阿爾泰山天然林不同采伐坡向的植物群落特征分析

王 鑫

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，新疆烏魯木齊 830091）

改善天然林林分結(jié)構(gòu)、提高林分質(zhì)量是促進(jìn)新疆天然林發(fā)展的重要課題。采伐坡向作為天然林的重要結(jié)構(gòu)特征，在調(diào)整樹種組成、促進(jìn)林木生長等方面起著重要作用[1]。采伐坡向?qū)α址稚L、結(jié)構(gòu)等方面的影響一直是森林研究領(lǐng)域的熱點問題[2]。探析不同采伐坡向的植物群落特征對構(gòu)建健康林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義。

阿爾泰山布爾津林場是全國天然林保護(hù)工程的重要區(qū)域之一。由于其地理位置特殊，植被垂直帶自然狀況保存完整，成為研究森林植物群落與環(huán)境關(guān)系的理想場所。本文以阿爾泰山天然林不同采伐坡向（陰坡、半陰坡和半陽坡）樣地為研究對象，從提高天然林林分結(jié)構(gòu)、天然林樹種更新能力角度出發(fā)，探討不同采伐坡向?qū)μ烊涣帜镜挠绊?，為開展阿爾泰山天然林保護(hù)和修復(fù)工作提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)置在新疆阿爾泰山布爾津縣賈登峪國家地質(zhì)公園的喀納斯風(fēng)景區(qū)附近，地理坐標(biāo)87°24′～87°25′E，48°43′～48°44′N，東與阿勒泰市毗鄰，南至布爾津縣中部，西與哈巴河縣相連，北與蒙古接壤。屬大陸性北溫帶寒冷氣候，夏季干燥，冬季寒冷。研究區(qū)內(nèi)主要樹種有冷杉[Abies fabri(Mast.) Craib]、云 杉(Picea asperataMast)、落葉松[Larix gmelini(Rupr.) Kuzen.]、紅 松(Pinus koraiensisSieb.et Zucc)和疣枝樺(Betula pendulaRoth)等。

1.2 數(shù)據(jù)采集

2021年8—9月選取研究區(qū)賈登峪—禾木公路路線K44+500旁一固定樣地（陰坡樣地），喀納斯風(fēng)景區(qū)中東新建林管站東側(cè)山坡一固定樣地（半陽坡樣地），禾木—阿禾公路北側(cè)一固定樣地（半陰坡樣地）。經(jīng)過樣地伐樁測量，半陰坡樣地采伐強(qiáng)度為12.66%，陰坡樣地采伐強(qiáng)度為25.26%，半陽坡樣地采伐強(qiáng)度為40.15%。根據(jù)樣地坡度及海拔等影響因素，在不同采伐坡向樣地分別選取三個具有代表性的海拔，設(shè)置相同樣方(20 m×20 m)。三個坡向樣地，共計9 個樣方(20 m×20 m)，即陰坡（25.26%）樣地3 個樣方，半陽坡（40.15%）樣地3 個樣方，半陰坡（12.66%）樣地3 個樣方。測量并記錄調(diào)查樣方內(nèi)所有喬木的名稱、樹高、胸徑和相對坐標(biāo)等因子。調(diào)查樣方內(nèi)喬木基本特征詳見表1。

表1 不同采伐坡向樣地的樹種組成及基本特征

1.3 研究方法

1.3.1 樹種組成

不同采伐坡向樣地各樹種的特征因子和重要值計算公式如下：

相對多度(RA)=某個種的個體數(shù)/所有種的個體數(shù)×100%

相對頻度(RF)=某物種出現(xiàn)的樣方數(shù)/所有種的樣方數(shù)×100%

相對顯著度(RD)=某一種的胸徑之和/所有種的胸徑之和×100%

重要值(IV)=(相對多度+相對頻度+相對顯著度)/3

1.3.2 樹高與直徑分布

何美成[3]研究表明，當(dāng)林分平均直徑＜8 cm 時采用1 cm 徑階距，平均直徑10～18 cm 時采用2 cm 徑階距，平均直徑20～38 cm 時采用4 cm 徑階距。由表1可知，陰坡采伐樣地、半陰坡采伐樣地樹種平均直徑均在10～18 cm，即采用2 cm 徑階距；半陽坡采伐樣地樹種平均直徑在20～38 cm，即采用4 cm徑階距。

