生物炭對(duì)不同林齡杉木人工林林下植被的影響

劉志剛 劉愛琴 朱晨曦

摘要：近年來杉木人工林地地力衰退日趨突出，林下植被對(duì)人工林地力有一定的影響，因此在福建三明莘口教學(xué)林場(chǎng)洋頂工區(qū)內(nèi)選擇3種發(fā)育階段不同的杉木人工林設(shè)立樣地，設(shè)計(jì)施生物炭（木炭、竹炭）及不施炭共3種處理，對(duì)樣地內(nèi)林下植被的種類、數(shù)量、地徑、高度、冠幅、蓋度等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查，研究生物炭對(duì)不同林齡林下植被的影響。結(jié)果表明，施炭3年后，不同林齡林下植被優(yōu)勢(shì)物種的種類和重要值發(fā)生了改變，物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)也有所變化，表現(xiàn)為幼齡林灌木層竹炭處理>對(duì)照>木炭處理，草本層竹炭處理>木炭處理>對(duì)照;中齡林灌木層竹炭處理>對(duì)照>木炭處理，草本層對(duì)照>木炭處理>竹炭處理;成熟林灌木層草本層均是對(duì)照>竹炭處理>木炭處理。施生物炭對(duì)不同林齡的影響大小具體表現(xiàn)為成熟林>中齡林>幼齡林，木炭處理>竹炭處理。

關(guān)鍵詞：生物炭;杉木;林下植被;重要值;物種多樣性

杉木具有生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好的特點(diǎn)，在我國南方分布面積大，主要作為用材樹種，在我國亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中占有十分重要的地位[1]。杉木連栽地力衰退日趨突出[2]，有研究發(fā)現(xiàn)杉木二代林比一代林產(chǎn)量下降10%～15%，三代林比一代林產(chǎn)量下降40%～50%，并發(fā)現(xiàn)林下植被可以有效提高土壤營養(yǎng)元素含量，增加土壤微生物數(shù)量，有效地維護(hù)和恢復(fù)土壤功能[3]。

林下植被作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定有重要作用[4]。并且有研究發(fā)現(xiàn)林下植被對(duì)土壤含水量、溫度、容重等物理性質(zhì)有一定的影響[5]。有研究發(fā)現(xiàn)豐富的林下植被對(duì)人工林地力恢復(fù)有一定的影響[6]，林下植被對(duì)增加生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性有一定的意義[7]。

生物炭由于其特殊的理化性質(zhì)[8]受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的普遍關(guān)注。田永強(qiáng)等在生物炭自身性質(zhì)以及在改良作物生長生態(tài)環(huán)境等方面進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)生物炭能夠有效地吸附土壤或沉積物中的有機(jī)污染物和重金屬[9]，而對(duì)土壤性質(zhì)、作物產(chǎn)量等方面的研究存在爭議，有部分研究認(rèn)為生物炭的施加可以減少作物產(chǎn)量。而在生物炭對(duì)杉木林地生態(tài)環(huán)境的影響方面的研究較少，因此研究生物炭對(duì)杉木人工林林下植被多樣性、數(shù)量以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

鑒于此，本研究在福建三明莘口教學(xué)林場(chǎng)選擇3種不同林齡杉木人工林，施用不同的生物炭，研究生物炭對(duì)杉木人工林林下植被多樣性的影響，為生物炭在杉木林地上的應(yīng)用及是否可以緩解杉木人工林連栽地力衰退提供理論參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地設(shè)在福建省三明市莘口鎮(zhèn)莘口教學(xué)林場(chǎng)洋頂工區(qū)（117°28′E、26°09 N）內(nèi)，此地距離三明市區(qū)大約30 km，本區(qū)域?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫和濕潤，雨量充沛，年均氣溫 17～19.4 ℃，年均降水量1 600～1 800 mm，年均蒸發(fā)量 1 585 mm，年均相對(duì)濕度79%，年均日照時(shí)間1 872 h，無霜期240～300 d，海拔210～1 510 m。試驗(yàn)地土壤為坡積母質(zhì)的山地紅壤，林下植被主要有狗脊、芒萁等。試驗(yàn)地基本情況見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年12月7日在三明市莘口教學(xué)林場(chǎng)洋頂工區(qū)內(nèi)選擇立地條件、土壤條件相近，但發(fā)育階段不同的杉木人工林設(shè)立樣地，分別選取2005年造林的杉木幼齡林、1995年造林的中齡林、1978年造林的老齡林共3種發(fā)育階段，按照12 t/hm2的標(biāo)準(zhǔn)施生物炭1次，設(shè)計(jì)3種處理（施木炭、竹炭、不施生物炭），每個(gè)處理重復(fù)3次，共設(shè)27塊樣地，每塊樣地面積 20 m×20 m。試驗(yàn)采用的生物炭以杉木和毛竹（杉木與毛竹為南方部分林場(chǎng)主要產(chǎn)品）為原料，傳統(tǒng)土窯生產(chǎn)的木炭和竹炭，其基本性質(zhì)見表2。

