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城市存留常绿阔叶林是重要的乡土种质资源库和生物栖息地,然而城市化过程中土地利用/土地覆盖(LUCC)的剧烈变化会导致存留植被不断减少甚至消失。人类活动使得城市中大气氮沉降和酸雨频度增加,甚至引起重金属污染,进而导致存留常绿阔叶林土壤酸化和营养物质淋溶。长期的环境恶化会造成森林植物组成发生变化,生物多样性降低,最终导致森林生态系统退化。目前,关于景观破碎化以及人为直接干扰等非生态因子对存留常绿阔叶林的影响的研究较多,而有关环境污染等导致的生态因子变化对存留常绿阔叶林影响的研究却相对较少。因此,开展由城市化引起的相关生境因子的变化对城市范围内存留植被的影响,揭示其植物多样性的响应机制,对城市存留常绿阔叶林的保护和管理具有重要意义。
本文以广州市城郊梯度上(城区白云山—城区蒲岗—近郊区萝岗—远郊区大岭山)存留的天然恢复50年或以上的南亚热带次生常绿阔叶林群落为研究对象,通过分析城郊梯度上的植被组成、植物多样性和植物功能属性,并结合城市化过程中的大气氮沉降及其对森林土壤特征变化的研究,探讨城市化背景下环境变化对存留常绿阔叶林的影响机制。主要结果如下:
1.城郊梯度上存留的南亚热带次生常绿阔叶林的植被组成差异显著。城区白云山和蒲岗的优势种多为演替早期的阳生性植物荷木(Schima superb)和耐旱耐贫瘠的植物如罗伞树(Ardisia quinquegona)、九节(Psychotria rubra)和山油柑(Acronychia pedunculata)等。近郊区萝岗的优势种为中生性植物黄果厚壳桂(Cryptocarya concinna),这些植物在乔木、灌木、草本层均占有绝对优势。远郊区的常绿阔叶林没有明显的单优种,喜阴湿环境的植物如华润楠(Machiluschinensis)和黄狗头(Cibotium barometz)较为丰富。
2.城郊梯度上存留次生林乔木层的植物多样性指数(Shannon-Wiener,Simpson and Pielou)分布:远郊大岭山>近郊萝岗>城区蒲岗>城区白云山。灌木层植物多样性无明显分布规律。草本层的植物多样性在远郊区大岭山较高,在城区白云山和蒲岗居中,在近郊区萝岗较低。
3.利用卡方检验比较城郊梯度上具有显著差异(P<0.2)的植物功能属性变化。城区和近郊区的常绿阔叶林多以中高位芽生活型和动物传播为主。远郊区植物功能属性趋向于以地下芽和矮高位芽生活型,种子以重力或自我传播为主的特性。
4.城郊梯度上存留次生林的特征变化存在自然差异和城市化影响后的改变。城市化直接表征因子如景观结构与植物扩散能力紧密相关,间接表征因子如大气氮沉降和重金属污染与植物组成、多样性和功能属性密切相关。大气氮沉降含量随着离城市中心距离的增大而减少:分别为43.3,41.2,35.2和30.1 kg N ha-1yr-1。过量的氮投入通过硝化作用造成森林土壤酸化和营养物质(TN、NH4+-N、Ca、Na和K)的淋溶损失,这些环境变化与草本层植物多样性呈负相关,尤其是蕨类和非禾本科草本植物。这与温带森林中的嗜氮植物的竞争机制不同,亚热带森林植物对氮沉降的响应机制主要表现为氮敏感植物不适应氮沉降导致的土壤环境变化而遭到淘汰。此外,城区和近郊区森林土壤的重金属Cu、Pb、Cd和Zn含量均超过广东省表层土壤背景值,远郊区森林的Cu、Pb、Cd含量相对较低。森林土壤Cu含量与草本层植物丰富度呈负相关,尤其是具有矮高位芽的植物。
5.城郊梯度上存留次生林生态(口)值为:近郊区萝岗(4.77E+08 J)>城区蒲岗(3.57E+08 J)>远郊区大岭山(2.97E+08 J)>城区白云山(2.66E+08 J);结构(口)值为:远郊大岭山(73435)>近郊区萝岗(49901)>城区白云山(49786)>城区蒲岗(45908)。生态(口)和结构(口)值的差异反映了城市化背景下森林的健康水平。随着城市化强度的增加,存留森林生态系统的有序化程度,组织程度和稳定性降低。森林生态系统响应城市化的机制还体现在生态(口)所包含的生物量与植物遗传多样性信息的水平上。乔木层较大的生物量和草本层较高的基因信息量是共同作用维持森林生态系统的稳定性,和抵御外界对组织结构的破坏的主要成分。