造林密度對(duì)科爾沁沙地奈曼沙區(qū)小葉楊防護(hù)林林下植被的影響

郭欣宇, 楊 光, 陸乃靜, 李慶原, 秦 忠, 寧巖巖

(1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院 荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水文水資源中心呼和浩特水文水資源分中心, 呼和浩特 010010;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗新鎮(zhèn)國(guó)有機(jī)械林場(chǎng), 內(nèi)蒙古 通遼 028312)

小葉楊(Populussimonii)是我國(guó)三北地區(qū)防風(fēng)固沙、水土保持、人工造林的常用樹種[1],為有效改善科爾沁沙地的土地荒漠化與水土流失問題,從20世紀(jì)70年代開始,楊樹大面積應(yīng)用于科爾沁沙地的人工防護(hù)林建設(shè)中[2-3],在內(nèi)蒙古通遼市范圍內(nèi)營(yíng)造的楊樹人工林在全國(guó)人工林建設(shè)中具有重要地位,其面積達(dá)到全國(guó)楊樹人工林面積的十分之一,然而,由于造林過程中沒有做到因地制宜、適地適樹,不合理的造林密度使科爾沁沙地的楊樹防護(hù)林形成了諸多生長(zhǎng)狀況差、林下植被結(jié)構(gòu)單一的“小老樹林”,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)貤顦浞雷o(hù)林的生態(tài)恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展[4]。

在立地條件、造林時(shí)間、造林密度等影響林木生長(zhǎng)的重要因素中,造林密度的可調(diào)控程度最高[5]。林分密度的大小影響著陽(yáng)光、降雨等林下生態(tài)資源的分配,進(jìn)而影響林下幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育,導(dǎo)致林下植被群落恢復(fù)呈現(xiàn)明顯差異[6]。林下植物多樣性能夠表征森林生態(tài)群落功能的穩(wěn)定性和復(fù)雜性,是各物種對(duì)林內(nèi)環(huán)境的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)適應(yīng)的體現(xiàn)[7-8]。目前,諸多學(xué)者研究結(jié)果均表明林分密度的改變對(duì)林下植被恢復(fù)有顯著影響,適宜的造林密度可以有效提高林下植被多樣性,改善群落穩(wěn)定性[9-12],人工造林是自然條件惡劣的干旱、半干旱地區(qū)恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的重要途徑之一,但對(duì)干旱、半干旱地區(qū)造林密度與林下植被恢復(fù)關(guān)系的研究并不多見,因此,本文以科爾沁沙地南緣的通遼市奈曼旗沙區(qū)為研究區(qū),選取當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘男∪~楊防護(hù)林造林密度,對(duì)不同造林密度林下植被群落變化進(jìn)行研究,提出適宜研究區(qū)林下植被群落恢復(fù)與發(fā)展的造林密度結(jié)構(gòu),對(duì)科爾沁沙地奈曼沙區(qū)防護(hù)林的經(jīng)營(yíng)管理具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

本文試驗(yàn)的研究區(qū)位于科爾沁沙地南緣的內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗(120°19′40″—121°35′40″E,42°14′40″—43°32′20″N),其氣候類型屬北溫帶大陸性季風(fēng)干旱氣候,春季風(fēng)向以西南風(fēng)為主,夏季多為東南風(fēng),其年平均風(fēng)速為3.6～4.1 m/s,年平均氣溫6.0～6.5℃,平均降水量366 mm[2-3];地形特征在總體上呈現(xiàn)西南高,東北低,其南部低山丘陵黃土區(qū)主要是由第四紀(jì)殘積物、坡洪沖積物以及風(fēng)積物組成,中部沙區(qū)和北部沖積平原區(qū)主要是由沖積物、風(fēng)積物和湖積物組成;研究區(qū)土壤類型主要包括非地帶性的風(fēng)沙土和地帶性的栗鈣土等,由于氣候干旱,土地沙漠化嚴(yán)重,風(fēng)沙土為分布面積最大的土壤類型[13];主要的植被類型包括:小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、黃柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodeudron)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、狗尾草(Setariaviridis)、豬毛菜(Salsolacollina)等[14-15]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

