幕府山废弃矿地人工林抚育对林下植物多样性及土壤养分的影响

郑 玲，王 红，徐 丽

(南京市旅游园林科学研究院，江苏 南京 210037)



幕府山废弃矿地人工林抚育对林下植物多样性及土壤养分的影响

郑 玲，王 红，徐 丽

(南京市旅游园林科学研究院，江苏 南京 210037)

为评价幕府山废弃矿地人工林的抚育效果，探讨了不同林分的最佳抚育模式，对林分抚育前后林下植物多样性及土壤养分变化进行了研究。结果表明：科学合理的森林抚育能有效降低林分郁闭度，改善林内光照条件，促进林下植物的更新、生长与演替，提高生物多样性，增强土壤肥力；对林分的人工扰动强度影响林下植物多样性，扰动大则多样性高，但在抚育后1、2年内，林下植物多样性相对不稳定，说明植被群落处于重建和恢复阶段。

幕府山；森林抚育；植物多样性；土壤养分

1 引言

幕府山地处南京城北长江之滨，是主城北部的一道天然绿色屏障。解放初大规模的开山采石活动，使得幕府山的自然植被和生态环境遭受了严重的破坏。1999年开始，幕府山连续实施了10年人工植被恢复工程，恢复面积约267 hm2。在植被恢复施工时，为保证成活、成林，植物初植密度普遍较大，经过10多年的生长，林分已高度郁闭，树木生长分化严重，树干中下部枯枝和濒死枝较多，林下植物缺失或生长稀疏，生物多样性低下，林分质量普遍较差，影响幕府山森林公园的景观效果和生态效益。

科学合理的森林抚育能逐渐提高人工林生态系统的生产力，改善土壤理化性状，还可增加植物多样性[1]。2013年开始，幕府山开始逐步有序地开展人工林的森林抚育工作，致力于改善林分状况，提高林分质量，促进森林公园景观效果和生态服务功能的提升。本研究针对不同配置模式的人工林分采取不同的抚育措施，通过调查测定林下植物多样性及土壤养分含量的变化，来评价森林抚育的效果，为探索废弃矿地人工恢复植被有效的森林抚育模式提供参考。

2 研究方法

2.1 森林抚育样地设置及抚育方法

研究林分位于幕府山西山头山顶平地，为2006年第八期植被恢复工程，主要树种有女贞、蜀桧、雪松，辅助树种有枫香、栾树、石楠、金钟等。抚育前林分高度郁闭，林内密不透光。森林抚育时间为2014年12月。

根据林分植物配置模式及生长状况的差异，设置2块试验样地。样地1的造林土壤为城市建筑余土覆盖，林分为同龄女贞、蜀桧片状混交林，几乎没有灌木层和草本植物。乔木上层树冠高度水平郁闭，中下层枝叶受光不良，枯死严重，尤其蜀桧仅在顶梢有部分活性枝条，生长尖削，抗风能力极差，枯死或倒伏严重。抚育时，致力于营造乔、灌、草合理搭配的林分结构，将林内枯死或濒死的蜀桧全部伐除，修剪女贞中下部枯死枝，并将过密的女贞截干移植至砍伐蜀桧形成的林窗处，同时从周边林分移植适量石楠、金钟作为灌木层。因移植量过大，以机械作业为主，对地表扰动较大。

样地2的造林土壤为城市建筑余土混合玄武湖湖底淤泥，林分为女贞、雪松株间混交林，灌木层点栽石楠。林分垂直郁闭度高，乔灌木枝叶密集，中下部枝叶受光不良，枯死较多，草本植物缺失。抚育时，以降低林分密度为主，基本维持林分原有的层次结构。主要砍伐枯死树及杂树，修剪枯死枝，对生长过密的灌木适度重修剪，提高林分通透性。全部为人工作业，对地表扰动轻微。

