城市森林中火炬樹的更新特性

李茗蕊, 莫訓強, 崔 爽, 李 萍

(1.遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部, 遼寧 撫順 113001; 2.天津師范大學 地理與環境科學學院, 天津 300387)

生物入侵是一個全球廣泛關注的生態和經濟問題，警惕生物入侵是保護生物多樣性的首要前提。目前，盡管存在爭議，但主流學界仍然認同入侵對生物多樣性有直接的危害，尤其是城市化進程的加速將入侵的風險和負面效應進一步放大，這一點在城市森林中體現得尤為明顯[1-2]，城市森林的生態入侵和生態恢復研究具有重大意義。目前，對城市森林生態入侵研究主要為預防性內容[3-5]，然而對于城市森林環境下已經存在的物種入侵的后續跟蹤研究還很匱乏。

漆樹科鹽膚木屬的火炬樹(Rhustyphina)原產自北美洲，于1959年作為特種經濟植物引入中國，其適生區在34°—42°N，106°—123°E之間，且有向中國北方移動的趨勢[6]。火炬樹在退化生境的植被恢復、園林及公路兩旁綠化方面具有優良的特性，但也因超強的萌蘗繁殖和適應能力而被列為外來風險物種之一[7]。然而對其入侵性的討論始終存在爭議，許多學者通過風險評估等方法判定火炬樹具有中高入侵風險，建議從中國的主要造林樹種中刪除此樹[8]，但也有不少研究表明，火炬樹對自然、半自然森林生態系統沒有產生入侵危害[9]，或者在生長季后期才表現出一定的競爭優勢[10]，因此評估火炬樹的侵入潛力需充分考慮環境因素和人為干預。目前暫無足夠的針對火炬樹更新苗特性研究，尚不明確在城市森林的管理模式下能否控制住火炬樹的入侵態勢。因此本文擬采用樣方調查法，選取代表性區域，對天津市城市森林管理下火炬樹的更新特性進行年際調查，并與已有的火炬樹天然更新研究數據進行對比[11]，輔以聚集強度指數計算、線性回歸分析等方法，對其入侵性進行探究，以期為城市森林生態入侵及生態恢復提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

城市森林的范圍同城市行政管轄范圍不一致，主要包括城區的綠化、近郊的風景游憩林、防護林和遠郊的森林公園、環城帶等[12]。本文研究區設在天津師范大學主校區(117°6′44″—117°7′34″E，39°3′6″—39°4′15″N)和天津市南翠屏公園(117°8′37″—117°9′6″E，39°4′21″—39°4′43″N)，分別代表城區綠化和近郊風景游憩林。研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，其特征是四季分明，春季干旱少雨，有時會有春旱，夏季高溫雨水集中，秋季短暫溫度適中，冬季寒冷干燥。本區植被以華北植物區系成分為主，混有東北植物區系成分[13]。其中南翠屏公園為天津市1986年規劃建設的堆山造景工程，于采土深坑、蘆葦地、棄置地等之上以建筑垃圾為主要填充物堆積起來，是天津市生態工程成功的典范。堆山山體占地約12.1 hm2，堆山高約52 m，環山水體約8.5 hm2。

研究區內校園地勢平坦，坡度普遍在15°以下，南翠屏公園堆山部分坡度在0°～40°之間；兩處城市森林的修剪強度不同，校園內局部的小型修剪為主，修剪頻率較高，南翠屏公園內全園大型修剪頻率在一年1～2次。兩處樣地互為對照參考，每個樣地各選出8個樣點進行調查，取樣原則是避開大的林隙、在面積較大的分布區內取樣、不取過于稀疏和高密度的。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方調查 調查時間為2015年，每個季度各調查一次，取樣對象為1～3年生的火炬樹更新苗，采用樣方法對種群數量、地徑、冠幅、高度等數據進行采集，在天津師范大學主校區內和南翠屏公園小山上隨機各取8個5 m×5 m的樣方，取樣原則是避開大的林隙，在面積較大的分布區內取樣，不取過于稀疏和高密度的。

