石質(zhì)山地直播造林對植被和土壤的影響

馬風云,劉艷,侯龍魚,宋玉民,邢尚軍,陳懷梁

(1.山東農(nóng)業(yè)大學林學院,271018,山東泰安;2.山東省林業(yè)科學研究院,251000,濟南)

石質(zhì)山地直播造林對植被和土壤的影響

馬風云1,劉艷1,侯龍魚1,宋玉民2,邢尚軍2,陳懷梁1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學林學院,271018,山東泰安;2.山東省林業(yè)科學研究院,251000,濟南)

直播造林是石質(zhì)山地植被恢復的重要技術(shù),為了評價該類地區(qū)植被恢復效果,運用物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)研究山東省薛城區(qū)鄒塢鎮(zhèn)石質(zhì)山地直播造林區(qū)和撂荒區(qū)物種多樣性特征和土壤化學性質(zhì)特征。結(jié)果表明:1)直播造林區(qū)喬木層苦楝為優(yōu)勢種,重要值最高,灌木層火炬樹為優(yōu)勢種;撂荒區(qū)灌木層以荊條為優(yōu)勢種;直播造林區(qū)和撂荒區(qū)無直播樹種外的喬木物種分布。2)直播造林區(qū)顯著增加了喬木層物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù),一定程度了增加了灌木層多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù),草本層的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均顯著低于撂荒區(qū)。3)直播造林區(qū)土層較厚,有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和電導率均顯著高于撂荒區(qū),pH值沒有顯著差異。直播造林在石質(zhì)山地植被恢復中具有明顯效果,自然演替恢復效果較差。

物種多樣性;重要值;化學性質(zhì);直播造林;石質(zhì)山地

植被恢復過程包括自然演替和人為干擾下的演替,演替過程與物種多樣性指數(shù)關(guān)系比較復雜,成為現(xiàn)代生態(tài)學研究的熱點之一[1-2]。我國很多學者[3-8]對人為干擾植被恢復和自然演替恢復進行了大量的研究。隨著多年植被恢復工作的開展和深入,人工林分的穩(wěn)定性評價受到普遍關(guān)注,保證人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,最大程度地發(fā)揮其功能,開展植被恢復后的物種多樣性特征研究顯得尤為重要[6]。相對于自然演替,人為干擾加速植被恢復演替過程[3,5],且在物種多樣性上差異不顯著[6]。

生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的研究可以追溯到達爾文時代,多樣性與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、穩(wěn)定性和可持續(xù)性成為近年來爭論的焦點[9]。生物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)有影響,同時影響生態(tài)系統(tǒng)中元素循環(huán)和土壤肥力的可持續(xù)性。土壤化學性質(zhì)反映了土壤對植物根系供應養(yǎng)分的潛在能力,是構(gòu)成土壤肥力的主要方面之一,也是反映植物群落演替對土壤影響的重要方面[3]。

隨著造林綠化工作的不斷深入,深山、遠山、貧瘠山區(qū)已成為造林綠化工作的重點和難點,簡單易行的直播造林技術(shù)成為我國山地造林的重點應用技術(shù)[10]。山東、河南等林業(yè)部門相繼開展了瘠薄山地直播造林研究,均取得了較好的效果[11]。筆者以山東省薛城區(qū)鄒塢鎮(zhèn)石質(zhì)山地 15 a直播造林區(qū)為研究對象,以撂荒區(qū)(未直播區(qū))為對照,研究直播造林群落物種多樣性特征和土壤化學性質(zhì),為瘠薄山地直播造林工作提供支持,也為其他地區(qū)開展相同工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

調(diào)查地石質(zhì)山地直播造林區(qū)和撂荒區(qū)位于山東省棗莊市薛城區(qū)鄒鎢鎮(zhèn) (E 117°17′,N 34°37′),屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候,四季分明,雨熱同季,降水集中。春季回暖快,降雨量少,多風,蒸發(fā)量大,易干旱;夏季炎熱、多雨,潮濕,易澇;秋季降溫快,降雨量驟減,多晴朗天氣,晚秋易旱;冬季降雨量稀少,寒冷干燥。年日照時間為 2 532.1 h,全區(qū)多年年平均氣溫 14℃,最高氣溫 40.5℃,最低氣溫-22.3℃。多年平均降雨量 804mm,季節(jié)降水明顯不均,春季占年降水量的 16.3%,夏季占 59.2%,秋季占 19.2%,冬季占 5.3%。本區(qū)多年平均蒸發(fā)量757.5mm,夏季是全年蒸發(fā)量最大的季節(jié),月平均蒸發(fā)量 166.4mm[12]。

