全 文 ：第 31卷第 3期 江 西 农 业 大 学 学 报 Vol.31, No.3
2009年 6月 ActaAgriculturaeUniversitatisJiangxiensis Jun., 2009
文章编号:1000-2286(2009)03-0381-07
带状改造对柏木人工林林下
植被多样性和环境的影响
雷静品1 ,肖文发2 ,黄志霖 2 ,刘建锋 1 ,王怀清 3 ,李良俊 3
　　(1.中国林业科学研究院 林业研究所 , 北京 100091;2.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所 , 北京
100091;3.重庆市云阳县林业局 ,重庆 404500)
摘要:从生物多样性和林分环境的角度 ,探讨带状改造对柏木人工林的影响 , 分析不同带宽改造对林下植被生
物多样性和空气温度 、土壤温度的影响。 结果表明:不同带宽改造对林下植被生物多样性的影响是不同的 。
6 m带宽改造后仅灌木层的 Simpson指数D、Shannon-Wiener指数 H有所增加 , 而灌木层物种丰富度 S、草本层
的 D、H、S均没有显著影响;20 m带宽改造后 , 草本层 D、H、S均有提高 , 而灌木层则影响不显著。在物种组成
上 20 m带宽改造没有变化 ,但重要值发生了变化 , 6 m改造带灌木层由鼠李科的马甲子取代了未改带的蔷薇
科的优势种地位 ,灌木层多样性则因带宽不同而表现出不同的效果 , 带状改造宽度的不同 , 对林下植被的生活
环境影响存在差异 ,使阳生 、喜暖植物的比例增加 , 覆盖地表的草本植物由以单子叶为第一优势种逐渐过渡到
以双子叶植物为第一优势种。不同带宽改造对林分小气候产生了不同的影响。 6 m带宽的土壤温度差要比
20 m的低 , 6m带宽改造后空气温度差高于 20 m带宽改造 。
关键词:带状改造;柏木人工林;生物多样性;林分环境
中图分类号:S791.41　　文献标识码:A
EfectsoftheStripReformontheDiversityofUndergrowth
VegetationandEnvironmentinCupressusfunebrisPlantation
LEIJing-pin1 , XIAOWen-fa2 , HUANGZhi-lin2 ,
LIUJian-feng1 , WANGHuai-qing3 , LILiang-jun3
　　(1.TheResearchInstituteofForestry, ChineseAcademyofForestry, Beijing100091, China;2.The
ResearchInstituteofForestEcologyEnvironmentandProtection, ChineseAcademyofForestry, Beijing
100091, China;3.ForestryBureauofYunyangCounty, Chongqing404500, China)
　　Abstract:Theefectsofstripreformoncypressplantationwereanalysedintheviewofbiodiversityand
foreststandenvironmentincludingindexofbiodiversityofundergrowthvegetationspecies, airtemperaturein
stands, soiltemperatureofdiferentstripwidthtreats.Theresultshowedthat:reformofdiferentstripwidths
haddiferentefectsonundergrowthbiodiversity.For6 mwidthstripreform, onlyindexesofD, Hfromshrub
layerincreasedandtherewasnosignificantefectonSandD, H, Sofherblayer.Thespeciescompositionwas
notsignificantlychangedafter20 mwidthstripreformexceptthechangeintheimportancevalue.Mbawmagy-
abceijofRhamnaceaereplacedRosaceaeplantsandbecamethedominantspeciesin6 mwidthstripreformin
收稿日期:2008-11-26　　修回日期:2009-03-27
基金项目:林业科技支撑计划(2006BA003A1303)、林业科技支撑计划资助(2006BA003A0701)和中国林业科学研究
院公益基金资助(CAFYBB2007010)
作者简介:雷静品(1970-), 女 ,副研究员 , 主要从事森林生态和森林培育学研究 , E-mail:leijp@caf.ac.cn。
　江 西 农 业 大 学 学 报 第 31卷
theshrublayeridenticaly, andthebiologydiversityofshrublayerwasdiferentwithdiferentstripwidths.
