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    生物炭對(duì)不同林齡杉木人工林林下植被的影響

    2019-09-25 04:23:19劉志剛劉愛琴朱晨曦
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年6期
    關(guān)鍵詞:物種多樣性生物炭杉木

    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(duì)人工林地力有一定的影響,因此在福建三明莘口教學(xué)林場(chǎng)洋頂工區(qū)內(nèi)選擇3種發(fā)育階段不同的杉木人工林設(shè)立樣地,設(shè)計(jì)施生物炭(木炭、竹炭)及不施炭共3種處理,對(duì)樣地內(nèi)林下植被的種類、數(shù)量、地徑、高度、冠幅、蓋度等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查,研究生物炭對(duì)不同林齡林下植被的影響。結(jié)果表明,施炭3年后,不同林齡林下植被優(yōu)勢(shì)物種的種類和重要值發(fā)生了改變,物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)也有所變化,表現(xiàn)為幼齡林灌木層竹炭處理>對(duì)照>木炭處理,草本層竹炭處理>木炭處理>對(duì)照;中齡林灌木層竹炭處理>對(duì)照>木炭處理,草本層對(duì)照>木炭處理>竹炭處理;成熟林灌木層草本層均是對(duì)照>竹炭處理>木炭處理。施生物炭對(duì)不同林齡的影響大小具體表現(xiàn)為成熟林>中齡林>幼齡林,木炭處理>竹炭處理。

    關(guān)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(chǎn)量高、材質(zhì)好的特點(diǎn),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(tài)系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)杉木二代林比一代林產(chǎn)量下降10%~15%,三代林比一代林產(chǎn)量下降40%~50%,并發(fā)現(xiàn)林下植被可以有效提高土壤營養(yǎng)元素含量,增加土壤微生物數(shù)量,有效地維護(hù)和恢復(fù)土壤功能[3]。

    林下植被作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定有重要作用[4]。并且有研究發(fā)現(xiàn)林下植被對(duì)土壤含水量、溫度、容重等物理性質(zhì)有一定的影響[5]。有研究發(fā)現(xiàn)豐富的林下植被對(duì)人工林地力恢復(fù)有一定的影響[6],林下植被對(duì)增加生態(tài)系統(tǒng)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(zhì)[8]受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的普遍關(guān)注。田永強(qiáng)等在生物炭自身性質(zhì)以及在改良作物生長生態(tài)環(huán)境等方面進(jìn)行了大量的研究,發(fā)現(xiàn)生物炭能夠有效地吸附土壤或沉積物中的有機(jī)污染物和重金屬[9],而對(duì)土壤性質(zhì)、作物產(chǎn)量等方面的研究存在爭議,有部分研究認(rèn)為生物炭的施加可以減少作物產(chǎn)量。而在生物炭對(duì)杉木林地生態(tài)環(huán)境的影響方面的研究較少,因此研究生物炭對(duì)杉木人工林林下植被多樣性、數(shù)量以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

    鑒于此,本研究在福建三明莘口教學(xué)林場(chǎng)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(duì)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(yīng)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(qū)概況

    試驗(yàn)樣地設(shè)在福建省三明市莘口鎮(zhèn)莘口教學(xué)林場(chǎng)洋頂工區(qū)(117°28′E、26°09 N)內(nèi),此地距離三明市區(qū)大約30 km,本區(qū)域?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)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(fā)量 1 585 mm,年均相對(duì)濕度79%,年均日照時(shí)間1 872 h,無霜期240~300 d,海拔210~1 510 m。試驗(yàn)地土壤為坡積母質(zhì)的山地紅壤,林下植被主要有狗脊、芒萁等。試驗(yàn)地基本情況見表1。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    2012年12月7日在三明市莘口教學(xué)林場(chǎng)洋頂工區(qū)內(nèi)選擇立地條件、土壤條件相近,但發(fā)育階段不同的杉木人工林設(shè)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(fā)育階段,按照12 t/hm2的標(biāo)準(zhǔn)施生物炭1次,設(shè)計(jì)3種處理(施木炭、竹炭、不施生物炭),每個(gè)處理重復(fù)3次,共設(shè)27塊樣地,每塊樣地面積 20 m×20 m。試驗(yàn)采用的生物炭以杉木和毛竹(杉木與毛竹為南方部分林場(chǎng)主要產(chǎn)品)為原料,傳統(tǒng)土窯生產(chǎn)的木炭和竹炭,其基本性質(zhì)見表2。

