不同密度飞播马尾松林林下植被特征及土壤质量评价1)

2015-02-08肖欣郭孝玉欧阳勋志吴自荣

东北林业大学学报 2015年9期

关键词：飞播盖度草本

肖欣郭孝玉欧阳勋志吴自荣

(江西农业大学，南昌，330045)

不同密度飞播马尾松林林下植被特征及土壤质量评价1)

肖欣郭孝玉欧阳勋志吴自荣

(江西农业大学，南昌，330045)

以赣南飞播马尾松中龄林为研究对象，分别密度组Ⅰ(900～1 500株·hm-2)、密度组Ⅱ(1 500～2 100株·hm-2)、密度组Ⅲ(2 100～2 700株·hm-2)、密度组Ⅳ(2 700～3 300株·hm-2)设置标准地，进行林下植被层基本特征调查和土壤样品测定。结果表明：灌草层平均高及草本层平均盖度均为密度组Ⅱ最大，灌木层平均盖度随着林分密度的增加而逐渐减小；不同密度组林下植被层生物量为6.53～9.84 t·hm-2，从大到小的排列次序为密度组Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ，但不同密度组间差异不显著(P>0.05)。不同密度组间土壤饱和持水量、总孔隙度及全K质量分数差异显著(P<0.05)，且表现为密度组Ⅱ最大，其它土壤性质指标间差异未达显著水平(P>0.05)。土壤质量综合指数依次为密度组Ⅱ(0.658)>密度组Ⅲ(0.378)>密度组Ⅰ(0.326)>密度组Ⅳ(0.261)。因此，飞播马尾松林分密度控制在1 500～2 100株·hm-2，有利于林下植被层的生长发育和土壤质量的提高，促进林分的正向演替。

马尾松林；林分密度；林下植被；土壤质量

With the soil sample data of different stand density groups of Ⅰ (900-1 500 N·hm-2), Ⅱ (1 500-2 100 N·hm-2), Ⅲ (2 100-2 700 N·hm-2), and Ⅳ (2 700-3 300 N·hm-2) in middle-aged aerially-seededPinusmassonianaplantation in south of Jiangxi Province, we explored the effect of stand density on the understory vegetation and soil quality. The understory layer average height and herb layer average coverage of density groupⅡ were the largest, and the average coverage of shrub layer was decreased with the increase of stand density. The biomass of understory vegetation layer between different densities was in 6.53-9.84 t·hm-2, with the descending order of Ⅱ, Ⅲ, Ⅰand Ⅳ, but the differences between density groups were not significant (P>0.05). The differences of soil saturated water holding capacity, total porosity and total K content of different density groups were significant (P<0.05), and the density group Ⅱ was the highest. The differences between other indicators of soil properties were not significant (P>0.05). The descending order of soil quality comprehensive indexs was Ⅱ(0.658), Ⅲ (0.378), density groupⅠ(0.326), and density group Ⅳ (0.261). Therefore, controlling the stand density of aerially seededPinusmassonianaplantation in 1 500-2 100 N·hm-2would be helpful for the growth of understory vegetation layer, the soil quality, and positive stand succession.

在实现森林可持续经营的背景下，通过最合理的经营措施使森林达到最接近自然的状态，是近自然林业经营理论的基本原则。林分密度调整正是实现人工针叶纯林向天然林恢复的有效手段之一[1]，它对林分生物量及净生产力有着显著的影响[2-3]。同时，林分密度影响植物间营养、光照、水分等生态因子的分配，对林下植被层产生影响，而林下植被在维持森林土壤肥力及生态系统稳定性等方面有重要作用[4]。

