西天山保護區天山云杉林下植被多樣性分析與評價

陳 哲，王振錫，2*，董 巍，胡天祺，郝康迪

（1.新疆農業大學 林學與風景園林學院，烏魯木齊 830000；2.新疆教育廳干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，烏魯木齊 830052）

1 研究現狀及目的

森林結構體現森林動態演化過程中森林的生長狀況，其中林分空間結構反映林木個體間的空間位置和周圍林木的競爭態勢，在很大程度上決定林分穩定性、發展可能性和經營空間大小，也決定森林的生態功能和森林的經營管理措施。林下植被多樣性主要包括物種多樣性、遺傳多樣性和生態系統多樣性，其中物種多樣性是生物多樣性的重要組成部分，既是遺傳多樣性的根本，也是生態系統多樣性的基礎，對維持生態系統的穩定具有極其重要的意義。

林下植被多樣性受經營強度、林齡等因素的影響，是反映林分結構發生變化的重要指標。國外學者Naumburg等通過控制森林結構來維持大直徑樹木的零星分布，產生更多林內光照，進而維持林下植被的多樣性分布。Baran等發現分析林分結構比分析物種組成更能準確地檢測森林經營狀況。國內學者燕亞飛等的研究結果表明，林分結構對林下植被多樣性具有一定影響，低密度林分林下植被多樣性高于高密度林分，但高密度林分的林下植被分布較低密度更均勻。

2021年8月在新疆西天山國家級自然保護區內對天山云杉純林進行大樣地調查，調查研究樣地內林下植被多樣性，為天山云杉林的林下植被多樣性研究和合理經營管理提供理論依據。

2 研究區概況

研究區(82°51'~83°06'E，43°03'~43°15'N)位于新疆伊犁鞏留縣東部西天山國家級自然保護區，主要保護對象是天山云杉林及其生境，為西天山天山云杉林典型代表區域。該區域位于中天山西段，為天山山脈森林最茂密地區，擁有全國最大的原始云杉林，屬于國家級云杉自然保護區。土地總面積31 217 hm2，海拔1 500~2 000，屬溫帶大陸性氣候，夏季涼爽，冬季溫和，全年無大風；多年平均氣溫5～7℃之間，1月平均氣溫-10℃，7月平均氣溫22℃；年平均降水量550～800 mm，個別年份超過1 000 mm；土壤類型主要以山地灰褐色森林土為主，土壤厚20~80 cm，土壤深厚肥沃，腐殖質豐富、濕潤。

3 研究方法

3.1 樣地設置

2021年8月，在已有調查資料的基礎上，在保護區內46，50，53，55，56林班開展調查，在前期踏查結束后，一共設置10個100 m×100 m正方形樣地（單位面積為1 hm2，總面積10 hm2），編號分別為1~10。在樣地內的上中下3個坡位選取林下植被較多的地方，設置1 m×1 m（1 m2）的草方格，記錄草方格內的植被種類、數量、高度和蓋度，用Excel軟件進行數據統計。

3.2 分析方法

3.2.1 重要值常用于衡量某植物種類在群落中的地位和作用的指標即為重要值，其計算公式為：

3.2.2 多樣性指數多樣性指數是指樣地內物種數量的多少。研究應用的多樣性指數主要為Simpson指數（D）和Shannon-Wiener指數（H）。Simpson指數（D）主要指機抽取不再放回去的2個個體，它們屬于同一個體的概率越大，說明個體的集中性越高，群落的多樣性程度越低0。具體計算公式如下：

Shannon-Wiener指數（H）表示從群落中隨機抽出一個個體種的不確定性。物種數越多，個體分布越均勻，不確定性越高，Shannon-Wiener多樣性指數值越高。其計算公式為：

3.2.3 均勻度指數均勻度指數主要用于反映樣方中各個物種的均勻分布程度。此次的均勻度指數主要為基于Simpson指數的Pielou均勻度指數（Jd）和基于Shannon-Wiener多樣性指數的Pielou均勻度指數（Jh）。公式為：

