不同人工造林樹(shù)種及其配置方式對(duì)土壤理化性質(zhì)影響分析

楊亞輝, 呂 渡, 張曉萍1,, 木熱提江·阿不拉,趙文慧, 藺鵬飛, 于藝鵬

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持科學(xué)研究所, 陜西 楊凌712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049)

不同人工造林樹(shù)種及其配置方式對(duì)土壤理化性質(zhì)影響分析

楊亞輝1,3, 呂 渡2, 張曉萍1,2, 木熱提江·阿不拉2,趙文慧2, 藺鵬飛1,3, 于藝鵬2

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持科學(xué)研究所, 陜西 楊凌712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049)

人工造林是黃土高原改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失的重要手段。不同樹(shù)種及其配置方式下地表植被的生長(zhǎng)、土壤理化性質(zhì)的差異影響著生態(tài)水文功能的強(qiáng)弱。以長(zhǎng)武王東溝流域8種造林樹(shù)種和不同配置徑流小區(qū)為研究對(duì)象，采用樣方法進(jìn)行造林地及林下地表植被調(diào)查，分層采樣測(cè)定0—40 cm土層土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量，分析不同人工造林模式下土壤理化性質(zhì)，并初步分析了植被特征與土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系。結(jié)果表明：不同造林方式小區(qū)內(nèi)林下草本層雖然覆蓋度區(qū)別很大，但物種豐富度、多樣性、均勻度指數(shù)差異不顯著。0—20 cm表層土壤理化性質(zhì)變異性小于20—40 cm土層。不同人工造林方式間土壤容重差異顯著，且對(duì)20—40 cm層土壤的毛管孔隙度、總孔隙度有顯著性影響。不同造林方式下草本層豐富度、多樣性指數(shù)與林下土壤毛管孔隙度相關(guān)性顯著。草本層豐富度、多樣性與0—20 cm表層土壤的保水作用存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。相比較而言，0—40 cm土壤剖面上，草地和側(cè)柏刺槐混交林地下的土壤孔隙度和有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)，以及相關(guān)的蓄水性和入滲性等生態(tài)水文功能要好于其他造林林種。

黃土高原; 人工造林; 造林方式; 林下草被; 土壤理化性質(zhì)

黃土高原位于半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，暴雨集中，植被稀疏，土壤侵蝕劇烈[1]。不科學(xué)的土地利用方式是造成該區(qū)水土流失嚴(yán)重的根本原因[2]。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植被的生長(zhǎng)恢復(fù)是遏制黃土高原水土流失的關(guān)鍵因素和有效途徑[3]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)過(guò)程發(fā)生的場(chǎng)所，隨植被生長(zhǎng)演替其理化性質(zhì)在不斷發(fā)生變化[4]。秦偉等[5]將陜北黃土丘陵退耕封育區(qū)的植被演替過(guò)程分為4個(gè)時(shí)期，表明大約20 a后植被各項(xiàng)多樣性指數(shù)趨于穩(wěn)定。柴曉虹等[6]分析了石羊河中下游不同退耕年限次生草地的土壤理化性質(zhì)，認(rèn)為隨著退耕年限的增加，土壤含水量、有機(jī)碳等呈上升趨勢(shì)；黃宇等[7]評(píng)價(jià)了3種不同人工林系統(tǒng)的對(duì)土壤質(zhì)量的影響，結(jié)果表明杉闊混交林相對(duì)于兩者的純林對(duì)土壤質(zhì)量的改善作用更明顯；蔣紅梅等[8]在祁連山東段研究了不同植被下土壤養(yǎng)分狀況，認(rèn)為喬木林的表聚效應(yīng)強(qiáng)于灌叢和草地，隨覆被從草地到灌木到喬木的變化，土壤有機(jī)碳等呈增加趨勢(shì)；楊亞輝等[9]研究了王東溝流域不同造林樹(shù)種下的土壤容重、持水性能、有機(jī)質(zhì)等性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)草本植物相對(duì)于喬木純林和混交林的保水持水性能更好。人工造林是黃土高原改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失的重要手段，地表植被作為群落結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其蓋度、物種多樣性、豐富度等都在一定程度上決定著降雨截留、入滲等性質(zhì)，從而影響產(chǎn)流產(chǎn)沙[10]。盡管已有很多學(xué)者對(duì)黃土高原不同覆被及不同演替階段下群落組成、物種多樣性、土壤容重、孔隙度、團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)等的變化做了大量研究[11-15]，但對(duì)不同人工林類(lèi)型覆蓋下草本群落組成與土壤理化性質(zhì)等響應(yīng)關(guān)系的報(bào)道較少。

