樟子松固沙林更新跡地草本植物多樣性及其對土壤理化性質的影響

呂 剛,王 婷,李葉鑫,魏忠平,王 凱

1 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院,阜新 123000 2 遼寧工程技術大學礦業學院,阜新 123000 3 遼寧省林業科學研究院,沈陽 110036

植被恢復是嚴重退化生態系統土壤逆轉的主要途徑[1- 2],荒漠化土地在植被重建過程中,經過植被-土壤兩個生態系統雙重的交互影響后向正向發育,從而使荒漠化土地土壤特性得以改良[2- 3]。退化生態系統重建與恢復的主要內容是植被恢復過程中植物多樣性的恢復[4]。植被恢復重建后,在氣候條件相對一致的條件下,因生存環境及植物體間固有的差異,不同植被重建類型林下土壤理化性質具有一定的差異,而不同的土壤理化性質改變土壤養分狀況,反之又會作用于群落內的諸多生態過程[5],間接影響到地上植被物種多樣性及演替進程。劉道錕等[6]研究表明物種豐富度指數與容重呈正相關,與土壤含水量及養分呈顯著負相關；盛茂銀等[7- 8]認為土壤有機質、氮素、鉀素、持水狀況、孔隙度和植物多樣性均勻度指數等是喀斯特石漠化地區基于土壤理化性質和植物多樣性評價土壤石漠化程度的關鍵指標,且土壤理化性質與植物多樣性指數具有明顯的相關性；羅亞勇等[9]研究青藏高原東緣高寒草甸退化過程表明,植物多樣性和土壤碳、氮的降低存在明顯的正相關；文海燕等[10]研究了科爾沁退化沙質草地不同沙漠化階段物種多樣性的變化表明有機碳、全氮、全磷、有效氮與植物多樣性達顯著或極顯著相關；目前關于植物多樣性與土壤理化性質及其關系的研究主要集中在內蒙古高原退化坡地、喀斯特石漠化地區、高寒草甸區及科爾沁退化沙質草地等植被退化區[6- 10],而植被恢復區的植物多樣性與土壤理化性質的關系研究較少。

彰武縣章古臺樟子松在“三北”防護林體系工程中發揮了巨大效益[11]。然而,由于受單一樹種栽培及森林衰退病的影響[11-13],自20世紀90年代初開始,樟子松林大量衰退枯死。遼寧省固沙造林研究所更新造林模式及造林種,在樟子松林采伐跡地上營造新的造林樹種。目前有關科爾沁沙地的研究主要側重于植被恢復過程中植物特性、土壤特性及影響該區植物生長的環境因子等研究[14- 16]。而不同植被類型對土壤性質、植物生長速度等的影響具有明顯差異[17]。因此,研究植被恢復區不同植被重建類型下的土壤特性,對評價土壤環境質量的改良效果、篩選較優植被重建模式具有重要意義。本文以樟子松固沙林采伐跡地為對照,調查和分析樟子松固沙林更新跡地13年的山杏、彰武小鉆楊、白丁香(Syringaoblata)、五角楓、樟子松、彰武松(Pinusdensiflora)和紅刺榆7種植被重建類型下的土壤特性及植物多樣性指標,比較分析各指標間的差異及相關性,探討土壤理化性質與植物多樣性在植被恢復過程中的變化規律與響應機制,對控制該區土壤進一步沙化、加速科爾沁沙地生態系統的恢復與重建具有重要的理論價值與指導意義。

