北京城市森林林下植物多樣性與土壤因子的相關(guān)性1)

孟祥玉 范舒欣 董麗 孔祥奕 王淼淼 李坤 王琬璐

(北京林業(yè)大學(xué),北京,100083) (北京薊城智造科技有限公司) (北京林業(yè)大學(xué))

城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在維持城市物種多樣性及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮積極作用。其中,植物作為城市森林的基礎(chǔ)組成部分,是生物多樣性保護(hù)的重要基礎(chǔ)[1]。植物多樣性的多寡可以揭示植物個(gè)體的復(fù)雜關(guān)系,是植物利用環(huán)境資源狀況的具體表現(xiàn)方式[2]。有研究表明,植物多樣性與群落的抗干擾能力呈正相關(guān)[3]。因此,較高的植物多樣性水平有利于提高城市森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4-5]。

植物與環(huán)境的關(guān)系是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一[6-8]。有研究發(fā)現(xiàn),影響植物多樣性的因素主要包括人為干擾[9]、林分密度[10]、林分類型[11]等生物因素及地形地勢(shì)[12]、土壤理化性質(zhì)[13]、氣候因子[14]等非生物因素。部分研究表明,氣候條件、地形地貌是大尺度格局中影響群落物種多樣性的主要因素,而對(duì)于區(qū)域尺度及更小尺度(如群落尺度)而言[13,15],植物多樣性更易受到微地形、林分和土壤養(yǎng)分等環(huán)境因素的影響[16]。相較于地形因子,林分因子、土壤因子對(duì)群落尺度的林下植物多樣性影響更大[4,17]。其中,土壤理化性質(zhì)是維持植物物種豐富度的基本因素[18],被廣泛認(rèn)為與植物多樣性具有相關(guān)性[14]。因此,土壤理化性質(zhì)與植物多樣性間的相互作用是生態(tài)學(xué)探討的重要問題[16]。在群落尺度上,由于研究地的區(qū)位不同、城市森林演替的階段不同、林分類型不同,因而導(dǎo)致制約林下多樣性的土壤因子存在差異[11]。因此,仍需進(jìn)行相關(guān)研究,以期在群落尺度上揭示影響林下植物多樣性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。

人工林由于林分類型單一,植物多樣性主要通過林下植被反映。其中,林下植被(草本層、灌木層)顯著影響城市森林生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性[5],是發(fā)展生態(tài)效益的重要組成部分[19]。林下植被的多樣性反映了群落結(jié)構(gòu)的組成、結(jié)構(gòu)、發(fā)育階段,同時(shí)揭示了林下植物對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)[20],并在促進(jìn)森林群落演替更新[6]與提高其穩(wěn)定性[7]等方面有著重要作用。因此,人工林的營(yíng)造重點(diǎn)在于林下植被多樣性的維持。北京平原區(qū)作為首都功能核心區(qū),構(gòu)建多類型、多層次、多功能的高質(zhì)量綠色空間體系至關(guān)重要。北京市政府于2012年起實(shí)行了平原百萬(wàn)畝造林工程,該措施對(duì)北京城市森林生態(tài)系統(tǒng)和平原區(qū)森林景觀風(fēng)貌產(chǎn)生了重大影響,使城市森林樹種組成、林下植物種類、群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化[21]。北京平原區(qū)城市森林作為北京城市森林組成的重要部分,探究該區(qū)域林下植物多樣性差異及其維持機(jī)制具有重要意義。目前,關(guān)于北京城市森林的研究多集中于植物多樣性的調(diào)研及土壤性質(zhì)特征的單方面研究[22],針對(duì)林下植物多樣性和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性研究較為缺乏。

本研究以北京平原百萬(wàn)畝造林工程營(yíng)建的城市森林為研究對(duì)象,探究不同群落類型林下植物多樣性及土壤理化性質(zhì)特征,并針對(duì)土壤因子對(duì)北京城市森林林下植物多樣性的影響機(jī)制進(jìn)行分析,進(jìn)一步明確城市森林林下植物多樣性維持機(jī)制的重要因子,為城市森林的營(yíng)造提供參考。

