全 文 ：第 12卷第 1期 水土保持研究 Vo l. 12　 No. 1
2005年 2月 Resea rch o f Soil and Wa ter Conserv ation Feb. , 2005
①
金沙江干热河谷新银合欢人工林物种多样性研究
方海东 ,纪中华 ,杨艳鲜 ,拜得珍 ,廖承飞
(云南省农科院热带亚热带经济作物研究所 ,云南 元谋　 651300)
摘　要: 我国土地退化现象相当严重 ,主要表现在大面积土壤侵蚀 ,使系统生产力普遍降低。 金沙江干热河谷是典
型严重退化区域之一。 通过对金沙江干热河谷新银合欢人工林物种多样性方面的研究 ,讨论了种在退化生态系统
功能恢复中的作用及物种多样性与生态系统功能的关系。 结果表明 ,林内郁闭度为 0. 75,平均胸径为 6. 67 cm ,平
均高度为 8. 01 mm ,物种丰富度 , Shannon- Wiener指数 , Simpson指数由草层向灌木层、乔木层逐层递减。 新银合
欢作为生态恢复初期的先锋树种明显改善了生态系统的微环境 ,为后继种的入侵和定居创造了条件。
关键词: 干热河谷 ;新银合欢人工林 ;物种多样性
中图分类号: X176　　　　　文献标识码: A　　　　　文章编号: 1005-3409( 2005) 01-0135-03
The Study on Species Diversity of Leucaena leucocephala
Plantation in Jinsha River Hot and Dry Valley
FANG Hai-dong , JI Zhong-hua, YAN G Yan-xian, BAI De-zhen, LIAO Cheng-fei
( Tropical and Subtropical Economical Crops Research Institution ,
Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Yuanmou Yunnan 651300, China )
Abstract: The land deg radation is v ery serious in our countr y, which displa ys in the g r eat ar eas of soil ero sion, and it makes
ecosy st em productivity g ener ally reduced. Hot-dry valley o f Jinsha River is one o f the typical serious deg rada tion a reas. The
autho rs investig ate and study the species div er sity of Leucaena leucocephala plantation, discuss its function o f eco lo gy and the
r elation betw een species div er sity and the function o f ecosy stem. The r esults show tha t planta tion density is 0. 75, DBH is 6. 67
cm, average height is 8. 41 m, and species richness, Shannon-Wiener index , Simpson index gener ally reduce fr om herb lay er to
arbo r lay er. Leucaena leucocephala plantation, a s pioneer species in the initial stage o f ecosy stem resto ra tion, improves micro-
env ironment o f ecosystem , and cr ea tes fav o rable conditions fo r post species to intrude and coloni ze.
Key words: hot and dry valley; Leucaena leucocephala plantation; species div er sity
1　引　言
新银合欢 ( Leucaena leucocephala )属豆科银合欢属 ,是