2.2 林下植物多样性调查与分析

植物多样性调查：在2块样地中，分别设置20 m×20 m研究样方，每个样方内设置5个4 m×4 m和1 m×1 m小样方分别调查灌木和草本植物。调查时间为2014年10月(森林抚育前)、2015年6月(森林抚育后第1年)、2016年6月(森林抚育后第2年)。调查时详细记录每一样方内灌木的种数、个体数、树高、冠幅，草本植物的种数、个体数(丛数)、高度、盖度等。在调查中把更新的乔木幼苗(高<1 m)统计在灌木中[2]。

生物多样性指标选择与分析：重要值(IV)、Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Simpson优势度指数(D)、Margalef′s丰富度指数(M)、Pielou′s均匀度指数(J)。

IV=(相对频度 + 相对盖度 + 相对密度)/ 3；

H′=-∑PilnPi；D=1-∑(Pi)2；M=S-1)/lnN；J=H′/lnS.

式中，S为样方内的物种总数，N为样方中全部植物个体数总和；Pi为第i植物种的个体数占全部植物种个体数的百分比。用Excel2007和Biodap软件进行数据整理及多样性指数的计算与分析[3，4]；基于SPSS17.0，采用单因素方差分析和Duncan 多重比较法，分析森林抚育时间和抚育方法对林下植物多样性指数影响的显著性。

2.3 土壤样品取样和分析

森林抚育前及森林抚育后第2年，在进行样方调查的同时(2016年6月)，在样地的4个角和中心点挖掘土壤剖面，去除枯枝落叶层和浮土，从土壤表层0～15 cm内采集土壤样品，将5个点的样品充分混合，用四分法取样约500g，备室内分析。将土样带回实验室，自然风干后，研磨，过筛，采用常规方法测定各项土壤化学性质(pH值、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质等)。

3 结果与分析

3.1 森林抚育对林下植物种类和数量的影响

森林抚育前及森林抚育后的第1年、第2年，分别对样地林下植物(灌木和草本)进行了调查，其种类和数量见表1。森林抚育前，林分高度郁闭，林下灌木和草本的种类和数量均较少；抚育后，林分郁闭度下降，林内光照充足，为林下植被的生长更新提供了有利条件，因此，林下植物种类和数量均有大幅度提高。样地1采取机械作业，对地表扰动大，且由于女贞截干栽植，抚育后短期内树冠尚未成形，郁闭度低，因此林下植物种类和数量增加更为明显。样地2地表扰动轻微，且林分郁闭度变化相对较小，林下植物种类和数量增加也相对较少。说明林分郁闭度和光照条件对林下植物的种类和数量影响极大，郁闭度低，光照充足，林下植物丰富[5]。

表1 森林抚育前后林下植物种类和数量的变化

据调查，2个样地内灌木(含乔木种子萌发的小苗)共有16种，除金钟、石楠为原有的人工种植种外，其他均为天然更新，主要灌木种类及重要值见表2。样地1抚育时，人工补植了金钟和石楠，因此，数量和重要值较抚育前均有所增加；样地2抚育时，由于原灌木密度偏大，移出了部分，因此抚育后第1年金钟、石楠等人工种植灌木的数量和重要值较抚育前有所降低，而再经过一年的生长后，灌木冠幅和高度明显增加，故抚育后第2年重要值也随之增大。从其他天然更新树种来看，抚育后第1年，林下萌发较多的乔木幼苗有构树(Broussonetiapapyrifera)、女贞(Ligustrumlucidum)和海桐(Pittosporumtobira)，但在第2年有所减少，且难以成苗，可能由于抚育时对地表的扰动促进了土壤种子库种子的萌发，但草本植物的快速生长更新在一定程度上抑制了乔木幼苗的生长，同时，由于对幕府山人工林实行常规的养护管理，在养护过程中，除草等作业也导致部分乔木幼苗被清除。

