下载:
-
杉木Cunninghamia lanceolata是中国南方特有的速生用材树种，生长快，材质好，用途广，深受群众喜爱，是重要的商品材树种[1]。第7次全国森林资源清查结果显示，中国杉木人工林面积有853.86万hm2，占全国人工林面积的21.35%，蓄积为6.2亿m3，木材产量约占商品材的31.64%[2]。中国木材多以中小径材为主，大径材资源很少，木材供需的结构性矛盾十分突出[3]。近年来，中国各地的实践表明，人工林近自然经营能够实现长期稳定的林木生长和林分发育，是人工培育大径材的有效途径之一[4-5]。培育杉木大径材已为社会所急需，而培育大径材的关键措施在于密度控制[6]。间伐作为一种有效改善林分密度的经营手段，对于提升森林产量与品质有着重要意义。合理间伐能够有效促进林木生长，最佳间伐强度的选择一直是森林经营措施中的关键环节。当前，国内有关间伐对杉木林分和单株的影响已开展了一系列研究，如张水松等[7]研究得出林分间伐可以有效促进杉木个体生长，但不能增加其林分蓄积；孙洪刚等[8]亦得出相似结论，认为间伐不能增加杉木林分断面积。然而上述研究多侧重于杉木间伐后的效果，而有关间伐后杉木生长的动态研究尚少见报道，仅李婷婷等[9]比较了2种强度(47%和61%)间伐后4 a内杉木林分蓄积生长量、单木生长量等指标的动态变化。目前，广西杉木的栽培面积已逾100万hm2，总蓄积量约1.2亿m3，占广西林木蓄积量的20%[10]。本研究以桂西南14年生杉木人工林为对象开展近自然化改造的间伐试验，定期进行生长观测，揭示间伐后杉木林分的生长动态，以期选择合理的间伐强度，为完善杉木人工林近自然经营和大径材培育技术提供科学依据。
-
研究地位于广西凭祥市热林中心伏波实验场(22°03′N, 106°51′E)，海拔400 m，属于南亚热带季风气候区，干湿季节明显，年均气温为20.5 ℃，年均降水量为1 500.0 mm，年蒸发量为1 388.0 mm。土壤为花岗岩发育而成的砖红壤。
1993年春季于热林中心伏波实验场采用广西融水种源的1年生裸根苗营造杉木人工纯林，初植密度为2 500株·hm-2，分别于1999年和2003年进行了强度约为20%的透光伐和强度约为30%的抚育性间伐。
-
2007年10月，选择立地条件和杉木生长情况基本一致的地段开展间伐试验。试验采用随机区组设计，设置4个间伐强度(表 1)和1个对照(ck)，4次重复，共20个小区，小区面积为1 500 m2。间伐后在杉木林下采用1年生苗均匀套种大叶栎Castanopsis fissa，红椎C. hystrix，格木Erythrophleum fordii，灰木莲Manglietia glauca，铁力木Mesua ferrea，枫香Liquidambar formosana和香梓楠Michelia hedyosperma等阔叶树种，套种密度为450~525株·hm-2。对照为不间伐、不套种。间伐前，根据单木生长竞争特征将林木分为目标树、特殊目标树、干扰树和一般木，分别进行标记、编号。选择目标树做永久性标记，按照试验设计要求，伐除全部干扰树及部分一般木[4]。此工作在2007年底之前全部完成。
表 1 杉木人工林间伐强度的设置
Table 1. Thinning intensity treatment of Chinese fir plantation
处理 保留株数/(株·hm-2) 间伐强度/% Ⅰ 375 69 Ⅱ 488 60 Ⅲ 594 51 Ⅳ 732 40 ck 1 219 0 -
间伐作业前，于杉木纯林内设置4块400 m2的圆形样地进行本底调查，调查样地内所有杉木的胸径、树高、枝下高和冠幅，包括应用围尺进行每木检尺，用皮尺分东、西、南和北4个方向测定冠幅，采用VERTEX超声波测高器测量树高和枝下高。林分平均保留密度为1 219株·hm-2，平均胸径13.71 cm，平均树高11.43 m，平均蓄积量98.68 m3·hm-2。间伐后于各个小区内布设面积为400 m2的圆形固定样地，分别于2008，2010，2012，2014年底和2016年8月进行定株生长观测。
-
冠幅为东西、南北2个方向的平均值。单株材积的计算采用V=gf(h+3)，其中：h为全树高(m)，g为胸高断面积(m2)，f为平均实验形数，杉木取0.429[11]。采用单因素方差分析和Duncan多重比较检验各间伐强度间杉木林分生长表现及其年均增量的差异。应用SPSS 16.0软件进行数据统计分析。由于套种的植株尚未进入主林层，对杉木生长的影响不大，故本研究在分析生长动态时未予考虑。
-
由图 1A可以看出：各处理的胸径生长总体上随着时间的推移而呈直线升高的趋势。间伐后第1~7年，处理Ⅰ和处理Ⅲ胸径差异不显著，而在第7~9年，处理Ⅲ显著高于处理Ⅰ(P＜0.05)；间伐后第1~9年，处理Ⅰ和处理Ⅲ的胸径显著高于处理Ⅱ和处理Ⅳ(P＜0.05)，后两者在各时间段的胸径几乎一致。4个间伐处理的胸径在各时间段均显著高于对照(P＜0.05)，以处理Ⅲ为最高，间伐后第1年，较对照高出13.5%，第9年较对照高26.3%。间伐后第9年，中、大径级比例随着间伐强度的增大呈现出先升高后下降的趋势(表 2)。4种间伐处理未见径级10 cm(含10) 以下的林木，而对照有8.72%；比较12~20 cm径级林木的分布频率，对照和处理Ⅳ较为接近，分别为70.26%和74.36%，其余3个处理为48.42%~65.38%；径阶22 cm以上林木的分布频率，对照和处理Ⅳ亦较为接近，为21.03%和25.64%，而其余处理为34.62%~51.58%。中、大径级林木的比例均以处理Ⅲ为最高。
图 1 不同强度间伐后杉木人工林胸径生长动态
Figure 1. Growth dynamics of diameter at breast height in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
表 2 间伐后第9年杉木人工林的径级分布
Table 2. Distribution of diameter grade in Chinese fir plantations 9 years after thinning
