阿爾泰山天然林不同采伐坡向的植物群落特征分析

王 鑫

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，新疆烏魯木齊 830091）

改善天然林林分結(jié)構(gòu)、提高林分質(zhì)量是促進(jìn)新疆天然林發(fā)展的重要課題。采伐坡向作為天然林的重要結(jié)構(gòu)特征，在調(diào)整樹(shù)種組成、促進(jìn)林木生長(zhǎng)等方面起著重要作用[1]。采伐坡向?qū)α址稚L(zhǎng)、結(jié)構(gòu)等方面的影響一直是森林研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。探析不同采伐坡向的植物群落特征對(duì)構(gòu)建健康林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義。

阿爾泰山布爾津林場(chǎng)是全國(guó)天然林保護(hù)工程的重要區(qū)域之一。由于其地理位置特殊，植被垂直帶自然狀況保存完整，成為研究森林植物群落與環(huán)境關(guān)系的理想場(chǎng)所。本文以阿爾泰山天然林不同采伐坡向（陰坡、半陰坡和半陽(yáng)坡）樣地為研究對(duì)象，從提高天然林林分結(jié)構(gòu)、天然林樹(shù)種更新能力角度出發(fā)，探討不同采伐坡向?qū)μ烊涣帜镜挠绊懀瑸殚_(kāi)展阿爾泰山天然林保護(hù)和修復(fù)工作提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)置在新疆阿爾泰山布爾津縣賈登峪國(guó)家地質(zhì)公園的喀納斯風(fēng)景區(qū)附近，地理坐標(biāo)87°24′～87°25′E，48°43′～48°44′N(xiāo)，東與阿勒泰市毗鄰，南至布爾津縣中部，西與哈巴河縣相連，北與蒙古接壤。屬大陸性北溫帶寒冷氣候，夏季干燥，冬季寒冷。研究區(qū)內(nèi)主要樹(shù)種有冷杉[Abies fabri(Mast.) Craib]、云 杉(Picea asperataMast)、落葉松[Larix gmelini(Rupr.) Kuzen.]、紅 松(Pinus koraiensisSieb.et Zucc)和疣枝樺(Betula pendulaRoth)等。

1.2 數(shù)據(jù)采集

2021年8—9月選取研究區(qū)賈登峪—禾木公路路線(xiàn)K44+500旁一固定樣地（陰坡樣地），喀納斯風(fēng)景區(qū)中東新建林管站東側(cè)山坡一固定樣地（半陽(yáng)坡樣地），禾木—阿禾公路北側(cè)一固定樣地（半陰坡樣地）。經(jīng)過(guò)樣地伐樁測(cè)量，半陰坡樣地采伐強(qiáng)度為12.66%，陰坡樣地采伐強(qiáng)度為25.26%，半陽(yáng)坡樣地采伐強(qiáng)度為40.15%。根據(jù)樣地坡度及海拔等影響因素，在不同采伐坡向樣地分別選取三個(gè)具有代表性的海拔，設(shè)置相同樣方(20 m×20 m)。三個(gè)坡向樣地，共計(jì)9 個(gè)樣方(20 m×20 m)，即陰坡（25.26%）樣地3 個(gè)樣方，半陽(yáng)坡（40.15%）樣地3 個(gè)樣方，半陰坡（12.66%）樣地3 個(gè)樣方。測(cè)量并記錄調(diào)查樣方內(nèi)所有喬木的名稱(chēng)、樹(shù)高、胸徑和相對(duì)坐標(biāo)等因子。調(diào)查樣方內(nèi)喬木基本特征詳見(jiàn)表1。