于2021年7—8月在科爾沁沙地南緣的內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗開展野外調(diào)查,試驗(yàn)以造林立地條件相同、林齡相近、造林密度不同的小葉楊防護(hù)林為研究對(duì)象;選取研究區(qū)造林應(yīng)用最廣泛的典型造林密度類型3個(gè),各密度類型設(shè)置樣地3塊,選擇研究區(qū)地帶性植被草地與造林區(qū)附近未開墾、未造林曠野各1個(gè)作為對(duì)照樣地,所有防護(hù)林樣地林下均為自然恢復(fù)狀態(tài),研究區(qū)樣地基本信息見表1;在各密度類型造林區(qū)內(nèi)設(shè)置30 m×30 m的樣地,通過每木檢尺的方法調(diào)查樣地喬木的樹高、胸徑、郁閉度等;樣地內(nèi)設(shè)置1 m×1 m的林下草本樣方各5個(gè),記錄樣方內(nèi)植物種類、高度、蓋度、頻度等,盡量保證樣方能夠覆蓋樣地所有植物種,林下植被生物量采用樣方收獲法測(cè)定,即將1 m×1 m的草本樣方內(nèi)全部植被的地上及地下部分挖出,帶回實(shí)驗(yàn)室稱量地上及地下部分鮮重,烘干至恒重后測(cè)定其干重以推算其生物量,每個(gè)樣地重復(fù)取樣5次。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 重要值計(jì)算 通過對(duì)不同密度小葉楊防護(hù)林林下植被的調(diào)查結(jié)果,計(jì)算其相對(duì)高度、相對(duì)多度、相對(duì)頻度等,通過重要值分析防護(hù)林林下植被優(yōu)勢(shì)度,表征發(fā)育過程中種群在防護(hù)林中的分布格局和功能地位[16]。

重要值(Ⅳ):

Ⅳ=(RHI+RDE+RFE)/3

(1)

式中:RHI為相對(duì)高度;RDE為相對(duì)密度;RFE為相對(duì)頻度。

2.2.2 多樣性指數(shù)計(jì)算 根據(jù)前人對(duì)物種多樣性的研究成果[17-20],選用Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)來研究不同密度小葉楊防護(hù)林的群落物種多樣性變化。

Simpson多樣性指數(shù)(D):

(2)

Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)(H):

(3)

Pielou均勻度指數(shù)(J):

J=H/ln(S)

(4)

Margalef豐富度指數(shù)(d):

d=(S-1)ln(N)

(5)

式中:N為樣方內(nèi)的總個(gè)體數(shù);Pj為第j種的個(gè)體數(shù)量占總個(gè)體數(shù)量的比;S為群落中的總種數(shù)。

2.2.3 群落相似性系數(shù)計(jì)算 在生態(tài)學(xué)中群落相似性與相異性是非常重要的概念,它能夠在一定程度上表征植物防護(hù)林間的多樣性問題[21]。

Sorensen指數(shù):

CS=2j/(a+b)

(6)

式中:j為兩個(gè)固沙林或樣地共有種數(shù);a和b分別是樣地A和B中的物種數(shù)。

2.2.4 統(tǒng)計(jì)與分析 使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖,使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行ANOVA單因素方差分析檢驗(yàn),通過Pearson相關(guān)性分析,分析小葉楊防護(hù)林造林密度與帶間植被特征之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物群落科屬組成與生活型特征

本研究所調(diào)查的11塊樣地內(nèi)的75個(gè)草本樣方中,共發(fā)現(xiàn)植物17種,分屬于8科14屬。如圖1所示,其中,菊科植物5種,隸屬于2個(gè)屬,占所出現(xiàn)植物種的29.41%;禾本科植物3種,隸屬3個(gè)屬,占所出現(xiàn)植物種的17.65%;藜科植物3種,隸屬于3個(gè)屬,占所出現(xiàn)植物種的17.65%;豆科植物2種,隸屬2屬,占所出現(xiàn)植物種的11.76%;該4科合計(jì)10屬13種,占全部種數(shù)的76.47%;其余植物均為1科1屬1種,說明該4科草本植物在奈曼旗小葉楊防護(hù)林下所起的作用最大,占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,對(duì)研究區(qū)的自然環(huán)境具有較好的適應(yīng)能力。

