海南島不同類型濱海林地禁伐后的植被與土壤養(yǎng)分變化

薛楊 梁居智 宿少鋒 姚小蘭 王小燕 林之盼 薛雁文

摘? 要：濱海防護林及半自然次生林禁伐后的植被結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分特征的變化，是認識林地演替生態(tài)過程和鹽堿地生態(tài)恢復的核心內(nèi)容，對生物多樣性保護和生態(tài)系統(tǒng)服務功能提升具有重要意義。本研究針對海南島北部低海拔濱海地區(qū)1994年開始禁伐的人工林與次生林，采用典型樣地法，比較研究3類人工林（大葉相思林、木麻黃林、桉樹林）和鄰近的次生林、混交林（對照）等5個森林類型的植被與土壤養(yǎng)分特征。結(jié)果表明：（1）5種森林群落內(nèi)主要植被共計34科54屬57種，次生林和混交林群落物種組成較其他純林物種豐富，木麻黃林內(nèi)無灌木生長，除次生林外，其他森林類型草本層物種最豐富;（2）5種森林的土壤皆呈酸性，桉樹林、次生林和混交林的土壤有機質(zhì)和全氮含量較高，但土壤有效磷含量顯著低于木麻黃林和大葉相思林（P<0.05）;（3）混交林土壤速效鉀最高為11.27 mg/kg，其他森林類型均很低甚至未檢出;（4）次生林土壤有機質(zhì)含量、混交林土壤速效鉀含量與群落物種組成呈正相關(guān);土壤全氮含量與樹齡、樹高等呈正相關(guān)。因此，土壤養(yǎng)分隨著禁伐時間增長而增加;桉樹林具有較高的有機質(zhì)和氮含量，但木麻黃林和大葉相思林的磷含量較高，次生混交林則有著較高的鉀含量。

關(guān)鍵詞：森林類型;植被特征;土壤養(yǎng)分;濱海臺地中圖分類號：S714 ?????文獻標識碼：A

Changes of Vegetation and Soil Nutrient in Different Forests after Logging Banin Tropical Coastal Area of Hainan Island

Xue Yang¹， Liang Juzhi^1*， SU Shaofeng¹， Yao Xiaolan²， Wang Xiaoyan¹， Lin Zhipan¹， Xue Yanwen¹

1. Hainan Institute of Forestry Science， Haikou， Hainan 571100， China; 2. College of Ecology and Environment， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract： The changes of vegetation structures and soil nutrients in coastal forests are important to understand the forest ecological process and restoration of saline-alkali land， and for the biodiversity conservation and ecosystem service function enhancement. The vegetation and soil nutrient characteristics of three types of plantations （Acacia auriculiformis，Casuarina equisetifoliaandEucalyptus robusta）， secondary forests and mixed forests （control） banned from cutting in low altitude coastal areas of northern Hainan Island in 1994 were studied using the typical plot method. 57 species belonging to 54 genera and 34 families were investigated. The species composition of the secondary forest and mixed forest communities was richer than that of the pure forest， and no shrubs grew in theC. equisetifolia plantation. In addition to the secondary forests， other forest types had the most abundant species in herblayer. The soil of the five forest plots was acidic， and the content of organic matter and total N in theEucalyptus robusta plantation， secondary forest and mixed forest was the highest， but the content of available P in theA. auriculiformisandC. equisetifolia plantation was significantly higher than that of the others （P<0.05）. Except the mixed forest， available K was 11.27 mg/kg， and that in the other forest types was very low or even undetected. There existed positive correlation between organic matter in the secondary forest， available K in the mixed forests and species compositions. There existed positive correlation in total nitrogen， tree age and height. Therefore， soil nutrients increased with the increase of cutting time. TheE. robustaforest had higher organic matter and nitrogen content， but theC. equisetifolia andA. auriculiformisforests had higher phosphorus content， while the secondary mixed forest had higher potassium content.

Keywords： forest type; vegetation characteristics; soil nutrients; coastal terrace

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.028

海防林和濱海臺地人工林是抵御臺風、減輕土壤鹽堿化和保護農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等的一個重要手段，同時具有供應木材、維護生態(tài)平衡和提升生態(tài)功能等重要作用^[1]。但是，與自然半自然森林和內(nèi)陸人工林相比，濱海人工林的植被結(jié)構(gòu)和土壤成分研究較少;特別是這些人工林在禁伐后的植被演替、土壤養(yǎng)分變化規(guī)律等還缺乏系統(tǒng)性的實驗研究^[2]。

