幕府山廢棄礦地人工林撫育對林下植物多樣性及土壤養分的影響

鄭 玲，王 紅，徐 麗

(南京市旅游園林科學研究院，江蘇 南京 210037)

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幕府山廢棄礦地人工林撫育對林下植物多樣性及土壤養分的影響

鄭 玲，王 紅，徐 麗

(南京市旅游園林科學研究院，江蘇 南京 210037)

為評價幕府山廢棄礦地人工林的撫育效果，探討了不同林分的最佳撫育模式，對林分撫育前后林下植物多樣性及土壤養分變化進行了研究。結果表明：科學合理的森林撫育能有效降低林分郁閉度，改善林內光照條件，促進林下植物的更新、生長與演替，提高生物多樣性，增強土壤肥力；對林分的人工擾動強度影響林下植物多樣性，擾動大則多樣性高，但在撫育后1、2年內，林下植物多樣性相對不穩定，說明植被群落處于重建和恢復階段。

幕府山；森林撫育；植物多樣性；土壤養分

1 引言

幕府山地處南京城北長江之濱，是主城北部的一道天然綠色屏障。解放初大規模的開山采石活動，使得幕府山的自然植被和生態環境遭受了嚴重的破壞。1999年開始，幕府山連續實施了10年人工植被恢復工程，恢復面積約267 hm2。在植被恢復施工時，為保證成活、成林，植物初植密度普遍較大，經過10多年的生長，林分已高度郁閉，樹木生長分化嚴重，樹干中下部枯枝和瀕死枝較多，林下植物缺失或生長稀疏，生物多樣性低下，林分質量普遍較差，影響幕府山森林公園的景觀效果和生態效益。

科學合理的森林撫育能逐漸提高人工林生態系統的生產力，改善土壤理化性狀，還可增加植物多樣性[1]。2013年開始，幕府山開始逐步有序地開展人工林的森林撫育工作，致力于改善林分狀況，提高林分質量，促進森林公園景觀效果和生態服務功能的提升。本研究針對不同配置模式的人工林分采取不同的撫育措施，通過調查測定林下植物多樣性及土壤養分含量的變化，來評價森林撫育的效果，為探索廢棄礦地人工恢復植被有效的森林撫育模式提供參考。

2 研究方法

2.1 森林撫育樣地設置及撫育方法

研究林分位于幕府山西山頭山頂平地，為2006年第八期植被恢復工程，主要樹種有女貞、蜀檜、雪松，輔助樹種有楓香、欒樹、石楠、金鐘等。撫育前林分高度郁閉，林內密不透光。森林撫育時間為2014年12月。

根據林分植物配置模式及生長狀況的差異，設置2塊試驗樣地。樣地1的造林土壤為城市建筑余土覆蓋，林分為同齡女貞、蜀檜片狀混交林，幾乎沒有灌木層和草本植物。喬木上層樹冠高度水平郁閉，中下層枝葉受光不良，枯死嚴重，尤其蜀檜僅在頂梢有部分活性枝條，生長尖削，抗風能力極差，枯死或倒伏嚴重。撫育時，致力于營造喬、灌、草合理搭配的林分結構，將林內枯死或瀕死的蜀檜全部伐除，修剪女貞中下部枯死枝，并將過密的女貞截干移植至砍伐蜀檜形成的林窗處，同時從周邊林分移植適量石楠、金鐘作為灌木層。因移植量過大，以機械作業為主，對地表擾動較大。

樣地2的造林土壤為城市建筑余土混合玄武湖湖底淤泥，林分為女貞、雪松株間混交林，灌木層點栽石楠。林分垂直郁閉度高，喬灌木枝葉密集，中下部枝葉受光不良，枯死較多，草本植物缺失。撫育時，以降低林分密度為主，基本維持林分原有的層次結構。主要砍伐枯死樹及雜樹，修剪枯死枝，對生長過密的灌木適度重修剪，提高林分通透性。全部為人工作業，對地表擾動輕微。

2.2 林下植物多樣性調查與分析

植物多樣性調查：在2塊樣地中，分別設置20 m×20 m研究樣方，每個樣方內設置5個4 m×4 m和1 m×1 m小樣方分別調查灌木和草本植物。調查時間為2014年10月(森林撫育前)、2015年6月(森林撫育后第1年)、2016年6月(森林撫育后第2年)。調查時詳細記錄每一樣方內灌木的種數、個體數、樹高、冠幅，草本植物的種數、個體數(叢數)、高度、蓋度等。在調查中把更新的喬木幼苗(高<1 m)統計在灌木中[2]。

生物多樣性指標選擇與分析：重要值(IV)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Simpson優勢度指數(D)、Margalef′s豐富度指數(M)、Pielou′s均勻度指數(J)。

IV=(相對頻度 + 相對蓋度 + 相對密度)/ 3；

H′=-∑PilnPi；D=1-∑(Pi)2；M=S-1)/lnN；J=H′/lnS.

