黄土丘陵区不同林分密度油松林植物多样性分析

黄土丘陵区不同林分密度油松林植物多样性分析

在水土流失严重的黄土山区，人工造林是恢复和重建生态的主要措施之一，在维持水土和改善生态环境方面发挥着重要作用。然而,由于该区气候干旱,水土流失严重,以及存在的重乔轻灌草思想,人工造林中多采用单一树种,初始造林密度较高,造成部分人工林成林后会形成一些新的问题,如群落结构单一、林下幼苗难以更新、土壤出现干旱化等情况。加之人工林内乔木均为同龄,在生长盛期,对水分、养分竞争激烈,林分生长整体状况不良,出现了大片的低产低效林,鸡肋效应比较严重和突出。造林密度是形成人工林群落结构的数量指标,林分的结构影响环境资源的利用,从而影响林分生长、死亡和林分产量。国内外有许多学者通过研究人工林密度效应,确定林分生物量积累和林分密度间的关系,更好的通过经营管理人工林提高了林业生产的经营水平。此外,种植密度是影响产量的关键因子,合理的栽种密度可以获得理想的株型,提高产量,可改善林分质量,提高树高连年生长量,缩短大径才的培育年限。因此,研究林分密度对林下植物多样性及生物量的影响,进而通过调整林分密度,改善林分结构,提高人工林的稳定性及更新能力,是当前人工林抚育及经营管理中亟待解决的问题。油松(Pinustabulaeformis)林是黄土丘陵半湿润地区的主要人工林类型,分布范围广,保持水土能力强,生产力高,除具有水土保持、水源涵养等功能外,还可培养成为用材林,在黄土高原开发和治理中有重要的作用。陕北黄土区地处黄土高原的中心地带,也是油松分布的多度中心,在该区开展人工油松林不同密度对林下植物多样性及幼苗更新的影响研究具有典型性。本研究以黄土丘陵区宜川县铁龙湾林场人工油松林为研究对象,探索林分密度对乔木生长及林下植物的影响,以便为该区人工林建设及管理提供理论依据。1森林景观的现存现状研究区位于中国科学院安塞水土保持综合试验站宜川县铁龙湾林场的森林水文和水土保持监测基地。地处黄龙山东缘,地理位置35°39′N,110°06′E,地貌为黄土梁状丘陵,海拔860~1200m,坡度为20°~25°,年平均气温9.7℃,无霜期180d,年均降水量584.4mm,土壤为褐色森林土,林下多有2cm厚的死地被物,土壤表层有机质含量丰富,达1.36%。地带性植被是暖温带落叶阔叶林,松栎林为顶级群落。原始森林景观已不复存在。在落叶阔叶林中,辽东栎(Quercusliaotungensis)和白桦(Betulaplatyphylla)有零星分布,天然油松林在附近只有少量残存。主要乔木林为人工油松林、山杨(Populusdavidiana)林,多分布于阴坡、半阴坡和半阳坡。用于研究的人工油松林于1966年营造,面积为600hm2,初植密度为6000株·hm-2,1983年和1992年进行了2次间伐。现存密度分别为小密度(1869~1880株·hm-2)、中密度(2125~2135株·hm-2)、大密度(3915~3925株·hm-2)。灌木主要有黄刺玫(Rosaxanthina)、柔毛绣线菊(Spiraeapubescens)、水荀子(Cotoneastermultiflorus)、杜梨(Pyrusbetulaefolia)、山桃(Prunusdavidiana)、陕西荚蒾(Viburnumschensianum)、胡颓子(Elaeagnuspungens)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)等。主要草本有披针苔草(Carexlanceolata)、异叶败酱(Patriniaheterophylla)、茜草(Rubiaedgeworthii)、铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、野棉花(Urenalobata)等。2学习方法2.1调查内容和方法供试人工油松林于1966年营造,面积都为600hm2,初植密度6000株·hm-2,1983年和1992年进行了相同措施的2次间伐,1992年间伐后形成目前的林分密度。在全面踏查的基础上选取了立地条件基本相似的3种不同密度类型的20m×20m人工油松林标准样地,共计9块。在每个标准样地内布设4m×4m的灌木样方5个,共计45个;1m×1m的草本样方5个,共计45个。