溆浦县不同类型人工公益林种群结构演替规律初探

刘石峰，刘燕英

(溆浦县林业局, 湖南 溆浦 419300)

改革开放以来，我国把造林绿化作为社会主义建设的一项重要内容，采取了退耕还林、封山育林、发动全民义务植树等措施，加速推进人工林建设，取得了显著成绩[1]。近年来，许多学者对人工林进行了大量的研究，包括人工林林下生物多样性、生态系统碳储量、生物生产力、林地土壤质量、生态位等方面[2-9]。南方因自然条件优越，人工林多以杉木和马尾松等速生用材林为主。1997年，林业分类经营总体规划实施，从此大面积的人工林划入公益林，受到严格保护[10]。但是，长期以来，人工公益林都没有被科学合理地经营，目前大部分人工公益林生态系统出现严重退化现象，如何持续经营人工公益林是当前面临的重要问题。

人工公益林持续经营首先需要解决的是恢复问题，研究不同类型人工公益林结构可以为恢复其生态系统结构稳定、提高生物多样性丰富度及促进公益林可持续发展提供指导意见。本文以溆浦县2020年生态公益林的6个人工公益林样地的监测数据为依据，主要从三个方面进行分析：(1)计算乔木层重要值及生物多样性指数；(2)检验不同类型人工公益林之间的多样性指数是否存在显著相关性及6个样地乔木层各指数(平均胸径、平均树高、平均冠幅)是否存在显著差异；(3)分析不同类型人工公益林乔木层结构及其对可持续经营的启示，以便为本地区的人工公益林持续经营提供理论依据。

1 调查地概况

溆浦县位于湖南省西部、怀化市东部，处于110°15′40″—111°01′07″E，27°17′31″—28°19′27″N之间。县境四面环山，山地、丘陵、岗地、平谷、溪河并具。属中亚热带湿润季风气候。雨水充足，历年平均气温为16.9 ℃，降水量为1 300～1 700 mm，光、热、水基本同季，全年无霜期平均为284 d。全县林业用地面积为244 900 hm2，占土地总面积的71.4%。全县生态公益林总面积为76 723 hm2，占林业用地面积的31.33%。本次选取的样地分布于6个乡镇，地貌为中山及低山，海拔区间为258～1 269 m，坡度为15～45°，具体分布见图1。

图1 溆浦县6个人工公益林样地位置

2 研究方法

2.1 样地设置和监测调查

2020年11月，采用野外实地调查的方法对溆浦县公益林内的6个人工林样地乔木层进行全面调查。样地面积设置为25 m(垂直等高线)×40 m(平行等高线)=1 000 m2，详细记录各样地的地貌、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤类型、土壤质地、植被总盖度、起源、平均树龄、郁闭度等，记录乔木层树种种名、株数、胸径、树高、冠幅等。

2.2 计算公式

2.2.1 重要值

重要值Iv=(Dr+Pr+Fr)/3；

相对密度Dr=(Di/D)×100%；

相对频度Pr=(Pi/P)×100%；

相对显著度Fr=(Fi/F)×100%。

式中：Dr为相对密度；Pr为相对频度；Fr为相对显著度；Di为第i个物种的个体数；D为全部物种个体数；Pi为第i个物种的频度；P为所有物种的频度和；Fi为第i个物种的胸面积和；F为所有物种的胸面积和。

2.2.2 丰富度指数(S)、多样性指数(Simpson指数D)及均匀度指数(J)

丰富度指数S=物种株数/样方面积；

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；N为物种的数目(总数)。

式中：Pi为物种相对密度；S为物种的数目(总数)。

2.3 统计分析方法

采用Excel 2007软件统计重要值排名前5的树种株数占比、杉木株数占比、天然树种株数占比、分布于3个样地以上的树种株数占比以及高度小于3 m的树种株数占比；采用SPSS 23.0软件对6个样地进行相关性双变量分析，对乔木层相关指数(平均胸径、平均树高、平均冠幅)进行单因素ANOVA检验。