马尾松(Pinusmassomiana)是我国南方典型的乡土针叶树种，具有耐干旱、耐贫瘠和适应性强的特点。不少学者从不同角度对马尾松林分密度进行了研究。如漆良华等[2]、高祥等[5]、张国庆等[6]分别对不同密度马尾松林生物量的变化规律、根系生物量的空间分布及生态系统的空间分布格局进行了探讨；康冰等[7]、赵汝东等[8]也分别探讨了密度调控对林下植被发育及土壤养分的影响。但其研究对象主要是针对人工植苗的马尾松林，而对飞播马尾松林林分密度对林下植被生物量及土壤肥力影响的研究却鲜有报道。飞播是一种特殊的人工造林方式，其形成的森林种群空间格局多为聚集度较高的群团型，林分密度差异较大[9-10]。赣南曾是我国水土流失较严重的地区之一。20世纪60—90年代，为了恢复森林植被，控制水土流失，在赣南10多个县市进行了大面积的飞播马尾松造林。但现有飞播马尾松林林分密度差异较大，林分质量也有着较大的差异。因此，本文以赣南马尾松飞播造林具有代表性的兴国县为研究区，探讨不同密度飞播马尾松林下植被层特征及土壤质量，为促进森林正向演替等经营措施的制订提供参考依据。

1 研究区概况

兴国县(115°01′～115°51′E，26°03′～26°42′N)位于江西省赣州市北部，地貌以低山、丘陵为主，局部有中山、低山，海拔130～1 200 m，土壤以酸性红壤为主；属亚热带温暖湿润气候区，气候温和，四季分明，年平均气温18.9 ℃，无霜期280～300 d，年平均日照时间1 861.4 h，年均降水量1 539 mm，降水集中在4—6月；森林覆盖率为72.2%，植被类型主要有针叶林、常绿阔叶林、针阔混交林、竹林等；据兴国县林业局相关统计资料显示，1973—2001年，兴国县马尾松飞播造林实播面积达7.8万hm2，保存面积6.4万hm2，占现有有林地面积29.5%[11]。

2 研究方法

2.1 标准地设置

由于马尾松幼林阶段林分密度对土壤质量的影响尚不明显，而林木成熟后的自然稀疏作用使林分密度呈较低的水平。故以飞播马尾松中龄林为研究对象，选择立地条件相似的林分，分密度组Ⅰ(900～1 500株·hm-2)、密度组Ⅱ(1 500～2 100株·hm-2)、密度组Ⅲ(2 100～2 700株·hm-2)、密度组Ⅳ(2 700～3 300株·hm-2)分别设置标准地，每个密度组3个重复，共设置12个标准地，标准地面积为0.04 hm2(20 m×20 m)。标准地土壤类型均为红壤，成土母岩为花岗岩，坡向为半阳坡，坡位为中坡。林下灌木多为檵木(Loropetalumchinense)和胡枝子(Lespedezabicolor)；草本多为铁芒萁(Dicranopterislinearis)、雀稗(Paspalumthunbergii)和五节芒(Miscanthusfloridulus)等，不同密度组标准地基本概况见表1。

表1 不同密度组标准地基本概况

2.2 林下植被层调查与生物量计算

在每块标准地内的四角及中心各设置1个4 m×4 m的小样方，分别调查灌木、草本层盖度及高度等因子；在每个小样方内分别设置1个2 m×2 m的灌木样方和1个1 m×1 m的草本样方，采用收获法测定其生物量(包括灌木的根、茎、叶，草本的地上、地下部分)，现场分别称量其鲜质量，并分别取样带回实验室经烘干、粉碎，计算含水率，进而计算出小样方内的干物质质量(即生物量)，最后推算出每块标准地的生物量。

2.3 土壤样品的采集及测定

在每个标准地内，选择具有代表性的地块，各挖取2个土壤剖面，用环刀采集0～10 cm的土壤以测定土壤密度，并在打环刀旁用铝盒取约10 g左右的土壤样品，用于测定土壤含水量。在标准地的上、中、下方3个取样点分别用土钻采集0～10 cm土层土壤样品，并将土样混合均匀后用四分法取1 kg左右，并将其分成2份带回实验室，一份放置在冰箱内4 ℃低温保鲜，用于测定土壤生物学性质；另一份用于测定土壤的化学性质。

