阿尔泰山天然林不同采伐坡向的植物群落特征分析

王 鑫

（新疆农业大学林学与风景园林学院，新疆乌鲁木齐 830091）

改善天然林林分结构、提高林分质量是促进新疆天然林发展的重要课题。采伐坡向作为天然林的重要结构特征，在调整树种组成、促进林木生长等方面起着重要作用[1]。采伐坡向对林分生长、结构等方面的影响一直是森林研究领域的热点问题[2]。探析不同采伐坡向的植物群落特征对构建健康林业生态系统有着重要意义。

阿尔泰山布尔津林场是全国天然林保护工程的重要区域之一。由于其地理位置特殊，植被垂直带自然状况保存完整，成为研究森林植物群落与环境关系的理想场所。本文以阿尔泰山天然林不同采伐坡向（阴坡、半阴坡和半阳坡）样地为研究对象，从提高天然林林分结构、天然林树种更新能力角度出发，探讨不同采伐坡向对天然林木的影响，为开展阿尔泰山天然林保护和修复工作提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设置在新疆阿尔泰山布尔津县贾登峪国家地质公园的喀纳斯风景区附近，地理坐标87°24′～87°25′E，48°43′～48°44′N，东与阿勒泰市毗邻，南至布尔津县中部，西与哈巴河县相连，北与蒙古接壤。属大陆性北温带寒冷气候，夏季干燥，冬季寒冷。研究区内主要树种有冷杉[Abies fabri(Mast.) Craib]、云 杉(Picea asperataMast)、落叶松[Larix gmelini(Rupr.) Kuzen.]、红 松(Pinus koraiensisSieb.et Zucc)和疣枝桦(Betula pendulaRoth)等。

1.2 数据采集

2021年8—9月选取研究区贾登峪—禾木公路路线K44+500旁一固定样地（阴坡样地），喀纳斯风景区中东新建林管站东侧山坡一固定样地（半阳坡样地），禾木—阿禾公路北侧一固定样地（半阴坡样地）。经过样地伐桩测量，半阴坡样地采伐强度为12.66%，阴坡样地采伐强度为25.26%，半阳坡样地采伐强度为40.15%。根据样地坡度及海拔等影响因素，在不同采伐坡向样地分别选取三个具有代表性的海拔，设置相同样方(20 m×20 m)。三个坡向样地，共计9 个样方(20 m×20 m)，即阴坡（25.26%）样地3 个样方，半阳坡（40.15%）样地3 个样方，半阴坡（12.66%）样地3 个样方。测量并记录调查样方内所有乔木的名称、树高、胸径和相对坐标等因子。调查样方内乔木基本特征详见表1。

表1 不同采伐坡向样地的树种组成及基本特征

1.3 研究方法

1.3.1 树种组成

不同采伐坡向样地各树种的特征因子和重要值计算公式如下：

相对多度(RA)=某个种的个体数/所有种的个体数×100%

相对频度(RF)=某物种出现的样方数/所有种的样方数×100%

相对显著度(RD)=某一种的胸径之和/所有种的胸径之和×100%

重要值(IV)=(相对多度+相对频度+相对显著度)/3

1.3.2 树高与直径分布

何美成[3]研究表明，当林分平均直径＜8 cm 时采用1 cm 径阶距，平均直径10～18 cm 时采用2 cm 径阶距，平均直径20～38 cm 时采用4 cm 径阶距。由表1可知，阴坡采伐样地、半阴坡采伐样地树种平均直径均在10～18 cm，即采用2 cm 径阶距；半阳坡采伐样地树种平均直径在20～38 cm，即采用4 cm径阶距。

将不同采伐坡向样地中的乔木按高度以2 m 为一个树高阶进行结构划分。

1.3.3 物种多样性指数

调查样方内物种多样性指数计算方法见表2。

表2 一般多样性指数推导有效多样性指数计算方法

2 结果与分析

2.1 不同采伐坡向的树种基本特征

了解林分基本结构是制定森林经营管理措施的前提和基础，树种组成是森林的重要特征因子之一[4]。重要值作为群落中植物优势度的量度标志，可指明群落中每种植物的相对重要性和最适生境。不同采伐坡向样地的树种有云杉、冷杉、落叶松、红松和桦树。对不同树种的特征因子和重要值分析可以看出（表3），落叶松不仅是半阳坡、半阴坡采伐样地的大径阶树种，还占据着半阳坡和半阴坡采伐样地的上层空间，落叶松树种的重要值是半阳坡采伐样地的最大值，为半阳坡采伐样地的优势树种；冷杉树种的重要值是阴坡、半阴坡采伐样地的最大值，为阴坡、半阴坡采伐样地的优势树种。

