太湖竺山灣緩沖帶草林系統(tǒng)生長狀態(tài)及土壤性質(zhì)分析

葉斌，黃蘭英，李春華* ，李春江，3

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊工程技術(shù)中心，北京 100012

2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 100012

3.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620

太湖是長江中下游五大淡水湖之一，也是我國重點控制的“三湖”之一，對于太湖環(huán)境的治理是目前的熱點研究問題［1］。在經(jīng)濟高速發(fā)展的情況下，湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的壓力越來越大。自20 世紀(jì)50年代以來，太湖水質(zhì)惡化、富營養(yǎng)化越來越嚴(yán)重，其演變趨勢與太湖緩沖帶的受損及功能退化密切相關(guān)。湖泊緩沖帶是緩沖湖泊流域內(nèi)各種人類活動和自然過程，保護(hù)隔離湖泊生境，使湖泊免受破壞、干擾和污染的空間［2-3］。草林系統(tǒng)作為湖泊緩沖帶中的主要土地利用類型之一，具有防止湖岸侵蝕，截留地表徑流中泥沙和污染組分，提供生物棲息地等生態(tài)功能［4］。不同草林復(fù)合系統(tǒng)類型，由于其樹種生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致其土壤養(yǎng)分狀況和水源涵養(yǎng)效應(yīng)、氮磷攔截吸收作用等存在一定的差異［5］。土壤是植物生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤理化性狀是土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的重要組成部分，土壤理化性狀的不同，直接影響到生長于其上的植物，也影響草林系統(tǒng)生態(tài)功能的發(fā)揮，從而對整個湖泊緩沖帶的污染物攔截功能產(chǎn)生影響［6-7］。筆者通過調(diào)查太湖竺山灣緩沖帶草林系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀，分析幾種不同類型草林復(fù)合系統(tǒng)間林下土壤性質(zhì)的差異性，以期為太湖緩沖帶草林復(fù)合系統(tǒng)的構(gòu)建、土壤效益強化和生態(tài)效益提升等技術(shù)的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 調(diào)查研究方法

1.1 調(diào)查地點

2013年春季在江蘇省宜興市的太湖竺山灣緩沖帶區(qū)域選定了4 塊不同類型的典型草林樣地進(jìn)行調(diào)查，樣 地 分 布 見 圖1。1#樣 地(31°28'5.85″N，120°0'57.82″E)為濕地型草林，距離濕地水體邊際約56 m，樣地面積為200 m2;2#樣地(31°28'24.27″N，120°1'14.36″E)為楊樹(Populus spp.)防護(hù)林型草林，樣地面積為600 m2;3#樣地(31°28'7.33″N，120°0'52.71″E)為支浜旁草林，樣地面積為592 m2;4#樣地(31°28'40.27″N，120° 1' 41.68″ E ) 為 池 杉(Taxodiumascendens． Brongn)防護(hù)林型草林，樣地面積為40 m2。

圖1 太湖竺山灣緩沖帶草林樣地調(diào)查分布Fig.1 The investigation sites of grass-forestry in lake buffer zone of Zhushan Bay of Lake Taihu

1.2 調(diào)查方法

林木高度、林齡分別用測高儀和生長錐測定，喬木胸徑測量選用1.3 m 高處的樹干圍度表示。樹木郁閉度的測定在每個樣地內(nèi)設(shè)置20 個樣點，在各樣點位置上以抬頭垂直昂視的方法，判斷該樣點是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計被覆蓋的樣點數(shù)，則被樹冠覆蓋的樣點數(shù)與總樣點數(shù)(20)的比值即為該樣地的郁閉度。草本的覆蓋度為目測估算，為草本的面積與草林樣地面積的比值。草林生物量均只統(tǒng)計地上部分的生物量，林木的生物量參照每棵樹木的高度、胸徑、該品種生物量均值來計算，草本的生物量在樣地內(nèi)任意選擇5 個0.5 m×0.5 m 的測定樣方，以5 個樣方內(nèi)的草本生物量平均值來推算整片草林樣地的草本生物量。草本生物量的測定是將地上部分完全收割后，在105 ℃下烘干24 h 后稱量得其干重。