3 结果与分析

3.1 重要值

6个样地乔木层总株数为708株，分属19科32属，重要值排名前10的依次为杉木、马尾松、白背叶、盐肤木、油茶、漆树、合欢、蜡瓣花、枫香树、野桐；6个样地中重要值排名前5的树种占了总数的67.5%，杉木占了总数的40%，乔木层天然树种占了总数的26.5%，分布于3个样地以上的树种占总物种数的25.7%，树高小于3 m的树种株数占总株数的3%，说明溆浦县人工公益林以杉木和马尾松人工林为主，后期火烧及其他人为因素导致部分公益林受损，受损后人工补植白背叶、蜡瓣花、油茶、盐肤木、野桐等本地树种，经过次生演替形成了现在的公益林。具体情况见表1。

表1 溆浦县人工公益林样地乔木层基本情况Tab.1 SummaryofcanopyofpublicwelfareforestplantationinXupuCounty树种科属分布样地数量/个株数重要值杉木Cunninghamialanceolata杉科杉木属62820.3291马尾松Pinusmassoniana松科松属3530.0842白背叶Mallotusapelta大戟科野桐属2710.0549盐肤木Rhuschinensis漆树科盐肤木属6300.0455油茶CamelliaoleiferaAbel.山茶科山茶属1420.0327漆树Toxicodendronvernicifluum漆树科漆属4220.0316合欢Albiziajulibrissin豆科合欢属3130.0305蜡瓣花Corylopsissinensis金缕梅科蜡瓣花属1420.0295枫香树Liquidambarformosana金缕梅科枫香树属4170.0286野桐Mallotusjaponicus大戟科野桐属1380.0272樱桃Cerasuspseudocerasus蔷薇科樱属370.0201假死柴Dichotomanthustristaniaecarpa樟科山胡椒属390.0188檵木Loropetalumchinense金缕梅科檵木属330.0159

3.2 多样性指数

按照优势树种组成情况对6个样地进行分组编号，分别为Ⅰ组(杉木+白背叶+蜡瓣花)样地，Ⅱ组(杉木+油茶)样地，Ⅲ组杉木样地，Ⅳ组(马尾松+白背叶+盐肤木)样地，Ⅴ组(马尾松+杉木)样地，Ⅵ组(野桐+杉木)样地，分别计算各组乔木层丰富度指数(S)、Simpson指数(D)及均匀度指数(J)，结果见图2、图3。

图2 各样地丰富度指数

图3 各样地Simpson指数(D)均匀度指数(J)图

6组样地乔木层丰富度指数关系为Ⅲ组>Ⅰ组>Ⅳ组>Ⅱ组>Ⅵ组>Ⅴ组，Simpson指数(D)及均匀度指数(J)关系基本一致，为Ⅳ组>Ⅴ组>Ⅵ组>Ⅱ组>Ⅰ组>Ⅲ组，Ⅲ组和Ⅰ组丰富度指数明显高于其他组，原因是Ⅰ组杉木样地受到破坏后，补植了白背叶和蜡瓣花等适宜本地生长的树种，两个树种很快占据了优势地位并迅速生长成为建群种；Ⅲ组样地保护措施到位，杉木没有受到破坏，依然保持着杉木占据绝对优势地位的人工林初始状态。Ⅳ组样地Simpson指数(D)及均匀度指数(J)均处于较高水平，原因是该样地内马尾松、白背叶及盐肤木分布合理，其他阔叶树种均有良好的生长环境，逐渐发展为生物多样性丰富的针阔混交林；而Ⅲ组样地Simpson指数(D)及均匀度指数(J)水平较低的原因是人工种植的杉木一直受到较好的保护且在样地内占据绝对的优势位，因此，该样地只有极少数耐阴且适应性强的阔叶树种得以生长成林。

3.3 多样性指数的相关性及乔木层各指数的差异程度

对6个样地进行相关性双变量分析，结果表明:丰富度指数(S)与Simpson指数(D)及均匀度指数(J)相关性不显著，Simpson指数(D)与均匀度指数(J)存在显著的正相关。对乔木层各指数进行单因素ANOVA检验，结果表明:6个样地乔木层平均冠幅差异显著，进一步分析发现Ⅱ组(杉木+油茶)样地与Ⅵ组(野桐+杉木)样地的平均冠幅明显高于其他组，这与后期阔叶树种的合理补植有关。平均胸径及平均树高差异不显著，具体结果见表2及表3。

