地層巖性對植物群落分布特征的影響

張戀, 王宇飛, 羅建林, 汪振立, 雷天賜

(1.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

0 引言

植被具有地域性選擇分布的特點(diǎn)，前人研究中更多考慮了氣候條件對植物分布的影響[1]，以及地質(zhì)環(huán)境條件對單一植物分布的影響等[2-3]，關(guān)于地質(zhì)環(huán)境條件如何影響植物群落分布的研究較少。成土母巖是土壤形成的重要基礎(chǔ)，直接影響到土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，不同成土母巖衍生的土壤在質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、酸堿度、保水保肥能力等方面均存在差異[4-6]，巖性差異較大的成土母巖甚至可以生成不同類型的土壤，巖石和土壤的差異會影響植物的生長發(fā)育[7-9]。本文通過研究在相同地貌條件和氣候條件下不同巖性區(qū)的植物群落分布特征，進(jìn)而探索造成不同成土母巖區(qū)地表自然生長的植物群落存在差異的原因。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省南部的贛州市贛縣區(qū)牛欄坑，區(qū)內(nèi)海拔250～350 m，屬丘陵地貌區(qū)，地形坡度25°～30°。土壤類型為紅壤，區(qū)內(nèi)人類工程活動干預(yù)較小，森林覆蓋率高。根據(jù)贛縣區(qū)南部6個雨量站1997—2017年的監(jiān)測結(jié)果，研究區(qū)年均氣溫為19.6 ℃，年平均降水量1 543.6 mm，降水多集中在每年的3—8月，約占全年降水量的71.4%。

研究區(qū)內(nèi)巖性主要發(fā)育有寒武系牛角河組變余雜砂巖，侏羅系水北組粉砂巖、砂礫巖及長石石英砂巖，另外還出露有燕山期細(xì)粒黑云母二長花崗巖(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖

2 植物群落特征

植物群落是在特定生態(tài)環(huán)境條件下植物有規(guī)律的組合，是植被與生態(tài)環(huán)境之間相互影響的結(jié)果。江西南部丘陵山區(qū)自然植被發(fā)育區(qū)生長的主要樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉樹(Cunninghamialanceolata)等針葉樹，伴生的喬木有木荷(Schimasuperba)、香樟(Cinnamomumcamphora)、青岡(Quercusglauca)、紅錐(Castanopsishystrix)等闊葉樹，檵木(Loropetalumchinense)、輪葉蒲桃(Syzygiumgrijsii)、峨眉鼠刺(Iteaomeiensis)等灌木，草本植物以鐵芒萁(Dicranopterislinearis)發(fā)育為主要特點(diǎn)，馬尾松、鐵芒萁能在土壤貧瘠的花崗巖沙土中生長[10-11]。

為研究不同巖性區(qū)的植物群落特征，本次植物群落調(diào)查選擇人類工程活動干預(yù)少、自然植物群落發(fā)育的區(qū)域開展工作，植物群落調(diào)查分別于2019年7月和2020年6月進(jìn)行，垂直巖層走向，在同一側(cè)坡面的同一海拔高度，以10 m×10 m作為一個樣方，在每個巖性區(qū)選擇有代表性的區(qū)域布置一個樣方，每個樣方內(nèi)植物種類見表1。通過對樣方內(nèi)植物群落、優(yōu)勢種、林下光照強(qiáng)度等內(nèi)容的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同巖性區(qū)之間植物群落存在差異(表1)，區(qū)內(nèi)地層巖性和土壤差異對植物群落的不同可能起著決定性的作用。

