广州城市森林林分结构及林下植物多样性研究

2016-01-15梁璇,刘萍,徐正春

西南林业大学学报 2015年2期

梁璇1，2刘萍1徐正春3

(1.华南农业大学林学与风景园林学院，广东广州 510642；2.广州市林业和园林局，广东广州 510060；

3.华南农业大学继续教育学院，广东广州 510642)

摘要：以广州市城市森林为研究对象，在天然次生林、改造人工林和未改造人工林设置大样地进行调查，比较分析3种森林类型的林分结构特征和林下植物多样性。结果表明，天然次生林乔木层主要树种为华润楠、罗浮柿、木荷、红花荷、马尾松、鼠刺等，改造人工林主要有马尾松、杉木等造林树种与其他引进树种，未改造人工林主要有湿地松；天然次生林大径木和特大径木株数比例较高，改造人工林中小径木较多，未改造人工林径阶-株数曲线表现为双峰状正态分布；天然次生林树高分布在10～14 m的植株较多，改造人工林树高近似于正态分布，未改造人工林树高结构呈现为接近该林分平均高的植株数最多的非对称性山状曲线；天然次生林林下植物多样性最高，改造人工林次之，未改造人工林最小。

关键词：城市森林；林分结构；植物多样性；广州市

中图分类号：S718.54

文献标志码：A

文章编号：2095-1914(2015)02-0037-06

Abstract:Urban forest is an important part of forest resources of China, and it played an important role in economy, ecology, society and so on. A study on urban forest of Guangzhou was made in this paper. Plots were set up in the natural secondary forest, improved plantation and unimproved plantation, the stand structure characteristics and species diversity of undergrowth of the three different forest types were comparatively analyzed. The results showed that the arbor layer of the natural secondary forest in Guangzhou mainly consisted of Machilus chinensis, Diospyros morrisiana, Schima superba, Rhodoleia championii, Pinus massoniana, Itea chinensis and so on. The improved plantation was mainly composed of Pinus massoniana, Cunninghamia lanceolata and other introduced tree species. The main tree species of the unimproved plantation was Pinus elliottii. The number proportion of the trees with large DBH was higher in the naturally secondary forest while the trees with middle to small DBH accounted for large proportion in the improved plantation, whereas the DBH-number curve of the unimproved plantation showed normal distribution with double peaks. More trees with height between 10m to 14m mainly distributed in the naturally secondary forest, the improved plantation approximately to normal distribution. The tree height structure of the unimproved plantation presented as asymmetric mount-formed curve close to the average height of the majority trees. The species diversity of undergrowth in the naturally secondary forest was the highest, which was followed by that of the improved and unimproved plantation.

Keywords:urban forest; stand structure; undergrowth species diversity; Guangzhou

收稿日期：2014-10-14

作者简介：黄盛华(1972—)，男，工程师。研究方向：森林培育。Email：mshsh0039@163.com。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.007

Study on Stand Structure and Undergrowth Species Diversity of

Urban Forest in Guangzhou

LIANG Xuan1,2, LIU Ping1,XU Zheng-chun3

(1.College of Forestry and Landscape Architecture，South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510642，China；

2.Administration of Forestry and Gardening of Guangzhou Municipality，Guangzhou Guangdong 510060，China；

3.College of Continuing Education,South China Agricultural University,Guangzhou Guangdong 510642,China)

系统论认为当环境给定后，结构决定功能，系统结构是系统保持整体性以及具有一定功能的内在根源[1]。林分结构是森林经营的重要方面，在很大程度上影响着森林的质量及其多种功能的发挥，对于森林调查和森林经营决策都具有重要意义。国内外的研究表明：不同类型的森林具有不一样的林分结构特征[2-4]，它与生物多样性之间具有复杂的关系[5-7]。由于森林类型及其结构和功能的多样性，生物多样性的各种规律在森林中都有不同程度的体现和表达[8]。

