不同混交模式杉木人工林林下植被生物量與土壤物理性質(zhì)研究

郭琦，王新杰

（北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

不同混交模式杉木人工林林下植被生物量與土壤物理性質(zhì)研究

郭琦，王新杰

（北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

林下植被是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠促進(jìn)凋落物的分解并且增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的歸還。比較杉木混交林與杉木純林的土壤結(jié)構(gòu)及林下灌草生物量，探究?jī)烧唛g的相關(guān)性和土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)的方法。研究結(jié)果表明：（1）混交林的林下灌草生物量高于純林，其中毛杉林最高；（2）混交林土壤物理性質(zhì)優(yōu)于純林，毛杉混交林最優(yōu)；（3）分析相關(guān)性發(fā)現(xiàn)土壤物理性質(zhì)與灌木生物量有顯著相關(guān)性，灌木層相關(guān)性高于草本層。所以林下植被與土壤結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，重視林下植被發(fā)育程度有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，恢復(fù)地力。

杉木人工林；林下植被；生物量；土壤物理性質(zhì)；相關(guān)性

杉木Cunninghamia lanceolata是我國(guó)重要的用材林樹(shù)種，我國(guó)杉木人工林的面積已達(dá)768.31萬(wàn)hm2，占南方人工林面積的60%～80%[1]。目前一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是杉木純林連栽2、3代后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的立地質(zhì)量下降[2]，土壤物理性質(zhì)變差。為了解決這一突出問(wèn)題，杉木人工林恢復(fù)途徑主要是通過(guò)杉闊混交篩選杉木人工林的高生產(chǎn)力模式[3]，而研究也表明混交林能改善土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)[4]?；旖涣謨?nèi)林下植物多樣性高于純林，研究不同混交模式杉木人工林植被生物量和土壤物理性質(zhì)及相關(guān)性有很大的意義。

林下植被是人工林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[5]，在土壤改良、保持水土、維持生物多樣性及促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)等方面發(fā)揮著重要作用[5-7]。林下灌草生物量與土壤聯(lián)系密切，林下植被是土壤養(yǎng)分的重要來(lái)源，關(guān)系到土壤的養(yǎng)分循環(huán)[8-9]，同時(shí)能促進(jìn)凋落物的分解和養(yǎng)分的歸還，尤其是草本層大量以凋落物形式回歸土壤。林下植被增加了土壤的滲透性，增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，與土壤水分和物理性質(zhì)有著密切的關(guān)系，所以在改良土壤和維護(hù)森林土壤質(zhì)量等方面有著獨(dú)特的功能和作用。同時(shí)林下植被生物量是林下植物生產(chǎn)量與消耗量動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果[10]，不同混交模式林下生物量受密度、地力等因素影響有較大變化。所以，通過(guò)比較不同混交林下植被生物量、土壤物理性質(zhì)的差異，根據(jù)生物量和土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性，得出混交林對(duì)于緩解土壤結(jié)構(gòu)退化、改善土壤性質(zhì)有利的原因，對(duì)利用混交林改善純林土壤性質(zhì)提供依據(jù)，對(duì)如何防止地力衰退有著重要的作用。

1 調(diào)查區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省三明市將樂(lè)縣，地理坐標(biāo)東經(jīng) 117°05′～ 117°40′，北緯 26°26′～ 27°04′，本區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足。平均氣溫18.8 ℃，年均降水量約1 600mm，降雨多集中在3～8月，無(wú)霜期為171 d，年均相對(duì)濕度為83%，海拔400～800m ，土壤為山地紅壤，福建省將樂(lè)縣國(guó)有林場(chǎng)場(chǎng)部在將樂(lè)縣水南鎮(zhèn)，林場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要喬木樹(shù)種有：杉木、馬尾松Pinus massoniana、火力楠Michelia macclureiDandy、木荷Schima superbaGardn et Champ、 檫 木Sassafras tzumu、樟樹(shù)Cinnamomum camphora等，林下主要灌木種類(lèi)有苦竹Pleioblastus amarus、粗葉榕Ficus hirtaVahl、黃毛楤木Aralia decaisneanaHance、黃瑞木Adinandra millettii、短尾越橘Vaccinium carlesiiDunn、檵木Loropetalum chinensis等；草本種類(lèi)有烏毛蕨Blechnum orientaleLinn.、烏蕨Stenoloma chusanum、芒萁Dicranopteris dichotoma、狗脊蕨Woodwardia japonica、黑莎草Gahnia tristisNees、鐵線(xiàn)蕨Adiantum capillus-venerisLinn.等。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)地的設(shè)置