草林的生物多樣性采用Shannon-Wiener 指數(shù)(ISW)計算為每種植物的個體數(shù)占總體植物數(shù)量的比例。植物中的樹木計數(shù)為直接實數(shù)法;草本數(shù)量統(tǒng)計方法采用樣線+樣方的方法(圖2)，即在選定的調(diào)查范圍內(nèi)的一側(cè)設(shè)置一條基線，然后沿基線用系統(tǒng)取樣選出待測樣點(基點)，沿基點根據(jù)植被的生長狀況和地形狀況設(shè)置3 ～6 條10 m 左右的樣線，在每條樣線兩側(cè)0.5 m 范圍內(nèi)設(shè)置1 m2樣方，進(jìn)行草本植物的種類、個數(shù)統(tǒng)計。

圖2 草本植物多樣性調(diào)查方法示意Fig.2 Grass biodiversity investigation method

草林土壤的理化指標(biāo)樣品采集，需將地表上的枯枝落葉、碎石等雜物撥開，現(xiàn)場用土壤養(yǎng)分速測儀測定土壤溫度、濕度、緊實度3 個物理指標(biāo)，采用環(huán)刀法取土樣以測容重。用土鉆在樣點上取表層0 ～20 cm的土樣，采樣結(jié)束后進(jìn)行回填并做好標(biāo)記。將土樣裝入無菌袋帶回實驗室進(jìn)行化學(xué)指標(biāo)的測定。

1.3 分析方法

土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測定［6］;有機質(zhì)濃度采用低溫外加熱重鉻酸鉀-比色法測定［7］;全氮濃度采用凱氏法進(jìn)行測定［7］;全磷濃度采用SMT 法進(jìn)行測定［8］;硝態(tài)氮濃度采用飽和CaSO4溶液提取-雙波長分光光度法測定［7］;銨態(tài)氮濃度采用2 mol/L KCl 浸提- 比色法測定［5］;土壤微生物計數(shù)采用MPN 法［9］，進(jìn)行好氧、厭氧、兼性3 種方式培養(yǎng)。為了較直觀地反映草林生長狀態(tài)，選用樹木郁閉度、草本覆蓋度、草本生物量、生物多樣性4 個指標(biāo)(xi)，采用草林生長狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行評價。當(dāng)時，按1 取值。土壤營養(yǎng)指數(shù)參照張強等［10］的估算方法，以中國肥沃土壤中微生物總數(shù)的平均值(1.60 ×107cfu/g)為評價標(biāo)準(zhǔn)，用草林土壤中的三大微生物總數(shù)為數(shù)據(jù)，按土壤營養(yǎng)指數(shù)公式Pi=Ci/C0i(Ci為實測土壤微生物平均值，C0i為1.60 ×107cfu/g)計算。

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件分析，采用單因素方差分析不同草林系統(tǒng)的差異性(P ＜0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物生長狀態(tài)

1#樣地位于竺山灣三瀆港濕地的岸坡，是整齊的人工種植的楊樹純林，林下長有少量構(gòu)樹(Broussonetia papyifera)等灌木。其地下水位距離地面約2.2 m。林下草被主要由一年生禾本科草本構(gòu)成，地面覆蓋度達(dá)到95%，主要由狗尾草群落和藎草群落組成，種類包括狗尾草(Setaria viridis)、杠板歸(Polygonum perfoliatum)、稗草(Echinochloa crus)、一年蓬(Erigeron annuus)和藎草(Arthraon hispidus)。草層高度30 ～40 cm，單位面積地上部分生物量:狗尾草為(496.15 ± 17.54)g/m2，藎草為(1 083.71 ±33.13)g/m2。

2#樣地位于村莊附近，是一片面積較大的人工種植的歐美楊(Populus X euramericana)純林，林下無灌木生長。其地下水位距離地面約2.3 m。林下草被由一年生草本構(gòu)成，主要優(yōu)勢群落為野薄荷(Mentha arvensis)群落和牛膝(Achyranthes sp．)群落，其中野薄荷群落的覆蓋度達(dá)到95%以上，草層高度(38 ±2.4)cm。牛膝群落覆蓋度為51%，草層高度約(35 ±1.8)cm。林下草被種類主要包括野薄荷、牛膝、爵床(Acanthaceae sp．)、藎草、杠板歸和馬泡瓜(Cucumis melo)。優(yōu)勢群落單位面積地上部分生物量:牛膝為(134.99 ± 12.12)g/m2，野薄荷為(176.83 ±8.46)g/m2。