在廣大山地丘陵區(qū),特別是石灰?guī)r山區(qū),由于森林植被屢遭破壞,從而造成嚴重的水土流失,以致土層瘠薄,形成了大面積的次生灌草叢,是一種相對穩(wěn)定的植物群落[12]。1993年秋,當?shù)亓謽I(yè)局組織實施苦楝(Melia azedarach)、臭椿(Ailanthusaltissima)和側(cè)柏(Platycladus orientalis)直播造林,其中苦楝播前去除果肉、臭椿去除種翅。魚鱗坑(規(guī)格 30 cm×30 cm×20 cm)整地,1～2粒 /(穴?樹種)混播,封育管理。研究區(qū)喬木有苦楝、臭椿、側(cè)柏,灌木有火炬樹 (Phus typhina)、荊條 (Vitex negundo var.heterophylla)、酸棗 (Ziziphus jujuba var.spinosa)、細葉胡枝子(Lespedeza hedysaroides var.subsericea)、鐵線蓮(Clematis heracleiteia),草本植物有狗尾草(Setaria viridis)、藎草 (Arthraxon hispidus)、黃背草(Themeda triandra var.japonica)、問荊 (Equisetum pratense)、野青茅 (Deyeuria arundinacea)、團羽鐵線蕨(Adiantum capillus-junosis)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)、野谷草 (Arundinella hirta)、野韭 (Allium senescens)、翻 白草 (Potentilla discolor)、洋 白 菜(Brassica oleracea var.capitata)、 刺兒 菜(Cephalanoplos segetum)、苦菜 (Sonchusbrachyotus)、羊胡子草 (Carex lanceolata)、結(jié)縷草 (Zoysia japonica)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

直播造林區(qū)和撂荒區(qū)環(huán)境因子如表 1,用 GPS測得從山底到山頂垂直高度 99m,以 33和 66m為臨界值,將山體劃分為下坡(海拔 144～177m)、中坡(海拔 177～210m)和上坡(海拔 210～243m)。每坡位隨機設置面積 20m×20m的喬木樣地 3個,每喬木樣地內(nèi)設置 5m×5m灌木樣地 2個,每灌木樣地內(nèi)設置 1m×1m草本樣方 2個,即每個坡位設置樣地或樣方 3(喬)、6(灌 )、12(草)個。撂荒區(qū)每坡位設定相同數(shù)目的灌木和草本樣方。喬木樣地調(diào)查指標包括種類、數(shù)量、胸徑、樹高、冠幅等因子。灌草樣方調(diào)查指標包括種類、高度、數(shù)量和蓋度等。

每個設置草本樣方內(nèi)選 1個取樣點,挖土壤剖面采集土樣。然后把每個喬木樣地內(nèi)同層 4土樣混合為 1個,則每坡位得 3個混合土樣。撂荒區(qū)每坡位同樣為 3個混合土樣。取樣土層為 0～5 cm(直播造林區(qū),撂荒區(qū))和 5～10 cm(直播造林區(qū))。

2.2 測定方法

群落物種多樣性統(tǒng)一用各個物種在該層(喬、灌、草)中的重要值來計算,計算公式[1,13]如下:V喬木=(相對密度 +相對高度 +相對優(yōu)勢度)/3 V灌木=(相對高度 +相對蓋度)/2

表 1 調(diào)查區(qū)群落環(huán)境因子Tab.1 Environmental factors of research sites

物種多樣性指數(shù)以各樣地物種重要值平均數(shù)為基礎(chǔ),采用目前較為普遍使用的公式計算,按生長型(喬木、灌木、草本)計算各物種多樣性指數(shù)[1,13]。

物種豐富度指數(shù) S為出現(xiàn)在樣地中的物種數(shù)。

式中:Pi為物種 i的相對重要值,Pi=Ni/N;Ni為物種 i的重要值;N為物種 i所在群落的所有物種重要值之和。

有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定,全氮采用凱氏蒸餾法測定,速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法測定,速效磷采用 Olsen法(恒溫水浴振蕩浸提)測定,pH值用電位法測定,電導率用電導率儀測定[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 群落結(jié)構(gòu)特征