2012年分別在杉木純林、杉木毛竹混交林、杉木火力楠混交林和杉木馬尾松混交林內(nèi)設(shè)置樣地，標(biāo)準(zhǔn)地面積為20m×30m，每塊樣地設(shè)置3次重復(fù)。在樣地四周設(shè)置5 m×5 m的灌木樣方，在每個(gè)灌木樣方內(nèi)四角設(shè)置4個(gè)1 m×1 m的草本樣方。

2.2 生物量的測(cè)定

在灌木樣方內(nèi)調(diào)查灌木的種類(lèi)、數(shù)量，每種灌木分別選擇樣株測(cè)定生物量，分別測(cè)定地上和地下部分鮮質(zhì)量；在標(biāo)準(zhǔn)地的草本1 m×1 m樣方內(nèi)調(diào)查草本的種類(lèi)、數(shù)量，收獲全部草本，分別測(cè)定地上和地下部分鮮質(zhì)量。稱(chēng)質(zhì)量后分別均勻取樣，將樣品烘干至恒質(zhì)量后稱(chēng)取樣品干質(zhì)量。

2.3 土壤采集和測(cè)定

在標(biāo)準(zhǔn)地邊挖土壤剖面，按0～5、5～10、10～20、20～30、30～40cm分層用環(huán)刀取樣，稱(chēng)土壤濕重。土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤經(jīng)105℃烘干至恒質(zhì)量后稱(chēng)土壤干質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL2003和SPSS18.0等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木純林和混交林灌草生物量比較

不同林分林下植被生物量見(jiàn)表1。林下灌草各部分生物量均是毛杉林最高，馬杉林次之，杉木純林最低且遠(yuǎn)低于混交林生物量，最大相差10.63 t/hm2。4種林型生物量均表現(xiàn)為草本層生物量遠(yuǎn)高于灌木層生物量，草本層占總生物量的81.04%～92.34%。草本層地上總生物量為0.73 ～ 6.91 t/hm2，地下總生物量為1.482 ～ 5.95 t/hm2，其中草本地下生物量高于地上，與灌木層相反。

灌木層中杉木純林與毛杉林、火杉林差異顯著；毛杉林與火杉林除葉生物量外各部分均有顯著差異。草本層各部分生物量杉木純林與毛杉林均差異顯著；3種混交林中毛杉林與火杉林差異顯著，其他無(wú)明顯差異，與灌木層表現(xiàn)基本一致。

表1 不同林分林下植被生物量?Table 1Undergrowth biomass of different type forests

造成這一結(jié)果可能由于混交林受人為干預(yù)少，有利于林下灌草的生長(zhǎng)，林下植被生物量很大程度上決定于林分覆蓋度和樹(shù)冠結(jié)構(gòu)[3]。喬木層樹(shù)種的組成類(lèi)型，在一定程度上影響到林下灌叢對(duì)光的獲取[11]，毛杉林內(nèi)光線(xiàn)更充沛，而火杉林在該研究地區(qū)多為防火林帶，會(huì)及時(shí)清理林下灌草，所以才呈現(xiàn)這樣的結(jié)果。

3.2 杉木純林與混交林土壤物理性質(zhì)比較

杉木不同林型土壤物理性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 杉木不同林型土壤物理性質(zhì)Table 2Soil physical properties of different type forests

3.2.1 土壤容重

不同林型土壤容重各層均為杉木純林最高，0～5、5～10cm土層杉木純林均與毛杉混交林差異顯著；10～20cm土層杉木純林與馬杉混亂交林差異顯著；20～30cm土層杉木純林與杉木混交林均差異顯著；到了30～40cm土層各林型之間沒(méi)有顯著差異。

3.2.2 土壤孔隙度

各層土壤孔隙度均為杉木毛杉林最高，除30～40cm土層均為杉木純林孔隙度最低。0～5 、5～10cm土層土壤總孔隙度杉木純林都與杉木毛竹林差異顯著；10～20cm土層杉木純林與馬杉混交林差異顯著；20～30cm各林型間均有顯著差異；30～40cm杉木純林與混交林無(wú)顯著差異。

各林型土壤毛管孔隙度在0～5 cm和5～10cm土層杉木純林與毛杉混交林差異顯著；20～30cm杉木純林與混交林均差異顯著；10～20cm和30～40cm杉木純林與混交林無(wú)顯著差異。除30～40cm層，均為杉木純林毛管孔隙度最低。

