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    川西南不同植被木本物種多樣性與土壤有機碳積累

    2015-12-07 12:20:06龔志蓮李勇
    生態(tài)環(huán)境學報 2015年9期
    關(guān)鍵詞:木本荒地天然林

    龔志蓮,李勇

    1. 西華大學食品與生物工程學院,四川 成都 610039;2. 西南交通大學地學與環(huán)境工程學院,四川 成都 610031

    川西南不同植被木本物種多樣性與土壤有機碳積累

    龔志蓮1,李勇2*

    1. 西華大學食品與生物工程學院,四川 成都 610039;2. 西南交通大學地學與環(huán)境工程學院,四川 成都 610031

    為了探討川西南不同植被對物種多樣性維持和土壤有機碳積累的生態(tài)效應,以四川寧南縣高山栲Castanopsis delavayi天然林、26年生赤桉Eucalyptus camaldulensis×新銀合歡Leucaena leucocephala混交林和新銀合歡Leucaena leucocephala純林為研究對象,同時以附近的退化荒地為對照,調(diào)查其木本物種多樣性、植被結(jié)構(gòu)及表層土壤有機碳積累。結(jié)果顯示:天然林具有較高的物種多樣性。人工林木本物種多樣性顯著高于對照荒地,但顯著低于天然林(P<0.05)。在川西南,天然林一旦遭到破壞,物種多樣性很難得到恢復。人工林呈喬、灌、草3層,植被結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)于對照荒地(荒地沒有喬木層,灌木層只有一種樹種),植被結(jié)構(gòu)的改善有利于物種多樣性的增加。赤桉×新銀合歡混交林和新銀合歡純林表層土壤有機碳儲量分別為(63.39±1.47)和(64.89±1.69)t·hm-2,顯著高于對照荒地,但顯著低于天然林(P<0.05)。表層土壤有機碳儲量的變化趨勢與物種多樣性的變化相似,物種多樣性與表層土壤碳儲量似乎相互促進。但物種多樣性與土壤碳儲量的關(guān)系還有待于進一步研究。

    深層土壤;對照荒地;土壤有機碳;物種多樣性;植被結(jié)構(gòu)

    物種多樣性是衡量群落結(jié)構(gòu)和功能復雜性的指標。研究植物群落的物種多樣性,有助于更好地認識群落的組成、結(jié)構(gòu)、功能、演替動態(tài)和穩(wěn)定性(黃建輝等,1995)。物種多樣性的恢復是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建的重要內(nèi)容(李裕元等,2004)。植樹造林能為許多物種提供棲息地,對物種多樣性的保護非常重要,尤其是那些天然林面積大大減少的區(qū)域(Hartley,2002;Brookerhoff et al.,2008)。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫,存有陸地生態(tài)系統(tǒng)碳總量的75%,所以土壤碳改變對碳循環(huán)和氣候改變影響巨大(Paul et al.,2002;Lal,2005)。越來越多的學者關(guān)注物種多樣性的保護和土壤碳積累。

    關(guān)于金沙江干熱河谷林齡小于 19年的人工林物種多樣性與表層土壤有機碳(<20 cm)有一些零散的調(diào)查研究(方海東等,2005;劉方炎等,2008;林明勇等,2009;唐國勇等,2010;Tang et al.,2013;Tang et al.,2013),但是關(guān)于天然林和20年以上林齡的人工林物種多樣性及土壤有機碳積累還鮮有報道。本研究以四川寧南縣海拔1100~1300 m高山栲Castanopsis delavayi天然林及2種26年生人工林為研究對象,同時以鄰近的退化荒地為對照,調(diào)查其木本物種多樣性、植被結(jié)構(gòu)和表層土壤有機碳積累,分析不同植被喬、灌木層物種多樣性及植被結(jié)構(gòu)的變化,表層土壤有機碳積累效應與物種多樣性之間的關(guān)系,為干熱河谷植被恢復及現(xiàn)有林地的管理提供參考。

