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Twenty years of change in a northern hardwood forest.
报告者:蔡佳育 8923034
指导老师:林忠毅 老师
Forest Ecology and Management 123 (1999) 253-260
C.W. Martin, A.S. Bailey
一个北方硬木林二十年来的变化
报告流程
前言
研究目的
研究区介绍
研究方法
结果与讨论
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参考资料
报告流程
前言
研究目的
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前言
在我们了解森林生态系时,未受到砍伐干扰的森林扮演著重要的角色.
长期监测这些森林有助於发展更详细的森林演替模型,尤其是稳定期.(Bormann and Likens, 1979a; Halpern and Spies, 1995)
未受干扰的森林提供评估威胁对森林长期影响的背景资讯 (Likens et al., 1996; Johnson et al., 1995; Aber et al., 1995; Wang et al., 1995)
前言
森林监测提供有关受到人类干扰影响的线索.(Covington et al., 1997; Cote and Ouimet,1996)
这些森林也提供评估的参考:
森林成功的回复
成长速率
木材砍伐后森林结构的改变
(Reiners, 1992; Gore and Patterson, 1986; Martin and Hornbeck,1990; Crowell and Freedman, 1994; Roberts and Gilliam, 1995)
前言
Bowl Research Natural Area (RNA) (西半部)是一个不曾遭受砍伐干扰的森林 (Martin, 1997)
1974,设置样地调查
1994,用同样方法,重设样地调查
Bowl东半部曾於1888年遭到砍伐,经过近80年的次级生长,形成北方硬木林 (northern hardwood),划为Hubbard Brook Experiental Forest (HBEF).
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研究目的
调查美国New Hampshire中部,White Mountains 南面盆地的northern hardwood forest
报告1994年的调查结果
比较盆地内东西两流域的林地
西流域不曾遭到人为破坏
东流域在1888年曾遭到严重砍伐
跟1974的植株底面积(basal area*)做比较,了解此地区森林二十年来的变化.
*Basal area : 单位面积中所有植物胸高断面积的总和,通常单位为 m2 ha-1
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研究方法
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New Hampshire
新罕布夏州
Northern New Hampshire
_ Great North Woods Region
White Mountains Region
Central New Hampshire
Lakes Region
New Hampshire's Seacoast
Seacoast Region
South Central New Hampshire
Merrimack Valley Region
Southwest New Hampshire
_Dartmouth-Lake Sunapee Region
Monadnock Region
The areas of New Hampshire are color-coded as follows:
NH
Mt. Wonalancet
Mt. Whiteface
Mt. Passaconaway
1238m
1215m
854m
1000m
Fig. 1. Map of the geologic Bowl.
New Hampshire
Study Area
RNA
Ⅰ:1962, Research by the USDA Forest Service* as a Research National Area (RNA).
Ⅱ:No historical data.
Ⅲ ,Ⅳ : 1888, a temporary portable steam-powered swamill operated.
But no record of the duration of the operation, the amount of lumber sawed, or the amount of firewood cut.
Logged in 1888
*USDA Forest Service : US Dept. of Agriculture Forest Service 美国农业部森林局
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名词介绍
系统取样法 (Systematic sample polts)
在森地内先选定一点设立起始样点,再以一定的间隔设立其余样区.
系统样区可沿一横截测线上,每隔一段距离设立;亦可采用棋盘式的分布设立
取样最小面积 (Cain, 1938)
绘制"物种-面积曲线"
做一增加率10%的切线
切点的x值即最小面积
最少样区数=最小面积/样点面积
样区面积
物种数量
最小面积
1974年取样方法
(Cain and Castro, 1971)
每个样点取100m2
Ⅰ：100×100 –m 共28个
Ⅱ：100×100 –m 共56个
Ⅲ：100×100 –m 共83个
Ⅳ：100×200 –m 共51个
只调查海拔915m 以下
海拔915m 以上的森林以云杉和冷杉为主,而且此区风倒(windthrown) 的情况比人为干扰还严重.
