石质山地直播造林对植被和土壤的影响

马风云,刘艳,侯龙鱼,宋玉民,邢尚军,陈怀梁

(1.山东农业大学林学院,271018,山东泰安;2.山东省林业科学研究院,251000,济南)

石质山地直播造林对植被和土壤的影响

马风云1,刘艳1,侯龙鱼1,宋玉民2,邢尚军2,陈怀梁1

(1.山东农业大学林学院,271018,山东泰安;2.山东省林业科学研究院,251000,济南)

直播造林是石质山地植被恢复的重要技术,为了评价该类地区植被恢复效果,运用物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数研究山东省薛城区邹坞镇石质山地直播造林区和撂荒区物种多样性特征和土壤化学性质特征。结果表明:1)直播造林区乔木层苦楝为优势种,重要值最高,灌木层火炬树为优势种;撂荒区灌木层以荆条为优势种;直播造林区和撂荒区无直播树种外的乔木物种分布。2)直播造林区显著增加了乔木层物种多样性指数和均匀度指数,一定程度了增加了灌木层多样性指数和均匀度指数,草本层的多样性指数和均匀度指数均显著低于撂荒区。3)直播造林区土层较厚,有机质、全氮、有效磷、速效钾和电导率均显著高于撂荒区,pH值没有显著差异。直播造林在石质山地植被恢复中具有明显效果,自然演替恢复效果较差。

物种多样性;重要值;化学性质;直播造林;石质山地

植被恢复过程包括自然演替和人为干扰下的演替,演替过程与物种多样性指数关系比较复杂,成为现代生态学研究的热点之一[1-2]。我国很多学者[3-8]对人为干扰植被恢复和自然演替恢复进行了大量的研究。随着多年植被恢复工作的开展和深入,人工林分的稳定性评价受到普遍关注,保证人工林生态系统的稳定,最大程度地发挥其功能,开展植被恢复后的物种多样性特征研究显得尤为重要[6]。相对于自然演替,人为干扰加速植被恢复演替过程[3,5],且在物种多样性上差异不显著[6]。

生物多样性与生态系统功能关系的研究可以追溯到达尔文时代,多样性与生态系统生产力、稳定性和可持续性成为近年来争论的焦点[9]。生物多样性对生态系统的物质循环有影响,同时影响生态系统中元素循环和土壤肥力的可持续性。土壤化学性质反映了土壤对植物根系供应养分的潜在能力,是构成土壤肥力的主要方面之一,也是反映植物群落演替对土壤影响的重要方面[3]。

随着造林绿化工作的不断深入,深山、远山、贫瘠山区已成为造林绿化工作的重点和难点,简单易行的直播造林技术成为我国山地造林的重点应用技术[10]。山东、河南等林业部门相继开展了瘠薄山地直播造林研究,均取得了较好的效果[11]。笔者以山东省薛城区邹坞镇石质山地 15 a直播造林区为研究对象,以撂荒区(未直播区)为对照,研究直播造林群落物种多样性特征和土壤化学性质,为瘠薄山地直播造林工作提供支持,也为其他地区开展相同工作提供依据。

1 研究区概况

调查地石质山地直播造林区和撂荒区位于山东省枣庄市薛城区邹钨镇 (E 117°17′,N 34°37′),属暖温带半湿润季风型大陆性气候,四季分明,雨热同季,降水集中。春季回暖快,降雨量少,多风,蒸发量大,易干旱;夏季炎热、多雨,潮湿,易涝;秋季降温快,降雨量骤减,多晴朗天气,晚秋易旱;冬季降雨量稀少,寒冷干燥。年日照时间为 2 532.1 h,全区多年年平均气温 14℃,最高气温 40.5℃,最低气温-22.3℃。多年平均降雨量 804mm,季节降水明显不均,春季占年降水量的 16.3%,夏季占 59.2%,秋季占 19.2%,冬季占 5.3%。本区多年平均蒸发量757.5mm,夏季是全年蒸发量最大的季节,月平均蒸发量 166.4mm[12]。