Monocotyledonwasreplacedbydicotyledongradualyasthedominantspeciesowingtotheincreaseofthesun
plants, whichresultedfromthechangeintheforeststandenvironment.Reformofdiferentstripwidthshaddif-
ferentefectsonairtemperatureandsoiltemperature.Thesoiltemperaturevarianceinthe6 mstripwaslower
thaninthe20mwidthstripandtheairtemperaturevarianceinthe6mwidthstripwashigherthaninthe20
mwidthstrip.
Keywords:stripreform;cypresplantation;biologydiversity;foreststandenvironment
重庆云阳县柏木(Cupressusfunebris)人工林区属长江防护林带 ,造林于 20世纪 60年代 ,现有林地
0.4万 hm2 ,是三峡库区腹心地带的一条绿色风景线 ,对水源涵养 、水土保持 、小气候调节起到一定积极
作用。由于密度过高 ,林下植被稀疏 ,不仅影响林分生长 ,还容易导致病虫害的发生[ 1] 。有关人工林的
研究主要集中在人工林的经济效益[ 2, 3] 、生态效益 [ 4, 5] 、生物量 [ 6, 7]和生产力 [ 8 ～ 12]等几个方面 。生物多
样性是生态系统的一个重要组成部分 ,并且已经成为生态学领域研究的热点问题 [ 13, 14] 。研究表明 ,生
物多样性的增加会提高生态系统的稳定性 [ 15, 16] 。 20世纪 90年代初云阳县柏木人工林叶蜂危害严重 ,
曾对柏木人工林健康生长造成了严重影响 ,为改善叶蜂危害状况 ,提高柏木人工林结构合理性 ,自 2004
年对云阳柏木人工纯林进行了不同带宽的带状改造 。
1　材料与方法
1.1　研究地概况
云阳县位于四川盆地 ,地处 108°24′～ 109°14′E,北纬 30°34～ 31°27′N,长江自西向东横贯县境 。境
内以低山丘陵为主 ,主要由三叠系灰岩组成 ,丘陵区主要为出露侏罗系砂岩与粘土岩互层 。土壤以紫色
土为主 ,其次为山地黄壤。云阳属亚热带湿润季风气候 ,年均温 17.4 ℃,极端高温 42.9 ℃,极端低温
-0.6 ℃,年均日照 1 336.5 h,年均降水量 1 100 mm,无霜期 304 d,相对湿度 75%,地形为低山 ,坡度
多在 25 ～ 60°。土壤主要为由紫色页岩 、砂岩 、砂质页岩 、石灰岩等发育而成的紫色土 , pH值 6 ～ 8,现有
的柏木人工纯林 ,郁闭度在 0.60 ～ 0.85,平均树高 7.6 m,平均胸径 8 cm。
1.2　研究方法
1.2.1　样带设计与造林　为了改善叶蜂对柏木人工林的危害现状 ,分别于 2004年和 2006年对现有的
人工纯林进行了带状改造 , 2004年改造带宽 6 m、15 ～ 20 m(简称 20m)、6 m带宽次年春种植 1 a生刺
槐 ,在秋季对未成活部分补植栾树;20 m带宽造林树种为刺桐 、刺槐和桤木 ,每 100 m间隔混交种植 ,造
林密度 1 m×1 m。
1.2.2　群落调查　群落调查于 2007年 7月进行 ,采用典型取样方法 ,分别在不同改造措施的林分中设
置乔木层样方 10 m×20 m,在乔木样方内按照带宽垂直方向设置 6 ～ 10个不等的 2 m×2 m灌木样方
和 1 m×1m草本样方 ,调查内容包括植物物种的种类 、盖度 、高度和频度 。样方环境条件见表 1。
表 1　柏木人工林样方调查环境概况
Tab.1　SurveyofsamplingenvironmentofCupressusfunebrisplantation
样方 经度(E) 纬度(N) 坡度 /° 坡向 海拔 /m 土厚 /cm 处理
1 108°49′611″ 30°57′017″ 1 北坡 260 45 20 m对照带
