呂 剛,王 婷,李葉鑫,魏忠平,王 凱

1 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,阜新 123000 2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,阜新 123000 3 遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院,沈陽 110036

植被恢復(fù)是嚴重退化生態(tài)系統(tǒng)土壤逆轉(zhuǎn)的主要途徑[1- 2],荒漠化土地在植被重建過程中,經(jīng)過植被-土壤兩個生態(tài)系統(tǒng)雙重的交互影響后向正向發(fā)育,從而使荒漠化土地土壤特性得以改良[2- 3]。退化生態(tài)系統(tǒng)重建與恢復(fù)的主要內(nèi)容是植被恢復(fù)過程中植物多樣性的恢復(fù)[4]。植被恢復(fù)重建后,在氣候條件相對一致的條件下,因生存環(huán)境及植物體間固有的差異,不同植被重建類型林下土壤理化性質(zhì)具有一定的差異,而不同的土壤理化性質(zhì)改變土壤養(yǎng)分狀況,反之又會作用于群落內(nèi)的諸多生態(tài)過程[5],間接影響到地上植被物種多樣性及演替進程。劉道錕等[6]研究表明物種豐富度指數(shù)與容重呈正相關(guān),與土壤含水量及養(yǎng)分呈顯著負相關(guān)；盛茂銀等[7- 8]認為土壤有機質(zhì)、氮素、鉀素、持水狀況、孔隙度和植物多樣性均勻度指數(shù)等是喀斯特石漠化地區(qū)基于土壤理化性質(zhì)和植物多樣性評價土壤石漠化程度的關(guān)鍵指標,且土壤理化性質(zhì)與植物多樣性指數(shù)具有明顯的相關(guān)性；羅亞勇等[9]研究青藏高原東緣高寒草甸退化過程表明,植物多樣性和土壤碳、氮的降低存在明顯的正相關(guān)；文海燕等[10]研究了科爾沁退化沙質(zhì)草地不同沙漠化階段物種多樣性的變化表明有機碳、全氮、全磷、有效氮與植物多樣性達顯著或極顯著相關(guān)；目前關(guān)于植物多樣性與土壤理化性質(zhì)及其關(guān)系的研究主要集中在內(nèi)蒙古高原退化坡地、喀斯特石漠化地區(qū)、高寒草甸區(qū)及科爾沁退化沙質(zhì)草地等植被退化區(qū)[6- 10],而植被恢復(fù)區(qū)的植物多樣性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系研究較少。