径级/cm 不同处理的林木径级分布频率/% Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ ck 8 0.00 0.00 0.00 0.00 1.54 10 0.00 0.00 0.00 0.00 7.18 12 1.67 2.56 1.05 3.42 10.26 14 6.67 5.13 6.32 9.40 15.90 16 10.00 21.79 13.68 18.80 23.08 18 16.67 12.82 12.63 26.50 10.26 20 25.00 23.08 14.74 16.24 10.77 22 20.00 19.23 16.84 9.40 7.69 24 5.00 11.54 13.68 6.84 5.64 26 6.67 1.28 10.53 5.13 3.59 28 5.00 2.56 6.32 2.56 2.05 30 3.33 0.00 3.16 0.85 2.05 32 0.00 0.00 1.05 0.85 0.00 各处理的胸径年均增量随着时间的推移均呈逐渐降低的趋势(图 1B)。间伐后第1~3年，4个间伐处理间胸径年均增量无明显差异，但均显著高于对照(P＜0.01)；间伐后第3~9年，处理Ⅲ的胸径年均增量显著高于处理Ⅳ(P＜0.05)，与处理Ⅰ和处理Ⅱ的处理间差异不显著，4个间伐处理均显著高于对照(P＜0.05)。在间伐后的9 a间，处理Ⅲ的胸径年均增量比对照增加了约1.0倍。
-
从整体上看，各处理间树高生长较为平稳，而间伐后第3~5年是树高的快速增长期(图 2A和2B)。间伐后第1~9年间，处理Ⅰ和处理Ⅲ和对照的树高显著高于处理Ⅱ和处理Ⅳ(P＜0.05)。间伐后第1年，树高以处理Ⅲ为最大，处理Ⅱ为最小，前者较后者高10%；第9年则以处理Ⅰ为最大，较处理Ⅱ高14%。间伐后第1~3年，处理Ⅰ的树高年均增量显著高于处理Ⅱ，处理Ⅲ，处理Ⅳ和对照(P＜0.05)；第3~9年，5个处理间的树高年均增量无明显差异。
图 2 不同强度间伐后杉木人工林树高生长动态
Figure 2. Height growth dynamics of chinese fir plantations after thinning with different intensities
-
各间伐处理的枝下高变化亦较为平稳，均显著低于对照(图 3A)。处理Ⅰ，处理Ⅲ和处理Ⅳ的枝下高在间伐后各时间段内均非常接近，而处理Ⅱ略微低于此3个处理。对照的枝下高在间伐后第1年高出4个间伐处理0.3~1.0 m；随着时间的推移，差距在不断的拉大，到间伐后第9年，对照的枝下高比处理Ⅱ高1.5 m。
图 3 不同强度间伐后杉木人工林枝下高动态变化
Figure 3. Dynamic changes of crown base height in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
由图 3B可知：各间伐处理和对照的枝下高年均增量随着时间的推移先下降而后趋于平稳。对照的枝下高年均增量在间伐后各时间段均显著高于4个间伐处理(P＜0.01)。间伐后第1~3年，各处理的枝下高增量出现峰值，以处理Ⅲ为最小，仅为对照的1/3。
-
间伐后第1~9年，随着杉木林分保留密度增大，冠幅生长减缓(图 4A)。间伐后第1年、第3年、第5年和第7年，处理Ⅰ、处理Ⅱ和处理Ⅲ的冠幅显著大于处理Ⅳ，而4个间伐处理均显著大于对照(P＜0.05)。而间伐后第9年，4个间伐处理的冠幅差异不显著，但仍显著大于对照(P＜0.05)，以处理Ⅱ为最大，是对照的1.4倍。
图 4 不同强度间伐后杉木人工林冠幅生长动态
Figure 4. Growtjh dynamics of crown width in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
从图 4B中可以看出：处理Ⅰ在间伐后第1~3年出现冠幅生长高峰，随后其增量逐年减小。处理Ⅱ，处理Ⅲ，处理Ⅳ和对照的冠幅年均增量呈平稳或下降趋势，无显著差异。除了处理Ⅰ的冠幅年均增量在间伐后第1~3年显著高于其他各处理外(P＜0.01)，其余各时间段内，各间伐处理的冠幅年均增量与对照差异不显著。在间伐后第1~3年，处理Ⅰ的冠幅年均增量为对照2.4倍。
-
结果显示(图 5A)：间伐处理Ⅰ和处理Ⅲ的单株材积在间伐后第1~9年均显著大于处理Ⅱ和处理Ⅳ和对照(P＜0.05)。间伐后，处理Ⅲ的单株材积为最高，对照处理的单株材积为最低，随着时间的推移，两者间的差距在逐渐加大。到间伐后第9年，处理Ⅲ的单株材积为对照的1.5倍。
图 5 不同强度间伐后杉木人工林单株材积生长动态
Figure 5. Growth dynamics of individual tree volume in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
各处理的单株材积年均增量随时间的推移呈现先增大而后减小或稳定的趋势(图 5B)。间伐后第1~7年，处理Ⅰ和处理Ⅲ的单株材积年均增量显著高于处理Ⅱ，处理Ⅳ以及对照(P＜0.05)；而在间伐后第7~9年，处理Ⅲ的单株材积年均增量显著高于其他3个间伐处理(P＜0.01)。
-
由图 6A可以看出：处理Ⅲ和处理Ⅳ，处理Ⅰ和处理Ⅱ在间伐后各时间段的蓄积量均几乎相等；4个间伐处理的蓄积显著低于对照(P＜0.01)，处理Ⅲ和处理Ⅳ的蓄积显著高于处理Ⅰ和处理Ⅱ(P＜0.05)。在间伐后第5年、第7年、第9年，对照处理的蓄积量与处理Ⅲ和处理Ⅳ的差距在逐渐缩小，间伐后第1年对照的蓄积是处理Ⅲ的1.7倍，第9年为处理Ⅲ的1.5倍。
图 6 不同强度间伐后杉木人工林林分蓄积生长动态
Figure 6. Growth dynamics of stand volume in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
各间伐处理的林分蓄积年均增量变化平稳，间伐后第3~5年略微增大；而对照的林分蓄积年均增量在间伐后第1~3年缓慢增长，第3~5年陡然增大，在间伐后第5~7年和第7~9年缓慢降低(图 6B)。间伐后第1~9年，处理Ⅰ和处理Ⅱ的林分蓄积年均增量显著小于对照(P＜0.01)，而处理Ⅲ和处理Ⅳ与对照无显著差异。间伐后第7~9年，蓄积年均增量最大的间伐处理Ⅲ为对照的83.1%。
-
选择最佳间伐强度调整林分结构，对于林木生长极为重要[12-13]。本研究中14年生杉木的胸径和冠幅在间伐后呈现快速生长，不论是从林分的胸径均值还是年均增长量来看，4个间伐处理均显著高于对照，且间伐强度越大，其胸径、冠幅生长越快。间伐对杉木生长的促进作用无明显滞后现象，间伐后第1~3年即是其胸径和冠幅的快速增长期，随后6 a(至最后1次观测)其胸径增加量仍显著高于对照。CRECENTE-CAMPO等[14]研究得出：强度间伐(32%~46%)和超强度间伐(51%~57%)能使50年生欧洲赤松Pinus sylvestris的胸径、冠幅增量在短期(4 a)内显著增加。MISSON等[15]对挪威云杉Picea abies间伐(强度为40%~80%)后25 a连续观测研究发现：强度间伐对林木径向生长的促进作用能够持续约4~10 a。而17年生湿地松Pinus elliottii间伐后对胸径和冠幅生长的促进作用存在2~4 a的滞后现象[16]。由此可见，间伐对林木生长促进作用的起始时间、持续时间因树种、林龄而异；杉木生长对间伐响应快速，间伐对其保留木生长的促进作用持续时间长。其可能的原因在于：其一、杉木为中性偏荫树种，对间伐后光环境变化的适应能力强，因而间伐对其生长促进作用无滞后现象；其二、杉木属窄冠型树种，其冠幅小、冠长大，而且其冠幅生长相对较慢，因而间伐对杉木生长的促进作用持续时间长。
