浙江缙云县公益林群落植物多样性及生物量动态分析

王立竹, 于晓鹏, 管杰然, 叶诺楠, 商天其, 伊力塔



浙江缙云县公益林群落植物多样性及生物量动态分析

王立竹1, 于晓鹏2, 管杰然3, 叶诺楠1, 商天其1, 伊力塔1*

1. 浙江农林大学, 临安 311800 2. 临朐县环境保护局, 临朐 262600 3. 广西盛麒科技有限公司, 南宁 530000

根据浙江省缙云县150个公益林固定监测小班2013年到2015年连续3年的监测数据, 在对主要群落类型,即松林、杉木林、阔叶林、针阔混交林、毛竹林和灌木林的优势种确定的基础上, 运用Simpson指数(D)、Shannon-Wiener指数(H’)和Pielou指数(J)评估群落生物多样性并推算了群落生物量。根据连续监测结果表明: 缙云县公益林优势种稳定, 主要为马尾松()、杉木()、毛竹()、木荷()、茶()等; 植物多样性在不同层次中表现为灌木层>草本层>乔木层; 松林的总生物量最高, 灌木林最低。基于此, 可以表明缙云县公益林生长状况良好, 同时也对今后的公益林建设提出了一些意见和建议: ①加大对林分的改造, 在持续发挥林分经济效益的前提下, 通过人工措施对林分进行高度集约的改造经营, 在加快针叶林的阔叶化改造的同时, 加大对灌木层和草本层的经营; ②在今后的经营中应该注重对优势种群的抚育, 改造和提升阔叶林及其他林种的质量, 加速群落的正向演替; ③加大对毛竹林的抚育、改造, 不断改善提升毛竹林质量, 从而提升生物量和生物多样性。

公益林; 优势种; 生物多样性; 生物量; 缙云

1 前言

森林生态系统是陆地生态系统的主体, 同时也在全球碳平衡和维护区域生态管理方面起着及其重要的作用[1-3]。为了保护生态环境, 维持生态平衡, 满足人类社会的生态需求, 公益林已然成为全国以及浙江省生态公益建设的重点[4-5]。公益林作为维护和改善生态环境, 保持生态平衡, 保护生物多样性, 保存物种资源等满足人类社会的生态、社会需求和可持续发展为主题功能的经营性森林, 更具有重要的研究价值与意义。公益林也是指生态区位极其重要, 或者生态状况极其脆弱, 对国土生态安全、生物多样性保护和对经济社会可持续发展具有重要作用, 以提供森林生态和社会服务产品为主要经营重点的林地。生态公益林工程涉及的立地大多是土壤条件较差、水土流失易发生地带, 因此生态公益林建设也是生态建设的主要组成部分。虽然目前关于浙江省公益林群落结构和动态的研究逐渐增多, 如1999年杜国坚等[6]首先对浙江省生态公益林经营问题进行了探讨, 楼崇等[7]、周子贵等[8]又对浙江省公益林建设发展的方向、对策问题进行了分析, 但普遍存在着样本少, 缺乏系统性等问题, 而且原有研究中主要着眼于省级尺度上, 在县市级尺度上的相关报道较少。因此, 本文从2013年到2015年连续3年对缙云县公益林小班进行监测, 并对其优势种、生物多样性和生物量的连续变化进行研究, 在县级水平上对公益林的生长、发展进行探讨, 为县级水平的公益林研究做一个分析, 探讨其价值和生长状况。

2 研究区概况

缙云县隶属浙江省丽水市, 位于浙江南部腹地、中南部丘陵山区, 丽水市西北部, 距杭州175 km。位于北纬28°25′—28°57′, 东经119°52′—120°25′之间, 东西宽54.6 km, 南北长59.9 km, 县界全长304.4 km, 总面积为1503.52 km2。分为中山、低山、丘陵和谷地四种地貌类型, 其中山地、丘陵约占全县总面积的80%, 是典型的“八山一水一分田”的山区县城。温暖湿润、四季分明, 属于亚热带季风气候, 年平均气温为17.9 ℃, 年积温达5400 ℃, 1月最冷月平均气温7.6 ℃, 极端最低温为–10 ℃; 7月最热月平均气温27.9 ℃; 年平均无霜期为276 d; 年平均相对湿度为81%; 年降水量为1610.5 mm。