    1 研究地概況

    研究地位于四川寧南縣(E101°35′~102°06′,N25°23′~26°06′),全縣年均溫 19.3 ℃,年均降雨量970.1 mm,其中90%以上集中在5─10月,年蒸發(fā)量1938 mm,年相對濕度63.8%,干濕季分明,≥10 ℃的年積溫6483 ℃。區(qū)內(nèi)地帶性土壤為紅壤。有研究表明,歷史上該區(qū)域的森林覆蓋率曾達到75%以上(許再富等,1985),由于人為破壞嚴重及氣候的歷史變遷,林地面積急劇減少,生物多樣性銳減,生態(tài)環(huán)境條件急劇惡化,海拔1600 m以下的天然林幾乎被破壞殆盡。僅有稀少的殘存林片作為風水林而保存下來。主要的植被類型是稀樹灌叢草地,有些地方由于人為的進一步干預和水土流失退化成為荒地。為了改善生態(tài)環(huán)境,提高生物多樣性,保持水土,改良土壤,從20世紀80年代初開始,便開始在四川省寧南縣進行以多目標植被恢復為目的的植樹造林。本研究選擇 1987年在干熱河谷上部(1100~1300 m)披砂鎮(zhèn)試驗種植的新銀合歡Leucaena leucocephala+木豆Cajanus cajan、新銀合歡+赤桉Eucalyptus camaldulensis+木豆混交林,同時選擇了海拔、坡向等相近的退化荒地及高山栲天然林進行調(diào)查。人工林在植被恢復以前均為 20年以上的撂荒地。在雨季初期進行造林,采用穴狀整地,施底肥,填表土。灌木樹種間種于喬木樹種間。植被恢復后,禁止樵采和放牧?,F(xiàn)在人工林喬、灌木層優(yōu)勢樹種均為新銀合歡,木豆因不能在干熱河谷地區(qū)自然更新而消失。人工林和天然林植被覆蓋率均約為 95%,荒地主要受到放牧和割草的影響,植被覆蓋率約為40%。樣地情況見表1。

    表1 樣地概況Table 1 Sampling stand descriptions

    2 研究方法

    2.1 調(diào)查和取樣方法

    于 2013年在天然林、人工林及對照荒地中央典型地帶分別設置3個大樣方,天然林樣方面積為20 m×20 m,人工林及對照荒地樣方面積為10 m×10 m。在大樣方中進行喬木(高度大于5 m)調(diào)查。在大樣方的4個角分別設置5 m×5 m的小樣方,進行灌木(高度0.5~5 m)調(diào)查。對樣方內(nèi)胸徑≥2.5 cm的植株進行每木檢尺,記錄物種名、高度、胸徑、蓋度等。在每個大樣方中隨機取3個表層土樣(0~20 cm),完全混合。土樣帶回實驗室風干,過 2 mm篩去除>2 mm的石礫和植物根。

    2.2 實驗分析方法

    為了描述樣地木本物種組成及多樣性,本研究采用物種重要值、物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù),其中:重要值IVtree=(RD+RF+ RC)/3,IVshrub=(RC+RH)/2(Zhang et al.,2011),式中,RD代表相對密度,RF代表相對頻度,RC代表相對蓋度,RH代表相對高度。

    土壤有機碳濃度采用重鉻酸鉀氧化法測定,土壤含水率采用烘干法測定,土壤容重采用環(huán)刀法測定(魯如坤,2000)。表層土壤有機碳儲量的計算采用如下公式:SOCS=SOC×BD×H×1000,式中,SOCS、SOC、BD、H分別代表表層土壤有機碳儲量(t·hm-2)、土壤有機碳濃度(g·kg-1)、土壤容重(g·cm-3)、土層厚度(cm)。人工林表層土壤有機碳積累率等于表層土壤有機碳儲量增加量除以植被恢復時間。

    2.3 統(tǒng)計分析方法

    為了比較天然林、人工林及對照荒地的物種多樣性、植被結(jié)構(gòu)和土壤有機碳儲量的差異,采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件單因素方差分析,多重比較采用LSD法,差異顯著性水平為0.05。