研究區(qū)不同造林密度小葉楊防護(hù)林林下植被組成分科特征與生活型結(jié)構(gòu)見表2,草地的科屬組成最豐富,共有8科14屬,曠野的科屬組成最為單一,僅有4科4屬,隨著防護(hù)林造林密度的減小,植物科屬組成的豐富程度逐漸增大,植物種類數(shù)量、一年生與多年生草本數(shù)量隨之增加;造林后的防護(hù)林樣地植物科屬豐富程度、植被種類均優(yōu)于未造林的曠野樣地,其中密度類型Ⅰ的防護(hù)林樣地在多年生植被恢復(fù)上優(yōu)于地帶性植被的草地,其他均低于草地,說明造林可以有效提高研究區(qū)植被多樣性,合理的造林密度更有利于林下植被向地帶性植被恢復(fù)。

表2 不同樣地植物組成分科特征及生活型結(jié)構(gòu)

3.2 植物群落物種組成與重要值

不同造林密度小葉楊防護(hù)林林下物種組成與重要值見表3,不同樣地的植物種類數(shù)量表現(xiàn)為草地對(duì)照>密度類型Ⅰ>密度類型Ⅱ>密度類型Ⅲ>曠野對(duì)照,其中造林密度類型Ⅲ的優(yōu)勢(shì)種為狗尾草、地錦,均為一年生植被,造林密度類型Ⅱ的優(yōu)勢(shì)種除狗尾草等一年生植被外僅有一種多年生植被賴草,說明這兩種類型的造林密度林下植被物種組成相對(duì)簡(jiǎn)單,群落穩(wěn)定性不高;造林密度類型Ⅰ中優(yōu)勢(shì)種不僅有一年生植被狗尾草,還有多年生植被賴草、甘草與達(dá)烏里胡枝子,綜上所述,造林密度類型Ⅰ的小葉楊防護(hù)林在物種組成、植被恢復(fù)程度、群落穩(wěn)定性上都明顯優(yōu)于其他兩種類型的小葉楊防護(hù)林。

表3 不同樣地物種組成及重要值 Table 3 Species composition and importance values for different sites

3.3 植物群落物種多樣性變化

各樣地植被多樣性變化如圖2所示,不同樣地間的植被多樣性變化總體呈現(xiàn)出草地對(duì)照>密度類型Ⅰ>密度類型Ⅱ>密度類型Ⅲ>曠野對(duì)照的規(guī)律,從顯著性分析的結(jié)果可以看出,Simpson多樣性指數(shù)在草地與密度類型Ⅰ樣地中無顯著性差異,Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)在各樣地之間均有顯著性差異,Pielou均勻度指數(shù)在草地、密度類型Ⅰ、密度類型Ⅱ之間無顯著性差異,密度類型Ⅲ與密度類型Ⅱ、曠野對(duì)照樣地之間無顯著性差異,Margalef豐富度指數(shù)在各樣地之間均有顯著性差異;在3種造林密度類型中,密度類型Ⅰ的多樣性是最接近地帶性植被的樣地,且遠(yuǎn)高于曠野對(duì)照樣地,隨著造林密度的減小,林下植被多樣性豐富度逐漸增大,向地帶性植被接近,在以上3種造林密度類型中,密度類型Ⅰ相對(duì)更適宜林下植被多樣性的恢復(fù)。

注：圖中相同小寫字母表示同一指數(shù)不同樣地間差異不顯著(p<0.05)。

3.4 植被群落生物量

各樣地草本植物生物量變化見圖3,各樣地間地上生物量、地下生物量、總生物量的變化規(guī)律一致表現(xiàn)為草地對(duì)照>密度類型Ⅰ>密度類型Ⅱ>密度類型Ⅲ>曠野對(duì)照;通過顯著性分析的結(jié)果可以看出,地上生物量、地下生物量、總生物量在各樣地之間均有顯著差異;密度類型Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ的總生物量分別是曠野對(duì)照樣地的2.4倍、1.83倍、1.52倍,這說明經(jīng)過植樹造林后的土地,其植被群落的地上、地下生物量均比造林前有顯著增加,且隨著造林密度的減小,林下草本的生物量逐漸增加。

