湘中丘陵區(qū)3種林分林下植物多樣性與土壤特性研究

唐銘燦 ， 潘 登， 潘 高

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004； 2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410004)

湘中丘陵區(qū)3種林分林下植物多樣性與土壤特性研究

唐銘燦1,2， 潘 登1,2， 潘 高1,2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004； 2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410004)

在湘中丘陵區(qū)選取針葉林、針闊混交林和闊葉林為研究對象，研究三種林分林下植被多樣性、土壤理化性質(zhì)及其相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：三種林分林下植物多樣性總體表現(xiàn)為灌木層明顯高于草本層，闊葉林、針闊混交林高于針葉林。土壤有機(jī)質(zhì)、全N和全P含量基本表現(xiàn)為隨土層加深而下降的規(guī)律。土壤含水率與各項多樣性指標(biāo)不相關(guān)，土壤容重、pH值與灌草層各多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)、全N與灌木層均勻度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)與草本層均勻度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，全P、全K與灌木層多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

湘中丘陵區(qū)； 植物多樣性； 土壤特性； 相關(guān)性

森林生態(tài)系統(tǒng)可分為四個層次，分別為喬木層、林下植被層、枯落物層和土壤層。林下植被層是植物群落結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，包括喬木幼樹層或者胸徑(DHB)<2.54 cm的木本、灌草層及蕨類植物[1]。生物多樣性是生命系統(tǒng)的基本特征，它是指地球上的動物、植物、微生物和環(huán)境形成的生態(tài)復(fù)合體以及相關(guān)的各種生態(tài)過程的總和[1]，包括物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和遺傳多樣性。相關(guān)研究表明土壤中P、K的水平與林下植物物種多樣性之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系[2]，土壤因子中有機(jī)質(zhì)、含水量、養(yǎng)分含量等影響林下植物的生長，從而影響林下植物的多樣性水平。我們以寧鄉(xiāng)縣青羊湖國有林場中三種林分(針葉林、針闊混交林、闊葉林)為研究對象，對林下植被多樣性及土壤理化性質(zhì)進(jìn)行研究，為森林的可持續(xù)經(jīng)營及物種多樣性的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧鄉(xiāng)縣青羊湖國有林場地處寧鄉(xiāng)主要山系——雪峰山余脈，介于北緯28°07′08″至28°14′55″，東經(jīng)111°54′24″至112°05′18″之間，由中低山向丘陵過渡的地帶。全場大部分山地在海拔500 m以下。坡度大部分較陡，平均坡度35°。林場屬于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。歷年平均氣溫16.2 ℃，最高40 ℃，最低-10.9 ℃。年均降雨量1438.8 mm；相對濕度85%；無霜期273天，日照時數(shù)1706～1800 h。境內(nèi)母巖主要為板頁巖，兼有少量分散的石灰?guī)r、砂礫巖、花崗巖。

選取均為中齡林的針葉林、針闊混交林及闊葉林作為研究對象，在典型地段設(shè)置面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地各三塊，記錄各樣地的海拔、坡度、坡向、郁閉度等，并對喬木層進(jìn)行每木檢尺。樣地基本特征如表1所示。

表1 樣地設(shè)置和林分狀況Tab 1 Sampleplotsandforestconditions林分類型編號坡向坡度(°)坡位平均胸徑(cm)平均高(m)平均冠幅(m×m)郁閉度1-1E27中14 713 23 5×2 50 65針葉林1-2NE28中15 813 53 8×2 60 51-3E33中下13 411 83 2×2 10 52-1E30中14 211 73 0×2 30 9針闊混交林2-2NE35下17 211 32 9×2 70 852-3NE30下16 611 92 7×2 80 853-1NW50下14 511 12 9×3 00 9闊葉林3-2N42中下15 011 52 6×2 80 93-3N36中15 811 82 4×2 70 9

2 研究方法

2.1樣方調(diào)查與樣品采樣

采用樣方調(diào)查法，在每塊不同林分類型的樣地中分別隨機(jī)設(shè)置5個面積為5 m×5 m的樣方，對樣方內(nèi)灌木層植物的種名、數(shù)量、覆蓋度和高度進(jìn)行調(diào)查與記錄；再隨機(jī)設(shè)置5個面積為1 m×1 m的小樣方，調(diào)查并記錄草本植物的種類、個數(shù)、覆蓋度及高度。在灌木樣方中，隨機(jī)取3個點，各挖掘1個30 cm的土壤剖面，按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm三個層次分別采集鋁盒土和袋裝土，并帶回實驗室。