一种常绿小乔木 ,它原产于中美洲沿海地区 , 300多年前引
种到我国。目前我国已约有 1 333 hm2 ,主要分布在华南地区
的广东、广西、云南、福建、浙江等省 (区 )。新银合欢主根非常
发达 ,能适于除强酸以外条件的土壤 ,并可生长在降雨量为
500～ 3 000 mm的广大热带、亚热带地区。 试验区位于金沙
江干热河谷元谋县城附近小垮山流域 ,区内干湿明显 ,土壤
侵蚀严重 ,地力衰退 ,土层很薄 ,生态环境脆弱 ,对外界的干
扰敏感性强 ,自我恢复能力差 [1]。 另外众多的节理构造是造
成水土流失的主要内在原因 ,在陡峭的地形条件下和植被遭
破坏的情况下 ,极易造成水土流失 ,使本区生态恢复和重建
工作难度加大。由于新银合欢抗旱能力极强 ,耐贫瘠 ,一旦成
林后生长迅速 ,繁殖能力非常强 ,对环境适应能力强 ,因此 ,
引种新银合欢主要用于植被恢复 ,保持水土 ,改善局部小气
候等生态环境的治理。自 1995年以来 ,元谋干热河谷采用新
银合欢作先锋树种 ( pioneer species)进行雨养型造林试验 ,
取得了较为明显的治理效果。
2　研究区域与方法
2. 1　自然概况
研究地点位于金沙江流域干热区 ,此区域属于严重的受
损流域 ( damaged wa tershed) ,土地退化严重 ,水土流失强
烈 [2 ]。 该区域坐落于龙川江下游河谷地带的元谋县 ,地理坐
标为 101°05′～ 102°05′E、 25°25′～ 26°07′N。 年平均气温
21. 9℃ ,极端最高气温 42℃ ,极端最低气温 - 2℃ ,≥ 12℃的
持续天数 349 d,积温 7 796℃ ,年降雨量 613. 8 mm,全年太
① 收稿日期: 2004-04-07
　基金项目: “十五”国家攻关项目: “中国西部重点脆弱生态区综合治理与示范” ( 2001BA606A- 07)
　作者简介:方海东 ( 1979- ) ,男 ,研究实习员 ,林学学士 ,主要从事生态恢复研究工作。
阳总辐射量 641. 8 k J/cm2 ,日照率 62% ,干燥度 4. 4。该区域
海拔 1 088～ 1 167 m ,土地极不平整 ,平地或小于 5°的坡地
仅占 17% ,沟壑密度 21. 5 km /km2 [2; 3 ]。
2. 2　研究方法
2. 2. 1　野外调查
在对群落作全面踏查的基础上采用典型取样的方法 ,设
置样方 8个 ,样方为 10 m× 10 m。 对胸径大于 2. 5 cm的乔
木进行每木检尺 ,调查、记录树种的植物名称、株数、胸径、高
度、冠幅、郁闭度、盖度、等 ,同时调查样地的海拔、坡度、坡
向、土壤等环境因子。
2. 2. 2　重要值 、多样性指数的计算
重要值 ( impo r tant va lue)是以综合数值来表示群落中
各植物种的相对重要性 [4] ,首先按照下面的重要值计算公式
计算出物种的重要值 ,再将物种的重要值代入香农—威纳指
数 ( Shannon- Wiener )和辛普森多样性指数 ( Simpson)计算
公式计算出群落的多样性指数。 测定多样性的公式为:
香农—威纳指数: H= -∑s
i= 1
Pi lnPi　　 S为物种数目
辛普森多样性指数: D= 1-∑s
i= 1
Pi 2　　S为物种数目
式中: P i—— 种 i的重要值。
重要值的计算方法:
乔木重要值 ( Iv tr )= (相对密度+ 相对显著度+ 相对高度 ) /3
灌木和草层植物重要值 Iv sh= (相对高度+ 相对盖度 ) /2
式中: 相对密度= 每个种的密度 /所有种的密度和× 100% ;
相对高度= 每个种所有个体高度之和 /所有种个体高度
之和× 100% ;
相对显著度= 每个种所有个体的胸径断面积 /所有种个
体的胸径断面积和× 100%。
3　结果与分析
3. 1　新银合欢人工林治理区域特征比较
表 1列举了新银合欢人工林治理区所设立的 8个样地
的基本情况 ,从表 1中可以看出 8个样地的海拔均值为
1 139. 38 m ,坡度为 30. 9°,土壤类型为燥红土 [1; 2 ] ,为典型的
金沙江干热河谷严重生态退化区。 在该区域从 1995年开始
采用新银合欢作为先锋树种进行生态恢复 ( resto ra tion) ,林
内郁闭度已达 0. 75,平均胸径为 6. 67 cm ,平均高度为 8. 41
m。从 8个样地的比较来看 ,该区域不同的坡度、坡向及海拔
较之治理前 (光板地 )林分达到了较为理想的郁闭效果 ,充分