本研究中杉木各间伐处理与对照间的树高年均增量相差不大。此与张水松等[7]对10年生杉木人工林强、中、弱度间伐后20 a的生长观测结果一致。然而，周成军等[17]对33年生杉木人工林进行了强度为12.9%~61.5%的择伐试验，发现中度(23.5%)择伐更有利于树高生长。这些研究得出不一致的结果，可能与其杉木年龄、立地条件、生长势等差异有关。不过，大多数学者认为间伐对树高生长影响较小，如，MEDHURST等[18]对不同年龄亮果桉Eucalyptus nitens人工林进行强度为14%~72%的间伐研究，亦得出间伐不影响树高生长的结论。4个间伐处理的杉木枝下高年均增量显著低于对照，而4个间伐处理间差异不显著。究其原因，可从自然整枝与林分竞争方面得以解释：枝下高的变化直接取决于自然整枝强度，而自然整枝强度与林分竞争有关；对照林分密度大，生长空间竞争激烈，会加剧其自然整枝[19-20]，而4个处理的间伐强度为40%~69%，其空间竞争差异可能尚不明显。
间伐是增加林木收获量和大径材比例最常见的干预措施[21]。林分单株材积及其年均增长量方面，处理Ⅲ均显著高于对照林分。从林分蓄积来看，处理Ⅰ和处理Ⅱ的蓄积及其年均增量均显著低于对照，而处理Ⅲ和处理Ⅳ的蓄积年均增量与对照无显著差异。随着时间的推移，4个间伐处理的蓄积年均增量与对照的差距在缩小。由此可见，间伐后林木单株材积的增量可弥补因保留木数量减少而造成的林分蓄积增量的降低。国内一些学者研究亦表明，间伐有利于杉木大径级林木的生长，虽然间伐使林木株数减少，但到主伐年龄时其蓄积增量与不间伐相差不大[22-23]。从间伐后第9年林木径级分布还可以看出，间伐处理的中、大径级林木的比例远高于对照，尤其以处理Ⅲ的大径级林木比例最高，有利于大径材生产，其经济效益亦会得到显著提升。
杉木林分的胸径、冠幅和单株材积的增量随间伐强度的增大而增大，而枝下高和林分蓄积则呈相反的变化趋势。杉木人工林近自然化改造不同于传统的人工林经营，其间伐强度高，旨在快速培育大、中径材，且在其间伐后套种珍贵乡土阔叶树种，营造针阔异龄混交林。根据不同间伐处理下杉木单株和林分生长表现，建议选择50%的间伐强度为宜。本研究是在未考虑套种阔叶树影响的情况下进行的，在今后的长期试验中，还应考虑到林下阔叶树逐步进入到主林层后林分的空间结构与环境变化、林木枯损、种间关系等因素对杉木生长的影响，此亦为今后研究的重点。
-
承蒙中国林业科学研究院热带林业研究所曾杰研究员审阅修改论文。特致谢忱！
Growth response of a Cunninghamia lanceolata plantation to thinning in southwestern Guangxi, China
-
摘要: 以广西凭祥14年生杉木Cunninghamia lanceolata人工林（保存密度为1 219株·hm-2）为对象，设置69%（处理Ⅰ），60%（处理Ⅱ），51%（处理Ⅲ），40%（处理Ⅳ）4个间伐强度处理和不间伐对照，定期观测间伐后9 a内胸径、树高、枝下高和冠幅等林分生长指标，并计算单株材积和林分蓄积，从而揭示林分生长对间伐的动态响应，筛选适宜的间伐强度，为杉木人工林近自然化改造提供技术支撑。结果表明：间伐强度显著影响杉木林分胸径、枝下高、单株材积和蓄积生长（P < 0.05），对树高和冠幅的影响不显著（P＞0.05）；胸径和单株材积以处理Ⅲ为最高，枝下高和蓄积则以对照为最高。胸径、冠幅和枝下高年均增量在间伐后第1~3年最大，处理间的差异随着时间的推移逐渐缩小。树高、单株材积和林分蓄积年均增量高峰则出现在间伐后第3~5年。根据上述试验结果，为了快速培育杉木大径材，建议在杉木近自然化改造中选择间伐强度约50%（处理Ⅲ）为宜。Abstract: To reveal the dynamic response of stand growth to thinning treatments and to select suitable thinning intensities in Cunninghamia lanceolata (Chinese fir) plantations, a thinning trial was conducted in a 14-year-old plantation of C. lanceolata at Pingxiang City, Guangxi. Stand density was about 1 219 trees·hm-2, and the experiment was arranged in a randomized complete block design with five treatments: four thinning treatments of 69% (Ⅰ), 60% (Ⅱ), 51% (Ⅲ), and 40% (Ⅳ) and a control without thinning and four replicates for each treatment. Diameter at breast height (DBH), tree height, crown base height (CBH), crown width (CW), individual tree volume (ITV), and stand volume (SV) were determined with a circle samping plot of 400 m2 for each replicateperiodically in 9 years after thinning. Results from one-way analysis of variance and Duncan's multiple range tests showed that thinning intensity significantly increased DBH and ITV, decreased CBH and SV (P < 0.05). The highest DBH and ITV were observed in Treatment Ⅲ; whereas, the highest CBH and SV were in the control. The mean annual increments for DBH, CW, and CBH were highest 1 to 3 years after thinning with differences between treatments gradually declining as forest age increased; however, peaks for tree height, ITV, and SV growth occurred 3 to 5 years after thinning. Based on the above findings, a thinning intensity of about 50% (Treatment Ⅲ) should be applied for close-to-natural forest management so as to producelarge-sized timber of C. lanceolata more rapidly.