1 研究區概況

研究區位于被稱為“遼寧沙窩子”的彰武縣。研究地點位于遼寧省固沙造林研究所章古臺實驗林場萬畝林工區(122°22′E, 42°43′N)。古代河流沉積而成的章古臺沙地位于科爾沁沙地東南端,分為半流動、流動和固定沙地,屬季風大陸性氣候區,年均氣溫6.2℃,干旱多風,最大風速達25 m/s。最大年降水量為744.8 mm,最小年降水量為262.3 mm,年均降水量500 mm左右,且多集中于6—8月份,年蒸發量約為降水量的3倍,空氣相對濕度60.4%。每6—7年出現一次干旱年,近年來干旱頻率增大。土壤為風沙土,典型的沙地地貌,土壤呈弱堿性,土壤質地粗,養分含量較低。研究區植被為蒙古植物區系、華北植物區系和長白植物區系的交替地帶,多為抗旱性較強的沙生植物,地帶性植被主要有小黃蒿(Artemisiaannua)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、狗尾草(Setariaviridis)、綠珠藜(Chenopodiumacuminatum)、細葉胡枝子(Lespedezahedysaroides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、馬唐(Digitariasanguinalis)、中華隱子草(Cleistogeneschinessis)、羊草(Leymuschinensis)等,林地主要造林樹種為油松(Pinustabuliformis)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、樟子松、彰武松、山杏、彰武小鉆楊、白丁香、紅刺榆、五角楓等。

2 研究方法

2.1 植物多樣性研究方法

2.1.1 樣地的選取

萬畝林為遼寧省固沙造林研究所在樟子松林采伐跡地上營造新的造林樹種,通過對研究區詳細踏查,在萬畝林中選取典型樣地為研究對象,樣地調查基本特征見表1。

表1 樣地調查基本特征

2.1.2 植物多樣性分析

試驗于2014年7月—9月開展。在試驗區設置8個樣地,每個樣地設置3個20 m×20 m的固定樣地,3個樣地相互平行,間距50 m。每個固定樣地內均勻設置4個1 m×1 m的調查樣方,每個樣地共設置12個調查樣方。在樣方內調查物種多樣性,記錄植物種類、多度、高度和蓋度。用密度、高度、頻度和蓋度四者相結合的重要值作為指標,反映該草本植物種群在群落中的具體情況。

物種多樣性指標采用物種豐富度(S)、Simpson優勢度指數(D)、Pielou均勻度指數(J)和Shannon-Wiener信息統計指數(H)。相關計算公式如下[18]：

物種豐富度(S)=物種數

Pielou均勻度指數

J=-H/lnS

Shannon-Wiener信息統計指數

H=-∑(Pi·lnPi)

式中,Pi種的群落中個體數占總個體數的比例,Pi=Ni/N,N為樣方中各物種多度指標總和,Ni為第i個種的多度指標。

2.2 土壤樣品的采集及其理化性質分析

(1)土壤樣品的采集

試驗與植物多樣性調查試驗同期開展。以采伐跡地為對照,彰武松、樟子松、五角楓、山杏、白丁香、彰武小鉆楊和紅刺榆7個植被重建林地為研究對象(林齡均為13 a),在草本植物調查的4個樣方里,采用人工挖剖面的方法用環刀取0—10 cm和10—20 cm土壤樣品,并采集1 kg混合土樣,各樣方混合后得到一個土壤樣品,測定土壤理化性質。

(2)土壤理化性質測定

土壤容重、田間持水量用環刀法測定[19]。有機質用重鉻酸鉀加熱法；全氮用重鉻酸鉀-硫酸消化、凱氏定氮法；全磷用NaOH熔融后鉬銻抗比色法；全鉀用火焰光度計；堿解氮采用擴散皿中加FeS04和NaOH、水解反應后用酸滴定；速效磷采用碳酸氫鈉浸取、鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨浸取后火焰光度計[20]。

2.3 數據統計與分析

運用SPSS 21.0軟件對數據進行相關分析、方差分析、多重比較(LSD法)分析,運用Excel軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 林下植物物種組成特征及植物多樣性

豐富的林下植物資源有利于各種動物、微生物等活動,對人工林養分循環有促進作用。此外,林下植物在保持水土、改良林地土壤質量方面起著重要作用,能維護整個生態系統的物種多樣性。各人工林林下植物物種組成受光照、林齡、土壤條件等的影響有一定差異[21]。

3.1.1 林下物種組成及豐富度分析

經調查統計,樟子松固沙林采伐跡地更新并進行植被重建后,8個樣地共有植物種29種,23屬,13科。由表2可知,羊草、綠珠黎和黃蒿在超過半數以上(5個)的調查樣地出現,此外,白丁香林地的畫眉草(Eragrostispilosa)和紅刺榆林地的天門冬(Asparaguscochinchinensis)等新物種已成為更新林地的優勢種。