3#樣地的地下水位距離地面約1.4 m。該樣地為人工種植的以香樟(Cinnamomum camphora (L．)Presl)為主的雜闊葉林，另有櫸樹(Zelkova schnideriana)、池杉和少量合歡(Albizzia julibrissin Durazz)、臭椿(Ailanthus Desf)、桑樹(Morus alba Linn )、楓 楊 (Pterocarya stenoptera )、水 杉(Metasequoia)等。主要樹種香樟平均樹齡約為11 a，林下無灌木，有自然植被和人工草被，由于是村民自建小屋拆后遺留處，多為水泥地面，自然草被覆蓋度較低，約30%。人工草被為種植的毛豆，自然草被種類有爵床、灰藜(Chenopodium album Linn)、藎草、狗尾草、杠板歸、葎草(Humulus japonicus)、細(xì)葉麥冬(Ophiopogon japonicus)。

4#樣地緊鄰竺山灣太湖大堤，是一片池杉純林，林下有少量構(gòu)樹灌木叢。其地下水位距離地面約1.1 m，林下土壤上多附有螺、貝殼等物，且含有細(xì)石粒。林下主要草本是豬殃殃(Galium aparine)和狗尾草，還有少量的稗草、一年蓬、野燕麥(Avena sterilis)、酸模(Rumex acetosa)等。

對4 塊草林樣地的植物生長狀態(tài)觀察統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。由表1 可見，4 塊樣地的面積大小不等，林分密度也有較大差異，最密集的是4#池杉防護(hù)林樣地，較為稀疏的是3#支浜旁草林和2#楊樹防護(hù)林。林齡除了4#樣地為8 a，其他均為11 或13 a;樹木的郁閉度均在0.80 或以上，草本覆蓋度1#、2#樣地較高，3#、4#的較少，只有30%;草本生物量以2#樣地最多，達(dá)到3.02 kg/m2，最少的是3#樣地，為1.17 kg/m2。生物多樣性受生物因子、環(huán)境因子、群落演替的階段、自然干擾和人為干擾等多種因素的綜合影響［11］，許多野生森林的生物多樣性都高達(dá)5～12，而調(diào)查中的4 塊樣地的生物多樣性都屬于偏低類型，最高的也僅有1.498。

表1 竺山灣草林系統(tǒng)植物生長狀態(tài)Table 1 Plant situation of grass-forest system in Zhushan Bay of Lake Taihu

草林生長狀態(tài)指數(shù)評價結(jié)果表明，以上4 塊樣地的草林生長狀態(tài)優(yōu)良順序如下:2#樣地(0.996)＞3#樣地(0.774)≈1#樣地(0.769)＞4#樣地(0.577)。將草林生長狀態(tài)指數(shù)與土壤的其他營養(yǎng)因子做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)草林的生長狀態(tài)與總有機質(zhì)和厭氧菌濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.05)，即草林生長狀態(tài)好的土壤有機質(zhì)濃度較低，厭氧菌濃度也較低。另外，需要指出的是，草林生長狀態(tài)指數(shù)只能用來表觀地判斷草林的茂盛程度和多樣性，因此該評價結(jié)果僅限于這4 塊樣地之間的比較，還不能作為評價草林系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合后期進(jìn)行的緩沖帶草林系統(tǒng)生態(tài)效益評價結(jié)果［12］可知，支浜邊的草林系統(tǒng)生態(tài)效益最差，這與研究中顯示的該類型草林林木稀少、自然草本覆蓋度僅有30%密切相關(guān);而濕地型草林的生物多樣性高，對硝態(tài)氮去除效果顯著，菌群結(jié)構(gòu)分布均勻，從而具有較高的生態(tài)效益。

2.2 土壤養(yǎng)分狀況

1#濕地型草林樣地林下表層平均土壤容重為1.26 g/cm3，平均含水率為42%;2#楊樹防護(hù)林型草林樣地林下表層平均土壤容重為1.21 g/cm3，平均含水率為44%;3#支浜旁草林樣地林下表層平均土壤容重為0.93 g/cm3，平均含水率為40%;4#池杉防護(hù)林型草林樣地林下表層平均土壤容重為1.14 g/cm3，平均含水率為28.40%。

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，將大量元素濃度分為6 級［13］(表2)。其中，1 級為極富，2 級為富，3 級為中等，4 級為低，5 級為缺乏，6 級為極缺乏。

表2 土壤主要養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification standard of main soil nutrientg/kg