全县公益林面积30333.33 hm2, 占土地总面积的20.17%, 占全县林业用地面积的26.24%。根据森林类型大致可分为6类, 即松林、杉木林、阔叶林、针阔混交林、毛竹林和灌木林等群落类型。资源比较丰富, 植物类型较多, 其中乔木树种主要以马尾松、杉木、毛竹、枫香树、茶、杜鹃等为优势种。

3 研究方法

3.1 样地的选取与设置

以缙云县二类资源清查公益林的3887个小班为抽样总体, 其中各公益林森林类型及面积所占比例如表1所示, 随机抽取150个固定监测小班, 在对公益林固定监测小班全面踏查的基础上, 选取20 m× 20 m的典型地段作为固定样地, 并且详细记录经纬度、坡度、坡向、坡位、海拔、闭郁度、土壤等环境因子的基本信息[9-10], 基本信息及不同森林类型主要树种如表2所示。采用每木调查方法对样地内乔木层(胸径大于5.0 cm)的植物种的树种名称、树高、胸径、枝下高等进行测量记录, 同时在样地对角线上均匀设置3个2 m×2 m的灌草固定监测小样方, 详细记录灌木层中物种的种类、株数、盖度、高度、地径以及草本层中物种的种类、数量、盖度、高度等相关指标[11], 样方设置方法如图1。

3.2 重要值

重要值(important value)是研究某个种在群落中的地位和作用的综合数量指标。对于群落的研究有着重要的意义。不同群落类型的重要值的计算方法不同, 文章中主要研究群落的生态意义, 主要涉及以下2个群落重要值的计算公式。

表1 缙云县公益林类型统计

表2 缙云县公益林不同森林类型群落基本信息及主要树种

图1 样方设置示意图

(1)乔木层群落重要值: 重要值IV(%)=(相对显著度+相对高度+相对多度)/3

(2)灌木层、草木层重要值: 重要值IV(%)=(相对盖度+相对多度)/2

3.3 植物多样性指数

生物多样性(biodiversity)是指生物中的多样化和变异性, 以及物种生境的生态复杂性[12]。而多样性是描述群落结构特征的数学语言, 文中主要分析以下几个指标[13][14]。

其中:i为物种的相对重要值,为物种数。

3.4 生物量估算

生物量(biomass)指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质的总量, 通常用kg·m-2或t·hm-2表示。森林生物量是生态系统性质、状态的重要指示特征, 也是深入了解森林生态系统变化规律的重要途径[15-16]。根据固定小班野外调查监测数据和浙江省重点公益林生物量模型[17-18], 推算乔木层、灌木层以及草本层的生物量。

4 结果与分析

4.1 群落优势种

优势种(dominant)对群落结构和群落环境的形成有明显控制作用。他们通常表现为个体数量多、体积大或生物量高、生活能力比较强, 从而对群落的结构以及群落环境的形成起着决定性作用[19]。故研究群落的优势种对植被的经营管理、植被恢复和生物多样性保护有着重要意义[20]。本文选取重要值大于0.1的植物种在连续监测中的动态变化列表, 如表3所示。

表3 缙云县公益林群落树种重要值动态

由表3可以看出, 马尾松和杉木为乔木层中的建群种, 且在2015年杉木所占的比例超过了马尾松, 并且3年的优势种几乎没有变化; 檵木和茶是灌木层中的优势种, 但在2015年其重要值明显下降且灌木层中的树种明显减少; 紫萁、芒萁为草本层中的优势种, 且表中大部分树种的重要值有所下降。