本文以王東溝流域8個(gè)小區(qū)內(nèi)不同人工林植被為研究對(duì)象，對(duì)各試驗(yàn)小區(qū)草本層進(jìn)行蓋度，多樣性等調(diào)查，分析林下不同層次土壤理化性質(zhì)，深入探討不同人工造林方式對(duì)林下草本生長(zhǎng)以及土壤性質(zhì)的影響，深入理解不同人工造林樹(shù)種及其配置方式下生態(tài)水文過(guò)程和功能差異，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

王東溝流域隸屬于陜西省長(zhǎng)武縣洪家鎮(zhèn)王東村。位于黃土高原中南部，經(jīng)緯度為35°14′N(xiāo)，107°41′E，海拔940～1 220 m。屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年均降水584 mm,年均氣溫9.1℃，無(wú)霜期171 d，地下水埋深50～80 m。地帶性土壤以黑壚土為主，侵蝕作用下溝道中土壤是直接發(fā)育于黃土母質(zhì)上的黃綿土，而地表0—40 cm深土壤質(zhì)地以砂質(zhì)壤土為主[16]。于2004年，在流域內(nèi)西南坡向海拔1 150 m的自然坡面修建9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，本文選取其中刺槐、油松、側(cè)柏3種喬木純林，油松和沙棘、側(cè)柏和刺槐、油松和刺槐3種喬木混交林，以及沙棘灌木林1種，共7種覆蓋類(lèi)型和配置方式開(kāi)展研究。同時(shí)草地小區(qū)作為對(duì)照。沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，油松(PinusabuliformisCarr.)，側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)等均為黃土高原常見(jiàn)退耕還林樹(shù)種[17-18]。小區(qū)垂直投影面積100 m2(20 m×5 m)，坡度35°。各小區(qū)地表主要草種類(lèi)型有：白羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng)，野古草(ArundinellaanomalaSteud.)，異葉敗醬(Patriniaheterophylla)，翻白草(PotentilladiscolorBge.)，艾蒿(Ser.Abrotanum)，賴(lài)草(Leymussecalinus(Georgi)Tzvel.)等。各個(gè)徑流小區(qū)的基本資料統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 各小區(qū)植被覆蓋特征統(tǒng)計(jì)

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)小區(qū)草本植被調(diào)查及多樣性測(cè)定

樣地調(diào)查和采樣時(shí)間為2014年8月14—19號(hào)。將小區(qū)分為上、中、下3部分，調(diào)查喬木及灌木的郁閉度、株高等，并分別隨機(jī)選取1 m×1 m草地樣方，記錄樣方內(nèi)的草本種類(lèi)以及每個(gè)種類(lèi)的個(gè)體數(shù)、高度，調(diào)查其蓋度等，見(jiàn)表1。

采用重要值(Ⅳ)測(cè)定群落物種組成，重要值是對(duì)物種在群落中的功能地位進(jìn)行綜合量度的數(shù)量指標(biāo)。

IV=RHI+RCO+RFE

(1)

式中：RHI為相對(duì)高度；RCO為相對(duì)蓋度；RFE為相對(duì)頻度。

(2)

式中：Hi為樣方中第i個(gè)物種的平均高度；RCO與RFE的計(jì)算方法與此類(lèi)似。

物種豐富度表示物種總數(shù)與樣本含量的關(guān)系，選取Margalef指數(shù)(Dma)：

(3)

式中：S為樣方內(nèi)物種數(shù)目；N為樣方內(nèi)所有物種的個(gè)體總數(shù)。

物種多樣性是反映豐富度與均勻度的綜合指標(biāo)，選取Simpson指數(shù)(D)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)：

