生物炭對不同林齡杉木人工林林下植被的影響

劉志剛 劉愛琴 朱晨曦

摘要：近年來杉木人工林地地力衰退日趨突出，林下植被對人工林地力有一定的影響，因此在福建三明莘口教學林場洋頂工區內選擇3種發育階段不同的杉木人工林設立樣地，設計施生物炭（木炭、竹炭）及不施炭共3種處理，對樣地內林下植被的種類、數量、地徑、高度、冠幅、蓋度等指標進行調查，研究生物炭對不同林齡林下植被的影響。結果表明，施炭3年后，不同林齡林下植被優勢物種的種類和重要值發生了改變，物種多樣性指數、均勻度指數、生態優勢度指數也有所變化，表現為幼齡林灌木層竹炭處理>對照>木炭處理，草本層竹炭處理>木炭處理>對照;中齡林灌木層竹炭處理>對照>木炭處理，草本層對照>木炭處理>竹炭處理;成熟林灌木層草本層均是對照>竹炭處理>木炭處理。施生物炭對不同林齡的影響大小具體表現為成熟林>中齡林>幼齡林，木炭處理>竹炭處理。

關鍵詞：生物炭;杉木;林下植被;重要值;物種多樣性

杉木具有生長快、產量高、材質好的特點，在我國南方分布面積大，主要作為用材樹種，在我國亞熱帶森林生態系統中占有十分重要的地位[1]。杉木連栽地力衰退日趨突出[2]，有研究發現杉木二代林比一代林產量下降10%～15%，三代林比一代林產量下降40%～50%，并發現林下植被可以有效提高土壤營養元素含量，增加土壤微生物數量，有效地維護和恢復土壤功能[3]。

林下植被作為森林生態系統的重要組成部分，對維持生態系統結構和功能的穩定有重要作用[4]。并且有研究發現林下植被對土壤含水量、溫度、容重等物理性質有一定的影響[5]。有研究發現豐富的林下植被對人工林地力恢復有一定的影響[6]，林下植被對增加生態系統的物種多樣性有一定的意義[7]。

生物炭由于其特殊的理化性質[8]受到了國內外專家學者的普遍關注。田永強等在生物炭自身性質以及在改良作物生長生態環境等方面進行了大量的研究，發現生物炭能夠有效地吸附土壤或沉積物中的有機污染物和重金屬[9]，而對土壤性質、作物產量等方面的研究存在爭議，有部分研究認為生物炭的施加可以減少作物產量。而在生物炭對杉木林地生態環境的影響方面的研究較少，因此研究生物炭對杉木人工林林下植被多樣性、數量以及對生態系統穩定性的影響具有一定的現實意義。

鑒于此，本研究在福建三明莘口教學林場選擇3種不同林齡杉木人工林，施用不同的生物炭，研究生物炭對杉木人工林林下植被多樣性的影響，為生物炭在杉木林地上的應用及是否可以緩解杉木人工林連栽地力衰退提供理論參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

試驗樣地設在福建省三明市莘口鎮莘口教學林場洋頂工區（117°28′E、26°09 N）內，此地距離三明市區大約30 km，本區域為中亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，雨量充沛，年均氣溫 17～19.4 ℃，年均降水量1 600～1 800 mm，年均蒸發量 1 585 mm，年均相對濕度79%，年均日照時間1 872 h，無霜期240～300 d，海拔210～1 510 m。試驗地土壤為坡積母質的山地紅壤，林下植被主要有狗脊、芒萁等。試驗地基本情況見表1。

1.2 試驗設計

2012年12月7日在三明市莘口教學林場洋頂工區內選擇立地條件、土壤條件相近，但發育階段不同的杉木人工林設立樣地，分別選取2005年造林的杉木幼齡林、1995年造林的中齡林、1978年造林的老齡林共3種發育階段，按照12 t/hm2的標準施生物炭1次，設計3種處理（施木炭、竹炭、不施生物炭），每個處理重復3次，共設27塊樣地，每塊樣地面積 20 m×20 m。試驗采用的生物炭以杉木和毛竹（杉木與毛竹為南方部分林場主要產品）為原料，傳統土窯生產的木炭和竹炭，其基本性質見表2。

1.3 植被調查

2015年12月在樣地進行植被調查，在每個20 m×20 m的標準樣地中設置1 m×1 m的小樣方3個，每種林齡設置27個小樣方，共81個小樣方。調查每個小樣方灌木層（胸徑小于4 cm的灌木和小喬木）和草本層的植物，灌木層記錄種名、數量、地徑、高度、冠幅，草本層記錄種名、數量、高度、蓋度[10-11]。

1.4 數據處理

1.4.1 重要值 用于植物群落數量分類，分析優勢種集中程度時使用的綜合指標[12]。

1.4.2 物種多樣性指數 物種豐富度采用樣方的物種數（S）作為衡量指標;物種多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數（H）、Simpson多樣性指數（D）;物種均勻度采用Pielou均勻度指數（J′）衡量;生態優勢度指數采用McIntosh指數（DMc）來計算[13]。

