其它土地 岩石或土层裸露的地段 Table 1. Forest landscape element classification System of Xikou Village
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1、外业调查
综合考虑立地、林龄、长势等因素,在昔口村主要林分类型中选择代表性地段,各设置3个临时样地。
乔木层调查:样地面积为20 m × 20 m,胸径5 cm起测,(竹林中的竹、香榧林中的香榧,胸径1 cm起测),调查因子为胸径、树高、郁闭度等。
灌木层调查:在样地四角和中心设置5个4 m × 4 m的小样方,调查灌木层的种类、株数、盖度和平均高度等。
草本层调查:在样地四角和中心设置5个4 m × 4 m的小样方,调查草本层的种类、株数、盖度和平均高度等。
2、内业处理
物种重要值计算:
重要值Vi=(相对多度+相对频度+相对优势度)/3
相对多度= 某个物种株数/所有物种的株数
相对频度= 某个物种出现的样方数/所有物种出现的样方数
相对优势度= 某个物种的优势度/所有物种的优势度
本研究中,胸高断面积为乔木层树种的优势度,灌木和草本层物种的优势度为各物种盖度。
物种多样性指标计算:
采用物种丰富度指数(S)、生态优势度指数(Simpson指数 D)、多样性指数(Shannon-wiener指数H)以及均匀度指数(Pielou指数E)4个指标来分析植物多样性 [40-41]。
1.1. 研究地区概况
1.2. 数据获取
1.3. 研究方法
1.3.1. 遥感景观分类
1.3.2. 外业调查及内业处理
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如表2所示,昔口村森林面积占村域总面积的80.80%,主要林分类型有阔叶林、针阔混交林、马尾松林、杉木林、竹林、香榧林,其中,竹林主要为毛竹林、高节竹林和雷竹林。不同林分类型的面积排序为竹林 > 阔叶林 > 杉木林 > 马尾松林 > 针阔混交林 > 香榧林。
序号
Number类型
Type面积
Area/hm2比例
Ratio/%1 阔叶林 89.22 14.86 2 高节竹林 88.74 14.78 3 杉木林 83.55 13.91 4 雷竹林 80.10 13.34 5 马尾松林 42.34 7.05 6 农田 40.04 6.67 7 毛竹林 35.15 5.85 8 建筑 25.82 4.30 9 针阔混交林 20.90 3.48 10 香榧林 20.48 3.41 11 道路 17.71 2.95 12 灌草丛 9.08 1.51 13 苗圃 8.07 1.34 14 河流 7.58 1.26 15 杨梅林 7.54 1.26 16 茶林 7.27 1.21 17 库塘 6.80 1.13 18 香榧林套种茶 5.47 0.91 19 桑林 4.46 0.74 20 其他 0.19 0.03 Table 2. Various forest landscape areas in Xikou Village
如图1所示,雷竹林主要分布在距离建筑、道路等定居地最近的田地及周边;高节竹林主要分布在定居地周围稍远一些的低丘缓坡;其他森林类型分布在距离定居地较远的区域,在人工纯林连片面积断裂的区域镶嵌分布有针阔混交林、阔叶林、灌草丛,村庄中岩石裸地很少。
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如表3所示,次生林中,阔叶林、针阔混交林中物种丰富度、生态优势度、多样性指数均为灌木层 > 乔木层 > 草本层,阔叶林均匀度指数为灌木层 > 乔木层 > 草本层,针阔混交林均匀度指数为灌木层 > 草本层 > 乔木层。阔叶林乔木层树龄0~50 a,以壳斗科(Fagaceae)、山茶科(Theaceae)、杜鹃花科(Ericaceae)、金缕梅科(Hamamelidaceae)、豆科(Leguminosae)、杉科(Taxodiaceae)等常绿或落叶乔木为主,重要值 > 5%的优势树种有苦槠(Castanopsis sclerophylla (Lindl. et Paxton) Schottky)、青冈(Cyclobalanopsis glauca (Thunberg) Oersted)、木荷(Schima superba Gardn. et Champ.)、檵木(Loropetalum chinensis (R. Br.) Oliver)、杉木(Cunninghamia lanceolate (Lamb.) Hook.)