砒砂岩区不同人工林林下草本层植物的结构特征
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摘要：指出了人工林林下草本植物生物量的增加、生物多样性的恢复已经成为经营管理人工林的目标之一。以准格尔旗内砒砂岩区的10年生柠条林、沙棘林、山杏林、油松林、山杏柠条混交林5种类型人工林为研究对象，通过采用样线调查法，结合室内数据分析，对6种人工林的林下草本层植被物种组成和多样性指标进行了研究。结果表明：5种不同类型人工林下共有草本植物35种，其中沙棘林草本层的物种数最多，为23种；山杏林下草本植物物种数最少，为15种；5种不同类型人工林下植被均以羊草为优势种。5种人工林下草本层平均盖度、生物量大小变化规律与物种数一致。山杏柠条混交林、沙棘林的物种丰富度指数、多样性指数都高于其他配置类型的人工林结构。
关键词：准格尔旗；人工林；草本植物；生物多样性
1引言
近些年来全球人工林不断飞速发展，已经成为森林植被中不可缺少的一部分，在生态环境恢复和建设中发挥越来越重要的作用[1]。人工林的建设在林下草本层生物量的增加及其生物多样性的恢复等方面起着重要的作用。因此，对人工林的物种组成、生物量和生物多样性的研究不仅是人工林生态评估的重要途径，也为科学管理栽种人工林提供理论依据[2，3]。目前，人们对黄土高原地区人工林的研究大多为黄土丘陵沟壑区的研究，对砒砂岩区的研究较少。
内蒙古鄂尔多斯境内以砒砂岩地质为主的地区分布十分广泛。砒砂岩区的水土流失非常严重，土质遇水松软、极易风化、流失，自然条件非常恶劣，治理难度极大，固有“地球环境癌症”之称[4，5]。砒砂岩区由于砒砂岩、生物群落稀少，使得当地生态环境十分脆弱。近些年，人们通过栽种人工林来缓解砒砂岩区水土流失严重的问题[6，7]。目前在砒砂岩区栽种人工林的树种主要有柠条（Caragana microphylla）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、山杏（Prunus armeniaca）、油松（Pinus tabulaeformis）等。人工林的树种、配置模式的选择对人工林的生长状况、林下草本植物种类、生长状况有直接的影响。人们对砒砂岩区人工林的研究较多的是关于沙棘林的研究，而对不同树种人工林的对比较少。根据砒砂岩区特殊的地质要求，选择适合于当地栽种、存活的树种，进行人工林科学的栽种是十分有必要的。本文以已建立的柠条、沙棘、山杏、油松及其山杏柠条混交林作为研究对象，研究对比砒砂岩区不同人工林下草本植物的种类、物种组成、物种多样性等，分析不同树种、配置模式的人工林对其林下草本植物的影响，为砒砂岩区栽种人工林提供科学的理论依据。
2研究区概况
研究区位于阿吉日麻沟小流域，行政区划为鄂尔多斯市准格尔旗沙疙堵镇，是典型的以砒砂岩地质为主的地区。其地理位置位于110°43′47″E～110°53′42″E，39°38′26″N～39°41′46″N，海拔高程为1031～1172m，属于典型的中温带大陆性气候，冬季漫长寒冷，春季干燥多风，夏季炎热短促，春秋气温变化剧烈。年平均气温在6.2～8.7℃之间，1月极端最低温度为-32.8℃，7月极端最高温度为39℃。无霜期只有145d。降水少而集中，年降水量为400mm，多集中在7～9月，降雨年季变化大。试验区的地表物质以砒砂岩、黄土为母质，其上发育了各类土壤。砒砂岩区气候条件十分恶劣、土壤质地差，地面植被稀疏，植被主要是由多年生草本植物组成，表现为典型的干旱草原景观。
2研究方法
2.1样地设置
样地选取时，为了排除地形条件对研究结果的影响，选取地形条件（海拔、坡向、坡位、坡度） 基本一致或相似的5种类型的人工林作为调查对象。选取的样地分别为10年生的柠条林、沙棘林、山杏林、油松林、山杏柠条混交林5个样地。样地的选择标准要具有代表性和典型意义，且具有可对比性。
表1调查样地基本情况表
林分类型柠条林沙棘林山杏林油松林山杏柠条混交林山杏柠条平均株高/m1.521.552.482.312.281.39冠幅/m1.491.742.212.072.361.31郁闭度/%4040505050
3.2植被调查
在2012年8～9月对每个样地分乔、灌、草3层进行调查。乔、灌木样方面积为20m×20m，主要调查植物配置模式、郁闭度、平均树高、冠幅等，试验区样方内林木采用每木检尺调查。在乔灌木样方内以样线法选取10个1m×1m的草本样方，对其分别调查记录所有出现草本的种类、株数、盖度、多度、优势度、分布状况等。
3.3物种多样性分析
重要值：
Pi=1300（相对密度+相对盖度+相对高度）
式中：相对密度= 每个种的密度/所有种的密度之和×100；相对高度= 每个种的所有个体高度之和/所有种个体高度之和×100；相对盖度= 每种的盖度/所有种的盖度之和×100。
物种丰富度指数：
S=出现在样地中的物种数。