表1 不同巖性區(qū)植物群落組合

研究區(qū)內(nèi)花崗巖區(qū)的植被主要為以松科、里白科為主的針葉林，優(yōu)勢種為馬尾松、鐵芒萁(圖2(a))； 變余雜砂巖區(qū)主要為以山茶科、虎耳草科、殼斗科為主的闊葉林，優(yōu)勢種為木荷、峨眉鼠刺、紅錐等(圖2(b))； 粉砂巖區(qū)主要為以山茶科、松科、茜草科為主的闊葉林，優(yōu)勢種為木荷、杉樹、紫莖(Stewartiasinensis)(圖2(c))； 砂礫巖區(qū)主要為以殼斗科、五椏果科、豆科、大戟科、山茶科為主的闊葉林，優(yōu)勢種有紅錐、木荷、長柄山螞蝗(Podocarpiumpodocarpum)、錫葉藤(Tetraceraasiatica)(圖2(d))； 長石石英砂巖區(qū)植被主要為以山茶科、殼斗科、豆科、松科為主的針闊葉混交林，優(yōu)勢種有木荷、紅錐、杉樹、馬尾松、雞血藤(Spatholobussuberectus)等(圖2(e))，松科在長石石英砂巖區(qū)生長狀況最好[12]。藤本植物是研究區(qū)植物群落中重要的類群和組成部分，這也是熱帶亞熱帶森林有別于溫帶森林的顯著特征之一[13]，在砂礫巖區(qū)發(fā)育藤本植物也是研究區(qū)內(nèi)植物群落差異的重要特征。

植物群落和郁閉程度的不同會造成林下光照強(qiáng)度的差異，為對比不同巖性區(qū)內(nèi)的林下光照強(qiáng)度，選擇晴朗的天氣并在0.5 h內(nèi)測得不同巖性區(qū)內(nèi)林下光照強(qiáng)度和林外光線無遮擋空曠處的光照強(qiáng)度，用光照率(林下光照強(qiáng)度與空曠處光照強(qiáng)度的比值)反映植被的茂密程度、覆蓋度等方面的差異(表2)，發(fā)現(xiàn)林下光照強(qiáng)度由大到小為長石石英砂巖區(qū)>花崗巖區(qū)>粉砂巖區(qū)>砂礫巖區(qū)>變余雜砂巖區(qū)，變余雜砂巖區(qū)光照強(qiáng)度最弱的原因可能是地表植被以山茶科、殼斗科、樟科等闊葉樹為主。

表2 不同巖性區(qū)的光照強(qiáng)度

3 樣品采集與分析結(jié)果

3.1 樣品采集與測試方法

3.1.1 樣品采集與測試點(diǎn)布置

土壤樣品采集主要集中在6月，采集前3 d內(nèi)無降雨。樣方主要布置在同一側(cè)坡面、同一海拔高度的區(qū)域，分別在不同巖性區(qū)采集巖石和土壤樣品，現(xiàn)場分別測量不同巖性區(qū)土壤的緊實(shí)度、電導(dǎo)率、氧化還原電位以及林下光照強(qiáng)度等參數(shù)，本研究現(xiàn)場土壤緊實(shí)度、電導(dǎo)率、氧化還原電位和林下光照強(qiáng)度的測試參考《SL 364—2015土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》[14]進(jìn)行，采用土壤多參數(shù)測定儀(土壤墑情速測儀)在自然條件下現(xiàn)場測定。

3.1.2 分析項目與測試方法

測試指標(biāo)包括巖石、土壤的化學(xué)組分和土壤的物理參數(shù)，選擇與植物生長密切相關(guān)的A層土壤，采用梅花樁式采集土壤樣品，每個樣品約500 g，經(jīng)過自然風(fēng)干、研磨,過2 mm篩子后送樣分析，測定了土壤中的主量元素和主要微量元素，并對土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、有效P、速效K等影響土壤養(yǎng)分的指標(biāo)進(jìn)行了測定，測試參照《DD 2005—03生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求(試行)》[15]標(biāo)準(zhǔn)，具體方法為： 采用酸度計法測定pH值，重絡(luò)酸鉀容量法-外加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量，碳酸氫鈉浸提-分光光度法測定有效P含量，乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效K含量。土壤的物理參數(shù)測定參考《GB-T 50123—2019土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]，土壤容重采用環(huán)刀法取A層土原狀土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干測定土壤容重； 土壤含水量采用烘干法測定，土壤團(tuán)聚體采用干-濕篩法測定。

3.2 巖石組分分析

巖石是地表環(huán)境的固體基底，是物質(zhì)流的本源之一，深刻影響著土壤的發(fā)育及分布。不同巖石地層所含礦物組分和化學(xué)元素豐度不同，其化學(xué)組成會不同程度地遺傳給衍生出的土壤，通過成土過程中元素的遷移聚集影響著土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，造成不同巖性區(qū)土壤的發(fā)育存在區(qū)域性變化，制約著自然植被群落的發(fā)育，并導(dǎo)致在不同巖性區(qū)出現(xiàn)不同的優(yōu)勢群落。本研究主要采集了不同時代地層的巖石樣品，分析了其主要的氧化物含量(表3)。