圖3 不同樣地草本植物生物量

3.5 群落相似性與相異性系數(shù)

防護(hù)林的時(shí)空結(jié)構(gòu)在一定程度上可以通過防護(hù)林群落相似性指數(shù)來反映,由表4可知,造林密度類型Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ與草地對(duì)照的相似性系數(shù)分別為86.67,74.07,58.33,與曠野對(duì)照的相似性系數(shù)分別為47.06,57.14,72.73;隨著造林密度的減小,防護(hù)林樣地與草地對(duì)照的相似性逐漸增加,與曠野對(duì)照的相似性逐漸減小,這說明造林密度對(duì)林下的群落物種組成有著明顯的影響,造林密度類型Ⅰ的防護(hù)林在植被恢復(fù)過程中發(fā)生了演替,且朝著地帶性植被的演替方向發(fā)展;密度類型Ⅲ的優(yōu)勢(shì)種替代速率較慢,林下植被恢復(fù)效果一般,環(huán)境異質(zhì)性相對(duì)較小。

表4 不同樣地植物群落相似性與相異性系數(shù)

3.6 造林密度與林下植被特征之間的相關(guān)性

對(duì)小葉楊防護(hù)林樣地林下植被特征與造林密度進(jìn)行Pearson相關(guān)分析結(jié)果見表5,防護(hù)林造林密度與林下物種多樣性指數(shù)、物種數(shù)量、林下植被蓋度、生物量均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01),其中Pielou均勻度指數(shù)與造林密度相關(guān)系數(shù)為-0.816,地下生物量為-0.879,其他植被特征指數(shù)與造林密度的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到-0.9以上;物種數(shù)量與各多樣性指數(shù)、林下植被蓋度、生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01);林下植被蓋度與各多樣性指數(shù)、物種數(shù)量、生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01);林下草本總生物量與各多樣性指數(shù)、物種數(shù)量、林下植被蓋度、地上、地下生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

表5 造林密度與林下植被特征的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation between silvicultural density and understorey vegetation characteristics

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

在人工林的經(jīng)營(yíng)管理過程中,營(yíng)造合理的造林密度是提高其可持續(xù)發(fā)展能力的重要環(huán)節(jié),在一定程度上降低林分密度,能夠改善森林的林分結(jié)構(gòu)與林木生長(zhǎng)狀況[22];內(nèi)蒙古林科院的閆德仁對(duì)包括奈曼旗在內(nèi)的科爾沁沙地楊樹防護(hù)林進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查研究,發(fā)現(xiàn)楊樹人工林普遍種植密度過大,當(dāng)?shù)刈匀凰慌c降水早已超出其承載范圍,導(dǎo)致科爾沁沙地楊樹防護(hù)林出現(xiàn)加速衰退的現(xiàn)象[4],這說明密度較大的楊樹種植方式并不適宜于干旱的科爾沁沙地,不合理的種植密度限制了當(dāng)?shù)氐牧值厣a(chǎn)水平;中國(guó)林科院的楊文斌提出的低覆蓋度造林模式在科爾沁沙地的敖漢旗沙區(qū)取得了顯著成效,其研究認(rèn)為在干旱區(qū)降低造林密度不僅能使土壤水分得到合理有效的利用,使固沙林的防風(fēng)效果增強(qiáng),還能顯著提高林下植被多樣性,促進(jìn)土壤發(fā)育與恢復(fù)[23-24]。姜麗娜等在敖漢旗沙區(qū)研究發(fā)現(xiàn)加寬造林帶間距,能夠有效提升楊樹固沙林帶間土壤與植被的恢復(fù)效果[25],敖漢旗沙區(qū)與奈曼旗沙區(qū)在地理位置上鄰近,二者同處科爾沁沙地南緣,造林帶間距的寬窄差異從一定程度上來講也是造林密度的差異,這種造林密度與林下植被恢復(fù)之間規(guī)律與本文的研究結(jié)果一致。