    1.3 植被調(diào)查

    2015年12月在樣地進(jìn)行植被調(diào)查,在每個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地中設(shè)置1 m×1 m的小樣方3個(gè),每種林齡設(shè)置27個(gè)小樣方,共81個(gè)小樣方。調(diào)查每個(gè)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(shù)量、地徑、高度、冠幅,草本層記錄種名、數(shù)量、高度、蓋度[10-11]。

    1.4 數(shù)據(jù)處理

    1.4.1 重要值 用于植物群落數(shù)量分類,分析優(yōu)勢(shì)種集中程度時(shí)使用的綜合指標(biāo)[12]。

    1.4.2 物種多樣性指數(shù) 物種豐富度采用樣方的物種數(shù)(S)作為衡量指標(biāo);物種多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Simpson多樣性指數(shù)(D);物種均勻度采用Pielou均勻度指數(shù)(J′)衡量;生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)采用McIntosh指數(shù)(DMc)來計(jì)算[13]。

    1.4.3 數(shù)據(jù)分析 應(yīng)用Excel 2010計(jì)算物種的重要值及多樣性指數(shù)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 生物炭對(duì)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??梢钥闯觯寄居g林不同處理之間以對(duì)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(duì)照和竹炭處理多7種和4種,與對(duì)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(duì)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(duì)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(xiàn)為對(duì)照(7種)>竹炭處理(5種)>木炭處理(3種),對(duì)照中的優(yōu)勢(shì)種為芒萁,重要值達(dá)到43.92%,而在木炭和竹炭處理下的優(yōu)勢(shì)種為薄蓋短腸蕨,重要值分別達(dá)到 40.02%、38.73%,芒萁成為第2優(yōu)勢(shì)種,但與最優(yōu)種的差距不大。芒萁、薄蓋短腸蕨、五節(jié)芒在3種處理中均有出現(xiàn),黑莎草、烏毛蕨、藎草僅出現(xiàn)在對(duì)照中,蘆葦僅出現(xiàn)在竹炭處理中??梢娚锾康氖┘邮褂g林草本層物種數(shù)與對(duì)照相比有所減少,而施用竹炭的處理出現(xiàn)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(xiàn)為對(duì)照(20種)>竹炭處理(13種)=木炭處理(13種),對(duì)照中的優(yōu)勢(shì)種為山蒼子,重要值達(dá)到32.67%;而在木炭和竹炭處理下的優(yōu)勢(shì)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(xiàn)。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(xiàn),僅出現(xiàn)在對(duì)照中的物種有地念、銹毛莓、枇杷葉紫珠、大青、三花懸鉤子、細(xì)圓藤、菝葜、香花崖豆藤;赤楠僅在木炭處理中出現(xiàn)??梢娚锾渴┘?年后幼齡林灌木層的物種數(shù)少于對(duì)照。

