不同林龄华北落叶松人工林林下植被与土壤理化特性变化特征

高孝威，苏 和，白 艳，杨海峰，李卓凡，李梓豪，张 雷，洪光宇，王晓江

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古大青山森林生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 呼和浩特010010； 3. 内蒙古自治区林业和草原有害生物防治检疫总站，内蒙古 呼和浩特010010)

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)作为中国北方造林面积较大的落叶针叶树种，具有生长快、水土保持效果好等优点。对于生态脆弱区的环境保护及改善，特别是在维持区域景观多样性、涵养水源，以及维持生态平衡、维护生态系统服务功能等方面都发挥着十分重要的作用[1-3]。

林下植被是森林生态系统的重要组成部分，在林分生长过程中，对促进养分循环和维护林地土壤质量起着不可忽视的作用，对维护整个森林生态系统的植物多样性也十分重要，而土壤作为植物生存的重要环境条件之一，对植物群落结构和功能产生重要影响，土壤环境的差异会导致群落演替过程中植物多样性的变化[4-5]。植被-土壤系统是不可分割的整体[6-7]，其相互作用机理是控制生态系统过程的重要机制[8-9]。本文对华北落叶松人工林在成林的不同时期林内生物多样性及土壤理化性质进行研究，分析其林内群落结构特点和土壤理化性质的动态变化过程和相互作用关系，为大青山华北落叶松人工林的合理经营与林分发展提供更多的理论参考依据。

1 研究区概况

研究区位于大青山中部南麓的呼和浩特市武川县哈达门国家森林公园内大青山森林生态系统国家定位研究站试验区，地理坐标为40°37′41″—40°57′30″N，110°45′52″—111°32′12″E，海拔1 800～2 100 m。属大陆性温带季风气候，年降水量350～520 mm，主要集中在7、8月份，占全年降水的80%以上，年蒸发量为1 800～2 300 mm[10]。日照时数2 600～2 800 h，土壤以高山草甸土和栗钙土为主。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2016年8月在生态站试验区内，分别在不同林龄的华北落叶松人工林试验区，设置4块面积30 m × 30 m的样地，3个1 m × 1 m 的草本样方，在样地内进行生物量相关因子调查(表1)。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic information of sample plot

2.2 物种多样性测定

相对重要值：Pi=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3

(1)

Simpson 指数：D=1-∑Pi2

(2)

Shannon-Wiener指数：H=-∑PilnPi

(3)

Pielou均匀度指数：J=(-∑PilnPi)/lnS=H/lnS

(4)

式中：Pi为样方中第i个物种的重要值；S为群落植物种数。

2.3 土壤理化性质的测定

2.3.1土壤物理性质的测定

本试验采用烘干法测定土壤含水量，采用环刀法测定土壤容重和孔隙度。

土壤容重=(环刀干土重-环刀重)/环刀容积

(5)

毛管持水量=(置沙2 h重-环刀干土重)/(环刀干土重-环刀重) × 100%

(6)

非毛管孔隙度=(最大持水量-毛管持水量)×容重

(7)

毛管孔隙度=毛管持水量×容重

(8)

总孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度

(9)

2.3.2土壤化学性质的测定

采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质，采用NaOH熔融-火焰光度计法测定全钾，采用凯氏定氮法测定全氮，采用NaOH碱熔-钼锑抗比色法测定全磷，采用pH 酸度计(土水比1∶5)测定pH值。

2.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0 软件中单因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey HSD、Tamhane多重比较、Pearson进行差异显著性检验和相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同林龄样地物种多样性变化特征

华北落叶松人工林物种丰富度变化趋势随着林龄的增加先上升后下降(表2)，10 a生和29 a生华北落叶松人工林的物种丰富度与其他林龄差异显著。当林龄在17 a时，物种丰富度最大，包含23种草本植物；林龄在40 a时最小，包含7种草本植物。

表2 不同林龄华北落叶松人工林林下植被多样性分析Tab.2 Diversity analysis on understory vegetation of different forest-age Larix principis-rupprechtii plantation

Simpson指数值为 1.22～2.18 之间，变化趋势同物种丰富度一致。10 a生、17 a生和29 a生华北落叶松人工林Simpson指数差异不显著，29 a生和40 a生华北落叶松人工林Simpson指数差异不显著。这可能是由于林分在郁闭过程中，前期林隙较大，光照充足，植物生存空间优越，乔木层对林下植被层生长的影响较小。随着华北落叶松人工林林龄的增大，郁闭度增大，林内光照减少，林下植被生存空间逐渐减小，生长受限[11-12]。Pielou均匀度指数随着林龄的增加先降低后升高，最高值为 0.83(10 a)，最低值为 0.60(29 a)，4个林龄之间差异不显著。

