Classification and evaluation of the ecological public welfare forest of Pinus massoniana in northwest Zhejiang

研究区地处天目山地区、浙皖赣中低山立地亚区与浙皖低山、丘陵立地亚区，属中亚热带湿润气候区，温和湿润，年平均气温为15.0 ℃左右，年降水量1 600.0 mm左右，无霜期220~240 d。地貌以低山丘陵为主，夹有天目山、黄山、九华山等中山，地势高峻，山系之间地势较低，以低山丘陵为多，地带性植被较典型的是常绿阔叶林。主要树种有青冈Cyclobalanopsis glauca，苦槠Castanopsis sclerophylla，甜槠Castanopsis eyrei，木荷Schima superba等，但由于多种原因，现在多为马尾松和杉木Cunnunghamia lanceolata林，亦有相当面积的灌丛。

在浙江省西北区的淳安、常山、龙游、浦江、临安等5县（市）划定的公益林地，选择典型的马尾松林，布设面积为20 m × 20 m的固定样地开展调查，详细记录样地海拔、坡度、坡向、坡位、土壤类型、土层厚度、林分郁闭度等环境因子及群落特征因子。为便于分析比较，在淳安和浦江两地设置了6个典型常绿阔叶林样地。共计样地数量34个（表 1）。

在样地内用样线“十字”型等分成4个10 m × 10 m的乔木样方，对样方内胸径≥3 cm或树高≥2.5 m的树木进行每木调查，记录树种名称、胸高直径、树高、活枝下高和冠幅等。在样地内的四角分别设置1个4 m × 4 m的灌木样方，调查记录灌木或下木的名称、株数（或丛数）、平均高度（最高、最低）、盖度。在灌木样方内的右下角设置1个2 m × 2 m的草本样方，调查记录草本植物的名称、高度（最高、最低）、株数（或丛数）、盖度。

重要值＝（相对频度＋相对密度＋相对优势度）/3。其中，相对频度＝（某种的频度/全部种的频度之和）×100%；相对密度=（某种的个体数/全部种的个体数）×100%；相对优势度＝（某种的优势度/全部种的优势度之和）×100%。其中乔木的优势度以胸高断面积计，灌木和草本的优势度以盖度计^[14]。

以欧氏距离（d_jk）计算群落间的相似系数，进行样地间的聚类分析。${d_{jk}} = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{x_{ij}}-{x_{ik}}} \right)}^2}} } $。其中：n为样地数，x_ij和x_ik分别是第i个种在样地j和k中的重要值。

采用离差标准化后的内积，以取值为0与1之间的相关系数R来表达：

其中：R_jk是j与k 2个比较样地的相似系数；n是2个比较样地合计的植物种数；x_ij是第i种在样地j中的重要值；${\overline {{x_j}} } $为样地j所有种重要值的平均值；x_ik是第i种在样地k中的重要值；${\overline {{x_k}} } $为样地k所有种重要值的平均值。

根据群落调查样地资料，分别选取物种丰富度指数（S），Simpson指数（D），Shannon-Wiener指数（H）和Pielou指数（J_H）进行植物多样性统计^{[6, 15-16]}。其中，物种丰富度指数，即样地中物种总数。物种多样性指数采用下式统计：$D = 1 - \sum\limits_{i = 1}^s {p_i^2} $；$H = - \sum\limits_{i = 1}^s {{p_i}\ln } {p_i}$；${J_{\rm{H}}} = \frac{H}{{{H_{\max }}}} = \frac{{ - \sum\limits_{i = 1}^s {{p_i}\ln } \left( {{p_i}} \right)}}{{\ln \left( s \right)}}$。其中：S为样地中出现的植物种类数量；p_i为第i种的个体数占总个体数的比例。本研究以重要值表示，即p_i为第i物种的重要值。

通过聚类分析，共将马尾松公益林划分为7个类型，即马尾松纯林类型（类型Ⅰ），马尾松和高灌木复层混交林类型（类型Ⅱ），人为干扰较大的特殊混交类型（类型Ⅲ），马尾松与落叶阔叶复合混交林类型（类型Ⅳ），马尾松与常绿和落叶阔叶复合混交林类型（类型Ⅴ），以马尾松为主的松常绿阔叶复合混交林类型（类型Ⅵ），以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型（类型Ⅶ）（图 1）。

Figure 1.  Cluster analysis diagram of pine forest quadrats

马尾松纯林类型（类型Ⅰ）包括3号，4号，5号，7号，9号，10号，13号，23号，24号，25号和28号样地，其乔木层物种单一，均为马尾松。

马尾松和高灌木复层混交类型（类型Ⅱ）包括17号和18号样地，乔木层优势物种为马尾松（重要值为59.75），主要伴生种为灌木型的赤楠Syzygium buxifolium，檵木Loropetalum chinensis，山矾Symplocos sumuntia，四川山矾Symplocos setchuensis和短尾越橘Vaccinium carlesii等小乔木，在乔木层还缺乏木荷和苦槠等地带性常绿阔叶乔木树种。