2.2物種多樣性指標(biāo)

采用生態(tài)學(xué)應(yīng)用中最廣泛的Patrick物種豐富度指數(shù)(S)，Simspon多樣性指數(shù)(D)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(J)，計算公式[3-7]如下：

J=H/lnS

2.3土壤理化性質(zhì)指標(biāo)

土壤容重和含水率采用環(huán)刀法和烘干法測定，土壤pH值采取SJ-4A型pH計測定，全N用半微量凱氏定氮法測定，全P用鉬銻抗比色法測定，全K用火焰光度法測定，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-水合加熱法測定[8-9]。

綜上所述，管理會計在機(jī)關(guān)事業(yè)單位中的應(yīng)用并不是短時間內(nèi)就能實現(xiàn)的，其是需要經(jīng)歷漫長的過程才能構(gòu)成。這無疑是要求單位相關(guān)人員在工作中要意識到管理會計的地位，也只有樹立正確的管理意識其才能提升整體的工作質(zhì)量，保證管理條例、管理體系、管理結(jié)構(gòu)等方面建設(shè)的規(guī)范，保證工作的穩(wěn)定開展，并發(fā)揮出管理會計的應(yīng)用價值，實現(xiàn)會計核算機(jī)構(gòu)與運作模式的改革，滿足社會發(fā)展對財政體系提出的新要求，從而發(fā)揮出機(jī)關(guān)事業(yè)單位的服務(wù)智能。

數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010作圖，IBM SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對不同林分土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，對林下植被多樣性與土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1不同林分林下植物群落多樣性

物種多樣性能有效地表征及判斷生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性。豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)及Pielou均勻度指數(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的物種多樣性指標(biāo)。豐富度指數(shù)表達(dá)一個森林群落物種的豐富程度，其值越高說明物種越豐富；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)能較好地反映出物種豐富度，即物種數(shù)量越多，其數(shù)值越大；Simpson指數(shù)更側(cè)重物種的多度，是一個反映群落優(yōu)勢度的指標(biāo)，其數(shù)值越小表明群落的優(yōu)勢種越明顯，某一種或幾種優(yōu)勢種數(shù)量的增加都會使該指數(shù)值降低；Pielou均勻度指數(shù)表達(dá)的是森林群落物種分布的均勻程度，反映的是森林群落的均勻性[10]。

圖1 不同林分林下植被多樣性Fig.1 Undergrowth plant diversity in different forest stand

由圖1可以看出，在針闊混交林與闊葉林中，灌木層的豐富度(S)明顯高于草本層，其中灌木層豐富度指數(shù)基本隨群落演替而不斷上升，在闊葉林達(dá)到最大值(13)，在針闊混交林又有所下降為12，兩者差異不大。草本層的物種豐富度變化趨勢基本表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林，與灌木層基本一致。

三種林分灌木層中，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化范圍為1.978～2.242，與劉方炎等[11]研究相似在1.5～3.5之間，多樣性由高至低為：針闊混交林>闊葉林>針葉林，三種林分的灌木層植物種類豐富，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均在2.0以上。草本層的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均在1.4～1.8之間，差異較小，與物種豐富度指數(shù)變化規(guī)律一致，為闊葉林>針闊混交林>針葉林。

灌木層中，Simpson指數(shù)變化范圍在0.828～0.875之間，表現(xiàn)為針闊混交林>闊葉林>針葉林，與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化規(guī)律基本一致。草本層Simpson指數(shù)略低于灌木層，為0.761～0.793，三種林分之間差異不大。

3.2不同林分土壤理化性質(zhì)

土壤容重反映的是土壤調(diào)節(jié)水、氣、熱、肥的能力和疏松狀況，是衡量土壤質(zhì)量高低的一個重要物理指標(biāo)[2]。從表2和圖2可知，三種林分土壤容重大小順序為：針葉林>針闊混交林>闊葉林，針葉林的平均容重高達(dá)1.23 g/cm3，闊葉林最低為1.18 g/cm3。同一林分不同土層土壤容重值差異不大，基本隨土層深度的增加而增大。因地表層枯落物分解轉(zhuǎn)化形成的腐殖層使土壤疏松多孔，所以表層土壤容重最小，但三種林分土壤容重差異不顯著。土壤水分是影響土壤養(yǎng)分有效性的重要因素，三種林地中表層土含水率最高，并隨土層加深而降低。闊葉林的含水率為23.08%，高于其他兩種林地。

