章古台地区人工林林下草本植物群落结构特征

2021-03-18肖巍王东升张日升迟琳琳

安徽农业科学 2021年4期

肖巍王东升张日升迟琳琳

摘要 [目的]研究章古臺地区不同人工林林下草本植物群落的结构特征。[方法]以章古台地区的樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、赤松（P.densiflora）、油松（P.tabulaeformis）、彰武小钻杨（Populus× Xiaozhuanica W.Y.Hsu et L.cv.Zhangwu）4种人工林为研究对象，调查林下草本植物的种类、数量、高度、生物量等，分析其在物种组成、生长状况、多样性等方面的差异。[结果]4种人工林林下分布草本植物共21科36属39种。不同树种林下草本植物组成及分布间存在较大差异，其中樟子松林、赤松林、油松林下形成了以马唐为主要优势种的草本植物群落。樟子松林下盖度和生物量最大，彰武小钻杨的盖度和生物量最小。通过比较4种人工林林下草本植物群落的多样性指数，认为彰武小钻杨林下草本植物群落中没有绝对优势的草本植物，不确定性较高，草本植物分布不均匀;樟子松林下形成了以马唐和虎尾草为主的、稳定的、分布均匀的草本植物群落。[结论]从4种人工林草本植物群落的结构特征看，要加强对赤松林、油松林和彰武小钻杨林的经营管理。

关键词章古台;人工林;草本植物;结构特征

中图分类号 S718.54+2 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）04-0110-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.030

Community Structure Characteristics of Undergrowth Herbaceous Vegetation in Zhanggutai Artificial Forest

XIAO Wei1，2，3，WANG Dong-sheng3，ZHANG Ri-sheng1，2 et al （1.National Ecological Orientation Observation and Research Station of Horqin Sandy Land System at Zhanggutai，Fuxin，Liaoning 123000;2.Liaoning Institute of Sandy Land Control and Utilization， Fuxin，Liaoning 123000;3.College of Environmental Sciences and Engineering， Liaoning Techical University， Fuxin，Liaoning 123000）

Abstract [Objective]To study the structure characteristics of undergrowth herbaceous plants in different plantation forests in Zhanggutai area.[Method]We investigated the species， quantity， height and biomass of the undergrowth herbaceous plants in four kinds of artificial forests in Zhanggutai area， including Pinus sylvestris var.mongolica， P.densiflora， P.tabulaeformis and Populus× Xiaozhuanica W.Y.Hsu et L.cv.Zhangwu， and analyzed their differences in species composition， growth status and diversity.[Result]There were 39 species of herbaceous in 36 genera and 21 families distributed under the artificial forest.The composition and distribution of herbaceous plants in the undergrowth of different tree species were quite different， in which the herbaceous community with Matang as the dominant species was formed in the undergrowth of P.sylvestris var.mongolica，P.densiflora and P.tabulaeformis .The undergrowth coverage and biomass were the largest under the artificial forest of P.sylvestris var.mongolica and the smallest under the artificial forest of Populus× Xiaozhuanica W.Y.Hsu et L.cv.Zhangwu.By comparing the diversity indexes of the subforest herbaceous vegetation communities of the four plantation forests， it was concluded that there were no dominant herbaceous plants in the subforest herbaceous communities of Populus× Xiaozhuanica W.Y.Hsu et L.cv.Zhangwu， with high uncertainty and uneven distribution of herbaceous plants;a stable and evenly distributed herbaceous community was formed under the artificial forest of Pinus sylvestris var.mongolica.[Conclusion]According to the structure characteristics of the herbaceous vegetation of the four plantation forests， the plantation management of P.densiflora， P.tabulaeformis and Populus× Xiaozhuanica W.Y.Hsu et L.cv.Zhangwu should be strengthened.