1.4.3 數據分析 應用Excel 2010計算物種的重要值及多樣性指數。

2 結果與分析

2.1 生物炭對不同林齡杉木人工林林下植被組成的影響

施加不同類型的生物炭3年后，不同林齡杉木人工林林下植被組成見表3。可以看出，杉木幼齡林不同處理之間以對照組植被種類最多，有26種，隸屬于17科23屬，分別比木炭處理和竹炭處理多10種和8種，施用木炭處理在幼齡林中的差別更明顯;從中齡林不同處理之間可以看出，木炭處理植被種類最多，為25種，隸屬于20科22屬，分別比對照和竹炭處理多7種和4種，與對照比較施用木炭在中齡林差別更明顯;在杉木成熟林的不同處理之間對照組植被種類最多，為29種，隸屬于22科24屬，分別比木炭和竹炭處理多9種和10種，施用竹炭在成熟林中的差別更明顯。

2.2 生物炭對幼齡林林下植被群落變化的影響

2.2.1 幼齡林草本層植物 由表4可知，幼齡林草本層物種多度表現為對照（7種）>竹炭處理（5種）>木炭處理（3種），對照中的優勢種為芒萁，重要值達到43.92%，而在木炭和竹炭處理下的優勢種為薄蓋短腸蕨，重要值分別達到 40.02%、38.73%，芒萁成為第2優勢種，但與最優種的差距不大。芒萁、薄蓋短腸蕨、五節芒在3種處理中均有出現，黑莎草、烏毛蕨、藎草僅出現在對照中，蘆葦僅出現在竹炭處理中。可見生物炭的施加使幼齡林草本層物種數與對照相比有所減少，而施用竹炭的處理出現了新的物種。

2.2.2 幼齡林灌木層植物 由表5可知，幼齡林灌木層植物（包括胸徑小于4 cm的小喬木），其物種多度表現為對照（20種）>竹炭處理（13種）=木炭處理（13種），對照中的優勢種為山蒼子，重要值達到32.67%;而在木炭和竹炭處理下的優勢種分別為黃絨潤楠（重要值為24.67%）、青岡（重要值為 19.38%），山蒼子在木炭處理下的重要值排名第4，為12.36%，木炭處理下山蒼子沒有出現。烏桕、東南野桐、顯齒蛇葡萄、山莓、黃絨潤楠、白花龍、暗色菝葜在3種處理中均有出現，僅出現在對照中的物種有地念、銹毛莓、枇杷葉紫珠、大青、三花懸鉤子、細圓藤、菝葜、香花崖豆藤;赤楠僅在木炭處理中出現。可見生物炭施加3年后幼齡林灌木層的物種數少于對照。

2.3 生物炭對中齡林林下植被群落變化的影響

2.3.1 中齡林草本層植物 由表6可知，中齡林草本層物種多度表現為木炭處理（15種）>竹炭處理（13種）>對照（12種），對照、木炭處理、竹炭處理的優勢種均為棕葉狗尾草，重要值分別達到20.08%、24.45%、33.64%。棕葉狗尾草、薄蓋短腸蕨、狗脊、烏毛蕨、華南毛蕨、金毛狗、深綠卷柏、觀音蓮座蕨在3種處理中均有出現，東方烏毛蕨、鐵線蕨僅出現在對照中，半邊旗、海金沙僅在木炭處理下出現，蘆竹、羽裂圣蕨僅在竹炭處理下出現，出現在施炭處理中而在對照中未出現的有淡綠短腸蕨、江南短腸蕨、水韭等7種植物。可見施炭處理增加了中齡林林下草本植物的物種數量，木炭處理比竹炭處理的效果更明顯。

2.3.2 中齡林灌木層植物 由表7可知，中齡林灌木層物種多度表現為木炭處理（9種）>竹炭處理（8種）>對照（6種），對照、木炭處理、竹炭處理的優勢種均為短梗南蛇藤，重要值分別達到60.33%、49.42%、48.54%。粗葉榕在3種處理中均有出現，白花苦燈籠僅出現在對照中，東南野桐、紅葉石楠、銹毛莓僅在木炭處理下出現，筆羅子、空心炮、顯齒蛇葡萄僅在竹炭處理下出現。出現在施炭處理中而在對照中未出現的有白花龍、毛冬青等8種植物，在對照中重要值達到14.43%且排在第二優勢種的大青在木炭處理下未出現。可見施炭處理增加了中齡林林下灌木植物的物種數量，改變了優勢物種的種類和重要度，木炭處理比竹炭處理的效果更明顯。