表2 不同林分土壤理化性質(zhì)Tab 2 Soilphysicalandchemicalpropertiesofdifferentforesttypes林分類型容重(g/cm3)pH值含水率(%)有機(jī)質(zhì)(mg/kg)全N(g/kg)全P(g/kg)全K(g/kg)針葉林1 23±0 13a4 91±0 47ac17 29±6 72a18 34±1 11a1 20±0 28a0 38±0 12a4 48±0 62ab針闊林1 20±0 25a5 35±0 38b20 82±5 16b19 86±1 04b1 22±0 30a0 48±0 21bc4 69±0 57a闊葉林1 18±0 30a5 02±0 40ac23 08±4 38b20 42±1 87b1 26±0 48a0 44±0 18bc4 32±0 61b 注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同字母表示不同林分類型土壤養(yǎng)分差異顯著(P<0 05)。

圖2 不同林分土壤理化性質(zhì)指標(biāo)Fig.2 Index of soil physical and chemical properties of different forest types

土壤pH值是重要的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，三種林分的土壤pH均值在4.91～5.35之間，呈酸性，土壤pH值隨土層深度增加而酸性減弱，但層間差異不大。土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于凋落物的分解和淋溶，也是N和P的重要來源，它對于提高土壤肥力和促進(jìn)土壤疏松具有重要的作用，許多研究[13-14]表明：闊葉林林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量高于針葉林林地。由圖2可知，三種林地土壤有機(jī)質(zhì)隨著土層深度增加而減少，闊葉林大于針闊混交林，且較顯著大于針葉林。因為闊葉樹種產(chǎn)生大量的凋落物，經(jīng)分解和淋溶，能大幅度的提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，而針葉林中，其凋落物含有降解速率慢的樹脂、單寧等物質(zhì)。在無施肥過程的森林生態(tài)系統(tǒng)中，全N是衡量土壤氮素水平的重要指標(biāo)[15]，由表2可知，全N含量表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林。全P含量變化在0.38～0.48 g/kg之間，隨土層加深而降低，針闊混交林>闊葉林>針葉林，說明混交林分比較適合全P含量的積累。一般認(rèn)為全P含量低于0.8～1.0 g/kg時，土壤常出現(xiàn)磷供應(yīng)不足[16]，在三種林分中，沒有一個林分全磷含量超過1.0 g/kg，因此，研究區(qū)域土壤缺磷現(xiàn)象可能是普遍存在的，同時也為林業(yè)經(jīng)營措施上施用磷肥提供了直接依據(jù)。林地土壤全K含量的大小順序為針葉林>針闊混交林>闊葉林，隨土層的加深而增多，范圍在4.32～4.69 g/kg之間，且針闊混交林>針葉林>闊葉林。

3.3林下植被物種多樣性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

通過對三種林分林下植被物種豐富度、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析(見表3)，結(jié)果表明：含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)、全N與灌木層S1、D1、H1指數(shù)均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系；土壤含水率與J1、D2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤容重與灌草層各多樣性指標(biāo)基本均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤pH值與草本層S2、D2、H2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)與J1負(fù)相關(guān)，與J2顯著正相關(guān)；土壤全N與J1呈負(fù)相關(guān)；全P與D1、H1呈顯著正相關(guān)，與S2、D2呈負(fù)相關(guān)；全K與D1、H1均顯著正相關(guān)，與草本層各多樣性指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見，土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K是影響群落林下植被生長與分布的主要因素。

表3 植物多樣性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析Tab 3 Correlationanalysisofdiversityindexandsoilproperties含水率容重pH值有機(jī)質(zhì)全N全P全KS10 486-0 5360 0380 5920 2450 5320 072D10 082-0 3160 5260 3790 1570 763?0 690?H10 266-0 5340 3280 6030 2100 774?0 789?J1-0 5210 1750 434-0 133-0 1140 2690 609S20 100-0 449-0 3350 1580 480-0 004-0 251D2-0 098-0 123-0 3690 0380 623-0 106-0 047H20 399-0 750?-0 0530 5260 5470 345-0 251J20 639-0 913??0 2760 811??0 4600 643-0 214 注：灌木層物種多樣性(S1，D1，H1，J1)，草本層物種多樣性(S2，D2，H2 J2)，?代表0 05顯著水平，??代表0 01極顯著水平。

