湘中丘陵区3种林分林下植物多样性与土壤特性研究

唐铭灿 ， 潘 登， 潘 高

(1.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004； 2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410004)

湘中丘陵区3种林分林下植物多样性与土壤特性研究

唐铭灿1,2， 潘 登1,2， 潘 高1,2

(1.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004； 2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410004)

在湘中丘陵区选取针叶林、针阔混交林和阔叶林为研究对象，研究三种林分林下植被多样性、土壤理化性质及其相关关系。结果表明：三种林分林下植物多样性总体表现为灌木层明显高于草本层，阔叶林、针阔混交林高于针叶林。土壤有机质、全N和全P含量基本表现为随土层加深而下降的规律。土壤含水率与各项多样性指标不相关，土壤容重、pH值与灌草层各多样性指数呈负相关关系，有机质、全N与灌木层均匀度指数呈负相关关系，有机质与草本层均匀度指数呈极显著正相关关系(P<0.01)，全P、全K与灌木层多样性指数呈显著正相关关系(P<0.05)。

湘中丘陵区； 植物多样性； 土壤特性； 相关性

森林生态系统可分为四个层次，分别为乔木层、林下植被层、枯落物层和土壤层。林下植被层是植物群落结构中的重要组成部分，包括乔木幼树层或者胸径(DHB)<2.54 cm的木本、灌草层及蕨类植物[1]。生物多样性是生命系统的基本特征，它是指地球上的动物、植物、微生物和环境形成的生态复合体以及相关的各种生态过程的总和[1]，包括物种多样性、生态系统多样性和遗传多样性。相关研究表明土壤中P、K的水平与林下植物物种多样性之间存在显著的相关关系[2]，土壤因子中有机质、含水量、养分含量等影响林下植物的生长，从而影响林下植物的多样性水平。我们以宁乡县青羊湖国有林场中三种林分(针叶林、针阔混交林、阔叶林)为研究对象，对林下植被多样性及土壤理化性质进行研究，为森林的可持续经营及物种多样性的保护提供科学依据。

1 研究区概况

宁乡县青羊湖国有林场地处宁乡主要山系——雪峰山余脉，介于北纬28°07′08″至28°14′55″，东经111°54′24″至112°05′18″之间，由中低山向丘陵过渡的地带。全场大部分山地在海拔500 m以下。坡度大部分较陡，平均坡度35°。林场属于中亚热带向北亚热带过渡的大陆季风性湿润气候区。历年平均气温16.2 ℃，最高40 ℃，最低-10.9 ℃。年均降雨量1438.8 mm；相对湿度85%；无霜期273天，日照时数1706～1800 h。境内母岩主要为板页岩，兼有少量分散的石灰岩、砂砾岩、花岗岩。

选取均为中龄林的针叶林、针阔混交林及阔叶林作为研究对象，在典型地段设置面积为20 m×20 m的标准样地各三块，记录各样地的海拔、坡度、坡向、郁闭度等，并对乔木层进行每木检尺。样地基本特征如表1所示。

表1 样地设置和林分状况Tab 1 Sampleplotsandforestconditions林分类型编号坡向坡度(°)坡位平均胸径(cm)平均高(m)平均冠幅(m×m)郁闭度1-1E27中14 713 23 5×2 50 65针叶林1-2NE28中15 813 53 8×2 60 51-3E33中下13 411 83 2×2 10 52-1E30中14 211 73 0×2 30 9针阔混交林2-2NE35下17 211 32 9×2 70 852-3NE30下16 611 92 7×2 80 853-1NW50下14 511 12 9×3 00 9阔叶林3-2N42中下15 011 52 6×2 80 93-3N36中15 811 82 4×2 70 9

2 研究方法

2.1样方调查与样品采样

采用样方调查法，在每块不同林分类型的样地中分别随机设置5个面积为5 m×5 m的样方，对样方内灌木层植物的种名、数量、覆盖度和高度进行调查与记录；再随机设置5个面积为1 m×1 m的小样方，调查并记录草本植物的种类、个数、覆盖度及高度。在灌木样方中，随机取3个点，各挖掘1个30 cm的土壤剖面，按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm三个层次分别采集铝盒土和袋装土，并带回实验室。