彰武縣章古臺樟子松在“三北”防護林體系工程中發(fā)揮了巨大效益[11]。然而,由于受單一樹種栽培及森林衰退病的影響[11-13],自20世紀90年代初開始,樟子松林大量衰退枯死。遼寧省固沙造林研究所更新造林模式及造林種,在樟子松林采伐跡地上營造新的造林樹種。目前有關(guān)科爾沁沙地的研究主要側(cè)重于植被恢復(fù)過程中植物特性、土壤特性及影響該區(qū)植物生長的環(huán)境因子等研究[14- 16]。而不同植被類型對土壤性質(zhì)、植物生長速度等的影響具有明顯差異[17]。因此,研究植被恢復(fù)區(qū)不同植被重建類型下的土壤特性,對評價土壤環(huán)境質(zhì)量的改良效果、篩選較優(yōu)植被重建模式具有重要意義。本文以樟子松固沙林采伐跡地為對照,調(diào)查和分析樟子松固沙林更新跡地13年的山杏、彰武小鉆楊、白丁香(Syringaoblata)、五角楓、樟子松、彰武松(Pinusdensiflora)和紅刺榆7種植被重建類型下的土壤特性及植物多樣性指標,比較分析各指標間的差異及相關(guān)性,探討土壤理化性質(zhì)與植物多樣性在植被恢復(fù)過程中的變化規(guī)律與響應(yīng)機制,對控制該區(qū)土壤進一步沙化、加速科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建具有重要的理論價值與指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于被稱為“遼寧沙窩子”的彰武縣。研究地點位于遼寧省固沙造林研究所章古臺實驗林場萬畝林工區(qū)(122°22′E, 42°43′N)。古代河流沉積而成的章古臺沙地位于科爾沁沙地東南端,分為半流動、流動和固定沙地,屬季風大陸性氣候區(qū),年均氣溫6.2℃,干旱多風,最大風速達25 m/s。最大年降水量為744.8 mm,最小年降水量為262.3 mm,年均降水量500 mm左右,且多集中于6—8月份,年蒸發(fā)量約為降水量的3倍,空氣相對濕度60.4%。每6—7年出現(xiàn)一次干旱年,近年來干旱頻率增大。土壤為風沙土,典型的沙地地貌,土壤呈弱堿性,土壤質(zhì)地粗,養(yǎng)分含量較低。研究區(qū)植被為蒙古植物區(qū)系、華北植物區(qū)系和長白植物區(qū)系的交替地帶,多為抗旱性較強的沙生植物,地帶性植被主要有小黃蒿(Artemisiaannua)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、狗尾草(Setariaviridis)、綠珠藜(Chenopodiumacuminatum)、細葉胡枝子(Lespedezahedysaroides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、馬唐(Digitariasanguinalis)、中華隱子草(Cleistogeneschinessis)、羊草(Leymuschinensis)等,林地主要造林樹種為油松(Pinustabuliformis)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、樟子松、彰武松、山杏、彰武小鉆楊、白丁香、紅刺榆、五角楓等。

2 研究方法

2.1 植物多樣性研究方法

2.1.1 樣地的選取

萬畝林為遼寧省固沙造林研究所在樟子松林采伐跡地上營造新的造林樹種,通過對研究區(qū)詳細踏查,在萬畝林中選取典型樣地為研究對象,樣地調(diào)查基本特征見表1。

表1 樣地調(diào)查基本特征

2.1.2 植物多樣性分析

試驗于2014年7月—9月開展。在試驗區(qū)設(shè)置8個樣地,每個樣地設(shè)置3個20 m×20 m的固定樣地,3個樣地相互平行,間距50 m。每個固定樣地內(nèi)均勻設(shè)置4個1 m×1 m的調(diào)查樣方,每個樣地共設(shè)置12個調(diào)查樣方。在樣方內(nèi)調(diào)查物種多樣性,記錄植物種類、多度、高度和蓋度。用密度、高度、頻度和蓋度四者相結(jié)合的重要值作為指標,反映該草本植物種群在群落中的具體情況。

物種多樣性指標采用物種豐富度(S)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Shannon-Wiener信息統(tǒng)計指數(shù)(H)。相關(guān)計算公式如下[18]：

物種豐富度(S)=物種數(shù)

Pielou均勻度指數(shù)

J=-H/lnS

Shannon-Wiener信息統(tǒng)計指數(shù)

H=-∑(Pi·lnPi)

式中,Pi種的群落中個體數(shù)占總個體數(shù)的比例,Pi=Ni/N,N為樣方中各物種多度指標總和,Ni為第i個種的多度指標。

2.2 土壤樣品的采集及其理化性質(zhì)分析

(1)土壤樣品的采集

試驗與植物多樣性調(diào)查試驗同期開展。以采伐跡地為對照,彰武松、樟子松、五角楓、山杏、白丁香、彰武小鉆楊和紅刺榆7個植被重建林地為研究對象(林齡均為13 a),在草本植物調(diào)查的4個樣方里,采用人工挖剖面的方法用環(huán)刀取0—10 cm和10—20 cm土壤樣品,并采集1 kg混合土樣,各樣方混合后得到一個土壤樣品,測定土壤理化性質(zhì)。

