塞罕壩不同發(fā)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(jī)械林場總場，河北 承德 064866)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其在維持地球生態(tài)平衡和發(fā)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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)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(nèi)外學(xué)者所研究[2-6]。劉玉寶[7]、林開敏等[8]研究發(fā)現(xiàn),較高的林下植被多樣性能夠促進(jìn)人工林地力的恢復(fù)。還有研究表明，林下草本植物可以指示其森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健康狀況以及該林地的立地質(zhì)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(guī)劃和進(jìn)行科學(xué)的生物多樣性保護(hù)的基礎(chǔ)。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(tài)系統(tǒng)的健康狀況，為生產(chǎn)經(jīng)營以及更好地保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供依據(jù)。塞罕壩機(jī)械林場目前有林地面積為8萬hm2，在防風(fēng)固沙、保護(hù)土壤、涵養(yǎng)水源等方面已經(jīng)發(fā)揮出了巨大的生態(tài)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(jī)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(fā)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(jìn)行分析研究，以便更好了解塞罕壩機(jī)械林場白杄人工林不同發(fā)育階段林下植被生物多樣性現(xiàn)狀，為白杄人工林的合理經(jīng)營、物種多樣性保護(hù)以及其生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

塞罕壩機(jī)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(biāo)116°51′—117°39′ E、42°02′—42°36′ N，地處內(nèi)蒙古高原渾善達(dá)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(fā)源地之一。林區(qū)內(nèi)植物種類相當(dāng)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(qū)內(nèi)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(shè)置

在塞罕壩機(jī)械林場選擇地形和土壤條件基本相同的不同發(fā)育階段(幼齡林、中齡林和近熟林)的白杄人工林，在林內(nèi)設(shè)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(fā)育階段白杄林分概況

2.2 調(diào)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(nèi)的喬木和灌木(胸徑超過1 cm)的種類、株數(shù)、胸徑、高度、冠幅、地徑。再在每個基本單元中設(shè)置1個1 m×1 m的樣方，記錄這10個1 m×1 m小樣方內(nèi)植物種類、數(shù)量、高度、種的蓋度。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)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(jìn)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(shù)

辛普森指數(shù)(D)：

香農(nóng)-維納指數(shù)(H′)：

H′=-∑PilnPi

均勻度指數(shù)：

皮洛均勻度指數(shù)1JSW=-∑PilnPi/lnS

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

3 結(jié)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(fā)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(fā)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(diào)查時將喬木和灌木一起調(diào)查，都統(tǒng)計到灌木層。由表3可以看出，不同發(fā)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(yōu)勢地位最明顯的均為華北落葉松，其次是白樺。

表3 不同發(fā)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(yōu)勢地位較明顯的植物有細(xì)葉苔草、硬質(zhì)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(yōu)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(yōu)勢地位明顯下降，到了近熟林階段這幾種植物的優(yōu)勢地位又再度下降。中齡林優(yōu)勢地位明顯的植物為白蓮蒿、大丁草、并頭黃芩；近熟林優(yōu)勢地位明顯的植物為草原老鸛草、紫斑風(fēng)鈴草和瓣蕊唐松草。

細(xì)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(yōu)勢，林分形成一段時間后，由于森林對土壤的庇護(hù)和改良，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，立地逐漸演變，因而這些植物的優(yōu)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(fēng)鈴草逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

表4 不同發(fā)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(shù)

從表 5 可知，不同發(fā)育階段白杄人工林林下植被物種豐富度表現(xiàn)為中齡林(53個) > 幼齡林( 35個) > 近熟林( 28 個) 。不同發(fā)育階段木本層的多樣性指數(shù)(Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性)以及均勻度指數(shù)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(shù)表現(xiàn)為中齡林大于幼齡林和近熟林，其Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)分別為0.8和2.03，幼齡林和近熟林多樣性指數(shù)差別不大，幼齡林多樣性指數(shù)分別為0.63和1.44，近熟林分別為0.62和1.42。均勻度指數(shù)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(shù)表現(xiàn)為草本層大于木本層。

表5 不同發(fā)育階段白杄人工林林下植被多樣性

4 結(jié)論與討論

塞罕壩不同發(fā)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(huán)境以及土壤條件有關(guān)，塞罕壩地區(qū)寒冷多風(fēng)，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(fā)育階段白杄人工林木本層的豐富度、優(yōu)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(fā)育階段草本層的優(yōu)勢種不同，在幼齡林階段優(yōu)勢種多為生長在立地條件較差干旱山坡的細(xì)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(fēng)鈴草等耐蔭植物成為優(yōu)勢植物。塞罕壩地區(qū)白杄人工林不同發(fā)育階段草本層的優(yōu)勢物種不同，也說明森林能夠?qū)ν寥栏纳破鸬椒e極作用。

塞罕壩白杄人工林草本層豐富度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)表現(xiàn)為中齡林大于幼齡林和近熟林，林下植被表現(xiàn)為萎縮→發(fā)育→萎縮的發(fā)育規(guī)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(xiàn)了自然稀疏以及人工間伐，林內(nèi)的光照條件得到改善，有利于林下植被的生長。