表1 不同采伐坡向樣地的樹(shù)種組成及基本特征

1.3 研究方法

1.3.1 樹(shù)種組成

不同采伐坡向樣地各樹(shù)種的特征因子和重要值計(jì)算公式如下：

相對(duì)多度(RA)=某個(gè)種的個(gè)體數(shù)/所有種的個(gè)體數(shù)×100%

相對(duì)頻度(RF)=某物種出現(xiàn)的樣方數(shù)/所有種的樣方數(shù)×100%

相對(duì)顯著度(RD)=某一種的胸徑之和/所有種的胸徑之和×100%

重要值(IV)=(相對(duì)多度+相對(duì)頻度+相對(duì)顯著度)/3

1.3.2 樹(shù)高與直徑分布

何美成[3]研究表明，當(dāng)林分平均直徑＜8 cm 時(shí)采用1 cm 徑階距，平均直徑10～18 cm 時(shí)采用2 cm 徑階距，平均直徑20～38 cm 時(shí)采用4 cm 徑階距。由表1可知，陰坡采伐樣地、半陰坡采伐樣地樹(shù)種平均直徑均在10～18 cm，即采用2 cm 徑階距；半陽(yáng)坡采伐樣地樹(shù)種平均直徑在20～38 cm，即采用4 cm徑階距。

將不同采伐坡向樣地中的喬木按高度以2 m 為一個(gè)樹(shù)高階進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分。

1.3.3 物種多樣性指數(shù)

調(diào)查樣方內(nèi)物種多樣性指數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)表2。

表2 一般多樣性指數(shù)推導(dǎo)有效多樣性指數(shù)計(jì)算方法

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采伐坡向的樹(shù)種基本特征

了解林分基本結(jié)構(gòu)是制定森林經(jīng)營(yíng)管理措施的前提和基礎(chǔ)，樹(shù)種組成是森林的重要特征因子之一[4]。重要值作為群落中植物優(yōu)勢(shì)度的量度標(biāo)志，可指明群落中每種植物的相對(duì)重要性和最適生境。不同采伐坡向樣地的樹(shù)種有云杉、冷杉、落葉松、紅松和樺樹(shù)。對(duì)不同樹(shù)種的特征因子和重要值分析可以看出（表3），落葉松不僅是半陽(yáng)坡、半陰坡采伐樣地的大徑階樹(shù)種，還占據(jù)著半陽(yáng)坡和半陰坡采伐樣地的上層空間，落葉松樹(shù)種的重要值是半陽(yáng)坡采伐樣地的最大值，為半陽(yáng)坡采伐樣地的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種；冷杉樹(shù)種的重要值是陰坡、半陰坡采伐樣地的最大值，為陰坡、半陰坡采伐樣地的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。

表3 不同采伐坡向樣地的樹(shù)種基本特征

在平均胸徑因子中，云杉為陰坡采伐樣地的大徑階樹(shù)木，平均胸徑為19.53 cm；落葉松為半陽(yáng)坡、半陰坡采伐樣地的大徑階樹(shù)木，平均胸徑分別為28.58、26.70 cm，說(shuō)明云杉與落葉松在林分中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，也說(shuō)明它們?cè)谶@一地區(qū)具有較好的適應(yīng)性。冷杉為陰坡、半陰坡采伐樣地的小徑階樹(shù)木，紅松為半陽(yáng)坡采伐樣地的小徑階樹(shù)種，說(shuō)明冷杉、紅松樹(shù)種在生長(zhǎng)上受到其他大喬木的抑制，是云杉、落葉松等優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的伴生樹(shù)種。在平均樹(shù)高因子中，云杉樹(shù)種占據(jù)著陰坡采伐樣地林分的上層空間，平均樹(shù)高為17.69 m，屬于陰坡采伐樣地中的高大喬木；落葉松樹(shù)種占據(jù)著半陽(yáng)坡、半陰坡采伐樣地林分的上層空間，平均樹(shù)高分別為18.18、18.55 m，屬于半陽(yáng)坡、半陰坡采伐樣地的高大喬木；落葉松樹(shù)種占據(jù)著陰坡采伐樣地的下層空間，紅松樹(shù)種占據(jù)著半陽(yáng)坡采伐樣地的下層空間，冷杉樹(shù)種占據(jù)著半陰坡采伐樣地的下層空間。從各樹(shù)種的重要值來(lái)看，冷杉樹(shù)種為陰坡采伐樣地的最大值，為47.27，是陰坡采伐樣地的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種；落葉松樹(shù)種為半陽(yáng)坡采伐樣地的最大值，達(dá)66.47，是半陽(yáng)坡采伐樣地的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種；冷杉樹(shù)種為半陰坡采伐樣地的最大值，達(dá)59.71，是半陰坡采伐樣地的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群。