、山槐(Albizzia kalkora (Roxb.) Prain)、短柄枹栎(Quercus serrata Murray)、白栎(Quercus fabri Hance),林下植被灌木层以壳斗科、山茶科、豆科、杜鹃花科、金缕梅科、樟科(Lauraceae)灌木及乔木幼苗或幼树为主,重要值 > 5%的优势植物有檵木、马银花(Rhododendron ovatum (Lindl.)Planch.)、乌药(Lindera aggregate (Sims) Kosterm.)、格药柃(Eurya muricate Dunn)、杜鹃(Rhododendron simsii Planch.)、东南石栎(Lithocarpus harlandii (Hance ex Walpers) Rehder),草本层以菊科(Compositae)、莎草科(Cyperaceae)、鳞毛蕨科(Dryopteridaceae)、乌毛蕨科(Blechnaceae)、海金沙科(Lygodiaceae)草本植物为主,重要值 > 5%的优势植物有阔鳞鳞毛蕨(Dryopteris championii (Benth.) C. Chr.)、黑足鳞毛蕨(Dryopteris fuscipes C. Chr.)、青绿薹草(Carex breviculmis R. Br.)、狗脊蕨(Woodwardia japonica (L. F.) Sm.)、海金沙(Lygodium japonicum (Thunb.) Sw.)、三脉紫菀(Aster trinervius D. Don subsp. ageratoides (Turczaninow) Grierson)。针阔混交林乔木层树龄0~50 a,以壳斗科、樟科、杉科、松科(Pinaceae )等常绿或落叶乔木为主,重要值 > 5%的优势树种有木荷、杉木、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、东南石栎、短柄枹栎,林下植被灌木层以壳斗科、山茶科、杜鹃花科、樟科、百合科(Liliaceae)、杉科、紫金牛科(Myrsinaceae)灌木及乔木幼苗或幼树为主,重要值 > 5%的优势植物有毛花连蕊茶(Camellia fraterna Hance)、马银花、杉木、东南石栎、紫金牛(Ardisia japonica (Thunberg) Blume),草本层以禾本科(Gramineae)、百合科、鳞毛蕨科草本植物为主,重要值 > 5%的优势植物有阔鳞鳞毛蕨、狗脊蕨、毛马唐(Digitaria chrysoblephara (Retz.) Koel.)、禾叶山麦冬(Liriope graminifolia (L.) Baker)、淡竹叶(Lophtnherum gracile Brongn.)。人工林中,马尾松林、香榧林物种丰富度、Simpson指数、Shannon-wiener指数、Pielou指数均为灌木层 > 草本层 > 乔木层;杉木林物种丰富度、Simpson指数为灌木层 > 草本层 > 乔木层,Shannon-wiener指数、Pielou指数为草本层 > 灌木层 > 乔木层;毛竹林、高节竹林、雷竹林乔木层植物分别仅有毛竹(Phyllostachys edulis (Carriere) J. Houzeau)、高节竹(Phyllostachys prominens W. Y. Xiong)、雷竹(Phyllostachys violascens (Carriere) Riviere & C. Riviere cv. prevernalis S.Y.Chen et C.Y.Yao),乔木层植物物种丰富度均为1,Simpson指数、Shannon-wiener指数均为0,Pielou指数未予计算。高度集约经营的雷竹林几乎没有林下植被,林下植被植物多样性指数未予计算,高节竹林、毛竹林的物种丰富度、Simpson指数、Shannon-wiener指数、Pielou指数均为灌木层 > 草本层。马尾松林乔木层树龄0~50 a,以马尾松为主要树种,重要值为58.76%,此外,林中还出现了杉木以及7种阔叶树种,林缘有少量红哺鸡竹(Phyllostachys iridescens C. Y. Yao et S. Y. Chen),灌木层以豆科、杜鹃花科、山茶科、蔷薇科(Rosaceae)、樟科、茜草科(Rubiaceae)、壳斗科、金缕梅科灌木及乔木幼苗或幼树为主,重要值 > 5%的优势植物有檵木、短柄枹栎、乌药,草本层以禾本科、茜草科、蕨科、乌毛蕨科、鳞毛蕨科草本植物为主,重要值 > 5%的优势植物有蕨(Pteridium aquilinum (L.) Kuhn var. latiusculum (Desv.)Underw.ex Heller)、狗脊蕨、金毛耳草(Hedyotis chrysotricha (Palib.) Merr.)