华北落叶松和樟子松人工林物种多样性差异研究_张菲.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：基金项目：河北省林业和草原科学技术研究项目（编号：）；河北省林草科技推广示范项目（编号：冀【】）作者简介：张菲（），女，硕士，高级工程师，研究方向为森林经营管理。华北落叶松和樟子松人工林物种多样性差异研究华北落叶松和樟子松人工林物种多样性差异研究张 菲（河北省塞罕坝机械林场，河北 围场 ）摘要：为了揭示华北落叶松人工林和樟子松人工林林下的物种多样性差异，以位于我国温带地区塞罕坝自然保护区内 年生的华北落叶松和樟子松人工林为研究对象，在华北落叶松和樟子松人工林中分别设置块标准地，记录了样地海拔、经纬度、坡度、坡位、坡向，测量记录了样地中所有灌木的物种名、坐标、基径、高度和冠幅。并在样地内均匀设置草本样方，调查样方内所有草本植物种的株数、高度、盖度、频度，结合方差分析等统计分析方法，阐明了华北落叶松和樟子松人工林对林下灌木和草本多样性的影响及不同的生物多样性指数在计算影响过程中的差异。结果表明：樟子松人工林下的金花忍冬和鹅观草为优势物种，而华北落叶松人工林下的优势物种为白榆，鼬瓣花和广布野豌豆；华北落叶松人工林下的草本植物多样性略高于樟子松人工林，樟子松人工林下的灌木多样性显著高于华北落叶松人工林；华北落叶松人工林中的香浓威纳指数，辛普森指数和皮洛格指数分别比樟子松人工林高了 ，和 ；樟子松人工林下的香浓威纳指数和辛普森指数比华北落叶松人工林分别高了 ，华北落叶松人工林下的皮洛格指数比樟子松人工林高了 。关键词：华北落叶松；樟子松；人工林；物种多样性指数；重要值中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.024张菲：华北落叶松和樟子松人工林物种多样性差异研究生态文明建设：自然与生态 ，：；引言物种多样性是当今生态和环境科学领域中的热点研究话题，是衡量森林环境和经济质量变化的重要指标之一。近年来大量发展的松树类人工林，在林分郁闭后出现抑制林下其他植物生长的现象，并且林内的物种多样性明显下降，不能满足健康生态系统异质性的要求，因此开展人工松林内物种多样性的研究是十分必要的，也是急切需要解决的问题之一。研究现状与研究方法 国内外对物种多样性研究现状物种多样性是衡量生物群落组成和功能复杂性的一个重要指标，物种多样性的变化反映了物种演替程度，因此，对植物群落物种多样性的研究可以很好地认识植物演替过程以及植物群落的物种组成、能量结构、自身功能、演替动态和稳定性。森林内的草本和灌木植物作为森林群落和生态系统的重要组成部分，它们在维持和保护森林的多样性、生态功能稳定性和森林内生态系统能量流动性等方面具有独特的功能和作用。人工林物种多样性是影响人工林生态系统稳定性和多样性的重要因素，在某种程度上能够反映出人工林物种丰富程度以及可持续经营的水平，因此，备受国内外各大学者关注。和庄雪影的研究均发现，人工林下的植被物种多样性指数明显高于已经退化的天然林，也有研究表明，人工 林 内 植 被 的 物 种 多 样 性 比 同 龄 的 天 然 林 内要低，。在当今世界范围内，林地开发等越来越多的人类社会活动导致气候变化愈发剧烈，从而使物种多样性正在一步步地丧失。不断积累的研究结果表明，林地内的物种多样性丧失会降低森林生态系统的功能并破坏森林的物种结构和森林群落的稳定性，出现物种生产力和更新能力下降、林分内能量流动和养分循环失衡、花粉传播及成活能力下降等现象。到 年，超过 个森林生物多样性实验的研究结果表明：森林内物种多样性与林下物种的更新能力呈正相关关系，多样性对森林群落的生态功能具有普遍性作用。并在随后的研究中发现：在森林生态系统中，各物种之间的生态作用、群落与生态系统间的反馈都需要较长的时间，而大多数实验因其时间较短，往往无法准确证实到这些结论，以至于物种多样性对森林生态系统功能的作用被大大低估。