含水量用酒精燃烧法；土壤密度、饱和持水量及总孔隙度用环刀法测定。土壤有机质采用重铬酸钾硫酸氧化-硫酸亚铁滴定法；全N用硫酸消化-凯氏定氮法测定；全P用酸溶-钼锑抗比色法测定；全K用氢氧化钠熔融-火焰光度法；速效N用碱解扩散法；速效P用氟化铵盐酸比色法；速效K用醋酸铵提取-火焰光度法；pH值用电位法测定。土壤微生物量C、N采用氯仿熏蒸浸提法；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法；脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法(靛酚蓝比色法)；酸性磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法。

2.4 土壤质量评价方法

土壤质量评价是根据土壤内部属性对土壤综合状况进行表达[12]。本文采用最小数据集(MDS)土壤质量评价方法，对土壤性质指标进行选取，通过计算变量的特征值，综合表达某变量在所有特征值≥1的主成分上的所有信息，避免仅考虑某变量在一个主成分上的荷载就剔除其它变量而造成信息丢失的现象。特征值的计算公式为[13]：

(1)

式中：Nik为第i个变量在特征值≥1的前k个主成分上的综合荷载；Uik是第i个变量在第k个主成分上的荷载；λk是第k个主成分的特征值。

在每个特征值≥1的主成分中，将因子荷载≥0.5的土壤指标分为1组，若某土壤指标同时在两个主成分中的荷载高于0.5，则该指标应归入到与其它指标相关性较低的那一组。计算每个土壤指标的综合得分，每组中分值达到最高分值10%的指标被选取。若每组中所选指标相关度很高(r>0.60)，则选取分值最高的进入MDS，若相关性很低，则全部进入MDS[11，13]。

由于土壤各指标之间差异性大，需通过标准化处理消除变量量纲的影响，即将土壤指标转化为0～1的隶属度值，其计算公式为[14]：

Q(xi)=(xij-ximin)/(ximax-ximin)。

(2)

式中：Q(xi)为第i项土壤指标的隶属度值；xij为各土壤指标的测定值；ximin和ximax分别为第i项土壤指标测定值中的最小值和最大值。

土壤质量综合指数(ISQ)的计算公式为[15]：

(3)

式中：Wi为第i项土壤指标所对应的权重系数。

2.5 数据分析

运用SPSS17.0对数据进行分析，运用单因素方差，分析林下植被各层次不同密度组生物量及土壤性质之间的差异。差异显著时，运用多重比较法(LSD)进一步两两比较；采用主成分分析方法(PCA)，选取最小数据集(MDS)的指标及计算指标公因子方差。数据的处理及图表的绘制使用EXCEL2003。

3 结果与分析

3.1 林下植被特征

3.1.1 林下植被盖度及高度

各密度组林下植被层(灌木与草本层)平均盖度及高度见表2。由表2可知，各密度组灌木层平均盖度为3%～15%，高度为0.70～0.82 m；草本层平均盖度为55%～82%，高度为0.45～0.55 m。随着林分密度的增加，灌木层平均盖度逐渐减少，灌木层平均高及草本层平均盖度均表现为密度组Ⅱ>密度组Ⅰ>密度组Ⅲ>密度组Ⅳ，草本层平均高度表现为密度组Ⅱ>密度组Ⅲ>密度组Ⅰ>密度组Ⅳ。

表2 不同密度组灌木、草本层平均盖度、高度及生物量

3.1.2 林下植被生物量

由表2可知，各密度组灌木层生物量为0.25～0.71 t·hm-2，林下植被层(灌木层+草本层)生物量为6.53～9.84 t·hm-2；林下植被层生物量由大到小的顺序为密度组Ⅱ>密度组Ⅲ>密度组Ⅰ>密度组Ⅳ。草本层生物量为6.27～9.13 t·hm-2，由大到小的顺序为密度组Ⅱ>密度组Ⅰ>密度组Ⅲ>密度组Ⅳ。灌木层生物量占林下植被层生物量的比例都较小，仅为3.90%～8.01%，草本层位91.99～96.10%。方差分析发现，相同层次不同密度组生物量间无显著差异(P>0.05)。