-
刺槐Robinia pseudoacacia原产于北美洲的亚热带和温带地区，适应性强、繁殖容易，被广泛引种[1]，已被全球入侵物种数据库定为入侵种[2]。20世纪60年代以后，刺槐被作为黄土高原丘陵沟壑区人工林建设的主要造林树种，成为该地区造林面积最大的树种[1]。刺槐作为一种外来种，生长快、耗水强，在许多立地条件差的地方多形成低产林[3]。晋西黄土区处于干旱半干旱地区，侵蚀强烈，生态环境脆弱[4]，研究黄土区刺槐人工林林下多样性具有重要的实际意义。人工林群落物种多样性主要由林下植被反映，而且林下植被的生长发育，填补了地表空白[5]，对森林的生长繁殖以及森林结构的塑造有重要的影响[6]。从已有的研究中可知，刺槐林下阴坡物种多样性大于阳坡[7]；在相同林龄及立地条件下，刺槐林下林分密度越大，林下植被多样性越低[8]。总之，坡度、坡向、密度、林龄等都会对刺槐林下物种多样性产生一定的影响。因此，对于黄土丘陵区引种刺槐这种外来树种进行水土保持造林，会塑造成怎样的生物群落，能否促进生态系统向稳定、环境良好方向永续恢复，还需要进一步的跟踪和长期定位观测研究。本研究通过对晋西黄土区蔡家川流域长期固定观测样地刺槐人工林林下植被的分析，对比当地主要林地类型油松Pinus tabulaeformis人工林和天然次生林林下植被，揭示刺槐人工林林下结构特征、α多样性、β多样性及相似度等特征，以及与油松人工林和天然次生林存在的差异性，进一步揭示刺槐人工林形成的生物群落对当地水土保持和生态恢复的作用，旨在为晋西黄土区蔡家川流域刺槐人工林植被恢复提供基础数据，并为刺槐人工水土保持林管理提供借鉴。
1. 研究方法
1.1 样地设置与调查
研究区位于晋西黄土区蔡家川流域，地理坐标为36°14′27″~36°18′23″N，110°39′45″~110°47′45″E，海拔为900~1 513 m，属于黄河的三级支流，呈东西走向，流域面积为39.33 km2[9]。该区属暖温带半干旱大陆性气候，年平均气温为10.0 ℃，年平均降水量为470.0~600.0 mm。该区土壤为褐土，黄土母质，土壤普遍呈碱性[9]。自1990年退耕还林还草以来，蔡家川流域植被覆盖率显著增加，其中人工林以刺槐、油松、侧柏Platycladus orientalis为主，天然次生林以山杨Populus davidiana，白桦Betula platyphylla和辽东栎Quercus liaotungensis为主[10]。
选择蔡家川流域刺槐人工林作为研究对象，以当地另外2种主要林地类型油松人工林和天然次生林作为对照林地。研究样地的选择坚持代表性原则，能够代表区域内同种林型的整体情况。故根据研究内容和实地踏查情况，在研究区内共布设了15个20 m × 20 m的样地，其中包括9个刺槐人工林样地，3个油松人工林样地和3个天然次生林样地，林龄都在20 a左右，每个样地内设置3个5 m × 5 m的灌木样方，3个1 m × 1 m的草本样方。样地基本信息如表 1所示。
表 1 样地基本信息Table 1. Basic situation of sample plots样地 海拔/m 坡度/(°) 坡向 郁闭度/6 C1 1 132 22 阳坡 69 C2 1 154 20 阴坡 61 C3 1 114 13 半阴坡 68 C4 1 119 16 阴坡 63 C5 1 210 18 阴坡 64 C6 1 215 12 半阴坡 58 C7 1 238 18 阳坡 61 C8 1 289 32 半阴坡 59 C9 1 338 11 阳坡 60 Y1 1 158 15 阳坡 61 Y2 1 112 16 阳坡 10 Y3 1 358 20 阴坡 13 N1 1 109 11 半阳坡 12 N2 1 131 10 阴坡 68 N3 1 152 11 阳坡 10 说明：C，Y，N分别表示刺槐人工林、油松人工林、天然次生林 1.2 数据处理
根据样地调查数据，分析群落结构特征及多样性，其中重要值采用IV=[（相对密度+相对显著度+相对频度）/3]×100来计算。采用丰富度指数（S），Shannon-Wiener指数（H′），Simpson指数（D），Pielou均匀度指数（E）来测定植物群落的α多样性；采用Whittaker指数（βW），Cody指数（βC），Routledge指数（βR）测定植物群落的β多样性；采用Jaccard指数（q）测定植物群落的相似性，根据Jaccard相似性原理，0.00≤q＜0.25表示极不相似，0.25≤q＜0.50表示中等不相似，0.50≤q＜0.75表示中等相似，0.75≤q≤1.00表示极相似[11]。
2. 结果与分析
2.1 群落结构特征
重要值是群落中物种生态适应能力和物种在群落中所处地位的综合指标，其大小是确定优势种和建群种的重要依据[12]。由表 2可见：所有刺槐样地中共包含植物种类37种，其中灌木8种，草本29种。灌木层中黄刺梅Rosa xanthina出现频率为100%，平均重要值为53.11%；杠柳Periploca sepium出现频率为22.22%，平均重要值为9.78%；紫丁香Syringa oblata出现频率为33.33%，平均重要值为9.11%。草本层中蒙古蒿Artemisia monogolica出现频率为22.22%，平均重要值为14.11%；冰草出现频率为55.56%，平均重要值为10.22%；铁杆蒿Artemisia vestita出现频率为66.67%，平均重要值为5.22%。这一结果表明，蔡家川流域刺槐人工林下灌木层中黄刺梅为优势种，杠柳和紫丁香为次优种；草本层中蒙古蒿和冰草Agropyron cristatum为优势种，铁杆蒿Artemisia vestita为次优种。由此可知，刺槐林下灌木层以蔷薇科Rosaceae为主，草本层以菊科Compositae和禾本科Gramineae为主。高艳鹏等[13]指出晋西黄土丘陵沟壑区刺槐人工林下草本优势种主要为禾本科、菊科植物，与本研究所得结论一致。