表2 各样地丰富度指数相关性分析结果Tab.2 Correlationanalysisresultsofrichnessindexesacrossmultipleplots丰富度指数SSimpson指数D均匀度指数J丰富度指数S0.1360.129Simpson指数D0.1360.000均匀度指数J0.1290.000

表3 各样地乔木层指数单因素ANOVA检验结果Tab.3 SinglefactorANOVAtestresultsoftreelayerin-dexacrossmultipleplots平方和自由度均方F值显著性组间79.927515.985平均胸径组内923.8435815.9281.0040.424总计1003.77063组间10.35652.071平均树高组内153.002582.6380.7850.565总计163.35863组间12.67352.535平均冠幅组内53.763580.9272.7340.028总计66.43663

4 结论与讨论

虽然我国的公益林面积增长较快，但普遍存在质量不高、结构不合理、树种单一、生态功能不强等缺点[11-15]。2020年，溆浦县公益林监测设置了7个样地，其中6个样地为人工林。其中，重要值排名前5的树种就占了总数的67.5%，杉木占了总数的40%，乔木层天然树种只占26.5%，且大部分树种分布于1～2个样地，树高小于3 m的树种占总样地的3%，6个样地的树种种类均值为6，说明溆浦县人工公益林乔木层总体丰富度指数及生物多样性指数较高，但存在树种单一、阔叶树种占比少、天然更新能力差、杉木纯林的乔木层生物多样性指数极低(D=0.27，J=0.27)、Ⅰ组(杉木+白背叶+蜡瓣花)样地内除优势树种外其他阔叶树种占比较低(7.38%)、Ⅴ组(马尾松+杉木)样地(S=0.007 1)及Ⅵ组(野桐+杉木)样地(S=0.008 6)丰富度指数低于平均水平(S=0.011 0)的情况。

杉木纯林郁闭度为0.85，乔木层生物多样性指数(D=0.27，J=0.27)明显低于其他样地，对此类公益林可以采取间伐措施降低杉木密度，同时合理补植白背叶、盐肤木、漆树、合欢、樱桃、假死柴、檵木等适应能力强的本地树种；Ⅰ组(杉木+白背叶+蜡瓣花)样地内物种数为9，种类较单一，需要通过间伐措施降低杉木、白背叶及蜡瓣花的密度，给其他阔叶树种留出一定的生活空间，同时补植枫香、杜鹃、樱桃等景观价值较高的树种；Ⅴ组(马尾松+杉木)样地及Ⅵ组(野桐+杉木)样地丰富度指数分别为0.007 1和0.008 6，低于6个样地的平均值0.011 0，此类公益林则需要割灌、除草，进一步优化林分结构，同时补植枫香、檵木、杜鹃、假死柴等适应性强、景观价值高的天然形成的本地树种，从而形成物种丰富、结构复杂、生态功能较强的高质量生态公益林。Ⅳ组(马尾松+白背叶+盐肤木)样地总体丰富度、生物多样性指数水平较高(S=0.012 1，D=0.83，J=0.84)，郁闭度为0.65，乔木层结构复杂，这与后期合理补植阔叶树种有关。本研究可以为本县的其他公益林经营提供参考。

人工公益林的恢复是一项长期且复杂的工程。目前，在封山育林的前提下，大部分人工公益林已达到二代稳定阶段，实施目的明确的更新、抚育、择伐等经营措施是当前急需开展的工作[16]。对第一代人工公益林(杉木、马尾松等)进行间伐，降低公益林内针叶树种的密度，同时合理补植适应性强的本地阔叶树种，才能更快形成顶级常绿阔叶生态公益林[17]。本次调查的样地较少，样地类型单一，可能对结果有一定的影响，且由于林下灌草样地调查没有完成，不能够对林下灌草层生物多样性进行研究，下一步可以增加马尾松纯林样地及(马尾松+杉木)样地做进一步分析比较，以便为溆浦县人工公益林经营提供更科学、合理的参考意见。