人为干扰较大的特殊混交类型（类型Ⅲ）包括27号，11号，2号和14号样地。根据其物种组成分析，归为特殊类型。样地中部分以马尾松（重要值为78.02）为优势种优势，部分以杉木，樟树Cinnamomum camphora为优势种。样地中有许多物种具有明显的人工栽培的迹象，如毛竹Phyllostachys edulis，油桐Vernicia fordii，杉木，樟树，泡桐Paulownia tomentosa等。

马尾松与常绿和落叶阔叶复合混交类型（类型Ⅴ）包括6号和21号样地。2个样地的距离较近，样地内乔木层马尾松为优势种群（重要值为71.15），乔木亚层主要伴生种为枫香Liquidambar formosana，合欢Albizia kalkora等落叶阔叶乔木树种和樟树、冬青Ilex chinensis，苦槠等常绿乔木树种（重要值为71.20）。

及马尾松-常绿阔叶混交类型（类型Ⅵ）马尾松-落叶阔叶混交类型（Ⅳ）包括16号和19号样地。该类型以马尾松为优势种（重要值为87.85），主要伴生种为短柄枹Quercus glandulifera，野柿Diospyros kaki等落叶阔叶树种。该类型为居于马尾松纯林和高灌木复层混交林类型→马尾松与常绿和落叶阔叶复合混交林类型之间的一种居间类型。马尾松-常绿阔叶混交类型（类型Ⅵ）包括26号、12号和15号样地。该类型样地也以马尾松为优势种（重要值为66.7），混交木荷、苦槠常绿阔叶树种及少量苦枥木Fraxinus insularis落叶阔叶树种，该类型为居于马尾松与常绿和落叶阔叶复合混交林类型→以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型之间的一种居间类型。

以常绿阔叶为主的阔松复合混交林（类型Ⅶ）包括1号，20号，8号和22号样地。该类型样地在聚类图中相对比较集聚，4个样地的马尾松重要值只有14.05，而石栎Lithocarpus glabra，青冈，苦槠和木荷常绿阔叶树种的重要值合计达42.12，远大于马尾松的重要值。白栎Quercus fabri，枫香和黄檀Dalbergia hupeana落叶阔叶树种的重要值合计为12.02，不仅小于马尾松，更小于常绿阔叶树种。

物种多样性是植物群落稳定性的基础^[17-18]，同时也是优质公益林生态综合效益的具体体现。森林群落物种多样性的高低直接影响到群落的生态效益，具有较高物种多样性的森林群落，能形成更稳定有序的耗散结构，使生态功能达到稳定和持续^[19]。

马尾松公益林各类型多样性统计表明：在乔木层（表 2）中，多样性最高的是类型Ⅶ（以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型），物种丰富度S为14；D，H和J_H指数分别为0.912 6，2.867 3和0.813 4。多样性最低的无疑是马尾松纯林。多样性相对较低的是类型Ⅳ（马尾松-落叶阔叶混交类型），物种丰富度只有3。D，H和J_H指数分别只为0.219 8，0.444 5和0.405 3，这可能是由于正处在马尾松林演替的初级阶段，只有短柄枹、苦槠、野柿等少量乔木树种进入乔木层。值得注意的是常绿阔叶林的多样性指数显著地低于类型Ⅶ，这是由于类型Ⅶ正处在快速的自然常规演替过程，一些阳性物种，如野桐Mallotus japonicus，化香Platycarya strobilacea，白花龙Styrax faberi等落叶性灌木型小乔木尚有存在，但不久将会在自然演替或在激烈的自然竞争中逐步淘汰。从乔木层多样性分析表明，类型Ⅰ~类型Ⅳ相对不稳定。

灌木层的多样性测定表明（表 3）：各类型的灌木层物种多样性都比较高，其中以马尾松纯林最高，D，H和J_H多样性指数分别为0.929 6，3.374 9和0.846 1。而类型Ⅲ，类型Ⅶ和常绿阔叶林尽管丰富度指数远低于马尾松纯林（类型Ⅰ），但Simpson多样性指数（D）并不比马尾松纯林低，这可能与物在各样地中的分布较为均匀有关。灌木层物种多样性相对较低的是类型Ⅱ和类型Ⅳ，前者为马尾与高灌木复层混交林的类型，后者为居于马尾松和高灌木复层混交林类型→马尾松与常绿和落叶阔叶复合混交林类型之间的居间类型，造成这一现象的原因一方面可能由于样地偏少（均只有2个样地），另一方面是因为组成的物种多数为阳性树种，林内小气候条件相对较差，导致灌木层的物种多样性较低。

从草本层的物种多样性分析（表 4）可知：马尾松纯林的草本层多样性最高，物种丰富度为8；D，H和J_H多样性指数分别为0.831 6，1.862 9和0.644 5；类型Ⅶ和常绿阔叶林群落也相对较高；类型Ⅴ最低，在调查的2个样地中，只见有3种草本植物，D，H和J_H多样性指数分别为0.500 4，0.830 6和0.756 0。

