大熊猫栖息地森林群落乔木层与林下泥巴山筇竹关系研究.pdf
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1、研究报告大熊猫栖息地森林群落乔木层与林下泥巴山大熊猫栖息地森林群落乔木层与林下泥巴山筇竹关系研究筇竹关系研究秦炜锐1ab,2,刘景怡2,宋心强2,潘翰3,程勇2,付明霞2,张远彬4,周材权1b,杨彪1a*1.西华师范大学 a.栗子坪大熊猫生态与保护四川省野外科学观测研究站,b.生态研究院,四川南充637009;2.荥经县大相岭自然保护区管护中心,四川雅安625000;3.北京市企业家环保基金会,北京100020;4.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都6100412023-02-06收稿,2023-04-18网络版发表开放科学(资源服务)标识码(OSID):基金项目四川省科学技术厅
2、重大科技专项项目(2021YFS0280,22ZDYF2289);西华师范大学科研启动项目(18Q038);国家自然科学基金项目资助(32270551);秦炜锐(1997),女,硕士研究生,*通信作者摘要摘要为探索森林群落乔木层与林下大熊猫取食竹的相关关系,利用样线法和样方法,对大相岭大熊猫栖息地森林群落乔木层结构特征与林下泥巴山筇竹(Qiongzhuea multigemmia)生长指标进行调查,构建广义线性混合模型(GLMM)和线性混合模型(LMM)进行分析。结果表明:(1)乔木郁闭度对一年生、多年生泥巴山筇竹笋的基径,以及泥巴山筇竹活竹株数、死竹株数和笋高度的影响差异均显著;乔木株数对泥
3、巴山筇竹发笋量、死竹株数和活竹株数的影响差异均显著;乔木平均高度对泥巴山筇竹发笋量、一年生和多年生泥巴山筇竹的高度及基径的影响差异均显著。(2)泥巴山筇竹发笋量随乔木株数和平均高度增加而减少;活竹株数和死竹株数均随乔木层郁闭度和乔木株数增加而减少;一年生泥巴山筇竹平均高度随乔木平均高度增加而减少;一年生泥巴山筇竹平均基径均随乔木层郁闭度和乔木平均高度增加而减少;多年生泥巴山筇竹平均高度和基径均随乔木平均高度增加而增加;泥巴山筇竹笋高度随乔木层郁闭度增加而增加;多年生泥巴山筇竹平均基径和笋基径均随乔木层郁闭度增加而减少。本研究能为该区域大熊猫栖息地的恢复提供量化依据。关键词关键词大熊猫栖息地;栖
4、息地恢复;林冠乔木层;泥巴山筇竹;广义线性混合模型大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)是全球生物多样性保护的旗舰物种与伞护物种。过去几十年大熊猫保护取得了举世瞩目的成就,但该物种仍然面临繁殖力弱、存活率低、栖息地破碎化等问题1。根据全国第四次大熊猫调查的结果,仍有 30%的大熊猫栖息地质量有问题2。由于自然隔离和人为干扰,大熊猫栖息地被隔离成 33 个斑块,面积小于 10000hm2的斑块有 9 个,栖息地破碎化将给野生大熊猫种群的生存、繁衍带来威胁3。大相岭山系有大熊猫38 只2,是六大山系中种群数量最少的4。该区域栖息地面积小、破碎化程度高、人类活动干扰严重,亟待加强保护
5、4。伴随大熊猫国家公园的建立,栖息地恢复工作是未来大熊猫国家公园保护管理工作的重点。大熊猫是森林类型的物种,竹类资源、森林起源以及遮蔽条件是影响大熊猫生境利用的主要因素5。森林中的乔木为大熊猫提供躲避、休息以及巢穴。林下竹子作为大熊猫主要的食物来源,是大熊猫生存的基础。已有研究表明,森林群落乔木层郁闭度对林下植物的生长起重要作用6-9,乔木是森林群落引用格式引用格式:秦炜锐,刘景怡,宋心强,等.大熊猫栖息地森林群落乔木层与林下泥巴山筇竹关系研究J.四川林业科技,2023,44(5):714.QIN W R,SONG X Q,PAN H,et al.Study on the relationsh
6、ip between tree layer and understory Qiongzhuea multigemmia of forestcommunityingiantpandahabitatJ.JournalofSichuanForestryScienceandTechnology,2023,44(5):714.doi:10.12172/202302060001.第44卷第5期四川林业科技Vol.44,No.52023年10月JournalofSichuanForestryScienceandTechnologyOct.,20232023四川林业科技四川林业科技编辑部编辑部恢复过程中重要的