体现了新银合欢的耐贫瘠性和速生性 [5 ]。
3. 2　新银合欢人工林治理区乔木层物种重要值分析
表 2给出了新银合欢人工林乔木层物种多样性 ( species
div e rsity )的重要值等指数。从表 2可以看出新银合欢人工林
的频度达到了 1,已经占据了治理区域。 相对显著度均值为
75. 91% ,重要值均值为 76. 06% ,都达到了一个较高的数
值 ,从新银合欢人工林的胸高断面积和每公顷株数上可以判
断其生物量 ( biomass)也达到较高的数值 ,说明新银合欢已
经成为该治理区 域生态系统 中的优势 种 ( dominant
species)。 但其相对密度 ( 72. 35% )较大 ,说明其它种已很难
进入 ,从而使其系统的物种多样性减小。
表 1　新银合欢人工林生态恢复区基本特征
样地号 海拔 /m 坡度 /° 坡向 土壤类型 郁闭度 平均胸径 /cm 平均高 /m
1 1154 15. 0 东南 燥红土 0. 73 8. 25 9. 77
2 1149 44. 1 西南 燥红土 0. 84 5. 43 7. 68
3 1148 33. 5 东北 燥红土 0. 67 8. 44 11. 06
4 1140 44. 5 北 燥红土 0. 80 5. 50 6. 36
5 1148 35. 3 南 燥红土 0. 62 5. 63 7. 34
6 1152 26. 0 西北 燥红土 0. 57 6. 03 9. 04
7 1125 25. 2 东北 燥红土 0. 70 7. 97 7. 26
8 1099 23. 2 西 燥红土 0. 87 6. 86 8. 75
均值 1139. 38 30. 9 - - 0. 75 6. 76 8. 41
表 2　新银合欢人工林乔木层数量特征
样地号 株数 /hm 2
胸高断面积
/( m
2· hm-2)
频度 /%
相对密度
/%
相对高度
/%
相对显著度
/%
重要值
/%
1 2700 9. 08 100 77. 20 83. 07 88. 84 83. 03
2 2000 5. 11 100 66. 15 78. 21 70. 60 71. 53
3 2600 11. 19 100 68. 97 81. 73 90. 67 80. 46
4 1900 4. 50 100 65. 52 76. 50 64. 29 68. 77
5 1300 5. 53 100 65. 00 69. 83 61. 32 65. 38
6 3600 6. 03 100 77. 55 84. 50 78. 75 80. 27
7 2300 7. 97 100 77. 18 82. 10 69. 55 76. 28
8 3600 8. 36 100 81. 25 83. 67 83. 26 82. 73
均值 2325 7. 22 100 72. 35 79. 95 75. 91 76. 06
3. 3　新银合欢人工林治理区乔木层生物多样性分析
生态学家提出增加物种丰富度会提高生态系统功能的
多样性 [6 ] ,从而导致生态系统稳定性的提高 ( Tilman et al.
1996 )。 表 3 中新银合欢人工林物种丰富度 ( species
richness)为 3. 75,较之治理前光板地有较大提高 ;新银合欢
人工林乔木层 Shannon- Wiener指数和 Simpson指数分别
为 0. 247和 0. 387,可以看出新银合欢人工林治理区乔木层
的生物多样性指数较小。许多研究显示物种的数目增加会提
高生态系统功能的稳定性 ,种类进一步增加 ,稳定性也恒定
的提高 ( Ka reiv a, 1996)。 但是在退化生态系统的早期 ,当用
过多的种类进行组建先锋群落时群落的结构和功能显然是
不稳定的 ,因为此时环境还不具备容纳太多种类定居的条
件 [6; 7]。在金沙江干热河谷严重生态退化区域生态恢复初期 ,
由于只有很有限的种类能适应恶劣的环境 ,先锋树种 (新银
合欢 )定居 ,逐渐成林 ,与一些阳性的灌木组成演替初期的先
锋群落 ,并占据了上层群落 [4, 6～ 8 ]。
3. 4　新银合欢人工林灌木层生物多样性分析
从表 4中可以看出新银合欢人工林灌木层物种丰富度
为 5. 125、 Shannon- Wiener指数为 0. 326、 Simpson指数为
0. 436,无论从物种丰富度还是 Shannon - Wiene r指数、
Simpson指数较之乔木层都有所提高。在新银合欢人工林中
从灌木层向乔木层竞争的过程中 ,由于新银合欢有较强的速
