不同類型森林植被群落多樣性與土壤養(yǎng)分的關(guān)聯(lián)分析

張棟

不同類型森林植被群落多樣性與土壤養(yǎng)分的關(guān)聯(lián)分析

張棟

河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 河南 鄭州 451450

為了探究不同植被類型群落分布多樣性與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，本研究將瑯琊山不同林木作為研究對(duì)象，所選擇林木不僅包括天然次生林和針葉林，還包括闊葉林及人工林，為了進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)誤差，本研究從2013年開(kāi)始進(jìn)行為期五年的持續(xù)性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得知：（1）無(wú)論是次生林和針葉林，還是闊葉林及人工林，雖然其群落分布特點(diǎn)存在較大的差異，但是其整體的群落變化態(tài)勢(shì)較為一致，無(wú)論是豐度、勻度指數(shù)方面，還是Wiener多樣性指數(shù)方面，最高的屬于次生林，而最低的則是針葉林；在Wiener多樣性方面，不同林木類型之間的差異尤為突出，且通過(guò)了0.05顯著檢驗(yàn)。在Simpson指數(shù)方面，最高的則是針葉林，其次是人工林，而次生林最低，這與其他多樣性指數(shù)恰好相反；（2）在Cody指數(shù)方面，最高的是次生林，其次是闊葉林，而針葉林最低，前兩者之間的差異并不突出，且未通過(guò)顯著檢驗(yàn)，但與后兩者的差異較為突出，且通過(guò)了0.05顯著檢驗(yàn)。對(duì)于Sorenson指數(shù)來(lái)講，最高的是針葉林，其次是人工林，而次生林最低，不同林木類型之間的差異并不突出，未通過(guò)顯著檢驗(yàn)；（3）在土壤方面，無(wú)論是有機(jī)碳、磷等養(yǎng)分，還是微生物量，隨著深度增加，其下降態(tài)勢(shì)尤為突出，且這種減小幅度較為突出的是在20 cm內(nèi)的表層土壤，而在80～100 cm的土層則幅度微小，對(duì)于同一土層而言，次生林含量最高，其次是闊葉林，而針葉林最低；（4）通過(guò)交互因子分析得知，林木多樣性分布不僅受土壤深度制約，還受到林型差異的影響，且達(dá)到了0.05顯著水平，尤其是林型和深度的交互作用更為突出；（5）通過(guò)開(kāi)展冗余分析得知，土壤養(yǎng)分狀況直接制約著林木群落分布多樣性，成為關(guān)鍵性的作用因子。

森林; 植被多樣性; 土壤養(yǎng)分

全球生態(tài)系統(tǒng)包括大氣、陸地、海洋等，這些是關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成，除此之外，土壤、森林及山地高原等多種生態(tài)因子也是不可或缺的構(gòu)成部分[1-3]，整體而言，生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜的多樣性[4]，此外，其還體現(xiàn)著突出的復(fù)雜性，且多種環(huán)境因子之間會(huì)產(chǎn)生明顯的交互作用，受此影響之下形成了復(fù)雜的生態(tài)局地環(huán)境[5,6]；對(duì)于土壤而言，作為農(nóng)作物等植被生長(zhǎng)的養(yǎng)分及水分供應(yīng)載體，直接關(guān)乎人類糧食作物及蔬菜種植等[7]，制約居民生活狀況，否則作物難以獲取必要的水分及養(yǎng)分維持生長(zhǎng)，對(duì)于土壤和植被而言，其在陸地生態(tài)的地位難以替代，貧瘠的土壤將難以承載作物等植被的生長(zhǎng)發(fā)育[8,9]，土壤質(zhì)量與微生物狀況緊密相連，同時(shí)與酶的關(guān)系密切，微生物能夠有效地進(jìn)行有機(jī)質(zhì)降解，在酶的參與作用下，形成高效的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，進(jìn)而維持土壤肥力及活性，為植被生長(zhǎng)提供所需能量。對(duì)于土壤而言，其有機(jī)碳庫(kù)在陸地碳庫(kù)方面作用顯著，制約著生物多樣性及土壤養(yǎng)分狀況。植被根系對(duì)于固土、保持土壤通透性至關(guān)重要，在根系及其分泌物作用下，土壤顆粒能夠?qū)τ诳紫抖扔欣?，同時(shí)對(duì)于植被生長(zhǎng)有利。森林生態(tài)在陸地生態(tài)中尤為關(guān)鍵，能夠有效地調(diào)節(jié)局地氣候，在涵養(yǎng)水源方面效果突出，探究其植被、土壤的關(guān)系，能夠?qū)ι稚鷳B(tài)加以分析，對(duì)其土壤質(zhì)量、植被分布群落特點(diǎn)等進(jìn)行對(duì)比分析，從而探究其復(fù)雜的作用機(jī)理，從微氣候、土壤、動(dòng)植物的角度探究森林生態(tài)，并對(duì)不同土壤質(zhì)量下的植被分布加以分析，對(duì)多種環(huán)境因子及其交互效應(yīng)對(duì)植被的影響進(jìn)行探究。對(duì)于不同的植被分布區(qū)域，其土壤養(yǎng)分的時(shí)空分布一般呈現(xiàn)較大差異，大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了實(shí)證分析，植被和土壤之間的作用機(jī)理較為復(fù)雜。