7、生物因子10,乔木层通过对光的透射、反射和吸收,直接影响林下光照的强度和分布,而光照对于绝大多数森林树种而言,是决定更新个体能否生存和生长的关键11。乔木层郁闭度对竹子的高度、基径和密度等生长发育具有重要的影响7,12。因此,研究乔木层结构特征与林下竹子生长指标之间的关系是栖息地恢复的基础,对提升大熊猫栖息地质量、保护大熊猫及全球生物多样性具有至关重要的作用。泥巴山筇竹是非常典型的大熊猫取食竹,是大相岭山系泥巴山区域大熊猫最主要的取食来源。而有关泥巴山筇竹的研究少之又少。基于此,本研究选择大相岭山系的大熊猫栖息地作为研究对象,针对大熊猫栖息地森林群落乔木层结构特征与林下泥巴山筇竹生长指标开展调
8、查,定量分析两者之间的关系,并建立大熊猫栖息地森林群落乔木层特征与林下泥巴山筇竹生长关系的模型,以期为该区域大熊猫栖息地恢复提供量化依据。1研究区概况研究区概况研究区选择在大熊猫国家公园荥经片区泥巴山廊道区域原生森林生态系统林下分布有泥巴山筇竹(Qiongzhuea multigemmia)的区域(图 1)。该区域海拔 17242445m,属亚热带高山山地气候。植被类型以冷杉(Abies fabri)、云杉(Picea asperata)、槭树(Acerspp.)、中华木荷(Schima sinensis)、刺榛(Corylus ferox)、天师栗(Aesculus chinensisvar
9、.wilsonii)、皂柳(Salix wallichiana)、青冈(Quercusglauca)等为主要树种的针阔混交林,林下以泥巴山筇竹为主,是理想的大熊猫栖息地。2研究方法研究方法2.1野外调查野外调查调查于 2022 年 56 月进行。设置样线,在大熊猫国家公园荥经片区泥巴山廊道区域大熊猫种群动态调查监测网格内布设 20m20m 的乔木样方共68 个,记录样方的海拔(m)、坡度()、坡向()、坡位(背坡、山肩、山顶、麓坡、趾坡)、坡型(均匀坡、复合坡、凹坡、凸坡),以及乔木层郁闭度、乔木株数和乔木平均高度等。每个乔木样方内分别按“品”字形获取 3 个 2m2m 的泥巴山筇竹样方,共计
10、 204 个泥巴山筇竹样方。计数每个样方中泥巴山筇竹发笋量、活竹株数和死竹株数,测不同年份泥巴山筇竹的基径和高度、笋基径和笋高度。2.2数据处理方法数据处理方法本研究以野外调查所得的 204 个泥巴山筇竹样方的样本数据为建模样本。依据乔木层数(3 层),将乔木平均高度划分为 3 个等级:矮:12m;依据不同样方内的乔木株数之间的差异,将乔木株数划分为 4 个等级:A:020 株,B:2140 株,C:4160 株,D:60 株;由于竹子在不同乔木层郁闭度下有差异,而通常乔木层郁闭度又被分为 4 个等级,所以将乔木层郁闭度划分为 4 个等级:A:00.25,B:0.260.5,C:0.510.7
11、5,D:0.76-1.00。Yij=a0+a1Xij+bi+eijYija0a1Xijbieijg(ij)=ij=Xij+Zijig(.)ijijXijZiji利用 R 软件进行单因素方差分析,以检验乔木层结构特征对泥巴山筇竹生长指标的影响,然后进行逐步回归分析,选取显著性最高的因子,建立估测模型,根据模型评价指标,选择最优回归模型。对于不同年份泥巴山筇竹高度和基径、笋高度和基径数据,考虑环境因子(海拔、坡度、坡向、坡位和坡型)的随机效应,构建线性混合效应模型13:,其中,表示第 i 类的第 j 个观测的反应变量,表示固定截距,表示固定斜率,表示固定效应,表示随机效应(只影响截距),表示残差;
12、对于泥巴山筇竹无性系种群数量(包括发笋量、活竹株数和死竹株数)数据,选择泊松分布形式,考虑环境因子(海拔、坡度、坡向、坡位和坡型)的随机效应,构建广义线性混合模型14-16:,其中,表示联结函数,表示条件线性预测值,表示条件均数(考虑了海拔、坡度、坡向、坡位和坡型的随机效应),表示解释变量,表示固定效应参数矢量,表示与随机效应相关的解释变量,表示随机效应。3结果与分析结果与分析3.1泥巴山筇竹及乔木层调查结果泥巴山筇竹及乔木层调查结果结果显示(表 1):每个泥巴山筇竹样方内泥巴山筇竹平均发笋量为(3.064.58)株,死竹平均株数为(10.838.05)株,活竹平均株数为(41.7126.28