表 2 刺槐样地内主要物种的重要值Table 2. Importance values of the main species in sample plots of Robinia pseudoacacia plantation层次 物种名 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 灌木层 紫丁香Syringa oblata - - 33 29 - - - 20 - 胡枝子Lespedeza bicolor - - - l4 l8 - - - - 黄刺梅Rosa xanthina 86 80 l9 29 55 l7 90 40 62 灰栒子Cotoneaster acutjfolius - - - - - - - - - 妙棘Hippophae rhamnoides - - 5 l4 - - - - - 山檀叶悬钩子Rubus crataegifolius - 7 ll 20 - - 9 - 9 酸枣Ziziphus jujuba var. spinosa 14 10 - - 27 - - - - 杠柳FeripZoca sepium - - - 14 - 74 - - - 草本层 猪毛嵩Artemisia scoparia - 12 6 - - - - - - 碱菀Tripolium vulgare - 7 2 - - - - - - 莎草Cyperus rotundus 3 9 - - - - - - - 针茅Stipa capillata 5 7 - 2 - - - - - 甘草Glycyrrhiza uralensis - 1 - - 7 - - - - 苦荬菜Ixeris denticulata - 3 1 - - 6 - 10 - 紫花地丁Viola philippica - 1 - - 2 10 - - - 委陵菜Potentilla chinensis - 3 - 11 7 10 - 7 - 油嵩Artemisia ordosica - 4 - - - - - - - 蒙古嵩Artemisia mongolica - - 43 - - - 84 - - 乳浆大戟Euphorbia esula - 1 1 7 - 9 - 9 - 早熟禾Poa annua - - 32 - - - - - - 野豌豆 Sesbania cannabina - 6 1 1 2 - - 1 - 铁杆嵩Artemisia vestita - - - 16 11 3 1 15 1 艾嵩Artemisia vulgaris - - - 3 4 - - 1 3 白头翁Pulsatilla chinensis - - - 11 2 5 - 12 7 黄花龙牙Patrinia scabiosaefolia - 1 - 3 7 1 3 5 1 冰草Agropyron cristatum - - - 1 2 2 - 2 85 蒲公英Taraxacum mongolicum - 3 - 5 2 5 - 7 - 祁州漏芦Rhaponticum uniflorum - - - 6 - 2 - 4 - 茵陈嵩Artemisia capillaris 1 11 - - 4 1 - - - 长芒草Stipa bungeana 5 13 - 3 2 2 - 11 - 柴胡Bupleurum chinense - - - 7 2 - - 2 - 白羊草Bothriochloa ischaemum - - - 6 5 - - 8 - 矮臺草Carex supina - - - - 5 - - - - 风毛菊Saussurea japonica - 1 - - 5 - - - - 芦苇Phragmites australis - - - - 4 - - - - 狭叶青嵩Artemisia dacunculus - - - - 5 - - - - 茜草Rubia cordifolia 7 9 3 7 4 11 1 1 1 说明：“-”表示该样地内没有该种植物或者IV＜1 2.2 群落α多样性分析
物种多样性是指群落中的物种数目、个体数及个体分配均匀度的综合。从图 1可以看出：D值灌木层和草本层的起伏波动比较大，没有明显的规律；H′值在所有样地中灌木层小于草本层；E值有2/3的样地灌木层小于草本层。相比灌木层，草本层多样性指数更高，多样性指数的最大值均出现在草本层，而且从平均值看，草本层的D值（0.73），H′值（1.67）和E值（0.77）均大于灌木层的D值（0.50），H′值（0.86）和E值（0.33）。总之，草本层α多样性大于灌木层的α多样性。卢宝明等[14]在研究北京山地植物群落的物种多样性中也得出，灌木层的α多样性指数明显小于草本层的α多样性指数。
结合对照组油松人工林和天然次生林的数据，分析3种林型之间的D值，H′值和E值，从而研究刺槐人工林与其他林型之间α物种多样性的差异（图 2和图 3）。图 2分别描述了3种林型灌木层的D值，H′值和E值，在灌木层，刺槐人工林的3个指数的均值、最小值都小于其他2种林型；从3个指数分布范围可以看出：灌木层的α多样性表现为刺槐人工林＜油松人工林＜天然次生林。
图 3分别描述了3种林型草本层的D值，H′值和E值。从3个指数集中范围可以看出：油松林草本层α多样性＜刺槐林＜天然林；刺槐林D值的均值与油松林较接近，都小于天然次生林；刺槐林E值的均值低于其他2种林型；H′值的均值稍大于油松人工林，但仍小于天然次生林。即2种人工林灌木层和草本层α多样性指数都小于天然林。通过对比图 2和图 3可以看出：同种林型之间，灌木层物种多样性指数小于草本层物种多样性指数。
2.3 群落β多样性分析
利用Whittaker指数（βW），Cody指数（βC）和Routledge指数（βR）求β多样性，分别计算C1~C9与Y1，Y2，Y3，N1，N2，N3之间的β多样性指数，然后求各组的平均值，得到刺槐林与油松林、刺槐林与天然林之间的β多样性指数（表 3），从而分析刺槐人工林、油松人工林和天然次生林之间的物种多样性差异。从表 3可以得出：刺槐林与油松林之间的β多样性要小于刺槐林与天然林之间的β多样性。由此表明：刺槐林与天然林之间植被差异性要大于刺槐林与油松林之间的植被差异性。同时，分析刺槐人工林和油松人工林及天然次生林之间的β多样性得出，草本层β多样性指数＞灌木层β多样性指数。
表 3 刺槐人工林与其他林型之间β多样性指数Table 3. β diversity index between Robinia pseudoacacia plantation and other communities林型 层次 βW βC βR C-Y 灌木层 1.54 1.93 7.51 草本层 3.25 6.37 28.00 C-N 灌木层 1.20 2.22 7.53 草本层 3.43 7.02 28.80 说明：C-Y表示刺槐人工林与油松人工林之间的β多样性；C-N代表刺槐人工林与天然次生林之间的β多样性 2.4 群落相似性分析
