冀北壩上地區(qū)營造樟子松人工林對植被群落特征與土壤理化性質(zhì)的影響

李維維,朱占軍,李玉雯,高云昌,馬增旺,李玉靈,3,黃占軍,李曉剛,3

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定071000;2河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院,河北 石家莊050067; 3河北豐寧沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,河北 豐寧068357;4張家口市屯墾林場,河北 張家口076650)

冀北壩上地區(qū)位于京津以及華北平原的上風(fēng)上水方向,肩負(fù)著京津冀生態(tài)屏障與支出功能[1]。同時(shí),該地區(qū)位于內(nèi)蒙古高原東南緣的農(nóng)牧交錯(cuò)帶,是季風(fēng)氣候向大陸氣候、濕潤森林向荒漠草原過渡的中間地帶,植被大部分屬于溫帶半干旱干草原,僅東部部分區(qū)域?qū)偕植菰筒莸椴菰?自然植被稀疏,地表大面積裸露,生態(tài)環(huán)境脆弱,因此冀北壩上地區(qū)是構(gòu)建京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)最前沿最敏感的區(qū)域[2]。20世紀(jì)50年代以來,冀北壩上地區(qū)人口逐漸增加,由于過度開墾放牧,加之水資源短缺、氣候寒冷等原因,該地區(qū)草原逐漸退化[3]。21世紀(jì)以來,圍繞“沿邊、沿壩、壩上林網(wǎng)、潮河流域、灤河流域、窗口地帶”六大工程體系布局,國家先后實(shí)施了京津風(fēng)沙源治理、“一退雙還”、千松壩造林、壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)、日援造林和德援造林等一批重點(diǎn)生態(tài)工程,大規(guī)模的人為造林使冀北壩上地區(qū)林地面積得到了迅速增加[4]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有適應(yīng)性強(qiáng)、抗旱、耐瘠薄和速生等優(yōu)良特性,可在養(yǎng)分、水分條件較差的風(fēng)沙土上生長良好,因此被廣泛用于我國北方荒漠化地區(qū)的生態(tài)工程。目前,樟子松是冀北壩上地區(qū)主要的造林樹種之一,樟子松人工林在遏制冀北地區(qū)土地荒漠化、保護(hù)農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)、減緩氣候變化方面都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[5]。冀北壩上地區(qū)地域狹長,從西到東氣候逐漸變得濕潤,土壤由風(fēng)沙土變?yōu)榛疑滞羀6]。不同的環(huán)境條件勢必會(huì)對造林效果產(chǎn)生影響,然而目前在冀北壩上地區(qū)就樟子松造林對植被群落特征與土壤影響的研究都是基于某點(diǎn)進(jìn)行的,對冀北壩上全域的研究尚不充分[7]。因此,本研究將冀北壩上地區(qū)劃分為壩西、壩中、壩東3個(gè)區(qū)域,以林齡相近的樟子松人工林為研究對象,以天然草地為對照,調(diào)查植被物種組成、物種多樣性和土壤理化性質(zhì),分析同一植被類型不同區(qū)域以及同一區(qū)域不同植被類型間植被物種組成、物種多樣性和土壤理化性質(zhì)的差異,明確在冀北壩上地區(qū)營造樟子松人工林對植被群落特征和土壤理化性質(zhì)的影響,為該地區(qū)生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