1 研究區(qū)概況

北京地處中緯度地帶(地理中心坐標(biāo):39°54′20″N,116°25′29″E),屬于典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,降水多集中在夏季,多年平均年降水量約為480 mm。實(shí)施平原造林工程的平原區(qū)面積約占北京市總面積的38%。

2 研究方法

2.1 樣地選取及采樣方法

通過系統(tǒng)取樣與典型取樣法相結(jié)合的方式進(jìn)行采樣,結(jié)合北京市平原造林工程的整體規(guī)劃,對(duì)該工程營(yíng)建的城市森林樣地進(jìn)行均勻布點(diǎn)。樣地選擇立地條件基本相似的典型人工林,對(duì)北京平原區(qū)域12個(gè)區(qū)內(nèi)選定的42個(gè)樣地進(jìn)行調(diào)研(圖1)。研究樣地均參照《北京市新一輪百萬(wàn)畝造林綠化工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》和《北京市平原造林工程技術(shù)實(shí)施細(xì)則(修訂版)》進(jìn)行相關(guān)土壤處理。

植物的調(diào)研于2019、2020年的6—10月進(jìn)行。參照方精云等[23]的方法進(jìn)行樣方調(diào)查。在42個(gè)設(shè)定的樣地中,采用50 m×50 m精度的網(wǎng)格進(jìn)行均勻布點(diǎn),部分樣點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增設(shè)與位置調(diào)整。為控制單一變量,研究選取林分郁閉度和微地形相似的樣點(diǎn)1 189個(gè),每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置20 m×20 m的樣方進(jìn)行喬木層調(diào)研。采用平均布樣法在每個(gè)樣方的中心及四角設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方進(jìn)行草本植物及林下更新苗的調(diào)研,由于灌木數(shù)量較少,不做單獨(dú)的樣方劃分。觀測(cè)記錄包括調(diào)查地信息、經(jīng)緯度、海拔、群落類型、干擾程度、郁閉度、更新情況、枯落物、優(yōu)勢(shì)種,詳細(xì)記錄調(diào)查樣地的喬木層、灌木層、草本層、層間的植物種類。

2020年6—10月,以對(duì)角線法進(jìn)行土樣采集。在土壤深度(h)為0

2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

結(jié)合前人對(duì)城市森林土壤的研究[24],本研究對(duì)土壤pH、土壤密度、總孔隙度、含水量、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定、分析,其中,孔隙度包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度,共計(jì)12個(gè)土壤因子指標(biāo)。

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定,其中pH采用PHSJ-5型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)定;土壤密度采用環(huán)刀取樣分析法測(cè)定(LY/T 1215-1999);孔隙度采用TYC-1型孔隙壓力測(cè)量?jī)x測(cè)定;土壤含水量采用烘干法和中子減速法測(cè)定(LY/T 1213-1999);全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用半微量開氏法(LY/T1228-1999)測(cè)定;速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用碳酸氫鈉(質(zhì)量濃度為0.5 mol·L-1)浸提法測(cè)定(LY/T 1233-1999)[25];有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法(HJ 615-2011)測(cè)定[26];在得到有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)果上乘以換算系數(shù)(1.724)以確定有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù);全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定;有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用Olsen法測(cè)定(NY/T 1121.7-2014)[27]。

本研究參照《中國(guó)土壤普查技術(shù)》[28]中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)北京城市森林的土壤理化性質(zhì)的等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù),對(duì)北京平原區(qū)造林樣地林下植物物種多樣性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算指標(biāo)包括Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(E)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C)、Margalef豐富度指數(shù)(D)[29],公式如下:

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′):

(1)

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C):

(2)

Pielou均勻度指數(shù)(E):

(3)

Margalef豐富度指數(shù)(D):

(4)