采用Jaccard相似性系数作为不同样地相似性的度量标准，分析各样地之间灌木层相似性和草本层相似性（图 4）。从图 4可以得知：在灌木层，各群落之间“中等不相似”出现概率最大，占总数的49.52%，而“极相似”概率最小，仅占总数的1.90%，所以，所调查的样地之间灌木层相似度处于中等偏低水平；在草本层，各群落之间“极不相似”占总数的66.67%，“极相似”占0.95%，所以，所调查样地之间的草本层相似度处于较低水平；同时，从图 4可以得出，灌木层相似性＞草本层相似性。分别计算不同林型和不同林层之间相似性系数的平均值，得出灌木层相似性系数均值规律为：刺槐人工林与刺槐人工林之间的相似性系数＞刺槐人工林与油松人工林之间的相似性系数＞刺槐人工林与天然次生林之间的相似性系数；草本层也满足这一规律。
图 4 样地间林下群落相似性Figure 4. The similarity index of understory communities in different sample plots3. 结果与讨论
揭示人工林林下物种组成，不仅是评估人工林生态功能的一个重要途径，也是判断人工林生态功能恢复效果的一个必要手段[15]。在本研究中，刺槐人工林林下灌木层中黄刺梅为优势种，杠柳和紫丁香为次优种；草本层中蒙古蒿和冰草为优势种，铁杆蒿为次优种；灌木层以蔷薇科为主，草本层以菊科和禾本科为主，与其他学者结论一致[16]。在杨晓毅等[17]的研究中，封山育林自然恢复10 a以后的刺槐人工林下共有58种植物，包括12种灌木和46种草本。本研究中的刺槐人工林均位于固定样地内，受到人为干扰，林下物种共有37种，包括灌木8种，草本29种，均低于封山育林后的物种数，所以适当地对人工林进行短期的封山育林可以改善林下群落结构，提高群落稳定性，其他学者也得出短期的封山育林会对林下植被的物种多样性及植被的生长产生显著的影响[18]。
本研究得出刺槐人工林林下物种α多样性、β多样性均表现出草本层＞灌木层。其他学者在相关研究中也得出森林群落植物多样性在空间上的变化顺序表现为草本层＞灌木层[19]，如果这一趋势一直持续，容易造成刺槐人工林“乔—灌—草”复层稳定的层片结构被打破，使得刺槐群落自我调节能力弱化[20]，出现土壤干化、“小老头树”等一系列生态问题。而且本研究得出，灌木层相似性＞草本层相似性，因此，当地林业管理人员应加强维护“乔—灌—草”层片结构的稳定性，调整“灌—草”结构，增强人工林生态恢复效益，提高群落稳定性。
物种多样性是一个反映一定区域内物种丰富程度和物种分布均匀度的综合指标，物种多样性的高低取决于群落中物种的个数及个体在群落中的分布状况[21]。由于人工林单一的物种组成使得多样性与天然林相比有巨大差异。本研究中，刺槐人工林林下α多样性指数与油松人工林之间的差异较小，两者都小于天然次生林，与其他学者研究结果一致[22]。同时，刺槐林与油松林之间的β多样性指数要小于刺槐林与天然林之间的β多样性指数。由此可知，刺槐林与天然林对比，林下植物种类组成存在较大差异；刺槐人工林与油松人工林林下物种组成差异较小。闫东锋等[23]得出群落多样性的高低能在一定程度上反映出群落稳定性的大小，因此，蔡家川流域刺槐人工林的稳定性仍小于天然次生林的稳定性，林业管理人员应加强刺槐人工林林下植被养护，提高其物种多样性。
在本研究中，刺槐人工林林下植被相似度处于“中等不相似”，草本层相似度处于“极不相似”水平。由于相似性水平越低，说明各样地群落间具有较大的生境差异性[24]，所以蔡家川流域刺槐人工林之间生境差异较大。生境不同，林下植被生长状况不同，所以改善刺槐人工林林下生境条件是提高人工林林下植被多样性的有效手段。有研究表明：刺槐根系的化感作用能够改善土壤微生物环境[25]。刘海燕等[26]研究得出相对于油松人工林，刺槐人工林下微生物群落多样性更丰富，刺槐的种植能够明显改善微生物群落结构，改善土壤质量，从而提高林下物种多样性。因此，引种刺槐在一定程度上可以改善区域的生态环境，提高流域内植被稳定性，起到防治水土流失的作用。
-
图 1 不同强度间伐后杉木人工林胸径生长动态
Figure 1 Growth dynamics of diameter at breast height in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
图 2 不同强度间伐后杉木人工林树高生长动态
Figure 2 Height growth dynamics of chinese fir plantations after thinning with different intensities
图 3 不同强度间伐后杉木人工林枝下高动态变化
Figure 3 Dynamic changes of crown base height in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
图 4 不同强度间伐后杉木人工林冠幅生长动态
Figure 4 Growtjh dynamics of crown width in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
图 5 不同强度间伐后杉木人工林单株材积生长动态
Figure 5 Growth dynamics of individual tree volume in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
图 6 不同强度间伐后杉木人工林林分蓄积生长动态
Figure 6 Growth dynamics of stand volume in Chinese fir plantations after thinning with different intensities
表 1 杉木人工林间伐强度的设置
Table 1. Thinning intensity treatment of Chinese fir plantation
处理 保留株数/(株·hm-2) 间伐强度/% Ⅰ 375 69 Ⅱ 488 60 Ⅲ 594 51 Ⅳ 732 40 ck 1 219 0 
下载: 导出CSV
表 2 间伐后第9年杉木人工林的径级分布
Table 2. Distribution of diameter grade in Chinese fir plantations 9 years after thinning
径级/cm 不同处理的林木径级分布频率/% Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ ck 8 0.00 0.00 0.00 0.00 1.54 10 0.00 0.00 0.00 0.00 7.18 12 1.67 2.56 1.05 3.42 10.26 14 6.67 5.13 6.32 9.40 15.90 16 10.00 21.79 13.68 18.80 23.08 18 16.67 12.82 12.63 26.50 10.26 20 25.00 23.08 14.74 16.24 10.77 22 20.00 19.23 16.84 9.40 7.69 24 5.00 11.54 13.68 6.84 5.64 26 6.67 1.28 10.53 5.13 3.59 28 5.00 2.56 6.32 2.56 2.05 30 3.33 0.00 3.16 0.85 2.05 32 0.00 0.00 1.05 0.85 0.00
