陜北地區(qū)刺槐人工林林冠郁閉度對林下植物生長特性的影響

摘 要 為探究陜北地區(qū)刺槐人工林林冠郁閉度對林下植物生長特性的影響，以長武縣紅星國有生態(tài)林場內(nèi)的不同年齡段刺槐人工林及相應(yīng)的撂荒地作為研究對象，包括幼齡林（9年生）、中齡林（17年生）和近熟林（30年生）及撂荒地（對照）。通過在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)立固定監(jiān)測點(diǎn)，收集了林下植物的生長速率、生物量和形態(tài)特征（包括高度、莖粗和葉片大小）等數(shù)據(jù)。研究結(jié)果顯示，林冠郁閉度的增加顯著降低了對光照需求較高的野草和灌木類植物的生長速率和生物量積累，而耐陰的蕨類植物則表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。此外，植物的平均高度、莖粗和葉片大小也隨郁閉度的增加而減少，且趨勢在對光照需求較高的植物中更為明顯。

關(guān)鍵詞 刺槐人工林；郁閉度；林下植物；生長特性；陜北地區(qū)

中圖分類號：S718.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.19.044

刺槐人工林作為陜北地區(qū)重要的林業(yè)資源，對維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡和促進(jìn)土壤保持具有顯著作用。林冠郁閉度作為林木生長和林下植被狀況的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響著林下生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。可見，對刺槐人工林林冠郁閉度及其對林下植物生長特性的影響進(jìn)行研究，不僅能夠深入理解林木與林下植被間的相互作用，還有助于指導(dǎo)實(shí)際的林業(yè)管理實(shí)踐，優(yōu)化林地資源的利用和保護(hù)。本研究聚焦于陜北地區(qū)刺槐人工林，旨在探究其林冠郁閉度對林下植物生長特性的具體影響，以期為該地區(qū)的林業(yè)管理和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1" 研究區(qū)域與研究方法

1.1" 研究區(qū)域概況

選擇長武縣紅星國有生態(tài)林場為本次研究區(qū)域。該林場是長武縣唯一的生態(tài)公益型林場，建于1970年，位于長武縣東南部，黑河、南河交匯處附近兩岸的溝坡上。地理位置為東經(jīng)107°41′26″～107°47′34″，北緯35°0′36″～35°7′45″，全年平均氣溫5～16 ℃，白天平均氣溫16 ℃；南北長16 km，東西寬10 km，經(jīng)營總面積1 793 hm2。涉及巨家、亭口、棗園、昭仁、相公5個(gè)鎮(zhèn)（辦），與24個(gè)行政村接壤，涉農(nóng)人口達(dá)2萬多人，屬陜西省典型的林農(nóng)交錯(cuò)型林場。林分起源全為人工林，主要樹種為刺槐、油松等。

1.2" 研究方法

1.2.1" 樣地設(shè)置

2022年7月末，在研究區(qū)域內(nèi)選擇3個(gè)年限的刺槐人工林地和1個(gè)撂荒地（CK）為研究對象。根據(jù)刺槐人工林的不同生長階段，3個(gè)年限的刺槐人工林分別為幼齡林（9年生）、中齡林（17年生）和近熟林（30年生）。每個(gè)年齡段選擇3塊樣地，共計(jì)9塊樣地[1]。此外，選擇1塊撂荒地（9年生）作為對照組。并將每個(gè)樣地的面積設(shè)定為20 m×20 m，以保持與前期研究的一致性。樣地基本情況見表1。

1.2.2" 樣品采集及測定

在本次研究中，樣品采集專注于測定林下植物的生長量及樣地的林冠郁閉度，以評估刺槐人工林林冠郁閉度對林下植物生長量的影響。

為測定林下植物的生長量，試驗(yàn)在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置多個(gè)固定的監(jiān)測點(diǎn)。并在每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)，選取有代表性的林下植物，測量其主要生長參數(shù)，包括植物高度、主莖直徑和葉面積[2]。測量使用標(biāo)準(zhǔn)的田間測量工具如尺子、卡尺、葉面積計(jì)等。同時(shí)為獲取更準(zhǔn)確的生物量數(shù)據(jù)，選取部分植物樣本，通過剪切植物地上部分，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行烘干和稱重，從而得到其干物質(zhì)量。以上樣品數(shù)據(jù)將用于評估植物的總體生長狀態(tài)和生物量積累。

林冠郁閉度使用半球照相技術(shù)測量。研究人員在每個(gè)樣地的中心，使用半球相機(jī)拍攝向上的林冠圖片，圖片中的天空和樹冠覆蓋比例能夠準(zhǔn)確地反映出林冠的郁閉度[3]。采集后圖片在Hemispherical Canopy Photography Analysis （Hemiview）中進(jìn)行分析，以計(jì)算林冠開放度的百分比。林冠開放度與郁閉度成反比，以此間接準(zhǔn)確地評估槐樹人工林林冠郁閉度水平。

