密度調(diào)控對魯北黃泛平原區(qū)人工林土壤物理性質(zhì)及植物多樣性的影響

王立超, 夏江寶, 趙玉堯, 陳 萍

(1.濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 山東 濱州 256603;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站 黃河下游森林培育國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 山東 泰安 271018; 3.利津縣王莊沙區(qū)林場建設(shè)發(fā)展服務(wù)中心, 山東 東營257400)

魯北黃泛平原地區(qū)長期遭受風(fēng)沙和水土流失的危害[1]，自20世紀50—60年代起，該地區(qū)陸續(xù)營造了大量的人工防護林[2]。這些人工防護林在防風(fēng)固沙和水土保持方面曾經(jīng)發(fā)揮了巨大作用，但由于不少人工防護林種植密度不合理，導(dǎo)致林木生長不良，林木間競爭激烈，出現(xiàn)林高生長停滯，林地植被稀少等問題[3]，最終影響了防護林的綜合效益的發(fā)揮。目前關(guān)于林分密度調(diào)控對人工林的影響，在北方主要集中于杉木人工林[4-5]、松樹人工林[6-7]，且大多研究密度調(diào)控對其林木本身生長[8-9]及林地土壤養(yǎng)分[10-11]、植被多樣性[12-13]、土壤化學(xué)性質(zhì)[14-15]的影響，但林分密度調(diào)控對于其林地土壤物理性質(zhì)的研究相對較少且其關(guān)系不明確。林分密度調(diào)控是通過改變林木所占空間[16]，間接控制光線和水分截留[17]，影響林下植被生長和土壤性質(zhì)；林地土壤物理性質(zhì)變化可直接反映林分密度對其土壤產(chǎn)生的影響[18]。侯磊等[19]研究表明，高林分密度的林地雙子葉植物科數(shù)目減小，優(yōu)勢種為忍冬科；中林分密度的單子葉植物數(shù)目最少，優(yōu)勢種為菊科；中、高林分密度不利于土壤質(zhì)量提升，應(yīng)采取間伐撫育措施；低林分密度的優(yōu)勢種為豆科和薔薇科；灌木層和草本層生物量隨林分密度的增大而減小，利于土壤質(zhì)量提升。因此林分密度調(diào)控對于人工林生長以及林地植物生長及土壤物理性質(zhì)的研究具有重要意義，然而涉及黃泛區(qū)人工林分密度調(diào)控對其林下植被多樣性的研究較少[20]。

本研究以王莊沙區(qū)林場初始立地條件相同的白蠟、旱柳、白榆3種8 a林齡的人工林為研究對象，探究不同林分密度(3 m×3 m，3 m×6 m)對各林分土壤物理性質(zhì)和林下植物多樣性的影響，旨在為黃泛平原區(qū)人工林的林分密度調(diào)控對優(yōu)化林分生長、改良土壤物理性質(zhì)和增加林下植被多樣性的作用研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東營市利津縣王莊沙區(qū)林場(118°16′01″— 118°18′20″E，37°34′08″—37°35′52″N)，地處華北坳陷帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，海拔8～9 m。年平均氣溫13.3 ℃，極端高溫39.9 ℃，極端低溫-20.2 ℃；年均日照2 834.7 h，年平均降雨量526.2 mm；無霜期平均為215 d，四季分明。土壤為潮土土類，質(zhì)地以沙質(zhì)土為主，土壤機械組成為砂粒∶粉?！灭ち?60%∶30%∶10%，含鹽量<1.5‰，pH值7.5～8.0。主要造林樹種為白蠟(Fraxinuschinensis)、白榆(Ulmuspumila)、旱柳(Salixmatsudana)，林地草本植物以蒺藜(Tribulusterrester)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)等為主。

1.2 樣地設(shè)置

于2020年9月5日至9月10日，在8 a林齡的白蠟、白榆、旱柳3種人工林內(nèi)，分別選取2018年1月林分密度調(diào)控(MT)的3塊重復(fù)標準樣地(林分密度均為3 m×6 m)；同時，在上述3種人工林內(nèi)，分別選取3塊未密度調(diào)控(林分密度為3 m×3 m)的標準樣地為對照樣地(CK)(見表1)。所有標準樣地面積均為20 m×20 m，共計18塊，并在每塊標準樣地內(nèi)隨機選擇5個1 m×1 m樣方，用于林下植被調(diào)查。

表1 魯北黃泛平原區(qū)樣地概況

1.3 土壤樣品采集及測定

以“S”型取樣法對各人工林標準地進行取樣，選取大致均勻分布的5個樣點，每個樣點分別采取0—20，20—40 cm土壤，采用烘干法[21]測定土壤含水量，利用環(huán)刀法[21]測定土壤容重、土壤孔隙度及飽和持水量和毛管持水量。