(2)土壤理化性質(zhì)測定

土壤容重、田間持水量用環(huán)刀法測定[19]。有機質(zhì)用重鉻酸鉀加熱法；全氮用重鉻酸鉀-硫酸消化、凱氏定氮法；全磷用NaOH熔融后鉬銻抗比色法；全鉀用火焰光度計；堿解氮采用擴散皿中加FeS04和NaOH、水解反應(yīng)后用酸滴定；速效磷采用碳酸氫鈉浸取、鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨浸取后火焰光度計[20]。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

運用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析、方差分析、多重比較(LSD法)分析,運用Excel軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 林下植物物種組成特征及植物多樣性

豐富的林下植物資源有利于各種動物、微生物等活動,對人工林養(yǎng)分循環(huán)有促進作用。此外,林下植物在保持水土、改良林地土壤質(zhì)量方面起著重要作用,能維護整個生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性。各人工林林下植物物種組成受光照、林齡、土壤條件等的影響有一定差異[21]。

3.1.1 林下物種組成及豐富度分析

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計,樟子松固沙林采伐跡地更新并進行植被重建后,8個樣地共有植物種29種,23屬,13科。由表2可知,羊草、綠珠黎和黃蒿在超過半數(shù)以上(5個)的調(diào)查樣地出現(xiàn),此外,白丁香林地的畫眉草(Eragrostispilosa)和紅刺榆林地的天門冬(Asparaguscochinchinensis)等新物種已成為更新林地的優(yōu)勢種。

各林分林下植物種有5—12種,采伐跡地物種最多。各樣地物種豐富度排序為采伐跡地(12)>樟子松(11)>白丁香(10)>山杏(9)>彰武小鉆楊(8)>彰武松(6)>五角楓(5)=紅刺榆(5),各個樣地的林下植物種類差別較大,羊草(7)、綠珠藜(7)和黃蒿(6)出現(xiàn)的樣地數(shù)目相對較多,為該地區(qū)林下植物常見種,而瓦松(Orosta.chysfimbriata)、線麻(Laporteacuspidata)、畫眉草、益母草(Leonurusartemisia)等13種草本植物在8個樣地中未重復(fù)出現(xiàn),且不同人工林有10種出現(xiàn),占76.92%,其余出現(xiàn)在采伐跡地,占23.08%。

表2 不同植被重建類型林下植物統(tǒng)計及其重要值

3.1.2 林下植物多樣性指數(shù)分析

不同植被更新類型林地,林下植被多樣性指數(shù)均存在極顯著差異(P<0.01)(圖1和表3),這是因為在所有樣方調(diào)查到的29種林下植物中,有13種在8個樣地中的不重復(fù)出現(xiàn),各樣地間植物種的差異性顯著。多樣性指數(shù)在各樣地均表現(xiàn)為五角楓林最小,樟子松林最大。

表3 物種多樣性指數(shù)方差分析

圖1 物種多樣性指數(shù)Fig.1 Species diversity index

3.2 樟子松固沙林更新跡地土壤理化性質(zhì)研究

作為植被賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),土壤理化性質(zhì)對植被的更新有重要作用[22]。林木根系的伸展以及根系對水肥的吸收受土壤容重、孔隙度等影響；土壤有機質(zhì)能改善土壤物理化學(xué)性質(zhì),促進土壤團聚體的形成,直接影響土壤抗蝕力、土壤肥力、孔隙度和土壤容重等[23],有利于植物生長和養(yǎng)分吸收。

3.2.1 土壤物理性質(zhì)

土壤物理性質(zhì)是表征土壤質(zhì)量的重要指標[17],植被恢復(fù)過程中,地表枯落物及地下根系的增加,可以有效改善土壤物理性質(zhì)。本研究主要分析了各樣地土壤容重、田間持水量的變化(圖2)。