土壤作為植物生長(zhǎng)生存的基礎(chǔ),各項(xiàng)特性對(duì)植物個(gè)體、植物群落的結(jié)構(gòu)與功能都發(fā)揮著無法替代的重要作用,林下植被與土壤質(zhì)量和養(yǎng)分循環(huán)有著密切關(guān)系,林下的植被組成及多樣性直接或間接導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量的變化。任何類型的人工林林下植被生長(zhǎng)發(fā)育、恢復(fù)發(fā)展都是既漫長(zhǎng)又復(fù)雜的過程,本文的研究結(jié)果可以看出,降低林分密度更有利于林下植被多樣性的恢復(fù),這主要是由于林分密度的減小緩解了研究區(qū)干旱、半干旱條件下本就激烈的土壤水分與養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng),郁閉度的降低讓林下低矮的草本植物獲得了更多的陽(yáng)光、降雨等生態(tài)資源,光照不僅促進(jìn)了草本植物的光合作用,也提升了土壤溫度,創(chuàng)造了更好的植被生長(zhǎng)發(fā)育條件,當(dāng)林下植被豐富度上升、生物量增大,地表枯落物含量隨之增加,枯落物的覆蓋提高了土壤保水保肥的能力,群落物種養(yǎng)分回歸分解后又進(jìn)一步影響林下土壤特性,提升土壤的質(zhì)量,促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán),從而在林下植被與土壤之間達(dá)到一個(gè)良性的交互作用。

在我國(guó)許多干旱、半干旱地區(qū)營(yíng)造的喬木、灌木防護(hù)林、人工林、固沙林,經(jīng)過漫長(zhǎng)的自然演替過程,都逐漸形成了覆蓋度較低的植被群落[26],從本文相關(guān)性分析的結(jié)果可以看出,林下植被特征的各項(xiàng)指標(biāo)與造林密度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01),說明隨著林分密度的增大,林下植被多樣性指數(shù)、植被覆蓋度等植被特征均減小,因此,造林密度過高并不適宜研究區(qū)小葉楊防護(hù)林群落穩(wěn)定發(fā)展,對(duì)造林密度過高的防護(hù)林,應(yīng)當(dāng)予以適當(dāng)?shù)拈g伐、擇伐等撫育措施。

科爾沁沙地奈曼沙區(qū)土壤水分含量較少、土壤養(yǎng)分貧瘠,在林分生長(zhǎng)的過程中,楊樹本身根系吸水能力強(qiáng),適宜的栽植密度對(duì)于楊樹防護(hù)林群落來說至關(guān)重要。結(jié)合諸多學(xué)者研究,綜合考慮奈曼沙區(qū)小葉楊防護(hù)林不同造林密度林下植被物種組成、植被多樣性、生物量可知,當(dāng)其造林密度達(dá)到867～1 022株/hm2時(shí)林下植被物種組成更豐富,物種多樣性指數(shù)更高,植被群落演替效果更好,群落相對(duì)穩(wěn)定。綜上所述,867～1 022株/hm2是奈曼沙區(qū)小葉楊防護(hù)林相對(duì)適宜的造林密度,與其他造林密度相比,更有利于帶間植被恢復(fù)與森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)發(fā)展。

4.2 結(jié) 論

(1) 不同造林密度對(duì)林下植被多樣性與群落穩(wěn)定有顯著影響,隨著造林密度的減小,林下植被的生物量、物種組成豐富度增大,Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)增大,一年生與多年生草本數(shù)量增加,植物恢復(fù)程度、群落穩(wěn)定性上升。

(2) 造林可以顯著提高植被恢復(fù)與演替速度,隨著造林密度的減小,防護(hù)林樣地與地帶性植被的草地相似性逐漸增加,與未造林的曠野對(duì)照地相似性逐漸減小,小葉楊防護(hù)林造林密度為867～1 022株/hm2時(shí),林下植被演替效果最好,群落相對(duì)穩(wěn)定。

(3) 防護(hù)林造林密度與林下物種多樣性指數(shù)、物種數(shù)量、林下植被蓋度、林下草本生物量均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01),其中除Pielou均勻度指數(shù)與地下生物量外,其他相關(guān)系數(shù)均達(dá)到-0.9以上;物種數(shù)量、林下植被蓋度、總生物量與除造林密度外的其他各指標(biāo)之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。