優(yōu)勢種組成差異在一定程度上反映群落的結(jié)構(gòu)多樣性特征[13]。對人工林群落而言,優(yōu)勢喬木種群下的灌、草層組成差異在一定程度上反映了該人工群落林下植被的恢復和發(fā)育狀況[1]。對直播造林區(qū)和撂荒區(qū)物種組成的調(diào)查(表 2)顯示:直播造林顯著增加了群落的喬木數(shù)量。直播造林區(qū)上、中坡3物種的重要值(表 3)均為苦楝 ＞臭椿 ＞側(cè)柏,下坡重要值側(cè)柏 ＞苦楝 ＞臭椿。從重要值平均值來看,苦楝 ＞側(cè)柏 ＞臭椿,說明相同條件下,直播后苦楝種子萌發(fā)和生長占優(yōu)勢?？嚅瑸榇罅７N子,主根不發(fā)達,側(cè)根發(fā)達;臭椿為小粒種子,深根性樹種;側(cè)柏為小粒種子,淺根性樹種。3樹種都為喜光樹種,苦楝和臭椿具有速生性,側(cè)柏生長較慢。下坡側(cè)柏重要值較高,可能與下坡易遭受當?shù)啬撩衿茐挠嘘P(guān)?？梢?直播造林樹種選擇時,最好選擇種子粒大、淺根性、喜光、生長迅速的物種。劉艷等[15]通過對山東幾個鄉(xiāng)土樹種的直播造林試驗表明大粒種子在直播造林時具有較高的出苗率和保存率。

灌木層中,直播造林區(qū)火炬樹重要值最高,是該層優(yōu)勢種,荊條重要值也較高,細葉胡枝子、酸棗和鐵線蓮依次降低,且在上、中、下坡前 4個物種均有分布,重要值相對穩(wěn)定,鐵線蓮只在下坡出現(xiàn),重要值較低。撂荒區(qū)荊條重要值最高,占灌木層近 50%,其他 2物種為酸棗和細葉胡枝子,酸棗重要值大于細葉胡枝子,沒有發(fā)現(xiàn)火炬樹和鐵線蓮分布(表 3)。

草本層中,直播造林區(qū)黃背草、藎草、白羊草、翻白草、野青茅在上坡、中坡、下坡均有分布,前 3種重要值較高且相對穩(wěn)定。狗尾草在上坡和下坡重要值較高,團羽鐵線蕨、野韭、刺兒菜、苦菜、野谷草、洋白菜和羊胡子等零星分布。綜合來看,直播造林區(qū)以黃背草、藎草、白羊草和狗尾草為主要優(yōu)勢種。撂荒區(qū)狗尾草、藎草、黃背草、問荊、野青茅、團羽鐵線蕨、白羊草、野谷草、野韭、翻白草、洋白菜、刺兒菜、苦菜、羊胡子草、結(jié)縷草在上、中、下坡均有分布,重要值依次降低(表 3),且前 4種重要值和達 43.99%。撂荒區(qū)物種數(shù)明顯多于直播造林區(qū),且分布相對均勻。撂荒區(qū)白羊草、翻白草等陽性種重要值較直播造林區(qū)高。

3.2 物種多樣性特征

在多樣性指數(shù)中,物種豐富度指數(shù)是指一定樣方面積中的物種數(shù)目,Simpson指數(shù)被認為是反映群落優(yōu)勢度較好的指標。Shannon-W iener為變化度指數(shù),是一種較好地反映個體密度、生境差異、群落類型、演替階段的指數(shù),是物種豐富度和均勻度的函數(shù),物種數(shù)量越多,分布越均勻,Shannon-Wiener值也越大[16]。Pielou均勻度指數(shù)是指群落中各個物種重要值的均勻程度[4],是群落實測多樣性與最高多樣性之間的比率[4]。由表 2可看出:直播造林區(qū)喬木層上、中、下坡物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)差不多,說明各坡位優(yōu)勢度沒有顯著差別。Shannon-Wiener指數(shù)值,下坡大于上、中坡,說明下坡物種變化度較上、中坡大。Pielou均勻度指數(shù)上坡大于中、下坡,則上坡物種均勻度較好。撂荒區(qū)沒有喬木(圖 1(a))。