將不同采伐坡向樣地中的喬木按高度以2 m 為一個樹高階進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分。

1.3.3 物種多樣性指數(shù)

調(diào)查樣方內(nèi)物種多樣性指數(shù)計算方法見表2。

表2 一般多樣性指數(shù)推導(dǎo)有效多樣性指數(shù)計算方法

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采伐坡向的樹種基本特征

了解林分基本結(jié)構(gòu)是制定森林經(jīng)營管理措施的前提和基礎(chǔ)，樹種組成是森林的重要特征因子之一[4]。重要值作為群落中植物優(yōu)勢度的量度標(biāo)志，可指明群落中每種植物的相對重要性和最適生境。不同采伐坡向樣地的樹種有云杉、冷杉、落葉松、紅松和樺樹。對不同樹種的特征因子和重要值分析可以看出（表3），落葉松不僅是半陽坡、半陰坡采伐樣地的大徑階樹種，還占據(jù)著半陽坡和半陰坡采伐樣地的上層空間，落葉松樹種的重要值是半陽坡采伐樣地的最大值，為半陽坡采伐樣地的優(yōu)勢樹種；冷杉樹種的重要值是陰坡、半陰坡采伐樣地的最大值，為陰坡、半陰坡采伐樣地的優(yōu)勢樹種。

表3 不同采伐坡向樣地的樹種基本特征

在平均胸徑因子中，云杉為陰坡采伐樣地的大徑階樹木，平均胸徑為19.53 cm；落葉松為半陽坡、半陰坡采伐樣地的大徑階樹木，平均胸徑分別為28.58、26.70 cm，說明云杉與落葉松在林分中具有明顯的優(yōu)勢，也說明它們在這一地區(qū)具有較好的適應(yīng)性。冷杉為陰坡、半陰坡采伐樣地的小徑階樹木，紅松為半陽坡采伐樣地的小徑階樹種，說明冷杉、紅松樹種在生長上受到其他大喬木的抑制，是云杉、落葉松等優(yōu)勢樹種的伴生樹種。在平均樹高因子中，云杉樹種占據(jù)著陰坡采伐樣地林分的上層空間，平均樹高為17.69 m，屬于陰坡采伐樣地中的高大喬木；落葉松樹種占據(jù)著半陽坡、半陰坡采伐樣地林分的上層空間，平均樹高分別為18.18、18.55 m，屬于半陽坡、半陰坡采伐樣地的高大喬木；落葉松樹種占據(jù)著陰坡采伐樣地的下層空間，紅松樹種占據(jù)著半陽坡采伐樣地的下層空間，冷杉樹種占據(jù)著半陰坡采伐樣地的下層空間。從各樹種的重要值來看，冷杉樹種為陰坡采伐樣地的最大值，為47.27，是陰坡采伐樣地的絕對優(yōu)勢樹種；落葉松樹種為半陽坡采伐樣地的最大值，達(dá)66.47，是半陽坡采伐樣地的絕對優(yōu)勢樹種；冷杉樹種為半陰坡采伐樣地的最大值，達(dá)59.71，是半陰坡采伐樣地的絕對優(yōu)勢種群。

2.2 不同采伐坡向?qū)μ烊涣至址纸Y(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 對天然林喬木群落徑級結(jié)構(gòu)的影響

植物群落徑級結(jié)構(gòu)是最基本的林分結(jié)構(gòu)，定量分析群落徑級結(jié)構(gòu)有助于掌握植物群落受干擾程度并預(yù)測群落結(jié)構(gòu)的發(fā)展[5-6]。本研究中，小徑級與大徑級喬木樹種中，半陽坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；中徑級喬木樹種中，半陰坡采伐樣地大于半陽坡、陰坡采伐樣地，即半陽坡采伐樣地是適合小徑級、大徑級喬木樹種生長的環(huán)境，半陰坡采伐樣地是適合中徑級喬木樹種生長的環(huán)境。