2.4 生物炭對成熟林林下植被群落變化的影響

2.4.1 成熟林草本層植物 由表8可知，成熟林草本層物種多度表現為對照（15種）>竹炭處理（14種）>木炭處理（9種），對照、竹炭處理的優勢種均為華山姜，重要值分別達到18.57%、19.45%，木炭處理的優勢種為寬羽毛蕨，重要值為20.21%。華山姜、金毛狗、江南短腸蕨、寬羽毛蕨、華南毛蕨、烏毛蕨、深綠卷柏、薄蓋短腸蕨在3種處理中均有出現，羽裂圣蕨僅出現在對照中，棕葉狗尾草僅在竹炭處理下出現。可見施炭3年后，成熟林林下草本植物的物種數量減少，木炭處理比竹炭處理減少物種數量的效果更明顯。

2.4.2 成熟林灌木層植物 由表9可知，成熟林灌木層物種多度表現為對照（14種）>木炭處理（11種）>竹炭處理（5種），對照的優勢種為毛冬青，重要值為23.74%;木炭處理的優勢種為菝葜，重要值為33.94%;竹炭處理的優勢種為白花龍，重要值為38.97%。毛冬青、白花龍、顯齒蛇葡萄在3種處理中均有出現。異果崖豆藤、大青、玉葉金花僅出現在對照中，杜莖山、香花崖豆藤僅在木炭處理下出現。可見施炭處理3年后，成熟林林下灌木植物的物種數量減少，優勢物種的種類和重要值也改變，竹炭處理比木炭處理的效果更明顯。

2.5 不同生物炭處理下杉木人工林林下植被多樣性指數

由圖1可見，施生物炭3年后，幼齡林灌木層物種豐富度指數表現為對照>竹炭處理=木炭處理，Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、McIntosh指數均是竹炭處理>對照>木炭處理。中齡林灌木層物種豐富度指數表現為木炭處理>竹炭處理>對照，Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、McIntosh指數均是竹炭處理>對照>木炭處理。成熟林灌木層物種豐富度指數表現為對照>木炭處理>竹炭處理，

由圖2可見，施生物炭3年后，幼齡林草本層物種豐富度指數表現為對照>竹炭處理>木炭處理，Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、McIntosh指數均是竹炭處理>木炭處理>對照。中齡林草本層物種豐富度指數表現為木炭處理>竹炭處理>對照，Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、McIntosh指數均是對照>木炭處理>竹炭處理。成熟林草本層物種豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、McIntosh指數均是對照>竹炭處理>木炭處理。

3 討論與結論

研究表明，栽植代數、發育階段、造林密度等都對杉木人工林林下植被的生長發育和群落結構變化有一定的影響[9，14]，林下植被的物種多樣性指數與土壤全N、全K、速效K含量基本呈顯著的正相關關系，與含水率、pH值、P含量的相關關系不顯著，這說明土壤全N、全K、速效K含量是影響林下植被生長和分布的主要因子[15]。生物炭作為改善土壤質量、增加土壤碳截留的有效改良材料[16-17]，施入土壤后，可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度、飽和導水率，還能增加土壤有機碳、有效磷和陽離子交換量，提升土壤pH值[18-19]。

由孟李群的研究可知，施用生物炭處理1年后，對杉木成熟林林下植被的影響更顯著，植被種類增加了4種[20]。在不同生物炭處理下，杉木各林分灌木層的優勢種無變化，但草本層的蕨類植物增加。本研究發現，施加生物炭3年后，對杉木幼齡林林下植被的影響最明顯，物種多樣性指數、均勻度指數、生態優勢度指數整體上均有所提高，但生物炭處理減少了植被種類數，生物炭處理3年后僅有中齡林的灌木層和草本層植被種類數量增加，這與施生物炭1年后調查的結果不同，原因可能是施生物炭1年后土壤養分含量高于對照，而施生物炭3年后養分含量與對照差距減小，說明杉木人工林林下植被與土壤養分含量密切相關。

整體上看，施加竹炭后比施加木炭后的物種多樣性指數、均勻度指數、生態優勢度指數要高，說明竹炭比木炭對林下植被的群落結構的影響大。施入土壤中的竹炭全N含量為8.58 g/kg，全K含量為32.10 g/kg;木炭全N含量為 7.75 g/kg，全K含量為 21.32 g/kg，竹炭含量高于木炭，施入土壤后提高了土壤中養分含量，為林下植被的生長提供了有利的環境。由此可見，生物炭的施加改變了不同林齡的杉木人工林的土壤養分含量，從而影響了林下植被的發育。豐富的林下植被可以提高土壤N、K等養分含量，對杉木連栽造成的地力衰退有一定的恢復作用，而本研究中林下植被的種類和數量是減少的，物種多樣性指數、均勻度指數、生態優勢度指數大部分也是對照高于施生物炭處理，有研究者發現20%的研究中生物炭使作物產量下降，50%的研究表明施加生物炭可以提高作物產量，有很多試驗結論是相互矛盾的[9，21]，這說明生物炭有可能產生對林下植被不利的影響。因此將生物質炭作為土壤改良劑恢復地力還有待深入研究，而且我國土壤類型眾多，不同類型的土壤施用不同生物質炭的效果不一，如何合理施用生物炭還需要更多的理論支撐。

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