1.2.3" 數(shù)據(jù)處理

1）生長參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

林下植物的生長數(shù)據(jù)（包括植物高度、主莖直徑和葉面積）通過統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 25.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，以便對不同樣地間的生長特性進(jìn)行比較[4]。

2）生物量數(shù)據(jù)處理

將實(shí)驗(yàn)室測定的植物干物質(zhì)量數(shù)據(jù)用于計(jì)算生物量。計(jì)算通過干重與濕重的比例關(guān)系進(jìn)行，公式為：生物量=（干重/濕重）×總濕重。以提供關(guān)于植物生物量積累的準(zhǔn)確信息[5]。

3）林冠郁閉度分析

使用Hemiview軟件處理半球照相所得的林冠圖片。由該軟件計(jì)算出林冠開放度的百分比，此數(shù)據(jù)與林冠郁閉度成反比。具體分析將使用軟件內(nèi)置算法（閾值分割技術(shù)）來區(qū)分天空和樹冠，從而準(zhǔn)確計(jì)算林冠開放度。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 郁閉度對林下植物生長速率的影響

不同郁閉度條件下，槐樹人工林林下植物生長速率情況如表2所示。

從表中可以看出：1）隨著郁閉度的增加，從幼齡林到近熟林，野草的生長速率顯著下降，從2.5 cm·月-1降至0.8 cm·月-1。此種下降趨勢在灌木類植物中也顯著，生長速率從1.8 cm·月-1降至0.9 cm·月-1。說明較高的郁閉度限制了光照到達(dá)地面的程度，進(jìn)而影響了對光照依賴較大的植物的生長。2）撂荒地作為對照組，其植物生長速率普遍高于人工林地，這可能是由于撂荒地上植物間的競爭較小，光照條件更好。撂荒地中，野草和灌木的生長速率分別為2.7 cm·月-1和1.9 cm·月-1，高于人工林地中的相應(yīng)數(shù)據(jù)。3）通過SPSS 25.0進(jìn)行的描述性統(tǒng)計(jì)分析顯示，不同郁閉度條件下生長速率的標(biāo)準(zhǔn)差反映出數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度，此種波動(dòng)可能與個(gè)體植物間的生長差異、環(huán)境因素的變化或測量誤差有關(guān)。

由此可得出結(jié)論，陜北地區(qū)刺槐人工林的林冠郁閉度對林下植物的生長速率有顯著影響。光照需求較高的植物（如野草和灌木）在高郁閉度條件下的生長速率顯著降低，而耐陰植物（如蕨類）則顯示出更好的適應(yīng)性。

2.2" 郁閉度對林下植物生物量的影響

不同郁閉度條件下，槐樹人工林林下植物生長量情況如表3所示。

從表中可以看出：1）隨著郁閉度的增加，野草和灌木的生物量呈下降趨勢。在幼齡林中，野草的生物量為150.34 g·m-2，而在近熟林中降至68.29 g·m-2；灌木類植物的生物量從120.21 g·m-2降至75.44 g·m-2。均反映出較高的郁閉度限制了光照量，從而影響了植物生物量的積累。2）耐陰的蕨類植物在不同郁閉度下表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的生物量，從80.47 g·m-2略增至83.55 g·m-2。表明蕨類植物對光照變化的適應(yīng)性更強(qiáng)。3）撂荒地上的植物生物量普遍高于人工林地，說明撂荒地上的光照條件和競爭壓力對植物生長更為有利。

由此可得出結(jié)論，在陜北地區(qū)刺槐人工林中，林冠郁閉度對林下植物生物量有顯著影響。對于光照需求較高的植物如野草和灌木，郁閉度的增加顯著減少了它們的生物量積累；而對于耐陰的蕨類植物，其生物量在不同郁閉度條件下保持相對穩(wěn)定。

2.3" 郁閉度對林下植物形態(tài)特征的影響

不同郁閉度條件下，槐樹人工林林下植物形態(tài)特征情況如表4所示。

從表中可以看出：1）隨著郁閉度的增加，從幼齡林到近熟林，植物的平均高度和莖粗普遍呈下降趨勢。在幼齡林中，野草的平均高度為35.26 cm，而在近熟林中降至24.89 cm；灌木類植物的平均高度從57.34 cm降至42.67 cm。可能是由于光照不足導(dǎo)致植物生長受限。2）葉片大小也受郁閉度影響。在幼齡林中，野草和灌木的葉片較大，分別為14.56 cm2和22.47 cm2，而在近熟林中，這些值降至9.73 cm2和16.32 cm2。說明在光照較少的環(huán)境中，植物可能通過減小葉片面積以降低光合作用所需的光照。3）耐陰的蕨類植物在不同郁閉度下的高度和葉片大小變化較小，表明其適應(yīng)性更強(qiáng)。