(4)

(5)

物種均勻度反應(yīng)樣方內(nèi)物種的分布均勻情況，選取Pielou指數(shù)(Jsw)、Alatalo指數(shù)(Ea)：

(6)

(7)

(8)

式中：Ni表示樣方中第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)。

2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤容重和孔隙度等土壤物理特性，影響著土壤的透氣、入滲和持水性能[19]選擇土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)來(lái)進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。。土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[20]，它直接影響土壤團(tuán)聚體的形成過(guò)程，由此顯著影響土壤的松緊程度和抗蝕抗沖性[21]。

2.2.1 樣品采集 于徑流小區(qū)中部按0—20，20—40 cm 兩個(gè)層次用環(huán)刀(高5 cm，直徑5 cm)取土，各10個(gè)重復(fù)。隨機(jī)取5次重復(fù)測(cè)定毛管持水量，其他5組重復(fù)測(cè)定飽和持水量。另分別于兩個(gè)層次取散狀土用于測(cè)定土壤含水量和土壤有機(jī)質(zhì)含量(均為3次重復(fù))。

2.2.2 測(cè)定方法 土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)等土壤性質(zhì)測(cè)量采用環(huán)刀法[22]。土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀—外加熱法。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同造林樹(shù)種與林下草本植被群落特征關(guān)系

分析不同覆被下郁閉度與覆蓋度的關(guān)系如下：郁閉度與覆蓋度基本呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系(y=-0.33x+67.61，R2=0.17)，即郁閉度越大，覆蓋度越小。表明，人工造林條件下，受造林地樹(shù)種冠幅及郁閉作用的影響，對(duì)林下陽(yáng)光和雨水的遮蔽作用，林下草本不易生長(zhǎng)。由表2可以看出，從組間看，地表草本層5項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)8個(gè)不同試驗(yàn)小區(qū)之間無(wú)顯著性差異(p>0.05)。林下草本的豐富度Margalef指數(shù)油松沙棘混交林地最大，側(cè)柏刺槐混交林地最小，這兩者組間具有顯著性差異(p<0.05)。多樣性指數(shù)Simpson和Shannon-wiener指數(shù)表現(xiàn)一致，均為刺槐林地最大，側(cè)柏刺槐混交林最小，油松刺槐混交林次之。均勻度指標(biāo)Pielou指數(shù)和Alatalo指數(shù)表現(xiàn)為油松刺槐混交林最大，草地最小。趨勢(shì)上：豐富度指數(shù)表現(xiàn)出混交林地<沙棘灌木林地<喬木林地<草地的趨勢(shì)；多樣性指數(shù)表現(xiàn)為混交林地<草地<沙棘灌木林地<喬木林地的趨勢(shì)；均勻度指數(shù)表現(xiàn)出草地<沙棘灌木林地<混交林地=喬木林地的趨勢(shì)。

草地小區(qū)無(wú)喬灌木的影響，生長(zhǎng)稠密(蓋度大)，豐富度高，由于繁殖方式多為分根莖法，導(dǎo)致其物種分布均勻性差，表現(xiàn)為Pieloe和Alatalo指數(shù)最低，最終是多樣性指數(shù)較小；喬灌林地可能由于枯枝落葉以及灌層的遮擋作用，使草本種類(lèi)較少，豐富度地，均勻度相對(duì)提高[23]。可見(jiàn)不同造林樹(shù)種林下草本層雖然蓋度不同(表1)，但與草地小區(qū)比，其基本群落性質(zhì)和分布狀態(tài)基本一致，不同人工造林樹(shù)種下的生境差異，導(dǎo)致林下草本植被生長(zhǎng)的差異。

表2 不同覆被草本物種豐富度、多樣性和均勻度指數(shù)

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差，下同。

3.2 不同植被覆蓋下土壤理化性質(zhì)