表2 森林抚育林分主要灌木种类及其重要值变化

备注：本表只列出重要值较高的10种灌木

调查结果表明，样地林下草本植物共有56种，其中菊科12属14种，禾本科9属10种，豆科6属6种，大戟科3属3种，莎草科、茄科、百合科、葡萄科、唇形科各2属2种，还有廖科、桑科等13科13属13种。菊科和禾本科杂草种类多，数量大，重要值高，是林下的主要草本植物。综合来看，抚育前后草本植物种类变化较大，抚育前仅有少量的阴生植物，如络石(Trachelospermumjasminoides)、麦冬(Ophiopogonjaponicus)、小巢菜(Viciahirsuta)等，抚育后，大量的阳性植物如龙葵(Solanumnigrum)、求米草(Oplismentlsundulatifolius)、狗尾草(Setairaviridis)、一年蓬(Erigeronannuus)等取而代之，种类和数量都明显增多，重要值极大提高(表3)。结合表1来看，抚育后第2年，虽然草本植物种类有所减少，但数量增加，盖度增大，重要值均有所提高。

表3 森林抚育林分主要草本植物种类及其重要值变化

备注：本表只列出重要值较高的10种草本植物

3.2 森林抚育对林下植物多样性的影响

通过调查分析，2个样地森林抚育前后林下植物多样性变化见表4。由表可见，森林抚育后，不论灌木还是草本，Shannon-wiener多样性指数和Margalef′s丰富度指数均有较大幅度的提高，指数变化显著(P<0.05)，且两者变化趋势一致，说明森林抚育后林下植物种类和数量增多，植被群落的复杂程度增加。而Simpson优势度指数和Pielou′s均匀度指数较抚育前有所减小，差异显著，可能因为抚育前林下植物种类和数量均较少，相对均匀，而抚育后林下出现较多的稀有种，数量分布不均，因此指数反而减小。从抚育时间长短来看，抚育后第2年，Shannon-wiener多样性指数和Margalef′s丰富度指数一般小于抚育后第1年，而Simpson优势度指数和Pielou′s均匀度指数变化则有增有减，说明经过人工抚育扰动后，在短期内，林下植被群落处于一种相对不稳定的重建和恢复阶段。

表4 森林抚育对林下植物多样性指数的影响

备注：同一列小写字母完全不同的，表示差异显著(P<0.05)

相关研究表明，影响林下植物物种多样性的因子在一般情况下间伐强度越大植物的种类越丰富，密度和盖度也越大[6]。从样地1和样地2比较来看，样地1实施较重度的间伐，形成了大小不一的林窗，而截干栽植的女贞在短期内树冠尚未成型，因此抚育后林分郁闭度较低，林内光照充足，且机械作业对地表扰动极大，促进了土壤种子库种子的萌发和草本植物的生长更新，因此，样地1林下植物(尤其是草本植物)多样性明显高于样地2。

3.3 森林抚育对土壤肥力的影响

土壤是影响植物生长的主要环境因子之一，其理化性质与植物群落组成和植物多样性有着密切的关系，影响着植被发生、发育和演替的速度，同时土壤性质也因植被的生长演替而发生变化[7]。幕府山植被恢复地原为废弃矿地和垃圾场，覆土后栽植树木，土壤来源和覆土厚度不同，导致土壤基本理化性质也有差异。幕府山人工恢复植被经过多年的生长，在一定程度上改良了土壤，增强了土壤肥力，但土壤仍普遍呈微碱性，且土壤养分含量总体偏低。经过合理的森林抚育后，土壤pH值和养分含量均有一定程度的变化(表5)，2处样地pH值均较抚育前有所降低，而土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量均较抚育前有所增加。前人研究表明，林下植被不但养分含量丰富，而且易分解、循环速度快，对改善土壤物理、化学和生物学特性效果较为显著[8]。本研究中，合理的森林抚育有效改善了林分植物的生长环境，加速了林下植被的生长更新及凋落物分解，促进了土壤性质的改良。

表5 森林抚育前后土壤pH值和养分含量的变化

4 结论与讨论

(1)幕府山废弃矿区人工恢复植被经过近10年的生长，林分已高度郁闭，林内枯死现象严重，林分质量低下，亟待开展科学合理的森林抚育。研究表明，因地制宜地开展森林抚育，可极大地提高林分通透性，改善林内光照条件，加速林下植物的更新、生长与演替，提高植物多样性，增强土壤肥力，形成植物健康生长与土壤逐渐改良的良性生态循环。