式中:S為所有物種數(shù)目;N為全部物種的個(gè)體總數(shù);Pi為物種i的重要值。

采用SPSS 25軟件中單因素方差分析法和LSD檢驗(yàn)分析同一土層深度不同城市森林群落的林下植物多樣性及土壤理化性質(zhì)差異,并采用多重比較進(jìn)行顯著性標(biāo)記。通過比較相關(guān)系數(shù)以研究不同群落類型的林下植物多樣性指數(shù)與土壤環(huán)境因子的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同群落類型的林下植被多樣性差異

在選定的城市森林樣地內(nèi),共調(diào)查記錄林下植物46科110屬166種(含變種、栽培品種、栽培型),其中灌木16種,草本146種。根據(jù)調(diào)研結(jié)果,將當(dāng)前樣地內(nèi)的林分劃分成30個(gè)群落類型。主要群落類型包括:白樺林、刺槐林、叢生元寶楓林、杜仲林、二球懸鈴木林、國(guó)槐林、旱柳林、紅花刺槐林、‘金葉’榆樹林、欒樹林、毛白楊林、蒙古櫟林、‘千頭’椿林、楸樹林、山楊林、柿樹林、‘香花’槐林、洋白蠟林、銀杏林、榆樹林、元寶楓林、梓樹林、白皮松林、側(cè)柏林、圓柏林、油松林、雪松林、闊葉混交林、針闊混交林、針葉混交林。其中,由于混交林的混交類型多為隨機(jī)混交,混交模式較多,因此不做單獨(dú)區(qū)分。

不同群落類型的林下植物多樣性指數(shù)分析結(jié)果顯示(表1),闊葉混交林的林下植物表現(xiàn)出較高的多樣性水平,而圓柏林、側(cè)柏林、雪松林的林下植物多樣性水平則較低。多重比較結(jié)果顯示,闊葉混交林的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為最高值(3.63±0.97),顯著高于其他群落類型(P<0.05);紅花刺槐林位列第二,為2.91±0.94;‘香花’槐林位列第三,為2.91±0.70;圓柏林、側(cè)柏林、洋白蠟林的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均呈較低水平。相關(guān)分析統(tǒng)計(jì),林下植物Pielou均勻度指數(shù)較高的仍為闊葉混交林(0.79±0.08),其次為蒙古櫟林(0.75±0.10)及叢生元寶楓林(0.75±0.10)。

表1 北京城市森林不同群落類型的林下植物多樣性指數(shù)

闊葉混交林的林下植物的分布較均勻,Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為0.07±0.07;‘香花’槐林、刺槐林、紅花刺槐林的植物組成也相對(duì)較為均勻,Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分別為0.09±0.08、0.09±0.08、0.09±0.09。雖然雪松林、國(guó)槐林、圓柏林、側(cè)柏林的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)較高,但這4類群落的林下植物數(shù)量較少,統(tǒng)計(jì)學(xué)意義較弱。通過對(duì)Margalef豐富度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),闊葉混交林林下植物最為豐富,顯著高于其他群落類型(P<0.05),達(dá)到13.35±3.08;其次為‘香花’槐林、紅花刺槐林、白皮松林、針闊混交林;圓柏林、側(cè)柏林、雪松林、杜仲林等群落類型則呈較低的豐富度。

3.2 北京城市森林土壤理化性質(zhì)特征

3.2.1 土壤物理性質(zhì)特征

北京城市森林不同群落類型的土壤理化性質(zhì)分析顯示,隨著土層深度的增加,土壤密度、土壤含水量呈上升趨勢(shì),土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度則呈下降趨勢(shì)(表2)。

表2 北京城市森林不同群落類型的土壤物理性質(zhì)

當(dāng)前北京城市森林整體土壤密度為(1.07±0.21)～(3.23±0.33)g·cm-3,但20 cm

通過對(duì)土壤物理性質(zhì)進(jìn)行多重比較,可以看出,洋白蠟林、國(guó)槐林的土壤密度在3個(gè)土層深度中均表現(xiàn)出較高數(shù)值,表明洋白蠟林、國(guó)槐林土壤質(zhì)地與其他林分類型相比,土質(zhì)緊實(shí),土壤結(jié)構(gòu)性較差。所有群落類型中,土壤密度最低的為梓樹林((1.31±0.24)g·cm-3)、闊葉混交林((1.28±0.13)g·cm-3)、紅花刺槐林((1.07±0.21)g·cm-3)。在3個(gè)土層中,0