1994年取样方法
起始样点及取样方向与1974年一样
物种数改变→最小面积改变→样点数量改变
每个样点取100m2
Ⅰ：100×200 –m 共126个
Ⅱ：100×100 –m 共59个
Ⅲ：100×100 –m 共88个
Ⅳ：100×200 –m 共54个
调查方法--植株底面积 (Basal area)*
测量每个样点中植株的DBH**(胸高直径)
用虚无假说分析四个地区植株平均底面积的差异性
1974年的调查结果显示没有显著差异
1994年用同样方法分析
*Basal area : 单位面积中所有植物胸高断面积的总和,通常单位为 m2ha-1
** DBH (diameter at breast height) : 胸高直径.植株在胸口高度 (约1.4m) 的直径
调查方法--生物量 ( Biomass)*
测量样点中每一棵树木及灌木的DBH,用修正过的Whittaker et al. (1974) 方程式来换算植株的biomass.(Siccama et al., 1994)
红杉 (Picea rubens Sarg.) 方程式
换算所有的针叶树
黄桦 (Betula alleghaniensis Britton)方程式
换算B. papyrifera Marsh., Prunus virginiana L. & P. pensylvanica L.
糖槭 (Acer saccharum Marsh.) 方程式
换算A. rubrum L.
山槭 (A. spicatum Lam.)方程式
换算A. pensylvanicum L. & Sorbus americana Marsh.
*Biomass 生物量 : 单位面积或体积中,生物所积存的有机物质的量.通常以乾
重来表示biomass.
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研究方法
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森林结构
植株底面积
林地生物量
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研究方法
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森林结构
植株底面积
林地生物量
Fig. 2
Fig. 3
West (uncut)
East (cut in 1888)
糖槭
黄桦
纸桦
云杉-冷杉
山毛榉
拥有足够DBH的株数 (1994)
Sugar maple 糖槭
Yellow birch 黄桦
Paper birch 纸桦
Breech 山毛榉
Spruce-fir 云杉-冷杉
Others:
Red maple 红槭
Striped maple 条纹槭
Mountain maple 山槭
White ash 白梣
Pin cherry
Mountain ash 山花楸
Eastern hemlock
东部铁杉
Sugar maple (Acer saccharum Marsh.) 糖槭
Aceraceae – Maple Family
Yellow birch (Betula alleghaniensis Britton) 黄桦
Betulaceae – Birch Family
Beech (Fagus grandifolia Ehrh.) 山毛榉
Fagaceae – Beech Family
Red spruce (Picea rubens Sarg.) 红杉
Pinaceae – Pine Family
Balsam fir (Abies balsamea L. Mill.) 胶冷杉
Pinaceae – Pine Family
Red maple (Acer rubrum L.) 红槭
Aceraceae – Maple Family
White ash (Fraxinum americana L.) 白梣
Oleaceae – Olive Family
Pin Cherry (Prunus pensylvanica L.)
Rosaceae - Rose Family
Mountain ash (Sorbus americana Marsh.)山花楸
Rosaceae - Rose Family
Eastern hemlock (Tsuga canadensis L. Carr.)
Pinaceae – Pine Family 东部铁杉
Fig. 2
34%
36%
West (uncut), 1994
East (cut in 1888), 1994
29%
32%
20%
20%
拥有足够DBH的株数 (1994)
最普遍物种
Beech
Spruce-fir
Fig. 3
Fig. 2
Fig. 3
West (uncut), 1994
East (cut in 1888), 1994
Beech
Spruce-fir
Others
大多是苗木
Fig. 2
Fig. 3
West (uncut), 1994
East (cut in 1888), 1994
Yellow birch
有一半是大树
50%
50%
Fig. 4. Frequency distribution of stems ha-1 > 5 cm from the 1994 survey.
uncut
Cut in 1888
86%
87%
森林结构 (1994)
讨论:
漂亮的倒J型曲线
结构曲线q=1.6
倾斜程度大→持续更新力强
典型的old-growth forest (climax forest).
Leak (1987) :
成熟的 northern hardwood 林地 q=1.3-1.4
成熟的云杉-冷杉(spruce-fir) 林地 q= 1.5-1.6
q值的提高可能是受云杉-冷杉组成的影响
东半部和西半部结构相似
证明东半部森林已回复
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森林结构
植株底面积
林地生物量
1994年底面积调查结果,四个地区差异不显著(p<0.01)
Basal area of the Bowl (1994)
就底面积而言,黄桦(yellow birch) 是最重要的,接著是云杉-冷杉(spruce-fir),山毛榉(beech),糖槭(sugar maple).
