高孝威，蘇 和，白 艷，楊海峰，李卓凡，李梓豪，張 雷，洪光宇，王曉江

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古大青山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原有害生物防治檢疫總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)作為中國北方造林面積較大的落葉針葉樹種，具有生長快、水土保持效果好等優(yōu)點(diǎn)。對于生態(tài)脆弱區(qū)的環(huán)境保護(hù)及改善，特別是在維持區(qū)域景觀多樣性、涵養(yǎng)水源，以及維持生態(tài)平衡、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等方面都發(fā)揮著十分重要的作用[1-3]。

林下植被是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在林分生長過程中，對促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和維護(hù)林地土壤質(zhì)量起著不可忽視的作用，對維護(hù)整個森林生態(tài)系統(tǒng)的植物多樣性也十分重要，而土壤作為植物生存的重要環(huán)境條件之一，對植物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重要影響，土壤環(huán)境的差異會導(dǎo)致群落演替過程中植物多樣性的變化[4-5]。植被-土壤系統(tǒng)是不可分割的整體[6-7]，其相互作用機(jī)理是控制生態(tài)系統(tǒng)過程的重要機(jī)制[8-9]。本文對華北落葉松人工林在成林的不同時(shí)期林內(nèi)生物多樣性及土壤理化性質(zhì)進(jìn)行研究，分析其林內(nèi)群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和土壤理化性質(zhì)的動態(tài)變化過程和相互作用關(guān)系，為大青山華北落葉松人工林的合理經(jīng)營與林分發(fā)展提供更多的理論參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大青山中部南麓的呼和浩特市武川縣哈達(dá)門國家森林公園內(nèi)大青山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站試驗(yàn)區(qū)，地理坐標(biāo)為40°37′41″—40°57′30″N，110°45′52″—111°32′12″E，海拔1 800～2 100 m。屬大陸性溫帶季風(fēng)氣候，年降水量350～520 mm，主要集中在7、8月份，占全年降水的80%以上，年蒸發(fā)量為1 800～2 300 mm[10]。日照時(shí)數(shù)2 600～2 800 h，土壤以高山草甸土和栗鈣土為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2016年8月在生態(tài)站試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，分別在不同林齡的華北落葉松人工林試驗(yàn)區(qū)，設(shè)置4塊面積30 m × 30 m的樣地，3個1 m × 1 m 的草本樣方，在樣地內(nèi)進(jìn)行生物量相關(guān)因子調(diào)查(表1)。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic information of sample plot

2.2 物種多樣性測定

相對重要值：Pi=(相對密度+相對蓋度+相對頻度)/3

(1)

Simpson 指數(shù)：D=1-∑Pi2

(2)

Shannon-Wiener指數(shù)：H=-∑PilnPi

(3)

Pielou均勻度指數(shù)：J=(-∑PilnPi)/lnS=H/lnS

(4)

式中：Pi為樣方中第i個物種的重要值；S為群落植物種數(shù)。

2.3 土壤理化性質(zhì)的測定

2.3.1土壤物理性質(zhì)的測定

本試驗(yàn)采用烘干法測定土壤含水量，采用環(huán)刀法測定土壤容重和孔隙度。

土壤容重=(環(huán)刀干土重-環(huán)刀重)/環(huán)刀容積

(5)

毛管持水量=(置沙2 h重-環(huán)刀干土重)/(環(huán)刀干土重-環(huán)刀重) × 100%

(6)

非毛管孔隙度=(最大持水量-毛管持水量)×容重

(7)

毛管孔隙度=毛管持水量×容重

(8)

總孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度

(9)

2.3.2土壤化學(xué)性質(zhì)的測定

采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)，采用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法測定全鉀，采用凱氏定氮法測定全氮，采用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷，采用pH 酸度計(jì)(土水比1∶5)測定pH值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0 軟件中單因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey HSD、Tamhane多重比較、Pearson進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡樣地物種多樣性變化特征

華北落葉松人工林物種豐富度變化趨勢隨著林齡的增加先上升后下降(表2)，10 a生和29 a生華北落葉松人工林的物種豐富度與其他林齡差異顯著。當(dāng)林齡在17 a時(shí)，物種豐富度最大，包含23種草本植物；林齡在40 a時(shí)最小，包含7種草本植物。

表2 不同林齡華北落葉松人工林林下植被多樣性分析Tab.2 Diversity analysis on understory vegetation of different forest-age Larix principis-rupprechtii plantation

Simpson指數(shù)值為 1.22～2.18 之間，變化趨勢同物種豐富度一致。10 a生、17 a生和29 a生華北落葉松人工林Simpson指數(shù)差異不顯著，29 a生和40 a生華北落葉松人工林Simpson指數(shù)差異不顯著。這可能是由于林分在郁閉過程中，前期林隙較大，光照充足，植物生存空間優(yōu)越，喬木層對林下植被層生長的影響較小。隨著華北落葉松人工林林齡的增大，郁閉度增大，林內(nèi)光照減少，林下植被生存空間逐漸減小，生長受限[11-12]。Pielou均勻度指數(shù)隨著林齡的增加先降低后升高，最高值為 0.83(10 a)，最低值為 0.60(29 a)，4個林齡之間差異不顯著。

