林分密度是制约林木群体生长发育过程的关键性因素，也是目前营造人工林工作中的可控因子之一，对人工林生态系统的稳定性及生物生产力的维持产生重要影响^[1-3]。不同的林分密度会导致林地土壤肥力、林下生物量、物种多样性及树种的更新等的不同^[3-5]。林分密度的调整是实现人工纯林向天然林恢复的有效手段之一，同时也关系着人工林的可持续发展，在人工林生产中具有极大的实践指导意义^[6-8]。我国现有的人工林面积居于世界首位，但长期大面积人工林种植也伴随着灾害性病虫害频发、地力衰退、木材材质差、经济及生态效益低下等问题，严重威胁着林业的可持续经营^[7-8]。物种多样性是维持生态系统生物多样性的基础，能促进整个生态系统结构与功能的恢复与重建，因此提高生物多样性是森林特别是人工林可持续经营的一个重要目标^[9-11]。近些年来，为提高人工林物种多样性及群落稳定性，实现人工林的可持续发展，国内外研究者均进行了大量研究及实践，如物种多样性的维持^[12]、近自然森林经营等^[13-14]。抚育间伐等森林经营措施能有效改善人工林的群落结构和物种多样性，引导人工林向次生林乃至天然林方向发展，进而实现人工林的可持续发展^{[7-8, 15]}。

亮叶桦Betula luminifera是南方地区常用的造林树种，由于其木材优良、树皮可制桦焦油供药用，在川北白云山地区广泛栽植，为当地居民创造了巨大的经济及生态效益^[16]。但亮叶桦人工林在经营过程中，片面追求速生丰产、纯林密植，使其经济效益和生态效应都不尽如人意，经营面临着巨大挑战。目前，关于林分密度与人工林群落结构和物种多样性的研究较多，其中，针叶人工林研究较多，如：张艳杰等^[17]认为马尾松Pinus massoniana人工林的根系生物量与林分密度有较强的相关性；侯磊等^[3]通过对黄土高原区油松P. tabuliformis人工林的研究表明，油松人工林林下植物的物种多样性随林分密度的增大而减小。对阔叶人工林的研究相对较少，如：王春香等^[18]对晋西黄土区刺槐Robinia pseudoacacia林的研究，并得出林分密度为750株·hm^-2时，林下灌草层物种多样性较高等结论；罗素梅等^[19]研究尾赤按Eucalyptus urophylta×E.eamalducensis人工林认为，密度对其径级结构有极显著影响，使林下灌草层呈现分异现象。本文以川北白云山地区的亮叶桦人工林为例，研究林分密度对人工林群落结构和物种多样性的影响，以期为当地亮叶桦人工林的合理经营提供科学依据，同时为我国阔叶树种人工林物种多样性的提高、群落稳定性的维持及林业可持续发展提供好的借鉴。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于川北绵竹白云山地区(31°23′07″~31°26′19″N，104°03′35″~104°09′11″E)，该地区属龙门山系边缘，为中亚热带湿润气候区，气候温和，降雨充沛，四季分明，大陆季风性气候特点显著，夏无酷暑，冬无严寒，无霜期长。年平均气温15.7 ℃，最冷月平均气温4.0~10.0 ℃；年平均降水量1 053.2 mm；积温2 232~5 567 ℃，无霜期250~350 d。土壤以山地黄壤为主，森林覆盖率达到49.5%。该区多以20年生亮叶桦、喜树Camptotheca acuminata人工林为主，面积50 hm²左右，群落物种组成单一。从造林至今经人为采伐及自然枯死，现存林分密度存在差异。按照实际踏查数据，将该研究区区分为低密度(1 050~1 150株·hm^-2)、中密度(1 450~1 550株·hm^-2)及高密度(2 150~2 250株·hm^-2)3种林分密度，其乔木层主要物种为亮叶桦、喜树、柳杉Cryptomeria fortunei，灌木层以宜昌悬钩子Rubus ichangensis、云南山蚂蝗Desmodium yunnanense等植物为主，草本层以水竹叶Murdannia triquetra、蕨类等植物为主。