對(duì)于安徽瑯琊山而言，作為國(guó)家重要的森林公園，其生物多樣性尤為突出，這里分布著廣泛的熱帶森林[10]，對(duì)于森林而言，其不僅分布著大量的植被，還分布著大量的生物，尤其是微生物分布較為普遍，微生物不僅是土壤生態(tài)的關(guān)鍵構(gòu)成，在有機(jī)質(zhì)分解方面發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，加之酶的參與，直接制約著整個(gè)土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量交換，進(jìn)而影響著植被生長(zhǎng)發(fā)育。不同的森林分布，使得植被的多樣性分布也出現(xiàn)較大差異。對(duì)于瑯琊山而言，其不僅分布著大量的針、闊葉林，還包括大量的天然次生林，為了森林資源保護(hù)，還進(jìn)行了大量的人工林建設(shè)，為了探究不同森林資源下的植被群落分布，本研究將以上森林分布作為研究對(duì)象，從植被及土壤的角度探究其群落分布，并從時(shí)間、空間的角度加以分析，從而為森林資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)

本研究所選擇的區(qū)域位于安徽瑯琊山，該區(qū)域是國(guó)家重要的森林公園，緊鄰滁州市西南，為淮陽(yáng)山脈的丘陵區(qū)域，海拔在300 m左右，受置于所在地理分布，其亞熱帶季風(fēng)氣候特點(diǎn)尤為突出，無(wú)論是降雨還是氣溫，其季節(jié)變化尤為突出，對(duì)于夏季而言，其不僅具有近1 400 mm的較高降雨量，且主要集中在四至六月，同時(shí)具有較高的氣溫，根據(jù)近年來(lái)該區(qū)域氣象資料分析得知，其年均溫達(dá)到15 ℃，最高溫在7月份，其月均溫達(dá)到29 ℃；對(duì)于冬季而言，其不僅氣溫較低，且天氣干燥，最低溫集中在1月，均溫不足5 ℃。對(duì)于該區(qū)域而言，土層較淺，一般不超過(guò)五十厘米，其pH值低值一般為6.5，而高值達(dá)到8，呈現(xiàn)微堿性或者中性，其肥力并不高，甚至不少區(qū)域出現(xiàn)了明顯的巖石裸露。對(duì)于該區(qū)域而言，其主要的土質(zhì)不僅包括黃棕壤，還有褐色土、石灰?guī)r土，整體而言，其土層并不厚。不僅分布著大量的針、闊葉林，還包括大量的天然次生林，為了森林資源保護(hù)，還進(jìn)行了大量的人工林建設(shè)。

1.2 物種多樣性的測(cè)度

本研究采取實(shí)證分析的方法進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)研究，正式的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于2013年，為了最大程度降低實(shí)驗(yàn)誤差，本研究實(shí)驗(yàn)持續(xù)五年，選擇的林木類型不僅包括針、闊葉林，還包括大量天然次生林、人工林。對(duì)于各個(gè)林木類型進(jìn)行5個(gè)樣地設(shè)置，且長(zhǎng)、寬均為20 m，從而形成樣地20個(gè)；接下來(lái)還需要進(jìn)行樣方的設(shè)置，對(duì)于喬木和灌木樣方而言，數(shù)量各4個(gè)，其長(zhǎng)、寬均為10 m；對(duì)于草本樣方而言各8個(gè)，其長(zhǎng)、寬均為1 m；合計(jì)實(shí)驗(yàn)樣方240個(gè)。并對(duì)生境及長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行記錄。