记录项目主要包括:1)生境因子,如经纬度、海拔、坡向、土壤类型等。2)群落学特征:乔木每木检尺,灌木和草本分物种调查其高度、种类、株(丛)数、频度等。3)林下灌草层和枯落物的生物量调查均采用样方收获法测定:将样方内所有的灌木和草本连根全部挖出,并且现场称重,通过目测体积和电子秤称重,约取灌木30%的枝、叶和根的混合样,草本30%的地上部分和地下部分的混合样,枯落物30%的混合样,用电子秤称其鲜重,称完后装进已标记好样方号的牛皮纸袋内,带回实验室,在85℃下烘干至恒重,测量烘干质量,计算含水率,并根据含水率计算灌、草和枯落物的生物量。不同密度人工油松林样地的基本情况如表1所示。2.2物种丰富度s采用以下多样性指数来测度和分析群落物种多样性特征。1)重要值重要值(importancevalues)能够比较客观而全面地反映该种植物在群落中所处的地位及对整个群落起到的影响作用,是体现植物在整个群落中的作用及所处地位的重要依据,它是反映植物种类在群落中地位重要程度的一个综合指标。2)物种丰富度以样地中物种的数目表示物种丰富度指数(S)。3)多样性指数多样性指数的测定采用Simpson指数(D)和Shannon-Wiener指数(H′)计算:4)均匀度指数采用Pielou指数:式中,Pi为种i的相对重要值,S为所计算样地中的物种数目。3结果与分析3.1不同密度林分植物种组成在3种不同林分密度下,样地内双子叶植物科的数目最多,蕨类植物出现1科,除油松外没有裸子植物出现。双子叶植物科的数目表现为小密度>中密度>大密度,分别为13、11、9。单子叶植物在中密度林分下最少,在小密度和大密度林分下数量比较接近,分别为4、2、4。无论是双子叶植物还是单子叶植物,二者在小密度林分下均占优势地位。双子叶植物种数量在由小到大的3种林分密度下为:23、19种和15种,其所占比例为:79.3%、82.6%和75.0%;单子叶植物数量为5、3种和4种,其所占比例为17.2%、13.0%和20.0%。人工油松林下植物物种组成以豆科(Leguminosae)、菊科(Asteraceae)、蔷薇科(Rosaceae)、忍冬科(Caprifoliaceae)、禾本科(Poaceae)、百合科(Liliaceae)6科居多,3种林分密度由小到大依次占样地物种总数的58.6%、60.8%、60.0%。豆科、蔷薇科在小密度林分(1875株·hm-2)林下占主导地位,菊科在中密度林分(2125株·hm-2)林下占优势位置,蔷薇科在大密度林分(3925株·hm-2)林下占优势位置。在3种不同林分密度下,上述的豆科、菊科(Asteraceae)、蔷薇科、忍冬科、禾本科、百合科物种数在小、中和大密度林分下分别占各自样地物种总数的58.6%、60.8%、60.0%(图1)。综上所述,随着林分密度的增加,人工油松林下灌木和草本植物的科、属、种数都呈降低的趋势,小密度林分下灌木和草本植物的科、属、数在三者中是最多的。3.2林下灌木层植物种类及数量油松林下灌木层物种数量和种类明显受到密度不同的影响,小密度林下灌木层的植物种数为10种,优势种为杜梨、柔毛绣线菊、黄刺玫、忍冬(Lonicerajaponica)、丁香(Syzygiumaromaticum);中密度林下灌木层的植物种数为9种,优势种为黄刺玫、柔毛绣线菊、陕西荚蒾、连翘(Forsythiasuspensa)、丁香。大密度林下灌木层的植物种数为8种,优势种为水荀子、柔毛绣线菊、黄刺玫、山桃。说明随着林分密度的不断增大,油松林下灌木数量呈减小趋势(表2)。林下草本层植物种类及数量也与密度密切相关,小密度林下草本层的植物种数为14种,优势种为披针苔草、铁杆蒿、菊叶委陵菜(Potentillatanacetifolia)、狼巴草(Bidenstripartita);中密度林下草本层层物种数为11种,优势种为火绒草(Leontopodiumalpinum)、风毛菊(Saussureajaponica)、甘菊(Matricariarecutita);大密度林下草本层的植物种数为11种,优势种为紫菀(Astertataricus)、轮叶黄精(Polygonatumverticillatum)、唐松草(Thalictrumminus)、艾蒿(Artemisiaargyi)、野豌豆(Viciasepium)。