13、)株,一年生泥巴山筇竹平均基径为(7.53四川林业科技2023年第 44卷第 5期81.86)mm,一年生泥巴山筇竹平均高度为(175.9049.72)cm,多年生泥巴山筇竹平均基径为(8.411.77)mm,多年生泥巴山筇竹平均高度为(199.7855.67),笋平均基径为(8.352.05),笋平均高度为(134.0957.12)cm。每个植物样方内乔木平均高度为(7.422.61)m,乔木平均株数为(36.6620.86)株,乔木平均郁闭度为(0.420.20)。3.2乔木层结构特征与泥巴山筇竹生长指标的乔木层结构特征与泥巴山筇竹生长指标的关系关系单因素方差分析的结果表明,乔木郁闭度对一
14、年生、多年生和泥巴山筇竹笋的基径的影响差异显著(p0.05),对泥巴山筇竹活竹株数、死竹株数和笋高度的影响差异极显著(p0.01)。乔木株数对泥巴山筇竹死竹株数的影响差异显著(p0.05),对泥巴山筇竹发笋量和活竹株数的影响差异极显著(p0.01)。乔木平均高度对泥巴山筇竹发笋量和多年生竹基径的影响差异显著(p0.05),对一年生泥巴山筇竹高度和基径、多年生泥巴山筇竹高度的影响差异极显著(p0.01)(表 2)。3.3模型构建模型构建根据方差分析结果,挑选对泥巴山筇竹生长指标有显著性影响的因子,将其作为模型的固定效表1泥巴山筇竹及乔木层调查结果(平均值标准差)Tab.1Surveyresult
15、sofQiongzhuea multigemmiaandtreelayers(MeanSD)乔木平均高度/mAverageheightoftrees(m)乔木株数/株Numberoftrees乔木层郁闭度Treecanopydensity发笋量/株Shootingquantity死竹株数/株Numberofdeadbambooplants活竹株数/株Numberoflivebambooplants7.422.6136.6620.860.420.203.064.5810.838.0541.7126.28一年生竹基径/mmBasaldiameterofannualbamboo(mm)一年生竹高度/
16、cmHeightofannualbamboo(cm)多年生竹基径/mmBasaldiameterofperennialbamboo(mm)多年生竹高度/cmHeightofperennialbamboo(cm)笋基径/mmBasaldiameterofbambooshoots(mm)笋高度/cmBambooshootheight(cm)7.531.86175.9049.728.411.77199.7855.678.352.05134.0957.12雅安片区在大熊猫国家公园的位置雅安片区荥经片区在大熊猫国家公园雅安片区的位置荥经片区图例研究地点大熊猫国家公园荥经片区-核心保护区大熊猫国家公园荥经
17、片区-一般控制区Miles015306090120N图1研究区域Fig.1Studyarea秦炜锐,等:大熊猫栖息地森林群落乔木层与林下泥巴山筇竹关系研究研究报告9应。因此,可将乔木株数和乔木平均高度 2 个因子,保留在泥巴山筇竹发笋量模型中;将乔木层郁闭度和乔木株数 2 个因子,均保留在活竹株数和死竹株数模型中;将乔木平均高度因子保留在一年生泥巴山筇竹平均高度模型中;将乔木层郁闭度和乔木平均高度 2 个因子,均保留在一年生和多年生泥巴山筇竹平均基径模型中;将乔木平均高度因子保留在多年生泥巴山筇竹平均高度模型中;将乔木层郁闭度因子保留在泥巴山筇竹笋高度和笋基径模型中。采用赤池信息准则(AIC)
18、指标来比较不同模型间的模拟效果。AIC 值越小,表明模拟效果越好。结果表明,所挑选的主要因子模拟效果均好于没有显著性影响的因子的模型拟合效果。使用不同的有显著性的因子作为固定效应,其混合模型的精度不同。在泥巴山筇竹发笋量、活竹株数和死竹株数模型中,以乔木株数作为固定效应的模型 AIC 值均最小,拟合精度均最高;在一年生平均基径模型中,以乔木平均高度作为固定效应的模型 AIC 值最小,拟合精度最高;在多年生平均基径模型中,以乔木层郁闭度作为固定效应的模型 AIC 值最小,拟合精度最高(表 3)。结果显示,泥巴山筇竹活竹株数、死竹株数、一年生平均高度、一年生平均基径、多年生平均高表2乔木层结构特征
19、不同组别的泥巴山筇竹生长指标方差分析Tab.2VarianceanalysisofgrowthindexofQiongzhuea multigemmiaindifferentgroupsoftreelayerstructurecharacteristics乔木层指标Treelayerindex泥巴山筇竹指标Qiongzhuea multigemmiaindexdfFP乔木层郁闭度Treelayerdensity发笋量Shootingquantitydf1=3,df2=1980.8310.478活竹株数Numberoflivebambooplantsdf1=3,df2=20013.590.001