1.3 植被調(diào)查

2015年12月在樣地進(jìn)行植被調(diào)查，在每個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地中設(shè)置1 m×1 m的小樣方3個(gè)，每種林齡設(shè)置27個(gè)小樣方，共81個(gè)小樣方。調(diào)查每個(gè)小樣方灌木層（胸徑小于4 cm的灌木和小喬木）和草本層的植物，灌木層記錄種名、數(shù)量、地徑、高度、冠幅，草本層記錄種名、數(shù)量、高度、蓋度[10-11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 重要值 用于植物群落數(shù)量分類，分析優(yōu)勢(shì)種集中程度時(shí)使用的綜合指標(biāo)[12]。

1.4.2 物種多樣性指數(shù) 物種豐富度采用樣方的物種數(shù)（S）作為衡量指標(biāo);物種多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）、Simpson多樣性指數(shù)（D）;物種均勻度采用Pielou均勻度指數(shù)（J′）衡量;生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)采用McIntosh指數(shù)（DMc）來計(jì)算[13]。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析 應(yīng)用Excel 2010計(jì)算物種的重要值及多樣性指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)不同林齡杉木人工林林下植被組成的影響

施加不同類型的生物炭3年后，不同林齡杉木人工林林下植被組成見表3?？梢钥闯觯寄居g林不同處理之間以對(duì)照組植被種類最多，有26種，隸屬于17科23屬，分別比木炭處理和竹炭處理多10種和8種，施用木炭處理在幼齡林中的差別更明顯;從中齡林不同處理之間可以看出，木炭處理植被種類最多，為25種，隸屬于20科22屬，分別比對(duì)照和竹炭處理多7種和4種，與對(duì)照比較施用木炭在中齡林差別更明顯;在杉木成熟林的不同處理之間對(duì)照組植被種類最多，為29種，隸屬于22科24屬，分別比木炭和竹炭處理多9種和10種，施用竹炭在成熟林中的差別更明顯。

2.2 生物炭對(duì)幼齡林林下植被群落變化的影響

2.2.1 幼齡林草本層植物 由表4可知，幼齡林草本層物種多度表現(xiàn)為對(duì)照（7種）>竹炭處理（5種）>木炭處理（3種），對(duì)照中的優(yōu)勢(shì)種為芒萁，重要值達(dá)到43.92%，而在木炭和竹炭處理下的優(yōu)勢(shì)種為薄蓋短腸蕨，重要值分別達(dá)到 40.02%、38.73%，芒萁成為第2優(yōu)勢(shì)種，但與最優(yōu)種的差距不大。芒萁、薄蓋短腸蕨、五節(jié)芒在3種處理中均有出現(xiàn)，黑莎草、烏毛蕨、藎草僅出現(xiàn)在對(duì)照中，蘆葦僅出現(xiàn)在竹炭處理中?？梢娚锾康氖┘邮褂g林草本層物種數(shù)與對(duì)照相比有所減少，而施用竹炭的處理出現(xiàn)了新的物種。

2.2.2 幼齡林灌木層植物 由表5可知，幼齡林灌木層植物（包括胸徑小于4 cm的小喬木），其物種多度表現(xiàn)為對(duì)照（20種）>竹炭處理（13種）=木炭處理（13種），對(duì)照中的優(yōu)勢(shì)種為山蒼子，重要值達(dá)到32.67%;而在木炭和竹炭處理下的優(yōu)勢(shì)種分別為黃絨潤楠（重要值為24.67%）、青岡（重要值為 19.38%），山蒼子在木炭處理下的重要值排名第4，為12.36%，木炭處理下山蒼子沒有出現(xiàn)。烏桕、東南野桐、顯齒蛇葡萄、山莓、黃絨潤楠、白花龍、暗色菝葜在3種處理中均有出現(xiàn)，僅出現(xiàn)在對(duì)照中的物種有地念、銹毛莓、枇杷葉紫珠、大青、三花懸鉤子、細(xì)圓藤、菝葜、香花崖豆藤;赤楠僅在木炭處理中出現(xiàn)?？梢娚锾渴┘?年后幼齡林灌木層的物種數(shù)少于對(duì)照。