Key words Zhanggutai;Plantation;Herbosa;Structure characteristics

作者简介肖巍（1984—），女，辽宁阜新人，工程师，从事水土保持与荒漠化防治研究。通信作者，教授，博士，从事半干旱区环境演变及生态修复研究。

收稿日期 2020-07-08

在人工林生态系统中，植物多样性直接关系到群落的稳定性及健康性[1-2]。林下植被作为人工林生态系统的重要组成部分，在维护森林系统多样性、促进人工林养分循环、维持林地土壤肥力、稳定林分生产力等方面具有不可忽视的作用[3-7]。章古台位于科尔沁沙地南部，20世纪50年代东北西部与内蒙古东部防护林工程营建初期开始沙漠化防治工作，是我国最早开展防沙治沙的地区[8]。围绕防沙治沙和三北防护林体系工程建设，该地区营建了樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、油松（P.tabulaeformis）、赤松（P.densiflora）、班克松（P.banksiana Lamb）、彰武小钻杨（Populus× Xiaozhuanica W.Y.Hsu et L.cv.Zhangwu）、沙

地云杉（Picea mongolica）等10余种人工林[9-10]。其中，樟子松、油松、赤松和彰武小钻杨在章古台沙地种植已超过40年，分别形成了一定规模的林分，以往的研究大多从密度、经营方式等角度对单一树种人工林下植物的多样性进行研究[11-15]。该研究以章古台地区的樟子松、油松、赤松、小钻杨人工林为研究对象，调查了林下草本植物群落结构特征，分析比较了不同类型人工林林下草本植物物种多样性和群落间的差异，以期为保护人工林群落的物种多样性和维护科尔沁沙地人工林群落的健康经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁彰武北部章古台地区（121°53′～122°22′E、42°43′～42°51′N），地处科尔沁沙地东南边缘，平均海拔226.5 m。主要气候特点是干旱多风，降雨量少且多集中于夏季，冬春两季多大风，属于典型的亚湿润大陆性气候区。1984—2019年的气象资料表明，該区年降水量481.7 mm，年均蒸发量1 493.2 mm，年均气温6.64 ℃，年均风速2.54 m/s，年平均无霜期155 d。土壤为中性、微酸性，以风沙土为主，有机质及其他养分含量较低。地处蒙古植被和华北植物区系交汇地带，植被多为抗旱性较强的沙生植物。

1.2 样地设置

在对章古台地区植物综合考察的基础上，选取43年生樟子松、43年生赤松、43年生油松和18年生彰武小钻杨人工林，在其林分内设置样方，各样地基本情况见表1。在不同样地典型地段设置3个10 m×10 m的样方。在每个样方内，随机设定10个1 m×1 m的小样方。在每个小样方中，调查草本植物的种类、数量、高度、盖度等。待调查完毕，将小样方内植物的地上部分齐地刈割，地下部分采挖收集，带回实验室，放入80 ℃烘箱中烘干24 h后称重，计算样方内植物生物量。

1.3 数据处理与分析重要值（%）= （相对多度 + 相对频度 + 相对盖度）/3

物种多样性指数选取Patrick丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数，计算公式如下：

Patrick丰富度指数S（种/m2）=样地中的物种总数

Simpson优势度指数D=1-P2i

Shannon-Wiener指数H=-∑PilnPi

Pielou均匀度指数J=- ∑（PilnPi）/lnS

式中，S为物种数目;Pi为第i个种的个体数占所有个体数的比例。

物种相似度系数采用Jaccard相似性系数 Cj=j/（a+b-j）

式中，a、b分别为2个群落各自的物种数;j为2个群落共有的物种数。

运用DPS 14.0对数据进行单因素方差分析（one-way ANOVA），采用LSD法比较各指标间的差异性。

2 结果与分析

2.1 林下草本植物组成

在4种人工林下共有草本植物39种，分属21科36属。其中，禾本科9属9种，菊科4属5种，藜科3属5种，占总属数的44.44%，占总种数的48.72%。其余物种豆科、莎草科、萝藦科各2属2种，百合科、车前科、大戟科、葫芦科、蒺藜科、堇菜科、马齿苋科、牻牛苗儿科、蔷薇科、茄科、伞形科、桑科、石竹科、苋科、玄参科各1属1种。对照其他研究成果，章古台地区的人工林下草本植物种类偏少。