主要從以下方面對(duì)植被多樣性加以分析，計(jì)算如下[11-13]：

Wiener指數(shù)=-∑(PlnP)

Margalef指數(shù)=(-1)/ln

Simpson指數(shù)=1-∑(P)2

主要從以下方面對(duì)植被β多樣性加以分析，計(jì)算如下：

Cody指數(shù)()=(+)/2

Sorenson指數(shù)()=2/(+)

1.3 土壤養(yǎng)分和微生物量的測(cè)定

土壤取樣：本研究利用鉆土取樣，取樣間隔為20 cm，直至土壤100 cm深度，為有效降低誤差，借助于3次重復(fù)。然后對(duì)其過(guò)篩風(fēng)干處理，對(duì)水分、有機(jī)質(zhì)測(cè)定通過(guò)烘干法、加熱法，微生物量碳、氮用浸提法測(cè)定[9-12]。

土壤微生物周轉(zhuǎn)估算方法如下[14,15]：

=Σ

=Σ/

=1/

=××/

利用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，用SPSS 21.0進(jìn)行均值間的差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型α多樣性

圖 1 不同林型α多樣性

注：不同小寫字母表示差異顯著（<0.05），下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences (<0.05), the same as below.

通過(guò)對(duì)圖1的分析不難得知，無(wú)論是闊葉林和天然次生林，還是針葉林和人工林，雖然其群落分布特點(diǎn)存在較大的差異，但是其整體的群落變化態(tài)勢(shì)較為一致，無(wú)論是豐度、勻度指數(shù)方面，還是Wiener多樣性指數(shù)方面，其最高的是次生林，而針葉林最低；前者之間的差異并不突出，而后者較為突出，且通過(guò)了0.05顯著檢驗(yàn)。在Wiener多樣性方面，不同林木類型之間的差異尤為突出，且通過(guò)了0.05顯著檢驗(yàn)；Simpson指數(shù)大致：天然次生林<闊葉林<人工林<針葉林，其中人工林和針葉林差異不顯著（>0.05），二者顯著高于天然次生林和闊葉林（<0.05）。

2.2 不同森林類型β多樣性

通過(guò)對(duì)圖2的分析得知，在Cody指數(shù)方面，最高的是次生林，而針葉林最低，前兩者之間的差異并不突出，且未通過(guò)顯著檢驗(yàn)，但與后兩者的差異較為突出，且通過(guò)了0.05顯著檢驗(yàn)。從Sorenson指數(shù)來(lái)講，針葉林最高，其次是人工林，而次生林最低，不同林木類型之間的差異并不突出，未通過(guò)顯著檢驗(yàn)?？傊?，天然次生林和闊葉林相似性較大，表明闊葉林和天然次生林共有物種數(shù)較多。

圖 2 不同林型β多樣性

2.3 不同森林類型土壤養(yǎng)分特征

由圖3可知，不同森林土壤養(yǎng)分（全氮、有機(jī)碳、全鉀）隨土層深度而減小，40 cm土層以下急劇減小，80～100 cm土壤養(yǎng)分含量基本一致；相同土層土壤養(yǎng)分大致表現(xiàn)為：天然次生林>闊葉林>人工林>針葉林，深層80～100 cm差異并不大。

圖 3 不同森林類型土壤養(yǎng)分變化特征

2.4 不同森林類型土壤微生物量特征

通過(guò)對(duì)圖4分析發(fā)現(xiàn)，雖然林木類型不同，但是對(duì)于微生物量碳及氮磷而言，在土層深度增加的情況下，其含量下降態(tài)勢(shì)尤為突出，尤其是在40 cm以內(nèi)的表層土層。80～100 cm土壤微生物量基本一致；相同土層土壤微生物量大致表現(xiàn)為：天然次生林>闊葉林>人工林>針葉林，深層80～100 cm差異并不大。

圖 4 不同森林類型土壤微生物量變化特征

2.5 不同森林類型土壤微生物周轉(zhuǎn)