式中，S為樣方內的物種總數，N為樣方中全部植物個體數總和；Pi為第i植物種的個體數占全部植物種個體數的百分比。用Excel2007和Biodap軟件進行數據整理及多樣性指數的計算與分析[3，4]；基于SPSS17.0，采用單因素方差分析和Duncan 多重比較法，分析森林撫育時間和撫育方法對林下植物多樣性指數影響的顯著性。

2.3 土壤樣品取樣和分析

森林撫育前及森林撫育后第2年，在進行樣方調查的同時(2016年6月)，在樣地的4個角和中心點挖掘土壤剖面，去除枯枝落葉層和浮土，從土壤表層0～15 cm內采集土壤樣品，將5個點的樣品充分混合，用四分法取樣約500g，備室內分析。將土樣帶回實驗室，自然風干后，研磨，過篩，采用常規方法測定各項土壤化學性質(pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質等)。

3 結果與分析

3.1 森林撫育對林下植物種類和數量的影響

森林撫育前及森林撫育后的第1年、第2年，分別對樣地林下植物(灌木和草本)進行了調查，其種類和數量見表1。森林撫育前，林分高度郁閉，林下灌木和草本的種類和數量均較少；撫育后，林分郁閉度下降，林內光照充足，為林下植被的生長更新提供了有利條件，因此，林下植物種類和數量均有大幅度提高。樣地1采取機械作業，對地表擾動大，且由于女貞截干栽植，撫育后短期內樹冠尚未成形，郁閉度低，因此林下植物種類和數量增加更為明顯。樣地2地表擾動輕微，且林分郁閉度變化相對較小，林下植物種類和數量增加也相對較少。說明林分郁閉度和光照條件對林下植物的種類和數量影響極大，郁閉度低，光照充足，林下植物豐富[5]。

表1 森林撫育前后林下植物種類和數量的變化

據調查，2個樣地內灌木(含喬木種子萌發的小苗)共有16種，除金鐘、石楠為原有的人工種植種外，其他均為天然更新，主要灌木種類及重要值見表2。樣地1撫育時，人工補植了金鐘和石楠，因此，數量和重要值較撫育前均有所增加；樣地2撫育時，由于原灌木密度偏大，移出了部分，因此撫育后第1年金鐘、石楠等人工種植灌木的數量和重要值較撫育前有所降低，而再經過一年的生長后，灌木冠幅和高度明顯增加，故撫育后第2年重要值也隨之增大。從其他天然更新樹種來看，撫育后第1年，林下萌發較多的喬木幼苗有構樹(Broussonetiapapyrifera)、女貞(Ligustrumlucidum)和海桐(Pittosporumtobira)，但在第2年有所減少，且難以成苗，可能由于撫育時對地表的擾動促進了土壤種子庫種子的萌發，但草本植物的快速生長更新在一定程度上抑制了喬木幼苗的生長，同時，由于對幕府山人工林實行常規的養護管理，在養護過程中，除草等作業也導致部分喬木幼苗被清除。

表2 森林撫育林分主要灌木種類及其重要值變化

備注：本表只列出重要值較高的10種灌木

調查結果表明，樣地林下草本植物共有56種，其中菊科12屬14種，禾本科9屬10種，豆科6屬6種，大戟科3屬3種，莎草科、茄科、百合科、葡萄科、唇形科各2屬2種，還有廖科、桑科等13科13屬13種。菊科和禾本科雜草種類多，數量大，重要值高，是林下的主要草本植物。綜合來看，撫育前后草本植物種類變化較大，撫育前僅有少量的陰生植物，如絡石(Trachelospermumjasminoides)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)、小巢菜(Viciahirsuta)等，撫育后，大量的陽性植物如龍葵(Solanumnigrum)、求米草(Oplismentlsundulatifolius)、狗尾草(Setairaviridis)、一年蓬(Erigeronannuus)等取而代之，種類和數量都明顯增多，重要值極大提高(表3)。結合表1來看，撫育后第2年，雖然草本植物種類有所減少，但數量增加，蓋度增大，重要值均有所提高。

表3 森林撫育林分主要草本植物種類及其重要值變化

備注：本表只列出重要值較高的10種草本植物

3.2 森林撫育對林下植物多樣性的影響

通過調查分析，2個樣地森林撫育前后林下植物多樣性變化見表4。由表可見，森林撫育后，不論灌木還是草本，Shannon-wiener多樣性指數和Margalef′s豐富度指數均有較大幅度的提高，指數變化顯著(P<0.05)，且兩者變化趨勢一致，說明森林撫育后林下植物種類和數量增多，植被群落的復雜程度增加。而Simpson優勢度指數和Pielou′s均勻度指數較撫育前有所減小，差異顯著，可能因為撫育前林下植物種類和數量均較少，相對均勻，而撫育后林下出現較多的稀有種，數量分布不均，因此指數反而減小。從撫育時間長短來看，撫育后第2年，Shannon-wiener多樣性指數和Margalef′s豐富度指數一般小于撫育后第1年，而Simpson優勢度指數和Pielou′s均勻度指數變化則有增有減，說明經過人工撫育擾動后，在短期內，林下植被群落處于一種相對不穩定的重建和恢復階段。

