跡地煉山對杉木林植物多樣性與土壤特性的影響1)

張夢雅 王新杰 劉樂 張鵬 付堯

(北京林業(yè)大學，北京，100083) (北京林業(yè)大學鷲峰實驗林場) (國家林業(yè)局林產工業(yè)規(guī)劃設計院)

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跡地煉山對杉木林植物多樣性與土壤特性的影響1)

張夢雅 王新杰 劉樂 張鵬 付堯

(北京林業(yè)大學，北京，100083) (北京林業(yè)大學鷲峰實驗林場) (國家林業(yè)局林產工業(yè)規(guī)劃設計院)

依照立地條件相一致原則，采用空間代替時間方法，選取閩西北地區(qū)造林1 a及造林3 a杉木(Cunninghamialanceolata)純林，分別對煉山及未煉山林地的植物多樣性及土壤特性進行研究。 結果表明：煉山與未煉山造林后植被多樣性差異顯著。煉山在造林1 a時增加灌木多樣性，減少草本多樣性，造林3 a時灌草多樣性均減少。隨造林年限增加，僅煉山林地灌木多樣性降低，其余均呈增加狀態(tài)；煉山在造林1 a時增加土壤密度，造林3 a時增加土壤含水率、密度及毛管孔隙度，其他土壤因子質量分數降低。隨造林年限增加，煉山林地各土壤因子質量分數有所提升，未煉山林地反而下降；通徑分析表明，煉山造林地內灌木多樣性受土壤特性限制較未煉山林地小，但煉山林地草本多樣性受土壤特性的限制遠大于未煉山林地。影響較大的土壤因子為土壤孔隙度，磷、鉀質量分數?？傮w看來，跡地煉山對杉木林植被及土壤影響較大，但隨時間推移影響日益減小。

跡地清理；煉山法；植物多樣性；土壤理化性質；通徑分析

Slash disposal methods; Burning method; Plant diversity; Soil physical and chemical properties; Path analysis

林下植被和土壤是生態(tài)系統重要組成部分，也是評價生態(tài)系統的重要因子[1]。土壤提供林木生長所需水分與養(yǎng)分，是林木生存生長的最基本條件及不可或缺的載體。林下植被可以改良土壤、促進養(yǎng)分循環(huán)，對林地物種多樣性維持也發(fā)揮重要作用。兩者在森林生態(tài)系統中相輔相成，共同為林木生長提供最有利條件[2]，且均易受采伐或清理方式等干擾的影響，干擾類型、強度等都是決定其恢復的重要因素[3]。

杉木是閩西北地區(qū)歷史悠久的主要造林樹種，具有生長迅速、木材耐腐蝕、樹干通直等特點[4]。在南方栽植面積廣，對林業(yè)發(fā)展、生態(tài)建設和經濟發(fā)展有著重要作用，占據著不可取代的地位[5-6]。該地區(qū)杉木多為人工純林，主要進行皆伐作業(yè)，伐后僅將樹干搬運(未煉山)或火燒采伐剩余物(煉山)進行跡地清理?，F有研究表明，煉山會對林地造成較大影響。馬祥慶等[7]發(fā)現煉山能夠短時間提高土壤肥力、造林成活率及林下植被發(fā)育，但會加重水土流失，這與大部分學者研究結果一致[8-12]。同時，煉山后的土壤溫度高于其他方法[13]，煉山還能夠提高萌條數量并促進萌條生長[14]，有利于1年生草本和陽性植物的生長，且能促進杉木造林[15-16]。因此，本研究以煉山及未煉山造林的杉木純林為對象，通過分析其植被多樣性、土壤理化性質及兩者的通徑關系，研究對生態(tài)系統穩(wěn)定及林業(yè)可持續(xù)發(fā)展更有益的跡地清理方式。為后續(xù)杉木林地皆伐后跡地清理方式的選擇提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于將樂國有林場，福建省西北部的三明市(117°5′～117°40′E，26°26′～27°4′N)。屬中亞熱帶季風區(qū)，年平均降水量約1 680 mm，年平均溫度19.8 ℃；地處低山丘陵區(qū)，平均坡度28°，平均海拔261 m；土壤為紅壤，平均土層厚度65 cm；森林資源豐富，有林地面積達18.87萬hm2，森林覆蓋率為84.5%，主要喬木樹種為杉木(Cunninghamialanceolata)、毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford ‘Pubescens’)、馬尾松(PinusmassonianaLamb)等，主要灌木為檵木(Loropetalumchinensis)、楤木(Araliachinensis)、粗葉榕(FicushirtaVahl)、鹽膚木(Rhuschinensis)等，主要草本為狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、黑莎草(GahniatristisNees)、草珊瑚(Sarcandraglabra)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