土壤非毛管孔隙度除30～40cm土層外，其余均為杉木純林最高，除0～5 cm土層外，各層均以毛杉混交林最低。0～5 cm和30～40cm處杉木純林與混交林無(wú)顯著差異；5～10、10～20cm杉木純林與毛杉混交林差異顯著，20～30cm純林與混交林均差異顯著。

3.2.3 土壤水

田間持水量則基本為毛杉＞火杉＞馬杉＞杉木純林，0～5、20～30和30～40cm處杉木純林都與毛杉混交林有顯著差異，但5～10cm和10～20cm土層4種林分之間沒(méi)有顯著差異。

3.3 生物量與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性

3.3.1 土壤容重與灌草生物量相關(guān)性

對(duì)林下灌草生物量和土壤物理性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明土壤容重與林下植被生物量呈負(fù)相關(guān)（見(jiàn)表3）。0～5 cm處與灌草生物量均有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為灌木＞草本。5～10、10～20、20～30cm處與灌木生物量顯著相關(guān)，與草本層無(wú)顯著相關(guān)性，30～40cm土壤容重只與灌木地上和總體生物量有顯著相關(guān)性。容重與灌草生物量相關(guān)系數(shù)表層最高，之后隨著深度增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。

可以看出灌木生物量對(duì)于土壤容重有較大影響。灌草地上部分和草本地下生物量共同作用使得土壤表層相關(guān)系數(shù)最高；而灌木根部多集中于20～30cm處，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，所以相關(guān)系數(shù)增加。同一土層除20～30cm外其余均為地上部分大于根，可能是因?yàn)樯锪康厣希镜叵?，所以除了在根部相?duì)集中的20～30cm層外，灌木地上部分生物量對(duì)于土壤的影響大于地下部分，超過(guò)20～30cm，灌木生物量對(duì)于土壤的影響迅速減弱。

3.3.2 土壤孔隙度與灌草生物量相關(guān)性

土壤各層毛管孔隙度與林下植被各部分生物量均為正相關(guān)。毛管孔隙度除30～40cm 層均與灌木各部分生物量呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，其中5～10cm層極顯著相關(guān)，地下生物量20～30cm處也極顯著相關(guān)。各層毛管孔隙度與草本生物量則沒(méi)有顯著相關(guān)性。

表3 林下生物量和土壤物理性質(zhì)相關(guān)系數(shù)?Table 3Correlation coefficients of Soil physical properties and undergrowth biomass

非毛管孔隙度與林下植被生物量呈負(fù)相關(guān)，但0～5 cm處與草本生物量則為正相關(guān)。5～10、10～20和20～30cm層顯著相關(guān)，其中5～10cm和20～30cm處與灌木地下生物量極顯著相關(guān)，與草本無(wú)顯著相關(guān)性。

土壤總孔隙度與林下植被生物量呈正相關(guān)。分析與灌木生物量相關(guān)性，除30～40cm與各部分生物量、0～5 cm與地上和5～10cm與地下生物量外，均顯著相關(guān)，其中20～30cm層與地下和總體生物量極顯著相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.737、0.713。與草本生物量除0～5 cm層極顯著相外，其它沒(méi)有顯著相關(guān)性。

可以看出灌木生物量對(duì)于孔隙度的影響高于草本，且地下＞地上?？赡苁怯捎诠嗄倦m然比草本生物量少，但是植株更大且根系更為發(fā)達(dá)，草本根系僅分布在較淺的0～5 cm土層中；而灌木根部比地上部分更直接作用土壤，所以影響更大。30～40cm層與孔隙度均無(wú)相關(guān)性可能是由于根系多集中在30～40cm層上，而地上生物量的影響隨深度增加而降低，所以沒(méi)有顯著相關(guān)性。地下部分生物量對(duì)于毛管孔隙度的影響大于非毛管孔隙度。

3.3.3 土壤田間持水量與林下植被生物量的相關(guān)性

田間持水量與林下植被生物量呈正相關(guān)，在30～40cm層與灌木生物量顯著相關(guān)，與草本地下生物量顯著相關(guān)，其他層次土壤田間持水量與林下植被生物量無(wú)顯著相關(guān)性。可以發(fā)現(xiàn)植被生物量對(duì)于土壤田間持水量的影響較小，僅在30～40cm層顯著相關(guān)。但與土壤容重、孔隙度相同，田間持水量與林下植被生物量相關(guān)性均表現(xiàn)為灌木＞草本。