在广大山地丘陵区,特别是石灰岩山区,由于森林植被屡遭破坏,从而造成严重的水土流失,以致土层瘠薄,形成了大面积的次生灌草丛,是一种相对稳定的植物群落[12]。1993年秋,当地林业局组织实施苦楝(Melia azedarach)、臭椿(Ailanthusaltissima)和侧柏(Platycladus orientalis)直播造林,其中苦楝播前去除果肉、臭椿去除种翅。鱼鳞坑(规格 30 cm×30 cm×20 cm)整地,1～2粒 /(穴◦树种)混播,封育管理。研究区乔木有苦楝、臭椿、侧柏,灌木有火炬树 (Phus typhina)、荆条 (Vitex negundo var.heterophylla)、酸枣 (Ziziphus jujuba var.spinosa)、细叶胡枝子(Lespedeza hedysaroides var.subsericea)、铁线莲(Clematis heracleiteia),草本植物有狗尾草(Setaria viridis)、荩草 (Arthraxon hispidus)、黄背草(Themeda triandra var.japonica)、问荆 (Equisetum pratense)、野青茅 (Deyeuria arundinacea)、团羽铁线蕨(Adiantum capillus-junosis)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)、野谷草 (Arundinella hirta)、野韭 (Allium senescens)、翻 白草 (Potentilla discolor)、洋 白 菜(Brassica oleracea var.capitata)、 刺儿 菜(Cephalanoplos segetum)、苦菜 (Sonchusbrachyotus)、羊胡子草 (Carex lanceolata)、结缕草 (Zoysia japonica)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

直播造林区和撂荒区环境因子如表 1,用 GPS测得从山底到山顶垂直高度 99m,以 33和 66m为临界值,将山体划分为下坡(海拔 144～177m)、中坡(海拔 177～210m)和上坡(海拔 210～243m)。每坡位随机设置面积 20m×20m的乔木样地 3个,每乔木样地内设置 5m×5m灌木样地 2个,每灌木样地内设置 1m×1m草本样方 2个,即每个坡位设置样地或样方 3(乔)、6(灌 )、12(草)个。撂荒区每坡位设定相同数目的灌木和草本样方。乔木样地调查指标包括种类、数量、胸径、树高、冠幅等因子。灌草样方调查指标包括种类、高度、数量和盖度等。

每个设置草本样方内选 1个取样点,挖土壤剖面采集土样。然后把每个乔木样地内同层 4土样混合为 1个,则每坡位得 3个混合土样。撂荒区每坡位同样为 3个混合土样。取样土层为 0～5 cm(直播造林区,撂荒区)和 5～10 cm(直播造林区)。

2.2 测定方法

群落物种多样性统一用各个物种在该层(乔、灌、草)中的重要值来计算,计算公式[1,13]如下:V乔木=(相对密度 +相对高度 +相对优势度)/3 V灌木=(相对高度 +相对盖度)/2

表 1 调查区群落环境因子Tab.1 Environmental factors of research sites

物种多样性指数以各样地物种重要值平均数为基础,采用目前较为普遍使用的公式计算,按生长型(乔木、灌木、草本)计算各物种多样性指数[1,13]。

物种丰富度指数 S为出现在样地中的物种数。

式中:Pi为物种 i的相对重要值,Pi=Ni/N;Ni为物种 i的重要值;N为物种 i所在群落的所有物种重要值之和。

有机质采用重铬酸钾容量法测定,全氮采用凯氏蒸馏法测定,速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法测定,速效磷采用 Olsen法(恒温水浴振荡浸提)测定,pH值用电位法测定,电导率用电导率仪测定[14]。

3 结果与分析

3.1 群落结构特征

优势种组成差异在一定程度上反映群落的结构多样性特征[13]。对人工林群落而言,优势乔木种群下的灌、草层组成差异在一定程度上反映了该人工群落林下植被的恢复和发育状况[1]。对直播造林区和撂荒区物种组成的调查(表 2)显示:直播造林显著增加了群落的乔木数量。直播造林区上、中坡3物种的重要值(表 3)均为苦楝 ＞臭椿 ＞侧柏,下坡重要值侧柏 ＞苦楝 ＞臭椿。从重要值平均值来看,苦楝 ＞侧柏 ＞臭椿,说明相同条件下,直播后苦楝种子萌发和生长占优势。苦楝为大粒种子,主根不发达,侧根发达;臭椿为小粒种子,深根性树种;侧柏为小粒种子,浅根性树种。3树种都为喜光树种,苦楝和臭椿具有速生性,侧柏生长较慢。下坡侧柏重要值较高,可能与下坡易遭受当地牧民破坏有关。可见,直播造林树种选择时,最好选择种子粒大、浅根性、喜光、生长迅速的物种。刘艳等[15]通过对山东几个乡土树种的直播造林试验表明大粒种子在直播造林时具有较高的出苗率和保存率。