表3 不同成土母巖的主要氧化物含量

3.3 土壤物理性質(zhì)及組分分析

土壤的物理化學(xué)性質(zhì)是表征土壤差異的主要參數(shù)，直接影響著上覆植被的生長和發(fā)育，其中土壤粒度組成主要用于表征土壤的物理性質(zhì)，土壤的pH值、氧化還原電位、電導(dǎo)率、主量元素和微量元素含量主要表征土壤的化學(xué)性質(zhì)。

3.3.1 土壤的物理參數(shù)

研究區(qū)內(nèi)的土壤為紅壤。根據(jù)不同巖性區(qū)土壤粒度和質(zhì)地的分析結(jié)果(表4)，花崗巖區(qū)、粉砂巖區(qū)和長石石英砂巖區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，變余雜砂巖區(qū)和砂礫巖區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土(圖3)。

表4 不同巖性區(qū)土壤粒度組成和土壤質(zhì)地劃分

1.砂土及壤質(zhì)砂土； 2.砂質(zhì)壤土； 3.壤土； 4.粉砂質(zhì)壤土； 5.砂質(zhì)黏壤土； 6.黏壤土； 7.粉砂質(zhì)黏壤土； 8.黏質(zhì)黏土； 9.壤質(zhì)黏土； 10.粉砂質(zhì)黏土； 11.黏土； 12.重黏土； A.花崗巖區(qū)； B.變余雜砂巖區(qū)； C.粉砂巖區(qū)； D.砂礫巖區(qū)； E.長石石英砂巖區(qū)。

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本組成單元，也是土壤肥力的重要載體。研究區(qū)土壤屬于紅壤，有機(jī)質(zhì)含量較低，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[17]，區(qū)內(nèi)土壤非水穩(wěn)定性團(tuán)聚體各粒徑占比隨團(tuán)聚體粒徑減小而降低，不同巖性區(qū)土壤中粒徑0～0.25 mm團(tuán)聚體占比的差異較為顯著，在變余雜砂巖區(qū)土壤中粒徑0～0.25 mm團(tuán)聚體的占比最高，而粒徑2～4.75 mm團(tuán)聚體在花崗巖區(qū)占比最高(表5)。團(tuán)聚體穩(wěn)定性直接影響著土壤抗侵蝕、保水、保肥能力，土壤中的大團(tuán)聚體可增強(qiáng)土壤通氣性和水分入滲，為植物生長發(fā)育提供良好的基礎(chǔ)條件。在一定范圍內(nèi)，大團(tuán)聚體占比越高，土壤穩(wěn)定性越強(qiáng)，其組成和數(shù)量通常隨植物群落組成的變化而不同[18]。

表5 不同巖性區(qū)土壤非水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

3.3.2 土壤的化學(xué)組分

分別在不同巖性區(qū)取A層土壤進(jìn)行分析，得到土壤中養(yǎng)分含量以及主量和微量元素含量(表6)。不同巖性區(qū)土壤pH值存在較為顯著的差異[19]，研究區(qū)內(nèi)土壤整體上呈酸性，藤本植物發(fā)育區(qū)土壤pH值最低，柏樹分布區(qū)土壤pH值最高。不同巖性區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為3.4%～9.2%，速效K含量范圍為(240.0～380.0)×10-6，由此可見，不同巖性巖石衍生的土壤養(yǎng)分存在較大差異，變質(zhì)巖區(qū)土壤養(yǎng)分相對較好。

表6 不同巖性區(qū)土壤養(yǎng)分及主量、微量元素含量

(續(xù)表)

4 討論

調(diào)查區(qū)位于斜坡同一側(cè)、同一海拔高度，不同巖性區(qū)之間自然斜坡坡度差異不大，不同巖性區(qū)地層巖性與各區(qū)域沿斜坡到山頂區(qū)域的巖性一致。成土母巖的風(fēng)化產(chǎn)物主要以順坡向位移為主，造成不同巖性區(qū)內(nèi)土壤的成土母巖不同，土壤中砂粒主要為原生礦物，包括石英、長石、云母等。粉砂粒中原生礦物和次生礦物均較多，原生礦物主要為云母、長石，次生礦物主要為次生石英、高嶺石等，砂粒和粉砂粒中SiO2的整體含量較高。黏粒中的礦物主要為高嶺石、蒙脫石、伊利石，黏粒中Fe、K含量較高。對比分析巖石和土壤中含量較高的SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O，發(fā)現(xiàn)這些氧化物在不同成土母巖和土壤中的含量有相同的變化趨勢(圖4)，說明土壤中主量元素的含量主要受到成土母巖成分的影響。