经过 年的 实验，研究者发现物种多样性高的森林群落其时间与空间的稳定性显著高于多样性较低的森林群落，森林内多样性增加生物量也随之显著增加（远远超过了稳定性在时间上的差异）从而使森林群落稳定性大大提高；但是单个物种的稳定性却随着森林内物种多样性的提高而降低。经过多年对森林物种多样性的研究表明：伴随着林内物种多样性的逐渐增加，森林群落对外界环境的抵抗能力和内部结构的稳定性也会随之增强。目前，相比于物种多样性对单个森林生态系统功能影响的探索，关于物种多样性与群落生态系统多功能性研究的数据仍相对缺乏，但也已有一些显著进展，其研究结果主要表现在时空尺度、实验设计、测度多功能性的方法等方面。物种多样性计算方法表达物种多样性一般使用 指数、指数和 指数。指数表征群落中物种数量和各种间个体分配的均匀性，指数也表征群落中物种数量和各种间个体分配的均匀性，常与 指数共同使用，指数和 指数通常包含测量群落的异质性，指数越大，物种多样性越高。指数表征群落中各种 间 个 体 分 配 的 均 匀 性，物 种 个 体 数 量 影 响 指数，与 指数相关。需要注意的是，采用 不 同 的 测 度 指 数 所 应 用 的 计 算 方 法 有 所不同。华北落叶松及樟子松优势比较华北落叶松（）主要分布在冀北山地。近年来，随着华北落叶松人工林区的不断扩大，对冀北山地风沙防护、水源涵养以及生物群落的形成与保护发挥着至关重要的作用。华北落叶松人工林不仅缓解了来自内蒙古高原的沙尘暴对京、津地区的侵袭，同时净化了滦河上游的水质，也是京、津和冀北部生态群落和社会安全的绿色屏障。樟子松（）是欧洲赤松的变种，其拥有较强的耐寒能力，同时也对干旱贫瘠的土壤具有较好的适应能力。因其对不良环境的强大抗性被广泛用于“三北防护林”和“退耕还 年 月绿 色 科 技（）第 期林”等重要林业生态工程建设当中。研究区域概况 研究区地理位置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北部坝上地区（与北京市中心直线距离 ），中心地理位置 ，海拔 。研究区气候特征塞罕坝机械林场极端最高气温 ，最低气温 ，年均气温，年均积雪达个月，年均无霜期，年均降水量 ，年均大风日数，是典型 的 半 干 旱 半 湿 润 寒 温 性 大 陆 季 风气候。研究区植被特征塞罕坝处于森林草原交错带，植被类型多种多样，依次分别为落叶针叶林、长绿针叶林、针阔混交林、阔叶林、灌丛、草原与草甸和沼泽及水生群落。研究区森林资源分布塞罕坝机械林场总经营面积 ，有林地面积 ，其中：人工林 万亩，天然林 万亩；乔木树种主要为华北落叶松（）、樟 子 松（）等，森 林 覆 盖 率，林 木 总 蓄 积 ，平均年生长率 。其中灌木植物主要有金露梅（）、稠李（）、山荆子（）等，草本植物主要有 鼠 掌 老 鹳 草（）、委 陵 菜（）等。研究方法 样地基本信息本研究以位于我国温带地区塞罕坝自然保护区内 年生的 华北 落 叶松（）和樟子松（）人工纯林为研究对象，运用生物多样性监测调查的数据，监测样方中灌木和草本的多度和丰富度，结合方差分析和线性回归等统计分析方法，阐明华北落叶松和樟子松人工林对林下灌木和草本多样性的影响及不同的生物多样性指数在计算影响过程中的差异。如表和表所示，草本植物有 种，灌木植物有 种。标准地的设置于 年月在华北落叶松和樟子松人工林中各设置块标准地（），记录样地海拔、经纬度、坡度、坡位、坡向。对样地中每一个主林层大乔木进行编号，测量胸径、树高、冠幅，并记录其在样地表塞罕坝华北落叶松和樟子松林下草本物种植物中文名称拉丁学名展枝唐松草 鼬瓣花 牡蒿 卷茎蓼 棉团铁线莲 拳参 大花银莲花 二裂叶委陵菜 囊花鸢尾 亚洲蓍草 冷蒿 北柴胡 女娄菜 蓬子菜 石头菜 黑沙蒿 水杨梅 鹅观草 蒾果芹 景天三七 龙江风毛菊 小花糖芥 毛莲菜 毛车前 龙芽草 瓣蕊唐松草 华北蓝盆花 石竹 石沙参 裂叶蒿 柳叶菜 花荵 费菜 裂叶荆芥 野罂粟 委陵菜 远东芨芨草 野胡萝卜 匍枝委陵菜 叉分蓼 地榆 细叶沙参 二叶舞鹤草 花苜蓿 乌苏里薹草 委陵菜 广布野豌豆 柳穿鱼 并头黄芩 鼠掌老鹳草 裂叶堇菜 缬草 硬质早熟禾 小藜 宽叶蒿 水杨梅 张菲：华北落叶松和樟子松人工林物种多样性差异研究生态文明建设：自然与生态续表植物中文名称拉丁学名狭叶假繁缕 蒲公英 细叶蒿 异花假繁缕 紫斑风铃草 大药碱茅 披针苔草 轴藜 铁线莲 山马兰 中的坐标，如表所示。