黄桦在西部比东部大一些,其他则是差不多.
Basal area of the Bowl (1994)
1974年底面积调查结果,四个地区差异不显著(Martin, 1977)
Basal area of the Bowl
(compare with 1974)
West
Fig. 6
Fig. 7
West (uncut), 1977-1994
East (cut in 1888), 1977-1994
No change
No change
1974-1994
Beech
Others
没有改变
Sprice-fir
明颢增加
East
Sugar maple
稍微减少
Yellow birch
明颢增加
不同海拔各物种平均底面积百分比
Basal area of the Bowl (1994)
Bowl平均Basal area=32.15 m2ha-1
Leak(1987):
典型成熟northern hardwood 森林 BA= 30 m2ha-1
Held and Winstead (1975)
调查7个成熟温带阔叶林 (In Kentucky, Indiana & Pennsylvania)
成熟温带阔叶林 BA= 25.8-32.2 m2 ha-1
Crowell & Freeman (1994):
长期调查Nova Scotia (In Canada) hardwood forest的植被变化
受到大火焚毁的森林经过75年,BA 达到 30 m2 ha-1
讨论:
成熟森林的底面积 (basal area)
Siccama (1992):
调查Watershed 6 (WS 6, on the Hubbard Brook Experimental Forest in central New Hampshire)
Have an average BA= 26.4 m2ha-1
WS 6:
1909-1917 遭到严重砍伐
1938 遭到飓风 (hurricane) 砍坏 ( Likens et al.,1994)
Bowl 的林地应已达到成熟森林
讨论:
成熟森林的底面积 (basal area)
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结果与讨论
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森林结构
植株底面积
林地生物量
1994调查biomass结果,四个地区差异不显著
1974的biomass data,因此无法比较'74和'94之间biomass的差异.
Biomass of the Bowl
1888年遭砍伐的东流域,biomass 回复到跟西流域差不多,接近整个盆地biomass的平均值.
Biomass of the Bowl
217
199
Bowl平均biomass = 208 Mg ha-1
西流域平均biomass = 217 Mg ha-1
东流域平均biomass = 199 Mg ha-1
WS 6 於1909-1917 遭到严重砍伐.( Likens et al.,1994)
1992年,WS 6 biomass reached 207 Mg ha-1
讨论:
东流域森林回复(1994)
Whittaker et al. (1974):
估计如果测量 "full climax condition",Hubbard Brook 的northern hardwood forest 的总生物量应该可以增加到 400-500 Mg ha-1
估计Hubbard Brook 的pre-European settlement forest,biomass大约350 Mg ha-1
把WS 6 的资料用JABOWA forest growth model 模拟,该地森林被完全砍伐后,估计大约170年biomass可达490 Mg ha-1 ,大约350年后biomass大约会维持在370 Mg ha-1 ,形成稳定期.
讨论:
东流域森林回复(1994)
结论
从Bowl的资料可以看出,New Hampshire 中部的森林…
Basal area 维持 35m2 ha-1
Biomass 达 225 Mg ha-1
此地的天灾有:
病虫害,大雪,结冰,暴风雨的侵害
包括飓风 (hurricane) ,形成林地的shifting mosaic
考虑这些天灾因素,northern hardwood forest in N.H. …
Basal area ≈ 30m2ha-1
Biomass ≈150-250 Mg ha-1
结论
由Bowl 和Hubbard Brook 的资料可以看出,经过严重砍伐之后,在100年内,northern hardwood forest 的basal area 和biomass可以回复到跟成熟森林相似的程度.