2.3 生物炭對(duì)中齡林林下植被群落變化的影響

2.3.1 中齡林草本層植物 由表6可知，中齡林草本層物種多度表現(xiàn)為木炭處理（15種）>竹炭處理（13種）>對(duì)照（12種），對(duì)照、木炭處理、竹炭處理的優(yōu)勢(shì)種均為棕葉狗尾草，重要值分別達(dá)到20.08%、24.45%、33.64%。棕葉狗尾草、薄蓋短腸蕨、狗脊、烏毛蕨、華南毛蕨、金毛狗、深綠卷柏、觀音蓮座蕨在3種處理中均有出現(xiàn)，東方烏毛蕨、鐵線蕨僅出現(xiàn)在對(duì)照中，半邊旗、海金沙僅在木炭處理下出現(xiàn)，蘆竹、羽裂圣蕨僅在竹炭處理下出現(xiàn)，出現(xiàn)在施炭處理中而在對(duì)照中未出現(xiàn)的有淡綠短腸蕨、江南短腸蕨、水韭等7種植物?？梢娛┨刻幚碓黾恿酥旋g林林下草本植物的物種數(shù)量，木炭處理比竹炭處理的效果更明顯。

2.3.2 中齡林灌木層植物 由表7可知，中齡林灌木層物種多度表現(xiàn)為木炭處理（9種）>竹炭處理（8種）>對(duì)照（6種），對(duì)照、木炭處理、竹炭處理的優(yōu)勢(shì)種均為短梗南蛇藤，重要值分別達(dá)到60.33%、49.42%、48.54%。粗葉榕在3種處理中均有出現(xiàn)，白花苦燈籠僅出現(xiàn)在對(duì)照中，東南野桐、紅葉石楠、銹毛莓僅在木炭處理下出現(xiàn)，筆羅子、空心炮、顯齒蛇葡萄僅在竹炭處理下出現(xiàn)。出現(xiàn)在施炭處理中而在對(duì)照中未出現(xiàn)的有白花龍、毛冬青等8種植物，在對(duì)照中重要值達(dá)到14.43%且排在第二優(yōu)勢(shì)種的大青在木炭處理下未出現(xiàn)。可見施炭處理增加了中齡林林下灌木植物的物種數(shù)量，改變了優(yōu)勢(shì)物種的種類和重要度，木炭處理比竹炭處理的效果更明顯。

2.4 生物炭對(duì)成熟林林下植被群落變化的影響

2.4.1 成熟林草本層植物 由表8可知，成熟林草本層物種多度表現(xiàn)為對(duì)照（15種）>竹炭處理（14種）>木炭處理（9種），對(duì)照、竹炭處理的優(yōu)勢(shì)種均為華山姜，重要值分別達(dá)到18.57%、19.45%，木炭處理的優(yōu)勢(shì)種為寬羽毛蕨，重要值為20.21%。華山姜、金毛狗、江南短腸蕨、寬羽毛蕨、華南毛蕨、烏毛蕨、深綠卷柏、薄蓋短腸蕨在3種處理中均有出現(xiàn)，羽裂圣蕨僅出現(xiàn)在對(duì)照中，棕葉狗尾草僅在竹炭處理下出現(xiàn)?？梢娛┨?年后，成熟林林下草本植物的物種數(shù)量減少，木炭處理比竹炭處理減少物種數(shù)量的效果更明顯。

2.4.2 成熟林灌木層植物 由表9可知，成熟林灌木層物種多度表現(xiàn)為對(duì)照（14種）>木炭處理（11種）>竹炭處理（5種），對(duì)照的優(yōu)勢(shì)種為毛冬青，重要值為23.74%;木炭處理的優(yōu)勢(shì)種為菝葜，重要值為33.94%;竹炭處理的優(yōu)勢(shì)種為白花龍，重要值為38.97%。毛冬青、白花龍、顯齒蛇葡萄在3種處理中均有出現(xiàn)。異果崖豆藤、大青、玉葉金花僅出現(xiàn)在對(duì)照中，杜莖山、香花崖豆藤僅在木炭處理下出現(xiàn)?？梢娛┨刻幚?年后，成熟林林下灌木植物的物種數(shù)量減少，優(yōu)勢(shì)物種的種類和重要值也改變，竹炭處理比木炭處理的效果更明顯。

