围栏封育对华北落叶松人工林草本层和土壤的短期影响

2021-06-07徐国巧万一峰杨柳许中旗贾彦龙

林业资源管理 2021年2期

徐国巧,李校,万一峰,杨柳,许中旗,贾彦龙

(1.河北省木兰围场国有林场,河北围场 068450；2.河北农业大学林学院,河北保定 071000)

0 引言

围栏封育是典型的自然恢复方式,通过把遭到破坏后留有的疏林、灌草丛和荒山封禁起来,降低人类活动的干扰,借助林木自然生长和演替的育林措施,从而恢复和发展森林资源[1]。因这种方式投资少,见效快,因此常被各国广泛应用于修复退化的生态系统。作为一种重要的植被恢复措施,围栏封育在生物多样性保育、涵养水源、保持水土、提高土壤肥力、促进森林更新与演替、碳固持等方面发挥着十分重要的作用[2]。

自20世纪末开始,国内外众多学者就围封对植物群落可能产生的影响做了大量研究。Meissner等[3]研究了南美草原围栏封育对植物群落和生产力的影响,并认为围栏封育后,随着时间的变化,退化草原植物群落结构趋于稳定,生产力显著提高。我国学者在围封对草原土壤理化性质、物种多样性、植被盖度、生物量等方面做了大量研究,发现围栏封育不仅改变了草原植物优势种的组成[4],植被盖度、地上生物量均显著增加[5-6],而且还改善了土壤特性,降低了土壤容重[7],提高了土壤含水率和土壤孔隙度[8],改良了土壤结构。围栏封育对草原群落的影响已有广泛研究,然而,放牧不仅对草原有影响,对一些森林尤其是林下植被和土壤同样有影响，但是,目前关于围栏封育对放牧干扰下的森林如何影响的研究鲜有报道。森林围封后,林下植被的多样性、生物量、土壤的理化性质等指标会发生多大变化,值得我们深入探讨。

本研究以河北省木兰围场国有林场常年受到放牧干扰的华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林为研究对象,采用室外调查和室内分析相结合的方法,通过对华北落叶松人工林采用围栏封育措施,对围封样地和对照样地的草本、土壤、凋落物进行调查取样,对草本生物量和多样性,土壤容重、土壤持水量和土壤孔隙度以及凋落物的厚度和凋落物量进行对比分析,探究围栏封育措施对燕山北部华北落叶松人工林林下土壤和植被的影响,以期为当地林下植被恢复和生物多样性保育提供参考依据。

1 研究地概况

河北省木兰围场国有林场位于河北省最北部的围场满族蒙古族自治县。围场县地处大兴安岭余脉、内蒙古高原和燕山余脉交汇处,地势西北高、东南低,海拔750～2 067m,地理坐标为北纬41°35＇～42°40′，东经116°32′～ 118°14′。属温带半湿润季风气候区,最高气温29.8 ℃,最低气温-42.9 ℃,年平均气温3.3 ℃,全年无霜期63 d,≤10 ℃的积温为1 635～1 733 ℃,年平均大风天数79 d,最大瞬时风速40 m/s。冬季长,春秋短,夏季不明显,盛行偏南风,7月份平均气温20.7 ℃,雨热同期,境内年均降水量445 mm,降水主要集中在6—8月。

华北落叶松是该地区的主要造林树种,在该地区有大面积分布。由于林场的辖区与附近的村庄交叉错落在一起,且该地区农户养殖牛、羊、马等牲畜较多,因此,很多华北落叶松人工林常年受到放牧的影响。

2 研究方法

2.1 样地设置

在河北省围场县木兰林场孟滦分场选择4块代表性的地块设置围封样地,样地面积为20 m×20 m。从2018年8月份用铁丝网进行围封,围栏网边界在样地基础上向外扩充5 m,高度为1.5 m。围栏外设置4块正常放牧样地,确定边界但不进行围封设置。正常放牧地与围栏样地内的草灌群落结构、土壤条件等基本相同,作为对照样地。在围封1年后,于2019年8月对围封样地和对照样地进行调查。

2.2 草本生物多样性调查方法

在样地内,用对角线法,每块样地设置5个1 m×1 m的样方,调查样地内每个样方草本植物的种类、盖度、高度、数量,然后计算多样性指数和重要值。

1)Simpson指数。

(1)

式中:D为辛普森指数；S为样方中物种总数；Pi为物种i的个体数与所有物种个体总数之比。

2)Shannon-wiener指数。

(2)

