新宁县生态公益林不同树种结构林下植物多样性研究

李晓林， 朱 昕， 刘继煊， 曾祥海，朱登跃，许小兵， 张忠波， 刘伦红

1.新宁县林业局， 湖南 新宁 422700；2.湖南省林业局， 湖南 长沙 410004)

生态公益林作为维护和改善环境，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[1]。近年来，生态公益林的研究越来越细化，关于对生态公益林物种多样性的研究也越来越多，林分密度、林分结构、地域性气候等因子对生物多样性的影响尤为巨大[2-9]，本文根据新宁县13个生态公益林样地的监测数据，对不同树种结构林下灌木层和草本层生物多样性进行分析，以便对新宁县生态公益林的管理与结构调整提供依据，同时也可以为邵阳地区公益林的保护与发展提供参考。

1 研究区概况

新宁县地处湖南省西南边陲，越城岭山脉西北部，雪峰山脉东南部，衡邵盆地丘陵山脉西南部，资江水系扶夷江上源。地理坐标为 26°15′06″—26°55′21″N，110°28′53″—111°18′34″E，属于中亚热带季风性湿润气候区，气候温和，光、热充足，水资源较足，四季分明。新宁县 2019年省级以上公益林面积共90250.40hm2，占林业用地面积的45.4%，其中国家级公益林88464.00hm2，占公益林面积的98%；省级公益林1786.40hm2，占公益林面积的2%。本次选取的13个样地分布于8个乡镇和4个国有林场，以丘陵和山地为主，最低海拔307m，最高海拔1830m，年平均气温17℃，年平均降水量1331.1mm。基本可以代表新宁县不同类型的生态公益林。13个生态公益林样地具体位置见图1。

图1 新宁县13个生态公益林样地位置图Fig.1 Location map of 13 ecological public welfare forest sample plots in Xinning County

2 研究方法

2.1 样地设置及调查方法

采用野外实地调查的方法对 13个样地进行全面调查，样地建设面积为 25m(垂直等高线)×40m(平行等高线)=1000m2，每个样地设 5 个灌草样方，调查灌木植物和草本植物总盖度，种名、盖度、株(丛)数[10-11]。

2.2 计算方法

统计各样地灌草层样方的种名、株数及盖度，计算其重要值，计算公式为：

重要值=(相对密度+相对频度+相对优势度)/3。

(1)

采用丰富度指数、多样性指数(Simpson指数)及均匀度指数来评价灌草层生物多样性，计算公式为：

丰富度指数S=物种株数/样方面积

(2)

式中：D为多样性指数；N为所有物种个体总数；ni为第i个物种的个体数；S为物种的数目(总数)。

(3)

式中：Pi为物种重要值；S为物种的数目(总数)。

3 结果与分析

3.1 各样地灌草层重要值

分别计算13个样地灌草层的重要值，并将统计重要值排列前3位，结果见表1。 13个样地中，草本物种丰富度大于灌木物种数的样地有8个，差值区间为1～12；灌木层物种数大于草本层物种数的有4个样方，差值区间为2～7；草本层物种数与灌木层物种数相同的样地有1个，说明新宁县公益林灌木层和草本层基本上表现为草本层物种数大于灌木层物种数；另外3号样地和12号样地相差程度尤为明显，差值分别为10、9。进一步分析发现，两个样地均为以松科植物为优势种的针阔混交林，其中3号样地是以马尾松为优势种的人工林，12号样地是以华山松为优势种的天然林，两个样地的郁闭度分别为0.70和0.65，均为成熟林，原因可能为林内光照适宜，灌木层和草本层均有良好的生长空间，但草本植物对灌木植物发育的抑制作用较大。

表1 新宁县生态公益林各样地灌草层重要值(前3位)Tab.1 Important value of shrub and grass layer in different sample plots ofecological public welfareforest in Xinning County(top three)样地号郁闭度灌木物种数草本物种数种名重要值络石Trachelospermum jasminoides0.3810.8535鳞毛蕨Dryopteris expensa0.22沿阶草Ophiopogon bodinieri0.11苔草Carex tristachya0.2420.5097矮蒲苇Cortaderia selloana0.16小叶女贞Ligustrum quihoui 0.08苔草Carex tristachya0.1530.70618海通Clerodendrum mandarinorum0.12映山红Rhododendron pulchrum0.06鳞毛蕨Dryopteris expensa0.4640.8539春兰Cymbidium goeringii 0.09柃木Eurya japonica 0.06箭竹Fargesia spathacea0.2850.5063白檵木Loropetalum chinense0.21矮蒲苇Cortaderia selloana0.14野牡丹Melastoma candidum0.2560.8544白茅Imperata cylindrica0.22映山红Rhododendron pulchrum0.17