1.2.2 數據處理 將更新苗地徑、高度劃分等級如表1所示。

表1 研究區更新苗地徑、高度等級

對更新苗密度變化及數量結構變化進行分析，并與張明如等[11]學者研究的火炬樹天然更新數據作對照，將屬于不同地徑級和高度級的更新苗分別計數，作頻率分布圖，同時用SPSS進行回歸分析。

更新樹種的空間格局動態將對森林未來的群落結構、生物多樣性等產生深遠影響[13]，本文應用偏離指數C，負二項式參數K，平均擁擠度m*，聚塊性指數Cx，Morisita指數IΔ這5種指數對本研究中的火炬樹更新苗的空間分布格局進行描述。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：m——樣本平均數。下同。

(4)

若Cx=1，種群呈隨機分布，若Cx>1，種群呈聚集分布，若Cx<1，種群呈均勻分布。

(5)

式中：Xi——第i個樣方中的樣本數；n——樣方數。若IΔ=1，種群呈隨機分布，若IΔ>1，種群呈聚集分布，若IΔ<1，種群呈均勻分布。

2 結果與分析

2.1 更新苗數量特征

計算不同季度更新苗平均密度，并做更新苗密度的年度變化如表2。

表2 火炬樹更新苗的密度變化株/m2

如表2所示，校園內夏季火炬樹更新速率最快，更新苗密度為7.46株/m2；秋季最慢，更新苗密度為3.84株/m2；南翠屏公園內火炬樹的更新速率與校園基本一致，更新苗密度在3～4株/m2之間。冬季時，南翠屏公園進行了一次大規模的修剪導致種群數量急劇下降，更新苗密度為0.92株/m2。

校園樣方A，B，C內全年火炬樹種群一年生幼苗個體數最多，且在上半年達到峰值，于下半年不同程度的減少。校園樣方E，F，G，H內2年生、3年生幼樹一年內數量變化不明顯(圖1)。由圖1可知，校園G，H樣方一年生幼苗基數小(小于10株)，且年內并無增長，變化率小；校園E，F樣方1年生幼苗基數大(大于20小于40)，年內變化率也較大。南翠屏公園于2015年11月份前后對園內綠地進行了一次整體修剪，除去樣方D的地理位置偏僻，數據較清晰完整以外，其余樣方冬季數據均有嚴重缺失(圖2)。

圖1 校園內樣方更新苗數量隨季節變化

由圖1校園樣方數據可知，從齡級組成的角度來說，在城市森林內，火炬樹種群屬于典型的增長型；1年生更新苗年內個體數變化(減少)率最大值為66.7%，2年生為54.5%，3年生為14.6%，出現這種現象，或與1年生幼苗和2年生幼樹植株矮小，更易受到自然和人為干擾等因素有關，但因火炬樹是典型的萌蘗繁殖植物，且結實量大、發芽率高，因此剩余量大。

圖2 南翠屏更新苗數量隨季節變化

由圖2南翠屏公園樣方數據可知，更新苗組成結構具有一致性，總體而言，1年生幼苗數量最多，達到種群數量的72.6%～97.1%(春)，75.0%～97.7%(夏)，62.2%～88.6%(秋)，即火炬樹種群的更新活力旺盛；除去G，H樣方，其余樣方內更新苗結構呈現典型金字塔型。

2.2 火炬樹更新苗徑級特征

如圖3所示，校園內春秋兩季更新苗地徑處于2級(0.6～1.0 cm)的數量最多，分別達到種群數量的54.2%和65.4%，其次是處于4級地徑級(1.6～2.0 cm)的數量最多，分別占總體的15.7%和11.7%；夏冬兩季更新苗處于2級(0.6～1.0 cm)、3級(1.1～1.5 cm)的數量最多，分別占種群數量的70.4%和78.7%。總體而言，樣方內更新苗地徑較小，在0.6～2.0 cm范圍之內，偶有4.0 cm以上地徑的更新苗。這一結果也同火炬樹天然更新研究結果保持一致[20]。