各林分林下植物種有5—12種,采伐跡地物種最多。各樣地物種豐富度排序為采伐跡地(12)>樟子松(11)>白丁香(10)>山杏(9)>彰武小鉆楊(8)>彰武松(6)>五角楓(5)=紅刺榆(5),各個樣地的林下植物種類差別較大,羊草(7)、綠珠藜(7)和黃蒿(6)出現的樣地數目相對較多,為該地區林下植物常見種,而瓦松(Orosta.chysfimbriata)、線麻(Laporteacuspidata)、畫眉草、益母草(Leonurusartemisia)等13種草本植物在8個樣地中未重復出現,且不同人工林有10種出現,占76.92%,其余出現在采伐跡地,占23.08%。

表2 不同植被重建類型林下植物統計及其重要值

3.1.2 林下植物多樣性指數分析

不同植被更新類型林地,林下植被多樣性指數均存在極顯著差異(P<0.01)(圖1和表3),這是因為在所有樣方調查到的29種林下植物中,有13種在8個樣地中的不重復出現,各樣地間植物種的差異性顯著。多樣性指數在各樣地均表現為五角楓林最小,樟子松林最大。

表3 物種多樣性指數方差分析

圖1 物種多樣性指數Fig.1 Species diversity index

3.2 樟子松固沙林更新跡地土壤理化性質研究

作為植被賴以生存和發展的基礎,土壤理化性質對植被的更新有重要作用[22]。林木根系的伸展以及根系對水肥的吸收受土壤容重、孔隙度等影響；土壤有機質能改善土壤物理化學性質,促進土壤團聚體的形成,直接影響土壤抗蝕力、土壤肥力、孔隙度和土壤容重等[23],有利于植物生長和養分吸收。

3.2.1 土壤物理性質

土壤物理性質是表征土壤質量的重要指標[17],植被恢復過程中,地表枯落物及地下根系的增加,可以有效改善土壤物理性質。本研究主要分析了各樣地土壤容重、田間持水量的變化(圖2)。

土壤容重、田間持水量在不同植被重建類型下差異顯著。不同植被重建類型林下土壤容重均低于采伐跡地,且除采伐跡地和山杏林地外均表現為上層低于下層,其中0—10 cm層植被重建后各林地土壤的容重均與采伐跡地達到了顯著差異水平；10—20 cm土層土壤與采伐跡地差異均不顯著,五角楓林地土壤容重改良效果最好,相較采伐跡地減少5.6%。田間持水量是對作物有效的最高含水量,是農業、水文等方面的關鍵常數。研究區不同植被重建類型林下土壤田間持水量的平均值在23.05%—30.45%之間,且均表現為上層高于下層,且除樟子松外其他植被重建類型均與采伐跡地達顯著水平。

圖2 不同植被重建類型土壤物理性質Fig.2 Soil physical properties of different vegetation types不同小寫字母表示0—10 cm土層差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示10—20 cm土層差異顯著(P<0.05)

3.2.2 土壤化學性質

對不同植被恢復類型下土壤化學性質的研究,可反映出土壤養分的變化狀況[24]。本研究分析有機質、氮磷鉀及其有效性等與土壤肥力有密切關系的化學性質的變化特征(圖3)。研究表明,各植被重建類型下,不同土層養分含量均高于采伐跡地,且表現為上層養分含量均高于下層。

圖3 不同植被重建類型土壤化學性質Fig.3 Soil chemical properties of different vegetation types

由圖3可知,不同植被重建類型0—10 cm土層有機質含量與采伐跡地差異均顯著,其中五角楓林地有機質含量增加最多,約是采伐跡地的2倍。五角楓、彰武小鉆楊、白丁香林地全氮含量與采伐跡地差異顯著,分別提高了42.62%,32.79%,40.98%,土壤堿解氮與采伐跡地的差異均達到了顯著水平。全磷含量增幅均較小,各林分之間差異性均不顯著；而彰武松、樟子松、山杏、白丁香林的有效磷與采伐跡地差異顯著。紅刺榆林地全鉀含量與采伐跡地的全鉀含量差異性達到了顯著水平,增幅為55.83%；除樟子松林地外,其他植被重建類型土壤速效鉀含量與采伐跡地差異均顯著。