改革开放以来，广州林业发展和森林建设经历了3个阶段。第1阶段是“消灭荒山、绿化达标”，从传统以砍树为主转变为造林种果为主，实现从生产型林业向绿化型林业的转型；第2阶段是“巩固成果、发展提高”，实施商品林和生态公益林“分类经营”战略，实现从单一的山上种树向森林分类经营转型；第3阶段是“城市生态林业”，实现城郊型林业向城市型现代林业转型，着重营造高质量的森林生态体系。经过3个阶段的发展，广州市城市森林质量得到了一定的改善，但依然存在着生产力低、树种组成单一、结构简单、稳定性差、生态功能较低等问题。林分结构的不合理在很大程度上影响着广州城市森林的质量及其多种功能的发挥，而目前针对其林分结构的研究尚未见报道。本文通过对广州城市森林林分结构及林下植物多样性的研究，旨在探讨不同森林类型林分结构特征的差异以及群落垂直结构之间的联系，以期为广州城市森林的经营管理提供科学依据。

1研究区概况

广州市位于东经112°57′～114°03′，北纬22°26′～23°56′，地处中国大陆南方，广东省的中南部，珠江三角洲的北缘，接近珠江流域下游入海口。整体地貌走势为东北高、西南低，背山面海。该地区气候属于南亚热带季风气候区域，海洋性气候特征特别显著，具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。全市年平均气温21.2～23.1 ℃，总降水量1411～1942mm，呈东多西少分布格局，降水时间分布极不均匀，3、6、11月和12月降水偏多，其余月份降水均偏少，年蒸发量1700～1800mm，年日照时数1800～2100h。土壤类型主要有赤红壤、山地红壤、山地黄壤、山地草甸土，地带性土壤为赤红壤。全市林业用地面积29.3万hm2，活立木蓄积1319万m3，森林覆盖率达37.9%。该区典型地带性森林植被为亚热带季风常绿阔叶林，主要树种为壳斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)和木兰科(Magnoliaceae)。因为人类长期的经济活动，山地丘陵的森林都是天然次生林和人工林，原始林已经不存在。

2研究方法

2.1样地设置与调查

在全面了解广州市森林资源分布情况的基础上，在天然次生林、改造人工林和未改造人工林中分别设置3块50m×50m的大样地，并将每块大样地划分为25个10m×10m的正方形网格，称为调查单元。对大样地内胸径 5cm 以上的乔木树种进行每木检尺，记录各树种的种名、胸径、树高、冠幅、枝下高等因子。在大样地中均匀选择5个调查单元进行林下植物多样性调查，在这些调查单元的对角线位置分别设置1个2m×2m的灌木层样方和1个1m×1m的草本层样方，记录样方内出现的灌木、草本和藤本的种名、生活型、高度、盖度和多度。调查样地基本情况见表1。

2.2物种多样性的选择与计算

根据研究采用的尺度不同，物种多样性可分为α、β和γ多样性，相应的指数有很多[9-11]。本研究选取以下几个常用的指数分析物种的α多样性[12-13]。

重要值=相对多度(盖度)+相对频度

物种丰富度：S=样地内出现的物种数目

基于Shannon-Wiener公式的均匀度指数：

SWmax=log2SJsw=SW/SWmax

式中：ni是第i个物种的个体数；N是所有物种的个体数目；Pi为第i个物种个体数(ni)占所有个体总数(N)的比例，即Pi=ni/N(i=1，2，3，…，S)。

表1　调查样地基本情况

3结果与分析

3.1树种组成

广州属于南亚热带地区，季风常绿阔叶林是该地区的代表类型，其是热带雨林、季雨林向中亚热带典型常绿阔叶林过渡的主要森林类型。不同森林类型主要树种数量比例见图1。

由图1可以看出，天然次生林的主要树种有华润楠(Machiluschinensis)、罗浮柿(Diospyrosmorrisiana)、木荷(Schimasuperba)、红花荷(Rhodoleiachampionii)、马尾松(Pinusmassoniana)、鼠刺(Iteachinensis)等樟科、柿科(Ebenaceae)、山茶科、金缕梅科(Hamamelidaceae)、壳斗科、虎耳草科(Saxifragaceae)树种，与南亚热带典型常绿阔叶林的主要树种基本一致；改造人工林是在马尾松、杉木(Cunninghamialanceolata)等纯林的基础上通过引入台湾相思(Acaciaconfusa)、马占相思(Acaciamangium)、桉树(Eucalyptusrobusta)、山乌桕(Sapiumdiscolor)等阔叶树种进行混交而成，以改善林分结构；未改造人工林则是湿地松纯林，是很好的经济树种和造林树种。实际上，当前广州城市森林的树种结构与改革开放以来广州林业发展和森林建设先后经历的3个阶段密切相关。