表4 森林撫育對林下植物多樣性指數的影響

備注：同一列小寫字母完全不同的，表示差異顯著(P<0.05)

相關研究表明，影響林下植物物種多樣性的因子在一般情況下間伐強度越大植物的種類越豐富，密度和蓋度也越大[6]。從樣地1和樣地2比較來看，樣地1實施較重度的間伐，形成了大小不一的林窗，而截干栽植的女貞在短期內樹冠尚未成型，因此撫育后林分郁閉度較低，林內光照充足，且機械作業對地表擾動極大，促進了土壤種子庫種子的萌發和草本植物的生長更新，因此，樣地1林下植物(尤其是草本植物)多樣性明顯高于樣地2。

3.3 森林撫育對土壤肥力的影響

土壤是影響植物生長的主要環境因子之一，其理化性質與植物群落組成和植物多樣性有著密切的關系，影響著植被發生、發育和演替的速度，同時土壤性質也因植被的生長演替而發生變化[7]。幕府山植被恢復地原為廢棄礦地和垃圾場，覆土后栽植樹木，土壤來源和覆土厚度不同，導致土壤基本理化性質也有差異。幕府山人工恢復植被經過多年的生長，在一定程度上改良了土壤，增強了土壤肥力，但土壤仍普遍呈微堿性，且土壤養分含量總體偏低。經過合理的森林撫育后，土壤pH值和養分含量均有一定程度的變化(表5)，2處樣地pH值均較撫育前有所降低，而土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量均較撫育前有所增加。前人研究表明，林下植被不但養分含量豐富，而且易分解、循環速度快，對改善土壤物理、化學和生物學特性效果較為顯著[8]。本研究中，合理的森林撫育有效改善了林分植物的生長環境，加速了林下植被的生長更新及凋落物分解，促進了土壤性質的改良。

表5 森林撫育前后土壤pH值和養分含量的變化

4 結論與討論

(1)幕府山廢棄礦區人工恢復植被經過近10年的生長，林分已高度郁閉，林內枯死現象嚴重，林分質量低下，亟待開展科學合理的森林撫育。研究表明，因地制宜地開展森林撫育，可極大地提高林分通透性，改善林內光照條件，加速林下植物的更新、生長與演替，提高植物多樣性，增強土壤肥力，形成植物健康生長與土壤逐漸改良的良性生態循環。

(2)森林撫育過程中對地表的適度擾動，可促進土壤種子庫種子的萌發和草本植物的生長更新，有利于提高植物多樣性。森林撫育后1、2年內，林下植物多樣性有增減變化，說明短期內植被群落處于一種相對不穩定的重建和恢復階段，要形成相對穩定的森林植被群落，需要數年甚至更長時間的更新演替過程。

(3)幕府山是南京重要的城市公園綠地和森林公園，開展森林撫育時要兼顧景觀效果和生態效益，在對上層喬木進行必要的撫育間伐的同時，要適量補植中下層植物。在撫育后林分的養護管理過程中，要有意識的維護植被群落的多樣性，盡量避免林下除草作業，保護喬木更新的幼苗，有目的性的培育天然更新的中下層植物，促進形成層次結構合理的植被群落，提升景觀效果和生態效益。

(4)幕府山造林土壤為廢棄礦地人工覆土，土壤來源和覆土厚度均有差異，每個小區域植物種類和配置模式各異，因此，較難設置有足夠面積且條件較為一致的林分進行撫育模式的對比研究，只能主要通過撫育前后對比來評價森林撫育的效果。對幕府山人工林的森林撫育，要因林制宜，不同林分采取不同的撫育模式，對土壤條件差的林分，要注重通過撫育剩余物粉碎覆蓋、施肥等方式逐步進行土壤改良[9]，促進植物健康生長。

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[9]顧 兵.綠色植物廢棄物在城市綠地土壤上的應用[D].南京：南京農業大學.2009.

Effects of Plantation Tendingin Mine Spoilsof Mufu Mountainon Diversity and Soil Nutrients of Undergrowth

Zheng Ling, Wang Hong, Xu Li

(NanjingInstituteofTourismandLandscape,Nanjing,Jiangsu210037,China)

In order to evaluate tending effects of plantations in mine spoils of Mufu Mountain, and to explore the optimum tending mode of different forest stands, thediversity and soil nutrient contents of undergrowth were studied. The results showed that appropriate tending reduced canopy density effectively, improved light conditions, accelerated undergrowth plant regeneration and succession, and enhanced soil fertility. Undergrowth diversity was influenced by anthropogenic disturbances, and diversity increased when disturbance enhanced. However, plant diversity was relatively unstable in one or two years after forest tending, which showed that vegetation community was still in the stage of reestablishment.

Mufu Mountain; forest tending; plant diversity; soil nutrients

2016-07-13

江蘇省林業三新工程項目(編號：LYSX[2015]26)

鄭 玲(1978—)，女，工程師，碩士，主要從事森林資源培育及保護研究。

X753.5

A

1674-9944(2016)18-0009-04