3.2 土壤质量评价

3.2.1 土壤理化性质

由表3可知，含水量、饱和持水量及总孔隙度均表现为密度组Ⅱ>密度组Ⅲ>密度组Ⅳ>密度组Ⅰ，不同林分密度间土壤饱和持水量及总孔隙度差异显著(P<0.05)，且密度组Ⅱ的饱和持水量显著大于其它密度组(P<0.05)，总孔隙度为密度组Ⅱ显著大于密度组Ⅰ与密度组Ⅳ(P<0.05)。土壤密度表现为密度组Ⅳ最大，密度组Ⅱ最小，各密度组间无显著差异(P>0.05)。

有机质、全N、全P、全K及速效N质量分数均表现为密度组Ⅱ最大，速效P及速效K表现为密度组Ⅰ最大，pH值密度组Ⅳ最大。不同密度组间土壤全K质量分数差异达显著水平(P<0.05)，密度组Ⅱ显著大于其它密度组(P<0.05)，而其它化学指标不同密度组间无显著差异(P>0.05)。

表3 不同密度组土壤理化性质

3.2.2 土壤生化特性

由表4可知，各密度组土壤微生物量C、N分别为151.383～421.690、27.860～62.684 mg·kg-1，土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性分别为6.116～17.608、0.098～0.275、0.136～0.198 mg·g-1。微生物量C、蔗糖酶及脲酶活性随林分密度的增加呈现出先增加后降低的趋势，且表现为密度组Ⅱ最大；微生物量N随林分密度的增加而减小，酸性磷酸酶随密度的增加无明显的变化规律。各密度组间土壤的生化特性差异均不显著(P>0.05)。

表4 不同密度组土壤微生物量C、N及酶活性

3.2.3 土壤质量综合评价

Pearson相关分析可知，土壤各理化性质指标之间存在很强的相关性，为消除信息重叠现象，需采用主成分分析对土壤物化性质及生化特性指标进行选取。通过主成分分析，求出各主成分的特征值、方差贡献率及累积方差贡献率，提取特征值大于1的成分，共提取4个主成分，累积方差贡献率为84.077%(见表5)，可认为这4个主成分已经包含了原始数据绝大部分信息量。

表5 各主成分特征值及贡献率

将土壤质量指标分组后，对应的特征值见表6。由表6可知，组1中，前3个指标都在特征范围内，但由于各指标间相关性较高(r>0.60)，故选取得分最大的饱和持水量进入MDS；组2中，总孔隙度符合特征值的要求，考虑到土壤有机质对维持土壤肥力有着重要的作用且测定方便[16-17]，因此，也被选入MDS；组3、4中，速效P与蔗糖酶活性均进入MDS。因此，评价土壤质量的MDS为：饱和持水量、总孔隙度、有机质、速效P及蔗糖酶活性。

表6 各土壤指标特征值

通过主成分分析得出各土壤质量指标的公因子方差，将各指标的公因子方差与MDS中所有指标公因子方差之和相除，得到饱和持水量、总孔隙度、有机质、速效P及蔗糖酶活性的权重值分别为0.216、0.229、0.155、0.195和0.206。各指标采用隶属度函数进行无量纲化处理，通过综合指数计算公式(3)计算，不同密度组的土壤质量综合指数的大小顺序为密度组Ⅱ(0.658)>密度组Ⅲ(0.378)>密度组Ⅰ(0.326)>密度组Ⅳ(0.261)。

4 结论与讨论

林分密度直接影响到林分内的光、热、水分等资源的分配，导致林木与林下植被间的资源竞争[18]。本研究发现，不同密度的飞播马尾松林林下植被层特征有差异，随着林分密度的增加，除灌木层平均盖度逐渐减小外，草本层的平均盖度、灌木层平均高、草本层平均高均呈现先增加后减少的趋势，且表现为密度组Ⅱ最大。灌木层生物量、林下植被层总生物量、草本层平均高呈现相同的变化趋势，草本层生物量与草本层平均盖度、灌木层平均高变化趋势一致。灌木层占林下植被层生物量的比例小，仅为3.90%～8.01%，这可能与飞播造林前水土流失严重对土壤种子库造成的影响有关，而草本层多为铁芒萁，由于其根茎繁殖力强、生长迅速的特点[19]，故草本层主导林下植被层特征。虽然飞播马尾松林不同密度组的林下植被生物量间差异不显著(P>0.05)，但林分密度在1 500～2 100株·hm-2时，林下植被层生物量最大，这与一些学者的研究结果基本一致[7，19]。