10—20 cm土層土壤有機質含量除樟子松和山杏林地外,其余均與采伐跡地達顯著差異水平,彰武小鉆楊林地增加最多,相比采伐跡地提高了82.27%。白丁香林地全氮含量增幅最大,彰武松和彰武小鉆楊,與采伐跡地差異顯著，相比采伐跡地增加了51.85%,25.93%；堿解氮與采伐跡地的差異均達到了顯著水平。土壤全磷含量在各林分之間差異性均不顯著,有效磷僅山杏、白丁香林地與采伐跡地差異顯著。各林地全鉀含量與采伐跡地均不顯著,彰武小鉆楊林增幅最大,相比采伐跡地增加9.13%；土壤速效鉀含量除樟子松、紅刺榆林地外,其他林地與采伐跡地均達顯著差異,其中五角楓林地速效鉀增幅最大,為49.54%。

3.3 土壤理化性質的相關分析

本文采用Pearson相關系數描述各指標間的相關性,由表4可以看出,土壤有機質與容重呈極顯著負相關關系,與田間持水量呈顯著正相關關系,可見在改良土壤結構方面,有機質起重要作用,與其他學者[5]研究結果一致。速效鉀含量與容重、田間持水量呈顯著相關關系,說明其受土壤物理性質影響較大。此外,容重與堿解氮含量呈顯著負相關關系；田間持水量與全磷含量呈顯著正相關關系。

表4 土壤理化特性相關系數矩陣

X1：土壤容重,soil bulk density;X2：田間持水量,field capacity;X3：有機質,organic matter; X4：全氮,total nitrogen; X5：堿解氮,alkaline nitrogen; X6：全磷,total phosphorus;X7：有效磷,available phosphorus;X8：全鉀,total potassium;X9：速效鉀,available potassium

3.4 林下物種多樣性與土壤理化性質的相關分析

不同的自然環境條件下林下物種多樣性與土壤各性質的關系有很大區別,物種多樣性的研究必須基于一定的自然環境條件,只有在特定的環境條件下討論其與土壤理化性質的關系,才是有意義的[25]。作為植物生長的重要物質基礎,土壤理化性質顯著影響植物多樣性[26- 27]。

由表5可知,全磷含量與物種豐富度呈極顯著負相關關系,與其他學者[28]的研究結果一致。這可能是因為采伐跡地土壤磷流失比較明顯,而全磷含量的恢復是一個長期而又緩慢的過程；優勢度低表明有更多的物種能適應生境,分析表明優勢度指數與容重、有機質分別呈顯著正相關關系、極顯著負相關關系,與全磷、田間持水量呈顯著負相關關系,說明植被重建后樟子松固沙林更新跡地適生性更強,有更多的適生物種；均勻度指數與容重顯著正相關,與田間持水量、有機質顯著負相關；信息統計指數與容重、田間持水量分別呈顯著正相關、負相關關系,與有機質、全磷極顯著負相關。研究表明,植物多樣性與有機質之間存在密切的關系,這與楊小波等[29]研究結果一致。

表5 林下物種多樣性與理化特性相關系數矩陣

**：P<0.01；*：P<0.05;S：物種豐富度；D：優勢度指數,Simpson;J：均勻度指數,Pielou;H：信息統計指數,Shannon-Wiener

4 討論

沙地的植被重建與恢復,是保護區域生物多樣性,防止沙地植被退化、沙漠化加重的有效途徑。沙地更新跡地的植被恢復實質上是群落的次生演替,是群落由單一到復雜,物種多樣性逐漸增加的過程[30]。研究表明,植被重建后草本植物物種多樣性發生很大改變,偶見種數目增多,羊草、綠珠藜、黃蒿成為植被重建后人工林林下第一優勢種。可以看出,禾本科、藜科、菊科在科爾沁沙地環境中分布較廣,顯示出這種類群對科爾沁沙地環境具有較強的適應性,系科爾沁沙地植被群落的適生種、群落優勢種與建群種。不同植被重建類型林下植物種類有一定差異,其中種數最多的是采伐跡地,即采伐跡地物種要比人工林更為豐富,這與采伐跡地受人為干擾的影響小,且通風透光條件好有關,植被重建后,林木的生長消耗了大量的土壤養分和水分,林下物種對生存競爭加劇[31],此過程中可能淘汰一些物種。與其他學者對煤矸石山及尾礦廢棄地植被恢復的物種多樣性指數研究結果一致,優勢度、均勻度、信息統計多樣性指數的值雖然存在一定差異,但其變化趨勢完全相同[32- 33],說明樟子松固沙林更新跡地植被重建后的環境是趨于穩定的。