從表3可知，8種不同覆被下土壤容重變化范圍為1.31～1.17 g/cm3，為弱變異(CV<10%)。不同土層各小區(qū)容重組間具有顯著性差異(p<0.05)。0—20 cm和20—40 cm土層最大土壤容重均出現(xiàn)在油松刺槐混交林地，為1.31 g/cm3，顯著高于其他覆被小區(qū)。草地、沙棘、和側(cè)柏3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)20—40 cm土壤容重與0—20 cm相比明顯增大，草地與沙棘小區(qū)由于地表覆被茂密，根系集中于表層，影響了剖面土壤容重的分布[12]，側(cè)柏小區(qū)則可能由于化感作用導(dǎo)致禾本科植被數(shù)量少，表層土壤受其他擾動(dòng)影響較大。從方差分析看，隨著深度的加深，不同覆被小區(qū)土壤容重變異系數(shù)減小，統(tǒng)計(jì)上土壤容重性質(zhì)趨于一致。這與隨著土層的加深，外在擾動(dòng)減弱相對(duì)應(yīng)。

土壤毛管孔隙度和總孔隙度均為中等變異(0.10.05)，而在20—40 cm土層,不同小區(qū)間表現(xiàn)出顯著性差異(p<0.05)。外在環(huán)境的擾動(dòng)作用減弱了植被對(duì)孔隙度的影響作用。0—40 cm的土層上，沙棘表現(xiàn)出最大的毛管孔隙度48.5%，小區(qū)內(nèi)沙棘枝杈分布密集，株高接近2 m，樹(shù)下草被覆蓋度高達(dá)74%。草被根系主要集中在地表20 cm[25]。另?yè)?jù)黨曉宏等[26]研究，沙棘為深根植物，根系可以達(dá)地下137 cm。根系的分布使沙棘小區(qū)剖面上毛管孔隙度較高。草地表現(xiàn)出最大的總孔隙度為57.0%。

土壤大孔隙的多少表征了土壤水分入滲狀況[27]。土壤大孔隙越多，土壤水分及物質(zhì)輸移能力越強(qiáng)，同樣有利于土壤呼吸作用以及根系的生長(zhǎng)[28]。CP/TP值代表毛管孔隙度占總孔隙度的比例，同時(shí)也表現(xiàn)大孔隙的分布狀況，CP/TP越小，毛管孔隙占總孔隙的比例越小，大孔隙分布越多。表3顯示CP/TP值與土壤容重呈現(xiàn)不明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。0—40 cm土壤剖面上，側(cè)柏刺槐混交林地和草地有較小的CP/TP值。兩個(gè)小區(qū)可能由于沒(méi)有或者較少的喬灌層的存在，表層土壤直接蒸發(fā)作用較大，因此表現(xiàn)出較高的總孔隙度和CP/TP值，利于水分傳入深層土壤。

0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)高于20—40 cm，和有機(jī)碳在土壤剖面上的垂直變化相同[29]。0—40 cm土層上，不同試驗(yàn)小區(qū)覆被下，土壤有機(jī)質(zhì)整體上差異不顯著，但草地和沙棘小區(qū)有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他試驗(yàn)小區(qū)。由于禾本科植被數(shù)量多，根系淺而密集，以及枯枝落葉物較厚等因素，其生存有利于土壤有機(jī)碳的積累[30]。

表3 不同覆被下土壤理化性質(zhì)測(cè)定

注：相同字母表示無(wú)顯著性差異(Duncan多重比較p<0.05)。

3.3 植被與土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)相關(guān)性分析

對(duì)各小區(qū)草本層植被與不同深度土壤各理化性質(zhì)測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，見(jiàn)表4。在0—20 cm土層內(nèi)，Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)均只與毛管孔隙度呈顯著性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別是0.709，0.776，0.755。土壤容重、總孔隙度和有機(jī)質(zhì)對(duì)植被群落特征和物種多樣性的影響不顯著，這與魏天興等[31]在吳起的研究結(jié)果一致。在20—40 cm土層內(nèi)，土壤的4個(gè)理化性質(zhì)與Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Alatalo指數(shù)均不相關(guān)。土壤層次超過(guò)一定深度后，植被根系對(duì)于土壤性質(zhì)的改善和提高的作用會(huì)受到一定程度的限制[32]，所以可能會(huì)導(dǎo)致植被指數(shù)與土壤性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)性降低。而草本植被的生長(zhǎng)增加了地表凋落物和土壤有機(jī)物質(zhì)，根系的活動(dòng)也會(huì)對(duì)土壤的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，可以明顯的改善土壤的持水能力和入滲特性，因此，草本植被豐富度、多樣性指數(shù)越高，土壤毛管孔隙度越多，越有利于土壤對(duì)水分的保存及供給作用。