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前言
研究目的
研究区介绍
研究方法
结果与讨论
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参考资料
Question 1
倒J型曲线倾斜程度愈大(q 值愈大),代表什麼什麼样的森林呢
1. 愈年轻的森林
2. 愈年老的森林
3. 愈高海拔的森林
4. 愈低海拔的森林
Question 1
倒J型曲线倾斜程度愈大(q 值愈大),代表什麼什麼样的森林呢
1. 愈年轻的森林
2. 愈年老的森林
3. 愈高海拔的森林
4. 愈低海拔的森林
Question 2
为什麼本实验只调查915m以下的林地呢
Hint:干扰因子
1. 915m以上海拔高,天候不稳定,难以调查
2. 915m以上没有森林
3. 915m以上的森林风倒比人为砍伐严重
4. 915m以下才有 "northern hardwood forest"
Question 2
为什麼本实验只调查915m以下的林地呢
Hint:干扰因子
1. 915m以上海拔高,天候不稳定,难以调查
2. 915m以上没有森林
3. 915m以上的森林风倒比人为砍伐严重
4. 915m以下才有 "northern hardwood forest"
Question 3
在本实验中,为什麼每个样区所取的样点数目都不一样呢
Hint:取样最小面积
1. 每个样区的物种-面积曲线图都不一样
2. 每个样区的物种-海拔曲线图都不一样
3. 每个样区的面积大小都不一样
4. 样点数目是随机抽样得到的
Question 3
在本实验中,为什麼每个样区所取的样点数目都不一样呢
Hint:取样最小面积
1. 每个样区的物种-面积曲线图都不一样
2. 每个样区的物种-海拔曲线图都不一样
3. 每个样区的面积大小都不一样
4. 样点数目是随机抽样得到的
Questions 4
为什麼飓风 (hurricane) 会造成林地的shifting mosaic (镶嵌)
Hint:风倒(windthrown),森林内孔隙(gap)
1. 飓风带来豪雨,较低洼的地方便成沼泽
2. 镶嵌在一起的植物比较不会被飓风吹倒
3. 飓风会从别的地方带来物种
4.强风常把树木吹倒,产生新的空间进行次级演替
Questions 4
为什麼飓风 (hurricane) 会造成林地的shifting mosaic (镶嵌)
Hint:风倒(windthrown),森林内孔隙(gap)
1. 飓风带来豪雨,较低洼的地方便成沼泽
2. 镶嵌在一起的植物比较不会被飓风吹倒
3. 飓风会从别的地方带来物种
4.强风常把树木吹倒,产生新的空间进行次级演替
Question 5
本实验结果中,山毛榉 (beech) 的植株以苗木 (<10cm DBH) 为多,而黄桦 (yellow birch)有一半是大树,由此可以看出,在此森林的演替过程中,何者可能先出现
Hint:天然更新情况
1. 山毛榉
2. 黄桦
3. 同时出现,只是人们偏好砍伐山毛榉
4. 条件不足,无法判别
参考资料
Cain, S. A. 1938. The species-area curve. Amer. Midl. Nat. 19: 573-581.
Identification of America's Most Common Trees
(http://forestry.about.com/library/tree/)
NE DURHAM - USDA forest Service
(http://www.fs.fed.us/ne/durham)
NH Tourism Network & Meeting Sites
(http://www.nhtourismnetwork.com)
The Center for the Study Of the Environment
(http://www.naturestudy.org)
Thanks for your attention!
补充资料
The Hardwoods
Trees known variously as hardwood, deciduous, or broadleaf:
Hardwood 硬木- Trees with broad, flat leaves as opposed to coniferous or needled trees. Wood hardness varies among the hardwood species, and some are actually softer than some softwoods.
Deciduous 落叶- perennial plants which are normally leafless for some time during the year.
Broadleaf 阔叶- A tree with leaves that are broad, flat and thin and generally shed annually.
USDA forest Service
(US Dept. of Agriculture Forest Service)
美国农业部森林局
Experimental Forests...
Bartlett Experimental Forest
Hubbard Brook Experimental Forest
Massabesic Experimental Forest
Penobscot Experimental Forest
Silas Little Experimental Forest
http://www.fs.fed.us/ne/durham/4352/hb.shtml
Windthrown 风倒
JABOWA forest growth model
Software download
(http://www.naturestudy.org)
Growth Dynamics: 3 simple elements
-- Birth(出生)
-- Growth(成长)
-- Mortality(死亡)