1.2 研究方法 1.2.1 样地设置与调查

在全面踏查的基础上，采用典型取样法，在白云山亮叶桦人工林群落内设置12个20 m×20 m林相整齐、林层丰富、具有代表性的样地，高密度、中密度与低密度各4个(林分密度均为实际林分密度)，样地面积总计4 800 m²。采用相邻网格法在每个样地中设置4个10 m×10 m乔木样方；沿对角线随机设置6个5 m×5 m灌木样方，12个1 m×1 m草本样方，共计乔木样方48个，灌木样方72个，草本样方144个，调查样方总计264个，各样地基本情况见表 1。在样方内测定和统计的内容有：(1) 乔木层：测定高度≥3 m的所有植株，所测指标有树种种类、胸高直径、树高、冠幅；(2) 灌木层：测定所有高度 < 3 m的木本个体，包括乔木幼苗和幼树，记录每个样方内的植物种名、高度、冠幅、株数；(3) 草本层：统计包括草质藤本和蕨类植物，但大型木质藤本按胸径大小分别计入乔木层、灌木层，记录其种类、株数(丛数)、高度和盖度。所有外业工作于2014年7—8月份进行。

1.2.2 群落结构划分

依据郝建锋等^[20]对乔木树种胸径的划分方法，测定亮叶桦人工林群落中高度不小于3 m乔木个体的胸径和高度。将其乔木个体的胸径分为9个径级，每2 cm为一个径级，分别为径级Ⅰ：胸径3 cm以下；Ⅱ：[3, 5) cm；Ⅲ：[5, 7) cm；Ⅳ：[7, 9) cm；Ⅴ：[9, 11) cm；Ⅵ：[11, 13) cm；Ⅶ：[13, 15) cm；Ⅷ：[15, 17) cm；Ⅸ：胸径17 cm及以上。；将乔木个体的高度分为9个高度级，每2 m为一个高度级，分别为高度级I：[3, 5) m；Ⅱ：[5, 7) m；Ⅲ：[7, 9) m；Ⅳ：[9, 11) m；Ⅴ：[11, 13) m；Ⅵ：[13, 15) m；Ⅶ：[15, 17) m；Ⅷ：[17, 19) m；Ⅸ：高度19 m及以上。统计不同密度下乔木层中各径级和高度级的个体数。

1.2.3 数据整理

本文采用重要值(Ⅳ)、物种丰富度指数(D)、Shannon-wienner多样性指数(H)、Simpson优势度指数(H′)和Pielou均匀度指数(J_sw)来综合评价亮叶桦人工林群落的物种多样性。公式如下：

$ \text{IV}_乔=(相对密度+相对频度+相对优势度)/3，$

(1)

$ \text{IV}_{灌, 草}=(相对密度+相对频度+相对优势度)/3，$

(2)

式中，相对密度＝某个种的株数/所有种的总株数，相对频度＝某个种在样方中出现的次数/所有种出现的总次数，相对优势度＝某个种的胸高断面积/所有种的胸高断面积之和，相对盖度＝某个种的盖度/所有种的盖度之和。

$ D=S $

(3)

$ H =- \sum\limits_{i = a}^s {{P_i}\ln {{P}_i}}, $

(4)

$ H'=1- \sum\limits_{i = 1}^s {P_i^2} $

(5)

$ {J_{{\text{sw}}}} = \frac{{- \sum {{P_i}\ln {P_i}} }}{{\ln S}}, $

(6)

式中：S为物种数；P_i为第i种的个体数(n_i)占所有种个体总数(n)的比例，i=1，2，3，…，S。

文中所有数据采用SPSS17.0统计软件、Origin8.0软件和Excel进行统计分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)检验群落高度级和径级以及各层次多样性指数的显著性差异(P= 0.05)。

2 结果与分析 2.1 不同密度对亮叶桦人工林群落结构的影响

由图 1可知，各群落乔木个体在不同径级间、不同高度级间的数量存在显著性差异。中、高密度的群落内乔木层呈现出近正态分布的径级结构，均在径级Ⅳ，即胸径[7, 9) cm出现峰值，分别为67株、98株，且乔木立木数量多集中于中径级，即胸径[5, 11) cm；低密度群落内径级呈偏峰型结构，在径级Ⅶ，即胸径[13, 15) cm出现峰值，为42株，乔木立木数量多集中于中高径级，即胸径[9, 17) cm。图 1同时表明，不同密度下，各群落乔木个体的高度级呈现出相似的结构，且乔木立木数量多集中于中高度级，即高度[9, 15) m，但高密度群落存在更多高度级个体。