3.2 不同林龄样地土壤物理性质的变化

相同深度的土壤容重随着华北落叶松人工林林龄的增大先升高后降低，饱和含水量、田间持水量、毛管孔隙度则是先降低后升高(表3)。其中10 a生、17 a生和29 a生华北落叶松人工林林地的土壤容重在 1.0 以上，最小值出现在10～20 cm处。40 a生华北落叶松人工林林地土壤容重接近 1.0，不同土层深度的土壤容重均小于其他林分，饱和含水量、田间持水量、毛管孔隙度均高于17 a生和29 a生林分。说明40 a生华北落叶松人工林土壤结构较好，且有机质含量较多，熟化程度较高。其原因可能是受地表腐殖层和植物根系发育的影响[13]，土壤容重减小，孔隙度便会增大，土壤的通透性及水分的贮藏和转移能力提高[14]。不同样地同一深度的土壤物理性质指标只在0～10 cm时差异显著，同一样地不同深度的土壤物理性质各项指标均差异不显著。

3.3 不同林龄样地土壤化学性质的变化

相同土层深度的pH值随着华北落叶松人工林林龄的增加先降低再升高，同一样地pH值随土层深度的增加而增大(表4)。随着华北落叶松人工林林龄的增加，不同林分相同土层深度的pH值在10～29 a生林分中逐渐减小，在40 a生林分中pH值增大。

同一林分不同土层深度有机质含量均随着土层深度的增加而降低(表4)，说明土壤有机质主要来源于地表凋落物的分解，有机质含量较多的林分地表腐殖层也较厚，土壤肥力状况较好[10]。在土层深度为 0～10 cm和10～20 cm处，29 a生和40 a生华北落叶松人工林有机质含量差异显著；同一林分在土层深度为0～10 cm与40～60 cm处差异显著。

4种林龄华北落叶松人工林土壤全氮和全磷随土层深度的增加而减小，说明土壤养分具有表层集聚性[14]，主要原因是森林土壤表层的有机质和元素大多来自于表层枯落物的分解[10]。土壤中全氮含量在 0.74～3.00 g·kg-1之间，全磷在 0.26～0.57 g·kg-1之间，全钾在 15.03～20.38 g·kg-1之间。在0～10 cm土层中，除40 a生华北落叶松人工林林分的全磷外，其他林分的全氮、全磷、全钾含量均为10 a生华北落叶松人工林最低，这可能与枯枝落叶累积较多，分解时间长短不同有关。

3.4 植物多样性和土壤理化性质的关联性

本文采用物种丰富度与不同深度的土壤理化性质进行Pearson相关性分析(表5)，有机质、全氮、全磷和全钾含量与物种多样性均不存在明显的相关关系。说明该地区土壤有机质和土壤肥力能够满足植物的生长需要，并未成为植物生长发育的限制因子，凋落物的分解丰富了土壤的有机质和其他养分含量，提高了土壤的稳定性。

表5 物种丰富度与不同深度土壤理化性质的相关分析Tab.5 Correlation analysis on species richness and soil physical and chemical properties at different depths

物种丰富度与土壤容重呈显著正相关，与饱和含水量、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度呈显著负相关，当土层深度为20～40 cm时，物种丰富度与总孔隙度呈极显著负相关；当土层深度为40～60 cm时，物种丰富度与土壤容重、饱和含水量、田间持水量和总孔隙度均呈极显著相关。说明土壤物理性质对物种多样性影响较大。合理的土壤容重可使土壤疏松多孔，结构性良好，适宜种子萌发及多种植物生长发育，利于增加土壤中的微生物，促进凋落物的分解，提高土壤的蓄水能力和肥力，促进华北落叶松人工林的可持续发展。

4 结论

(1) 华北落叶松人工林物种丰富度指数和Simpson多样性指数变化均随着林龄的增加先上升后下降，Pielou均匀度指数随着林龄的增加先降低后升高。

(2) 相同深度的土壤容重随着华北落叶松林龄的增大先升高后降低，饱和含水量、田间持水量、毛管孔隙度则是先降低后升高。不同林龄有机质含量均随着土层深度的增加而降低，土壤全氮、全磷随着土层深度的增加而减小。

(3) 不同林龄华北落叶松人工林中，物种丰富度与土壤容重呈显著正相关，与饱和含水量、田间持水量、总孔隙度和毛管孔隙度呈显著负相关，与其他指标均不存在明显的相关关系。