生态优势度指数是对多样性的反面集中性的度量。Simpson优势度指数的计算公式为：
D=1-∑si=1p2i。
Pielou均匀度指数：反映的是各物种个体数目分配的均匀程度。 其计算公式为：
Jsw=-∑si=1PiInPi/InS
物种多样性（species diversity）是群落生物组成结构的重要指标[10]。其中Shannon-Wiener指数是反映群落中种的个体出现的不确定程度，是受到普遍应用的多样性指数。其计算公式为：
H′=-∑si=1piInpi
式中：S为群落内的物种数；N为群落内各物种的个体重数量；Pi为i物种的个体数量与群落内个物种个体总数的比例。
4结果与分析
4.1林下草本植物物种组成
组成植物群落的主要树种不同、植被配置方式、郁闭度不同，其林下草本植物的种类、生长状况也存在着差异。林下草本植物优势种的差异在一定程度上反映着群落结构物种多样性，也反应了该人工林林下草本植物的恢复和封育状况[9]。
由表2可知，试验区5种人工林下共出现了35种草本植物，各人工林下草本植物物种组成数量在14～24之间变化。柠条林草本层共有21个物种，以糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）为优势种（23.63%），其次为绳虫实（Corispermum declinatum）（15.67%）、阿尔泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、克氏针茅（Stipa krylovii Roshev）、碱蒿（Artemisia anethifolia）等；沙棘林草本层共有23个物种，以羊草（Leymus chinensis）为优势种（21.67%），其次为糙隐子草（14.67%）、猪毛菜（Salsola collina）、碱蒿等；山杏林草本层共有15个物种，以碱蒿为优势种（20.67%），其次为阿尔泰狗娃花（16.26%）、克氏针茅、猪毛菜等；油松林草本层共有16个物种，以碱蒿为优势种（27.81%），其次为糙隐子草（13.04%）、羊草、阿尔泰狗娃花等；山杏柠条混交林草本层共有22个物种，其中以羊草为优势种（25.21%），其次为糙隐子草（12.28%）、绳虫实、刺儿菜（Cirisium segetum）等。其中以沙棘林草本层的物种数为最多，山杏林最少。
表25种人工林下草本植物组成及重要值指数
植物名称柠条林沙棘林山杏林油松林山杏柠条混交林羊草2.2821.676.788.5225.21克氏针茅5.82-15.275.824.19绳虫实15.676.985.155.637.62碱蒿6.367.2720.6722.356.92糙隐子草23.6314.677.8913.0412.28赖草（Leymus secalinus）4.883.78-6.98-阿尔泰狗娃花10.174.2816.267.314.31猪毛菜5.388.069.014.683.02甘草（Glycyrrhiza uralensis）2.18--3.21-刺藜（Chenopodium aristatum）-2.17-2.89-草木樨状黄芪（Astragalus melilotoide）0.863.25--2.74狗尾草（Setaria viridis）3.184.62.874.021.67二裂委陵菜（Potentilla bifurca）2.121.32-6.92-刺儿菜1.371.690.622.57.05西伯利亚蓼（Polygonum sibiricum）-1.361.67-2.53狼毒（Stellera chamaeiasme）2.133.812.65--香青兰（Dracocephalum moldavica L.）-1.17--1.85丝石竹（Caryophyllaceae Gypsophila L.）2.05---1.62地蔷薇（Chamaerhodos erecta）--2.27-2.78斜茎黄芪（Astragalus adsurgens Pall.）1.58--3.81-山苦荬（Ixeris chinensis）-0.72-2.15砂珍棘豆（Oxytropis psammocharis）1.842.01---远志（Polxgala tenuifolia）-2.71--3.82苦买菜（Ixeris denticulatia （Holltt.） Stebb.）----1.05小红菊（Dendrathema chametii（Levl）Shih）---1.74-芨芨草（Achnatherum splendens）1.332.683.12-2.29白莲蒿（Artemisia gmelinii）-1.16--2.17车前（Plantago asiatica L.）--0.58-紫花苜蓿（Medicago sativa L.）4.143.384.5-2.18砂韭（Allium bidentatumFisch）----艾蒿（Artemisia argfiLevl）2.16---1.72冰草（Agropfrom cristatum）--1.27--草地风毛菊（Saussurea amara）0.87----白草（Pennisetum centrasiaticum）-0.68--0.83多列委陵菜（Potentilla multifida L.）-0.58---