式中：S為種i所在樣方物種的總數；Pi為第i個種的個體數占所有物種的個體總數的百分比（相對多度）。

3.3 數據處理方法

利用R4.1.1軟件運行相關程序進行林下植被多樣性的相關數據計算，選用Origin 2018軟件進行繪圖，采用Excel軟件進行數據整理。

4 結果與分析

4.1 植物種類的重要值

重要值是指不同物種在群落中的作用和地位，即其重要性指標。研究西天山自然保護區內天山云杉純林的林下植被重要值，有利于了解區域內林下植被的特點和影響，統計樣地群落內占優勢的植物種類。根據實地調查數據計算各樣地內林下植物種類的重要值數據，結果見表1。

從表1中可知：樣地內共發現26種林下植被種類，其中重要值最高的植物種類分別是短距鳳仙花（Impatiens brachycentra Kar.et Kir.）、東 北 羊 角 芹（Aegopodium alpestre Ledeb.）、 夏 枯 草（Prunella vulgaris L.），其重要值分別是0.173 7，0.162 6，0.108 4，重要值均大于0.1，在群落中占據優勢地位；其余物種的重要值均小于0.1，在西天山保護區研究區樣地內所占比重較小，在群落中處于劣勢地位。

表1 西天山林下植被種類及其重要值Table 1 Species and their important values of understory vegetation in West Tianshan Mountain forest

4.2 林下植被多樣性分析

在森林生態系統中，不同的樹種和植物種類受外界因素的干擾不同，從而形成不同的分布格局。森林生態系統中的生物群落的類型與結構，會給生物多樣性帶來不同程度的影響，進而造成林下物種變得復雜多樣。通常情況下，在森林生態系統中，主要利用植物的多樣性來評判其豐富性和均勻性。此次研究主要基于Simpson多樣性指數和Shannon-Wiener多樣性指數，計算Pielou均勻度指數后進行研究分析，結果見表2。

從表2可以看出，西天山保護區中樣地的Simpson多樣性指數和Shannon-Wiener多樣性指數整體上基本相近，其中西天山保護區樣地的2個指標變化范圍分別在0.727~0.876和1.570~2.242之間。二者的均值分別為0.818和1.919。

表2 樣地林下植被物種豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數Table 2 Species richness index,diversity index and evenness index of understory vegetation in the sample plot

從表2還可知，西天山自然保護區樣地的基于兩種多樣性指數的Pielou均勻度指數分布范圍在0.818~0.969和0.715~0.939之間，均值分別為0.913和0.838。其中均勻度指數最大值均為樣地3，分別為0.969和0.939。

基于數據和分析可以看出，西天山保護區各樣地內林下植被種類較多，多樣性較好，各樣地林下植被分布較為均勻，林木株數越多。

5 結果與討論

以新疆西天山自然保護區中天山云杉林下植被為研究對象，以重要值、多樣性指數、均勻度指數為指標，調查分析保護區內天山云杉林。西天山保護區樣地共有26種植物種類，各樣地林下植被物種數量差距較小；重要值排名前三的林下植物分別為短距鳳仙花、東北羊角芹、夏枯草，其重要值分別是0.173 7，0.162 6，0.108 4。從重要值整體來看，西天山保護區樣地內林下植被種類較少，但前三的植物種類占據絕對優勢地位，種內競爭緩和，優勢物種明顯。通過計算研究區樣地的多樣性指數和均勻度指數可知，物種數量多的林分區域其林下植被多樣性指數也較高。均勻度指數與研究區樣地的植被種類數量有關，植被種類高的區域林下植被分布較為集中，而植被種類數較少的區域其植被分布較為均勻。

此研究中使用的多樣性指數和均勻度指數較為單一，主要為Simpson多樣性指數和Shannon-Wiener多樣性指數。基于兩種多樣性指數計算的均勻度指數研究區樣地的林下植被，沒有考慮其他指數方法。加之樣方數量有限，可能未能完全反映研究區內的林下植被多樣性特征。因此，今后仍需要擴大樣方數量，并進一步開展相關調查研究。同時，選取的樣地以天山云杉純林為主，沒有考慮到混交林。因此在后續的研究中，將分析混交林林下植被多樣性與純林的區別。