2 108°49′612″ 30°57′021″ 1 北坡 265 35 20 m改造带
3 108°49′545″ 30°56′947″ 2 北坡 290 30 20 m对照带
4 108°49′554″ 30°56′982″ 1 北坡 285 35 20 m改造带
5 108°49′767″ 30°57′041″ 3 北坡 280 30 20 m改造带
6 108°49′671″ 30°57′017″ 1 北坡 260 45 20 m对照带
7 108°47′253″ 30°56′861″ 12 南坡 250 40 6 m对照带
8 108°47′255″ 30°56′863″ 10 南坡 245 40 6 m改造带
9 108°47′257″ 30°56′865″ 10 南坡 235 40 6 m改造带
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第 3期 雷静品等:带状改造对柏木人工林林下植被多样性和环境的影响
　　林分环境因子调查:将 U23-001HOBOProv2Temp/RH温湿度记录仪和 H08-001-02H8 Temp
Logger土壤温度数据采集器放置在 6 m和 20 m改造带的中间以及改造带林缘 ,温湿度仪固定在树高
2 m左右树冠下方 ,土壤采集器放置在相同位置土壤深 10 ～ 15 cm左右。
1.3　数据处理方法
1.3.1　物种丰富度(S)　物种丰富度是指一个群落中的物种数目 ,是最简单 、最古老的物种多样性测
度方法 [ 17] 。本文以样方中物种的数目表示物种丰富度(S)[ 18] 。
1.3.2　Simpson指数(D)　该指数又称生态优势度指数 ,是群落水平的综合数值 ,以表征群落的组成综
合特征 ,其表达式为:
D=1-∑si=1
ni(ni-1)
N(N-1) (1)
1.3.3　Shannon-Wiener指数(H)　该指数是以信息论范畴的 Shannon-Wiener函数为基础的多样性
指数 ,且已被证明较为有效 [ 17, 18] ,其表达式为:
H=-∑si=1(PilnPi) (2)
1.3.4　重要值(IV)　重要值是以综合数值来表示群落中各植物种的相对重要性 ,它由相对多度(RA)、
相对频度(RF)、相对显著度(RP)3项特征指标数值综合量化而成 [ 20, 21] , 其表达式为:
IV=(RA+RF+RP)/300×100% (3)
2　结果与分析
2.1　带状改造对植物群落结构的影响
2.1.1　物种数量的改变　森林生态系统多样性是生态系统健康的重要指标之一 ,物种丰富度与群落的
结构复杂性成正相关 [ 22] 。植物群落的结构越复杂 ,群落的物种丰富度就越大 ,是抵御自然灾害 、维护生
态系统安全的重要保障。尤其在柏木人工林中 ,生物多样性指数显得尤为重要 ,因为鞭角华扁叶蜂仅侵
害柏木 ,对其他阔叶树种没有影响 ,因此生物多样性指数对于指示柏木林健康状况 、抵御叶蜂侵害具有
重要指导意义。
表 2　云阳柏木人工林物种多样性指数
Tab.2　SpeciesdiversityindicesofCupressusfunebrisplantation
样方 Simpson指数(D)灌 草
Shannon-Wiener指数(H)
灌 草
丰富度(S)
灌 草 ∑
1 0.706 4 0.246 1 1.427 4 0.441 0 7 5 13
2 0.635 4 0.517 9 1.423 7 0.864 2 10 8 19
3 0.706 3 0.499 3 1.500 8 1.051 9 9 7 17
4 0.791 6 0.881 1 1.789 5 2.335 1 10 20 31
5 0.301 1 0.699 5 0.737 5 1.504 3 8 12 21
6 0.706 4 0.246 1 1.427 4 0.441 0 7 5 13
7 0.312 2 0.765 9 0.687 8 1.572 8 5 7 13
8 0.678 6 0.556 5 0.974 3 0.864 7 3 3 7
9 0 0.584 0 0 1.133 2 1 5 7
平均 0.516 5 0.593 8 1.067 6 1.220 9 6.6 8.4 16