灌木層中,直播造林區(qū)物種豐富度指數(shù)下坡高于上、中坡,Simpson指數(shù)下坡 ＞中坡 ＞上坡,Shannon-Wiener指數(shù)中坡 ＞下坡 ＞上坡,Pielou均勻度指數(shù)中坡 ＞上坡 ＞下坡(表 2),說明下坡物種數(shù)多,優(yōu)勢度高,中坡均勻度較好。撂荒區(qū)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)在坡位間均沒有差異,則撂荒區(qū)坡位間物種數(shù)、優(yōu)勢度、均勻度等無顯著差異。直播造林區(qū)和撂荒區(qū)比較看,直播造林區(qū)物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和 Pielou均勻度指數(shù)均高于撂荒區(qū)相同坡位,2區(qū)域水平比較,只有Simpson指數(shù)達極顯著水平(圖 1(b))。

表 2 直播造林區(qū)與撂荒區(qū)各生長型物種多樣性指數(shù)Tab.2 Comparison on specises diversity between direct seeding area and wasteland

表 3 物種重要值Tab.3 Important value of species %

圖 1 直播造林區(qū)和撂荒區(qū)層次間物種多樣性指數(shù)Fig.1 Spices diversity index of different layers in direct seeding area and wasteland

草本層中,直播造林區(qū)物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)和 Shannon-Wiener指數(shù),下坡均高于中、上坡,Pielou均勻度指數(shù)中坡略高于上坡和下坡(表 2),說明下坡物種數(shù)多,優(yōu)勢度高,變化度高,中坡均勻度高。撂荒區(qū)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)在坡位間相差很小,無顯著差異。直播造林區(qū)物種豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和 Pielou均勻度指數(shù)均低于撂荒區(qū)相同坡位,顯著性檢驗均達顯著水平(圖 1(c))。

直播造林區(qū)灌木層物種多樣性指數(shù)高于撂荒區(qū),草本層低于撂荒區(qū),是由于喬木層的遮蔭作用,及喬木根系在土壤養(yǎng)分競爭中的優(yōu)勢導致直播造林區(qū)陽性草本減少,物種豐富度指數(shù)減少,物種多樣性指數(shù)低于撂荒區(qū)。而喬木層的存在,有助于提高林分內(nèi)微環(huán)境,提高土壤理化性質(zhì),增加了抗風蝕、水蝕的能力,多年生的灌木得到較好生長,則灌木層多樣性指數(shù)高于撂荒區(qū)。直播造林顯著提高了喬木層物種多樣性指數(shù),一定程度上提高了灌木層物種多樣性指數(shù),減少了草本層物種多樣性指數(shù)。

3.3 土壤化學性質(zhì)特征

土壤化學性質(zhì)反應了土壤對植物根系供應養(yǎng)分的潛在能力,是構(gòu)成土壤肥力的主要方面之一,也是反應植物群落演替對土壤影響的重要方面[3]。由圖 2知,直播造林區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀等大量養(yǎng)分含量均顯著或極顯著高于撂荒區(qū),且有機質(zhì)和全氮含量表層(0～5 cm)低于次層(5～10 cm),有效磷和速效鉀含量表層高于次層。直播造林區(qū)大量養(yǎng)分含量坡位間變化較大,這與直播造林區(qū)形成的林、灌、草立體結(jié)構(gòu)有關(guān),降雨時,層層截留(分流),降低了雨水直接降落到地面造成地面徑流對土壤表層沖刷,既減少了土壤的侵蝕、又保證了降水的有效利用。直播造林區(qū)坡位間差異較大,可能與微環(huán)境變化有關(guān),距喬木的遠近、坡度大小等對微環(huán)境的土壤性質(zhì)有較大影響。而撂荒區(qū),由于沒有喬木層對降雨的截留、導致雨水沖刷和土壤侵蝕,坡位間差異較小。試驗結(jié)果與張慶費等[3]研究群落演替過程中,喬木群落高于灌草群落結(jié)果相同。

直播造林區(qū)和撂荒區(qū)土壤均為弱堿性,表層差異不顯著。電導率撂荒區(qū)顯著低于直播造林區(qū),與張慶費等[3]的群落演替過程中,也沒有發(fā)現(xiàn)明顯降低規(guī)律性一致;但是與其他研究者[17]對湖北西部樺、櫟、栗演替過程中 pH值明顯下降不同。原因可能是森林群落在改善土壤的同時,促進了水分和植物根系等對土壤中石礫的作用,而撂荒區(qū)由于地表相對大面積裸露,增加了風蝕對石礫的作用。再者,盡管直播造林區(qū)和撂荒區(qū)直播前群落結(jié)構(gòu)和立地類型差不多,直播前土壤的化學性質(zhì)可能也存在一定程度的差異。