下载: 导出CSV
-
[1] 盛炜彤, 范少辉.杉木人工林长期生产力保持机制研究[M].北京:科学出版社, 2005. [2] 国家林业局森林资源管理司.第7次全国森林资源清查及森林资源状况[J].林业资源管理, 2010(1): 1-8. Department of Forest Resources Management of State Forestry Administration. Seventh national forest inventory and forest resources [J]. For Resour Manage, 2010(1): 1-8. [3] 石春娜, 王立群.我国森林资源质量变化及现状分析[J].林业科学, 2009, 45(11): 90-97. SHI Chunna, WANG Liqun. Status quo and changes analysis of forest resources quality in China [J]. Sci Silv Sin, 2009, 45(11): 90-97. [4] 陆元昌.近自然森林经营理论与实践[M].北京:科学出版社, 2006. [5] 高云昌, 张文辉, 何景峰, 等.黄龙山油松人工林间伐效果的综合评价[J].应用生态学报, 2013, 24(5): 1313-1319. GAO Yunchang, ZHANG Wenhui, HE Jingfeng, et al. Effects of thinning intensity on Pinus tabulaeformis plantation in Huanglong Mountain, Northwest China: a comprehensive evaluation [J]. J Appl Ecol, 2013, 24(5): 1313-1319. [6] 何齐发, 杨馥宁, 郑小贤.杉木大径材作业级水平经营模式研究[J].林业资源管理, 2008(6): 55-58. HE Qifa, YANG Funing, ZHENG Xiaoxian. Study on sustainable management pattern of Chinese fir for big-diameter timber [J]. For Resour Manage, 2008(6): 55-58. [7] 张水松, 陈长发, 吴克选, 等.杉木林间伐强度试验20年生长效应的研究[J].林业科学, 2005, 41(5): 56-65. ZHANG Shuisong, CHEN Changfa, WU Kexuan, et al. Growth effect of intermediate cuttings intensity experiment for twenty years in Cunninghamia lanceolata [J]. Sci Silv Sin, 2005, 41(5): 56-65. [8] 孙洪刚, 张建国, 段爱国, 等.杉木密度间伐试验林林分断面积生长效应[J].林业科学研究, 2010, 23(1): 6-12. SUN Honggang, ZHANG Jianguo, DUAN Aiguo, et al. Long-term effects of thinning on stand basal area increment of Cunninghamia lanceolata [J]. For Res, 2010, 23(1): 6-12. [9] 李婷婷, 陆元昌, 庞丽峰, 等.杉木人工林近自然经营的初步效果[J].林业科学, 2014, 50(5): 90-100. LI Tingting, LU Yuanchang, PANG Lifeng, et al. Initial effect of close-to-nature management of Chinese fir plantation[J]. Sci Silv Sin, 2014, 50(5): 90-100. [10] 陈代喜, 陈琴, 蒙跃环, 等.杉木大径材高效培育技术探讨[J].南方农业学报, 2015, 46(2): 293-298. CHEN Daixi, CHEN Qin, MENG Yuehuan, et al. High-efficient management technology of big-diameter timber of Cunninghamia laceolata [J]. J Southern Agric, 2015, 46(2): 293-298. [11] 孟宪宇.测树学[M]. 2版.北京:中国林业出版社, 1996. [12] 李春明, 杜纪山, 张会儒.抚育间伐对森林生长的影响及其模型研究[J].林业科学研究, 2003, 16(5): 636-641. LI Chunming, DU Jishan, ZHANG Huiru. The effects of thinning on forest growth and model study [J]. For Res, 2003, 16(5): 636-641. [13] WARD J S. Intensity of precommercial crop tree release increases diameter growth and survival of upland oaks [J].Can J For Res, 2009, 39(1): 118-130. [14] CRECENTE-CAMPO F, POMMERENING A, RODRÍGUEZ-SOALLEIRO R. Impacts of thinning on structure, growth and risk of crown fire in a Pinus sylvestris, L. plantation in northern Spain [J]. For Ecol Manage, 2009, 257(9): 1945-1954. [15] MISSON L, VINCKE C, DEVILLEZ F. Frequency responses of radial growth series after different thinning intensities in Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) stands [J]. For Ecol Manage, 2003, 177(1/3): 51-63. [16] SCHEXNAYDER B, CAMILLE J. Growth of a Slash Pine Spacing Study Five Years after Thinning [D]. Baton Rouge: Louisiana State University, 2005. [17] 周成军, 巫志龙, 周新年, 等.