冀北壩上地區(qū)位于內(nèi)蒙古高原至冀北山地的過渡帶,平均海拔1 200～1 500 m[3],行政區(qū)劃上包括張北、康保、沽源縣的全境以及尚義、豐寧和圍場縣的部分區(qū)域,地理坐標(biāo)E 114°35′～116°45′ , N 41°00′～42°20′ ,總面積18 214 km2,占河北省總面積的1/10[8]。該地區(qū)屬于大陸季風(fēng)高原氣候,年均氣溫-0.3～3.5℃,最冷月平均氣溫-18.6℃,最熱月平均氣溫17.6 ℃,冬季嚴(yán)寒漫長,夏季清涼短暫,≥10 ℃積溫1 300～2 200 ℃,無霜期80～110 d[9];年降水量400 mm左右,雨熱同期,冬季、春季干旱,大部分降水集中在6-9月;年蒸發(fā)量約為1 500 mm,5月蒸發(fā)量最大;光照充足,年日照時(shí)數(shù)2 600～3 100 h[9];大風(fēng)天氣頻繁,年平均風(fēng)速4.5～5.0 m/s,年大風(fēng)日數(shù)65～70 d,且多分布于冬春季節(jié)[10]。以閃電河為界,壩上自然生態(tài)系統(tǒng)有明顯差異,壩西地區(qū)屬封閉的內(nèi)流區(qū),氣候干旱,雨量稀少,蒸發(fā)量是降雨量的4～5倍,地表植被為干草原;壩東地區(qū)是壩上的外流區(qū),降水較多,氣候濕潤,地表植被為森林草原和草甸草原[11]。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

本研究以閃電河為界,將壩上地區(qū)劃分為壩西和壩東2個(gè)區(qū)域,閃電河附近作為過渡區(qū)域,定義為壩中區(qū)。于2020年7-8月,分別在壩西(張家口市康?？h屯墾鎮(zhèn))、壩中(承德市豐寧滿族自治縣大灘鎮(zhèn))和壩東(承德市牧場管理區(qū))海拔(1 400 m～1 500 m)、坡度(平坦,<5°)等立地條件相似地段,選擇樟子松人工林為研究對象,以天然草地為對照測定植被物種多樣性和土壤理化性質(zhì),樣地基本概況見表1。每個(gè)區(qū)域每種植被類型分別隨機(jī)選擇3塊重復(fù)樣地,每塊樣地面積30 m×30 m,間隔50 m以上,對樟子松人工林樣地中的樟子松每木檢尺;在每個(gè)樣地內(nèi)分別隨機(jī)設(shè)置9個(gè)1 m×1 m的草本樣方,調(diào)查草本植物的種類、蓋度、高度、頻度等指標(biāo),用于計(jì)算植被物種多樣性指數(shù)。

表1 樣地概況Table 1 General situation of research area

2.2 土壤樣本采集與處理

在每塊樣地各挖取1個(gè)60 cm深的土壤剖面,除去土壤表面的石塊以及植被枯枝落葉等雜物后,用環(huán)刀法分別測定0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm層土壤的容重、孔隙度等物理性質(zhì)[12]。在用環(huán)刀取土的同時(shí),分別再取足夠量的原狀土和袋裝土,用DIK-2012恒溫式濕篩儀測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,參考土壤農(nóng)化分析測定土壤化學(xué)性質(zhì)[13]。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

分別計(jì)算不同物種的相對蓋度、相對高度、相對頻度,計(jì)算各物種的重要值(IV)。根據(jù)重要值計(jì)算植被物種多樣性指數(shù),計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

未知節(jié)點(diǎn)接收到至少3個(gè)不共線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息才能通過三邊測量法進(jìn)行自身位置估計(jì)。借鑒此思想建立通過3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),獲取未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的定位數(shù)學(xué)模型。

(4)

Margalef豐富度指數(shù)：

(5)

Simpson多樣性指數(shù)：

(6)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

(7)

Pielou均勻度指數(shù)：

(8)

式中：S表示某樣方內(nèi)所有物種之和;N表示某樣方內(nèi)所有物種個(gè)體數(shù)之和;Pi表示某物種的重要值與所有物種重要值之和的比值。

用單因素方差分析法分析同一植被類型不同區(qū)域以及同一區(qū)域不同植被類型之間物種多樣性指標(biāo)的差異,用LSD法進(jìn)行多重比較(α=0.05);區(qū)域、植被類型土層都會(huì)對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響,本研究以土層為區(qū)組,用單因素隨機(jī)區(qū)組分析法去除土層的影響,分析同一植被類型不同區(qū)域間以及同一區(qū)域不同植被類型之間土壤理化性質(zhì)的差異,用LSD法進(jìn)行多重比較(α=0.05)。所有數(shù)據(jù)均用Excel 2019進(jìn)行整理與制圖,用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 冀北壩上地區(qū)營造樟子松人工林對植被物種組成和多樣性的影響