4.2 群落植物多样性

根据主要公益林群落类型及公益林群落不同层进行了分析, 如表4和表5所示。

4.2.1 不同类型群落植物多样性

由表4可以看出在连续3年的时间里, 乔木层中松林的Simpson’s指数最大, 毛竹林的Simpson’s指数最小; 松林、杉木林、阔叶林、针阔混交林和毛竹林的Simpson’s指数上下浮动, 但总体呈上升趋势, 说明这5种森林类型的群落物种丰富度有所增高。此外, 2013年与2015年5中森林类型的群落的优势度指数均表现为松林>阔叶林>杉木林>针阔混交林>毛竹林, 和2014年的相比除毛竹林和针阔混交林有所变化外其他均保持一致; 并且数值在3年内有所增加, 说明2013年到2015年间不确定性增加, 即物种的多样性增加。对于Pielou指数的变化, 从整体上看, 除了毛竹林以外, 2013年到2015年的Pielou指数均有所增加, 说明群落中物种数目多, 个体分配的越均匀, 群落的生物多样性越高。

4.2.2 不同层次群落植物多样性

由表5可以看出, 2013到2015年3年的连续时间里, 乔木层的Shannon-Weiner指数、Pielou指数以及Simpson’s指数均连续增长; 灌木层和草本层的多样性均有所下降。

4.3 群落生物量

生物量是森林生态系统最基本的数量特征, 是森林生态系统结构优劣和功能高低的最直接的表现, 是森林生态系统环境质量的综合体现, 同时也是森林固碳能力的重要指标。因此研究群落的生物量对探求群落植物生长状况等有着重要的意义。

从图2中可以看出, 只有阔叶林的总生物量逐年递增, 且2014年和2015年的总生物量显著(< 0.05)高于2013年, 其他林地的总生物量均呈现显著(<0.05)递减的趋势。2013年到2015年, 杉木林、针阔混交林、毛竹林和灌木林的单位生物量显著(< 0.05)降低, 阔叶林的单位生物量显著增加(<0.05)。此外, 松林的总生物量在3年中一直处于优势地位且单位生物量上升, 灌木林的总生物量则最小, 这与钱逸凡等[21]的浙江中部地区公益林群落特征与动态描述相一致。

表4 缙云县公益林群落不同森林类型植物多样性指数动态

表5 缙云县公益林群落不同层次植物多样性指数动态

图中不同字母表示组内差异显著

5 结果与讨论

通过对缙云县公益林2013到2015连续3年的优势种、生物多样性、生物量的研究, 得到以下结论: ①乔木层的优势种为马尾松和杉木, 且处于稳定; 灌木层的优势种为檵木和茶, 此外灌木层中的树种明显减少, 且优势树种的重要值明显下降; 草本层的优势种为紫萁和芒萁, 草本层中大部分树种的重要值有所下降。②松林的生物多样性最大, 毛竹林最小, 此外, 杉木林、阔叶林、针阔混交林的生物多样性也均呈现上升趋势, 且松林>阔叶林>杉木林>针阔混交林>毛竹林; 在不同层上来看, 乔木层生物多样性增加, 灌木层和草本层的生物多样性减少。③连续3年中, 阔叶林总生物量显著(<0.05)增加, 松林、杉木林、针阔混交林、毛竹林和灌木林的总生物量显著(<0.05)减少; 阔叶林的单位生物量显著(<0.05)增加, 松林的单位生物量增, 杉木林、针阔混交林、毛竹林和灌木林的单位生物量显著(<0.05)降低。