3.2 不同林齡樣地土壤物理性質(zhì)的變化

相同深度的土壤容重隨著華北落葉松人工林林齡的增大先升高后降低，飽和含水量、田間持水量、毛管孔隙度則是先降低后升高(表3)。其中10 a生、17 a生和29 a生華北落葉松人工林林地的土壤容重在 1.0 以上，最小值出現(xiàn)在10～20 cm處。40 a生華北落葉松人工林林地土壤容重接近 1.0，不同土層深度的土壤容重均小于其他林分，飽和含水量、田間持水量、毛管孔隙度均高于17 a生和29 a生林分。說明40 a生華北落葉松人工林土壤結(jié)構(gòu)較好，且有機(jī)質(zhì)含量較多，熟化程度較高。其原因可能是受地表腐殖層和植物根系發(fā)育的影響[13]，土壤容重減小，孔隙度便會增大，土壤的通透性及水分的貯藏和轉(zhuǎn)移能力提高[14]。不同樣地同一深度的土壤物理性質(zhì)指標(biāo)只在0～10 cm時(shí)差異顯著，同一樣地不同深度的土壤物理性質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均差異不顯著。

3.3 不同林齡樣地土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

相同土層深度的pH值隨著華北落葉松人工林林齡的增加先降低再升高，同一樣地pH值隨土層深度的增加而增大(表4)。隨著華北落葉松人工林林齡的增加，不同林分相同土層深度的pH值在10～29 a生林分中逐漸減小，在40 a生林分中pH值增大。

同一林分不同土層深度有機(jī)質(zhì)含量均隨著土層深度的增加而降低(表4)，說明土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于地表凋落物的分解，有機(jī)質(zhì)含量較多的林分地表腐殖層也較厚，土壤肥力狀況較好[10]。在土層深度為 0～10 cm和10～20 cm處，29 a生和40 a生華北落葉松人工林有機(jī)質(zhì)含量差異顯著；同一林分在土層深度為0～10 cm與40～60 cm處差異顯著。

4種林齡華北落葉松人工林土壤全氮和全磷隨土層深度的增加而減小，說明土壤養(yǎng)分具有表層集聚性[14]，主要原因是森林土壤表層的有機(jī)質(zhì)和元素大多來自于表層枯落物的分解[10]。土壤中全氮含量在 0.74～3.00 g·kg-1之間，全磷在 0.26～0.57 g·kg-1之間，全鉀在 15.03～20.38 g·kg-1之間。在0～10 cm土層中，除40 a生華北落葉松人工林林分的全磷外，其他林分的全氮、全磷、全鉀含量均為10 a生華北落葉松人工林最低，這可能與枯枝落葉累積較多，分解時(shí)間長短不同有關(guān)。

3.4 植物多樣性和土壤理化性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性

本文采用物種豐富度與不同深度的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表5)，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量與物種多樣性均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。說明該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤肥力能夠滿足植物的生長需要，并未成為植物生長發(fā)育的限制因子，凋落物的分解豐富了土壤的有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分含量，提高了土壤的穩(wěn)定性。

表5 物種豐富度與不同深度土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析Tab.5 Correlation analysis on species richness and soil physical and chemical properties at different depths

物種豐富度與土壤容重呈顯著正相關(guān)，與飽和含水量、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，當(dāng)土層深度為20～40 cm時(shí)，物種豐富度與總孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)；當(dāng)土層深度為40～60 cm時(shí)，物種豐富度與土壤容重、飽和含水量、田間持水量和總孔隙度均呈極顯著相關(guān)。說明土壤物理性質(zhì)對物種多樣性影響較大。合理的土壤容重可使土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好，適宜種子萌發(fā)及多種植物生長發(fā)育，利于增加土壤中的微生物，促進(jìn)凋落物的分解，提高土壤的蓄水能力和肥力，促進(jìn)華北落葉松人工林的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1) 華北落葉松人工林物種豐富度指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)變化均隨著林齡的增加先上升后下降，Pielou均勻度指數(shù)隨著林齡的增加先降低后升高。

(2) 相同深度的土壤容重隨著華北落葉松林齡的增大先升高后降低，飽和含水量、田間持水量、毛管孔隙度則是先降低后升高。不同林齡有機(jī)質(zhì)含量均隨著土層深度的增加而降低，土壤全氮、全磷隨著土層深度的增加而減小。

(3) 不同林齡華北落葉松人工林中，物種豐富度與土壤容重呈顯著正相關(guān)，與飽和含水量、田間持水量、總孔隙度和毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。