3.2不同森林类型直径结构特征

依据国家林业局制定的《森林资源规划设计调查主要技术规定(2003)》，对所调查林分进行径级划分，结果见表2。不同森林类型林分直径分布情况见图2。

表2　林分径级分布

森林类型小径木(6～12cm) 中径木(14～24cm) 大径木(26～36cm) 特大径木(38cm以上) 株数比例/%株数比例/%株数比例/%株数比例/%天然次生林21232.3227241.4613921.19335.03改造人工林39252.7631141.86354.7150.67未改造人工林30531.8064367.05111.1500.00

由表2和图2可知，各森林类型林分中，中小径级植株数均较多，而大径木和特大径木的比例较少。其中，天然次生林林分自然环境较好，部分林木生长旺盛，大径木和特大径木比例达到26.22%；改造人工林林分径级结构显示出12cm后呈现为倒“J”型分布，部分特大径级林木缺失，径级结构异常，这是因为该林分在某一阶段受到较为严重的人为干扰或者病虫害所致；未改造人工林林分径级结构为双峰状正态分布，除了林木个体竞争形成大小分化外，选择采伐特定径阶的林木以及天然更新都是林分径级结构形成多峰状的原因之一[14]。总体而言，天然次生林中大径木和特大径木占有的比例大于人工林，中小径木整体上在各种森林类型林分中的生长都占有较大优势。

3.3不同森林类型树高结构特征

根据每木检尺测定结果，采取上限排外法，各样地树高以1m为1个树高级合并，按树高对株数进行归类，分析不同森林类型林分树高结构，结果见图3。

由图3可以看出，天然次生林林分树高分布于10～14m处的林木株数较多，基本可形成一条右偏的分布曲线；改造人工林林分林木株数按树高的分布是两端树高株数分布较少，接近中央径级株数逐渐增高，整体呈现正态分布状态，但总体平均高度较低；未改造人工林树高结构呈现为接近该林分平均高的林木株数最多的非对称性山状曲线，表现出典型的同龄纯林树高规律。而从胸径与树高之间的关系来看，每个径阶树高的大小变动幅度很大。一般而言，同一径阶内中等高度的林木株数较多，而株数最多的树高值与该径阶的平均高较为接近。

3.4 林下植物多样性

3.4.1林下植物科、属、种组成通过小样方调查(表3)，天然次生林样地有林下植物71种，分属于46科60属；改造人工林样地有林下植物31种，分属于17科30属；未改造人工林有林下植物31种，分属于25科31属。由表3可知，天然次生林林下灌木、藤本比例较高，而人工林林下草本比例较高。