    3 研究結(jié)果

    3.1 樹種組成及樹種多樣性

    天然林喬木層,主要樹種分別是高山栲、山合歡Albizia kalkora、清香木Pistacia weinmannifolia,灌木層優(yōu)勢樹種是云南山螞蝗 Desmodium yunnanense。

    經(jīng)過26年植被恢復,在人工林僅調(diào)查到8種樹種。初始種植的灌木樹種木豆,由于不能在干熱河谷自我更新而消失。在赤桉×新銀合歡混交林中,喬木層新遷入了火繩樹Eriolaena spectabilis,灌木層新遷入了山合歡、車桑子Dodonaea viscosa、紅椿Toona ciliata等4種木本物種。在新銀合歡林中,新遷入了山合歡和凹葉山螞蝗 Desmodium concinnum 2種木本物種。不管是喬木層還是灌木層,新銀合歡都占絕對優(yōu)勢。然而,鄰近的對照荒地,沒有喬木樹種,灌木樹種僅有1種,即車桑子。

    天然林喬、灌木層物種多樣性均較高,喬木層的物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)分別為 10、1.62、0.69,灌木層物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)分別為15、2.42、0.93,均顯著高于人工林和對照荒地(圖1)。兩種人工林物種多樣性差異不顯著,赤桉×新銀合歡林略高于新銀合歡林,但均顯著高于對照荒地,對照荒地沒有喬木層,灌木層物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)分別為1、0、0(圖1)。

    3.2 植被結(jié)構(gòu)

    天然林垂直結(jié)構(gòu)呈明顯的喬、灌、草3層。喬木層高度為5.0~20.0 m,平均11.7 m。莖密度為(1442±274)hm-2(圖2)。基面積為(30.73±5.94)m2·hm-2(圖3)。喬木胸徑為2.5~30.3 cm,平均胸徑為16.7 cm,約79%的植株胸徑小于10 cm,喬木胸徑結(jié)構(gòu)呈反“J”型(圖4)。灌木層高度為0.5~4.5 m。

    圖1 樣地木本物種多樣性Fig. 1 Woody species diversity in sampling stands

    圖2 人工林及天然林莖密度Fig. 2 Stem density of plantations and natural forest

    圖3 人工林及天然林基面積Fig. 3 Basal area of plantations and natural forest

    新銀合歡林與赤桉×新銀合歡混交林盡管也呈喬、灌、草3層結(jié)構(gòu),但灌木層和草本層物種較少,優(yōu)勢物種均為新銀合歡。新銀合歡林與赤桉×新銀合歡混交林喬木層高度5.0~16.0 m,平均高度分別為 8.2和 8.4 m,莖密度分別為(6933±451)、(5933±493)hm-2,顯著高于天然林(圖2),基面積分別為(20.19±0.50)、(26.15±0.39)m2·hm-2。赤桉×新銀合歡混交林與天然林基面積差異不顯著(圖 3)。新銀合歡林與赤桉×新銀合歡混交林的徑級結(jié)構(gòu)與天然林相類似,均呈反“J”型,胸徑小于10 cm的植株均約占87%(圖4)。在對照荒地中,沒有喬木層,僅有灌、草層。灌木低矮,高僅0.5~1.5 m。

    圖4 人工林及天然林喬木徑級結(jié)構(gòu)Fig. 4 Diameter size class of plantations and natural forest

    3.3 土壤有機碳積累

    表層土壤有機碳儲量的變化趨勢與木本樹種多樣性相似。赤桉×新銀合歡混交林、新銀合歡林經(jīng)過 26年的植被恢復,表層土壤有機碳儲量分別為(63.39±1.47)、(64.89±1.69)t·hm-2,顯著高于對照荒地,分別是對照荒地的2.02倍和2.06倍,但顯著低于天然林(80.31±4.90)t·hm-2,分別比天然林低21%和19%(圖5)。兩種人工林表層土壤有機碳儲量差異不顯著。兩種人工林表層土壤有機碳積累率分別為(1.23±0.06)、(1.29±0.06)t·hm-2·a-1,差異不顯著(圖6)。