续表1 新宁县生态公益林各样地灌草层重要值(前3位)Continued Tab.1 Important value of shrub and grass layer in different sample plots ofecological public welfareforest in Xinning County(top three)样地号郁闭度灌木物种数草本物种数种名重要值金星蕨Parathelypteris glanduligera0.4570.7567山鸡椒Litsea cubeba0.07求米草Oplismenus undulatifolius 0.07锈毛莓Rubus reflexus0.2780.9092沿阶草Ophiopogon bodinieri 0.18六月雪Serissa japonica0.11山矾Symplocos sumuntia0.2190.8083六月雪Serissa japonica0.13沿阶草Ophiopogon bodinieri 0.12求米草Oplismenus undulatifolius0.18100.9079双盖蕨Diplazium donianum0.15蹄盖蕨Athyrium filix-femina0.13沿阶草Ophiopogon bodinieri0.15110.701115刚竹Phyllostachys sulphurea 0.12六月雪Serissa japonica0.08沿阶草Ophiopogon bodinieri 0.13120.65918卷柏Selaginella tamariscina0.12檵木Loropetalum chinense0.09吉祥草Reineckia carnea 0.35130.9017瘤足蕨Plagiogyria adnata0.13紫菀Aster tataricus0.12

13个样地中，重要值排名前3位的灌木植物和草本植物有20科、26属、28种，蕨类植物的重要值最高，鳞毛蕨为0.46，金星蕨为0.45；其次为络石和吉祥草，重要值为0.38和0.35；重要值小于0.10的物种有小叶女贞、春兰、柃木、檵木。13个样地中灌木层植物重要值普遍偏低，这与新宁县生态公益林受人为因素干扰较大及乔木层郁闭度太大抑制灌木的生长发育有关。以草本植物为优势种的样地有11个，以灌木为优势种的样地有2个，说明新宁县公益林灌草层中草本层相对于灌木层较发达，灌木层主要物种组成为野牡丹、山矾、小叶女贞、映山红、柃木、檵木、木姜子、锈毛莓、卷柏；草本层主要物种组成为络石、苔草、鳞毛蕨、箭竹、金星蕨、锈毛莓、求米草、沿阶草、吉祥草，由于乔木层郁闭度普遍较大，灌草层多以耐阴性植物为主。

3.2 各样地灌草层植物种类数及生物多样性

13个样地优势树种组为4种，分别是阔叶混交林(Ⅰ组)、针阔混交林(Ⅱ组)、针叶混交林(Ⅲ组)及针叶纯林(Ⅳ组)，分别计算各样地灌草层物种丰富度指数(S)、Simpson指数(D)及均匀度指数(Jsi)，对每组各指数取平均值，结果见表2。

表2 各组灌草层物种株数、物种丰富度、丰富度指数、多样性指数和均匀度指数的基本情况表Tab.2 Basic information of tree numbers, species rich-ness, richness index, diversity index and evenness index of each shrub and grass layer优势树种组物种株数/株种类数各样地灌草层生物多样性指数SDJsi阔叶混交林(Ⅰ组)681113.70.700.72针阔混交林(Ⅱ组)37167.40.820.84针叶混交林(Ⅲ组)3697.20.660.68针叶纯林(Ⅳ组)47189.40.840.86