土壤容重、田間持水量在不同植被重建類型下差異顯著。不同植被重建類型林下土壤容重均低于采伐跡地,且除采伐跡地和山杏林地外均表現(xiàn)為上層低于下層,其中0—10 cm層植被重建后各林地土壤的容重均與采伐跡地達到了顯著差異水平；10—20 cm土層土壤與采伐跡地差異均不顯著,五角楓林地土壤容重改良效果最好,相較采伐跡地減少5.6%。田間持水量是對作物有效的最高含水量,是農(nóng)業(yè)、水文等方面的關(guān)鍵常數(shù)。研究區(qū)不同植被重建類型林下土壤田間持水量的平均值在23.05%—30.45%之間,且均表現(xiàn)為上層高于下層,且除樟子松外其他植被重建類型均與采伐跡地達顯著水平。

圖2 不同植被重建類型土壤物理性質(zhì)Fig.2 Soil physical properties of different vegetation types不同小寫字母表示0—10 cm土層差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示10—20 cm土層差異顯著(P<0.05)

3.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

對不同植被恢復(fù)類型下土壤化學(xué)性質(zhì)的研究,可反映出土壤養(yǎng)分的變化狀況[24]。本研究分析有機質(zhì)、氮磷鉀及其有效性等與土壤肥力有密切關(guān)系的化學(xué)性質(zhì)的變化特征(圖3)。研究表明,各植被重建類型下,不同土層養(yǎng)分含量均高于采伐跡地,且表現(xiàn)為上層養(yǎng)分含量均高于下層。

圖3 不同植被重建類型土壤化學(xué)性質(zhì)Fig.3 Soil chemical properties of different vegetation types

由圖3可知,不同植被重建類型0—10 cm土層有機質(zhì)含量與采伐跡地差異均顯著,其中五角楓林地有機質(zhì)含量增加最多,約是采伐跡地的2倍。五角楓、彰武小鉆楊、白丁香林地全氮含量與采伐跡地差異顯著,分別提高了42.62%,32.79%,40.98%,土壤堿解氮與采伐跡地的差異均達到了顯著水平。全磷含量增幅均較小,各林分之間差異性均不顯著；而彰武松、樟子松、山杏、白丁香林的有效磷與采伐跡地差異顯著。紅刺榆林地全鉀含量與采伐跡地的全鉀含量差異性達到了顯著水平,增幅為55.83%；除樟子松林地外,其他植被重建類型土壤速效鉀含量與采伐跡地差異均顯著。

10—20 cm土層土壤有機質(zhì)含量除樟子松和山杏林地外,其余均與采伐跡地達顯著差異水平,彰武小鉆楊林地增加最多,相比采伐跡地提高了82.27%。白丁香林地全氮含量增幅最大,彰武松和彰武小鉆楊,與采伐跡地差異顯著，相比采伐跡地增加了51.85%,25.93%；堿解氮與采伐跡地的差異均達到了顯著水平。土壤全磷含量在各林分之間差異性均不顯著,有效磷僅山杏、白丁香林地與采伐跡地差異顯著。各林地全鉀含量與采伐跡地均不顯著,彰武小鉆楊林增幅最大,相比采伐跡地增加9.13%；土壤速效鉀含量除樟子松、紅刺榆林地外,其他林地與采伐跡地均達顯著差異,其中五角楓林地速效鉀增幅最大,為49.54%。

3.3 土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析

本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)描述各指標間的相關(guān)性,由表4可以看出,土壤有機質(zhì)與容重呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,與田間持水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,可見在改良土壤結(jié)構(gòu)方面,有機質(zhì)起重要作用,與其他學(xué)者[5]研究結(jié)果一致。速效鉀含量與容重、田間持水量呈顯著相關(guān)關(guān)系,說明其受土壤物理性質(zhì)影響較大。此外,容重與堿解氮含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系；田間持水量與全磷含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表4 土壤理化特性相關(guān)系數(shù)矩陣