式中:H′为香农-威纳指数；S为样方中物种总数；Pi为物种i的个体数与所有物种个体总数之比。

3)Pielou均匀度指数。

E=H′/H′max

(3)

H′max=lnS

(4)

4)重要值(IV)。

重要值是评价植物种群在群落中作用的一项综合性数量指标。

IV(%)=相对密度+相对盖度+相对频度

(5)

式中:相对密度(%)=100×样方某种植物种群的密度/样方所有植物的密度之和；相对盖度(%)=100×样方某种植物种群的盖度/样方所有植物的盖度之和；相对频度(%)=100×样方某种植物种群的频度/样方所有植物的频度之和。

2.3 草本生物量调查方法

在调查完草本的多样性后,在相同的样方里采用刈割法调查地上生物量,采用挖根法调查地下生物量,即在每个样方中对植物地上部分进行刈割、地下部分进行挖根。除去粘附的土粒、沙石、杂质后,装入自封袋带回实验室,于85 ℃条件烘干24 h至恒重,称其地上部分和地下部分的重量。

2.4 土壤物理性质调查方法

在每块样地沿对角线四分点的三个位置取0～10 cm和10～20 cm的土壤样品,每层取3个环刀、3个铝盒,将样品带回实验室进行分析。土壤容重用环刀法、土壤自然含水率测定用铝盒烘干法。

用环刀法进行土壤各持水量和孔隙度的测定。

1)田间持水量:将取土的环刀上下两个盖子取走,用滤纸将环刀刀口一面包裹,并用橡皮筋将滤纸进行固定,然后用吸管向环刀滴水,直到底部滤纸全部润湿,润湿后马上拿到天平上称重,此时含水量为田间持水量。

2)毛管持水量:在塑料盆中倒入适量清水,用木板(长度超过容器直径)横搭在塑料盆顶,并用纱布覆于木板表面,将测完田间持水量的土样放于木板,进行吸水,3小时后称重。

3)饱和含水量:将少量水倒入塑料盆,使水的高度刚好低于环刀上刀口水平处,将做完毛管持水量的环刀浸在水中,等环刀中土壤吸入的水刚要溢出时从水中取出,称重。

4)总孔隙度:用“3)”中测的环刀内土壤的饱和含水量除以水的密度得到其体积,再除以环刀容积得到土壤总孔隙度。

5)毛管孔隙度:用“2)”中测的环刀内土壤的毛管持水量除以水的密度得到其体积,再除以环刀容积得到土壤毛管孔隙度。

6)非毛管孔隙度:总孔隙度与毛管孔隙度之差。

2.5 凋落物调查方法

在每块样地沿对角线四分点的三个位置取50 cm×50 cm的凋落物样方,先测量其厚度,然后收集测定鲜重,之后带回实验室烘干,测定含水率并计算干重。

2.6 数据分析

用Excel 2010对样地的数据进行处理,并用SPSS软件进行单因素(One way-ANOVA)方差分析,比较围封与放牧条件下各指标的差异。

3 结果与分析

3.1 围栏封育对草本植物多样性的影响

由图1可知,华北落叶松人工林围封1年后,林下草本群落多样性指数均呈现下降趋势,其中辛普森指数和香农-威纳指数未达到显著水平,均匀度指数达到显著水平(P<0.05)。

围栏封育后,样地中的草本植物的丰富度较对照样地明显增加,由35种增加为50种,而且围封后草本植物的重要值发生了较大变化(表1)。围封样地草本植物重要值排序前10的物种较对照样地变化了2种。宽叶苔草(CarexsiderostictaHance)和歪头菜(ViciaunijugaA.Br.)成为重要值较高的物种,而蒲公英(Taraxacummongolicum)和唐松草(Thalictrumaquilegiifoliumvar.sibiricum)则重要值下降,未能进入排序的前10位。而且,在围封样地和对照样地重要值前10的植物种类中共有的8个物种排序也发生了变化,其中种阜草(Moehringialateriflora(L.)Fenzl.)、北方拉拉藤(Galiumboreale)的重要值明显增加,而老鹳草(GeraniumwilfordiiMaxim.)、紫斑风铃草(CampanulapunctataLam.)、圆叶堇菜(Violapseudo-bambusetorum)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)的重要值明显下降。

注:“*”表示围封样地与对照样地之间存在显著差异。图1 围栏封育对华北落叶松人工林草本多样性的影响Fig.1 Impact of enclosure on herb diversity

表1 围栏封育对华北落叶松人工林草本植物主要物种重要值的影响Tab.1 Impact of enclosure on the important values of main herbaceous species