2.2物种多样性指标

采用生态学应用中最广泛的Patrick物种丰富度指数(S)，Simspon多样性指数(D)，Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(J)，计算公式[3-7]如下：

J=H/lnS

2.3土壤理化性质指标

土壤容重和含水率采用环刀法和烘干法测定，土壤pH值采取SJ-4A型pH计测定，全N用半微量凯氏定氮法测定，全P用钼锑抗比色法测定，全K用火焰光度法测定，有机碳采用重铬酸钾氧化-水合加热法测定[8-9]。

综上所述，管理会计在机关事业单位中的应用并不是短时间内就能实现的，其是需要经历漫长的过程才能构成。这无疑是要求单位相关人员在工作中要意识到管理会计的地位，也只有树立正确的管理意识其才能提升整体的工作质量，保证管理条例、管理体系、管理结构等方面建设的规范，保证工作的稳定开展，并发挥出管理会计的应用价值，实现会计核算机构与运作模式的改革，满足社会发展对财政体系提出的新要求，从而发挥出机关事业单位的服务智能。

数据分析

采用Excel 2010作图，IBM SPSS 18.0进行数据统计分析，对不同林分土壤理化性质各指标进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，对林下植被多样性与土壤理化性质各指标进行Pearson相关分析。

3 结果与分析

3.1不同林分林下植物群落多样性

物种多样性能有效地表征及判断生物群落和生态系统的复杂性、稳定性。丰富度指数、Simpson多样性指数、Shannon-Weiner指数及Pielou均匀度指数是目前应用最广泛的物种多样性指标。丰富度指数表达一个森林群落物种的丰富程度，其值越高说明物种越丰富；Shannon-Wiener多样性指数能较好地反映出物种丰富度，即物种数量越多，其数值越大；Simpson指数更侧重物种的多度，是一个反映群落优势度的指标，其数值越小表明群落的优势种越明显，某一种或几种优势种数量的增加都会使该指数值降低；Pielou均匀度指数表达的是森林群落物种分布的均匀程度，反映的是森林群落的均匀性[10]。

图1 不同林分林下植被多样性Fig.1 Undergrowth plant diversity in different forest stand

由图1可以看出，在针阔混交林与阔叶林中，灌木层的丰富度(S)明显高于草本层，其中灌木层丰富度指数基本随群落演替而不断上升，在阔叶林达到最大值(13)，在针阔混交林又有所下降为12，两者差异不大。草本层的物种丰富度变化趋势基本表现为阔叶林>针阔混交林>针叶林，与灌木层基本一致。

三种林分灌木层中，Shannon-Wiener多样性指数变化范围为1.978～2.242，与刘方炎等[11]研究相似在1.5～3.5之间，多样性由高至低为：针阔混交林>阔叶林>针叶林，三种林分的灌木层植物种类丰富，Shannon-Wiener多样性指数均在2.0以上。草本层的Shannon-Wiener多样性指数均在1.4～1.8之间，差异较小，与物种丰富度指数变化规律一致，为阔叶林>针阔混交林>针叶林。

灌木层中，Simpson指数变化范围在0.828～0.875之间，表现为针阔混交林>阔叶林>针叶林，与Shannon-Wiener多样性指数变化规律基本一致。草本层Simpson指数略低于灌木层，为0.761～0.793，三种林分之间差异不大。

3.2不同林分土壤理化性质

土壤容重反映的是土壤调节水、气、热、肥的能力和疏松状况，是衡量土壤质量高低的一个重要物理指标[2]。从表2和图2可知，三种林分土壤容重大小顺序为：针叶林>针阔混交林>阔叶林，针叶林的平均容重高达1.23 g/cm3，阔叶林最低为1.18 g/cm3。同一林分不同土层土壤容重值差异不大，基本随土层深度的增加而增大。因地表层枯落物分解转化形成的腐殖层使土壤疏松多孔，所以表层土壤容重最小，但三种林分土壤容重差异不显著。土壤水分是影响土壤养分有效性的重要因素，三种林地中表层土含水率最高，并随土层加深而降低。阔叶林的含水率为23.08%，高于其他两种林地。