圖4 不同巖性區(qū)主量元素在成土母巖和土壤中的含量變化

土壤是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的要素，是植物生長發(fā)育所需水分、養(yǎng)分及熱量的載體。土壤粒度、組分、pH值、鹽度以及土壤氧化還原強(qiáng)度等性質(zhì)的變化和差異，直接影響著植被的種類和生長情況。

土壤養(yǎng)分是植物生長發(fā)育所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也是土壤肥力的重要來源，土壤的養(yǎng)分含量是指示土壤對植物生長養(yǎng)分供應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)[20]，土壤中營養(yǎng)元素的含量可以決定植物群落的類型和生長狀態(tài)[21]，反之植被可以通過落葉和分泌物影響土壤養(yǎng)分[22]。研究區(qū)不同成土母巖衍生的土壤在質(zhì)地和養(yǎng)分含量方面存在差異(圖5)?；◢弾r區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，具有良好的透水透氣性，富含K元素，但是土壤中有機(jī)質(zhì)和P元素含量低，土壤肥力差； 變余雜砂巖區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高，養(yǎng)分含量豐富，土壤肥力好； 粉砂巖區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，養(yǎng)分含量比較豐富，土壤肥力較好； 砂礫巖區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，富含P元素，土壤中有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤淺薄，土壤肥力中等； 長石石英砂巖區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，土壤中有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤肥力較差。總的來看，研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量從高到低為變余雜砂巖區(qū)土壤>粉砂巖區(qū)土壤>砂礫巖區(qū)土壤>長石石英砂巖區(qū)土壤>花崗巖區(qū)土壤。

圖5 不同巖性區(qū)土壤養(yǎng)分含量

研究區(qū)內(nèi)土壤均呈酸性，但不同巖性區(qū)土壤的pH值存在差異，不同區(qū)域土壤pH值的變化與地表不同巖性區(qū)林下光照強(qiáng)度的變化具有相同的趨勢(圖6)，特別是在藤本植物最發(fā)育的砂礫巖區(qū)，土壤pH值最低可達(dá)3.8，土壤表現(xiàn)出較強(qiáng)的酸性。土壤pH值對土壤營養(yǎng)元素活性也有較為明顯的影響，隨著酸性增強(qiáng)，F(xiàn)e的活性逐漸升高，這可能導(dǎo)致了砂礫巖區(qū)土壤中Fe氧化物的含量高于巖石中Fe氧化物的含量。

圖6 不同巖性區(qū)土壤pH值與林下光照強(qiáng)度

土壤中的氧化還原反應(yīng)是無機(jī)物和有機(jī)質(zhì)發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化并對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的化學(xué)過程，土壤氧化還原能力的強(qiáng)度可用土壤氧化還原電位來衡量。氧化還原狀態(tài)的變化會造成土壤中Fe、Mn等化合物的氧化態(tài)與還原態(tài)的變化。還原條件有利于植物中有機(jī)N的積累，有利于提高P的有效性。土壤電導(dǎo)率的大小則反映了土壤中鹽分含量的高低，土壤電導(dǎo)率越大則土壤中鹽分含量越高。土壤電導(dǎo)率在長石石英砂巖區(qū)的土壤中最高，而土壤氧化還原電位在花崗巖區(qū)和粉砂巖區(qū)最高(圖7)。

圖7 不同巖性區(qū)土壤氧化還原狀態(tài)與土壤鹽度

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)主要受成土母巖成分的影響，土壤的質(zhì)地、電導(dǎo)率、氧化還原狀態(tài)、pH值以及土壤養(yǎng)分、主量和微量元素含量的差異是影響植物群落分布的重要因素。

(2)研究區(qū)不同巖性衍生的土壤養(yǎng)分存在較大差異，各巖性區(qū)的土壤養(yǎng)分含量從高到低為變余雜砂巖區(qū)土壤>粉砂巖區(qū)土壤>砂礫巖區(qū)土壤>長石石英砂巖區(qū)土壤>花崗巖區(qū)土壤。