灌木层中,直播造林区火炬树重要值最高,是该层优势种,荆条重要值也较高,细叶胡枝子、酸枣和铁线莲依次降低,且在上、中、下坡前 4个物种均有分布,重要值相对稳定,铁线莲只在下坡出现,重要值较低。撂荒区荆条重要值最高,占灌木层近 50%,其他 2物种为酸枣和细叶胡枝子,酸枣重要值大于细叶胡枝子,没有发现火炬树和铁线莲分布(表 3)。

草本层中,直播造林区黄背草、荩草、白羊草、翻白草、野青茅在上坡、中坡、下坡均有分布,前 3种重要值较高且相对稳定。狗尾草在上坡和下坡重要值较高,团羽铁线蕨、野韭、刺儿菜、苦菜、野谷草、洋白菜和羊胡子等零星分布。综合来看,直播造林区以黄背草、荩草、白羊草和狗尾草为主要优势种。撂荒区狗尾草、荩草、黄背草、问荆、野青茅、团羽铁线蕨、白羊草、野谷草、野韭、翻白草、洋白菜、刺儿菜、苦菜、羊胡子草、结缕草在上、中、下坡均有分布,重要值依次降低(表 3),且前 4种重要值和达 43.99%。撂荒区物种数明显多于直播造林区,且分布相对均匀。撂荒区白羊草、翻白草等阳性种重要值较直播造林区高。

3.2 物种多样性特征

在多样性指数中,物种丰富度指数是指一定样方面积中的物种数目,Simpson指数被认为是反映群落优势度较好的指标。Shannon-W iener为变化度指数,是一种较好地反映个体密度、生境差异、群落类型、演替阶段的指数,是物种丰富度和均匀度的函数,物种数量越多,分布越均匀,Shannon-Wiener值也越大[16]。Pielou均匀度指数是指群落中各个物种重要值的均匀程度[4],是群落实测多样性与最高多样性之间的比率[4]。由表 2可看出:直播造林区乔木层上、中、下坡物种丰富度指数、Simpson指数差不多,说明各坡位优势度没有显著差别。Shannon-Wiener指数值,下坡大于上、中坡,说明下坡物种变化度较上、中坡大。Pielou均匀度指数上坡大于中、下坡,则上坡物种均匀度较好。撂荒区没有乔木(图 1(a))。

灌木层中,直播造林区物种丰富度指数下坡高于上、中坡,Simpson指数下坡 ＞中坡 ＞上坡,Shannon-Wiener指数中坡 ＞下坡 ＞上坡,Pielou均匀度指数中坡 ＞上坡 ＞下坡(表 2),说明下坡物种数多,优势度高,中坡均匀度较好。撂荒区多样性指数和均匀度指数在坡位间均没有差异,则撂荒区坡位间物种数、优势度、均匀度等无显著差异。直播造林区和撂荒区比较看,直播造林区物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和 Pielou均匀度指数均高于撂荒区相同坡位,2区域水平比较,只有Simpson指数达极显著水平(图 1(b))。

表 2 直播造林区与撂荒区各生长型物种多样性指数Tab.2 Comparison on specises diversity between direct seeding area and wasteland

表 3 物种重要值Tab.3 Important value of species %

图 1 直播造林区和撂荒区层次间物种多样性指数Fig.1 Spices diversity index of different layers in direct seeding area and wasteland

草本层中,直播造林区物种丰富度指数、Simpson指数和 Shannon-Wiener指数,下坡均高于中、上坡,Pielou均匀度指数中坡略高于上坡和下坡(表 2),说明下坡物种数多,优势度高,变化度高,中坡均匀度高。撂荒区多样性指数和均匀度指数在坡位间相差很小,无显著差异。直播造林区物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和 Pielou均匀度指数均低于撂荒区相同坡位,显著性检验均达显著水平(图 1(c))。