　　物种丰富度(S)用出现在样方的物种数量表示 。由于研究对象为柏木纯林 ,因此乔木层结构单一 ,
多样性指数为零 ,丰富度为 1。由表 2可知 ,在所调查样方中 ,灌木丰富度平均为 6.6,草本丰富度平均
为 8.4,总体丰富度平均为 16;而在 20 m带宽改造处理的物种丰富度 ,对照(柏木带)为 17,改造带平均
为 21;6 m带宽改造对照丰富度为 13,改造带丰富度为 7。通过一定带宽改造 ,由于提高了透光度 ,能够
增加物种丰富度 ,但需要一定的宽度才能发挥作用 。而不同带宽物种丰富度的差别主要是由于样方坡
向导致的 ,北坡比南坡的物种丰富度要高 ,这与石胜璋等 [ 19]的研究结果一致。
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　江 西 农 业 大 学 学 报 第 31卷
图 1　6m、20 m改造带与柏木带在灌木和草本的 Simpson指数(D)、
Shannon-Wiener指数(H)及物种丰富度(S)比较
Fig.1　Comparisonofthreediversityindex(D, H, S)inherbandshrub
inreformingbelts(6 m、15 ～ 20 m)andCupressusfunebrisbelts
　　　(注:Ⅰ :6 m带宽改造后草本多样性比较;Ⅱ:6 m带宽改造后灌木多样性比
较;　Ⅲ:20 m带宽改造后草本多样性比较;Ⅳ:20 m带宽改造后灌木多样性比较。)
　　Simpson指数是多样性
的又一种表现方式 ,对于灌
木来讲 , (图 1), 6m带宽处理
改造灌木带 D为 0.52,柏木带
D为 0.32,说明 6 m带宽改
造后灌木层多样性有明显增
加;而 20 m带宽的结果则
相反 ,改造后灌木层多样性
不仅没有增加 ,反而比柏木
带减少了 21%。 Shannon-
Wiener指数的结果与 Simp-
son指数结果相近 。
对于草本多样性来讲
(图 1), Shannon-Wiener指
数与 Simpson指数表现出相
近的结果 ,即 6 m带宽改造
后草本的多样性不仅没有提
高 ,反而分别降低了 44%和
32%;20 m带宽改造后草本
多样性则明显提高 ,分别比
原来的柏木带提高了 53%
和 47%。说明林分改造后 ,
由于环境条件 (如光照 、温
度)的改变 ,草本的多样性会增加 ,而灌木不仅不会增加 ,反而在短时间内还有所降低 。
2.1.2　物种组成的改变　由表 3可知 ,不同带宽改造对灌木层的影响主要体现在各个优势层优势种的
变化上 ,灌木层无论 6 m或 20 m带宽改造 ,柏木作为优势种其位置都有所提高。 20 m改造带柏木重要
值由未改造的 20%增加到 30%,且由第二优势种提高为第一优势种;6 m改造带柏木在灌木层中由第
三优势种提高为第二优势种 ,带宽改造为柏木的更新提供了良好的环境条件 ,以 20 m改造的效果最为
明显。从主要物种组成上可以发现 , 20 m灌木层主要物种没有变化 ,而 6 m改造带灌木层由鼠李科的
马甲子取代了未改造带蔷薇科的优势种地位 ,说明 6 m改造带对灌木层来讲没有带来太大的改变 ,它
们都属于阳生植物。改造带对草本优势种组成影响较小 ,覆盖地表的草本植物由以单子叶为第一优势
种逐渐过渡到以双子叶植物为第一优势种 。
2.1.3　改造后物种多样性水平结构　由图 2可知 ,不同带宽改造灌木 、草本生物多样性指数水平不同。
对于灌木来讲 ,首先不同带宽改造的同一多样性指数的结果表现不同 , 20 m带宽 D、H、S基本表现出改
造带与柏木带之间的边缘效应 ,即产生生态交错区 ,交错区的多样性指数明显高于其他地区;而 6 m带
宽仅 H边缘效应有一定表现 , S则表现出相反的结果 。表明对于云阳柏木纯林的改造 , 6 m带宽不足以
改善林分内的环境 ,对于灌木的更新没有显著影响;而 20m的改造所产生的林分内部环境差异对灌木
的更新和新物种的侵入创造了一定环境条件 ,产生了显著的边缘效应。
草本则表现出了与灌木不同的结果 , 20 m带宽改造后草本的各多样性指数比柏木带有显著的提