通過對(duì)北京城市森林土壤孔隙度進(jìn)行測(cè)定分析發(fā)現(xiàn),隨著土層深度的增加,土壤總孔隙度、毛管孔隙度整體呈下降趨勢(shì)(表2)。在3個(gè)土層中,闊葉混交林、‘香花’槐林、白皮松林的土壤總孔隙度以及紅花刺槐林、‘香花’槐林、白皮松林的土壤毛管孔隙度均表現(xiàn)出較高數(shù)值。由此表明,闊葉混交林、‘香花’槐林、白皮松林、紅花刺槐林的土壤基質(zhì)較輕,有利于根系生長(zhǎng)。而國(guó)槐林、圓柏林、洋白蠟林、杜仲林在3個(gè)土層深度中其土壤毛管孔隙度與土壤總孔隙度均較低,說明這些林分的土壤基質(zhì)較重,水分及空氣的容納量小,不利于植物生長(zhǎng)。

通過對(duì)3個(gè)土層的土壤非毛管孔隙度進(jìn)行多重比較分析,結(jié)果顯示:0

通過對(duì)北京城市森林土壤土壤含水量進(jìn)行測(cè)定分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)前北京城市森林整體土壤含水量在(9.05±2.35)%～(19.44±2.77)%,但在不同林分類型間存在較大差異(表2)。其中,闊葉混交林的土壤含水量在0

3.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)特征

通過統(tǒng)計(jì)分析,當(dāng)前北京城市森林不同土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(6.38±0.74)～(17.16±3.77)g·kg-1(表3),且隨著土層深度增加,有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。不同土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為0

表3 北京城市森林不同群落類型的土壤有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤pH

對(duì)0

北京城市森林的土壤pH隨土層深度的增加呈上升趨勢(shì),全氮、全磷、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。北京城市森林不同土層土壤pH基本在7.5以上,屬堿性(pH為7.5～8.5)或強(qiáng)堿性(pH>8.5)土壤。所有群落中,闊葉混交林的全氮、全磷、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出較高水平,顯著高于其他群落類型(P<0.05)。‘香花’槐林、針葉混交林、針闊混交林的全氮、全磷、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)也表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì),洋白蠟林、圓柏林、側(cè)柏林、毛白楊林的全氮、全磷、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)則顯著低于其他群落類型(P<0.05),呈較低水平(表4)。

表4 北京城市森林不同群落類型的土壤全氮、全磷、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)

通過對(duì)比不同群落類型的土壤pH,結(jié)果顯示,08.5);梓樹林、‘金葉’榆樹林土壤pH也略高于其他林分類型,但數(shù)值間并無(wú)顯著差異。對(duì)于40 cm

通過對(duì)標(biāo)《中國(guó)土壤普查技術(shù)》[28],當(dāng)前北京城市森林不同土層土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(0.19±0.02)～(0.88±0.12)g·kg-1,屬于四級(jí)(中下)和五級(jí)(低)土壤全氮水平。闊葉混交林的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0

土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(0.30±0.04)～(0.91±0.12)g·kg-1,為二級(jí)(高)土壤全磷水平到五級(jí)(低)土壤全磷水平之間。不同土層深度及不同群落類型之間土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異,0

土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(4.85±1.02)～(30.63±3.99)mg·kg-1,為二級(jí)(高)土壤有效磷水平到五級(jí)(低)土壤有效磷水平。3個(gè)土層深度中有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的群落類型為闊葉混交林、刺槐林,圓柏林的土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在所有土層中均呈較低水平,土壤質(zhì)量較差。

土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(33.38±7.67)～(115.24±13.05)mg·kg-1,為三級(jí)(中上)到五級(jí)(低)土壤有效磷水平。多重比較結(jié)果顯示,0