2.5 不同生物炭處理下杉木人工林林下植被多樣性指數(shù)

由圖1可見，施生物炭3年后，幼齡林灌木層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為對(duì)照>竹炭處理=木炭處理，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是竹炭處理>對(duì)照>木炭處理。中齡林灌木層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為木炭處理>竹炭處理>對(duì)照，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是竹炭處理>對(duì)照>木炭處理。成熟林灌木層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為對(duì)照>木炭處理>竹炭處理，

由圖2可見，施生物炭3年后，幼齡林草本層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為對(duì)照>竹炭處理>木炭處理，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是竹炭處理>木炭處理>對(duì)照。中齡林草本層物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為木炭處理>竹炭處理>對(duì)照，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是對(duì)照>木炭處理>竹炭處理。成熟林草本層物種豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、McIntosh指數(shù)均是對(duì)照>竹炭處理>木炭處理。

3 討論與結(jié)論

研究表明，栽植代數(shù)、發(fā)育階段、造林密度等都對(duì)杉木人工林林下植被的生長發(fā)育和群落結(jié)構(gòu)變化有一定的影響[9，14]，林下植被的物種多樣性指數(shù)與土壤全N、全K、速效K含量基本呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與含水率、pH值、P含量的相關(guān)關(guān)系不顯著，這說明土壤全N、全K、速效K含量是影響林下植被生長和分布的主要因子[15]。生物炭作為改善土壤質(zhì)量、增加土壤碳截留的有效改良材料[16-17]，施入土壤后，可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度、飽和導(dǎo)水率，還能增加土壤有機(jī)碳、有效磷和陽離子交換量，提升土壤pH值[18-19]。

由孟李群的研究可知，施用生物炭處理1年后，對(duì)杉木成熟林林下植被的影響更顯著，植被種類增加了4種[20]。在不同生物炭處理下，杉木各林分灌木層的優(yōu)勢(shì)種無變化，但草本層的蕨類植物增加。本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭3年后，對(duì)杉木幼齡林林下植被的影響最明顯，物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)整體上均有所提高，但生物炭處理減少了植被種類數(shù)，生物炭處理3年后僅有中齡林的灌木層和草本層植被種類數(shù)量增加，這與施生物炭1年后調(diào)查的結(jié)果不同，原因可能是施生物炭1年后土壤養(yǎng)分含量高于對(duì)照，而施生物炭3年后養(yǎng)分含量與對(duì)照差距減小，說明杉木人工林林下植被與土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)。

整體上看，施加竹炭后比施加木炭后的物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)要高，說明竹炭比木炭對(duì)林下植被的群落結(jié)構(gòu)的影響大。施入土壤中的竹炭全N含量為8.58 g/kg，全K含量為32.10 g/kg;木炭全N含量為 7.75 g/kg，全K含量為 21.32 g/kg，竹炭含量高于木炭，施入土壤后提高了土壤中養(yǎng)分含量，為林下植被的生長提供了有利的環(huán)境。由此可見，生物炭的施加改變了不同林齡的杉木人工林的土壤養(yǎng)分含量，從而影響了林下植被的發(fā)育。豐富的林下植被可以提高土壤N、K等養(yǎng)分含量，對(duì)杉木連栽造成的地力衰退有一定的恢復(fù)作用，而本研究中林下植被的種類和數(shù)量是減少的，物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大部分也是對(duì)照高于施生物炭處理，有研究者發(fā)現(xiàn)20%的研究中生物炭使作物產(chǎn)量下降，50%的研究表明施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量，有很多試驗(yàn)結(jié)論是相互矛盾的[9，21]，這說明生物炭有可能產(chǎn)生對(duì)林下植被不利的影響。因此將生物質(zhì)炭作為土壤改良劑恢復(fù)地力還有待深入研究，而且我國土壤類型眾多，不同類型的土壤施用不同生物質(zhì)炭的效果不一，如何合理施用生物炭還需要更多的理論支撐。

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