表2 不同林分土壤理化性质Tab 2 Soilphysicalandchemicalpropertiesofdifferentforesttypes林分类型容重(g/cm3)pH值含水率(%)有机质(mg/kg)全N(g/kg)全P(g/kg)全K(g/kg)针叶林1 23±0 13a4 91±0 47ac17 29±6 72a18 34±1 11a1 20±0 28a0 38±0 12a4 48±0 62ab针阔林1 20±0 25a5 35±0 38b20 82±5 16b19 86±1 04b1 22±0 30a0 48±0 21bc4 69±0 57a阔叶林1 18±0 30a5 02±0 40ac23 08±4 38b20 42±1 87b1 26±0 48a0 44±0 18bc4 32±0 61b 注：表中数值为平均值±标准差，同列不同字母表示不同林分类型土壤养分差异显著(P<0 05)。

图2 不同林分土壤理化性质指标Fig.2 Index of soil physical and chemical properties of different forest types

土壤pH值是重要的化学性质指标，三种林分的土壤pH均值在4.91～5.35之间，呈酸性，土壤pH值随土层深度增加而酸性减弱，但层间差异不大。土壤有机质主要来源于凋落物的分解和淋溶，也是N和P的重要来源，它对于提高土壤肥力和促进土壤疏松具有重要的作用，许多研究[13-14]表明：阔叶林林地的土壤有机质含量高于针叶林林地。由图2可知，三种林地土壤有机质随着土层深度增加而减少，阔叶林大于针阔混交林，且较显著大于针叶林。因为阔叶树种产生大量的凋落物，经分解和淋溶，能大幅度的提高土壤有机质的含量，而针叶林中，其凋落物含有降解速率慢的树脂、单宁等物质。在无施肥过程的森林生态系统中，全N是衡量土壤氮素水平的重要指标[15]，由表2可知，全N含量表现为阔叶林>针阔混交林>针叶林。全P含量变化在0.38～0.48 g/kg之间，随土层加深而降低，针阔混交林>阔叶林>针叶林，说明混交林分比较适合全P含量的积累。一般认为全P含量低于0.8～1.0 g/kg时，土壤常出现磷供应不足[16]，在三种林分中，没有一个林分全磷含量超过1.0 g/kg，因此，研究区域土壤缺磷现象可能是普遍存在的，同时也为林业经营措施上施用磷肥提供了直接依据。林地土壤全K含量的大小顺序为针叶林>针阔混交林>阔叶林，随土层的加深而增多，范围在4.32～4.69 g/kg之间，且针阔混交林>针叶林>阔叶林。

3.3林下植被物种多样性与土壤理化性质的相关性

通过对三种林分林下植被物种丰富度、多样性指数、均匀性指数与土壤理化性质进行相关性分析(见表3)，结果表明：含水率、pH值、有机质、全N与灌木层S1、D1、H1指数均不存在明显的相关关系；土壤含水率与J1、D2呈负相关关系；土壤容重与灌草层各多样性指标基本均呈负相关关系；土壤pH值与草本层S2、D2、H2呈负相关关系；有机质与J1负相关，与J2显著正相关；土壤全N与J1呈负相关；全P与D1、H1呈显著正相关，与S2、D2呈负相关；全K与D1、H1均显著正相关，与草本层各多样性指标呈负相关关系。由此可见，土壤有机质、全N、全P、全K是影响群落林下植被生长与分布的主要因素。

表3 植物多样性与土壤理化性质的相关分析Tab 3 Correlationanalysisofdiversityindexandsoilproperties含水率容重pH值有机质全N全P全KS10 486-0 5360 0380 5920 2450 5320 072D10 082-0 3160 5260 3790 1570 763∗0 690∗H10 266-0 5340 3280 6030 2100 774∗0 789∗J1-0 5210 1750 434-0 133-0 1140 2690 609S20 100-0 449-0 3350 1580 480-0 004-0 251D2-0 098-0 123-0 3690 0380 623-0 106-0 047H20 399-0 750∗-0 0530 5260 5470 345-0 251J20 639-0 913∗∗0 2760 811∗∗0 4600 643-0 214 注：灌木层物种多样性(S1，D1，H1，J1)，草本层物种多样性(S2，D2，H2 J2)，∗代表0 05显著水平，∗∗代表0 01极显著水平。