、阔鳞鳞毛蕨、淡竹叶、芒萁(Dicranopteris pedata (Houttuyn) Nakaike)。杉木林林龄26 a,杉木为乔木层的主要树种,重要值为86.41%,此外偶然出现零星的马尾松和东南石栎,灌木层以山茶科、樟科、蔷薇科、大戟科(Euphorbiaceae)、壳斗科、桑科(Moraceae)、葡萄科(Vitaceae)灌木、乔木幼苗或幼树及藤本植物为主,重要值 > 5%的优势植物有寒莓(Rubus buergeri Miq.)、异叶地锦(Parthenocissus dalzielii Gagnep.)、东南石栎、薜荔(Ficus pumila L.),草本层以鳞毛蕨科、茜草科、乌毛蕨科、金星蕨科(Thelypteridaceae)、紫萁科(Osmundaceae)、禾本科草本植物为主,重要值 > 5%的优势植物有狗脊蕨、黑足鳞毛蕨、金星蕨(Parathelypteris glanduligera (Kze.) Ching)、紫萁(Osmunda japonica Thunb.)、淡竹叶。香榧林林龄2 a,香榧(Torreya grandis Fort. ex Lindl. cv. Merrillii Hu)为乔木层的主要树种,重要值为74.59%,此外偶然出现零星的樟(Cinnamomum camphora (L.) Presl)和杉木,灌木层以豆科、大戟科、蔷薇科、漆树科(Anacardiaceae)、茜草科、樟科、豆科灌木及乔木幼苗或幼树为主,重要值 > 5%的优势植物有盐肤木(Rhus chinensis Mill.)、红叶野桐(Mallotus tenuifolius Pax var. paxii (Pampanini) H. S. Kiu)、大叶白纸扇(Mussaenda esquirolii Makino)、山鸡椒(Litsea cubeba (Lour.) Pers.)、马棘(Indigofera pseudotinctoria Walp.),草本层以菊科、禾本科、莎草科、百合科草本植物为主,重要值 > 5%的优势植物有五节芒(Miscanthus floridulus (Lab.) Warb. ex Schum et Laut.)、小飞蓬(Conyza canadensis (L.) Cronq.)、狗尾草(Setaria viridis (L.) Beauv.)、禾叶山麦冬、毛马唐、金色狗尾草(Setaria glauca (Poiret) Roemer & Schultes)。竹林均为异龄林,毛竹林灌木层以大戟科、蔷薇科、山茶科、樟科、百合科、紫金牛科灌木及乔木幼苗或幼树为主,重要值 > 5%的优势植物有山鸡椒、紫金牛、山莓(Rubus corchorifolius L. f.)、山橿(Lindera reflexa Hemsl.),草本层以菊科、禾本科、茜草科、金星蕨科、莎草科草本植物为主,重要值 > 5%的优势植物有日本金星蕨(Parathelypteris glanduligera (Franch. et Sav.) Ching)、柔枝莠竹(Microstegium vimineum (Trin.) A. Camus)、金毛耳草、蕨、淡竹叶、求米草(Oplismenus undulatifolius (Arduino) Beauv.)。高节竹林灌木层以大戟科、蔷薇科、豆科、葡萄科、忍冬科(Caprifoliaceae)、山茶科、漆树科、荨麻科(Urticaceae)、夹竹桃科(Apocynaceae)灌木、乔木幼苗或幼树及藤本植物为主,重要值大于5%的优势植物有茶(Camellia sinensis (L.) O. Ktze.)、盐肤木、苎麻(Boehmeria nivea (L.) Gaudich.)、络石(Trachelospermum jasminoides (Lindl.) Lem.)、忍冬(Lonicera japonica Thunb.),草本层以禾本科、菊科、茜草科、莎草科、景天科(Crassulaceae )、桑科草本植物为主,重要值大于5%的优势植物有三脉紫菀、棕叶狗尾草(Setaria palmifolia (koen.) Stapf)、凹叶景天(Sedum emarginatum Migo)、桑草(Fatoua pilosa Gaud.)。
类型
Type层
Layer物种丰
富度
Species