飞播马尾松林土壤含水量、饱和持水量及总孔隙度均表现为密度组Ⅱ>密度组Ⅲ>密度组Ⅳ>密度组Ⅰ，其中饱和持水量及总孔隙度差异显著(P<0.05)，土壤密度表现为密度组Ⅱ最小(1.1～1.4 g·cm-3)，表示其土壤松紧程度适宜，保水能力较好[20]。土壤有机质、全N、全P、全K及速效N质量分数均表现为密度组Ⅱ最大，pH值密度组Ⅳ最大，速效P及速效K表现为密度组Ⅰ最大，不同密度组间土壤全K质量分数差异达显著水平(P<0.05)，由于酸性土壤容易缺钾，导致其对环境的响应机制更为敏感。微生物量C、蔗糖酶及脲酶活性随林分密度的增加呈现出先增加后降低的趋势，表现为密度组Ⅱ最大，而酸性磷酸酶随林分密度增加无明显的变化规律，这与赵汝东等的研究结果一致[8]。

为了综合评价比较飞播马尾松林各密度组土壤质量状况，通过筛选MDS求出各密度组土壤质量综合指数，从大到小依次为密度组Ⅱ(0.658)>密度组Ⅲ(0.378)>密度组Ⅰ(0.326)>密度组Ⅳ(0.261)，表明林分密度在1 500～2 100株·hm-2时土壤质量最好。康冰等[7]在对马尾松人工林的研究中发现，中密度(1 800株·hm-2)林地养分质量分数总体较高，且土壤理化特性也优于过密或过疏的林分；陈莉莉等[21]研究发现中密度松栎混交林(中龄林)土壤较疏松，土壤孔隙度较大，土壤有机质质量分数较高；高艳鹏等[22]得出密度为1 600株·hm-2的刺槐林土壤持水性能最好；赵汝东等[8]的研究也表明林分密度在1 560株·hm-2左右的马尾松林下土壤有机质、全氮、全钾、速效钾及全磷等质量分数显著较高，这些均说明林分密度与土壤性质关系密切。本研究发现，飞播马尾松林不同密度组土壤质量变化趋势与林下植被层生物量的变化趋势一致，也正说明了林下植被对土壤养分的富集、生态系统养分循环有着重要的作用[4，23]。丁松等[11]在对飞播马尾松林林下植被盖度对土壤质量的影响的研究表明，土壤质量会随着林下植被盖度的增加而得到显著提高，与本研究的结果一致。

终上所述，飞播马尾松林林分密度过高或过低均不利于林下植被的生长及土壤质量的改善，较适宜的林分密度为1 500～2 100株·hm-2，因此，在对马尾松飞播林向天然林改造过程中，可通过补植木荷(Schimasuperba)、枫香(Liquidambarformosana)等阔叶树增加过疏林分的密度，以促进其正向演替。郑伟等[24]的研究也证实，在马尾松林中补植阔叶树种有利于改善土壤结构，提高土壤肥力，而对密度过大的林分可通过间伐措施，降低林分密度以促进林下植被层的恢复及土壤质量的提高。

[1] Baldwin V C, Peterson K D, Alexander C, et al. The effects of spacing and thinning on stand and tree characteristics of 38-year-old Lobolly Pine[J]. Forest Ecology and Management,2000,137(1/3):91-102.

[2] 漆良华,张旭东,周金星,等.马尾松飞播林生物量与生产力的变化规律与结构特征[J].林业科学研究,2007,20(3):344-349.

[3] 陈兆先,何友军,柏方敏,等.林分密度对马尾松飞播林生物产量及生产力的影响[J].中南林业科技大学学报,2001,21(1):44-47.