2014年7月份，在保證造林前林分、初植密度及撫育措施均一致前提下，按照立地條件相一致原則及空間代替時間方法，在煉山及未煉山清理試驗地內，分別選取造林1 a(2013年3月份造林)及造林3 a(2011年3月份造林)的林地設置20 m×30 m的杉木標準地。每種類型6塊，共計24塊。標準地情況如表1所示。

表1 各標準地基本概況

2.2 樣地調查

調查樣地的坡度、坡向、海拔等基本指標。灌木樣方設置在標準地的中心及四角，大小為5 m×5 m，調查灌木種類、株數，卷尺測定每株高度、蓋度、冠幅后取平均值，游標卡尺測定地徑；草本樣方設置于灌木樣地的中心，大小為1 m×1 m，調查草本種類、株數，卷尺測定每株高度、蓋度后取平均值。

3) 等待按鍵信號，等待工人安裝零部件并將發(fā)動機轉到合適的安裝位置，如果等待時間>5s無信號則報警提示按鍵異常并結束程序；

2.3 土壤取樣與測定

土壤剖面設置在各個樣地的左上角、中心及右下角，每個樣地3個，剖面深度(H)為60 cm，使用環(huán)刀及自封袋采集0≤H<20 cm、20 cm≤H<40 cm、40 cm≤H<60 cm土壤樣品。環(huán)刀取樣按照國家規(guī)定進行土壤物理性質的測定與計算[17]。自封袋取土晾干、研磨、過篩后于2014年10月份至2015年1月份測定化學性質。土壤全氮質量分數采用半微量凱氏法、全磷質量分數采用酸溶-鉬銻抗比色法、全鉀質量分數采用酸溶火焰光度計法、有效磷質量分數采用碳酸氫鈉浸提法、速效鉀質量分數采用乙酸銨浸提火焰光度計法、堿解氮質量分數采用堿解擴散法、有機質質量分數采用重鉻酸鉀氧化法、pH值采用酸度計法[18]測定。

2.4 數據處理

2.4.1 多樣性指數計算

根據各位學者對8項常見多樣性指標的應用和評價[19]，結合本研究特點，為了綜合分析林地植被數量、物種多樣性及分布均勻程度，共選取以下4項常用指標。

Margelef豐富度指數(DM)：DM=(S-1)/lnN；

Pielou均勻度指數(JS，W)：JS,W=H′/lnS。

式中：N為觀察到的個體總數；Pi為物種i的概率；S為物種總數。

2.4.2 數據統計分析

數據統計及計算使用Microsoft Excel 2016，數據分析使用SPSS 20.0。其中，植被多樣性及土壤特性進行單因素ANOVA方差分析，相關性采用通徑分析方法，具體參考宋小園等[20]的研究。

3 結果與分析

3.1 不同跡地清理方式對林下植被多樣性的影響

3.1.1 不同跡地清理方式對灌木多樣性的影響

煉山對林地灌木多樣性造成顯著影響(表2)。短時間內除DM外，其余指數與未煉山林地差異顯著，但長時間后,各指數間則不具有顯著差異。煉山林地DM、DS、H′、JS，W指數比未煉山林地在造林1 a時分別增加了11.24%、25.70%、27.19%、24.49%，造林3 a時則分別降低了21.07%、8.33%、14.97%、9.82%。同時，煉山林地灌木多樣性隨著造林時間的增長而逐漸減小，未煉山林地卻相反?？梢哉J為，短時間內煉山有利于灌木生長，但隨著造林年限的增加，未煉山林地更具優(yōu)勢。