直播造林区灌木层物种多样性指数高于撂荒区,草本层低于撂荒区,是由于乔木层的遮荫作用,及乔木根系在土壤养分竞争中的优势导致直播造林区阳性草本减少,物种丰富度指数减少,物种多样性指数低于撂荒区。而乔木层的存在,有助于提高林分内微环境,提高土壤理化性质,增加了抗风蚀、水蚀的能力,多年生的灌木得到较好生长,则灌木层多样性指数高于撂荒区。直播造林显著提高了乔木层物种多样性指数,一定程度上提高了灌木层物种多样性指数,减少了草本层物种多样性指数。

3.3 土壤化学性质特征

土壤化学性质反应了土壤对植物根系供应养分的潜在能力,是构成土壤肥力的主要方面之一,也是反应植物群落演替对土壤影响的重要方面[3]。由图 2知,直播造林区土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾等大量养分含量均显著或极显著高于撂荒区,且有机质和全氮含量表层(0～5 cm)低于次层(5～10 cm),有效磷和速效钾含量表层高于次层。直播造林区大量养分含量坡位间变化较大,这与直播造林区形成的林、灌、草立体结构有关,降雨时,层层截留(分流),降低了雨水直接降落到地面造成地面径流对土壤表层冲刷,既减少了土壤的侵蚀、又保证了降水的有效利用。直播造林区坡位间差异较大,可能与微环境变化有关,距乔木的远近、坡度大小等对微环境的土壤性质有较大影响。而撂荒区,由于没有乔木层对降雨的截留、导致雨水冲刷和土壤侵蚀,坡位间差异较小。试验结果与张庆费等[3]研究群落演替过程中,乔木群落高于灌草群落结果相同。

直播造林区和撂荒区土壤均为弱碱性,表层差异不显著。电导率撂荒区显著低于直播造林区,与张庆费等[3]的群落演替过程中,也没有发现明显降低规律性一致;但是与其他研究者[17]对湖北西部桦、栎、栗演替过程中 pH值明显下降不同。原因可能是森林群落在改善土壤的同时,促进了水分和植物根系等对土壤中石砾的作用,而撂荒区由于地表相对大面积裸露,增加了风蚀对石砾的作用。再者,尽管直播造林区和撂荒区直播前群落结构和立地类型差不多,直播前土壤的化学性质可能也存在一定程度的差异。

4 结论与讨论

石质山地直播造林显著增加了乔木层物种多样性,一定程度上提高了灌木层物种多样性,草本层物种多样性减少。直播造林 3物种中,苦楝重要值最大,一定程度上反映了种粒大、浅根性、喜光、生长迅速物种直播造林效果较好。

图 2 直播造林区和撂荒区坡位间土壤化学性质Fig.2 Soil chemical properties in direct seeding area and wasteland

直播造林 15 a后,直播造林区土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾等大量养分含量均显著高于撂荒区,化学性质优于撂荒区。

撂荒区多年均未出现乔木物种,直播造林区也未发现直播造林树种以外的其他乔木物种,可见自然演替较长时间内不能演替到森林群落,人为干扰可促进撂荒区成林,且林分稳定性和多样性指数较好。该结论不仅为石质山地造林提供了成果保证,也为石质山区撂荒区造林提供了实用技术参考。现阶段直播造林试验[10,15]也验证了该结果。

植物群落变化是环境累积性变化的结果,土壤化学性质的改善,也影响着群落种间竞争和物种演替,为群落的演替奠定了基础[9]。植被与其生存的立地环境之间是一种相互依赖和制约的关系[3],有研究[18]指出,越是相对贫瘠的土壤,越是容易受到植被的影响。植物对有限资源的竞争是决定群落组成多样性及演替动态的主要因子之一[5]。不同植物对有限资源的竞争力不同,早期演替种对有限养分的竞争性强,而对第二性资源(通常是光)的竞争性弱[6]。直播造林后,人为干扰了自然演替过程,使得大粒林木种子在竞争中易获得有限养分,其速生性在后期易获得光照。形成乔木群落后,由于乔木郁闭度提高,林下不耐荫的阳性草本减少。而森林群落的形成改善了生态系统,减少了水土流失,土层增厚,提高了土壤的养分含量。撂荒区土壤养分坡位间差异很小,且土层薄,水土流失严重。