3.3 林下植物多樣性與土壤因子的相關(guān)性分析

北京城市森林林下植物多樣性與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果表明,0

表5 不同植被群落類型的林下植物與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性方程

通過計(jì)算土壤物理性質(zhì)(土壤密度、土壤含水量、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度及非毛管孔隙度)與林下植物多樣性的相關(guān)性系數(shù)發(fā)現(xiàn),僅40 cm

表6 土壤因子與林下植物多樣性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

土壤有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)與林下植物多樣性的相關(guān)性分析顯示,不同土層深度的土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳與林下植物多樣性指標(biāo)的相關(guān)性變化趨勢(shì)一致(表6),即土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳,與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。在0

表7 不同植被群落類型林下植物多樣性指數(shù)與土壤有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性方程

土壤pH、全磷、全氮、有效磷、速效鉀對(duì)林下植物多樣性影響的研究結(jié)果表明(表8),土壤pH與林下植物多樣性相關(guān)性研究中,數(shù)據(jù)無(wú)法線性擬合,表明當(dāng)前選樣范圍內(nèi)各土層土壤pH均無(wú)顯著差異,與植物多樣性指數(shù)無(wú)顯著線性相關(guān)性。在0

表8 不同植被群落類型的林下植物多樣性指數(shù)與土壤全磷、全氮、有效磷、速效鉀的相關(guān)性方程

0

4 討論

群落物種多樣性指數(shù)是群落結(jié)構(gòu)最直接的特征之一[30]。相關(guān)研究表明,混交林的復(fù)雜度與多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān),在改善林分結(jié)構(gòu)、增加林分生境異質(zhì)性及林分穩(wěn)定性方面優(yōu)于純林[31]。有研究認(rèn)為,由于人工林的樹種選擇過于主觀,其自身的局限性造成了物種多樣性低下[17],因此,人工林類型(造林樹種)和林分組成(純林或混交林)等因素對(duì)林下物種多樣性的影響較為明顯[32],林下植物多樣性與喬木層物種組成、營(yíng)林方式存在顯著相關(guān)性[33]。本研究中,不同林分類型的城市森林林下植物物種組成和多樣性水平存在顯著差異,該現(xiàn)象表明,林分類型對(duì)城市森林群落的林下植物組成具有顯著影響。群落物種多樣性指數(shù)能直接反映群落的結(jié)構(gòu)特征[13],且植物多樣性是城市森林生物多樣性的基礎(chǔ)[34-35],但在量化城市森林林下植物多樣性水平時(shí),需要綜合多個(gè)多樣性指數(shù)進(jìn)行評(píng)估[32]。本研究中,圓柏林、側(cè)柏林、雪松林的林下植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)均較低,但這3個(gè)林分類型的Pielou均勻度指數(shù)卻呈較高的數(shù)值,原因在于這3類林分的林下植物數(shù)量較少,各物種的個(gè)體數(shù)接近等值,所以其種類雖少卻有較高的Pielou均勻度指數(shù)。因此,在評(píng)估城市森林的群落林下多樣性時(shí),需綜合多個(gè)多樣性指數(shù)進(jìn)行分析評(píng)估。有研究發(fā)現(xiàn),混交林的復(fù)雜度對(duì)林下多樣性水平有顯著影響[31],混交林改善了林分結(jié)構(gòu),營(yíng)造了多種林下生境,在維持林下植物多樣性等方面優(yōu)于純林[36]。本研究也表明,闊葉混交林的林下植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)均表現(xiàn)出較高水平,針闊混交林的林下植物多樣性也表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)?？梢钥闯?混交林營(yíng)造了不同的喬木層次,為林下植物創(chuàng)造了不同的生長(zhǎng)環(huán)境,有利于提升林下植物多樣性水平,后期城市森林的營(yíng)建可參考這種模式加以改良利用。