3.1.2 不同跡地清理方式對草本多樣性的影響

煉山導致草本多樣性指數降低，煉山后短期內林地各多樣性指數與未煉山林地具極顯著差異，長期后JS，W指數差異不顯著(表3)。煉山林地DM、DS、H′、JS，W指數較未煉山林地在造林1 a時分別降低了34.41%、20.30%、30.63%、22.53%，造林3 a時僅分別降低了30.60%、10.78%、21.75%、10.88%。不論是否煉山，隨著造林時間的增長，草本多樣性一直增加，且煉山對草本造成的影響隨造林年限增加而逐漸減小。

表2 不同跡地清理方式后造林林下灌木多樣性指數

注：表中數值為“平均值±標準差”；同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)；同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

表3 不同跡地清理方式后造林林下草本多樣性指數

注：表中數值為“平均值±標準差”；同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)；同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.2 不同跡地清理方式對土壤特性的影響

3.2.1 不同跡地清理方式對土壤物理性質的影響

煉山對土壤物理性質造成影響(表4)，短期內煉山林地僅土壤密度高于未煉山林地，其余指標均降低，且土壤含水率、密度和總孔隙度差異顯著，分別相差19.11%、10.95%和10.22%，其余指標差異不顯著。造林長期后煉山林地總孔隙度與非毛管孔隙度降低，其余指標升高，總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度差異顯著(分別相差4.25%、4.85%、86.34%)，其余不顯著。對比不同造林時間，除非毛管孔隙度外，煉山林地各土壤性質隨造林時間增長而逐漸改善，未煉山林地卻逐漸變差。

表4 不同跡地清理方式后造林土壤物理性質

注：表中數值為“平均值±標準差”；同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)；同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.2.2 不同跡地清理方式對土壤化學性質的影響

煉山林地所有土壤化學性質指標值小于未煉山林地(表5)，土壤pH值在各處理間無顯著差異，造林短期內煉山林地土壤各營養(yǎng)指標與未煉山林地差異顯著，但造林長期時，土壤全磷、堿解氮和有效磷質量分數變?yōu)椴町惒伙@著。煉山林地的土壤pH值，全氮、全磷、全鉀、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀質量分數較未煉山林地造林1 a時分別降低了2.60%、45.29%、31.94%、6.43%、40.79%、55.84%、65.66%、30.91%，造林3 a時則分別降低了2.68%、39.09%、9.39%、7.57%、25.10%、7.57%、52.17%、44.63%。在化學性質方面，煉山林地土壤有機質、堿解氮質量分數隨造林時間的增長而逐漸增加，其余指標逐漸下降，而未煉山林地中所有指標都下降。

表5 不同跡地清理方式后造林土壤化學性質

跡地清理方式有機質質量分數/g·kg-1堿解氮質量分數/mg·kg-1有效磷質量分數/mg·kg-1速效鉀質量分數/mg·kg-1未煉山1a(3.086±0.125)Aa(26.066±1.001)Aa(17.152±3.577)Aa (99.124±4.013)Aa煉山1a(1.827±0.147)Bb(11.512±0.837)Bb(5.890±0.943)Bb(68.488±5.006)Bb未煉山3a(2.629±0.189)Aa(15.707±1.324)Bb(11.755±3.903)ABab(88.429±3.116)Aa煉山3a(1.969±0.213)Bb(14.518±3.245)Bb(5.622±0.374)Bb(48.960±3.417)Cc

注：表中數值為“平均值±標準差”；同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)；同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.3 植物多樣性指數與土壤主要理化指標的關系