表3 不同采伐坡向样地的树种基本特征

在平均胸径因子中，云杉为阴坡采伐样地的大径阶树木，平均胸径为19.53 cm；落叶松为半阳坡、半阴坡采伐样地的大径阶树木，平均胸径分别为28.58、26.70 cm，说明云杉与落叶松在林分中具有明显的优势，也说明它们在这一地区具有较好的适应性。冷杉为阴坡、半阴坡采伐样地的小径阶树木，红松为半阳坡采伐样地的小径阶树种，说明冷杉、红松树种在生长上受到其他大乔木的抑制，是云杉、落叶松等优势树种的伴生树种。在平均树高因子中，云杉树种占据着阴坡采伐样地林分的上层空间，平均树高为17.69 m，属于阴坡采伐样地中的高大乔木；落叶松树种占据着半阳坡、半阴坡采伐样地林分的上层空间，平均树高分别为18.18、18.55 m，属于半阳坡、半阴坡采伐样地的高大乔木；落叶松树种占据着阴坡采伐样地的下层空间，红松树种占据着半阳坡采伐样地的下层空间，冷杉树种占据着半阴坡采伐样地的下层空间。从各树种的重要值来看，冷杉树种为阴坡采伐样地的最大值，为47.27，是阴坡采伐样地的绝对优势树种；落叶松树种为半阳坡采伐样地的最大值，达66.47，是半阳坡采伐样地的绝对优势树种；冷杉树种为半阴坡采伐样地的最大值，达59.71，是半阴坡采伐样地的绝对优势种群。

2.2 不同采伐坡向对天然林林分结构的影响

2.2.1 对天然林乔木群落径级结构的影响

植物群落径级结构是最基本的林分结构，定量分析群落径级结构有助于掌握植物群落受干扰程度并预测群落结构的发展[5-6]。本研究中，小径级与大径级乔木树种中，半阳坡采伐样地大于阴坡、半阴坡采伐样地；中径级乔木树种中，半阴坡采伐样地大于半阳坡、阴坡采伐样地，即半阳坡采伐样地是适合小径级、大径级乔木树种生长的环境，半阴坡采伐样地是适合中径级乔木树种生长的环境。

由表4 可知，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ径级中，半阳坡采伐样地大于阴坡、半阴坡采伐样地；第Ⅳ径级中，阴坡采伐样地大于半阳坡、半阴坡采伐样地；第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ径级中，半阴坡采伐样地大于半阳坡、阴坡采伐样地；第Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ径级中，半阳坡采伐样地大于阴坡、半阴坡采伐样地。在同一径级结构下，小径级（0＜d≤12 cm）乔木平均值，半阳坡采伐样地大于阴坡、半阴坡采伐样地；中径级（12 cm＜d≤24 cm）乔木平均值，除第Ⅴ径级外，其他半阴坡采伐样地大于半阳坡、阴坡采伐样地；大径级（d＞24 cm）乔木平均值，除第Ⅵ径级外，其他半阳坡采伐样地大于阴坡、半阴坡采伐样地。

表4 不同采伐坡向的林木径级分布 单位：cm

2.2.2 对天然林乔木群落高度级结构的影响

植物群落高度级结构是最基本的林分结构，定量分析植物群落高度级结构有助于掌握植物群落受干扰程度并预测群落结构的发展[5-6]。本研究中，低高度级乔木树种中，除第Ⅱ、Ⅳ高度级外，其他树种阴坡样地大于半阴坡、半阳坡样地；中高度级乔木树种中，第Ⅴ、Ⅶ高度级半阴坡样地大于阴坡、半阳坡样地，第Ⅵ、Ⅸ高度级阴坡样地大于半阴坡、半阳坡样地；高高度级乔木树种中，除第Ⅹ、Ⅺ高度级外，其他树种半阳坡样地大于半阴坡、阴坡样地。即阴坡采伐样地是适合低高度级乔木树种和中高度级乔木树种生长的环境，半阴坡采伐样地是适合中高度级乔木树种生长的环境，半阳坡采伐样地是适合高高度级乔木树种生长的环境。

由表5 可知，第Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ高度级中，阴坡采伐样地大于半阴坡、半阳坡样地；第Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ高度级中，半阴坡采伐样地大于阴坡、半阳坡采伐样地；第Ⅳ、Ⅷ、Ⅺ、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ高度级中，半阳坡采伐样地大于半阴坡、阴坡采伐样地。低高度级(3 m＜h≤11 m)乔木平均值表现为第Ⅰ、Ⅲ高度级阴坡采伐样地大于半阴坡、半阳坡采伐样地，第Ⅱ高度级半阴坡采伐样地大于阴坡、半阳坡采伐样地，第Ⅳ高度级半阳坡采伐样地大于半阴坡、阴坡采伐样地；中高度级(11 m＜h≤21 m)乔木平均值表现为第Ⅴ、Ⅶ高度级半阴坡采伐样地大于阴坡、半阳坡采伐样地，第Ⅵ、Ⅸ高度级阴坡采伐样地大于半阴坡、半阳坡采伐样地，第Ⅷ高度级半阳坡采伐样地大于阴坡、半阴坡采伐样地；高高度级(h＞21 m)乔木平均值表现为第Ⅹ高度级阴坡采伐样地大于半阴坡、半阳坡采伐样地，第Ⅺ高度级半阳坡采伐样地大于半阴坡、阴坡采伐样地，第Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ高度级半阳坡采伐样地大于半阴坡、阴坡采伐样地。

