塞罕壩不同發育階段白杄人工林林下植被多樣性研究

于士濤，付立華

(河北省塞罕壩機械林場總場，河北 承德 064866)

森林是陸地生態系統的主體，其在維持地球生態平衡和發展的過程中起著不可或缺的作用[1]。林下植被是森林的重要組成部分，其在維持森林的生態系統結構和功能穩定性、土壤立地條件等方面也起到了重要作用。因而森林生物多樣性包括林下植被的生物多樣性問題被國內外學者所研究[2-6]。劉玉寶[7]、林開敏等[8]研究發現,較高的林下植被多樣性能夠促進人工林地力的恢復。還有研究表明，林下草本植物可以指示其森林生態系統的穩定性、健康狀況以及該林地的立地質量[5]。李俊清[1]提出研究物種多樣性隨著時間的變化是制定合理規劃和進行科學的生物多樣性保護的基礎。因此積極探索研究人工林林下植被多樣性有助于人們了解森林生態系統的健康狀況，為生產經營以及更好地保護森林生態系統的穩定性提供依據。塞罕壩機械林場目前有林地面積為8萬hm2，在防風固沙、保護土壤、涵養水源等方面已經發揮出了巨大的生態效益。然而其90%以上的森林為人工林，白杄(PiceameyeriRehd.)人工林是塞罕壩機械林場人工林三大樹種之一，因此對白杄人工林林下植物多樣性的研究十分必要。本試驗以不同發育階段的白杄人工林為研究對象，對其林下植被的物種組成、重要值以及多樣性進行分析研究，以便更好了解塞罕壩機械林場白杄人工林不同發育階段林下植被生物多樣性現狀，為白杄人工林的合理經營、物種多樣性保護以及其生態系統的健康發展提供科學依據。

1 研究地概況

塞罕壩機械林場位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣最北部，地理坐標116°51′—117°39′ E、42°02′—42°36′ N，地處內蒙古高原渾善達克沙地南緣。地貌以高原和山地為主，海拔1 010～1 940 m，是灤河、遼河兩大水系的發源地之一。林區內植物種類相當豐富，有維管植物81科303屬618種(包含種下等級)，其中蕨類植物6科10屬16種；裸子植物2科4屬10種；被子植物73科289屬592種，其中雙子葉植物63科227屬462種，單子葉植物10科62屬130種。林區內土壤以灰色森林土為主，還有一些棕壤土和沼澤土等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在塞罕壩機械林場選擇地形和土壤條件基本相同的不同發育階段(幼齡林、中齡林和近熟林)的白杄人工林，在林內設置面積為50 m×50 m的樣地，樣地基本情況見表1。

表1 不同發育階段白杄林分概況

2.2 調查方法

將樣地劃分成5 m×5 m樣方基本單元，編號。然后記錄每個基本單元格內的喬木和灌木(胸徑超過1 cm)的種類、株數、胸徑、高度、冠幅、地徑。再在每個基本單元中設置1個1 m×1 m的樣方，記錄這10個1 m×1 m小樣方內植物種類、數量、高度、種的蓋度。

2.3 數據統計

2.3.1 重要值的計算

木本層重要值(Iv)計算公式：

Iv=RC+RF+RD

式中：Iv為重要值，RC為相對胸高斷面積，RF為相對頻度，RD為相對密度，對胸徑大于或等于 1 cm的喬木和灌木進行重要值評價。

草本層重要值計算公式：

Iv=RG+RF+RD

式中：Iv為重要值，RG為相對蓋度，RF為相對頻度，RD相對密度。

2.3.2 多樣性和均勻度指數

辛普森指數(D)：

香農-維納指數(H′)：

H′=-∑PilnPi

均勻度指數：

皮洛均勻度指數1JSW=-∑PilnPi/lnS

式中：Pi為物種i的個體數占樣地內總個體數的比例，i=1, 2, …,S；S為物種種類總數，個。

3 結果分析

3.1 不同林齡林分植被組成

從表2可以看出，中齡林的物種豐富度明顯高于幼齡林和近熟林，有53種植物，分別屬于25科36屬。幼齡林和近熟林的豐富度差別不大，幼齡林有35種植物，近熟林有28種植物。就不同層次來看，3個不同發育階段的白杄人工林灌木層的豐富度差別不大，差別較大的是草本層，白杄中齡林的草本層植物種類最豐富，有47種，而幼齡林和近熟林分別有31種和24種。