由圖5可知，不同森林類型土壤微生物量碳轉(zhuǎn)移量和周轉(zhuǎn)率隨隨土層深度的增加而減小，其含量下降態(tài)勢(shì)尤為突出，尤其是在40 cm以內(nèi)的表層土層，而在80～100 cm的土層則幅度微小；相同土層土壤微生物量碳轉(zhuǎn)移量和周轉(zhuǎn)率大致表現(xiàn)為：天然次生林>闊葉林>人工林>針葉林，深層80～100 cm差異并不大。

圖 5 不同森林類型土壤微生物周轉(zhuǎn)

2.6 不同森林類型群落多樣性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

從表1的交互分析得知，林木多樣性分布不僅受土壤深度制約，還受到林型差異的影響，且達(dá)到了0.05顯著水平，尤其是林型和深度的交互作用更為突出。從表2可以看出，對(duì)于土壤養(yǎng)分而言，其不僅受土壤深度制約，還受到林型差異的影響，且達(dá)到了0.05顯著水平，尤其是林型和深度的交互作用更為突出，但土層深度的制約效應(yīng)并不突出。

表 1 土壤深度和林型對(duì)植被多樣性的影響

表 2 土壤深度和林型對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

植被群落分布受到的影響因子并不是單一的，且不同影響因子之間存在交互作用，本研究從多個(gè)角度探究養(yǎng)分等與植被之間的關(guān)系，特進(jìn)行了冗余分析，其中的響應(yīng)及解釋變量分別為群落多樣性、土壤養(yǎng)分，從而直觀的分析多種影響因子的制約效應(yīng)。通過(guò)對(duì)圖6可知，對(duì)植被群落分布多樣性產(chǎn)生更為突出影響的是第一個(gè)因子，因子解釋度超過(guò)了60%，而對(duì)于前兩個(gè)排序軸影響因子而言，其對(duì)變量的累積解釋度超過(guò)了80%，這說(shuō)明這些環(huán)境因子對(duì)于植被多樣性分布產(chǎn)生了尤為突出的制約效應(yīng)。通過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)研究得知，無(wú)論是全磷，還是微生物量磷，均對(duì)植被多樣性施加突出制約效應(yīng)，通過(guò)相關(guān)分析得知，在植被多樣性更為突出的情況下，土壤的養(yǎng)分含量同步變化。

圖 6 群落多樣性與土壤養(yǎng)分的RDA分析

3 討 論

對(duì)于微生物新陳代謝而言，一方面受制于土壤養(yǎng)分狀況，這是直接的作用因子，另一方面依賴于濕熱條件，這是其外部環(huán)境因子，這些對(duì)于微生物產(chǎn)生直接影響，決定著其活動(dòng)效率，進(jìn)而制約著有機(jī)質(zhì)分解速率，對(duì)于土壤質(zhì)量施加著無(wú)可替代的影響。微生物在養(yǎng)分循環(huán)及能量交換過(guò)程中的作用尤為突出，加之其處于不斷動(dòng)態(tài)變化之中，因此，對(duì)于植被的影響也是處于不斷變化之中。此外，雨熱等環(huán)境因子也對(duì)植被施加直接的制約效應(yīng)[16-18]。通過(guò)連續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，對(duì)于不同林木多樣性來(lái)說(shuō)[19,20]，其在Shannon多樣性、Margalef豐度、均勻度方面的差異較為突出，這主要在于林木類型差異的制約，但是在時(shí)間不斷增加的情況下，其上升態(tài)勢(shì)尤為突出，指數(shù)最高的是次生林，而最低的則是針葉林。且通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)；對(duì)于Simpson指數(shù)來(lái)講與之相反。對(duì)于Wiener多樣性而言，不同林木間的差異尤為突出，且通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。整體而言，對(duì)于闊葉林和次生林而言，其生境因子更為復(fù)雜，且具有較高的多樣性，這也是自然環(huán)境及人為影響綜合作用的結(jié)果。