2.2 不同采伐坡向?qū)μ烊涣至址纸Y(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 對(duì)天然林喬木群落徑級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

植物群落徑級(jí)結(jié)構(gòu)是最基本的林分結(jié)構(gòu)，定量分析群落徑級(jí)結(jié)構(gòu)有助于掌握植物群落受干擾程度并預(yù)測(cè)群落結(jié)構(gòu)的發(fā)展[5-6]。本研究中，小徑級(jí)與大徑級(jí)喬木樹(shù)種中，半陽(yáng)坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；中徑級(jí)喬木樹(shù)種中，半陰坡采伐樣地大于半陽(yáng)坡、陰坡采伐樣地，即半陽(yáng)坡采伐樣地是適合小徑級(jí)、大徑級(jí)喬木樹(shù)種生長(zhǎng)的環(huán)境，半陰坡采伐樣地是適合中徑級(jí)喬木樹(shù)種生長(zhǎng)的環(huán)境。

由表4 可知，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ徑級(jí)中，半陽(yáng)坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；第Ⅳ徑級(jí)中，陰坡采伐樣地大于半陽(yáng)坡、半陰坡采伐樣地；第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ徑級(jí)中，半陰坡采伐樣地大于半陽(yáng)坡、陰坡采伐樣地；第Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ徑級(jí)中，半陽(yáng)坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地。在同一徑級(jí)結(jié)構(gòu)下，小徑級(jí)（0＜d≤12 cm）喬木平均值，半陽(yáng)坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；中徑級(jí)（12 cm＜d≤24 cm）喬木平均值，除第Ⅴ徑級(jí)外，其他半陰坡采伐樣地大于半陽(yáng)坡、陰坡采伐樣地；大徑級(jí)（d＞24 cm）喬木平均值，除第Ⅵ徑級(jí)外，其他半陽(yáng)坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地。

表4 不同采伐坡向的林木徑級(jí)分布 單位：cm

2.2.2 對(duì)天然林喬木群落高度級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

植物群落高度級(jí)結(jié)構(gòu)是最基本的林分結(jié)構(gòu)，定量分析植物群落高度級(jí)結(jié)構(gòu)有助于掌握植物群落受干擾程度并預(yù)測(cè)群落結(jié)構(gòu)的發(fā)展[5-6]。本研究中，低高度級(jí)喬木樹(shù)種中，除第Ⅱ、Ⅳ高度級(jí)外，其他樹(shù)種陰坡樣地大于半陰坡、半陽(yáng)坡樣地；中高度級(jí)喬木樹(shù)種中，第Ⅴ、Ⅶ高度級(jí)半陰坡樣地大于陰坡、半陽(yáng)坡樣地，第Ⅵ、Ⅸ高度級(jí)陰坡樣地大于半陰坡、半陽(yáng)坡樣地；高高度級(jí)喬木樹(shù)種中，除第Ⅹ、Ⅺ高度級(jí)外，其他樹(shù)種半陽(yáng)坡樣地大于半陰坡、陰坡樣地。即陰坡采伐樣地是適合低高度級(jí)喬木樹(shù)種和中高度級(jí)喬木樹(shù)種生長(zhǎng)的環(huán)境，半陰坡采伐樣地是適合中高度級(jí)喬木樹(shù)種生長(zhǎng)的環(huán)境，半陽(yáng)坡采伐樣地是適合高高度級(jí)喬木樹(shù)種生長(zhǎng)的環(huán)境。

