黄土区蔡家川流域刺槐人工林林下物种多样性

李敏敏， 魏天兴， 李信良， 葛海潮

（1.北京林业大学 地理系，北京100083；2.北京林业大学 山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，山西 吉县042200；3.北京林业大学 水土保持国家林业局重点实验室，北京 100083；4.山西省吉县林业服务中心，山西吉县042200）

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。

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］。

表1 样地基本信息Table 1 Basic situation of sample plots

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。

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。

图1 刺槐人工林林下α多样性指数Figure 1 α diversity index in Robinia pseudoacacia plantation

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

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。

图2 不同林型灌木层α多样性指数Figure 2 α diversity index on shrub layer in different communities

图3 不同林型草本层α多样性指数Figure 3 α diversity index on herb layer in different communities

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。

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。

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

图4 样地间林下群落相似性Figure 4 The similarity index of understory communities in different sample plots

3 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。

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