[4] Vander Schaaf C L. Estimating understory vegetation response to multi-nutrient fertilization in Douglas-fir and ponderosa pine stands[J]. Journal of Forest Research,2008,13(1):43-51.

[5] 高祥,丁贵杰,翟帅帅,等.不同林分密度马尾松人工林根系生物量及空间分布研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(6):71-75.

[6] 张国庆,黄从德,郭恒,等.不同密度马尾松人工林生态系统碳储量空间分布格局[J].浙江林业科技,2007,27(6):10-14.

[7] 康冰,刘世荣,蔡道雄,等.马尾松人工林林分密度对林下植被及土壤性质的影响[J].应用生态学报,2009,20(10):2323-2331.

[8] 赵汝东,樊剑波,何园球,等.林分密度对马尾松林下土壤养分及酶活性的影响[J].土壤,2012,44(2):297-301.

[9] 李国雷,刘勇,郭蓓,等.我国飞播造林研究进展[J].世界林业研究,2006,19(6):45-48.

[10] 刘建军,杨澄,吴成儒.油松飞播林空间格局分析[J].西北林学院学报,1991,6(2):51-54.

[11] 丁松,应学亮,吕丹,等.赣南飞播马尾松林林下植被盖度对土壤质量的影响[J].水土保持研究,2014,21(3):31-36.

[12] 张华,张甘霖.土壤质量指标和评价方法[J].土壤,2001(6):326-330.

[13] 李桂林,陈杰,孙志英,等.基于土壤特征和土地利用变化的土壤质量评价最小数据集确定[J].生态学报,2007,27(7):2715-2724.

[14] 王改玲,王青杵.晋北黄土丘陵区不同人工植被对土壤质量的影响[J].生态学杂志,2014,33(6):1487-1491.

[15] 谢瑾,李朝丽,李永梅,等.纳板河流域不同土地利用类型土壤质量评价[J].应用生态学报,2011,22(12):3169-3176.

[16] Pan G X, Smith P, Pan W N. The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield stability of cereals in China[J]. Agr Ecosyst Environ,2009,129(1/3):344-348.

[17] Li P, Zhang T L, Wang X X, et al. Development of biological soil quality indicator system for subtropical China[J]. Soil Till Res,2013,126(1):112-118.

[18] Riegel G M, Miller R F, Krueger W C. The Effects of Aboveground and Belowground Competition on Understory Species Composition in aPinusponderosaForest[J]. Forest Science,1995,41(4):864-889.

[19] 李国雷,刘勇,吕瑞恒,等.华北落叶松人工林密度调控对林下植被发育的作用过程[J].北京林业大学学报,2009,31(1):19-24.

[20] 赵筱青,和春兰,许新惠.云南山地尾叶桉类林引种对土壤物理性质的影响[J].生态环境学报,2012,21(11):1810-1816.

[21] 陈莉莉,王得祥,于飞,等.林分密度对土壤水分理化性质的影响[J].东北林业大学学报,2013,41(8):61-64.

[22] 高艳鹏,赵廷宁,骆汉,等.黄土丘陵沟壑区人工刺槐林土壤水分物理性质[J].东北林业大学学报,2011,39(2):64-71.

[23] 卢琦,赵体顺,罗天祥,等.黄山松天然林与人工林物种多样性和林分生长规律的比较研究[J].林业科学研究,1996,9(3):273-277.

[24] 郑伟,霍光华,骆昱春,等.马尾松低效林不同改造模式土壤微生物及土壤酶活性的研究[J].江西农业大学学报,2010,32(4):743-751.

Characteristics of Understory Vegetation and Evaluation of Soil Quality of Aerially SeededPinusmassonianaPlantation under Different Stand Densities//

Xiao Xin, Guo Xiaoyu, Ouyang Xunzhi, Wu Zirong

(Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：62-66.

Pinusmassonianaplantation; Stand density; Understory vegetation; Soil quality

1)国家自然科学基金项目(31160159，31360181)。

肖欣，女，1990年4月生，江西农业大学林学院，硕士研究生。E-mail:xiaoxin19900415@126.com。