    2.3 生物炭對(duì)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(xiàn)為木炭處理(15種)>竹炭處理(13種)>對(duì)照(12種),對(duì)照、木炭處理、竹炭處理的優(yōu)勢(shì)種均為棕葉狗尾草,重要值分別達(dá)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(xiàn),東方烏毛蕨、鐵線蕨僅出現(xiàn)在對(duì)照中,半邊旗、海金沙僅在木炭處理下出現(xiàn),蘆竹、羽裂圣蕨僅在竹炭處理下出現(xiàn),出現(xiàn)在施炭處理中而在對(duì)照中未出現(xiàn)的有淡綠短腸蕨、江南短腸蕨、水韭等7種植物??梢娛┨刻幚碓黾恿酥旋g林林下草本植物的物種數(shù)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(xiàn)為木炭處理(9種)>竹炭處理(8種)>對(duì)照(6種),對(duì)照、木炭處理、竹炭處理的優(yōu)勢(shì)種均為短梗南蛇藤,重要值分別達(dá)到60.33%、49.42%、48.54%。粗葉榕在3種處理中均有出現(xiàn),白花苦燈籠僅出現(xiàn)在對(duì)照中,東南野桐、紅葉石楠、銹毛莓僅在木炭處理下出現(xiàn),筆羅子、空心炮、顯齒蛇葡萄僅在竹炭處理下出現(xiàn)。出現(xiàn)在施炭處理中而在對(duì)照中未出現(xiàn)的有白花龍、毛冬青等8種植物,在對(duì)照中重要值達(dá)到14.43%且排在第二優(yōu)勢(shì)種的大青在木炭處理下未出現(xiàn)。可見施炭處理增加了中齡林林下灌木植物的物種數(shù)量,改變了優(yōu)勢(shì)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(duì)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(xiàn)為對(duì)照(15種)>竹炭處理(14種)>木炭處理(9種),對(duì)照、竹炭處理的優(yōu)勢(shì)種均為華山姜,重要值分別達(dá)到18.57%、19.45%,木炭處理的優(yōu)勢(shì)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(xiàn),羽裂圣蕨僅出現(xiàn)在對(duì)照中,棕葉狗尾草僅在竹炭處理下出現(xiàn)??梢娛┨?年后,成熟林林下草本植物的物種數(shù)量減少,木炭處理比竹炭處理減少物種數(shù)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(xiàn)為對(duì)照(14種)>木炭處理(11種)>竹炭處理(5種),對(duì)照的優(yōu)勢(shì)種為毛冬青,重要值為23.74%;木炭處理的優(yōu)勢(shì)種為菝葜,重要值為33.94%;竹炭處理的優(yōu)勢(shì)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(xiàn)。異果崖豆藤、大青、玉葉金花僅出現(xiàn)在對(duì)照中,杜莖山、香花崖豆藤僅在木炭處理下出現(xiàn)??梢娛┨刻幚?年后,成熟林林下灌木植物的物種數(shù)量減少,優(yōu)勢(shì)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(shù)

    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(shù)表現(xiàn)為對(duì)照>竹炭處理=木炭處理,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是竹炭處理>對(duì)照>木炭處理。中齡林灌木層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為木炭處理>竹炭處理>對(duì)照,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是竹炭處理>對(duì)照>木炭處理。成熟林灌木層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為對(duì)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(shù)表現(xiàn)為對(duì)照>竹炭處理>木炭處理,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是竹炭處理>木炭處理>對(duì)照。中齡林草本層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為木炭處理>竹炭處理>對(duì)照,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是對(duì)照>木炭處理>竹炭處理。成熟林草本層物種豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是對(duì)照>竹炭處理>木炭處理。

    3 討論與結(jié)論

    研究表明,栽植代數(shù)、發(fā)育階段、造林密度等都對(duì)杉木人工林林下植被的生長發(fā)育和群落結(jié)構(gòu)變化有一定的影響[9,14],林下植被的物種多樣性指數(shù)與土壤全N、全K、速效K含量基本呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,與含水率、pH值、P含量的相關(guān)關(guān)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(zhì)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(dǎo)水率,還能增加土壤有機(jī)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(duì)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(yōu)勢(shì)種無變化,但草本層的蕨類植物增加。本研究發(fā)現(xiàn),施加生物炭3年后,對(duì)杉木幼齡林林下植被的影響最明顯,物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)整體上均有所提高,但生物炭處理減少了植被種類數(shù),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(shù)量增加,這與施生物炭1年后調(diào)查的結(jié)果不同,原因可能是施生物炭1年后土壤養(yǎng)分含量高于對(duì)照,而施生物炭3年后養(yǎng)分含量與對(duì)照差距減小,說明杉木人工林林下植被與土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)。

    整體上看,施加竹炭后比施加木炭后的物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)要高,說明竹炭比木炭對(duì)林下植被的群落結(jié)構(gòu)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(yǎng)分含量,為林下植被的生長提供了有利的環(huán)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(yǎng)分含量,從而影響了林下植被的發(fā)育。豐富的林下植被可以提高土壤N、K等養(yǎng)分含量,對(duì)杉木連栽造成的地力衰退有一定的恢復(fù)作用,而本研究中林下植被的種類和數(shù)量是減少的,物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大部分也是對(duì)照高于施生物炭處理,有研究者發(fā)現(xiàn)20%的研究中生物炭使作物產(chǎn)量下降,50%的研究表明施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量,有很多試驗(yàn)結(jié)論是相互矛盾的[9,21],這說明生物炭有可能產(chǎn)生對(duì)林下植被不利的影響。因此將生物質(zhì)炭作為土壤改良劑恢復(fù)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(zhì)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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