3.1.1 冀北壩上地區(qū)營造樟子松人工林對植被物種組成的影響 表2 顯示冀北壩上地區(qū)不同區(qū)域天然草地和樟子松人工林的物種組成。由該表可知,壩西天然草地共有草本植物14種,以草地風(fēng)毛菊(Saussureaamara)、毛馬唐(Digitariaciliarisvar.chrysoblephara)、披針葉苔草(Carexlanceolata)等菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)等植物為主,沒有喜陰植物;營造樟子松人工林后菊科(Asteraceae)的冷蒿(Artemisiafrigida)、豆科(Fabaceae)的米口袋(Gueldenstaedtiaverna)和薔薇科(Rosaceae)的細(xì)裂委陵菜(Potentillachinensisvar.lineariloba)消失,新增細(xì)葉苔草(Carexrigescens)、腺毛委陵菜(Potentillalongifolia)、北烏頭(Aconitumkusnezoffii)等莎草科、薔薇科、毛茛科(Ranunculaceae)等植物16種,樟子松人工林草本植物增至27種,以毛馬唐、披針葉苔草(Carexlanceolata)、草地風(fēng)毛菊等禾本科、莎草科、菊科等植物為主,喜陰植物重要值和占總重要值7.70%。壩中天然草地共有草本植物37種,以茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、冰草(Agropyroncristatum)、腺毛委陵菜等菊科、禾本科、薔薇科等植物為主,喜陰植物重要值和占總重要值的3.53%;營造樟子松人工林后冰草、鵝觀草(Elymuskamoji)、阿拉伯黃背草(Themedatriandra)等禾本科等11種植物消失,新增芨芨草(Neotriniasplendens)、艾(Artemisiaargyi)、刺兒菜(Cirsiumarvensevar.integrifolium)等禾本科、菊科等植物9種,樟子松人工林草本植物減至35種,以叢生隱子草(Cleistogenescaespitosa)、茵陳蒿、野艾蒿(Artemisialavandulifolia)等禾本科、菊科等植物為主,喜陰植物重要值和占總重要值的18.64%。壩東天然草地共有草本植物62種,主要以地榆(Sanguisorbaofficinalis)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、裂葉蒿(Artemisiatanacetifolia)等薔薇科、禾本科、菊科等植物為主,喜陰植物重要值和占總重要值的10.33%;營造樟子松人工林后地榆、裂葉蒿、全緣橐吾(Ligulariamongolica)等薔薇科、菊科等34種植物消失,新增大瓣鐵線蓮(Clematismacropetala)、路邊青(Geumaleppicum)、艾蒿等毛茛科、薔薇科、菊科等植物17種,樟子松人工林草本植物減至45種,以細(xì)葉苔草、瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)、大瓣鐵線蓮等莎草科、毛茛科等植物為主,喜陰植物重要值和占總重要值的10.55%。

不同區(qū)域 Different sections(a)

不同區(qū)域 Different sections(a)

不同區(qū)域 Different sections(a)

表2 冀北壩上地區(qū)不同區(qū)域天然草地和樟子松人工林的物種組成Table 2 Species composition of natural grassland and P. sylvestris var.mongolica plantation in different sections in Bashang area, northern Hebei Province

3.1.2 冀北壩上地區(qū)營造樟子松人工林對植被物種多樣性的影響 圖1顯示冀北壩上地區(qū)3個(gè)區(qū)域天然草地和樟子松人工林之間物種多樣性的差異。由該圖可知,天然草地的DM從壩西到壩東依次為1.51、3.69、4.66,呈現(xiàn)出遞增趨勢;DS從壩西到壩東依次為0.76、0.91、0.87,其中壩中顯著大于壩東,壩東又顯著大于壩西;H′從壩西到壩東依次為1.72、2.72、2.45,其中壩中和壩東均顯著大于壩西,壩中與壩東之間差異不顯著;Jsw從壩西到壩東依次為0.69、0.87、0.70,其中壩中顯著大于壩西和壩東,壩西與壩東之間差異不顯著。營造樟子松人工林后,壩西的DM顯著增大至2.38,壩中的DS和H′分別顯著減小至0.82和2.56;壩西和壩中的Jsw分別顯著減小至0.60和0.69;3個(gè)區(qū)域其他指標(biāo)均未產(chǎn)生顯著差異。