3.2 围栏封育对草本植物生物量的影响

围栏封育后,样地的总生物量增加了约4.5倍,地上部分生物量增加了约4.9倍,地下部分生物量增加了约3.9倍,均达到极显著的差异(P<0.01)(图2)。在地下部分与地上部分干重比上,围封后的草本地下部分与地上部分比值为0.67,略低于对照样地的0.71,但并未达到显著水平。

3.3 围栏封育对土壤物理性质的影响

围栏封育后,0～10 cm和10～20 cm土层的土壤自然含水率在围封样地与对照样地间均无明显差别(表2)。围封样地的土壤容重较对照样地降低了,其中10～20 cm土层达到显著水平(P<0.05)。田间持水量、毛管持水量、饱和持水量、总孔隙度和非毛管孔隙度在围封样地的两个土层均增加,其中10～20 cm土层的饱和持水量和总孔隙度均达到极显著水平,分别增加了约12.80%和7.10%(表2)。

注:“**”表示围封样地与对照样地之间存在极显著差异。图2 围栏封育对华北落叶松人工林草本植物生物量的影响Fig.2 Impact of enclosure on herbaceous biomass

表2 围栏封育对华北落叶松人工林不同土层土壤物理性质的影响Tab.2 Impact of enclosure on soil physical properties

3.4 围栏封育对凋落物的影响

围栏封育后,凋落物厚度由对照样地的2.98 cm增加为围封样地的3.36 cm,二者之间差异不显著(P>0.05)(表3)。凋落物储量在二者之间无显著变化,但是,围封样地凋落物的自然含水率较对照样地上升了33.33%,达到极显著差异(P<0.01)。

表3 围栏封育对华北落叶松人工林林下凋落物的影响Tab.3 Impact of enclosure on litterfall

4 讨论

物种多样性是维持生态系统稳定性和生产力的基础。研究表明,围封对草地植物多样性的影响结果不同,有的结果显示围封增加了草本植物多样性[9],有的则降低了多样性[10],还有结果显示对多样性没有影响[11]。草地类型[12]和封育时间[13]是出现这些不同结果的主要原因。在本研究中,围封1年后,华北落叶松林下的草本植物丰富度由35种增加到50种,均匀度显著降低,而辛普森指数和香农-威纳指数则略有下降,说明主要是均匀度的降低导致了多样性的下降趋势,而没有了牲畜的干扰，一些物种开始出现。可以预见,随着围封时间的延续,多样性可能会进一步下降。而且,重要值的变化也支持了上述分析。本研究中，短期的围封已经对草本植物的重要值产生了明显影响,草本层的优势种正在发生变化。优势种改变的原因可能有三个方面:1)牛、羊等牲畜在啃食植物时对植物的种类有所偏好；2)不同植物对牲畜踩踏等干扰的抗性不同；3)围栏后,没有了牲畜的干扰,导致群落物种间竞争加剧,一些适应新环境的物种逐渐成为优势种。

生物量是反应群落生产力和碳储量的重要指标。大多数研究表明,围栏封育会显著提高草地植物群落的生物量,尤其是地上生物量[14-15]。在本研究中,短期封育即显著提高了华北落叶松林下草本层总生物量,特别是地上生物量提高了近5倍。由于牲畜主要取食植物的地上部分,而地下部分生物量的减少则是由于叶片的减少导致光合作用降低,进而影响到地下根系的生物量。因此,牲畜干扰导致的草本植物生物量的减少,一方面来自于取食作用,另一方面来自于取食后对植物生长的抑制作用。因此,森林封育后释放了草本植物的生产力,生物量显著增加,这进一步会导致凋落物增加,促进养分循环,长久来看将有助于森林乔木层的生长。

在土壤物理性质方面,围栏封育使土壤环境条件得到改善,土壤容重降低、土壤孔隙度和土壤持水量得到提高[16-17]。本研究也得到相同的结果。围封后的土壤由于受到牲畜的踩踏减少,土壤紧实度降低,因此土壤容重会随着围封的进行而下降。而且,围封后植物的生长得以恢复,根系生长更加旺盛,增强了对土壤的疏松作用,也会进一步降低土壤的容重。封育后,在土壤和植物根系的协同作用下,土壤容重降低,土壤孔隙度和持水能力增加,土壤结构得到优化,这又会提高植物的养分和水分获取,从而促进植物的生长,使得封育后的土壤和植物作用进入良性循环,最终提高生态系统的生产力。