4 结论与讨论

(1) 三种林分林下植被的物种多样性总体表现为灌木层明显高于草本层。灌草层物种丰富度指数随群落演替而不断上升，变化趋势表现为阔叶林>针阔混交林>针叶林，与宋鹏阳[17]研究一致。三种林分灌木层中，Shannon-Wiener多样性指数由高到低是针阔混交林>阔叶林>针叶林，其值分别是2.242、2.149、1.978，基本均在2.0以上，说明群落中灌木层物种数量较多。草本层Shannon-Wiener多样性指数变化规律为阔叶林>针阔混交林>针叶林，均值在1.4～1.8之间，差异较小，说明三种林分郁闭度较高，导致草本层发育不成熟。灌木层Simpson指数变化范围在0.828～0.875之间，表现为针阔混交林>阔叶林>针叶林，与Shannon-Wiener多样性指数变化规律基本一致，草本层Simpson指数略低于灌木层，为0.761～0.793。灌木层Pielou均匀度指数高于草本层，针阔混交林其值最大，阔叶林最小，原因是针叶林灌木层中，植物个体大而少，分布相对均匀，而阔叶林郁闭度高，林隙分布不均，导致灌木植物分布不均匀。三种林分的草本层均匀度指数差异较小，数值较大，变化规律与多样性基本一致，表明这些群落稀疏种少，富集种多，且大部分为蕨类植物。

(2) 三种林分的土壤容重表现为随土层加深而增大，针叶林>针阔混交林>阔叶林。含水率随土层加深而降低，阔叶林含水率最大，可能是因为阔叶林土壤容重最小，土壤疏松多孔能较快吸收降水并及时下渗，同时大量凋落物的蓄积在一定程度上起到了持水作用。pH值随土层加深而减弱，呈酸性。有机质含量随土层加深而降低，表现为阔叶林大于针阔混交林，且较显著大于针叶林，与其他研究一致[13-14]。全N含量随土层加深而降低，三种林分含量顺序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林，其原因是阔叶林林地含有较多枯落物、草本植物，而森林土壤中95%的氮素来源于凋落物。全P含量随土层加深而降低，针阔混交林>阔叶林>针叶林，但三种林分全P含量均低于0.8～1.0 g/kg，说明该研究区域土壤普遍缺磷，同时也为林业经营措施上施用磷肥提供了直接依据。全K含量随土层加深而增多，针阔混交林>针叶林>阔叶林。

(3) 各项多样性指标与土壤大部分理化性质指标呈正相关关系。土壤容重、含水率、pH值对各项多样性指标影响不明显，土壤有机质、全N、全P、全K与各项多样性指标呈正相关关系，说明土壤有机质、全N、全P、全K是影响群落林下植被生长与分布的主要因素。

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TheunderstoryplantdiversityandsoilpropertiesofthreeforesttypesinhillyregionofcentralHunanProvince

TANG Mingcan1,2， PAN Deng1,2， PAN Gao1,2

( 1.Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China)2.National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China，Changsha 410004，China)

This paper selected coniferous forests, coniferous and broadleaved mixed forests and broadleaf forests as the research object in the hilly region in central Hunan Province, to study species diversity of undergrowth vegetation, soil physical and chemical properties, and correlation between them in three forest types.The results showed that plant diversity index of shrub layer were all higher than herb layer, coniferous and broadleaved mixed forests and broadleaf forests were higher than coniferous forests.The contents of soil organic matter, total N and total P showed significantly decreased with increasing soil depth.The soil water content was not related with the diversity indexes.Soil bulk density and pH had negative relativity with the diversity index, organic matter and total N had negative relativity with shrub layer evenness index, but organic matter had significant relativity with herb layer evenness index(P<0.01), total P and total K had significant relativity with shrub layer diversity indexes(P<0.05).

hilly region in central Hunan Province; plant diversity; soil properties; relativity

2015-10-28

湖南省水利厅水保专项(20132130310)。

唐铭灿(1992-)，女，硕士研究生，主要从事生态规划与管理研究。

S 718.5

A

1003-5710(2016)01-0038-06

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字编校： 张 珉)