生性、耐贫瘠性生长势明显高于其它种 [5] ,压制主其它种向
乔木层的生长 ,从而使其物种丰富度和 Shannon- Wiener
指数、 Simpson指数由灌木层向乔木层递减。
3. 5　新银合欢人工林草层植物生物多样性分析
草层植物是指活的草本类植物及在一定高度 ( 40 cm )以
下的乔灌木幼苗的总和 [9]。从表 5中看出草层植物的物种丰
富度为 7. 875、 Shannon- Wiener指数为 0. 397、 Simpson指
·136· 水 土 保 持 研 究 第 12卷
数为 0. 487,较之灌木层又有所提高。 物种多样性方面上已
达到较为理想的数值 ,但由草层向灌木层、乔木层竞争的过
程中 ,其 Shannon- Wiene r指数和 Simpson指数都逐层递
减 ,其它物种已被新银合欢抑制其向上层发展。 新银合欢人
工林草层植物的盖度高于其它层 ,具有明显增加生物多样
性、防止水土流失、改善土壤结构、保持和提高土壤肥力 ,促
进林木生长等作用 [6, 9 ]。
表 3　新银合欢人工林乔木层生物多样性指数
样地号 物种丰富度 Shannon- W iener指数 Simpson指数
1 4 0. 194 0. 281
2 3 0. 208 0. 457
3 4 0. 216 0. 325
4 5 0. 295 0. 495
5 3 0. 318 0. 544
6 4 0. 221 0. 323
7 3 0. 246 0. 386
8 4 0. 209 0. 288
均值 3. 75 0. 247 0. 387
表 4　新银合欢人工林灌木层生物多样性指数
样地号 物种丰富度 Shannon- W iener指数 Simpson指数
1 6 0. 295 0. 341
2 5 0. 324 0. 488
3 5 0. 305 0. 467
4 7 0. 357 0. 520
5 6 0. 386 0. 565
6 4 0. 288 0. 387
7 3 0. 341 0. 406
8 5 0. 312 0. 312
均值 5. 125 0. 326 0. 436
4　结论与讨论
物种多样性是生态系统稳定性的基础 ,能导致生态系统
功能的优化 [6]。本研究可以看出新银合欢人工林的物种丰富
度和 Shannon - Winner指数、 Simpson指数由草层向灌木
层、乔木层逐渐减小。 在生态恢复的演替初期植物刚刚占领
开阔的生境就已经开始相互之间的作用和影响 ,各物种享用
着共同的资源库 [6, 7]。随着个体的发育和生物量的上升 ,这种
相互竞争逐渐增强 ,结果最终导致一些种的生长被抑制甚至
死亡。物种的增加是提高或降低生态系统稳定性取决于物种
对环境反应的生物学特性 ,对生态系统功能的作用相似但对
环境反应各异的种的增加有利于生态系统的稳定 ,因为任何
一个种的丰富度的减少都会由另一功能特点相似的种来补
偿 [7; 10 ]。在金沙江干热河谷严重生态退化区域选用豆科植物
新银合欢作为先锋树种 ,在较短的时间内明显改善系统的微
环境 ,形成了乔、灌、草复合结构 ,为后继种的侵入和定居创
造条件 ,加快了群落的演替过程 [6～ 8, 11]。
表 5　新银合欢人工林草层生物多样性指数
样地号 物种丰富度 Sh annon- Wiener指数 Simpson指数
1 8 0. 384 0. 382
2 4 0. 413 0. 543
3 10 0. 367 0. 517
4 9 0. 401 0. 558
5 8 0. 454 0. 577
6 7 0. 356 0. 402
7 8 0. 401 0. 478
8 6 0. 398 0. 435
均值 7. 875 0. 397 0. 487
　　建议在金沙江干热河谷严重退化生态系统的人工林造
林中选择一些对人工生态系统恢复和发展、对生态环境影响
好的树种进行营造 [8; 12 ]。造林初期可因地制宜选取生态恢复
的先锋树种如新银合欢、马尾松等 ,在造林初期应注意控制
林分密度 ,不宜过高 ,否则造成林内个体之间的激烈竞争 ,使
其它植物难以进入 ,造成林内植被物种多样性偏低 ,使系统
恢复减慢 [10, 13 ]。 因此 ,应增加乡土树种与外来种的配合使
用 ,可保持较高的物种多样性 [13] ,加速物种多样性恢复 ,增
加生态系统稳定性。
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·137·第 1期 方海东等: 金沙江干热河谷新银合欢人工林物种多样性研究