X1：土壤容重,soil bulk density;X2：田間持水量,field capacity;X3：有機質(zhì),organic matter; X4：全氮,total nitrogen; X5：堿解氮,alkaline nitrogen; X6：全磷,total phosphorus;X7：有效磷,available phosphorus;X8：全鉀,total potassium;X9：速效鉀,available potassium

3.4 林下物種多樣性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析

不同的自然環(huán)境條件下林下物種多樣性與土壤各性質(zhì)的關(guān)系有很大區(qū)別,物種多樣性的研究必須基于一定的自然環(huán)境條件,只有在特定的環(huán)境條件下討論其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,才是有意義的[25]。作為植物生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ),土壤理化性質(zhì)顯著影響植物多樣性[26- 27]。

由表5可知,全磷含量與物種豐富度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,與其他學(xué)者[28]的研究結(jié)果一致。這可能是因為采伐跡地土壤磷流失比較明顯,而全磷含量的恢復(fù)是一個長期而又緩慢的過程；優(yōu)勢度低表明有更多的物種能適應(yīng)生境,分析表明優(yōu)勢度指數(shù)與容重、有機質(zhì)分別呈顯著正相關(guān)關(guān)系、極顯著負相關(guān)關(guān)系,與全磷、田間持水量呈顯著負相關(guān)關(guān)系,說明植被重建后樟子松固沙林更新跡地適生性更強,有更多的適生物種；均勻度指數(shù)與容重顯著正相關(guān),與田間持水量、有機質(zhì)顯著負相關(guān)；信息統(tǒng)計指數(shù)與容重、田間持水量分別呈顯著正相關(guān)、負相關(guān)關(guān)系,與有機質(zhì)、全磷極顯著負相關(guān)。研究表明,植物多樣性與有機質(zhì)之間存在密切的關(guān)系,這與楊小波等[29]研究結(jié)果一致。

表5 林下物種多樣性與理化特性相關(guān)系數(shù)矩陣

**：P<0.01；*：P<0.05;S：物種豐富度；D：優(yōu)勢度指數(shù),Simpson;J：均勻度指數(shù),Pielou;H：信息統(tǒng)計指數(shù),Shannon-Wiener

4 討論

沙地的植被重建與恢復(fù),是保護區(qū)域生物多樣性,防止沙地植被退化、沙漠化加重的有效途徑。沙地更新跡地的植被恢復(fù)實質(zhì)上是群落的次生演替,是群落由單一到復(fù)雜,物種多樣性逐漸增加的過程[30]。研究表明,植被重建后草本植物物種多樣性發(fā)生很大改變,偶見種數(shù)目增多,羊草、綠珠藜、黃蒿成為植被重建后人工林林下第一優(yōu)勢種?？梢钥闯?禾本科、藜科、菊科在科爾沁沙地環(huán)境中分布較廣,顯示出這種類群對科爾沁沙地環(huán)境具有較強的適應(yīng)性,系科爾沁沙地植被群落的適生種、群落優(yōu)勢種與建群種。不同植被重建類型林下植物種類有一定差異,其中種數(shù)最多的是采伐跡地,即采伐跡地物種要比人工林更為豐富,這與采伐跡地受人為干擾的影響小,且通風透光條件好有關(guān),植被重建后,林木的生長消耗了大量的土壤養(yǎng)分和水分,林下物種對生存競爭加劇[31],此過程中可能淘汰一些物種。與其他學(xué)者對煤矸石山及尾礦廢棄地植被恢復(fù)的物種多樣性指數(shù)研究結(jié)果一致,優(yōu)勢度、均勻度、信息統(tǒng)計多樣性指數(shù)的值雖然存在一定差異,但其變化趨勢完全相同[32- 33],說明樟子松固沙林更新跡地植被重建后的環(huán)境是趨于穩(wěn)定的。