1.4 植物樣品采集及生物量測定

在每塊標準樣地內(nèi)隨機設(shè)置5個1 m×1 m樣方，對林下植被種類、株數(shù)、冠幅、蓋度進行記錄；調(diào)查結(jié)束后將樣方內(nèi)所有植物地上部分進行收割，測定其鮮重并帶回實驗室進行后續(xù)分析。

林下植物生物量測定采用“烘干法”，即將植物放置烘箱，于105 ℃下殺青15 min，然后在65 ℃下烘7～8 h至恒重，稱其重量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)調(diào)查內(nèi)容，對林地植物物種多樣性指數(shù)的Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)進行計算，計算公式[22]如下：

Margalef指數(shù)(Ma): Ma=(S-1)/lnN

(1)

式中：S是樣方內(nèi)物種數(shù);N為樣方中物種個體總數(shù)。

(2)

(3)

Pielou均勻度指數(shù)(E):E=H′/lnS

(4)

式中：Pi為種i的相對優(yōu)勢度。

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007和SPSS 26軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，Duncan法多重比較，Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度調(diào)控前后的林分因子

由表2可知，林分密度由3 m×3 m降至3 m×6 m促進了各林分的平均胸徑、樹高、冠幅的生長，其中白榆人工林在調(diào)控前后變化明顯，達到了顯著水平(p<0.05)。

表2 魯北黃泛平原區(qū)林分密度調(diào)控前后的生長指標

2.2 密度調(diào)控前后的林下植物種類及生物量

由表3可知，不同林分在密度調(diào)控后，林地植物種類及生物量均表現(xiàn)為MT>CK，即植物種類和生物量均隨林分密度減小而明顯增加。不同林分密度調(diào)控后，林下植物種類增加幅度表現(xiàn)為：白榆(40.00%)>旱柳(33.33%)>白蠟(25.00%)；生物量增加幅度表現(xiàn)為：白榆(110.00%)>旱柳(90.00%)>白蠟(75.00%)。這表明林分密度降低至3 m×6 m，對于白榆的林地植物生長及種類增加最有成效。

表3 魯北黃泛平原區(qū)林分密度調(diào)控前后的林下植物種類及其生物量

2.3 密度調(diào)控前后的林下植物多樣性指數(shù)

由表4可知，不同林分在密度調(diào)控后，林下植物多樣性指數(shù)(Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù))均表現(xiàn)為：MT>CK，即植物多樣性指數(shù)均隨林分密度減小而增加。不同林分密度調(diào)控后，林下植物多樣性指數(shù)的增幅相比較，Margalef指數(shù)：白榆(65.31%)>旱柳(57.97%)>白蠟(3.57%)；Simpson指數(shù)：白榆(203.36%)>白蠟(11.41%) >旱柳(4.75%)；Shannon-Wiener指數(shù)：白榆(180.66%)>旱柳(61.66%)>白蠟(27.13%)；Pielou均勻度指數(shù)：白榆(132.77%)>旱柳(40.51%)>白蠟(30.38%)。這表明林分密度降低至3 m×6 m，白榆人工林的林下植被多樣性增加幅度最大。

表4 魯北黃泛平原區(qū)林分密度調(diào)控前后的林地植物多樣性指數(shù)

2.4 密度調(diào)控前后的土壤容重

由表5可知，不同林分在密度調(diào)控前后，其林地土壤容重均隨土層加深而增加，其中白榆人工林在密度調(diào)控前不同土層的土壤容重差異顯著(p<0.05)。林分密度降低減小了白蠟人工林0—20 cm，旱柳人工林和白蠟人工林20—40 cm土層的土壤容重，增加了白蠟人工林20—40 cm，旱柳人工林和白榆人工林0—20 cm土層的土壤容重，但對該影響均未達到顯著差異(p>0.05)。

表5 魯北黃泛平原區(qū)林分密度調(diào)控前后的土壤容重

2.5 密度調(diào)控前后的土壤孔隙度

由表6可知，林分密度降低對各林分各土層的非毛管孔隙、毛管孔隙度、總孔隙度的影響均未達到顯著差異水平(p>0.05)，但均降低了同一土層非毛管孔隙度，增加了同一土層毛管孔隙度和總孔隙度。從不同土層來看，林分密度降低未使得各人工林20—40 cm土層的土壤孔隙度較0—20 cm土層的土壤孔隙度顯著變化(p>0.05)。不同林分比較，密度降低對白蠟人工林的總孔隙度影響大于白榆人工林和旱柳人工林。

2.6 密度調(diào)控前后的土壤持水量及質(zhì)量含水量

由表7可知，在0—20 cm土層，林分密度降低，顯著提高了白蠟、旱柳、白榆3種人工林的土壤飽和持水量和毛管持水量(p<0.05)，且飽和持水量和毛管持水量的增加幅度均為，白榆>白蠟>旱柳；同時，顯著增加了白榆人工林土壤質(zhì)量含水量(p<0.05)。在20—40 cm土層，林分密度降低，顯著提高了旱柳人工林土壤飽和持水量和毛管持水量(p<0.05)，卻均顯著降低了白蠟、白榆兩種人工林的土壤飽和持水量、毛管持水量，顯著增加了土壤質(zhì)量含水量(p<0.05)。