缙云县作为浙江省生态建设的重点区域, 其公益林的质量整体高于全省水平, 但从上文的结果中可知缙云县公益林不同森林类型之间的生物量及植物多样性在连续3年里存在不同的变化。首先, 针阔混交林总生物量显著(<0.05)降低而阔叶林总生物量显著(<0.05)增加, 可能是由于针叶林的阔叶化改造在全省范围内实施导致的, 而在改造期间, 由于人为对林分的经营导致针阔混交林的植物多样性增加; 而阔叶林的生物量及植物多样性的增加致使乔木层利用了绝大部分的光照, 有限的光照进入林内灌木层和草本层, 造成灌木层和草本层植物光能利用率低, 导致灌木层和草本层的生物量及植物多样性降低, 且灌木层的生物种类明显减少, 因此, 在今后应多注意对灌木层和草本层的经营; 其次, 由于在改革开放时期森林被人类过渡利用, 破坏了大量的原始森林植被, 仅有少量大径级的树木被留下, 且多数为松林和杉木林, 就导致缙云县公益林的优势种相对单一, 乔木层的建群种较少, 多为松杉两类树种, 建议在今后的经营管理中应该提升其保育能力和群落稳定性; 最后, 由于毛竹林多为纯林且作为主要的经济树种经营程度大, 造林初期林内其他树种也受到人为的破坏[22], 且毛竹林成分单一, 从而导致林内树种资源少, 物种单一, 生物多样性较低, 故应加大对毛竹林的抚育、改造, 增加其林内资源, 提高林子质量, 人为帮助提高物种多样性, 不断改善提升毛竹林质量, 从而提升生物量和植物多样性。

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Plant diversity and biomass dynamics of the public-welfare forest in Jinyun County, Zhejiang Province

WANG Lizhu1, YU Xiaopeng2, GUAN Jieran3, YE Nuonan1, SHANG Tianqi1, YI Lita1*

1. Zhejiang Agriculture and Forestry University, linan 311300, China 2. Liqu countuy Environmental Protection Agency, Linqu 262600, China 3. Guangxi Sheng Qi Technology Co. Ltd., Guangzxi 530000, China

Based on three period field survey data of public-welfare forests, the pine forest, cunninghamia lanceolate forest, broad-leaved forest, coniferous, broad-leaved mixed forest, bamboo forest and shrubbery were identified as the dominant community types in Jinyun County, Zhejiang province. Community biodiversity and biomass are also calculated using Simpson index (), Shannon Wiener index (') and Pielou evenness index (). The results showed that the dominant species of the public-benefit forest in Jinyun County were stable, which included,,,, and. The diversity showed shrub layer > herb layer > arbor layer at different levels; the pine forest had the highest total biomass, and the shrubs had the lowest value. It indicates that the growth of public welfare forests in Jinyun County is in good condition. Some opinions and suggestions are put forward for the future development of public welfare forests. Firstly, the transformation of forest stands should be increased; we should also accelerate the broad-leaf reconstruction of coniferous forests and increase the cultivation of shrub layer and herbaceous layer, to improve the economic benefits of forest. Secondly, in the future operations, attention should be paid to the tending of dominant populations. We should renovate and upgrade the quality of broad-leaved forests and other forest species to accelerate the positive succession of communities; Finally, we should increase the tending and transformation of bamboo forests, and constantly improve the quality of bamboo forests, so as to increase biomass and biodiversity.

public-welfare forests; dominant species; biodiversity; biomass; Junyun

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.018

S718.5; Q145+.2

A

1008-8873(2018)04-147-07

0000-00-00;

0000-00-00

浙江省重点科技创新团队项目（2011R50027）

王立竹（1993—），女，吉林农安人，硕士研究生，主要从事群落生态学研究，E-mail：979537664@qq.com

伊力塔，副教授，硕士研究生导师，E-mail：yilita@126.com

王立竹, 于晓鹏, 管杰然, 等. 浙江缙云县公益林群落植物多样性及生物量动态分析[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 147-153.

WANG Lizhu, YU Xiaopeng, GUAN Jieran, et al. Plant diversity and biomass dynamics of the public-welfare forest in Jinyun County, Zhejiang Province[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 147-153.