2.2 不同密度对亮叶桦人工林群落物种组成的影响

在总面积为4 800 m²的12个样地264个不同层次样方中，共记录到植物110种，隶属52科91属，以菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、蔷薇科(Rosaceae)为主。不同群落各层次物种数量不同，其中乔木层植物17种，灌木层植物38种，草本层植物64种。由图 2可知，中、低密度下，群落中乔木层物种的科、属、种数高于高密度群落，而低密度及高密度群落中灌木层及草本层物种的科、属、种数量高于中密度群落。

2.3 不同密度对亮叶桦人工林群落重要值的影响

重要值是反映群落中不同种植物重要性的指标，对重要值的分析可找出群落中的主要优势树种，了解群落的物种组成。不同林分密度下亮叶桦人工林群落各层次的物种组成和优势种不同。

表 2数据表明，在乔木层中，亮叶桦在低、中和高密度人工林中重要值分别为0.766 5、0.728 1和0.726 2，在乔木层中均占有绝对主导地位，为群落绝对优势树种。在低密度下的群落伴生种有八角枫Alangium chinense、毛脉南酸枣Choerospondias axillaris、刺楸Kalopanax septemlobus等7种；中密度下乔木层有胡桃Juglans regia、臭椿Ailanthus altissima、柳杉、喜树等7种伴生种；高密度下乔木层伴生种有胡桃、喜树、柳杉等5种。表明亮叶桦大面积人工种植，3种密度下群落乔木层物种组成均略显单一。

表 3表明，不同密度下群落灌木层优势种不同。在低密度下，群落灌木层的优势物种有喜树、楤木Aralia chinensis、杉木Cunninghamia lanceolata等20种。其中喜树重要值为0.234 8，杉木重要值为0.070 9；中密度下灌木层有喜树、云南山蚂蝗、八角枫等14种物种，喜树重要值达0.202 5；高密度下灌木层优势种有喜树、宜昌悬钩子、高梁泡Rubus lambertianus等18种，喜树重要值0.024 4。各密度林下灌木层均没有发现亮叶桦幼苗，说明亮叶桦几乎无自然更新能力，但在低密度群落中出现了大量喜树、柳杉、杉木等乡土树种的幼苗，这些树种具有潜在更新能力，但随着密度的增加，高密度下群落喜树重要值降为0.024 4，柳杉、杉木等乡土树种消失，说明高密度条件不利于柳杉、杉木等乡土树种的更新。

由表 4可知，不同密度下群落草本层的优势种的数量排序为：高密度＞低密度＞中密度。低密度下，草本层优势种有水竹叶、藜Chenopodium album、黑鳞远轴鳞毛蕨Dryopteris namegatae等31种；中密度下，群落草本层优势种有圆齿狗娃花Heteropappus crenatifolius、水竹叶等22种；在高密度下，群落草本层优势种为鸢尾Iris tectorum、序叶苎麻Boehmeria clidemioides等34种。在中、低密度下草本层群落中，水竹叶均处于优势地位，说明该植物能适应于这2种密度下的环境。

2.4 不同密度对亮叶桦人工林群落物种多样性的影响

对不同密度群落乔木层、灌木层和草本层物种多样性的分析表明(表 5)，不同密度各群落乔、灌、草各层次间的物种多样性不存在显著性差异(p＞0.05)。在不同密度的群落内，物种丰富度指数(D)、Shannon-wiener指数(H)和Simpson优势度指数(H′)等各指数基本均为乔木层＜灌木层＜草本层。在乔木层中，D、H和J_sw均表现为中密度最高，这说明中等密度条件下，乔木层的多样性水平更高，物种分布更为均匀；在灌木层和草本层中，D和H基本表现为低密度＞中密度＞高密度，这是因为高密度下乔木层林木株数较多，林地资源有限，产生种间竞争，对下层灌木、草本层物种产生一定的抑制作用，经过长时间的自然选择，一些物种被淘汰，因此高密度下群落灌草层物种丰富度及多样性指数最低，而低密度下，乔木层各指数最低，对林下抑制作用较小，林地资源充足，林下光照更为充足，更利于林下喜光树种的萌发，因此低密度下灌草层多样性水平更高。