竺山灣不同類型草林系統(tǒng)土壤主要養(yǎng)分狀況及差異性比較見圖3。由圖3 可知，太湖竺山灣草林系統(tǒng)林下土壤的有機質(zhì)濃度為15.1 ～40.3 g/kg(1 ～4級)，總體上為豐富水平。其中，楊樹防護(hù)林型草林系統(tǒng)林下土壤有機質(zhì)濃度最低，為4 級較低水平;濕地型草林系統(tǒng)和支浜旁草林均為2 級豐富水平;池杉防護(hù)林型草林系統(tǒng)為1 級極富水平。全氮濃度為0.76 ～1.13 g/kg(3 ～4 級)，總體水平為中等偏低。其中楊樹防護(hù)林型草林系統(tǒng)林下土壤全氮濃度最低，為4 級較低水平;濕地型草林系統(tǒng)、支浜旁草林系統(tǒng)和池杉防護(hù)林型草林系統(tǒng)均為3 級中等水平。全磷濃度為0.09 ～0.17 g/kg，4 種草林系統(tǒng)類型林下土壤的全磷均為6 級極缺乏水平。

圖3 竺山灣不同草林類型土壤養(yǎng)分濃度Fig.3 Soil nutrients of different grass-forest systems at Zhushan Bay

對于土壤速效氮，除池杉防護(hù)林外，其他3 種類型的草林復(fù)合系統(tǒng)均表現(xiàn)為銨態(tài)氮濃度大于硝態(tài)氮。土壤銨態(tài)氮濃度在不同草林系統(tǒng)間差異不大，除支浜旁草林系統(tǒng)濃度相對稍高(10.42 mg/kg)外，濕地型草林、楊樹防護(hù)林型草林、池杉防護(hù)林型草林的濃度分別為9.69、9.54、9.74 mg/kg，3 種林型之間差距較小。土壤硝態(tài)氮濃度在4 種類型草林系統(tǒng)間差距較大，其中池杉防護(hù)林硝態(tài)氮濃度最高，達(dá)14.93 mg/kg;濕地型草林系統(tǒng)次之，為4.97 mg/kg;支浜旁草林和楊樹防護(hù)林型草林復(fù)合系統(tǒng)硝態(tài)氮濃度最低，僅分別為1.91 和1.11 mg/kg。統(tǒng)計分析結(jié)果(P ＜0.05)表明，2#樣地的總有機質(zhì)和全氮與其他樣地均有顯著差異，而1#、3#、4#樣地間的總有機質(zhì)和全氮沒有顯著差異;4 塊樣地的全磷、銨態(tài)氮濃度沒有顯著差異;2#、3#樣地間硝態(tài)氮濃度沒有顯著差異，而其他組有顯著差異。

作為土壤氮磷養(yǎng)分的來源，有機質(zhì)濃度的多少，則與該區(qū)土壤上種植的植被類型、土壤中的動物和微生物種類和數(shù)量多寡、人為施用的有機肥多少均密切相關(guān)，同時不同區(qū)域的氣候差異性也使進(jìn)入土壤中的植物殘體數(shù)量和化學(xué)組成有很大的不同［14-17］。本次調(diào)查結(jié)果顯示，竺山灣的草林系統(tǒng)土壤營養(yǎng)狀態(tài)與該區(qū)域的河網(wǎng)農(nóng)田有機質(zhì)及全氮濃度有很高的相似性［18］，后者的有機質(zhì)和全氮濃度分別為16.4 ～37.8、1.4 ～3.8 mg/kg。另外，土壤是維持植物生長的基礎(chǔ)，特定的植物類型總是與特定的土壤基本情況相適應(yīng)［19］，且由于土壤養(yǎng)分含量也受到群落組成的影響［20］，研究表明，灌草叢土壤有機質(zhì)含量就低于森林，重要原因就在于森林的植物凋落物和生物量豐富，使得土壤有機質(zhì)大量積累［21-22］。由竺山灣草林系統(tǒng)的植被生長狀態(tài)可知，其生物多樣性較低，也不利于土壤有機質(zhì)的積累。

2.3 土壤微生物總量及營養(yǎng)指數(shù)