林分密度降低，均顯著提高了白蠟、旱柳、白榆3種人工林0—20 cm土層的飽和持水量和毛管持水量(p<0.05)，以及顯著提高了白榆人工林20—40 cm土層的土壤質(zhì)量含水量(p<0.05)。

表7 魯北黃泛平原區(qū)林分密度調(diào)控前后的土壤持水量及含水量

3 討 論

3.1 密度調(diào)控對林地植物多樣性的影響

密度調(diào)控影響林隙大小，從而對林下小氣候，林下土壤水分及養(yǎng)分，森林更新均有影響[23]。本研究中，林分密度降低至3 m×6 m時，在各林分中，白榆人工林的林分因子、林下植物多樣性的提高表現(xiàn)最為顯著(表2—4)。王玉魁等[24]研究發(fā)現(xiàn)，隨林分密度降低，白榆人工林平均胸徑、平均標準木的各部分生物量、林下植物多樣性均顯著增大；與本研究結(jié)果不同的是，藺鑫等[25]研究發(fā)現(xiàn)，中密型密度的白榆人工林，其胸徑、單株地上生物量、根冠比及林下植物豐富度和多樣性均為最大，這是因為鹽堿地本身貧瘠與本研究的砂質(zhì)土壤相比，其林地林分單株生長所能汲取的土壤養(yǎng)分較少，而本研究所屬區(qū)域，單位面積所擁有的土壤養(yǎng)分相對較多，由于間伐降低了林分種間競爭，利于林分單株生長及林下植物生長所需養(yǎng)分的供給。

本研究中，林分密度降低至3 m×6 m時，對旱柳人工林、白蠟人工林的林分因子、林下植物多樣性的提高影響均不顯著(表2—4)。這是因為旱柳人工林在低密度情況下，地表鹽分積累較多，鹽分脅迫阻礙了林分本身及林下植物的吸水作用，使林分因子和植物的生長均受到限制[26]。而白蠟人工林，可能由于生長緩慢的特點，其生長所需的營養(yǎng)空間較小，間伐新增的營養(yǎng)空間對其生長影響不大，所以即使低密度也不會對其林分及林下植物生長產(chǎn)生較大影響。

3.2 密度調(diào)控對林地土壤物理性質(zhì)的影響

林分密度改變導(dǎo)致林內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，從而影響土壤性質(zhì)[27]。本研究中，林分密度降低至3 m×6 m時，各林分同一土層土壤容重比較以及不同土層的土壤容重比較均無顯著差異(表5)，這與柳曉娜等[28]研究結(jié)果不同，這可能由于各林分間伐時間短，林地土壤容重隨時間變動緩慢，致使各林地土壤容重?zé)o顯著變化。

土壤孔隙度直接影響土壤的通氣性及滲透性能，孔隙度大的土壤其有機質(zhì)含量多，土壤結(jié)構(gòu)疏松，有利于地表水下滲，且非毛管孔隙度是決定土壤儲水量的重要因素[29]。本研究中，林分密度降低至3 m×6 m時，改善了同一土層的土壤孔隙度，表現(xiàn)為毛管孔隙度的增加和非毛管孔隙度的降低(表6)；對于不同土層的土壤孔隙度改良效果表現(xiàn)為白蠟最佳，這與李永濤等[30]研究結(jié)果相似，主要原因為白蠟人工林根系生物量相對于旱柳和白榆較大，利于土壤毛管孔隙的增加。林分密度降低至3 m×6 m時，各林分的0—20 cm土層的土壤飽和持水量、毛管持水量及含水量均表現(xiàn)為顯著提高(表7)，而各林分中的白榆人工林表現(xiàn)最佳，這可能因為在3種林分中，白榆林地表枯落物覆蓋度及厚度相對較大，間伐后加速土壤腐殖質(zhì)的分解，致使0—20 cm土層土壤持水量和含水量相對較多所致；而對于20—40 cm土層表現(xiàn)為旱柳人工林的土壤持水量顯著提高，這是因為在20—40 cm各林分的根系數(shù)量表現(xiàn)為旱柳人工林的根系數(shù)量最多[31]。根系數(shù)量的增加提高了土壤的持水能力，而白蠟人工林、白榆人工林在20—40 cm土層的根系生物量及根系活力較0—20 cm土層差[32]，致使其林下土壤持水量降低。

4 結(jié) 論

低林分密度(3 m×6 m)調(diào)控，有利于白榆、白蠟、旱柳人工林的林下植物生物量、多樣性的增加，且白榆人工林增加的最明顯；也有利于林下土壤毛管孔隙度和總孔隙度提高，且白蠟人工林提高的最明顯；有利各林分0—20 cm土層的土壤飽和持水量和毛管持水量顯著提高，且白榆人工林20—40 cm土層的土壤質(zhì)量含水量的提高也達到了顯著水平。