4 結(jié)論與討論

(1) 三種林分林下植被的物種多樣性總體表現(xiàn)為灌木層明顯高于草本層。灌草層物種豐富度指數(shù)隨群落演替而不斷上升，變化趨勢表現(xiàn)為闊葉林>針闊混交林>針葉林，與宋鵬陽[17]研究一致。三種林分灌木層中，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)由高到低是針闊混交林>闊葉林>針葉林，其值分別是2.242、2.149、1.978，基本均在2.0以上，說明群落中灌木層物種數(shù)量較多。草本層Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化規(guī)律為闊葉林>針闊混交林>針葉林，均值在1.4～1.8之間，差異較小，說明三種林分郁閉度較高，導(dǎo)致草本層發(fā)育不成熟。灌木層Simpson指數(shù)變化范圍在0.828～0.875之間，表現(xiàn)為針闊混交林>闊葉林>針葉林，與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化規(guī)律基本一致，草本層Simpson指數(shù)略低于灌木層，為0.761～0.793。灌木層Pielou均勻度指數(shù)高于草本層，針闊混交林其值最大，闊葉林最小，原因是針葉林灌木層中，植物個體大而少，分布相對均勻，而闊葉林郁閉度高，林隙分布不均，導(dǎo)致灌木植物分布不均勻。三種林分的草本層均勻度指數(shù)差異較小，數(shù)值較大，變化規(guī)律與多樣性基本一致，表明這些群落稀疏種少，富集種多，且大部分為蕨類植物。

(2) 三種林分的土壤容重表現(xiàn)為隨土層加深而增大，針葉林>針闊混交林>闊葉林。含水率隨土層加深而降低，闊葉林含水率最大，可能是因為闊葉林土壤容重最小，土壤疏松多孔能較快吸收降水并及時下滲，同時大量凋落物的蓄積在一定程度上起到了持水作用。pH值隨土層加深而減弱，呈酸性。有機(jī)質(zhì)含量隨土層加深而降低，表現(xiàn)為闊葉林大于針闊混交林，且較顯著大于針葉林，與其他研究一致[13-14]。全N含量隨土層加深而降低，三種林分含量順序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林，其原因是闊葉林林地含有較多枯落物、草本植物，而森林土壤中95%的氮素來源于凋落物。全P含量隨土層加深而降低，針闊混交林>闊葉林>針葉林，但三種林分全P含量均低于0.8～1.0 g/kg，說明該研究區(qū)域土壤普遍缺磷，同時也為林業(yè)經(jīng)營措施上施用磷肥提供了直接依據(jù)。全K含量隨土層加深而增多，針闊混交林>針葉林>闊葉林。

(3) 各項多樣性指標(biāo)與土壤大部分理化性質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系。土壤容重、含水率、pH值對各項多樣性指標(biāo)影響不明顯，土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K與各項多樣性指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，說明土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K是影響群落林下植被生長與分布的主要因素。

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TheunderstoryplantdiversityandsoilpropertiesofthreeforesttypesinhillyregionofcentralHunanProvince

TANG Mingcan1,2， PAN Deng1,2， PAN Gao1,2

( 1.Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China)2.National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China，Changsha 410004，China)

This paper selected coniferous forests, coniferous and broadleaved mixed forests and broadleaf forests as the research object in the hilly region in central Hunan Province, to study species diversity of undergrowth vegetation, soil physical and chemical properties, and correlation between them in three forest types.The results showed that plant diversity index of shrub layer were all higher than herb layer, coniferous and broadleaved mixed forests and broadleaf forests were higher than coniferous forests.The contents of soil organic matter, total N and total P showed significantly decreased with increasing soil depth.The soil water content was not related with the diversity indexes.Soil bulk density and pH had negative relativity with the diversity index, organic matter and total N had negative relativity with shrub layer evenness index, but organic matter had significant relativity with herb layer evenness index(P<0.01), total P and total K had significant relativity with shrub layer diversity indexes(P<0.05).

hilly region in central Hunan Province; plant diversity; soil properties; relativity

2015-10-28

湖南省水利廳水保專項(20132130310)。

唐銘燦(1992-)，女，碩士研究生，主要從事生態(tài)規(guī)劃與管理研究。

S 718.5

A

1003-5710(2016)01-0038-06

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字編校： 張 珉)