由表4 可知，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ徑級中，半陽坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；第Ⅳ徑級中，陰坡采伐樣地大于半陽坡、半陰坡采伐樣地；第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ徑級中，半陰坡采伐樣地大于半陽坡、陰坡采伐樣地；第Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ徑級中，半陽坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地。在同一徑級結(jié)構(gòu)下，小徑級（0＜d≤12 cm）喬木平均值，半陽坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；中徑級（12 cm＜d≤24 cm）喬木平均值，除第Ⅴ徑級外，其他半陰坡采伐樣地大于半陽坡、陰坡采伐樣地；大徑級（d＞24 cm）喬木平均值，除第Ⅵ徑級外，其他半陽坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地。

表4 不同采伐坡向的林木徑級分布 單位：cm

2.2.2 對天然林喬木群落高度級結(jié)構(gòu)的影響

植物群落高度級結(jié)構(gòu)是最基本的林分結(jié)構(gòu)，定量分析植物群落高度級結(jié)構(gòu)有助于掌握植物群落受干擾程度并預(yù)測群落結(jié)構(gòu)的發(fā)展[5-6]。本研究中，低高度級喬木樹種中，除第Ⅱ、Ⅳ高度級外，其他樹種陰坡樣地大于半陰坡、半陽坡樣地；中高度級喬木樹種中，第Ⅴ、Ⅶ高度級半陰坡樣地大于陰坡、半陽坡樣地，第Ⅵ、Ⅸ高度級陰坡樣地大于半陰坡、半陽坡樣地；高高度級喬木樹種中，除第Ⅹ、Ⅺ高度級外，其他樹種半陽坡樣地大于半陰坡、陰坡樣地。即陰坡采伐樣地是適合低高度級喬木樹種和中高度級喬木樹種生長的環(huán)境，半陰坡采伐樣地是適合中高度級喬木樹種生長的環(huán)境，半陽坡采伐樣地是適合高高度級喬木樹種生長的環(huán)境。

由表5 可知，第Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ高度級中，陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽坡樣地；第Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ高度級中，半陰坡采伐樣地大于陰坡、半陽坡采伐樣地；第Ⅳ、Ⅷ、Ⅺ、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ高度級中，半陽坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地。低高度級(3 m＜h≤11 m)喬木平均值表現(xiàn)為第Ⅰ、Ⅲ高度級陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽坡采伐樣地，第Ⅱ高度級半陰坡采伐樣地大于陰坡、半陽坡采伐樣地，第Ⅳ高度級半陽坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地；中高度級(11 m＜h≤21 m)喬木平均值表現(xiàn)為第Ⅴ、Ⅶ高度級半陰坡采伐樣地大于陰坡、半陽坡采伐樣地，第Ⅵ、Ⅸ高度級陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽坡采伐樣地，第Ⅷ高度級半陽坡采伐樣地大于陰坡、半陰坡采伐樣地；高高度級(h＞21 m)喬木平均值表現(xiàn)為第Ⅹ高度級陰坡采伐樣地大于半陰坡、半陽坡采伐樣地，第Ⅺ高度級半陽坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地，第Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ高度級半陽坡采伐樣地大于半陰坡、陰坡采伐樣地。

表5 不同采伐坡向的林木高度級分布 單位：m

2.2.3 不同采伐坡向天然林林下幼苗更新分布及多樣性

2.2.3.1 林下幼苗分布

林下天然更新保證了種群的持續(xù)生存與繁衍，維持群落組成與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[7]。本研究中，喬木樹種的林下幼苗有云杉、冷杉、落葉松、樺樹和紅松，其中半陰坡樣地林下幼苗為冷杉、云杉、樺樹和紅松，大多數(shù)為冷杉幼苗，無落葉松幼苗；陰坡樣地林下幼苗為云杉和冷杉幼苗，大多數(shù)為冷杉幼苗，無落葉松幼苗；半陽坡樣地林下幼苗為云杉、紅松、落葉松，大多數(shù)為紅松幼苗。

由圖1 可知，半陰坡樣地的林下幼苗為冷杉、云杉、樺樹和紅松幼苗，且集中分布在Ⅰ級（h＜25 cm），主要為冷杉，數(shù)量將近250株，Ⅳ級（75 cm≤h＜100 cm）幼苗數(shù)量最低，說明半陰坡采伐樣地林下幼苗大多數(shù)為冷杉小株幼苗；陰坡林下幼苗為云杉和冷杉幼苗，且高度集中分布在Ⅰ級（h＜25 cm），主要為冷杉，數(shù)量將近1 200 株，Ⅳ級（75 cm≤h＜100 cm）幼苗數(shù)量最低，說明陰坡采伐樣地林下幼苗大多數(shù)為冷杉小株幼苗；半陽坡林下幼苗為云杉、紅松、落葉松幼苗，且高度集中分布在Ⅴ級（h≥100 cm），主要為紅松幼苗，數(shù)量達(dá)到40 株，Ⅳ級（75 cm≤h＜100 cm）幼苗數(shù)量最低，說明半陽坡采伐樣地林下幼苗大多數(shù)為紅松幼苗。