在物种数量上，林下草本植物物种数量表现为赤松林>油松林>彰武小钻杨林>樟子松林。赤松林下草本植物29种（14科27属），油松林下25种（14科24属），彰武小钻杨林下20种（12科18属），樟子松林下16种（7科16属）。

在物种组成上，狗尾草、马唐、中华隐子草、茵陈蒿、中华小苦荬、绿珠藜和马齿苋是4种人工林下共有种，萝藦只分布在樟子松林下，牛膝菊、莎草、车前菜、冰草、反齿苋只分布在赤松林下，山葱、柳穿鱼、龙葵只分布在油松林下，拂子茅、大麻、雀瓜只分布在彰武小钻杨林下。

物种重要值体现了物种在群落中的优势程度，以综合数值来反映不同植物在群落中的地位和作用。由表2可知，禾本科、菊科、藜科在章古台地区人工林下草本植物的科属构成中占有重要地位，其对该地区的自然环境具有较好的适应性。特别是禾本科植物在章古台地区的人工林林下草本植物中占有优势地位，樟子松林下马唐的重要值达60.14，虎尾草的重要值为12.33，2种植物的重要值达72.47，可见在樟子松人工林林下形成了以马唐和虎尾草为优势种的草本群落;赤松林下马唐的重要值为58.41，其他植物的重要值没有超过10.00，如虎尾草的重要值为5.37，狗尾草的重要值为5.26，因此赤松人工林林下草本群落的优势种是马唐;油松人工林林下马唐的重要值为47.03，狗尾草的重要值为13.05，虎尾草的重要值为5.60，可见油松人工林林下形成了以马唐和狗尾草为优势种的草本群落;彰武小钻杨林下重要值最高的是拂子茅（26.20），以下依次是狗尾草（21.99）、刺藜（13.19）、马唐（9.22）、中华小苦荬（4.85）、地锦（4.30）等，从现地的生长情况看，彰武小钻杨林下的草本植物呈斑块状分布不均匀，可见彰武小钻杨林下没有形成1种或2种占绝对优势的草本植物，因此认为彰武小钻杨林下的草本植物群落是以拂子茅、狗尾草、刺藜为主（表3）。

2.2 林下草本生长状况

4种人工林下草本植物群落盖度、生物量、优势种高度存在显著差异。樟子松林、赤松林、油松林之间林下草本植物群落盖度分别为81.0%、75.4%和72.3%，差异不显著;3种针叶林林下与彰武小钻杨林下草本植物群落盖度（29.5%）存在显著差异，且彰武小钻杨林下草本植物群落盖度偏小。樟子松林下草本植物群落生物量最大且与赤松、油松、彰武小钻杨存在显著差异，彰武小钻杨林下草本植物群落生物量最小，与樟子松、赤松存在显著差异。从表4可以看出，彰武小钻杨林下草本植物群落的优势种高度较高，并与赤松林之间存在显著差异，造成这种现象的原因是彰武小钻杨林下的草本优势种不同于其他人工林，是拂子茅、狗尾草、刺藜，同等条件下这3种植物比马唐和虎尾草

高大。但是，彰武小钻杨林下草本植物群落盖度和生物量明显小于其他人工林，这是由于杨树人工林林分郁闭大，蒸腾作用较强，水分消耗量比较大，草本植物的生长受到影响，虽然优势种高度较高，但生长纤细，导致盖度和生物量很低。

2.3 林下草本植物多样性

通过对各样地多样性指数的比较，可以看出4种人工林林下草本植物群落多样性差异显著。赤松林、油松林、彰武小钻杨林的丰富度指数差异不显著，赤松林、油松林的丰富度指数与樟子松林存在明显差异。Simpson优势度越小，说明群落中一种或几种植物的生长占优势[16-17]。从图1可以看出，彰武小钻杨林下草本植物群落的Simpson优势度最大，其次是油松林、赤松林，最小的是樟