表4 草本植被與土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析

注：“*”表示具有相關(guān)性(p<0.05)。

4 結(jié) 論

(1) 油松沙棘混交林地草本層豐富度、均勻度指數(shù)最好，表現(xiàn)出較高的毛管孔隙度，和較低的總孔隙度；側(cè)柏刺槐混交林地草本層豐富度、多樣性指數(shù)最差，具有較高的總孔隙度和CP/TP值。

(2) 草地、沙棘小區(qū)均表現(xiàn)出較低的土壤容重、較高的土壤有機(jī)質(zhì)，但沙棘小區(qū)具有最高的毛管孔隙度，而草地具有較高的總孔隙度和CP/TP值。由于草本層的影響，各小區(qū)20—40 cm的土壤性質(zhì)差異大于0—20 cm；0—40 cm土壤剖面上，草地和側(cè)柏刺槐混交林地蓄水性強(qiáng)、入滲性能好，油松、側(cè)柏純林蓄水性和入滲性能均最差；油松、側(cè)柏和沙棘、刺槐混交林、刺槐和沙棘純林蓄水透水性能居中。

(3) 不同的人工林覆被下的草本植物群落多樣性指數(shù)、物種豐富度指數(shù)與表層土壤毛管孔隙度相關(guān)性顯著，與土壤的保水性能存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。改善林下草本植被生長(zhǎng)狀況有利于土壤性質(zhì)的改良。

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ImpactsofVegetationTypesonSoilPhysicochemicalProperties

YANG Yahui1,3, Lü Du2, ZHANG Xiaoping1,2, Muretijiang Abula2,ZHAO Wenhui2, LIN Pengfei1,3, YU Yipeng2

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

The ecological environment in Loess Plateau is fragile and the soil erosion is sever. Afforestation is the important means to improve the ecological environment. Different plantation species and configuration modes affect physicochemical properties of soil and soil erosion. Eight runoff plots with various afforestation species and different configurations in Wangdonggou watershed located in Changwu were selected in this research, and quadrat method was used in understory vegetation ecological investigation. Soil bulk density, porosity, organic matter content in soil layer were measured; physicochemical properties were also analyzed under different artificial afforestation models. The results showed that the richness, diversity and evenness index of herb layer under different types of understory vegetation showed non-significant difference, and physical and chemical property difference in 20—40 cm soil layer was greater than that in the surface layer. The soil bulk densities in plots with various plantations were significantly different, and the vegetation cover had the significant effect on soil capillary porosity and total porosity in 20—40 cm layer. The capillary porosity had a markedly relation with the richness, diversity index of herb layer, so did total porosity and organic matter. In the 0—40 cm soil profile, grasses have a good ability to increase the water storage and infiltration. Herbaceous species richness and species diversity indices were passtively correlated with water storage in topsoil.

Loess Plateau; different afforestation species; understory vegetation; soil physical and chemical properties

S714.2

A

1005-3409(2017)06-0238-05

2017-01-06

2017-01-20

國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目“氣候變化背景下黃土高原土地利用影響徑流的空間尺度效應(yīng)”(41230852);國(guó)家自然資助項(xiàng)目“黃土高原典型流域水沙行為對(duì)土地利用/覆被變化響應(yīng)規(guī)律研究”(41440012)

楊亞輝(1990—),男,河南開(kāi)封人,碩士研究生,研究方向?yàn)橹脖换謴?fù)水分效應(yīng)分析。E-mail:yyhnwsuaf@163.com

張曉萍(1971—),女,河南焦作人,博士,研究員,主要從事區(qū)域水土流失規(guī)律和水土保持等研究。E-mail:zhangxp@ms.iswc.ac.cn