植被演替作用于土壤,能不斷地改善土壤理化性質(zhì)[34]。通過研究樟子松固沙林更新跡地植被重建13年后土壤的理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn),植被重建后土壤容重降低,田間持水量、有機質(zhì)、氮磷鉀及其速效養(yǎng)分含量增加,各林下土壤理化性質(zhì)顯著改善,這種變化與楊寧,彭東海等的研究結(jié)果一致[33,35]。更新跡地植被重建后在林下植物根系固土和枯枝落葉分解的作用下土壤結(jié)構(gòu)改良,容重降低,田間持水量提高。植物根系與土壤形成的根系-土壤復(fù)合體以及植物根系間相互纏繞、團結(jié)形成的根系網(wǎng),都能有效固結(jié)、黏聚土壤顆粒促進土壤團聚體形成。土壤物理性質(zhì)的改良,有利于土壤中粉粒和粘粒含量增多、砂粒含量減少[36],土壤吸附水分增強,形成充滿粘粒間細微的孔隙的吸附水膜,借助毛管作用保持少量水,細微顆粒的不規(guī)則排列形成曲折的毛細管,毛管力增強促使保水能力變強,已有研究同樣表明,田間持水量的提高與土壤質(zhì)地密切相關(guān),土壤中粘粒含量越多、砂粒含量越少,田間持水量就越大[37]。土壤持水性隨植被恢復(fù)逐漸改善,這種變化在半干旱少雨區(qū)意義重大[36]。此外,植物枯枝落葉分解和根系分泌物是土壤有機質(zhì)的重要來源[38],有機質(zhì)含量明顯提高可能是因為樟子松固沙林采伐跡地更新并進行植被重建后,產(chǎn)生大量的枯枝落葉,隨分解產(chǎn)生的營養(yǎng)元素逐漸釋放到土壤中,而作為土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ),有機質(zhì)為各種營養(yǎng)元素提供養(yǎng)分來源[31],土壤理化特性相關(guān)系數(shù)矩陣也表明,全氮含量與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。

研究表明,植被重建后相比采伐跡地各植被恢復(fù)區(qū)土壤理化性質(zhì)均有所提高,不同植被恢復(fù)類型對土壤理化性質(zhì)的改良效果因累積方式及作用機理的不同[34]有一定的差異。彰武小鉆楊和五角楓林下土壤理化性質(zhì)的改善較好,而彰武松和樟子松的改良效果較差。這是因為與針葉林相比,闊葉林郁閉度較大,林下植被豐富,枯枝落葉量大,保水能力強,能合理分配降雨,減少地表徑流,增加地下徑流,對保持該地區(qū)地下水位和水量平衡及改善土壤理化性質(zhì)具有重要作用。因此,該地區(qū)日后的植被恢復(fù)工作可以考慮加大彰武小鉆楊及五角楓等對該區(qū)適應(yīng)性強的樹種,或適當種植針闊混交林,增強群落物種多樣性,以便有效恢復(fù)和提高該區(qū)的土壤肥力。

5 結(jié)論

植被恢復(fù)與重建是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要內(nèi)容。本研究中更新跡地不同植被重建模式下植物多樣性和土壤理化性質(zhì)的關(guān)系研究基于相同的地理及氣候條件。植被重建后,相比采伐跡地草本植物物種多樣性增加,林下偶見種數(shù)目增多,13種草本植物在8個樣地中未重復(fù)出現(xiàn),且更新跡地上新物種數(shù)目較多,占76.92%。不同植被類型之間的植物多樣性、土壤理化性質(zhì)及其關(guān)系存在顯著差異,并有一定的相關(guān)性,表明不同植被重建類型對土壤的改良效果有一定的差異,彰武小鉆楊和五角楓林地改良土壤容重、田間持水量、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀效果較好,而全鉀和有效磷分別在紅刺榆林、山杏林地改良效果最佳。優(yōu)勢度、均勻度、信息統(tǒng)計多樣性指數(shù)的值雖然存在一定差異,但其變化趨勢完全相同,說明樟子松固沙林更新跡地植被重建后的環(huán)境是趨于穩(wěn)定的。

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