(2)森林抚育过程中对地表的适度扰动，可促进土壤种子库种子的萌发和草本植物的生长更新，有利于提高植物多样性。森林抚育后1、2年内，林下植物多样性有增减变化，说明短期内植被群落处于一种相对不稳定的重建和恢复阶段，要形成相对稳定的森林植被群落，需要数年甚至更长时间的更新演替过程。

(3)幕府山是南京重要的城市公园绿地和森林公园，开展森林抚育时要兼顾景观效果和生态效益，在对上层乔木进行必要的抚育间伐的同时，要适量补植中下层植物。在抚育后林分的养护管理过程中，要有意识的维护植被群落的多样性，尽量避免林下除草作业，保护乔木更新的幼苗，有目的性的培育天然更新的中下层植物，促进形成层次结构合理的植被群落，提升景观效果和生态效益。

(4)幕府山造林土壤为废弃矿地人工覆土，土壤来源和覆土厚度均有差异，每个小区域植物种类和配置模式各异，因此，较难设置有足够面积且条件较为一致的林分进行抚育模式的对比研究，只能主要通过抚育前后对比来评价森林抚育的效果。对幕府山人工林的森林抚育，要因林制宜，不同林分采取不同的抚育模式，对土壤条件差的林分，要注重通过抚育剩余物粉碎覆盖、施肥等方式逐步进行土壤改良[9]，促进植物健康生长。

[1]黄香兰,杨振意,薛 立.抚育间伐对人工林影响的研究综述[J].林业资源管理,2013(1):62～67.

[2]李春义,马履一,王希群，等.抚育间伐对北京山区侧柏人工林林下植物多样性的短期影响[J].北京林业大学学报,2007,29(3):60～66.

[3]王 军,李卓然,徐 丽，等.南京市幕府山群落物种多样性的初步研究[J].南京大学学报(自然科学版),2010,46(2):229～235.

[4]崔宁洁,刘 洋,张 健，等.林窗对马尾松人工林植物多样性的影响[J].应用与环境生物学报,2014,20(1):8～14.

[5]于立忠,朱教君,孔祥文等.人为干扰(间伐)对红松人工林林下植物多样性的影响[J].生态学报,2006,26(11):3757～3763.

[6]李春义,马履一,徐 昕.抚育间伐对森林生物多样性影响的研究进展[J].世界林业研究,2006,19(6):27～32.

[7]汪 超,王孝安,王 玲.不同种植年代油松林植物多样性及土壤养分变化[J].生态学杂志,2007,26(8):1182～1186.

[8]林 娜,刘 勇,李国雷，等.抚育间伐对人工林凋落物分解的影响[J].世界林业研究,2010,23(3):44～47.

[9]顾 兵.绿色植物废弃物在城市绿地土壤上的应用[D].南京：南京农业大学.2009.

Effects of Plantation Tendingin Mine Spoilsof Mufu Mountainon Diversity and Soil Nutrients of Undergrowth

Zheng Ling, Wang Hong, Xu Li

(NanjingInstituteofTourismandLandscape,Nanjing,Jiangsu210037,China)

In order to evaluate tending effects of plantations in mine spoils of Mufu Mountain, and to explore the optimum tending mode of different forest stands, thediversity and soil nutrient contents of undergrowth were studied. The results showed that appropriate tending reduced canopy density effectively, improved light conditions, accelerated undergrowth plant regeneration and succession, and enhanced soil fertility. Undergrowth diversity was influenced by anthropogenic disturbances, and diversity increased when disturbance enhanced. However, plant diversity was relatively unstable in one or two years after forest tending, which showed that vegetation community was still in the stage of reestablishment.

Mufu Mountain; forest tending; plant diversity; soil nutrients

2016-07-13

江苏省林业三新工程项目(编号：LYSX[2015]26)

郑 玲(1978—)，女，工程师，硕士，主要从事森林资源培育及保护研究。

X753.5

A

1674-9944(2016)18-0009-04