    圖5 不同樣地表層土壤有機碳儲量Fig. 5 Surface SOC storage in different sampling stands

    圖6 人工林表層土壤有機碳積累率Fig. 6 Surface SOC accumulation rate in plantations

    4 討論

    4.1 木本物種多樣性與植被結(jié)構(gòu)

    本研究發(fā)現(xiàn),木本物種多樣性天然林>人工林>荒地。一方面可能與植被結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于植被高度、凋落物量的增加及徑級結(jié)構(gòu)的改變,人工林植被結(jié)構(gòu)較退化荒地得到顯著改善,但較天然林單一。植被結(jié)構(gòu)的改善,改變了樣地的局地環(huán)境條件,有利于木本幼苗、螞蟻、爬行類和兩棲類動物的遷入,增加林地物種多樣性(Ruiz-Jaen et al.,2005)。另一方面可能與土壤水分和土壤有機碳儲量有關(guān)。殘存天然林地土壤水分(表 1)和有機碳(圖 5)高于人工林,人工林高于對照荒地。土壤水分和養(yǎng)分條件的改善更有利于物種的遷入和多樣性的保持。

    兩種人工林木本物種多樣性盡管均顯著高于對照裸荒地,但均顯著低于天然林。本研究人工林物種多樣性低于海南、秦嶺部分人工林(Fang et al.,1997;Zhang et al.,2010),但和劉方炎等(2008)和林明勇等(2009)對金沙江干熱河谷區(qū)林齡低于19年的新銀合歡林報道相一致。表明在干熱河谷,樹種多樣性的恢復非常緩慢。這一方面是由于新銀合歡在干熱河谷適應性強,在林下有大量的新銀合歡幼苗,尤其在林地環(huán)境條件改善的情況下,新銀合歡幼苗更新良好,新銀合歡具有較強的競爭力。另一方面由于天然林面積大大減少,用于物種恢復的基因庫和種子傳播者大大減少。在進行植被恢復時,怎樣進行物種的配置,加強林地的管理,增加和維持人工林的物種多樣性是非常艱巨的工作。但是殘存天然林仍具有較高的物種多樣性。天然林喬、灌木層Shannon-Wiener指數(shù)分別為1.62和2.42。Barbour et al.(1987)指出,Shannon-Wiener指數(shù)達到 2,物種多樣性即達到中、高等水平。天然林是一個非常重要的基因庫,對殘存天然林的保護是非常重要的。

    4.2 物種多樣性與土壤有機碳積累的關(guān)系

    本研究土壤有機碳儲量變化趨勢與木本物種多樣性相似,天然林>人工林>退化荒地。物種多樣性和土壤有機碳似乎相互促進,F(xiàn)ang et al.(1997)也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律。植物多樣性可通過多方面影響土壤碳儲量。當不同生態(tài)位和互利共生的物種搭配在一起,它們對養(yǎng)分、光照和水分等資源的利用存在時間、空間和偏好的差異,如不同植物根系分布的深度不同、對資源需求的物候差異及對硝態(tài)氮、氨態(tài)氮和溶解性有機碳等養(yǎng)分的偏好不同,從而會產(chǎn)生互補作用。物種多樣性越大,對資源的有效利用率就越大(Brookerhoff et al.,2008)。如豆科植物與其他功能群植物的搭配,豆科植物在溫度不高的季節(jié)進行固氮,供其他植物在氣溫較高的季節(jié)吸收氮;同時其根系在空間分布不同,能更好的利用資源,促進根生物量的積累,增加土壤碳氮積累(Fornara et al.,2008)。本研究人工林優(yōu)勢樹種新銀合歡、天然林山合歡和云南山螞蝗等均為豆科植物,與其它物種配置在一起,隨著物種多樣性的增加,土壤有機碳儲量增加。另一方面,有研究發(fā)現(xiàn)多物種混交的林地增加了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,能避免土壤有機碳的高分解率(Jandl et al.,2007)。但Zhang et al.(2011)調(diào)查發(fā)現(xiàn),植物物種多樣性與土壤有機碳儲量無顯著關(guān)系,而凋落物碳氮比、微生物數(shù)量、無脊椎動物的活動和細根生物量能顯著影響土壤有機碳。物種多樣性與土壤有機碳的關(guān)系還存在較大的爭議。由于本研究調(diào)查的樣地數(shù)量有限,干熱河谷物種多樣性是否促進土壤有機碳積累還有待于進一步研究。