山地杉木人工林不同强度择伐后生长动态仿真[J].山地学报, 2012, 30(6): 669-674. ZHOU Chengjun, WU Zhilong, ZHOU Xinnian, et al. The stand growth dynamics simulation of the mountain Chinese fir plantation under different selective cutting intensity [J]. J Mount Sci, 2012, 30(6): 669-674. [18] MEDHURST J L, BEADLE C L, NEILSEN W A. Early-age and later-age thinning affects growth, dominance, and intras [J]. Can J For Res, 2001, 31(2):187-197. [19] 张宁, 张怀清, 林辉, 等.基于竞争指数的杉木林分生长可视化模拟研究[J].林业科学研究, 2013, 26(6): 692-697. ZHANG Ning, ZHANG Huaiqing, LIN Hui, et al. Visual simulation of growth process in Cunninghamia lanceolata based on competition index [J]. For Res, 2013, 26(6): 692-697. [20] FU Liyong, SUN Hua, SHARMA R P, et al. Nonlinear mixed-effects crown width models for individual trees of Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) in south-central China [J]. For Ecol Manage, 2013, 302(6): 210-220. [21] HUONG V D, MENDHAM D S, CLOSE D C. Growth and physiological responses to intensity and timing of thinning in short rotation tropical Acacia hybrid plantations in South Vietnam [J]. For Ecol Manage, 2016, 380(8): 232-241. [22] 吴建强, 王懿祥, 杨一, 等.干扰树间伐对杉木人工林林分生长和林分结构的影响[J].应用生态学报, 2015, 26(2): 340-348. WU Jianqiang, WANG Yixiang, YANG Yi, et al. Effects of crop tree release on stand growth and stand structure of Cunninghamia lanceolata plantation [J]. Chin J Appl Ecol, 2015, 26(2): 340-348. [23] 叶功富, 涂育合, 林瑞荣, 等.杉木人工林不同密度管理定向培育大径材[J].北华大学学报(自然科学版), 2005, 6(6): 544-549. YE Gongfu, TU Yuhe, LIN Ruirong, et al. On big-diameter-oriented cultivation techniques of Cunninghamia lanceolata of different density measures [J]. J Beihua Univ Nat Sci, 2005, 6(6): 544-549. 期刊类型引用(10)
1. 宫正. 黄土高原森林林下植被物种多样性及其影响因素. 东北林业大学学报. 2025(02): 66-74 . 
百度学术2. 李福明，冯泳翰，赵怡，朱景康，魏曦，梁文俊. 蔡家川流域人工刺槐生物量模型的构建与比较. 森林与环境学报. 2024(01): 62-70 . 百度学术3. 王思敏，张红丽，张恒硕，左启林，查同刚. 晋西黄土区典型小流域不同土层土壤容重分布特征及其影响因素. 生态学杂志. 2024(03): 609-615 . 百度学术4. 王依瑞，王彦辉，段文标，李平平，于澎涛，甄理，李志鑫，尚会军. 黄土高原刺槐人工林郁闭度对林下植物多样性特征的影响. 应用生态学报. 2023(02): 305-314 . 百度学术5. 张咪咪，吴洁，郝小玲，周佳佳，王永吉，张粉果. 晋南典型丘陵沟壑区不同林地类型物种多样性研究. 山西师范大学学报(自然科学版). 2022(04): 23-28 . 百度学术6. 邬宁珊，王佳希，张岩，元慕田，张琪，高驰宇. 基于无人机可见光影像的树种和树冠信息提取——以晋西黄土区蔡家川流域为例. 浙江农业学报. 2021(08): 1505-1518 . 百度学术7. 夏莹莹，郝丙青，江泽鹏，刘凯，毛子军. 广西油茶人工林林下植物多样性区域变化规律. 生态学报. 2020(10): 3507-3518 . 百度学术8. 张文馨，王蕙，范小莉，囤兴建，房用，梁玉. 山东刺槐林对林下植物物种多样性及谱系多样性的影响. 生态学杂志. 2020(09): 2868-2877 . 百度学术9. 齐建国. 锦州地区刺槐人工林经营问题探析. 辽宁林业科技. 2019(02): 55-56+67 . 百度学术10. 闫玮明，孙冰，裴男才，王旭，李非凡，罗鑫华，邹滨. 粤北阔叶人工林和次生林植物多样性与土壤理化性质相关性研究. 生态环境学报. 2019(05): 898-907 . 百度学术其他类型引用(12)
-
-
链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2017.05.010
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 2681
- HTML全文浏览量: 514
- PDF下载量: 302
- 被引次数: 22