20、*死竹株数Numberofdeadbambooplantsdf1=3,df2=1784.540.004*一年生竹高度Heightofannualbamboodf1=3,df2=122.4730.064一年生竹基径Basaldiameterofannualbamboodf1=3,df2=1522.6970.048*多年生竹高度Heightofperennialbamboodf1=3,df2=1971.5430.205多年生竹基径Basaldiameterofperennialbamboodf1=3,df2=1973.6840.013*笋高度Bambooshootheightdf1=3,df2=1
21、004.2890.007*笋基径Basaldiameterofbambooshootsdf1=3,df2=1003.3260.023*乔木株数Numberoftrees发笋量Shootingquantitydf1=3,df2=1988.4320.001*活竹株数Numberoflivebambooplantsdf1=3,df2=2008.4470.001*死竹株数Numberofdeadbambooplantsdf1=3,df2=1783.1590.026*一年生竹高度Heightofannualbamboodf1=3,df2=1521.1240.341一年生竹基径Basaldiametero
22、fannualbamboodf1=3,df2=1520.4930.688多年生竹高度Heightofperennialbamboodf1=3,df2=1971.3970.245多年生竹基径Basaldiameterofperennialbamboodf1=3,df2=1971.7890.15笋高度Bambooshootheightdf1=3,df2=1001.8790.138笋基径Basaldiameterofbambooshootsdf1=3,df2=1000.5840.627乔木平均高度Averageheightoftrees发笋量Shootingquantitydf1=2,df2=109
23、4.6250.011*活竹株数Numberoflivebambooplantsdf1=2,df2=2010.7660.466死竹株数Numberofdeadbambooplantsdf1=2,df2=2012.0560.131一年生竹高度Heightofannualbamboodf1=2,df2=1537.510.001*一年生竹基径Basaldiameterofannualbamboodf1=2,df2=1537.2610.001*多年生竹高度Heightofperennialbamboodf1=2,df2=1987.5560.001*多年生竹基径Basaldiameterofperenni
24、albamboodf1=2,df2=1983.7470.025*笋高度Bambooshootheightdf1=2,df2=1011.0960.338笋基径Basaldiameterofbambooshootsdf1=2,df2=1010.1360.873注:*为P0.05,*为P0.01,*为P0.001。Note:*meansP0.05,*meansP0.01and*meansP0.001.四川林业科技2023年第 44卷第 5期10度、多年生平均基径、笋高度和笋基径模型的固定效应截距均达到极显著水平(P0.001),说明乔木层结构特征各参数对模型变化影响极显著。乔木株数的固定效应系数对泥
25、巴山筇竹发笋量模型变化影响显著(P0.05),乔木株数的固定效应系数对泥巴山筇竹活竹和死竹株数模型变化影响均极显著(P0.01),乔木平均高度的固定效应系数对多年生泥巴山筇竹平均高度模型变化影响显著(P0.05)(表 3)。随着乔木株数和乔木平均高度的增加,泥巴山筇竹发笋量均呈减少的趋势;随着乔木层郁闭度和乔木株数的增加,泥巴山筇竹活竹株数和死竹株数均呈减少的趋势;随着乔木平均高度的增加,一年生泥巴山筇竹平均高度呈减少的趋势;随着乔木层郁闭度和乔木平均高度的增加,一年生泥巴山筇竹平均基径均呈减少的趋势;随着乔木平均高度的增加,多年生泥巴山筇竹平均高度和基径均呈增加的趋势;随着乔木层郁闭度的增加
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