3.2 冀北壩上地區(qū)營造樟子松人工林對土壤理化性質(zhì)的影響

3.2.2 冀北壩上地區(qū)營造樟子松造人工林對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 圖3顯示冀北壩上地區(qū)3個(gè)區(qū)域2種植被類型之間土壤主要化學(xué)性質(zhì)的差異。由圖可知,天然草地土壤全氮含量從壩西到壩東依次為2.80、2.76、2.94 g/kg,全鉀含量依次為15.07、17.00、15.02 g/kg,有效磷含量依次為0.85、0.79、0.89 mg/kg,速效鉀含量依次為71.55、85.26、49.66 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量依次為86.68、94.97、101.86g/kg,這些指標(biāo)3個(gè)區(qū)域間差異均不顯著;天然草地土壤全磷含量從壩西到壩東依次為0.20、0.28、0.41 g/kg,堿解氮含量依次為75.83、94.03、300.3 mg/kg,該2指標(biāo)均為壩東顯著大于壩西和壩中,壩西和壩中之間差異不顯著;3個(gè)區(qū)域土壤pH為壩西和壩中顯著大于壩東,其中壩西和壩中土壤的pH分別為9.11和8.58,顯著偏堿性,壩東為6.75,呈中性。營造樟子松人工林后,壩中和壩東土壤全氮含量分別顯著減小至1.60和0.96 g/kg;壩東土壤堿解氮含量顯著減小至142.57 mg/kg;壩西和壩中土壤的pH分別顯著減小至7.63和7.07;3個(gè)區(qū)域其他指標(biāo)均未產(chǎn)生顯著差異。

4 討論

本研究結(jié)果顯示,壩西樟子松人工林林下草本植物群落的DM顯著大于天然草地,而Jew顯著小于天然草地;壩中樟子松人工林林下草本植物群落的DS、H′和Jew均顯著小于天然草地;壩東樟子松人工林林下草本植物群落的各物種多樣性指標(biāo)與天然草地之間沒有顯著差異,說明在壩西營造樟子松人工林后草本植物的物種豐富度增加,但物種均勻度減小;在壩中營造樟子松人工林后草本植物群落的多樣性和均勻度減小;而在壩東營造樟子松人工林對草本植物群落沒有顯著影響。出現(xiàn)這種情況的原因可能是壩西缺水嚴(yán)重[12]。水分是植物生長的主要限制性因子,樹木具有水分提升效應(yīng),它可以通過深扎于地下的根系將深層水分加以利用并提升至上層,使林內(nèi)上層土壤水分條件顯著變好,從而使林下物種數(shù)量增多[13];另一方面,遮陰會(huì)對林下物種有明顯的篩選作用,造林后耐陰植物會(huì)優(yōu)先生長,喜陰植物優(yōu)勢度增加(表2),使物種的不均衡性增加,因此林下植被均勻度降低[14]。而在壩中,氣候條件相對濕潤,水分不再是植物生長的主要限制因子,天然草地物種數(shù)量相對豐富,這時(shí)樟子松人工林林內(nèi)物種對養(yǎng)分的競爭與林冠的遮陰作用會(huì)限制植物的生長,從而導(dǎo)致該區(qū)域林下植被物種多樣性和均勻度減小[15]。壩東由于天然植被是森林草原,造林前后外在環(huán)境差異不大,因此壩東樟子松人工林的物種多樣性與天然草地差異不顯著。