子松林。通常认为Shannon-Wiener多样性指数越大，不确定性越高，多样性也就越高[18]，也就是说4种人工林林下草本植物群落，赤松林和油松林的多样性高，其次是樟子松林，最小的是彰武小钻杨。Pielou均匀度指数用来描述群落中不同物种多度分布的均匀程度，数值越小均匀性越差[19]，4种人工林中油松林、赤松林林下草本植物群落的均匀性最好，其次是樟子松林，最小的是彰武小钻杨林。

彰武小钻杨林下草本植物优势度指数最大，多样性指数和均匀度指数均为最小，这说明杨树林下草本植物分布不均匀，这与观测到的结果一致。樟子松林下草本植物群落丰富度指数和优势度指数均为最小，多样性指数和均匀度指数偏低，说明在3种针叶树人工林中，樟子松林下形成了以马唐和虎尾草为主的草本植物稳定群落。

由表5可知，赤松与油松林下草本植物群落相似度最高，为0.543;其次是油松和彰武小钻杨，相似度是0.500。其余相似度均小于0.500，樟子松和彰武小钻杨的相似度最低，仅为0.385。可见，樟子松、赤松、油松和彰武小钻杨林下草本植物群落在种类组成上存在一定差异。

3 讨论与结论

（1）4种人工林下分布草本植物21科36属39种，其中禾本科、菊科、藜科为主要优势种，特别是禾本科具有较强的适应性，这是该区域人工林生态系统的重要组成植物。4种人工林下草本植物的组成及分布存在一定差异。在物种数量上，赤松林下草本植物种类最多，樟子松林下草本植物优势种科属分布最为集中;在物种组成上，4种人工林下共有草本物种7种，赤松林下独有草本物种最多（5种），拂子茅只分布在彰武小钻杨林下且为该林下优势种。樟子松林、赤松林、油松林下均为以马唐为优势种的草本群落。

（2）4种人工林下草本植物盖度、生物量、优势种存在显著差异。樟子松林下草本植物盖度、生物量最大，彰武小钻杨林下草本植物盖度和生物量最小，可能是由于彰武小钻杨郁闭度大，水分消耗较多，影响了林下草本植物的生长。

（3）4种人工林下草本植物的物种丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数差异显著。彰武小钻杨林下草本植物Simpson优势度指数最大，Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均为最小，说明彰武小钻杨林下草本群落中没有绝对优势的草本植物，不确定性较高，草本植物分布不均匀。樟子松林下草本植物丰富度指数和Simpson优势度指数均为最小，Shannon-Wiener多樣性指数和Pielou均匀度指数偏低，说明在樟子松林下形成了以马唐和虎尾草为主的稳定的、分布均匀的草本植物群落。4种人工林林下草本植物群落的相似度介于0.385～0.543，赤松与油松林下草本植物群落相似度最高，樟子松和彰武小钻杨相似度最低。

辽宁省章古台地区是我国引种栽植樟子松最早的地区。20世纪90年代初，部分林龄较大的樟子松人工林出现退化现象，因此当地十分重视樟子松人工林的经营管理，能够及时调整林分密度和结构[20-21]。樟子松人工林的密度较小，郁闭度不高，促进了林下草本植物的生长及演替，因此草本植物盖度、生物量最大，形成了以马唐和虎尾草为主的草本植物稳定群落，这有利于良好林分生态系统的形成。赤松和油松林在章古台地区没有发生退化现象，当地对2个树种的重视不如樟子松，其密度较大，郁闭度较高，林下草本植物群落也是以马唐为主的群落，但不确定性较高，会因林分生长环境变化而发生正向和逆向演替。此次调查的18年生彰武小钻杨林代表章古台地区中生杨树组的经营水平，辽西沙地中生杨树组的成熟龄为16～25年，生长过程中缺少必要的抚育措施，近熟林和成熟林林分密度大、郁闭度大、土壤干旱，林下草本植物稀少，很多杨树林分出现退化现象。该文调查的彰武小钻杨林分目前生长良好，但林下草本比较稀少，这不利于林下土壤养分的积累，也不利于形成以杨树为主的、良好的人工林生态系统，需要及时进行抚育间伐。

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