4 結(jié)論與討論

（1）林下植被生物量灌木層和草本層由高到低依次均為毛杉、馬杉、火杉、杉木純林，草本層生物量貢獻(xiàn)高于灌木層[12]?；旖涣值牧址謱哟谓Y(jié)構(gòu)較完備，所以灌草層的發(fā)育程度優(yōu)于純林。加之混交林人工清理等人為干擾活動(dòng)較少，同時(shí)混交林下植物凋落量大，灌木和草本層發(fā)育程度高，可見(jiàn)，林分樹(shù)種和層次結(jié)構(gòu)的完備性，森林的自養(yǎng)機(jī)制就會(huì)得到一定程度的恢復(fù)[5]。

（2）不同林型杉木純林土壤結(jié)構(gòu)均與混交林有顯著差異，混交林整體土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)于純林，更有利于樹(shù)木吸收土壤中的養(yǎng)分和水分，促進(jìn)地上林木的生長(zhǎng)。

（3）不同林型林下生物量與土壤物理性質(zhì)有一定相關(guān)性。分析發(fā)現(xiàn)灌木生物量與土壤各物理性質(zhì)普遍顯著相關(guān)，相關(guān)性高于草本層，對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響較大；林下植被生物量對(duì)土壤不同物理性質(zhì)的相關(guān)性不同，與土壤容重和孔隙度相關(guān)性高，對(duì)土壤水影響較小。林下灌草地上部分通過(guò)覆蓋等保持水分并提高肥力，根系與土壤直接接觸，在植物和土壤之間進(jìn)行著頻繁的物質(zhì)交換[13-19]，植被可以通過(guò)其代謝過(guò)程中所形成的腐殖質(zhì)的分解和再合成，強(qiáng)烈地影響土壤的物理性質(zhì)，形成有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤[7]?？傮w而言林下植被生物量對(duì)于森林土壤結(jié)構(gòu)有一定的影響，且林下灌草越豐富，發(fā)育越良好，越能夠保持和恢復(fù)地力，有利于林木的生長(zhǎng)。

研究發(fā)現(xiàn)，林下植被生物量對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)有一定的影響，灌草發(fā)育程度高，林分層次結(jié)構(gòu)完備，能夠促進(jìn)林分土壤的改善和恢復(fù)[2]。林下植被豐富有利于土壤的保持和恢復(fù)，促進(jìn)林木生長(zhǎng)和蓄積量積累。所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少對(duì)林下灌草的清理，促進(jìn)林下植被對(duì)土壤的積極影響。但造成這樣結(jié)果的原因并沒(méi)有進(jìn)行深入的分析，林下植被對(duì)于土壤的影響不僅僅局限在生物量和土壤物理性質(zhì)，還有許多方面和原理還需要進(jìn)一步分析研究。

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Undergrowth biomass and soil physical properties underCunninghamia lanceolatawith different patterns of mixed forests

GUO Qi , WANG Xin-jie
(Key Lab. for Silviculture and Conservation Joint-constructed by Province and Ministry of Education, Beijing Forestry University,Beijing 100083, China)

Undergrowth is an important part of forest eco-system, can promote the litter decomposition and increase soil nutrients return.The soil structure and undergrowth biomass ofCunninghamia lanceolatapure forest andC. lanceolatamixed forest had been compared in order to study the correlation between them and the method of recovery of soil structure soil structure. The results show that (1)The undergrowth biomass underC. lanceolatamixed forest was more than that in the pure forest’s, and of them, the bamboo-C. lanceolatamixed forest’s was the highest; (2)The soil physical property ofC. lanceolatamixed forest was better than that ofC. lanceolatapure forest, and of them, bamboo-C. lanceolatamixed forest’s was the best; (3)Through the analysis of correlation, it was found that the soil physical properties had signif i cant correlation with the undergrowth biomass, and the shrub layer correlation with the soil physical properties was higher than the herb layer’s. The undergrowth biomass closely related to soil structure, so the development degree of undergrowth is greatly benef i cial to improve soil structure and recovering land capability.

Cunninghamia lanceolataplantation; undergrowth; biomass; soil physical properties; correlation

S714.2；S718.55+6

A

1673-923X(2014)05-0070-05

2013-07-22

林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201004008）

郭琦（1988-），女，陜西商州人，碩士研究生， 主要從事杉木土壤研究；E-mail：guoqi_2007_ok@126.com

王新杰（1972-），男，河南人，副教授，博士，主要研究方向：林業(yè)遙感與3S技術(shù)綜合應(yīng)用、資源監(jiān)測(cè)技術(shù)與模型及森林生長(zhǎng)與收獲預(yù)估

[本文編校：謝榮秀]