海南省文昌市位于我國最大的熱帶島嶼海南島東北部，是我國臺風登陸最頻繁、破壞最嚴重的地區(qū)之一。文昌地區(qū)從20世紀80年代開始大量種植了不同林分的人工林，造林樹種主要是大葉相思（Acacia auriculiformis）、木麻黃（Casuarina equi?setifolia）、桉樹（Eucalyptus robusta）等。自1994年大面積禁伐之后，文昌濱海臺地人工林及臨近次生林和混交林保存至今，成為我國少見的既有不同造林年齡，又有不同禁伐時間的多種類型人工林的海濱地區(qū)。這使得文昌濱海臺地成為研究不同類型人工林禁伐后植被結(jié)構(gòu)、土壤性質(zhì)、生態(tài)功能等變化規(guī)律的一個極佳地點，有利于指導今后濱海人工林重建與保護、林下植被恢復與合理利用、生態(tài)功能優(yōu)化與生態(tài)系統(tǒng)服務功能提升等。

本研究選擇文昌濱海臺地典型的大葉相思林、木麻黃林、桉樹林等3大類人工林，以禁伐時間不等的次生林、混交林為對照，研究禁伐后人工林與半自然次生林之間的植被結(jié)構(gòu)和土壤差異，以揭示不同類型濱海人工林植被結(jié)構(gòu)與土壤養(yǎng)分特征隨著禁伐時間的變化規(guī)律，為熱帶濱海臺地生態(tài)海防林建設(shè)與恢復提供科學依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1研究區(qū)概況

海南省文昌市地處108°21′～111°03′E、19°20′～ 20°10′ N，境內(nèi)屬于由低丘臺地向平原過渡地帶，地勢由西南內(nèi)陸向東北沿海傾斜，平均海拔42.6?m。該區(qū)處熱帶北緣沿海地帶，屬熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫為24?℃，年平均降雨量1799.4 mm。受熱帶季風氣候的影響，降雨具有明顯的干濕交替，全年降雨主要集中在5—11月，約占全年降雨總量的70%～90%。

文昌濱海臺地土壤類型以濱海沉積土為主，土壤略呈酸性，pH為4.5～6.6。林地多為人工林，喬木層主要物種為大葉相思（Acacia auriculiformis）、木麻黃（Casuarina equisetifolia）、桉樹（Eucalyptus robusta）和椰子（Cocos nucifera）等。灌木層多為馬纓丹（Lantana camara）、了哥王（Wikstroemia indica）、九節(jié)（Psychotria rubra）等。草本層則以鬼針草（Bidens pilosa）、小蓬草（Conyza canadensis）和夜香牛（Vernonia cinerea）為主。

1.2方法

1.2.1 ?樣地設(shè)置? 在海南省文昌市濱海臺地區(qū)域選擇5種典型森林類型（大葉相思林、木麻黃林、桉樹林、次生林和混交林）作為研究對象，并建立固定試驗樣地（面積各為1 hm²）。在每塊樣地內(nèi)分別設(shè)置 30 m×30 m的標準樣地3塊，采用水泥樁對每個樣地做標記，然后對樣地內(nèi)喬木層、灌木層和草本層植物進行調(diào)查。同時使用全球定位系統(tǒng)（GPS，Garmin公司）對固定樣地進行定位，記錄其經(jīng)度、緯度以及樣地基本情況（表1）。

在喬木層中，先對固定大樣地內(nèi)的喬木進行編號并掛牌，并對植株胸徑（DBH）≥2.0 cm，樹高≥1.5 m的木本種類（含喬木、高大灌木和大型的木質(zhì)藤本）進行每木檢尺，記載種名、胸徑和株高等。

在灌木層和草本層中，先在固定大樣地內(nèi)隨機設(shè)置5個面積5?m×5?m的小樣方，調(diào)查植株DBH<2.0 cm（H<1.5 m的喬木幼苗、幼樹及灌木等），并記錄物種名、株高和胸徑等;然后在每個5 m×5 m小樣方內(nèi)設(shè)置2個1 m×1 m的樣方，并記錄草本植物的種類和蓋度等。

1.2.2 ?樣品采集與處理? 土壤樣品于2017年7月間進行采集。在每塊標準樣地按S型隨機選取10點采集土壤樣品。土壤采樣深度統(tǒng)一為10～ 15?cm。

每2點把樣品混合成一個樣品，過2 mm篩，室內(nèi)風干研磨后過0.149 mm篩。風干后的土壤樣品采用重鉻酸鉀-外熱源法測定土壤有機碳含量;采用半微量開氏法測定土壤全氮;采用BrayⅠ提取-鉬銻抗吸光光度法測定土壤有效磷;采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀;采用1?mol/L KCl浸提-連續(xù)流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮^[3]。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和DPS 7.05軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，使用單因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）檢驗不同森林類型樣地各土壤層養(yǎng)分含量的差異顯著性;采用Canoco 5.0軟件對植被和土壤養(yǎng)分進行冗余分析（RDA）;采用Origin 9.0軟件完成繪圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1不同森林類型植被特征