3.4.2灌、草层主要物种的重要值对不同森林类型林下灌、草层物种重要值进行分析，结果见表4。

表3　不同森林类型林下植物组成

表4结果表明，灌木层物种间重要值相差较小，草本层重要值相差较大，相同物种在不同森林类型中重要值有差别。天然次生林林下有灌木36种，分属于23科29属，丰富度较高，但没有重要值非常突出的物种，主要以耐荫植物为多；改造人工林林下有灌木13种，分属于7科12属，龙船花(Ixorachinensis)、鬼灯笼(Clerodendronfortunatum)占据绝对优势，重要值均超过了45%，这2种植物都较为耐旱喜光，适合生长在马尾松林中；未改造人工林林下有灌木15种，分属于12科15属，以芸香科(Rutaceae)植物三叉苦(Evodialepta)为优势物种，重要值超过40%。由此可见，生境较好的天然次生林林下灌木种类丰富且分布相对均衡，而人工林下多为三叉苦、鬼灯笼、野牡丹(Melastomacandidum)等先锋植物，随着人工林群落的演替，它们基本会被渐渐淘汰。从草本层看，不同森林类型林下草本植物基本都以芒萁(Dicranopterispedata)、弓果黍(Cyrtococcumpatens)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、乌毛蕨(Blechnumorientale)为主，其中芒萁、狗脊蕨、乌毛蕨都是酸性土壤指示植物，适合生长在酸性红壤的山坡上，而广州地区一般是酸性土壤，适合其生长特性。另外，芒萁以孢子和根状茎同时繁殖，蔓延迅速，成片生长，生命力强，通常优势较为突出。相对而言，人工林下草本层所占比例高于天然次生林，这是因为天然次生林乔木层植株的冠幅、盖度比较大，以及灌木层植物的旺盛生长对草本层造成了一定的遮蔽作用，从一定程度上抑制了草本层植物的生长。

3.4.3林下植物多样性分析不同森林类型林下植物多样性统计结果见表5。

表4　不同森林类型林下灌、草层主要物种的重要值

注：仅列重要值前3的物种。

表5研究结果表明，由于天然次生林自然环境较好，因此,样方的物种丰富度最高，S达到90，F达到12.6146。从SP、SW指数来看，各森林类型之间差异十分明显，物种多样性表现为天然次生林>改造人工林>未改造人工林；从均匀度指数的计算结果来看，天然次生林林下植物的JSW较高，这表示就整体而言，天然次生林林下层植物不同物种和不同个体分布都较人工林均匀。总而言之，这3种森林类型以天然次生林林下植物丰富度最大，未改造人工林林下植被丰富度指数最小，而改造人工林林下物种多样性比未改造人工林略大，但与天然次生林间有一定的差距。这表明林下植物多样性与乔木层群落结构有一定的关系，群落结构相对单一的，林下层植物丰富度也较低。秦新生等对低丘人工林林下植被进行研究，其结果也说明人工林类型(造林树种)、林分组成(纯林或混交林)等因素对物种多样性的影响较为明显[15]。

4结论与讨论

1) 广州城市森林天然次生林乔木层主要树种为华润楠、罗浮柿、木荷、红花荷、马尾松、鼠刺等，大径木和特大径木株数比例较高，树高集中在10～14m；改造人工林乔木层主要由马尾松、杉木等造林树种与其他引种树种混交而成，中小径木较多，树高近似于正态分布；未改造人工林乔木层以湿地松等经济树种构成，径阶-株数曲线表现为双峰状正态分布，树高结构呈现为接近该林分平均高的林木株数最多的非对称性山状曲线。

2) 天然次生林林下植物资源丰富，物种多样性最高，改造人工林次之，未改造人工林最小。其中，天然次生林灌木层主要以耐荫植物为主，人工林则以先锋植物为主；天然次生林草本层比例低于人工林，但两者的草本都多为芒萁、狗脊蕨、乌毛蕨等适合生长在酸性土壤的山坡上的植物。林下植物多样性与乔木层群落结构有一定关系，群落结构相对单一，林下层植物丰富度也较低。

3) 调查结果表明，天然次生林林分结构较好，林下植被多样性较高。目前，广州城市森林仍有大面积的人工林，如何通过采取合理的经营措施以提高这些低效林的效益，引导其较快地发育成为物种丰富、层次复杂、生态功能较高的次生林，已成为广州市生态环境建设的重要内容。因此，建议遵循适地适树适时的原则，选择一些对人工生态系统恢复和发展、对生态环境影响好的乡土阔叶树种对人工林进行改造，改善林分结构。此外，还应套种一些难以自然传播的地带性森林的优势树种，对保护和促进地带性森林群落的恢复与发展很有必要[16]。对郁闭度高的林分，需采取适当的人工干扰如间伐等措施，降低林分密度，以促进和恢复林下天然更新，引导其向着气候顶级常绿阔叶林演替。

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