    5 結(jié)論

    川西南干熱河谷殘存天然林是非常重要的物種基因庫。天然林一旦遭到破壞,很難恢復到原有植被。26年的植被恢復,僅有6種木本物種遷入。與對照荒地相比較,兩種人工林喬、灌木層物種多樣性和植被結(jié)構(gòu)得到顯著改善,但物種多樣性仍顯著低于天然林。表層土壤有機碳庫變化趨勢與木本物種多樣性變化相似,天然林>人工林>退化荒地,物種多樣性和土壤有機碳積累似乎相互促進。但是在植被恢復中,物種多樣性與土壤碳積累的關(guān)系還需要進一步研究。

    致謝:感謝四川大學唐亞教授在野外調(diào)查工作和標本鑒定工作中給予的指導和幫助,感謝四川寧南縣林業(yè)局和農(nóng)業(yè)局在野外工作中的協(xié)助。

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    Woody Species Diversity and Soil Organic Carbon Accumulation in Different Vegetations in Southwest of Sichuan Province

    GONG Zhilian1, LI Yong2*
    1. College of food and biological engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China; 2. College of Geoscience and Environment Engineering, Southwest Jiao Tong University, Chengdu 610065, China

    In order to explore ecological impacts of different vegetations on woody species diversity, vegetation structure and surface soil (>20 cm) organic carbon accumulation in Southwest of Sichuan province, a Castanopsis delavayi natural forest and 2 adjacent 26-year-old plantation forests of Leucaena leucocephala and mixed-species Eucalyptus camaldulensis × Leucaena leucocephala were selected to investigate woody species diversity, vegetation structure and surface soil organic carbon accumulation, with an adjacent wasteland as comparisons. Natural forests had higher woody species diversity. After 26-year reforestation, woody species diversity in plantations was significantly higher than that in reference wasteland, but significantly lower than that in natural forest (P<0.05), indicating that once natural forests in Southwest of Sichuan province were cleared, it would be difficult to restore diversity of woody species. There were tree, shrub and herbaceous layers in plantations. Plantations were significantly improved in vegetation structure compared with reference wastelands (no tree layer and only one species in shrub layer). Improvement of vegetation structure was helpful to increase of species diversity. In Leucaena leucocephala × Eucalyptus camaldulensis plantation and Leucaena leucocephala plantation, the surface SOC storage was (63.39±1.47) tC·hm-2and (64.89±1.69) tC·hm-2respectively, significantly higher than that in reference wasteland, but significantly lower than that in natural forest (P<0.05). The change of SOC storage in different vegetations was similar to that of species diversity, that is, wasteland < plantations < natural forest. Species diversity seemed to facilitate SOC accumulation, but the relationship between species diversity and SOC accumulation still need to be further researched.

    deep soil; reference wasteland; soil organic carbon; species diversity; vegetation structure

    10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.004

    X176;Q948

    A

    1674-5906(2015)09-1447-06

    龔志蓮,李勇. 川西南不同植被木本物種多樣性與土壤有機碳積累[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(9): 1447-1452.

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    中央高?;究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(SWJTU09BR166)

    龔志蓮(1974年生),女,講師,博士研究生,主要研究方向為生態(tài)恢復與環(huán)境保護。E-mail: gongzhlxhu@163.com *通訊聯(lián)系人。E-mail: lyswjtu@sohu.com

    2015-06-19

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