注：“-”代表没有出现
4.2林下草本层群落结构特征
4.2.1不同类型人工林间草本层单位面积的生物量
植被盖度指植物群落总体或各个体的地上部分的垂直投影面积与所选样方面积之比的百分数。它能直接反映植被的茂盛程度和植被进行光合作用面积的大小。生物量是指生态系统积累的植物有机质的总量，是整个生态系统运行过程中的能量基础和营养物质来源，是对当地生物生产力的研究，也是对生态系统是大气中 CO2的源和汇判断的重要标志[10]。
由图1可知，人工林下草本层的生长状况明显不同。人工林下草本层的生长状况明显不同。草本层平均盖度由大到小的顺序为沙棘林（85%）>山杏柠条混交林（83%）>柠条林（80%）>油松林（73%）>山杏林（68%）；由图4可知，各人工林草本植物的平均生物量差异不显著，5种人工林的平均生物量为165.89g/m2，其中以沙棘林为最大（174.36g/m2），油松林为最小（155.24g/m2）。从图1和图2可知，由于人工林下植被组成及其各植被的根系发达情况不同，植被群落的盖度与生物量的规律有所不同。总的来说，随着群落植被盖度的变化，其生物量也会呈现相应的波动，其生物量的大小与其植被盖度、植被种类数量有密切的关系。
4.2.2不同类型人工林林下草本层的生物多样性
通过调查群落种类组成，并计算其群落特征值，比较研究不同类型人工林之间的差异性，进而判断砒砂岩区人工林模式的生态效应[11]。
从表3可以看出，这5种不同人工林的草本层物种数差异较大，其中山杏柠条混交林的物种数最多，达23种，山杏林的物种数最少，为15种。不同类型人工林林下草本层均匀度指数以山杏林为最大（0.8074），山杏柠条混交林为最小（0.7072），5种不同人工林林下草本层均匀度指数在0.05水平下都没有显著差异；生态优势度以山杏柠条混交林为最大（0.6382），其次沙棘林依次为（0.6214）、柠条林（0.5827）、油松林（0.4291）、山杏林（0.4048），其中山杏柠条混交林、沙棘林与山杏林之间的差异达到显著水平（p
表3不同人工林林下草本层多样性指数
林分类型物种丰富度Pielou均匀度指数Simpson指数Shannon-Wiener指数柠条林210.7523a0.5827ab1.3815ab沙棘林210.7072a0.6214a1.4024a山杏林150.8074a 0.4048b0.8021b油松林160.8101a0.4291ab0.8425b山杏柠条混交林230.712a 0.6382a1.4321a
注：小写字母表示在0.05水平上显著，其中a表示最大值
5结语
5种不同类型人工林下共出现了35种草本植物，优势种主要为禾本科、菊科植物，包括羊草、克氏针茅、碱蒿、糙隐子草、刺儿菜、绳虫实、牛枝子等。各人工林下草本植物物种组成数量在14～24之间变化；其中以沙棘林草本层的物种数为最多，山杏林最少。不同类型人工林下草本层的物种组成和其结构特征与人工林内的环境条件有密切的关系。由于人工林的树种、配置和生长影响着林分内的土壤水分、养分、光照强度及空气温湿度等小环境条件，随之约束了林下植被的生长发育，直接影响其林下草本层的植被种类、盖度、生物量和多样性等。
试验区草本植物盖度以沙棘林为最大，山杏林为最小。各人工林草本植物的平均生物量差异不显著，5种人工林的平均生物量为165.89g/m2。由于人工林植被组成及其各植被的根系发达情况不同，植被群落的盖度与生物量的规律有所不同。总的来说，随着群落植被盖度的变化，其生物量会呈现相应的波动。
试验区5种不同人工林的草本层物种数差异较大，其中沙棘林的物种数最多，达23种，山杏林的物种数最少，为15种；5种不同人工林林下草本层均匀度指数在0.05水平下都没有显著差异；生态优势度和多样性指数的变化趋势基本一致；生态优势度以沙棘林为最大（0.6382），山杏林为最小（0.4048），其中沙棘林、山杏柠条混交林与山杏林之间的差异达到显著水平（p
试验区以沙棘林、山杏柠条混交林的物种组成、结构指数较高，草本植物发育较好，林内环境相对较稳定。这表明林下草本植物的结构特征与其树种的选择、人工林的配置、密度有直接的关系，也说明在砒砂岩地区选择适当的结构配置、保持适当的林分密度，能促进人工林下草本植物多样性恢复和物种结构的改善，从而达到防治水土流失的效果。
2013年5月绿色科技第5期参考文献：
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