高;而 6 m带宽改造后各多样性指数明显降低 ,说明不同带宽改造对灌木和草本所产生的影响是不同
的 。 20 m带宽改造后由于林分小气候改变大 ,改造后土壤温度上升 ,辐射增强 ,空气温度升高 ,湿度降
低 ,昼夜温差增大 ,使更多草本物种的侵入成为可能 。改造后林分环境的变化也证实了这一点。
2.2　改造后林分小气候的变化
通过比较不同带宽土壤温度的差别 ,发现不同带宽改造对土壤温度能产生明显影响(表 4)。 6 m
带宽改造后 9、10月份平均温度分别比 20 m带宽改造平均温度高 0.85 ℃、0.62℃,最高温度之间分别
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第 3期 雷静品等:带状改造对柏木人工林林下植被多样性和环境的影响
表 3　林下植被主要物种及其重要值
Tab.3　Mainspeciesandrelativeimportancevaluesintheundergrowth
林下植被 样方 主要物种 重要值(IV) 总计(IVs)
灌木 20m　改造带 柏木(Cupressusfunebris) 30.1
黄荆(Vitexnegundo) 21.2 72.42
毛黄栌(Cotinuscoggygria) 20.9
未改造带 毛黄栌(Cotinuscoggygria) 33.3
柏木(Cupressusfunebris) 20.3 79.85
黄荆(Vitexnegundo) 18.0
6m　改造带 毛黄栌(Cotinuscoggygria) 32.4
柏木(Cupressusfunebris) 21.7 64.76
马甲子(Mbawmagyabceij) 10.5
未改造带 柏木(Cupressusfunebris) 25.6
野蔷薇(Rosamultiflora) 15.2 55.10
毛黄栌(Cotinuscoggygria) 14.2
草本 20m　改造带 小飞蓬(Cinyzacanadensis) 41.6
苔草(Carexlasiocarpa) 13.9 55.74
竹节草(Commelinadiffusa) 12.1
未改造带 莎草(Carexrotundus) 30.2
苔草(Carexlasiocarpa) 22.1 59.50
地瓜藤(CaulisficiTikouae) 7.03
6m　改造带 竹节草(Commelinadiffusa) 26.3
芒草(Achnatherumsplendens) 13.0 51.12
地瓜藤(CaulisficiTikouae) 11.7
未改造带 苔草(Carexlasiocarpa) 24.1
芒草(Achnatherumsplendens) 15.9 52.55
竹节草(Commelinadiffusa) 12.4
　　注:表中只列出重要值前 3名的物种。
相差 0.39 ℃和 0.77 ℃。 6m带宽的温差要比 20m的低 ,说明改造带窄 ,整个林分的郁闭度比 20 m改
造带的温度高 ,土壤温度由于太阳辐射影响而产生的温度差异要小 。
表 4　不同带宽改造土壤温度的差异
Tab.4　Soiltemperaturevarianceofdifferentwidthstripreform
9月(20m) 10月(20 m) 9月(6 m) 10月(6 m)
月均土温 /℃ 22.93 20.85 23.78 21.47
最高土温 /℃ 26.34 24.40 26.73 25.17
最低土温 /℃ 19.81 17.52 21.32 18.66
温差 /℃ 6.53 6.88 5.41 6.51
　　20 m改造带比 6 m改造带的土壤温度低 ,由于林冠改变了林内的辐射 ,减小了林内土壤的温差 ,当
射入的太阳辐射量占优势时 ,林冠减小进入林内的净辐射效应 ,使两者温度产生差异;当射出的长波辐
射量占优势 ,林冠增大净辐射效应 ,使两者产生差异 。
由表 5可知 ,不同带宽改造对林分空气温度和湿度也产生不同影响 , 20 m带宽改造后 , 9、10月份空
气平均温度比 6 m带宽改造低 ,但从温度差来看 , 6 m带宽也明显高于 20 m带宽改造。两种带宽改造
后林分湿度没有显著差异 。