對熱帶濱海臺地5種典型森林類型群落主要植被物種組成進行統(tǒng)計（圖1），發(fā)現(xiàn)所調(diào)查的森林群落內(nèi)主要植被共計34科54屬57種，就5個森林類型群落來看，大葉相思林共有植物11科15屬15種，木麻黃林7科11屬11種，桉樹林8科9屬9種，次生林和混交林群落物種組成較3種純林內(nèi)物種豐富，分別為21科22屬23種和19科24屬24種，這表明群落結(jié)構(gòu)越復雜，群落內(nèi)物種相對較豐富;桉樹林內(nèi)植物組成最少，這可能與桉樹的他感作用對林下植被生長產(chǎn)生抑制有關(guān)。

從群落垂直結(jié)構(gòu)上看，5種森林類型的喬木層、灌木層和草本層植被除次生林外，其他類型森林草本植物均比喬木和灌木層豐富，可能是次生林中上層植被生長占據(jù)了較多的資源，從而影響了林下草本的生長發(fā)育，導致木麻黃林內(nèi)無灌木生長。

木主要以大葉相思占據(jù)絕對優(yōu)勢地位，灌木以馬纓丹和了哥王為主，草本植物種類較多，如白花蛇舌草（Hedyotis diffusa）、蛇婆子（Waltheri?a indica）等;在木麻黃林和桉樹林中，木麻黃與桉樹占據(jù)喬木層主要地位，林下植被多為飛機草（Eupatorium odoratum）、水竹葉（Murdannia triquetra）、地毯草（Axonopus compressus）等草本植物，灌木分布極少;次生林和混交林下喬木種類豐富，但其物種整體組成上略有差異，前者以紅厚殼（Calophyllum inophyllum）、假蘋婆（Sterculia lanceolata）等占主要位置，后者多為紅厚殼、木麻黃和大青（Clerodendru?m cyrto?phyl?lum），灌木組成上，次生林中桃金娘（Rhodomyrtu?s tomentosa）、紫玉盤（Uvaria microcarpa）居多，混交林則是九節(jié)、了哥王和酒餅簕（Atalantia ?buxifolia）占據(jù)優(yōu)勢地位。

2.2不同森林類型土壤養(yǎng)分的比較

對熱帶濱海臺地5種典型森林類型樣地0～100 cm土層的養(yǎng)分特征進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。所調(diào)查的5種森林樣地土壤pH介于4.97～5.66，其中大葉相思林pH為5.66，顯著高于次生林、混交林和桉樹林（P<0.05）。5種森林土壤有機質(zhì)含量變化范圍為0.16～4.31?g/kg，整體含量偏低，這可能與濱海區(qū)域土壤類型有關(guān)。其中，次生林和混交林土壤有機質(zhì)含量分別為4.31、4.30 g/kg，均高于人工林，木麻黃林土壤有機質(zhì)含量最低，為0.16?g/kg。5種森林土壤全氮含量也很低，介于0.05～0.31?g/kg，其中桉樹林、次生林和混交林顯著高于木麻黃林和大葉相思林（P<0.05）。5種森林土壤有效磷含量介于2.53～ 23.54?mg/kg，木麻黃林和大葉相思林顯著高于桉樹林、次生林和混交林（P<0.05）。5種森林土壤中，除混交林土壤速效鉀最高為11.27?mg/kg，其他林型均很低甚至未檢出。從上述結(jié)果來看，5種森林土壤肥力不僅低，且差異極大。

2.3不同森林類型植被特征與土壤養(yǎng)分的RDA排序

森林群落物種組成結(jié)構(gòu)的變化對森立土壤養(yǎng)分特征影響巨大。將植被特征作為響應變量，將土壤養(yǎng)分作為解釋變量進行RDA排序（Axis lengths<3）。結(jié)果表明，前2個排序軸對響應變量的解釋度分別為65.93%和33.05%，土壤pH和有效磷與RDA 1軸和RDA 2軸皆呈負相關(guān)，全氮、有機質(zhì)和有機質(zhì)與RDA 1軸呈正相關(guān)，除全氮與RDA 2軸呈正相關(guān)外，其他土壤養(yǎng)分含量均呈負相關(guān)（圖2）。就植被特征與土壤養(yǎng)分含量而言，次生林的0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量和混交林的速效鉀含量均與群落物種組成呈正相關(guān)，同時全氮與樹齡及樹高等也呈現(xiàn)類似關(guān)系，即次生林和混交林林內(nèi)土壤有機質(zhì)和速效鉀含量越高，群落物種組成越豐富，同時全氮含量對植株生長具有正向作用。