植被演替作用于土壤,能不斷地改善土壤理化性質[34]。通過研究樟子松固沙林更新跡地植被重建13年后土壤的理化性質發現,植被重建后土壤容重降低,田間持水量、有機質、氮磷鉀及其速效養分含量增加,各林下土壤理化性質顯著改善,這種變化與楊寧,彭東海等的研究結果一致[33,35]。更新跡地植被重建后在林下植物根系固土和枯枝落葉分解的作用下土壤結構改良,容重降低,田間持水量提高。植物根系與土壤形成的根系-土壤復合體以及植物根系間相互纏繞、團結形成的根系網,都能有效固結、黏聚土壤顆粒促進土壤團聚體形成。土壤物理性質的改良,有利于土壤中粉粒和粘粒含量增多、砂粒含量減少[36],土壤吸附水分增強,形成充滿粘粒間細微的孔隙的吸附水膜,借助毛管作用保持少量水,細微顆粒的不規則排列形成曲折的毛細管,毛管力增強促使保水能力變強,已有研究同樣表明,田間持水量的提高與土壤質地密切相關,土壤中粘粒含量越多、砂粒含量越少,田間持水量就越大[37]。土壤持水性隨植被恢復逐漸改善,這種變化在半干旱少雨區意義重大[36]。此外,植物枯枝落葉分解和根系分泌物是土壤有機質的重要來源[38],有機質含量明顯提高可能是因為樟子松固沙林采伐跡地更新并進行植被重建后,產生大量的枯枝落葉,隨分解產生的營養元素逐漸釋放到土壤中,而作為土壤肥力的物質基礎,有機質為各種營養元素提供養分來源[31],土壤理化特性相關系數矩陣也表明,全氮含量與有機質含量呈顯著正相關。

研究表明,植被重建后相比采伐跡地各植被恢復區土壤理化性質均有所提高,不同植被恢復類型對土壤理化性質的改良效果因累積方式及作用機理的不同[34]有一定的差異。彰武小鉆楊和五角楓林下土壤理化性質的改善較好,而彰武松和樟子松的改良效果較差。這是因為與針葉林相比,闊葉林郁閉度較大,林下植被豐富,枯枝落葉量大,保水能力強,能合理分配降雨,減少地表徑流,增加地下徑流,對保持該地區地下水位和水量平衡及改善土壤理化性質具有重要作用。因此,該地區日后的植被恢復工作可以考慮加大彰武小鉆楊及五角楓等對該區適應性強的樹種,或適當種植針闊混交林,增強群落物種多樣性,以便有效恢復和提高該區的土壤肥力。

5 結論

植被恢復與重建是生態系統恢復的重要內容。本研究中更新跡地不同植被重建模式下植物多樣性和土壤理化性質的關系研究基于相同的地理及氣候條件。植被重建后,相比采伐跡地草本植物物種多樣性增加,林下偶見種數目增多,13種草本植物在8個樣地中未重復出現,且更新跡地上新物種數目較多,占76.92%。不同植被類型之間的植物多樣性、土壤理化性質及其關系存在顯著差異,并有一定的相關性,表明不同植被重建類型對土壤的改良效果有一定的差異,彰武小鉆楊和五角楓林地改良土壤容重、田間持水量、有機質、全氮、堿解氮、速效鉀效果較好,而全鉀和有效磷分別在紅刺榆林、山杏林地改良效果最佳。優勢度、均勻度、信息統計多樣性指數的值雖然存在一定差異,但其變化趨勢完全相同,說明樟子松固沙林更新跡地植被重建后的環境是趨于穩定的。

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