4 塊草林樣地中的好氧菌、厭氧菌、兼性菌數(shù)量及統(tǒng)計差異分析如圖4 所示。由圖4 可見，楊樹防護(hù)林草林復(fù)合系統(tǒng)林下土壤的3 種微生物數(shù)量均為4 塊樣地中最低。池杉防護(hù)林土壤的好氧菌數(shù)量最多，為12.5 × 104cfu/g;其次是支浜旁草林，為10.7 ×104cfu/g;濕地型草林和楊樹防護(hù)林型草林相對較低，分別為2.1 ×104和1.6 ×104cfu/g。支浜旁草林系統(tǒng)林下土壤的厭氧菌數(shù)量最多，為4.8 ×104cfu/g;其次是池杉防護(hù)林和濕地型草林，分別為3.5 ×104和4.1 ×104cfu/g;楊樹防護(hù)林型草林最低，為2.4 ×104cfu/g。兼性菌數(shù)量最多的是池杉防護(hù)林型草林系統(tǒng)，為6.9 ×104cfu/g;支浜旁草林系統(tǒng)和濕地型草林系統(tǒng)次之，分別為4.1 ×104和4.6 ×104cfu/g;楊樹防護(hù)林型草林系統(tǒng)土壤兼性菌數(shù)量最低，僅為1.2 ×104cfu/g。統(tǒng)計結(jié)果表明，厭氧菌在4 塊樣地間沒有發(fā)現(xiàn)顯著性差異，但是好氧菌和兼性菌有顯著差異(P ＜0.05)。

圖4 竺山灣不同草林類型土壤微生物數(shù)量Fig.4 Soil microbial populations of different grass-forest systems at Zhushan Bay

土壤微生物具有分解土壤有機質(zhì)和促進(jìn)腐殖質(zhì)形成，促進(jìn)植物生長以及吸收、固定并釋放養(yǎng)分，改善和調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)狀況的作用［23-25］。土壤微生物受到群落組成等多種因子的綜合作用。群落組成通過根系分泌物、植物凋落物、土壤通氣性等方面影響土壤微生物［26-28］。我國許多草林系統(tǒng)土壤調(diào)查顯示，微生物數(shù)量一般為106～108cfu/g，如濕地生態(tài)系統(tǒng)、高原森林、水稻農(nóng)田、經(jīng)濟果園土壤等［10，29-30］。相比之下，竺山灣草林土壤微生物數(shù)量處于較低的水平。這一方面是由于土壤養(yǎng)分等級比較低，另一方面由于竺山灣草林系統(tǒng)的生物多樣性低，土壤的含水率也屬于中等偏低水平，這些因素都不利于微生物的大量繁殖。而微生物數(shù)量不足，也會反過來影響草林植物腐殖質(zhì)的分解速度以及土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)［31-32］。因此，很多研究者用微生物數(shù)量來表征土壤的營養(yǎng)指數(shù)。本研究中1#～4#樣地的土壤營養(yǎng)指數(shù)依次為0.007、0.003、0.012 和0.014，均屬于極低水平。而肥沃的森林土壤營養(yǎng)指數(shù)可以接近甚至超過1［33-35］。將土壤營養(yǎng)指數(shù)與土壤和植物其他因子做相關(guān)性分析表明，土壤營養(yǎng)指數(shù)只與地下水位呈顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.05)，即土壤營養(yǎng)指數(shù)越高的地方，地下水位越低。表明地下水位低的區(qū)域，草林系統(tǒng)的土壤微生物數(shù)量越大，從而容易保持更高的土壤營養(yǎng)指數(shù)。

3 結(jié)論

(1)竺山灣緩沖帶草林系統(tǒng)對面源污染中的氮磷攔截潛力很大。該區(qū)域草林系統(tǒng)林下土壤的全氮濃度總體為中等偏低水平，全磷濃度為極缺乏水平。因此，該區(qū)域草林系統(tǒng)具有極高的氮磷緩沖潛力，可以作為重要的緩沖體系，有效攔截地表水、農(nóng)田排水以及村落生活污水中的氮磷等物質(zhì)，從而降低進(jìn)入湖泊的氮磷濃度。

(2)調(diào)查的1#～4#樣地總體上土壤營養(yǎng)狀態(tài)都較差;草林的生長狀態(tài)中2#楊樹防護(hù)林型樣地相對較好。但是4 塊樣地的生態(tài)多樣性都很低，能否作為草林系統(tǒng)的推薦樣地，還需要從污染物攔截、土壤效益等方面權(quán)衡評估。

(3)調(diào)查中不同草林類型間的有機質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮濃度以及兼性菌數(shù)量存在顯著差異;全磷濃度、銨態(tài)氮濃度、厭氧菌數(shù)量差異均不顯著。后期進(jìn)行的緩沖帶草林系統(tǒng)生態(tài)效益評價結(jié)果顯示，支浜邊草林系統(tǒng)生態(tài)效益最差，而濕地型草林具有較高的生態(tài)效益。這對優(yōu)化緩沖帶草林系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)，強化緩沖帶污染物凈化功能有一定的參考價值。

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