4组优势树种结构林下灌草层物种丰富度关系为Ⅰ组﹥Ⅳ组﹥Ⅱ组﹥Ⅲ组；林下灌草层Simpson指数和均匀度指数关系基本一致，均表现为Ⅳ组﹥Ⅱ组﹥Ⅰ组﹥Ⅲ组。其中阔叶混交林中的灌草层丰富度指数明显高于其它组，但Simpson指数和均匀度指数处于较低水平，原因可能为新宁县阔叶混交林均为封山育林后自然形成的次生林，人为干扰因素较小，而针叶混交、针阔混交、针叶纯林多为人工造林，林分抚育时灌木植物被大量去除，随着林分郁闭度的增大，先锋树种逐渐被淘汰，仅有耐阴性较强的植物杜鹃、山矾、檵木、沿阶草、吉祥草、苔草得以保留，导致丰富度指数低。9号样地同为阔叶混交林，但是灌草层丰富度指数也处于较低水平，原因为9号样地多为小乔木和灌木，林分的垂直结构划分不明显，抑制了其它灌木和草本的生长，同时成土母质多为石灰岩，土层较薄，土被不连续，导致灌草层物种株数较少。针叶纯林及针阔混交林Simpson指数和均匀度指数较高的原因为造林初期连续多年人工抚育利于各物种均衡发展，所以林下物种种类较多。

4 结论与讨论

(1) 新宁县公益林灌草层中草本层相对于灌木层较发达，主要原因为各样地乔木层郁闭度太大，郁闭度≥0.7的样地有10个，林下阳光不够充足，下层又受到物种丰富的草本层抑制，加之新宁县生态公益林普遍受人为因素干扰较大。灌木层主要物种组成为：野牡丹、山矾；草本层主要物种组成为：络石、苔草、鳞毛蕨、箭竹、金星蕨、锈毛莓、求米草、沿阶草、吉祥草，郁闭度较小的林分灌木植物较发达，郁闭度较大的林分中分布有少量的耐阴性灌木植物，针对这一现象，建议郁闭度较大的林分采取透光伐，增加林下光照，同时补植柃木、檵木、木姜子、锈毛莓、卷柏等耐阴性本地灌木物种，提高其生物多样性。

(2) 新宁县公益林林下灌草层物种丰富度关系为阔叶混交林﹥针叶纯林﹥针阔混交林﹥针叶混交林，林下灌草层Simpson指数和均匀度指数关系基本一致，均表现为针叶纯林﹥针阔混交﹥阔叶混交林﹥针叶混交林。整体表现为阔叶混交林物种丰富度高，但Simpson指数和均匀度指数较低，这是由于新宁县的阔叶混交林大多为天然林，经过长期自然演替，达到了以阳性树种为优势种的次生林演替早期稳定状态，林下灌木层和草本层成分单一，大多为耐阴性植物；针阔混交及针叶纯林Simpson指数和均匀度指数较高，但丰富度较低，此类林分可以发展为生物多样性复杂、物种丰富的次生林，但所需时间较长，可以合理补植林内同类灌木及草本，提高灌草层物种株数，加快其发展进程；针叶混交林各项指数均为最低，此种林分只有1个样地，样地内乔木层林分密度太低，郁闭度只有0.50，林内灌木植物密布，极大地抑制了草本植物的生长发育。

(3) 林下植被是森林生态系统的重要组成部分，受环境因素、林分密度、抚育强度及间伐强度影响较大[12-16]，在改良土壤理化性质、增加土壤微量元素、提高土壤营养元素等方面起着巨大的作用[17-19]，因此保护林下植被生物多样性对于提高生态公益林的生态效益具有重要意义。总体来看，新宁县生态公益林林下植被丰富，但管护较差，导致乔木层的郁闭度过大，影响了灌木层和草本层的丰富度及物种多样性。阔叶混交林物种丰富度高，但种类单一；针阔混交及针叶纯林物种种类较多，但丰富度较低；个别针叶混交林乔木层郁闭度较小，林下灌木密布，草本层植物较少，林分垂直结构分布不明显；另外，以松科植物为优势树种的针阔混交林林下物种的丰富度及生物多样性均比较高，这是否与乔木层郁闭度或树种结构有关还需要进一步研究验证。从长远发展角度考虑，新宁县公益林多数需进行人工间伐，并且合理补植本地灌草类[20]，以提高林下物种生物多样性复杂程度，这样更有利于林分向物种丰富、层次复杂、生态功能较高的次生林发展。本次取样样本数量较少，竹林地、灌木林地等均未进行林下植被生物多样性分析，下一步可以增加调查样本，从环境因素、林分密度、抚育强度及间伐强度等方面对林下植被生物多样性的影响作进一步分析，为新宁县生态公益林经营管理提供更全面、更科学的依据。