塞罕坝不同发育阶段白杄人工林林下植被多样性研究

于士涛，付立华

(河北省塞罕坝机械林场总场，河北 承德 064866)

森林是陆地生态系统的主体，其在维持地球生态平衡和发展的过程中起着不可或缺的作用[1]。林下植被是森林的重要组成部分，其在维持森林的生态系统结构和功能稳定性、土壤立地条件等方面也起到了重要作用。因而森林生物多样性包括林下植被的生物多样性问题被国内外学者所研究[2-6]。刘玉宝[7]、林开敏等[8]研究发现,较高的林下植被多样性能够促进人工林地力的恢复。还有研究表明，林下草本植物可以指示其森林生态系统的稳定性、健康状况以及该林地的立地质量[5]。李俊清[1]提出研究物种多样性随着时间的变化是制定合理规划和进行科学的生物多样性保护的基础。因此积极探索研究人工林林下植被多样性有助于人们了解森林生态系统的健康状况，为生产经营以及更好地保护森林生态系统的稳定性提供依据。塞罕坝机械林场目前有林地面积为8万hm2，在防风固沙、保护土壤、涵养水源等方面已经发挥出了巨大的生态效益。然而其90%以上的森林为人工林，白杄(PiceameyeriRehd.)人工林是塞罕坝机械林场人工林三大树种之一，因此对白杄人工林林下植物多样性的研究十分必要。本试验以不同发育阶段的白杄人工林为研究对象，对其林下植被的物种组成、重要值以及多样性进行分析研究，以便更好了解塞罕坝机械林场白杄人工林不同发育阶段林下植被生物多样性现状，为白杄人工林的合理经营、物种多样性保护以及其生态系统的健康发展提供科学依据。

1 研究地概况

塞罕坝机械林场位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县最北部，地理坐标116°51′—117°39′ E、42°02′—42°36′ N，地处内蒙古高原浑善达克沙地南缘。地貌以高原和山地为主，海拔1 010～1 940 m，是滦河、辽河两大水系的发源地之一。林区内植物种类相当丰富，有维管植物81科303属618种(包含种下等级)，其中蕨类植物6科10属16种；裸子植物2科4属10种；被子植物73科289属592种，其中双子叶植物63科227属462种，单子叶植物10科62属130种。林区内土壤以灰色森林土为主，还有一些棕壤土和沼泽土等。

2 研究方法

2.1 样地设置

在塞罕坝机械林场选择地形和土壤条件基本相同的不同发育阶段(幼龄林、中龄林和近熟林)的白杄人工林，在林内设置面积为50 m×50 m的样地，样地基本情况见表1。

表1 不同发育阶段白杄林分概况

2.2 调查方法

将样地划分成5 m×5 m样方基本单元，编号。然后记录每个基本单元格内的乔木和灌木(胸径超过1 cm)的种类、株数、胸径、高度、冠幅、地径。再在每个基本单元中设置1个1 m×1 m的样方，记录这10个1 m×1 m小样方内植物种类、数量、高度、种的盖度。

2.3 数据统计

2.3.1 重要值的计算

木本层重要值(Iv)计算公式：

Iv=RC+RF+RD

式中：Iv为重要值，RC为相对胸高断面积，RF为相对频度，RD为相对密度，对胸径大于或等于 1 cm的乔木和灌木进行重要值评价。

草本层重要值计算公式：

Iv=RG+RF+RD

式中：Iv为重要值，RG为相对盖度，RF为相对频度，RD相对密度。

2.3.2 多样性和均匀度指数

辛普森指数(D)：

香农-维纳指数(H′)：

H′=-∑PilnPi

均匀度指数：

皮洛均匀度指数1JSW=-∑PilnPi/lnS

式中：Pi为物种i的个体数占样地内总个体数的比例，i=1, 2, …,S；S为物种种类总数，个。

3 结果分析

3.1 不同林龄林分植被组成

从表2可以看出，中龄林的物种丰富度明显高于幼龄林和近熟林，有53种植物，分别属于25科36属。幼龄林和近熟林的丰富度差别不大，幼龄林有35种植物，近熟林有28种植物。就不同层次来看，3个不同发育阶段的白杄人工林灌木层的丰富度差别不大，差别较大的是草本层，白杄中龄林的草本层植物种类最丰富，有47种，而幼龄林和近熟林分别有31种和24种。