3? 討論

森林是全球生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，關(guān)系到森林生物多樣性維持、水碳平衡、氣候調(diào)節(jié)、水土保持及水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務功能的發(fā)揮^[4]，濱海臺地是沿海防護林帶分布的重要區(qū)域^[5]，森林的穩(wěn)定發(fā)展對保護農(nóng)田、村莊免受或減輕臺風造成的損失，保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，改善人居生態(tài)環(huán)境具有重要意義^[6]。

3.1植被特征

在對海南省文昌市5種典型森林類型樣地物種的調(diào)查中，主要植被共計34科54屬57種，但林內(nèi)喬木層優(yōu)勢種及物種組成存在差異，次生林和混交林群落物種組成較3種純林內(nèi)物種豐富，可能原因是混交林受到人工干預較少，喬木層物種豐富，生態(tài)位利用較為完全^[7]，因此，在對文昌市濱海臺地進行森林保護和管理時，需更多關(guān)注具有較高生物多樣性和生長型多樣性的次生林和混交林，以更好發(fā)揮生態(tài)效益。另外，桉樹林內(nèi)植物組成最少，這可能與桉樹的他感作用有關(guān)^[8-10]。

在生長型方面，木麻黃林沒有灌木層，喬木層的物種數(shù)也極少，體現(xiàn)出木麻黃林群落結(jié)構(gòu)較為單一，可能在抵御干擾方面較為脆弱。大葉相思林是人工林中具有最高的生長型多樣性，灌木層、草本層和喬木層都有較多的物種共存。這可能是大葉相思林具有較高的固氮能力，土壤較為肥沃，有利于不同生長型的植物定植和生長。桉樹林的草本層明顯低于其他森林，這可能是桉樹林種植密度較大、林下光照較弱、具有化感作用等原因?qū)е碌?sup>[8-10]。

與人工林相比，次生林和混交林的物種組成更豐富，生長型更多樣，植被結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在抵抗干擾、恢復植被、提高局域生物多樣性等方面有更大的作用。但是，次生林與混交林這2類半自然森林也存在較大的區(qū)別：次生林喬木層物種數(shù)量高于混交林，但草本層遠低于混交林，兩者在灌木層物種豐富度方面相差無幾。這表明次生林的抗臺風能力略強于混交林，有利于濱海臺地生態(tài)安全，應該成為該區(qū)域森林保護和管理的重點對象。

3.2土壤特征

森林群落類型與森林土壤肥力息息相關(guān)^[11]。在海南省文昌市5種典型森林類型下的土壤均呈酸性，這不僅與成土母質(zhì)和成土過程等有關(guān)，還可能與地理位置有關(guān)，可能是因為調(diào)查樣地皆位于濱海臺地，土壤受海水鹽堿化影響較大而引起土壤酸化^[4]。

次生林與混交林土壤有機質(zhì)和全氮含量普遍高于純林，表明這2種森林類型可能對海南文昌市濱海臺地土壤改良作用較好^[12]，這與韓新等^[12-13]得出的結(jié)論一致。但5種熱帶濱海臺地森林土壤肥力均很低，且變異很大，因此在后續(xù)工作中，迫切需要加強對熱帶濱海臺地森林土壤肥力持續(xù)培育，這對于熱帶生態(tài)海防林建設(shè)具有重要意義。

RDA分析結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)和速效鉀含量越高，群落物種組成越豐富，全氮含量對植株生長具有正向作用。因此，在對植被進行恢復和土壤改良時，需充分考慮植物對土壤條件的適應性及土壤肥力的可持續(xù)性。

4 ?結(jié)論

海南島濱海臺地是我國熱帶海防林的重要分布區(qū)域，現(xiàn)存有大量天然林和人工林，這在防御自然災害、維護基礎(chǔ)設(shè)施、保護生產(chǎn)、改善環(huán)境和維持生態(tài)平衡等方面具有重要作用。本研究將該區(qū)域人工林和半自然次生林的植被和土壤特征進行對比研究，發(fā)現(xiàn)次生林和混交林物種組成豐富、生活型多樣、土壤有機質(zhì)和全氮含量均高于純林，建議在濱海森林建設(shè)時，多參考混交林和次生林的模式，注重維持物種多樣性、改善土壤肥力和二者的協(xié)同作用，以促進濱海臺地生態(tài)海防林的建設(shè)和穩(wěn)定發(fā)展，提高森林的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

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