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　江 西 农 业 大 学 学 报 第 31卷
图 2　6 m、20 m改造带与柏木带灌木和草本的 Simpson指数(D)、
Shannon-Wiener指数(H)和物种丰富度(S)水平方向上的比较
Fig.2　Horizontaldirectioncomparisonofthreediversityindex(D, H, S)inherbandshrub
inreformingbelts(6mand15 ～ 20 m)andCupressusfunebrisbelts
　　(注:Ⅰ :20 m带宽改造与对照水平方向灌木多样性比较;Ⅱ:20 m带宽改造与对照水平方向草本多样性比较;Ⅲ:6
m带宽改造与对照水平方向灌木多样性比较;Ⅳ:6 m带宽改造与对照水平方向草本多样性比较;20 m带宽改造图中 a、
b、c、d为柏木带 , e、f、g、h为改造带;6m带宽改造图中 a、b、c为柏木带 , d、e、f为改造带。)
表 5　不同带宽改造空气温度湿度的差异
Tab.5　Foreststandtemperaturevarianceandhumidityofdifferentwidthstripreform
9月(20m) 10月(20 m) 9月(6 m) 10月(6 m)
月均气温 /℃ 23.46 20.61 24.10 20.68
最高气温 /℃ 33.73 33.18 38.06 37.51
最低气温 /℃ 16.30 14.17 15.39 13.67
温差 /℃ 17.43 19.01 22.67 23.84
月均湿度 /% 77.57 76.79 74.29 76.06
最高湿度 /% 99.06 97.85 98.82 97.91
最低湿度 /% 22.70 38.90 22.63 32.63
湿差 /% 76.36 58.95 76.19 65.28
3　讨　论
针叶人工林中乔木层植物种类单一 ,结构简单 ,林分抵御外来干扰的能力弱 ,因此林下植被就显得
更为重要。把林下植被作为林分结构调整的因子 ,通过改造来培育林下植被 ,优化林分结构已经得到广
泛认可和应用[ 23] 。草本层物种数量最多 [ 24] ,在北美地区草本层数超过其森林生态系统物种总数的
80%[ 25] ,尤其在人工林健康改造的过程中显得尤为重要 。油松草本层多样性指数对间伐强度的响应敏
感 [ 26] ,通过对柏木人工林带状改造的研究 ,我们发现柏木人工林灌木 、草本层多样性指数均对带状改造
有明显响应 ,且不同带宽改造对草本 、灌木层的多样性指数的影响不同 。因此可以通过带状改造的方
式 ,提高林分组成多样性 ,增强林分抵御外界干扰的能力 。
从林分更新的角度考虑 ,带状改造 6 m和 4 m带宽较好 [ 27] ,而从森林健康经营和增加生物多样性
方面考虑[ 28] ,不同带宽改造的影响是不同的 。结合以上分析结果 ,本文认为 20 m的带宽改造在三峡库
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第 3期 雷静品等:带状改造对柏木人工林林下植被多样性和环境的影响
区对于提高林分结构 、抵御病虫害方面是一个较好的选择。
云阳柏木人工林经营目的是防护作用 ,因此通过改造提高林分生物多样性 ,改善林分结构 ,促进人
工林灌木层和草本层的发育 ,提高柏木人工林抵御该地区柏木叶蜂的危害 ,实现三峡库区库周绿化和水
土保持效应的充分发挥。
带状改造使林分小气候发生改变 ,包括空气温度 、湿度和土壤温度的变化[ 29] ,以此干扰鞭角华扁叶
蜂预蛹过冬和整个生命史的发展过程 ,以达到有效控制叶蜂危害的效果 。不同带宽改造对空气温度产
生了不同的影响 , 6 m带宽改造后空气温度差高于 20 m带宽改造 ,土壤温度 6 m带宽的温差要比 20 m
的低。本研究主要研究带状改造后林分生物多样性的变化和对小气候的影响 ,而小气候的变化对叶蜂
越冬和成虫的影响将做进一步观察。
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