土壤理化性質(zhì)的差異一定程度影響群落的結(jié)構(gòu)和植物組成特征。不同類型群落的植物經(jīng)過長(zhǎng)期演替,其生長(zhǎng)活動(dòng)、凋落物分解等會(huì)直接或間接影響土壤理化性質(zhì)[31]。本研究中,研究樣地在種植喬木之前均參照《北京市平原造林工程技術(shù)實(shí)施細(xì)則(修訂版)》進(jìn)行了相關(guān)土壤處理,經(jīng)過5 a的生長(zhǎng)發(fā)育,除土壤pH外,不同林分類型的土壤理化指標(biāo)均存在顯著差異(P<0.05),這說明,林分類型差異會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。有研究發(fā)現(xiàn),混交林的土壤理化性質(zhì)優(yōu)于純林,且隨著林下植物組成的復(fù)雜性增加,土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之增加,土壤肥力也逐漸增高[37]。本研究中,混交林有較強(qiáng)的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),即闊葉混交林的土壤密度、總孔隙度、土壤含水量、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均優(yōu)于其他林分類型。因此,后期的城市森林群落營(yíng)造,可注重營(yíng)造復(fù)層混交的林分,使其與土壤形成良好的協(xié)同效應(yīng)[38-39]。本研究對(duì)不同土層(0

隨著城市森林植物演替的不斷進(jìn)行,植物的物種種類及更替率逐漸增加,土壤中的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加[41]。物種豐富度高的植物群落提高了土壤氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的有效性,有利于調(diào)整土壤物理結(jié)構(gòu),促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。研究認(rèn)為,土壤的氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響區(qū)域物種組成的主要因素。同時(shí),土壤養(yǎng)分含量的分布特征在一定程度解釋了草本植物和灌木的分布特征[42]。有研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)林下植物多樣性具有顯著影響[43]。而本研究發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳是影響林下植物多樣性的主要土壤因素,全氮、全磷、有效磷是影響林下植物多樣性的重要土壤因素,其通過調(diào)節(jié)土壤屬性間接影響林下植物多樣性。

作為城市森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,土壤特性不僅在群落尺度上影響植物多樣性,也在區(qū)域范圍及更大尺度影響植物生長(zhǎng)和分布[44]。截止至2022年底,北京市的森林覆蓋率已經(jīng)達(dá)到44.6%,平原地區(qū)的森林覆蓋率達(dá)到31.0%。在大尺度的城市森林內(nèi)改善土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù),實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳積累,增加城市森林土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的重要途經(jīng)[45]。因此,提升北京平原區(qū)城市森林的土壤質(zhì)量,保證土壤碳的有效積累十分重要。本研究也存在未能解釋的環(huán)境變量,表明群落分布受其他因素(如生物相互作用因素、干擾因素、隨機(jī)因素)的影響[46],因此需要進(jìn)一步探究其他環(huán)境變量與林下植物多樣性之間的關(guān)系。在城市森林養(yǎng)護(hù)過程中,應(yīng)注意調(diào)節(jié)、改良土壤養(yǎng)分,保留林地內(nèi)枯落物以增加土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),為林下植物生長(zhǎng)提供良好的養(yǎng)分供應(yīng),進(jìn)而提升林下植物的多樣性水平。隨著林下植物多樣性水平的提高,枯落物可有效增加土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù),改善土壤理化性質(zhì),進(jìn)而形成良性土壤—林下植物間的生態(tài)循環(huán)[47-48]。

5 結(jié)論

本研究以北京平原百萬(wàn)畝造林工程營(yíng)建的城市森林為研究對(duì)象,探究不同群落類型林下植物多樣性及土壤理化性質(zhì)特征,并分析研究了土壤因子對(duì)林下植物多樣性的影響機(jī)制,進(jìn)一步明確城市森林林下植物多樣性維持機(jī)制的重要因子。闊葉混交林的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)均顯著高于其他群落類型(P<0.05)。土壤理化性質(zhì)分析顯示,除土壤pH外,不同群落類型土壤理化指標(biāo)均存在顯著差異,且闊葉混交林的土壤理化性質(zhì)整體優(yōu)于其他群落類型。0