由表5 可知，第Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ高度級(jí)中，陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽(yáng)坡樣地；第Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ高度級(jí)中，半陰坡采伐樣地大于陰坡、半陽(yáng)坡采伐樣地；第Ⅳ、Ⅷ、Ⅺ、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ高度級(jí)中，半陽(yáng)坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地。低高度級(jí)(3 m＜h≤11 m)喬木平均值表現(xiàn)為第Ⅰ、Ⅲ高度級(jí)陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽(yáng)坡采伐樣地，第Ⅱ高度級(jí)半陰坡采伐樣地大于陰坡、半陽(yáng)坡采伐樣地，第Ⅳ高度級(jí)半陽(yáng)坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地；中高度級(jí)(11 m＜h≤21 m)喬木平均值表現(xiàn)為第Ⅴ、Ⅶ高度級(jí)半陰坡采伐樣地大于陰坡、半陽(yáng)坡采伐樣地，第Ⅵ、Ⅸ高度級(jí)陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽(yáng)坡采伐樣地，第Ⅷ高度級(jí)半陽(yáng)坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；高高度級(jí)(h＞21 m)喬木平均值表現(xiàn)為第Ⅹ高度級(jí)陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽(yáng)坡采伐樣地，第Ⅺ高度級(jí)半陽(yáng)坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地，第Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ高度級(jí)半陽(yáng)坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地。

表5 不同采伐坡向的林木高度級(jí)分布 單位：m

2.2.3 不同采伐坡向天然林林下幼苗更新分布及多樣性

2.2.3.1 林下幼苗分布

林下天然更新保證了種群的持續(xù)生存與繁衍，維持群落組成與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[7]。本研究中，喬木樹(shù)種的林下幼苗有云杉、冷杉、落葉松、樺樹(shù)和紅松，其中半陰坡樣地林下幼苗為冷杉、云杉、樺樹(shù)和紅松，大多數(shù)為冷杉幼苗，無(wú)落葉松幼苗；陰坡樣地林下幼苗為云杉和冷杉幼苗，大多數(shù)為冷杉幼苗，無(wú)落葉松幼苗；半陽(yáng)坡樣地林下幼苗為云杉、紅松、落葉松，大多數(shù)為紅松幼苗。

由圖1 可知，半陰坡樣地的林下幼苗為冷杉、云杉、樺樹(shù)和紅松幼苗，且集中分布在Ⅰ級(jí)（h＜25 cm），主要為冷杉，數(shù)量將近250株，Ⅳ級(jí)（75 cm≤h＜100 cm）幼苗數(shù)量最低，說(shuō)明半陰坡采伐樣地林下幼苗大多數(shù)為冷杉小株幼苗；陰坡林下幼苗為云杉和冷杉幼苗，且高度集中分布在Ⅰ級(jí)（h＜25 cm），主要為冷杉，數(shù)量將近1 200 株，Ⅳ級(jí)（75 cm≤h＜100 cm）幼苗數(shù)量最低，說(shuō)明陰坡采伐樣地林下幼苗大多數(shù)為冷杉小株幼苗；半陽(yáng)坡林下幼苗為云杉、紅松、落葉松幼苗，且高度集中分布在Ⅴ級(jí)（h≥100 cm），主要為紅松幼苗，數(shù)量達(dá)到40 株，Ⅳ級(jí)（75 cm≤h＜100 cm）幼苗數(shù)量最低，說(shuō)明半陽(yáng)坡采伐樣地林下幼苗大多數(shù)為紅松幼苗。