richness生态优
势度
Ecological
dominance多样性
指数
Diversity
index均匀度
指数
Evenness
index阔叶林 乔木层 25 0.91 2.61 0.81 灌木层 50 0.96 3.41 0.87 草本层 17 0.85 2.27 0.80 针阔混交林 乔木层 35 0.90 2.78 0.78 灌木层 58 0.95 3.47 0.86 草本层 9 0.80 1.80 0.82 马尾松林 乔木层 11 0.53 1.21 0.51 灌木层 55 0.96 3.52 0.88 草本层 24 0.84 2.28 0.72 杉木林 乔木层 3 0.01 0.04 0.04 灌木层 45 0.90 0.42 0.11 草本层 20 0.80 2.03 0.68 香榧林 乔木层 3 0.05 0.15 0.13 灌木层 58 0.93 3.11 0.77 草本层 45 0.89 2.53 0.66 高节竹林 乔木层 1 0 0 - 灌木层 50 0.93 3.05 0.78 草本层 33 0.85 2.40 0.69 毛竹林 乔木层 1 0 0 - 灌木层 72 0.93 3.29 0.77 草本层 39 0.86 2.31 0.63 雷竹林 乔木层 1 0 0 - 灌木层 - - - - 草本层 - - - - Table 3. Index of plant diversity of each forest
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如表4所示,次生林中,阔叶林、针阔混交林各层间的郁闭度(盖度)均为乔木层 > 灌木层 > 草本层。人工林中,马尾松林、高节竹林各层间的郁闭度(盖度)均为乔木层 > 灌木层 > 草本层。杉木林、毛竹林各层间的郁闭度(盖度)均为乔木层 > 草本层 > 灌木层。香榧林中的香榧为2016年栽植的幼树,平均高度不足1 m,未计算郁闭度,盖度为15%,林下植被盖度为灌木层 > 草本层。阔叶林、针阔混交林、杉木林、雷竹林为郁闭林,马尾松林、毛竹林、高节竹林为中度郁闭。林下植被盖度偏低。
类型
Type郁闭度
Crown density/%灌木层盖度
Shrub coverage/%草本层盖度
Herbaceous coverage/%阔叶林 82 10 3 针阔混交林 86 11 2 马尾松林 65 19 4 杉木林 80 7 8 高节竹林 55 8 6 毛竹林 61 14 18 香榧林 - 20 15 雷竹林 90 - - Table 4. Canopy density (coverage) of plants of each forest
如图2所示,次生林中,阔叶林、针阔混交林乔木层植物胸径5~10 cm分布最多,阔叶林中重要值 > 5%的乔木层植物苦槠、青冈、木荷、檵木、杉木、山槐、短柄枹栎、白栎的平均胸径分别为12.22、9.86、13.37、6.26、10.17、8.04、8.52、8.61 cm,针阔混交林中重要值 > 5%的乔木层植物木荷、杉木、马尾松、东南石栎、短柄枹栎的平均胸径分别为16.93、10.96、31.16、8.71、10.60 cm。人工林中,香榧林、高节竹林、雷竹林乔木层植物胸径0~5 cm分布最多,主要优势植物香榧、高节竹、雷竹的平均胸径分别为2.47、3.46、4.01 cm;马尾松林乔木层植物胸径5~10 cm分布最多,主要优势植物马尾松的平均胸径为20.38 cm;毛竹林、杉木林乔木层植物胸径10~15 cm分布最多,主要优势植物毛竹、杉木的平均胸径分别为9.59、15.64 cm。
如图3所示,次生林中,阔叶林、针阔混交林乔木层植物高度5~10 m分布最多,阔叶林中重要值 > 5%的乔木层植物苦槠、青冈、木荷、檵木、杉木、山槐、短柄枹栎、白栎的平均高度分别为4.73、5.31、7.64、4.34、5.72、5.37、3.71、4.59 m,针阔混交林中重要值 > 5%的乔木层植物木荷、杉木、马尾松、东南石栎、短柄枹栎的平均高度分别为7.36、6.37、13.33、4.89、5.36 m。人工林中,香榧林、雷竹林乔木层植物高度0~5 m分布最多,主要优势植物香榧、雷竹,平均高度分别为0.80 m、4.17 m;马尾松林、高节竹林、毛竹林乔木层植物高度5~10 m分布最多,主要优势植物马尾松、高节竹、毛竹平均高度分别为10.37、6.30、8.55 m;杉木林乔木层植物高度10~15 m分布最多,主要优势植物杉木的平均高度为13.55 m。各林分类型的林下植被植物高度主要分布在0~2 m之间。