圖4顯示，校園更新苗個體的高度峰值出現在1，2級(1～100 cm)。偶有400 cm以上，更新苗最大高度為有585 cm。使用SPSS對地徑和高度進行線性回歸分析，秋季數據擬合度最好，R2=0.978，滿足F檢驗，sig=0.000<0.005，說明具有顯著性，即校園秋季火炬樹地徑和高度級呈現明顯正相關關系。

在對南翠屏公園全年的樣方調查中，無高度級在8級以上的更新苗個體。如圖4，全年的高度級分布總體趨勢呈現一致性，1級高度級(0～50 cm)的個體最多，2(51～100 cm)，3(101～150 cm)，4級(151～200 cm)逐級遞減，5級及5級以上個體數稀少。以上結果也同火炬樹天然更新數據基本一致[11]。對更新苗地徑級和高度級頻數分布做回歸分析，結果顯示擬合度較差，二者相關性不高。

圖4 研究區內火炬樹更新苗高度級分布及年內變化

2.3 火炬樹更新苗的空間分布

然而，使用SPSS對m*與m的線性擬合結果為m*=0.956m+7.186，其中β值為0.956，小于1，表明呈均勻分布，與上述數據結果有悖，亦與同類研究結果(小尺度上，植物更新苗一般呈現聚集分布)有矛盾。

表3 火炬樹的更新苗分布格局

注：C為方差均值比率；t為t檢驗值；K為負二項式參數；χ2為對負二項式參數的檢驗值；m*為平均擁擠度；Cx為聚塊指數；IΔ為morisita指數。

3 討論與結論

火炬樹既是觀賞綠化優良樹種，也是水土保持的優良樹種，在護坡、尾礦及荒地造林等方面發揮著重要作用[14]，對嚴重退化的生態環境有改善土壤物理性質的效果[15]。但生態入侵的現象在高強度的人為管護下依然存在，樹種入侵嚴重影響了城市森林的結構和功能，大大增加了城市森林生態系統的脆弱性[16]。若在規劃和管理中缺乏考慮和重視，將帶來不必要的生態成本及社會成本的損失。

本文從種群生態學的角度出發進行分析，研究區內火炬樹更新苗密度在3～8株/m2之間，年齡組成呈典型金字塔，處于低地徑級和低高度級的更新苗占絕對優勢，空間分布格局表現為明顯的聚集分布，更新能力旺盛。類似研究在北華大學東校區展開，結果顯示僅僅2 a時間，火炬樹冠下植物蓋度下降了1.25～1.45倍，而火炬樹的種群數量增加了1.35倍，加之多數學生對火炬樹分泌物有過敏反應[17]。在幾乎沒有天然林的存在、現存森林多為人工林或次生林的北京，火炬樹作為北京入侵植物水平上的廣布種對破碎化程度較高的地區表現出很好的適應能力，對其他本地樹種及草本植物生存構成生態威脅[18]。有學者提醒，資源供應的時間異質性可能會對外來植物物種與本地植物物種之間的相互作用及其潛在入侵性產生深遠影響，將火炬樹引入非本土地區時仍需謹慎。隨著全球氣候變化，降水模式可能會發生變化并導致供水異質性增加，火炬樹的優勢主要在于其較大的生物量和有效的葉片生理調節，這將可能導致田間種子的更新以及對低矮灌木林和草本植物產生危害[19]。因此在高度破碎化、人為干擾程度高的城市森林環境，應當要加大對火炬樹控制力度，進一步探究適合城市森林的生態防治問題，這也與本文的結論相一致。

研究區很好地展示了城區的綠化、近郊的風景游憩林中有無大面積修剪時火炬樹的更新情況，填補了相關研究領域的空白，結果表明有效監察并及時去除更新苗，可大大降低入侵造成的危害，不足之處在于并未在遠郊的森林公園、環城帶等開展相關調查研究，所得結論僅能代表一部分城市森林中的情況。在控制火炬樹的具體措施方面，已有研究表明，環剝對一年生火炬樹克隆分株的抑制作用是暫時的[20]，這說明平茬、修剪等處理方法可行性較差，因此控制火炬樹入侵風險可從植物生長激素抑制劑等方面入手；此外，火炬樹雌雄異株，可通過引種單性植株并控制根蘗繁殖的方式加以管理。