4 結(jié)論與討論

石質(zhì)山地直播造林顯著增加了喬木層物種多樣性,一定程度上提高了灌木層物種多樣性,草本層物種多樣性減少。直播造林 3物種中,苦楝重要值最大,一定程度上反映了種粒大、淺根性、喜光、生長迅速物種直播造林效果較好。

圖 2 直播造林區(qū)和撂荒區(qū)坡位間土壤化學性質(zhì)Fig.2 Soil chemical properties in direct seeding area and wasteland

直播造林 15 a后,直播造林區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀等大量養(yǎng)分含量均顯著高于撂荒區(qū),化學性質(zhì)優(yōu)于撂荒區(qū)。

撂荒區(qū)多年均未出現(xiàn)喬木物種,直播造林區(qū)也未發(fā)現(xiàn)直播造林樹種以外的其他喬木物種,可見自然演替較長時間內(nèi)不能演替到森林群落,人為干擾可促進撂荒區(qū)成林,且林分穩(wěn)定性和多樣性指數(shù)較好。該結(jié)論不僅為石質(zhì)山地造林提供了成果保證,也為石質(zhì)山區(qū)撂荒區(qū)造林提供了實用技術(shù)參考?，F(xiàn)階段直播造林試驗[10,15]也驗證了該結(jié)果。

植物群落變化是環(huán)境累積性變化的結(jié)果,土壤化學性質(zhì)的改善,也影響著群落種間競爭和物種演替,為群落的演替奠定了基礎(chǔ)[9]。植被與其生存的立地環(huán)境之間是一種相互依賴和制約的關(guān)系[3],有研究[18]指出,越是相對貧瘠的土壤,越是容易受到植被的影響。植物對有限資源的競爭是決定群落組成多樣性及演替動態(tài)的主要因子之一[5]。不同植物對有限資源的競爭力不同,早期演替種對有限養(yǎng)分的競爭性強,而對第二性資源(通常是光)的競爭性弱[6]。直播造林后,人為干擾了自然演替過程,使得大粒林木種子在競爭中易獲得有限養(yǎng)分,其速生性在后期易獲得光照。形成喬木群落后,由于喬木郁閉度提高,林下不耐蔭的陽性草本減少。而森林群落的形成改善了生態(tài)系統(tǒng),減少了水土流失,土層增厚,提高了土壤的養(yǎng)分含量。撂荒區(qū)土壤養(yǎng)分坡位間差異很小,且土層薄,水土流失嚴重。

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Influence of direct seeding on vegetation and soil in rockym ountain

Ma Fengyun1,Liu Yan1,Hou Longyu1,Song Yumin2,Xing Shangjun2,Chen Huailiang1

(1.Forestry College of Shandong Agricultural University,271018,Tai'an,Shandong;2.Shandong Academy of Forestry,251000,Jinan:China)

Technology of direct seeding plays more important role in vegetation restoration in barren areas.To evaluate its effects,using species diversity indices,including species abundance,Simpson diversity index,Shannon-Wiener index and Pielou evenness index,the characteristicsof species diversity in forest community afforested by direct seeding and wasteland in rocky mountain in Zouwu Town,Xuecheng County was studied,and soil chemical property of both areas was also measured.The results showed that:1)In forest community,dominance species was Melia azedarach in tree layer and Rhus typhina in shrub layer,while dominance species was Vitex negundo in shrub layer in wasteland.No tree species were found except Melia azedarach,Ailanthus altissima,Platycladus orientalis.2)In forest community,species diversity indicesand evenness index of tree layer were significanthigher,compared with wasteland,while those indices of shrub layer were significant lower.3)In forest community,the soilnutrients,including organicmatter,total N,available P,available K,conductivity,were significant higher than those of wasteland,while no significant difference was found in pH for both regions.It is a useful practical technology for direct seeding in vegetation restoration,whilemethod of natural succession can not be used.

species diversity;important value;chemical property;direct seeding;rockymountain

2009-05-18

2009-11-29

項目名稱:國家林業(yè)科技支撐計劃課題“困難立地工程造林關(guān)鍵技術(shù)研究”(2006BAD 03A03);山東省省林業(yè)局項目“宜林瘠薄山地直播造林技術(shù)與示范”

馬風云(1965—),男,副教授。主要研究方向:植被恢復與生態(tài)重建。E-mail:sdm fy@sdau.edu.cn

(責任編輯:程 云)