表5 不同采伐坡向的林木高度级分布 单位：m

2.2.3 不同采伐坡向天然林林下幼苗更新分布及多样性

2.2.3.1 林下幼苗分布

林下天然更新保证了种群的持续生存与繁衍，维持群落组成与结构稳定[7]。本研究中，乔木树种的林下幼苗有云杉、冷杉、落叶松、桦树和红松，其中半阴坡样地林下幼苗为冷杉、云杉、桦树和红松，大多数为冷杉幼苗，无落叶松幼苗；阴坡样地林下幼苗为云杉和冷杉幼苗，大多数为冷杉幼苗，无落叶松幼苗；半阳坡样地林下幼苗为云杉、红松、落叶松，大多数为红松幼苗。

由图1 可知，半阴坡样地的林下幼苗为冷杉、云杉、桦树和红松幼苗，且集中分布在Ⅰ级（h＜25 cm），主要为冷杉，数量将近250株，Ⅳ级（75 cm≤h＜100 cm）幼苗数量最低，说明半阴坡采伐样地林下幼苗大多数为冷杉小株幼苗；阴坡林下幼苗为云杉和冷杉幼苗，且高度集中分布在Ⅰ级（h＜25 cm），主要为冷杉，数量将近1 200 株，Ⅳ级（75 cm≤h＜100 cm）幼苗数量最低，说明阴坡采伐样地林下幼苗大多数为冷杉小株幼苗；半阳坡林下幼苗为云杉、红松、落叶松幼苗，且高度集中分布在Ⅴ级（h≥100 cm），主要为红松幼苗，数量达到40 株，Ⅳ级（75 cm≤h＜100 cm）幼苗数量最低，说明半阳坡采伐样地林下幼苗大多数为红松幼苗。

图1 不同采伐坡向的林下幼苗分布

2.2.3.2 不同采伐坡向对天然林幼苗多样性的影响

物种多样性是林分结构的重要反映，丰富的物种多样性可以提高森林生态系统的稳定性[8]。本研究中，半阴坡、阴坡、半阳坡下的幼苗物种数分别为4、2、3种，Shannon-Weinner 多样性指数分别为2.44、1.58、2.34，Gini-Simpson 多样性指数分别为4.35、0.97、4.76。其中半阴坡的物种数、Shannon-Weinner 多样性指数均为最大值，可知半阴坡样地的幼苗多样性最好。

由表6可知，半阴坡、阴坡、半阳坡的幼苗物种数分别为4、2、3种；半阴坡、阴坡、半阳坡的Shannon-Weinner多样性指数分别为2.44、1.58、2.34；半阴坡、阴坡、半阳坡的Gini-Simpson 多样性指数分别为4.35、0.97、4.76。半阴坡的物种数、Shannon-Weinner 多样性指数均为最大值，可知半阴坡的幼苗多样性最好。

表6 不同采伐坡向的天然林幼苗有效多样性指数

3 小结与讨论

不同采伐坡向均有落叶松树种，其在半阳坡、半阴坡样地占据林分上层空间，说明落叶松树种在半阳坡、半阴坡样地中生长趋于良好状态。落叶松树种是半阳坡样地的优势树种，而半阳坡样地的采伐强度最强，表明落叶松生长除了受光照影响外，采伐强度也有很大的影响，但是具体哪种影响更大还需进一步讨论。

林下更新植被是维系整个森林生态系统的重要组分[9]，在森林变化中起到核心作用[10]，林下幼苗决定了林木未来的发展趋势。本次调查发现，半阴坡、阴坡样地林下幼苗大多为冷杉幼苗，半阳坡样地林下幼苗大多为红松幼苗。其中，半阳坡样地中存在落叶松乔木树种，不存在红松乔木树种，而林下幼苗多数为红松幼苗，少数为落叶松幼苗。在无红松树种的情况下却出现了红松幼苗，具体原因还需进一步验证；落叶松树种占优势但其幼苗数量却少之又少，具体原因还需进一步调查。

1）林地特征分析：云杉树种为阴坡样地的大径阶树种且占据其上层空间，平均树高为17.69 m，落叶松为半阳坡、半阴坡样地的大径阶树种且占据其上层空间。冷杉树种的重要值为阴坡、半阴坡样地的最大值，是阴坡、半阴坡样地的优势树种；落叶松树种的重要值为半阳坡样地的最大值，达66.47，是半阳坡样地的优势树种。

2）林地树高与直径分析：半阳坡样地中多为小径级和大径级天然林树种，且高高度级的天然林乔木树种较多；半阴坡样地中多为中径级天然林树种，且中高度级天然林乔木树种较多；阴坡样地中低高度级、中高度级天然林乔木树种较多。

3）林下幼苗分析：半阴坡、阴坡样地林下幼苗大多为冷杉幼苗，半阳坡样地林下幼苗大多为红松幼苗。半阴坡样地的物种数、Shannon-Weinner 多样性指数均为最大值，分别为4 种、2.44，由此看出半阴坡样地的幼苗更新多样性最好。