由此可知，在陜北地區(qū)刺槐人工林中，林冠郁閉度對林下植物的形態(tài)特征有顯著影響。具體來說，隨著郁閉度的增加，植物的平均高度、莖粗和葉片大小普遍呈下降趨勢。此趨勢在對光照需求較高的野草和灌木類植物中尤為明顯，而耐陰的蕨類植物則表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性，其形態(tài)特征在不同郁閉度條件下的變化較小。說明在較高郁閉度條件下，光照的限制導(dǎo)致了植物生長受阻，特別是對于部分依賴較多光照的植物種類。

3" 結(jié)論與建議

3.1" 結(jié)論

研究了陜北地區(qū)刺槐人工林林冠郁閉度對林下植物生長特性的影響，通過對不同郁閉度條件下植物生長速率、生物量及形態(tài)特征的綜合分析，得出以下結(jié)論。

1）林冠郁閉度與生長速率。林冠郁閉度對林下植物的生長速率有顯著影響。在光照需求較高的植物種類如野草和灌木中，隨著郁閉度的增加，其生長速率顯著降低。此現(xiàn)象說明，光照量的減少直接限制了這些植物的光合作用能力和生長潛力；相反，耐陰植物如蕨類在不同郁閉度條件下表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，其生長速率變化不大。

2）林冠郁閉度與生物量積累。林冠郁閉度對林下植物生物量的顯著影響。光照需求較高的植物在郁閉度較高的環(huán)境中，其生物量積累顯著減少。原因在于光照不足導(dǎo)致植物自身光合作用效率明顯降低。而耐陰植物的生物量在不同郁閉度條件下保持相對穩(wěn)定，表明此類植物能夠更好地適應(yīng)低光照條件。

3）林冠郁閉度與植物形態(tài)特征。隨著郁閉度的增加，植物的平均高度、莖粗和葉片大小普遍呈現(xiàn)下降趨勢。此趨勢在對光照需求較高的野草和灌木類植物中尤為明顯，而耐陰植物的形態(tài)特征變化較小。說明在較高郁閉度條件下，光照的限制對植物生長形態(tài)造成了明顯的影響，特別是對那些依賴更多光照的植物種類。

3.2" 建議

本研究的發(fā)現(xiàn)揭示了陜北地區(qū)刺槐人工林中林冠郁閉度對林下植物生長特性的重要影響，可為林業(yè)管理和生態(tài)保護(hù)措施的制定提供參考。1）強(qiáng)調(diào)了光照在林下植物生長中的重要作用。由于刺槐人工林的林冠郁閉度直接影響光照量，因此林下對光照敏感的植物種類，如野草和灌木，在高郁閉度條件下生長受限。2）耐陰植物在高郁閉度環(huán)境中表現(xiàn)出的適應(yīng)性，揭示了在林下植物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性管理中應(yīng)考慮植物種類的光照需求。3）觀察到的植物高度、莖粗和葉片大小的減少等植物形態(tài)特征變化，進(jìn)一步說明了林冠郁閉度如何影響植物的形態(tài)適應(yīng)策略。

據(jù)此建議，后期陜北地區(qū)在進(jìn)行槐樹人工林管理時(shí)，需充分考慮高郁閉度對光照敏感植物生長速率和生物量的負(fù)面影響，定期（6個(gè)月左右）進(jìn)行適度的間伐和修剪，以增加林下光照。通過調(diào)節(jié)林木密度和樹冠結(jié)構(gòu)，改善林下的光照條件，從而支持更多光照敏感植物的生長。同時(shí)在高郁閉度區(qū)域，應(yīng)引入和種植更多耐陰植物，如蕨類和某些灌木種類，此類植物能夠在低光照條件下生長良好，有助于提高林下生物多樣性，并維持生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。并建議建立長期的監(jiān)測系統(tǒng)，定期評估林冠郁閉度對林下植物群落的影響。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整林業(yè)管理策略，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件和植物生長需求。此外，針對退化或破壞較嚴(yán)重的區(qū)域，可通過生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目促進(jìn)植物多樣性的恢復(fù)。例如，通過種植本地耐陰植物和其他適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的物種，恢復(fù)和增強(qiáng)林下生態(tài)系統(tǒng)的自然功能。本研究結(jié)果可為陜北地區(qū)刺槐人工林發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考，助力實(shí)現(xiàn)刺槐人工林及林下植物群落的和諧和可持續(xù)發(fā)展，在提高林地的生態(tài)價(jià)值的同時(shí)，為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境利益。

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