[1]邢先双,刘霞,张光灿,等.黄田水库集水区典型人工林群落物种多样性.中国水土保持科学,2006,4(2):82-88

[2]赵勇,樊巍,叶永忠,等.太行山低山丘陵区不同植物群落物种多样性研究.中国水土保持科学,2007,5(3):64-71

[3]张庆费,由文辉,宋永昌.浙江植物群落演替对土壤化学性质的影响.应用生态学报,1999,10(1):19-22

[4]胡淑萍,余新晓,刘彦,等.北京百花山落叶群落的物种多样性特征.中国水土保持科学,2008,6(3):102-106

[5]郑华,欧阳志云,易自力,等.红壤侵蚀区恢复森林群落物种多样性对土壤生物学特性的影响.水土保持学报,2004,18(4):137-142

[6]董希斌,姜帆.帽儿山不同森林类型生物多样性恢复效果分析.林业科学,2008,44(12):77-82

[7]谢晋阳,陈灵芝.暖温带落叶阔叶林的物种多样性特征.生态学报,1994,14(4):337-344

[8]岳明,任毅,党高弟,等.佛坪国家级自然保护区植物群落物种多样性特征.生物多样性,1999,7(4):263-269

[9]张庆,牛建明,王秀梅.生物多样性与生态系统功能关系研究进展.生物学通报,2009,44(1):15-17

[10]LiQ M,Liu Y,Xing S J,et al.Effects of different covering ways on emergence rate of Sophora japonica L afforested by direct seeding.Chinese Forestry Science and Technology,2008,7(3):65-69

[11]刘艳,邢尚军,侯栋,等.不同覆盖方式对刺槐直播造林出苗率的影响.林业实用技术,2008(12):18-20

[12]王仁卿,周光裕.山东植被.山东:山东科学技术出版社,2000:32-44

[13]马克平,黄建辉,于顺利,等.北京东灵山地区植物群落多样性的研究Ⅱ:丰富度、均匀度和物种多样性指数.生态学报,1995,15(3):268-277

[14]刘春生,杨守祥.农业化学分析.北京:中国农业大学出版社,1996:8-63

[15]刘艳,宋玉民,陈怀梁,等.覆膜方式对 4种林木直播造林出苗率的影响.中国水土保持科学,2009,7(2):122-127

[16]阎海平,谭笑,孙向阳,等.北京西山人工林群落物种多样性的研究.北京林业大学学报,2001,23(2):321-327

[17]张全发,郑重,金义兴.植物群落演替与土壤发展之间的关系.武汉植物研究,1990,8(4):325-334

[18]Perez F L.The in fluence of organic matter addition by caulescent andean rosettes on surficial soil properties.Geoderma,1992,54:151-171

Influence of direct seeding on vegetation and soil in rockym ountain

Ma Fengyun1,Liu Yan1,Hou Longyu1,Song Yumin2,Xing Shangjun2,Chen Huailiang1

(1.Forestry College of Shandong Agricultural University,271018,Tai'an,Shandong;2.Shandong Academy of Forestry,251000,Jinan:China)

Technology of direct seeding plays more important role in vegetation restoration in barren areas.To evaluate its effects,using species diversity indices,including species abundance,Simpson diversity index,Shannon-Wiener index and Pielou evenness index,the characteristicsof species diversity in forest community afforested by direct seeding and wasteland in rocky mountain in Zouwu Town,Xuecheng County was studied,and soil chemical property of both areas was also measured.The results showed that:1)In forest community,dominance species was Melia azedarach in tree layer and Rhus typhina in shrub layer,while dominance species was Vitex negundo in shrub layer in wasteland.No tree species were found except Melia azedarach,Ailanthus altissima,Platycladus orientalis.2)In forest community,species diversity indicesand evenness index of tree layer were significanthigher,compared with wasteland,while those indices of shrub layer were significant lower.3)In forest community,the soilnutrients,including organicmatter,total N,available P,available K,conductivity,were significant higher than those of wasteland,while no significant difference was found in pH for both regions.It is a useful practical technology for direct seeding in vegetation restoration,whilemethod of natural succession can not be used.

species diversity;important value;chemical property;direct seeding;rockymountain

2009-05-18

2009-11-29

项目名称:国家林业科技支撑计划课题“困难立地工程造林关键技术研究”(2006BAD 03A03);山东省省林业局项目“宜林瘠薄山地直播造林技术与示范”

马风云(1965—),男,副教授。主要研究方向:植被恢复与生态重建。E-mail:sdm fy@sdau.edu.cn

(责任编辑:程 云)