圖1 不同采伐坡向的林下幼苗分布

2.2.3.2 不同采伐坡向?qū)μ烊涣钟酌缍鄻有缘挠绊?/p>

物種多樣性是林分結(jié)構(gòu)的重要反映，豐富的物種多樣性可以提高森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。本研究中，半陰坡、陰坡、半陽坡下的幼苗物種數(shù)分別為4、2、3種，Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)分別為2.44、1.58、2.34，Gini-Simpson 多樣性指數(shù)分別為4.35、0.97、4.76。其中半陰坡的物種數(shù)、Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)均為最大值，可知半陰坡樣地的幼苗多樣性最好。

由表6可知，半陰坡、陰坡、半陽坡的幼苗物種數(shù)分別為4、2、3種；半陰坡、陰坡、半陽坡的Shannon-Weinner多樣性指數(shù)分別為2.44、1.58、2.34；半陰坡、陰坡、半陽坡的Gini-Simpson 多樣性指數(shù)分別為4.35、0.97、4.76。半陰坡的物種數(shù)、Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)均為最大值，可知半陰坡的幼苗多樣性最好。

表6 不同采伐坡向的天然林幼苗有效多樣性指數(shù)

3 小結(jié)與討論

不同采伐坡向均有落葉松樹種，其在半陽坡、半陰坡樣地占據(jù)林分上層空間，說明落葉松樹種在半陽坡、半陰坡樣地中生長趨于良好狀態(tài)。落葉松樹種是半陽坡樣地的優(yōu)勢樹種，而半陽坡樣地的采伐強(qiáng)度最強(qiáng)，表明落葉松生長除了受光照影響外，采伐強(qiáng)度也有很大的影響，但是具體哪種影響更大還需進(jìn)一步討論。

林下更新植被是維系整個森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分[9]，在森林變化中起到核心作用[10]，林下幼苗決定了林木未來的發(fā)展趨勢。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，半陰坡、陰坡樣地林下幼苗大多為冷杉幼苗，半陽坡樣地林下幼苗大多為紅松幼苗。其中，半陽坡樣地中存在落葉松喬木樹種，不存在紅松喬木樹種，而林下幼苗多數(shù)為紅松幼苗，少數(shù)為落葉松幼苗。在無紅松樹種的情況下卻出現(xiàn)了紅松幼苗，具體原因還需進(jìn)一步驗證；落葉松樹種占優(yōu)勢但其幼苗數(shù)量卻少之又少，具體原因還需進(jìn)一步調(diào)查。

1）林地特征分析：云杉樹種為陰坡樣地的大徑階樹種且占據(jù)其上層空間，平均樹高為17.69 m，落葉松為半陽坡、半陰坡樣地的大徑階樹種且占據(jù)其上層空間。冷杉樹種的重要值為陰坡、半陰坡樣地的最大值，是陰坡、半陰坡樣地的優(yōu)勢樹種；落葉松樹種的重要值為半陽坡樣地的最大值，達(dá)66.47，是半陽坡樣地的優(yōu)勢樹種。

2）林地樹高與直徑分析：半陽坡樣地中多為小徑級和大徑級天然林樹種，且高高度級的天然林喬木樹種較多；半陰坡樣地中多為中徑級天然林樹種，且中高度級天然林喬木樹種較多；陰坡樣地中低高度級、中高度級天然林喬木樹種較多。

3）林下幼苗分析：半陰坡、陰坡樣地林下幼苗大多為冷杉幼苗，半陽坡樣地林下幼苗大多為紅松幼苗。半陰坡樣地的物種數(shù)、Shannon-Weinner 多樣性指數(shù)均為最大值，分別為4 種、2.44，由此看出半陰坡樣地的幼苗更新多樣性最好。