说明随着林分密度的不断增大,林下草本的数量呈减少趋势。3.3林密度对林下生物多样性的影响3.3.1均匀度指数法在测定的3种不同密度林分中,灌木层的物种丰富度(S),Simpson指数(D)和Shannon-Wiener指数(H′),Pielou均匀度指数(J)等指标的峰值均出现在小密度林分中(图2)。各多样性测度指标S、D、H′、J在小、中、大密度林分中依次为10、9、8,0.6032、0.4464、0.3573,1.0259、0.8037、0.5565,0.9538、0.9163、0.8683,表现为随林分密度增大而各指标值逐渐减小。3.3.2、j指标的峰值在3种密度林分中,草本层多样性各测度指标变化规律与灌木层相似,S、D、H′、J指标的峰值均出现在小密度林分中。物种丰富度(S)在小密度为14,在中密度和大密度林分下的物种丰富度指数均为11,由此可见在大密度林分下已经不能使林下草本的丰富程度造成影响,对草本来说中密度林分已是合理密植的上限。3.4中密度林分密度对器官生物量分配的影响林下灌木层和草本层的总生物量随林分密度的增加逐渐减少,小、中、大密度林下灌木、草本总生物量依次为2.5066、0.8773、0.3460,1.8042、1.0537t·hm-2和0.6521t·hm-2(图3)。灌木层各器官生物量随着林分密度的增加呈减小趋势,各器官的生物量分配与林分密度关系密切,小密度林分下为灌枝>灌叶>灌根,且灌枝分别是灌叶、灌根的3.13倍、3.54倍;中密度林下为灌叶>灌枝>灌根,其生物量依次为0.3365、0.3113t·hm-2和0.2295t·hm-2;大密度林下为灌枝>灌根>灌叶,其生物量依次为0.1369、0.0790t·hm-2和0.1301t·hm-2。在小密度林分下灌枝与灌叶、灌根生物量之间差异较大,但在中、大密度林分下各器官生物量之间差异较小。草本层的地上部分和地下部分生物量,不论是在小、中还是大密度林分下,都一致表现为地下>地上,并且地上、地下生物量均随林分密度的增加呈现为减少的趋势,其生物量随密度增加分别为0.4322、0.2054、0.1871t·hm-2和1.3720、0.8483、0.4650t·hm-2。4林分密度对2种生物量的影响黄土丘陵区的人工油松林具有比较丰富的物种组成,植物多样性主要在灌木的多样性上体现。不同林分密度人工油松林样地双子叶植物科的数目大小为:小密度>中密度>大密度;单子叶植物在中密度林分下最少,在小密度和大密度林分下数量一致;豆科、蔷薇科在小密度林下占主导地位,菊科在中密度林下占优势位置,蔷薇科在大密度林下起优势作用。在3种不同林分密度下,林下植被灌木层和草本层的优势种发生了改变。植物群落多样性各指数的峰值出现在小密度林分,而且各指数都表现出随林分密度的增大而减小的态势,即随着林分密度增加,灌木层植物群落多样性各指数的大小均表现为:小密度>中密度>大密度。草本多种多样性和灌木层一样,物种丰富度(S)、Simpson指数(D)和Shannon-Wiener指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)的峰值都出现在小密度林分。各指数仍随林分密度增大而减小,但是Simpson指数和Shannon-Wiener指数在中密度和大密度林分下已经比较接近,这与物种丰富度的表现比较一致。一些学者研究表明,林下物种丰富度指数和物种多样性各指数均呈现随林分密度的增大而降低的趋势。但是孙书存的研究表明只有物种丰富度指数随林分密度增加有降低的趋势,G.R.Paul等认为只有Shannon-Wiener指数与林分密度呈负相关,其他物种多样指数的变化并无一定的规律。本研究的灌木层物种丰富度与孙书存的研究结果一致,并且其他各指数也呈现出与物种丰富度类似的规律,但是草本层却有些不同,各指数变化无一定规律。3种不同林分密度人工油松林下的灌木层和草本层的总生物量随林分密度的增加而减少。对于灌木层来说,各器官的生物量也随着林分密度的增加而持减少的趋势,但是不同林分密度下各器官的生物量的分配却呈现出不同:在小密度林分下,灌枝和灌根的生物量较为一致;在中密度林分和大密度林分下,生物量在各器官的分配表现不一致,各器官的生物量差