圖1 不同采伐坡向的林下幼苗分布

2.2.3.2 不同采伐坡向?qū)μ烊涣钟酌缍鄻有缘挠绊?/p>

物種多樣性是林分結(jié)構(gòu)的重要反映，豐富的物種多樣性可以提高森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。本研究中，半陰坡、陰坡、半陽(yáng)坡下的幼苗物種數(shù)分別為4、2、3種，Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)分別為2.44、1.58、2.34，Gini-Simpson 多樣性指數(shù)分別為4.35、0.97、4.76。其中半陰坡的物種數(shù)、Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)均為最大值，可知半陰坡樣地的幼苗多樣性最好。

由表6可知，半陰坡、陰坡、半陽(yáng)坡的幼苗物種數(shù)分別為4、2、3種；半陰坡、陰坡、半陽(yáng)坡的Shannon-Weinner多樣性指數(shù)分別為2.44、1.58、2.34；半陰坡、陰坡、半陽(yáng)坡的Gini-Simpson 多樣性指數(shù)分別為4.35、0.97、4.76。半陰坡的物種數(shù)、Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)均為最大值，可知半陰坡的幼苗多樣性最好。

表6 不同采伐坡向的天然林幼苗有效多樣性指數(shù)

3 小結(jié)與討論

不同采伐坡向均有落葉松樹(shù)種，其在半陽(yáng)坡、半陰坡樣地占據(jù)林分上層空間，說(shuō)明落葉松樹(shù)種在半陽(yáng)坡、半陰坡樣地中生長(zhǎng)趨于良好狀態(tài)。落葉松樹(shù)種是半陽(yáng)坡樣地的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，而半陽(yáng)坡樣地的采伐強(qiáng)度最強(qiáng)，表明落葉松生長(zhǎng)除了受光照影響外，采伐強(qiáng)度也有很大的影響，但是具體哪種影響更大還需進(jìn)一步討論。

林下更新植被是維系整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分[9]，在森林變化中起到核心作用[10]，林下幼苗決定了林木未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，半陰坡、陰坡樣地林下幼苗大多為冷杉幼苗，半陽(yáng)坡樣地林下幼苗大多為紅松幼苗。其中，半陽(yáng)坡樣地中存在落葉松喬木樹(shù)種，不存在紅松喬木樹(shù)種，而林下幼苗多數(shù)為紅松幼苗，少數(shù)為落葉松幼苗。在無(wú)紅松樹(shù)種的情況下卻出現(xiàn)了紅松幼苗，具體原因還需進(jìn)一步驗(yàn)證；落葉松樹(shù)種占優(yōu)勢(shì)但其幼苗數(shù)量卻少之又少，具體原因還需進(jìn)一步調(diào)查。

1）林地特征分析：云杉樹(shù)種為陰坡樣地的大徑階樹(shù)種且占據(jù)其上層空間，平均樹(shù)高為17.69 m，落葉松為半陽(yáng)坡、半陰坡樣地的大徑階樹(shù)種且占據(jù)其上層空間。冷杉樹(shù)種的重要值為陰坡、半陰坡樣地的最大值，是陰坡、半陰坡樣地的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種；落葉松樹(shù)種的重要值為半陽(yáng)坡樣地的最大值，達(dá)66.47，是半陽(yáng)坡樣地的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。

2）林地樹(shù)高與直徑分析：半陽(yáng)坡樣地中多為小徑級(jí)和大徑級(jí)天然林樹(shù)種，且高高度級(jí)的天然林喬木樹(shù)種較多；半陰坡樣地中多為中徑級(jí)天然林樹(shù)種，且中高度級(jí)天然林喬木樹(shù)種較多；陰坡樣地中低高度級(jí)、中高度級(jí)天然林喬木樹(shù)種較多。

3）林下幼苗分析：半陰坡、陰坡樣地林下幼苗大多為冷杉幼苗，半陽(yáng)坡樣地林下幼苗大多為紅松幼苗。半陰坡樣地的物種數(shù)、Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)均為最大值，分別為4 種、2.44，由此看出半陰坡樣地的幼苗更新多樣性最好。