根据GB/T 18337.1-2001《生态公益林建设：导则》公益林防护林建设质量考核评价指标^[14]规定要求（表 5），以Ⅰ级生态公益林中“生物多样性达到阔叶林、阔叶为主的针阔混交林、动植物物种丰富；林分郁闭度＞0.8；群落层次要求群落复杂结构或完整结构”等为主要指标为标准，选择常绿阔叶林（典型样地）类型（主要树种组成和重要值统计见表 6）和以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型（类型Ⅶ、主要树种组成和重要值统计见表 7）2个类型，作为优质高效公益林目标类型，其他类型通过与目标类型进行群落相似性分析，确定其林分质量的优劣。

采用离差标准化后的内积，按照上述确定的2个优质公益林目标类型，分别针对各类型马尾松公益林进行群落相似性分析，结果表明（表 8）：针对常绿阔叶林的目标类型，以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型（类型Ⅶ）与常绿阔叶林目标类型比较相似，相似系数为0.396 0，其次为类型Ⅵ，相似系数为0.063 1，其他各类型与常绿阔叶林的相似性相差很大，相似系数均为负值。针对以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型（类型Ⅶ），类型Ⅰ，类型Ⅱ，类型Ⅲ，类型Ⅳ，类型Ⅴ，类型Ⅵ均与其有一定的相似性，这主要表现在马尾松的贡献上，因为各类型均有马尾松分布，并且往往随着马尾松重要值的变化而变化。但这些类型与常绿阔叶为主的阔针混交林生物多样性等质量指标比较，相似性仍有较大的差距（相似系数均≤0.5）。

马尾松林处于常绿阔叶林演替过程中的一个不稳定的过渡类型^[10]，与常绿阔叶林、阔针混交林相比，其生态效益相对较低^{[3, 11]}。结合公益林建设质量评价指标，分析比较各类型与类型Ⅶ和常绿阔叶林相似性，相似系数最大的为0.500 5，最小的为-0.383 7，相似性相差很大；其相似性排序均为类型Ⅵ＞类型Ⅴ＞类型Ⅳ＞类型Ⅲ＞类型Ⅱ＞类型Ⅰ，认为马尾松各类型公益林与类型Ⅶ和常绿阔叶林相似性越低，其生态效能也越低。说明这些类型与常绿阔叶林自然森林群落的树种结构与组成还有相当大的距离，这些类型均为低等级或低效的，因此，可将研究区内的类型Ⅰ~类型Ⅵ确定为低效马尾松公益林。

综合乔木层、灌木层、草本层的物种多样性分析，类型Ⅶ和常绿阔叶林群落3个层次的物种多样性指数都相对较高，说明其群落结构复杂且相对稳定、生态综合效益较高，符合优质林分的要求。其他类型Ⅰ~类型Ⅳ的物种多样性指数相对较低，群落较简单，说明类型Ⅰ~类型Ⅳ相对不稳定，相对于阔叶林生物多样性质量等指标，也是比较低效的。虽然马尾松纯林（类型Ⅰ）灌木层、草本层的物种多样性很高，但其乔木层指数均为0，仍是极不稳定的。

通过聚类分析，首次将马尾松公益林划分为马尾松纯林类型（类型Ⅰ），马尾松和高灌木复层混交林类型（类型Ⅱ），人为干扰较大的特殊混交类型（类型Ⅲ），松-落叶阔叶复合混交林类型（类型Ⅳ），马尾松与常绿和落叶阔叶复合混交林类型（类型Ⅴ），以马尾松为主的松-常绿阔叶复合混交林类型（类型Ⅵ），以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型（类型Ⅶ）等7个类型。

利用物种多样性分析发现，马尾松纯林类型（类型Ⅰ）具有较高的林下植物多样性，但以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型（类型Ⅶ）无论是乔木、灌木、草本层均表现出多样性指数较高的结果；结合GB/T 18337.1-2001《生态公益林建设：导则》中的生态公益林防护林建设质量考核评价指标要求（表 5），选择常绿阔叶林类型和以常绿阔叶为主的阔松复合混交林类型（类型Ⅶ）等2个类型，作为目标类型。

根据公益林建设目标类型，对马尾松公益各类型进行群落的相似性分析，分析表明各类型与目标类型相似性仍有较大的差距（相似系数均≤0.5），说明其生态效能较低。因此，将类型Ⅰ~类型Ⅵ划分为马尾松低效公益林。同时，通过各类型物种丰富度、物种多样性分析，对马尾松公益林从演替理论进行剖析，揭示了各类型在自然演替过程中的物种多样性变化以及低效马尾松公益林形成的原因，为浙江省低效马尾松公益林分类建设提供科学依据。

本研究仅从浙江西北区5县（市）调查的马尾松林分及其群落结构、物种多样性方面，对马尾松公益林进行分类和低效林划分。然而对低效公益林分类及其研究，是一个极其复杂的过程，受地域、区位、立地、气候、林分结构、树种特性、经营管理等综合条件的影响。这些都有待进一步深入研究。