3.3.1 灌木多樣性與土壤理化性質的關系

灌木多樣性指數與土壤主要理化性質的直接通徑系數表明(表6)，煉山后造林土壤對灌木的限制較小，反而未經過火燒的造林地灌木生長受限更嚴重。在煉山林地內，僅土壤pH值對灌木多樣性指數產生顯著影響，與各多樣性指數(DM、DS、H′、JS，W)直接通徑系數分別為0.568、0.791、0.823、0.761。未煉山造林地中兩者關系較為復雜，灌木多樣性與土壤全磷質量分數呈顯著負相關，土壤全鉀質量分數分別與灌木DS、H′、JS，W呈顯著負相關。同時土壤總孔隙度僅對灌木H′產生顯著影響，土壤毛管孔隙度對灌木JS，W產生顯著影響，土壤pH值對灌木DM產生極顯著影響，且均呈負相關。

表6 灌木多樣性與土壤理化性質直接通徑系數

注：*代表在0.05水平顯著；** 代表在0.01水平顯著。

3.3.2 草本多樣性與土壤理化性質的關系

草本多樣性指數與土壤主要理化性質的直接通徑系數如表7所示，煉山林地草本多樣性受土壤特性的限制高于未煉山林地。煉山林地內，草本DS和JS，W分別與土壤總孔隙度、有效磷質量分數呈顯著負相關，草本DM和DS分別與土壤pH值呈顯著負相關，土壤有機質質量分數僅與草本JS，W呈顯著正相關，土壤全鉀質量分數與草本DM,DS和H′呈顯著負相關，土壤速效鉀質量分數分別與草本DS、H′、JS，W呈顯著負相關。未煉山林地內，土壤毛管孔隙度與草本H′呈顯著負相關，土壤非毛管孔隙度與草本DS呈顯著正相關，土壤有機質質量分數與草本DS、H′、JS，W均呈顯著負相關，土壤全磷質量分數與草本DM呈顯著負相關。

表7 草本多樣性與土壤理化性質直接通徑系數

注：*代表在0.05水平顯著；** 代表在0.01水平顯著。

4 結論與討論

煉山是一種常用跡地清理方式，其簡單易行，是南方地區(qū)重要的森林經營措施。前者的研究大部分表明其有利于幼木生長[14-15]、短時間內增加速效養(yǎng)分[9-10]。據此可以推斷，在杉木林皆伐后利用火燒進行跡地清理，會增加林地的灌草多樣性，對土壤速效養(yǎng)分具有短期促進作用。然而這一推斷并沒有在本研究中得到完全證實：僅煉山林地的灌木多樣性指數在造林1 a后較未煉山林地有所提升，其余多樣性指數均低于未煉山林地。煉山林地的土壤物理性質中僅個別指標在煉山后有所提高，化學性質全部低于未煉山林地。但是，隨著造林年限的增加，煉山林地僅灌木多樣性下降，草本多樣性、土壤物理性質和化學性質均有改善，而未煉山林地灌草多樣性方面有所增加，土壤理化性質卻在下降。

造成這些的原因有很多，對不煉山林地，草本未受火燒，受損較小，恢復較快，但煉山后表層土溫度短暫升高，有利于灌木萌發(fā)[21]。因此，造林1 a時煉山林地灌木多樣性更高，但跡地清理后造林3 a時則由于地表裸露，受到雨水的沖刷，導致水土流失等問題，使得地力下降[22]，其生長開始受到抑制。因此，煉山造林1 a林地內多為1年生灌木，且多樣性指數高于未煉山林地。這一結果與馬祥慶[14]等的研究所得結論在草本方面有所不同，木本植物方面類似?？赡苁怯捎诓荼局参飿O易受外界因素影響，且研究地本身具有差異導致。同樣的，土壤密度是一定體積的土壤質量，煉山后土壤沒有了植物的遮擋，高溫作用下容易板結進而造成密度的增加[23]，且土壤孔隙度與土壤密度具有顯著負相關關系[24]，因此，造成林地土壤性質改變。煉山林地的土壤養(yǎng)分變化結果與前者[1，23]的研究結果基本一致，但未表現林開敏等[9]研究的增加趨勢，可能由于林開敏等的研究中短期范圍指幾個月到1 a，而本研究中造林短期指造林后1 a，所以導致研究結果有所差異。對于造林年限對土壤特性的影響，可能是火燒后林地內灰燼經過分解，能夠一定程度補充損失養(yǎng)分，進而煉山后林地內土壤特性呈現逐漸改善的趨勢。