测量记录样地中所有灌木的物种名、坐标、基径、高度和冠幅。并沿着样地对角线均匀设置个 的草本样方，对样方内所有植物种类调查其株数、高度、盖度、频度等基本数值。于 年 月份选华北落叶松和樟子松人工林各块样地进行间伐经营，年月份在原有样地的四周和中心设置个 的灌木层样方，并在每个灌木层样方的中心分别设置的草本层样方。调查并记录样地内所有灌木层样方中位于灌木层（林下灌木物种和乔木更新物种）且高度大于 的植物的物种名、高度、盖度等数值。调查并记录样地内所有草本层样方中草本层植物的物种名、高度、盖度等数值。表塞罕坝华北落叶松和樟子松林下灌木物种植物中文名称拉丁学名山荆子 山刺玫 稠李 黑桦 蒙古栎 金露梅 小叶茶藨子 白榆 金花忍冬 蒙古荚蒾 大叶小檗 东北鼠李 樟子松 白桦 耧斗叶绣线菊 表华北落叶松和樟子松人工林样地基本情况主林层树种林龄年平均胸径 平均树高样地内株数株华北落叶松 樟子松 实验数据采集包括野外地形因子调查和林下植被类型采集调查。地形因子调查调查标准样地的地形因子：影响林下草本植物和灌木树种、数量等数据的地形因子，包括海拔高度、经纬度、坡度、坡位、坡向等。植被类型调查调查林下植被的类型：样地内设置个的灌木层调查样方，记录灌木的树种、数量、基径和高度；同时在灌木层的中心设置 的样方对草本层展开调查，调查样方内草本植物的数量、种类、基径和高度。数据处理描述林分内灌木植物的物种多样性及草本植物的物种多样性等。具体计算方式如下。重要值的计算重要值相对盖度相对频度相对高度（）式中各个值计算如下：相对盖度（）某个物种的盖度所有物种的总盖度数 （）盖度（）各个物种的垂直投影面积样地总面积 （）相对频度（）某个物种的频度所有物种的频度总和 （）频度（）某一物种出现的样方数目全部样方数目 （）相 对 高 度（）某个物种的平均高度所有物种的平均高度之和 （）物种的多样性指数计算（）香农威纳指数。表征林分内物种个体数量和各物种之间个体分配的均匀性，林分内各物种之间个体分配均匀，值就越大。计算公式如下：（）式（）中，为香农威纳指数，为第个物种的个体数量，为总个体数量，为植株属于第个物种的个体的比例。（）辛普森指数。与香农威纳指数相似，辛普森 指数也表征林分内物种个体数量和各种间个体分配的均匀 年 月绿 色 科 技（）第 期性，常与香农威纳指数共同使用。计算如下：（）式（）中，为辛普森指数，为第个物种的个体数量，为总个体数量，为植株属于第个物种的个体的比例。（）皮洛格均匀度指数。皮洛格均匀度指数表征群落中各种间个体分配的均匀性，与香农威纳指数相关。计算如下：（）式（）中，为皮洛格均匀度指数，为香农威纳指数，为总个体数量。所有计算将在 中进行，利用 的数组函数、条件函数及其他函数组合分别对各种生物多样性指数进行计算。最后对所得数据进行方差分析和相关性分析比较得出不同林分类型对林下物种多样性的影响。数据处理与结果分析 草本和灌木的重要值比较 草本的重要值比较由图和表可知，华北落叶松和樟子松人工林下一共有 种草本植物同时出现在两种林分中，其中鹅观草和瓣蕊唐松草为优势物种。物种的相对频度在 以上，华北落叶松人工林下以鼬瓣花的相对频度最高，瓣蕊唐松草在樟子松人工林下的相对频度要远高于华北落叶松林下（图 和表）。小花糖芥、广布野豌豆和毛莲菜在两种人工林下的相对频度几乎相同，为 左右。水杨梅、鹅观草、龙江风毛菊、叉分蓼、鹤凧、毛莲菜、瓣蕊唐松草、远东芨芨草和并头黄芩在樟子松人工林下的相对频度高于华北落叶松。由图 和表可知，鼬瓣花、鹅观草和远东芨芨草的相对高度优势较大，鹅观草在樟子松林下的相对高度比华北落叶松林下高 ，鼬瓣花在樟子松林下的相对高度比华北落叶松林下高 ，而远东芨芨草则