冀北壩上地區營造樟子松人工林對植被群落特征與土壤理化性質的影響

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河北農業大學 林學院,河北 保定071000;2河北省林業和草原科學研究院,河北 石家莊050067; 3河北豐寧沙地生態系統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)

冀北壩上地區位于京津以及華北平原的上風上水方向,肩負著京津冀生態屏障與支出功能[1]。同時,該地區位于內蒙古高原東南緣的農牧交錯帶,是季風氣候向大陸氣候、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,僅東部部分區域屬森林草原和草甸草原,自然植被稀疏,地表大面積裸露,生態環境脆弱,因此冀北壩上地區是構建京津冀生態環境支撐區最前沿最敏感的區域[2]。20世紀50年代以來,冀北壩上地區人口逐漸增加,由于過度開墾放牧,加之水資源短缺、氣候寒冷等原因,該地區草原逐漸退化[3]。21世紀以來,圍繞“沿邊、沿壩、壩上林網、潮河流域、灤河流域、窗口地帶”六大工程體系布局,國家先后實施了京津風沙源治理、“一退雙還”、千松壩造林、壩上生態農業開發、日援造林和德援造林等一批重點生態工程,大規模的人為造林使冀北壩上地區林地面積得到了迅速增加[4]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有適應性強、抗旱、耐瘠薄和速生等優良特性,可在養分、水分條件較差的風沙土上生長良好,因此被廣泛用于我國北方荒漠化地區的生態工程。目前,樟子松是冀北壩上地區主要的造林樹種之一,樟子松人工林在遏制冀北地區土地荒漠化、保護農牧生態系統、減緩氣候變化方面都會產生深遠影響[5]。冀北壩上地區地域狹長,從西到東氣候逐漸變得濕潤,土壤由風沙土變為灰色森林土[6]。不同的環境條件勢必會對造林效果產生影響,然而目前在冀北壩上地區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進行的,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劃分為壩西、壩中、壩東3個區域,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,調查植被物種組成、物種多樣性和土壤理化性質,分析同一植被類型不同區域以及同一區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的差異,明確在冀北壩上地區營造樟子松人工林對植被群落特征和土壤理化性質的影響,為該地區生態建設提供理論依據。

1 研究區概況

冀北壩上地區位于內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域,地理坐標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]。該地區屬于大陸季風高原氣候,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;年蒸發量約為1 500 mm,5月蒸發量最大;光照充足,年日照時數2 600～3 100 h[9];大風天氣頻繁,年平均風速4.5～5.0 m/s,年大風日數65～70 d,且多分布于冬春季節[10]。以閃電河為界,壩上自然生態系統有明顯差異,壩西地區屬封閉的內流區,氣候干旱,雨量稀少,蒸發量是降雨量的4～5倍,地表植被為干草原;壩東地區是壩上的外流區,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 樣地調查

本研究以閃電河為界,將壩上地區劃分為壩西和壩東2個區域,閃電河附近作為過渡區域,定義為壩中區。于2020年7-8月,分別在壩西(張家口市康?？h屯墾鎮)、壩中(承德市豐寧滿族自治縣大灘鎮)和壩東(承德市牧場管理區)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,樣地基本概況見表1。每個區域每種植被類型分別隨機選擇3塊重復樣地,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;在每個樣地內分別隨機設置9個1 m×1 m的草本樣方,調查草本植物的種類、蓋度、高度、頻度等指標,用于計算植被物種多樣性指數。

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[12]。在用環刀取土的同時,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性團聚體含量,參考土壤農化分析測定土壤化學性質[13]。

2.3 數據處理與統計分析

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

(1)

(2)

(3)

未知節點接收到至少3個不共線信標節點的位置信息才能通過三邊測量法進行自身位置估計。借鑒此思想建立通過3個信標節點的坐標,獲取未知節點坐標的定位數學模型。

(4)

Margalef豐富度指數：

(5)

Simpson多樣性指數：

(6)

Shannon-Wiener多樣性指數：

(7)

Pielou均勻度指數：

(8)

式中：S表示某樣方內所有物種之和;N表示某樣方內所有物種個體數之和;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域以及同一區域不同植被類型之間物種多樣性指標的差異,用LSD法進行多重比較(α=0.05);區域、植被類型土層都會對土壤理化性質產生影響,本研究以土層為區組,用單因素隨機區組分析法去除土層的影響,分析同一植被類型不同區域間以及同一區域不同植被類型之間土壤理化性質的差異,用LSD法進行多重比較(α=0.05)。所有數據均用Excel 2019進行整理與制圖,用SPSS 23.0進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 冀北壩上地區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 顯示冀北壩上地區不同區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)的細裂委陵菜(Potentillachinensisvar.lineariloba)消失,新增細葉苔草(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%。

不同區域 Different sections(a)

不同區域 Different sections(a)

不同區域 Different sections(a)

表2 冀北壩上地區不同區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3個區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個區域其他指標均未產生顯著差異。

3.2 冀北壩上地區營造樟子松人工林對土壤理化性質的影響

3.2.2 冀北壩上地區營造樟子松造人工林對土壤化學性質的影響 圖3顯示冀北壩上地區3個區域2種植被類型之間土壤主要化學性質的差異。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,有機質含量依次為86.68、94.97、101.86g/kg,這些指標3個區域間差異均不顯著;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個區域土壤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個區域其他指標均未產生顯著差異。

4 討論

本研究結果顯示,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。出現這種情況的原因可能是壩西缺水嚴重[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,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,使林內上層土壤水分條件顯著變好,從而使林下物種數量增多[13];另一方面,遮陰會對林下物種有明顯的篩選作用,造林后耐陰植物會優先生長,喜陰植物優勢度增加(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,天然草地物種數量相對豐富,這時樟子松人工林林內物種對養分的競爭與林冠的遮陰作用會限制植物的生長,從而導致該區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,大氣降水量遠遠低于蒸發量,巖石、礦物風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較多,分解后易產生較強的酸性物質;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過程中不斷地放出CO2,溶于水后形成碳酸,解離出H+,同時微生物在分解有機物的同時也會產生多種有機酸,這些都會導致土壤向酸性方向發展,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節至中性,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、多糖類、蛋白質、木質素以及許多微生物的分泌物、菌絲、土壤動物和植物根系分泌物等均對土壤有團聚作用,其中腐殖質中的胡敏酸能與鈣結合形成不可逆凝聚狀態,其膠結作用對土壤結構的形成作用較大,同時抗微生物的分解能力強,能形成穩定的團粒結構[18]。壩西樟子松人工林土壤大團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,使土壤中的動物、植物、微生物、細菌、真菌和各種酶類等的活性增強,同時,土壤中植物根系變多,分泌的黏液及膠結作用增強,從而使土壤中大團聚體含量增多,這也導致土壤的非毛管孔隙度增大,進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]。

樟子松個體生長需要的養分多于草本植物,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,這可能導致壩中和壩東的樟子松對土壤養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遠大于其他元素,這與程昊天等在不同林齡樟子松人工林土壤-針葉-微生物生態化學計量及穩態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,表現為N限制的結果一致[21-23]。壩東樟子松在快速生長的同時,其根系也會對土壤產生擠壓,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 結論

在冀北壩上地區不同區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增加草本植物物種豐富度、土壤大團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積極效果明顯。