在干旱半干旱地區(qū),大氣降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)量,巖石、礦物風(fēng)化釋放出的堿金屬和堿土金屬的簡單鹽類不能徹底遷移出土體而大量聚集在土壤和地下水中,其中的碳酸鹽和重碳酸鹽通過水解可產(chǎn)生OH-,從而使土壤向堿性方向演化;另外,草本植物含纖維素多,灰分中鹽基離子含量高,高等植物的選擇性吸收也會(huì)富集大量鹽基離子,形成的土壤多呈中性至微堿性[16]。壩西和壩中區(qū)域的干旱程度大于壩東,且植被以草原為主,因此土壤呈堿性(圖4)。木本植物灰分中鹽基離子較少,凋落物中含單寧樹脂類物質(zhì)較多,分解后易產(chǎn)生較強(qiáng)的酸性物質(zhì);另外,土壤里的微生物、植物根系以及其他土壤生物能在其生命活動(dòng)過程中不斷地放出CO2,溶于水后形成碳酸,解離出H+,同時(shí)微生物在分解有機(jī)物的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生多種有機(jī)酸,這些都會(huì)導(dǎo)致土壤向酸性方向發(fā)展,因此在壩西和壩中營造樟子松人工林能顯著減小土壤pH值[16]。壩東氣候相對濕潤,且生態(tài)過程有木本植物的參與,地被物較壩西和壩中豐富,因此土壤pH顯著小于壩西和壩中,呈中性(圖4)。樟子松人工林可以將土壤調(diào)節(jié)至中性,即在酸性土壤上造林能使土壤pH值升高,在堿性土壤上則能使pH值降低,因此在壩東營造樟子松人工林對土壤pH沒有顯著影響[17]。

土壤中的腐殖質(zhì)、多糖類、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素以及許多微生物的分泌物、菌絲、土壤動(dòng)物和植物根系分泌物等均對土壤有團(tuán)聚作用,其中腐殖質(zhì)中的胡敏酸能與鈣結(jié)合形成不可逆凝聚狀態(tài),其膠結(jié)作用對土壤結(jié)構(gòu)的形成作用較大,同時(shí)抗微生物的分解能力強(qiáng),能形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[18]。壩西樟子松人工林土壤大團(tuán)聚體含量顯著大于天然草地,這可能是由于壩西樟子松人工林中和了原先土壤的堿性,使土壤中的動(dòng)物、植物、微生物、細(xì)菌、真菌和各種酶類等的活性增強(qiáng),同時(shí),土壤中植物根系變多,分泌的黏液及膠結(jié)作用增強(qiáng),從而使土壤中大團(tuán)聚體含量增多,這也導(dǎo)致土壤的非毛管孔隙度增大,進(jìn)而使壩西樟子松人工林土壤容重與天然草地相比顯著降低(圖3)[19]。

樟子松個(gè)體生長需要的養(yǎng)分多于草本植物,加之從壩西到壩東氣候和土壤條件依次變好,使樟子松的生長速度從壩西到壩東依次變快,這可能導(dǎo)致壩中和壩東的樟子松對土壤養(yǎng)分的吸收要大于歸還[20]。因此,壩中樟子松人工林土壤全氮的含量與壩東樟子松人工林土壤全氮和堿解氮的含量均顯著小于天然草地(圖4),這也說明,樟子松的生長對氮素的需求量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他元素,這與程昊天等在不同林齡樟子松人工林土壤-針葉-微生物生態(tài)化學(xué)計(jì)量及穩(wěn)態(tài)性特征研究中各林齡樟子松人工林土壤碳氮比均高于全國平均水平,表現(xiàn)為N限制的結(jié)果一致[21-23]。壩東樟子松在快速生長的同時(shí),其根系也會(huì)對土壤產(chǎn)生擠壓,從而造成土壤毛管孔隙度減小,容重增大。因此,壩東樟子松人工林土壤毛管孔隙度顯著小于天然草地,而容重顯著大于天然草地(圖3)。

5 結(jié)論

在冀北壩上地區(qū)不同區(qū)域營造樟子松人工林效果并不相同,在壩西營造樟子松人工林會(huì)增加草本植物物種豐富度、土壤大團(tuán)聚體含量和毛管孔隙度,減小植被均勻度、土壤容重和pH值;在壩中營造樟子松人工林會(huì)減小植被的均勻度、物種多樣性、土壤全氮含量和pH值;在壩東營造樟子松人工林對草本植物群落沒有顯著影響,但可以減小土壤毛管孔隙度、全氮和堿解氮含量,增大土壤容重。在壩西營造樟子松人工林對植被群落和土壤理化性質(zhì)積極效果明顯。