3 讨论与结论 3.1 林分密度对亮叶桦人工林群落结构和自然更新的影响

林分密度直接影响培育目标能否实现及经营者的经济效益、生态效益^[9]。何友均等^[5]及李婷婷等^[7]研究表明，低密度对林木的胸径及树高增长更有利，利于乡土树种的逐渐侵入，本研究中，随着高度级与径级的不断增加，物种数均表现出先增后降的趋势，且低密度下，物种多集中于高径级中，在中低密度下，出现了大量柳杉、喜树等乡土树种的幼苗，这与以上学者研究结果相一致。但在3种不同密度下，亮叶桦人工林物种高度级分布呈现出相似的结构，并无明显差异，这与以上学者的研究结果有所不同，原因是亮叶桦为阔叶树种，其高度级结构对林分密度的响应可能与针叶树种不同。3种不同密度下，乔木层亮叶桦均占据主导地位，为乔木层明显优势物种，位于乔木层下的灌草层，经过激烈竞争，适应力更强的物种得以保留，劣势物种则遭到淘汰。但在3种不同密度的林分下，群落内均少见亮叶桦幼苗，而出现了喜树等的幼苗，说明该地区亮叶桦人工林中的亮叶桦树种可能无法进行自然更新，随着群落自然演替的进行，如适当种植柳杉，该人工林可能会演替成为以喜树、柳杉、杉木等为主的针阔混交林群落。

3.2 林分密度对亮叶桦人工林群落物种多样性的影响

本研究中，物种丰富度指数(D)、Shannon-wiener指数(H)和Simpson优势度指数(H′)等各指数均表现为乔木层＜灌木层＜草本层，乔木层的D、H和J_sw值均表现为中密度＞高密度＞低密度，灌草层则表现为低密度＞中密度＞高密度，这说明随着乔木层密度增加，灌草层群落的多样性水平会降低。研究表明，乔木层物种的丰富度和多样性会对林下植被产生重要的影响^[21]，本研究与上述研究结果相一致。综上所述，笔者认为不同密度会对群落物种多样性水平产生影响，中等密度(1 450~1 550株·hm^-2)下更利于亮叶桦人工林的发展，当林分密度过高时，乔木层林木株数过多，竞争作用会增强，小径材林木过多，群落多样性程度较低，不利于人工林的培育，而当林分密度过低时，虽群落多样性水平较高，但由于亮叶桦人工林为用材林，密度较小，木材产出量相对较少，会影响到该人工林经济效益。

3.3 关于亮叶桦人工林可持续经营的思考

人工林生态系统的稳定性相对较差，而林分密度是影响森林特别是人工林生态系统结构与功能的主要因素，可以通过调整林分密度来间接调控人工林生长，实现人工林的可持续经营^[22-24]。在人工林经营过程中，应根据用材不同，采取合理的经营措施，调整经营密度^[2]。就本研究而言，现存的中等密度(1 450~1 550株·hm^-2)更适合群落发展，在进行亮叶桦大径材培育时，应采取中等密度的长轮伐期作业，这样既有利于亮叶桦人工林经济效益的发挥，同时也有利于亮叶桦人工林群落生物多样性的提高及林分结构的改善，以实现人工林的可持续发展。对于细径木、生产经济效益低的亮叶桦人工林，应结合近自然理论，及早进行人工抚育间伐，保留干形良好，林冠均匀的树种。林分密度的调整仅仅是人工林近自然森林经营的第1步，随着林下透光条件的改善，应考虑对亮叶桦人工林林下自然更新的喜树等乡土树种加以保护，同时适当种植柳杉、杉木等乡土树种，促进其混交比例，从而增加林分的混交程度和层次结构，以实现该人工林的自然更新以及人工林的可持续发展。