通過(guò)連續(xù)的觀測(cè)研究不難得知，雖然林木類型的差異對(duì)于土壤養(yǎng)分及微生物量碳產(chǎn)生著一定的影響，形成了不同的含量差異，但是其具有較為接近的變化態(tài)勢(shì)，其含量均在土層不斷增加的情況下呈現(xiàn)較為突出的下降態(tài)勢(shì)，尤其是40 cm土層以下急劇下降，而80～100 cm土層其含量并無(wú)多大差別[3,4]；對(duì)于同一土層來(lái)講，含量最高的是次生林，其次是闊葉林，而針葉林最低；對(duì)于氮、磷的含量變化來(lái)講亦是如此，對(duì)于微生物量碳周轉(zhuǎn)率和周轉(zhuǎn)期具有同樣的變化特點(diǎn)。對(duì)于次生林和闊葉林而言，其較多的枯枝落葉能夠帶來(lái)更多的腐殖質(zhì)，為有機(jī)質(zhì)的增加奠定基礎(chǔ)。通過(guò)交互因子分析得知，森林群落多樣性不僅受制于林型及土層的制約，還受到其交互因子的制約，且通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)；對(duì)于和多樣性來(lái)講，土層深度對(duì)之并沒(méi)有顯著制約[17-19]；土壤養(yǎng)分一方面受制于林木類型的制約，另一方面受土層深度影響。

植被在生長(zhǎng)過(guò)程中受到多種環(huán)境因子的制約，且其交互作用更為復(fù)雜，對(duì)于多樣性群落分布來(lái)說(shuō)亦是如此，且多種環(huán)境因子之間會(huì)產(chǎn)生明顯的交互作用影響。相應(yīng)的，植被也會(huì)調(diào)節(jié)局地環(huán)境因子[21,22]。

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Correlation Analysis of Vegetation Community Diversity and Soil Nutrients in Different Forest Types

ZHANG Dong

451450,

Different types of forest vegetation communities (natural secondary forest, broad-leaved forest, artificial forest and coniferous forest) were selected from langya mountain forest park in anhui province to study the relationship between diversity and soil nutrients for 5 consecutive years (2013-2017). Results show that: (1) of natural secondary forest and plantation, coniferous and broad-leaved forest, the species diversity variation law of each index showed a consistent Margalef abundance index, Mclntosh species evenness index and Shannon Wiener diversity index were as follows: the natural secondary forest > broad-leaved forest plantation > coniferous forest, the natural secondary forest and broad-leaved forest Mclntosh evenness index and Margalef abundance index difference was not significant (> 0.05), significantly higher than both plantation and coniferous forest (<0.05); The shannon-wiener diversity index of different forest types was significantly different (<0.05). Simpson dominance index shows that natural secondary forest < broad-leaved forest < artificial forest < coniferous forest;In general, the natural secondary forest and broad-leaved forest are more complex, and the plant diversity index is higher than that of other habitat communities. (2) the Cody index was as follows: natural secondary forest > broad-leaved forest > artificial forest > coniferous forest, among which there was no significant difference in Cody index between natural secondary forest and broad-leaved forest (>0.05), which was significantly higher than artificial forest and coniferous forest (<0.05). The Sorenson index was successively shown as natural secondary forest < broadleaf forest < artificial forest < coniferous forest, and there was no significant difference in Sorenson index among different forest types (>0.05). (3) different forest types of soil nutrients (organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and total potassium content), microbial biomass carbon, nitrogen, phosphorus and microbial biomass carbon turnover rate and turnover period decreasing trend with the increase of soil depth, among them, 20-40 cm soil layer under sharply reduce the trend, 80-100 cm difference is not obvious, the basic trend of equal; The same soil layer is roughly manifested as: natural secondary forest > broad-leaved forest > artificial forest > coniferous forest. (4) two-factor interaction analysis showed that soil depth and forest type had a significant impact on forest community diversity (<0.05), in which soil depth had no significant impact on and diversity index (>0.05), and forest type and diversity index had a significant impact on and diversity index (<0.05). Soil depth and forest type had significant effects on soil nutrients (<0.05), in which soil depth had no significant effect on soil nutrients (>0.05), and forest type and forest type × depth had significant effects on soil nutrients (<0.05). (5) the results of redundancy analysis showed that soil nutrients were significantly correlated with the diversity of vegetation communities and were an important factor affecting the diversity of vegetation communities.

Forest; vegetation diversity; soil nutrients

S718.55+7

A

1000-2324(2022)02-0271-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.014

2021-05-14

2021-06-14

安徽高校自然科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(KJ2018A0916)

張棟(1983-),男,碩士研究生,講師,研究方向:園林技術(shù)，園林工程施工技術(shù)，園林生態(tài)工程技術(shù). E-mail:konka388c@163.com