植被與土壤存在著相互影響、互相促進的密切關系[25]。煉山林地內灌木生長較未煉山林地受限小，且相關性較大的養(yǎng)分為磷與鉀。由于磷元素在植物體內參與能量代謝，在光合和呼吸等過程發(fā)揮著重要作用[26]，促進早期根系的形成和生長，促進花芽分化[27]。而鉀元素參與蛋白質、淀粉合成，其可以提高光合速率[28]，同時還可以提高植物對氮的吸收和利用[29]。這兩種元素都是木本植物初生長時關鍵養(yǎng)分，可能由于前茬種植杉木，未煉山林地土壤養(yǎng)分改變較小，灌木更受限制。與灌木相反，煉山林地草本多樣性與土壤特性的相關性更大。煉山林地內草本多樣性受一些速效養(yǎng)分的限制格外明顯，但未煉山林地僅與孔隙度，有機質、磷質量分數相關性顯著?？赡芘c煉山后土壤溫度升高對速效養(yǎng)分及含水率影響較大有關。

通過對跡地清理后林地的植被多樣性及土壤特性的綜合分析，筆者認為，閩西北地區(qū)杉木純林煉山后造林并無優(yōu)勢，不建議對跡地進行煉山處理。但隨造林時間的延長，煉山對林地造成的影響逐漸減小，所以，以現有研究為基礎，整合更多方面研究，并加以更長時間的監(jiān)測，將更有利于揭示煉山在閩西北地區(qū)杉木林造林前清理的可靠性與可行性。

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1)“十二五”農村領域國家科研計劃項目(2012BAD22B05)。

張夢雅，女，1995年6月生，北京林業(yè)大學林學院，碩士研究生。E-mail:mengya_zhang@bjfu.edu.cn。

王新杰，北京林業(yè)大學林學院，副教授。E-mail：xinjiew@bjfu.edu.cn。

2016年11月28日。

S715.3

責任編輯：任 俐。

Effect of Burning Disposal Method on Undergrowth Vegetation Diversity and Soil Properties ofCunninghamialanceolata//Zhang Mengya, Wang Xinjie, Liu Le(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China); Zhang Peng(Jiufeng Experimental Forest Farm of Beijing Forestry University); Fu Yao(Planning and Design Institute of Forest Products Industry of State Forestry Administration)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(3)：63-67,76.

In accordance with the same site conditions and employing the method of spatial sequence instead of temporal sequence, we studied the differences of species diversity and soil properties between burning and non-burning method in 1-a and 3-aCunninghamialanceolataforests in the Fujian Northwestern. Burning logging lash had significant effect on species diversity. Burning increased shrub diversity but decreased herb diversity in 1-a forest. In 3-a forest, burning had different reduction degrees of diversity. With the prolonging of the planting year, shrub diversity increased but others all decreased; Burning increased soil bulk density, and other soil properties were decreased in 1a forest. Soil moisture, soil bulk density and capillary porosity had increasing trend in 3-a forest, other soil properties were decreased. With the prolonging of the planting year, burning increased soil properties but soil properties in non-burning forest were decreased. By the path analysis, the effect between shrub diversity and soil characters was higher in non-burning forest than burning forest, but the herb diversity was different. The main factor was soil porosity, P and K. Therefore, burning disposal method has significant effect on undergrowth vegetation diversity and soil properties, but the effect is decreased with time.