表2 不同发育阶段白杄人工林林下植被组成

3.2 林下植被重要值

3.2.1 灌木层植被重要值 由于塞罕坝特殊的气候条件，适于坝上生长的灌木和乔木较少。因而，本试验在调查时将乔木和灌木一起调查，都统计到灌木层。由表3可以看出，不同发育阶段的白杄人工林灌木层植物之间的重要值差别不大，优势地位最明显的均为华北落叶松，其次是白桦。

表3 不同发育阶段白杄人工林木本层植物重要值

3.2.2 草本层植被重要值 由表4可知，幼龄林中优势地位较明显的植物有细叶苔草、硬质早熟禾、瓣蕊唐松草和扁蓿豆；而到了中龄林阶段，在幼龄林中占优势地位的上述4种植物除了扁蓿豆消失外，其他3种植物虽然存在，但是优势地位明显下降，到了近熟林阶段这几种植物的优势地位又再度下降。中龄林优势地位明显的植物为白莲蒿、大丁草、并头黄芩；近熟林优势地位明显的植物为草原老鹳草、紫斑风铃草和瓣蕊唐松草。

细叶苔草和扁蓿豆一般生长在干旱的坡地和石坡地，土层较薄，立地条件较差。塞罕坝在未造林前多为这种立地条件，因而在幼龄林里这种植物占优势，林分形成一段时间后，由于森林对土壤的庇护和改良，土壤结构发生变化，立地逐渐演变，因而这些植物的优势地位逐渐降低，甚至消失，而具有一定耐阴性的植物如白莲蒿、大丁草、紫斑风铃草逐渐占据主导地位。

表4 不同发育阶段白杄人工林草本层植物重要值

注：由于植物种类较多，本表只列出重要值在10%以上的种类

3.3 林下植被多样性指数

从表 5 可知，不同发育阶段白杄人工林林下植被物种丰富度表现为中龄林(53个) > 幼龄林( 35个) > 近熟林( 28 个) 。不同发育阶段木本层的多样性指数(Simpson多样性指数、Shannon-Wiener 多样性)以及均匀度指数1、2差异均较小，这主要是因为木本层的植物种类少且变化不大。

草本层多样性指数表现为中龄林大于幼龄林和近熟林，其Simpson多样性指数、Shannon-Wiener 多样性指数分别为0.8和2.03，幼龄林和近熟林多样性指数差别不大，幼龄林多样性指数分别为0.63和1.44，近熟林分别为0.62和1.42。均匀度指数同样是中龄林大于幼龄林和近熟林。

总体来看，白杄人工林的多样性指数表现为草本层大于木本层。

表5 不同发育阶段白杄人工林林下植被多样性

4 结论与讨论

塞罕坝不同发育阶段的白杄人工林木本层的丰富度、重要值以及多样性差距不明显。这主要与塞罕坝特殊的气候环境以及土壤条件有关，塞罕坝地区寒冷多风，立地条件差，因而适宜生长的乔灌木本身就比较少，再加上白杄林为人工林，初植密度较高，其林下乔灌木很少，因而不同发育阶段白杄人工林木本层的丰富度、优势物种以及多样性变化不大。

塞罕坝的白杄人工林在不同发育阶段草本层的优势种不同，在幼龄林阶段优势种多为生长在立地条件较差干旱山坡的细叶苔草、扁蓿豆，而随着林龄的增加，林下土壤条件变好，草本层中如白莲蒿、大丁草、紫斑风铃草等耐荫植物成为优势植物。塞罕坝地区白杄人工林不同发育阶段草本层的优势物种不同，也说明森林能够对土壤改善起到积极作用。

塞罕坝白杄人工林草本层丰富度、多样性指数和均匀度指数表现为中龄林大于幼龄林和近熟林，林下植被表现为萎缩→发育→萎缩的发育规律。这主要是因为在幼龄林阶段林分的郁闭度较高，光照条件差，因而草本层植物种类较少，随着林龄的增加，出现了自然稀疏以及人工间伐，林内的光照条件得到改善，有利于林下植被的生长。