表2 不同發育階段白杄人工林林下植被組成

3.2 林下植被重要值

3.2.1 灌木層植被重要值 由于塞罕壩特殊的氣候條件，適于壩上生長的灌木和喬木較少。因而，本試驗在調查時將喬木和灌木一起調查，都統計到灌木層。由表3可以看出，不同發育階段的白杄人工林灌木層植物之間的重要值差別不大，優勢地位最明顯的均為華北落葉松，其次是白樺。

表3 不同發育階段白杄人工林木本層植物重要值

3.2.2 草本層植被重要值 由表4可知，幼齡林中優勢地位較明顯的植物有細葉苔草、硬質早熟禾、瓣蕊唐松草和扁蓿豆；而到了中齡林階段，在幼齡林中占優勢地位的上述4種植物除了扁蓿豆消失外，其他3種植物雖然存在，但是優勢地位明顯下降，到了近熟林階段這幾種植物的優勢地位又再度下降。中齡林優勢地位明顯的植物為白蓮蒿、大丁草、并頭黃芩；近熟林優勢地位明顯的植物為草原老鸛草、紫斑風鈴草和瓣蕊唐松草。

細葉苔草和扁蓿豆一般生長在干旱的坡地和石坡地，土層較薄，立地條件較差。塞罕壩在未造林前多為這種立地條件，因而在幼齡林里這種植物占優勢，林分形成一段時間后，由于森林對土壤的庇護和改良，土壤結構發生變化，立地逐漸演變，因而這些植物的優勢地位逐漸降低，甚至消失，而具有一定耐陰性的植物如白蓮蒿、大丁草、紫斑風鈴草逐漸占據主導地位。

表4 不同發育階段白杄人工林草本層植物重要值

注：由于植物種類較多，本表只列出重要值在10%以上的種類

3.3 林下植被多樣性指數

從表 5 可知，不同發育階段白杄人工林林下植被物種豐富度表現為中齡林(53個) > 幼齡林( 35個) > 近熟林( 28 個) 。不同發育階段木本層的多樣性指數(Simpson多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性)以及均勻度指數1、2差異均較小，這主要是因為木本層的植物種類少且變化不大。

草本層多樣性指數表現為中齡林大于幼齡林和近熟林，其Simpson多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數分別為0.8和2.03，幼齡林和近熟林多樣性指數差別不大，幼齡林多樣性指數分別為0.63和1.44，近熟林分別為0.62和1.42。均勻度指數同樣是中齡林大于幼齡林和近熟林。

總體來看，白杄人工林的多樣性指數表現為草本層大于木本層。

表5 不同發育階段白杄人工林林下植被多樣性

4 結論與討論

塞罕壩不同發育階段的白杄人工林木本層的豐富度、重要值以及多樣性差距不明顯。這主要與塞罕壩特殊的氣候環境以及土壤條件有關，塞罕壩地區寒冷多風，立地條件差，因而適宜生長的喬灌木本身就比較少，再加上白杄林為人工林，初植密度較高，其林下喬灌木很少，因而不同發育階段白杄人工林木本層的豐富度、優勢物種以及多樣性變化不大。

塞罕壩的白杄人工林在不同發育階段草本層的優勢種不同，在幼齡林階段優勢種多為生長在立地條件較差干旱山坡的細葉苔草、扁蓿豆，而隨著林齡的增加，林下土壤條件變好，草本層中如白蓮蒿、大丁草、紫斑風鈴草等耐蔭植物成為優勢植物。塞罕壩地區白杄人工林不同發育階段草本層的優勢物種不同，也說明森林能夠對土壤改善起到積極作用。

塞罕壩白杄人工林草本層豐富度、多樣性指數和均勻度指數表現為中齡林大于幼齡林和近熟林，林下植被表現為萎縮→發育→萎縮的發育規律。這主要是因為在幼齡林階段林分的郁閉度較高，光照條件差，因而草本層植物種類較少，隨著林齡的增加，出現了自然稀疏以及人工間伐，林內的光照條件得到改善，有利于林下植被的生長。